Способ физического моделирования строительной конструкции Советский патент 1987 года по МПК E04B1/00 

Изобретение (этноситгя - M j.ri.c. inpr- ванию строительных констру :цигт, no v верженньк колебаниям, и может 5bn f-. использовано для исследова}:ия на моделях при дейстзик статических ; . намических нагрузок ка бо:.:ьше11ролет- ные балки, высотные здания,, -мачгЫ; трубы и пр.

Цель изобретения - обес;1 ече ие исследования на модели напряженно-деформированного сост(5яния,. частот ; форм собственных колебаний строи-телгь ной конструкции при действии на последнюю статических и динаиз-гческих кя грузок.

На чертеже показана мо/и;:ль башни,, установленной на здании с, ег,пубоки;-фундаментом.

Способ физического мод ы крогакпя включает выполнение модели в уменьшенном. о,динаковом для всех элементов модели, линейном м:асштабе с наковьми для каждого элемент,а коде. и имитируемого элемента натуры масштабами; плотности, создание статической и динамической нагрузк;-: на мо,,г-:е: и измерение деформации моде:ли, Ка;-:;д:-:т элемент модели, имитирующий соотзет- ствующий элемент строительной ,--- струкцни, выполняют в oniiON ггипейиом масштабе, равном отношение;) масизта&ог модулей упругости и п.1:;отности мат:;ри ала элемента модели и имитируемого элемента натурь:, соединяют эле1--;енты модели между собой и с оснс-заниек с помощью элементов жесткости, подоб- ранньк расчетнмч путем по реа,тоиьа 1 жесткостям соединения элемеггтов и закрепления строительной к с;: не тру к ци;-; пропорционально линейному масштабу и масштабу распределенньк масс,,, в местах действия сосредоточ«::ннь;х: тических и динамических н; рузок помещают сосредоточенные им г: г1ру;0 и;ие динамические нагрузки масс,, ко горч.гч сообщают ускорения, разны( ускорени-- ям, действующим на натуру,, 3 -:;еряют амплитудно-частотные характеристики элементов модели, по которьсм определяют частоты и формы собст: енньк колебаний строительной конструкции, при этом масштаб сосредоточенной массы принимают равньм масштабу распределенной массы, а квадрат масштаба частот колебательного двгокения равным обратной величине линейного масштаба.

,;;; :-п с трс;; :,е: ьнои кок- fv pvKivHH моделируется от,чс:льно. Опре /и ,:истся лчмейный н|,нсштаб, а так клк

ГК ФИ -: - - Р с КЧХ Хй г я ,-| -т Мс.тери;о .; -,:гемг ;г; ,.i;;;;e H и нат;рЬ:,. то Д,Л, С УПС - .-- Е bt-Cf: КО ЦГ-Ч -КЦИК

iexeFTbi KOToiJC ;-; кг г, го члены и ,. р:, - чог о материа; ; „ :;;: о/гня-ят гюдоор герий-га io,. i: -ч тчк. чтобь ( чи Г ь о iHriaKO ;игй 1 И},е;-;ь- Ч ;-.,си Т , д :тиро; ;аякя и о, ТИ1;;;ковый .-а.пгтаО пл,этности -2а рр лл, : ; .юдзли i l , :ЛК BCtiX 3vnc::,1SM.T(,;4 , fi ХачесТ ЗС М 1

риала для элекенто-: моягли мог у :- г: о,ь ,-:); а т ье- г;, массьи :

мо,цели , гтредс а п:;я-,и:;и; ,;к r: o - i- р:;-ески, ког-н;-. j:e -iea ; ОР C ,o:i,,;oT - {:;:;;;;у собс к с с-:С чс ;к: :: /.

; ,;: олемеитоа : ; ест ;ости. ,Г1-1Я ;,:: ;,:;bHi,:e j:: :4:-Hrri лсссл кости ,, 2,г у:;;а1ци а;.ч coi,,,дЛИfч; 1Я ,5лемеитог-; натуры мй;,д С; 0с й vi jrtK;: / ,n: -iMf; к ос копанию, ьм-- :; ;:;ii;i: ;T- :;: вид,.: L,:ipH,pa, шарнир,: : ; :,;1уж;: ;ой , К,;,; D ВI). i К г ji,, tift :. г ру;:,:р, мамм .

,)(, о реал;-Рон : i:ecTKccT -i,, .-гчек- :-: чу масштаб ;/ ;; мае, ji i a iy pac:Tp;: ;,ej: t: ,г

п-. - лк ;ай;:ь;й ;,:::.штаб;

) 11 .- t,, ,,,/, ,...,. . . ..,. , ..,-урной ко;;струк1гии ,,,jj - лзгчбнэи :- ;естксст,ь ча гу:, -ной 011СТруК1|ИИ ,

Далее на Г)ужа1ст модель сосредст,:;Ч ;г(НОЙ CT,LiTK :eCKOA j: л,-НаМИ -:3 АОЙ

на ру:1кой, ,лх чегч; s ес -ах -ейс г- пия сосредото - еиной статичр;:кой и ди; льп-гческой bar-pv KVi iioMeiuaijr май:- :,,;.

;С;;И (ЯКЬ: КСТ О-ЬГК (,;Г;1 С :С, Я,Ч СЯ :;. С- от -fOine iH;- :

к каждой м.;;ссе, имитирующей динамическую наг рузк у.,, сообщают ускоре- мия, равные ускорениям, ,действующ -ьч ка натуру. В качестве сосредоточенных масс могут использоваться материалы с высокой плотностью, например

1

металлы. Имитацию ускорения можно осуществить различными методами. При испытании на сейсмостойкость используют сейсмограммы района застройки.

Для определения только частот и форм собственных колебаний натуры имитация ускорения достигается вибратором KOTopbtfi устанавливают в месте наибольшей податливости наиболее жестко го элемента модели. Для исследования также и напряженно-деформированного состояния модели необходима точная имитация всех действуюпщх динамических нагрузок на натурную конструкцию

С помощью вибро- и тензоаппарату- ры замеряют деформации и амплитудно- частотные характеристики элементов модели, по которым определяют напряжения, частоть и формы собственных колебаний натуры используя линейный

ШЕ 1 с

, частотный т, -., масштабы и

ip-Imp

масштаб напряжения ,.

При моделировании с учетом динамических явтгений важно подобным образо с натурой распределить плотность материала внутри элементов модели, чтобы сохранить при уменыиеином линейном масштабе одинаковые с натурой инерционность и жесткость, а значит и ускорение любой точки модели и натуры при линейном характере нагруже- ния. I

Однако, для случая работы конструкции на растяжение - сжатие и изгиб, сопровождающейся продольными и изгибными колебаниями, подобное распределение плотности возможно, если линейньй масштаб моделирования определять как отношение масштабов модул упругости и плотности материала элемента модели и имитируемого элемента натуры, т.е.

m

( Рч

Е Шр ЕН рм Данный масштаб не меняется и если помимо распределенной нагрузки, на элемент воздействует сосредоточенная нагрузка при условии равенства масштабов распределенных и сосредоточенm м Мм ных масс, т.е. - --.

т„ MK

Как и при статическом моделировании рассматриваются материалы с линейной зависимостью деформации от напряжения.

12

Динамические явления в строительной конструкции, подверженной изгиб- ным колебаниям. norvT б згть выражены уравнением изгибиьк кол,тбаний стержней с равномергЧ распределенными по длине стержня нараметраьш.

При раст. оложении сосредоточенной массы пос зредипе пролета и выполнении процедуры получения собственных форм колебаний, имеет место два критерия подобия, обеспечг ваЮ Ние опина- ковые инерционные и кесгкостные свойства модели и натуры:

1 , S-..

mv: п

М. MK

Критерии сохраняются ii для иньп схем закреплен11Я стержня, следо за- тельно, критрр -:и можно применить и для составных, по pa3HONi - закрепленных стержней.

Путем несложных преоЗрггзований из найденных критериев динамического подобия прн условии полного Г вометри- ческого подобия модс. ти и натуры н о 11 ог у ч и т ь с о о т и о III е н и я ;

тс

1

- .;|;;7Из последнего соотношения следует, что ускоре 1ия, воздействуюсц-ге на элементы модел н натуры, должны быть одинаковыми.

Таким образом, есля на элемент модели воздейстчсрать придания ускорения, равного ускорению, действующему на имитируемьй элемент натуры, то в линейкой области колебаш- Я модели и натуры будут идентичны, , одинаковы формы колебания. Также в соответствии с принципом независимости дбР стзия сил влияние гравитацион ного поля земли для модели и натуры будет одинаков)1м и не пот лечет изменение масштабов.

Приведенные масштабы сохраняются и для случая работы элемента на растяжение-сжатие, сопровождающейся продольными колебаниями.

Следовательно, на модели можно исследовать поведение натурной конструкции в л;1нейной низкочастотной области колебаний, которые являются наиболее опасными.

Способ физического модели рования строительной KOHC jpyKunH включает распределение плотности .внутри всех

элементов Mo/u -in, р;-к:п1 е, ;е.г;; ике CQ:.-- редоточеиньпк мае: :, нмитируниглх к;:1Ь7 статические, тяк и димами ;ч кие нагрузки, Д(йстпую1 1:ие на кон-- CTpyicLUiK), и-;, олеме -р. ОБ ягестко-: :: модели,, служащих для сог ряженчя н соединения элемечток модели между собой и с ос.ювачием ii един; (и чрс1г;г ный масщтахт.

Распределение плогкост;) .атепкала осуществляют путей изго7 О1:и)ения каждого э.1емента модели в линейном масштабе, одинаковом для jscex :-):, и .ранном отношению масштабоу; модулей упругости и плотности элемента модал и имитируемого элемента ,, зтпи- чем материал элементов модьи и пЕ,;бира ют так, чтобь; масштабы плотности zc,- ответствуюпшх эламе топ мо.чели .-( .-га- туры были олинакопь ми, а зи;:-чит одинаковыми должны быт ь маглитпбм ко-- дулей улругости ггри рас nireiiMH, сжатии и изгибе.

Распределение сосрадоточ :;-;кьк масс осуиесткляют rio месту и ззлт- чи ке. Место распо-ложс ния с ос;:. пог(:ч&к- кой f.ia; .cbi на моде/ти определ;- ет т i.,r: том сосредоточие c i aTii - ческой ii дина чеекой нагру:- К;1 натуру,, а неитичина - мас.ут абс -; редоточенчьгк масс, которслй . быть ране-: масил абу пасп.зедс Л е ;acc ,

Полбо о элег-:еы ов лсаст;-:о:: г

осуп ес гз.пяют рас етчь м п;

алькым жесткостям соединени:-; з;

тов и .закрепления строительной

;iK Я1 бря -р 1 ЯССОЙ ,,,,.,

( i .«aС;г и ; ; О, ;. :;атии с г с лл i а ют 13 1 -. л{ с с с: v - то - нь н)т лчьей:-:. и лг; зс ;

,1 12;; ,. ,,,,.,

,) - . .-:.

ИодС Ирают для ;.)0г, зл :з I и Ф . ндаче ита j ис удельно; - f Ii

i 1 -

Ml

. 1 Kaj or ii irC npv.,;se; h : - ;KHbD : nejieiro-.; ;:;..; ч

Им :Т аДИЮ ,

. Nuj Ui) ) ;. : a HO:

1 г. -, V,

r .v.. riDtjXI 1.V. 1C -

в кач2ст-ве примера ножн : ,- г:р:изес и моделиоовакие ста. башн:.1; усгг- новленной на здании с -:er.av6c XHH фун даментсл-а из бетона (че1: те; ;:)

Здание 1 удерживает баскр 2 пос-- редстжзм фундамс 1та 3 массой . .,„ , Здание 1 имеет междуэт.ажные перекрытия 4 и 5,, масса которых с обооудо- занием соответственгго М,,,/,, M ;,,vi На покрытии 6 зда(гия 1 массой М.у, . зк- сольно закреи.пена башня 2. Жесткое основание 7, на кот ором расположен фундамент 3, снабжено пружинами Е и 9 с продольной жесткостью гибкой жесткостью С , д,,

Й1Л1

: о о т в ет с т в е н но

1О,;Сли башни I 3 . с .с гне : С7 - ;)утяи iiX г)е Ti: л о:-- у рас;:о.1л;Ж1.- и/о н натуре, предзауите.зьно проверив массы Геометрическу а ;;олик 6d :iHri I из ор1чтекла с лытенками 0 н1-гж -им кон- лом вставляют 3 отв рс1 ие2 лодг о тО Ввакт клеем с папо ните- 2ем из неногила- сга. Закрепляют виб-эат ор i 1 , исполь- зул анкерные болты .-{з оргсте1сла. Затем подбирают ri :, ;Hjib 8 и 9

имитации продольной и изгибной жесткости основания 7. Продольную жесткость 8 и 9 определяют так

г Лл5 -10 . . пм mj -чи 0,1007 .3JJ

Ч0-зс,,н;

Изгибнуго жесткость - С,.„ . С 1,544.10. 0,1007-С,,555 10- С,, где С и C - продольная и изгибная жесткость натурного основания 7 - фундамента 3 в месте предполагаемого строительства.

Пружины 8 и 9 одним концом закрепляют к неподвижному жесткому основанию 7 с помощью винтов, другим концоь к фундаменту 3 с помощью анкерных болтов из оргстекла. Очевидно, масса пружин 8 и 9 должна быть на порядок и более меньше массы фундамента 3, чтобы исключить влияние этих масс на колебательную систему здание 1 - башня 2, либо массы пружин 8 и 9 должны учитываться при моделировании фундамента 3, Проверяют вертикальность оси собранной модели. Приклеивают тензо- и вибродатчики к оргстеклу башни 2 и пенопласту здания 1 на разных уровнях. Выполняют статическую тарировку приборов. Для этого собранную модель вместе с основанием 7 кладут на горизонтальную плоскость и выставляют электрический нуль для всех теняодат- чиков. Закрепляют основание 7 и здание 1 к горизонтальной плоскости, освобождают башню 2 от опирания на Г о- ризонтальную плоскость, и фиксируют тарировочный сигнал от датчиков башни 2, вызванный изгибом консоли башни 2 под действием собственного веса и веса антенн 10. Освобождают здание 1 от опирания на горизонтальную плоскость и аналогично предыдущему выполняют тарировку датчиков здания 1, Устанавливают модель вертикаль:Ю в исходное положение и фиксируют тарировочный сигнал тензодатчиков от действия веса собранной модели в продольном направлении. Сравнивают тари- ровочные сигналь; в эквивалентных точках модели, в которых теоретически должны быть одинаковые напряжения изгиба и сжатия. Поэтому заранее определяются эти точки и в них также закрепляются тензодатчики.

Тарировку виброприборов выполняют на вибростенде. По известной сейсмо

5

П

Ь

0

0

0

5

грамме на уровне 11окрыт;1я 6 определяют режим рибратора 1 1 , после включения которого изменяют деоорма- шт и амплитудно-частотные характеристики на всех :-Г ВНЯх рс: ягемени, и с помощью масштабов выполняя пересчет, определяют частоты и сЬормы собственных ;;слебаний натуры.

Формула изобретения Способ фияического кгсделирорания

строительной К ОНСТруКиИИ , ВКЛЮЧПХП ИЙ

выпол1:ение моде.И з уменьшенном, оди- HaKOFiON для всех элемеь тов ь1о;1Рли, линей;- ом маг;п тлбе с одинаковыми для каждого , ь одели и имитируемого элемента лат-уры мас лтабами плот- кости, создание г :-лткческой ; л птями- ческой нагрузки нл моде:.ь м и: мере- ние деформации мо::,ми, о т л и ч а - ю щ и и с я , что, с целмо печения возможности исследования ча модели капряже}-:но-дефорь:ироваиного состояния, частот и фоом собстренных колебаний строительной конструкции при де1-:ст1п:и ка т .оследнючэ стат; : -;еск:-п и динамических наг рузок, каждьа: элемент модели, имитирур гаий соотнетст- вующий элемент строительной конс- -рук- ции, выполняют в одном линейном зrm- таое, равном cTiiCQieHHsc м;1сипч1бсв модулей упругост и плотнссти элемента модели и ;-;митируо:-:ого элемента натуры, С11СД1-:ня ОТ элементы :-tc- дели между собой и с ocнoвa: Lг s с ,ьк элемектов жесткости, подобранных расчетньм путем по реальным жесткостям соединения элементов и закреп,ения строи ельной конструкции пропорционально линейному масштабу к масштабу рас; ределенных масс, в местах действия сосродоточеннь Х стат;-;- ческих и . I-; ecкиx нагрузок no -ie- щают сосредотс ченные имитиpyюI IJ e Ц1-{- намические нагрузки м-ассы, которым сообщают ускорени.ч, равные ускорениям, действующи на натуру, измеряют амплитудно-частотные характеристики элементов мсдел;;, по котор;-пч определяют частоты и формг11 собствснньсс колебаний строительной конструкции в целом, при этом масштаб сосредоточенной массы при.нимают разным масштабу распределенной массы, в квадрат масштаба частот колебательного двз-гжения равнь М обпатной величине линейного масштаба.

L /

Изобретение относится к способам физического моделирования строительной конструкции. Цель изобретения - обеспечение возможности исследования на модели напряженно-деформированного состояния, частот и форм собственных колебаний строительной конструкции под действием на последнюю статических и динамических нагрузок. Каждый элемент модели выполняют в одном линейном масштабе, равном отношению масштабов модулей упругости и плотности материала элемента модели и имитируемого элемента натуры, соединяют элементы модели между сдбой и с основанием с помощью элементов жесткости, В местах действия нагрузок помещают сосредоточенные инп тируюп1ие динамические нагрузки массы, которьм сообщают ускорения, измеряют характеристики элементов модели и по ним определяют частоты и формы конструкции. Масштабы сосредоточенной и распределенной масс принимают равными, а квадрат масштаба частот колебательного движения - равным обратной величине линейного масштаба. 1 ил. ю