Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Виды динамических нагрузок и характеристики колебанийСодержание книги
Похожие статьи вашей тематики
Поиск на нашем сайте
Многие строительные конструкции, кроме статических, воспринимают и динамические нагрузки, сообщающие их массам ускорения и вызывающие появление инерционных сил и колебаний. К динамическим относятся нагрузки, изменяющие свою величину, направление или место приложения на конструкции. Их можно разделить на ряд видов: 1. Неподвижная нагрузка, действующая постоянно или периодически изменяющая свою величину н частоту. Например, токарные и ткацкие станки, типографские машины, различные двигатели, вентиляторы, компрессоры, грохоты, пилорамы, вибрационные машины и другое стационарное оборудование (рис. 8.1, а). 2. Подвижная нагрузка, меняющая свое положение на конструкции. Передается от мостовых кранов, рельсового или автомобильного транспорта (рис. 8.1, б). 3.Импульсная нагрузка, действующая на конструкцию в течение достаточно малого промежутка времени в результате взрыва, внезапного изменения давления газа или жидкости в трубопроводах или резервуарах, при включении, выключении или коротком замыкании электромашин и т. д. (рис. 8.1, в). 4. Ударная нагрузка, создающаяся падающими телами, копрами, молотами и другими механизмами ударного действия (рис. 8.1, г),звуковыми ударными волнами при полетах сверхзвуковых самолетов. 5. Динамическая составляющая ветровой нагрузки, вызванная пульсацией скоростного напора, учитывается при расчете высотных сооружений с периодом собственных колебаний более 0,25 с, например многоэтажных зданий высотой более 40 м, одноэтажных однопролетных производственных зданий высотой более 36 м, открытых этажерок, транспортных галерей, мачт, башен, дымовых труб, опор линий электропередач и других сооружений (рис. 8.1, д). 6. Сейсмическая нагрузка, проявляющаяся в виде беспорядочных смещений и колебаний почвы, толчков и ударов при землетрясении (рис. 8.1, е). 7. Комбинированная нагрузка, состоящая из нескольких видов динамических воздействий, на пример от групповых динамических воздействий большого количества машин с синхронным или асинхронным приводом. Таким образом, динамическая нагрузка вызывается работой машин и оборудования с неуравновешенными массами, транспортными средствами, взрывами и ударами, порывами ветра, морской волны, сейсмическими и другими воздействиями. В строительных конструкциях под действием динамических нагрузок возникают колебания, перемещения и деформации, усилия и напряжения. Причем, если результат воздействия статической нагрузки определяется величиной, влияние динамической нагрузки оценивается не только ее величиной, но прежде всего характером воздействия.
При этом приходится считаться: с разрушительным действием вибрации на конструкцию в связи с усталостным снижением прочности материала; с динамической устойчивостью сооружения или грунта основания; с вредным влиянием вибраций на организм людей и нормальную работу технологического оборудования. Динамическая нагрузка вызывает колебания конструкции - Свободными или собственными называют колебания, которые совершает конструкция за счет внутренних упругих сил, после того как она каким-либо образом выведена из состояния равновесия и внешняя возмущающая сила устранена. Виброграмма таких колебаний вследствие рассеяния
Рис. 8.2. Виброграмма затухающих колебаний
энергии имеет затухающий характер (рис. 8.2). Время полного цикла , соответствующее двум полуволнам, называют периодом колебаний. Для свободных колебаний он остается неизменным. Количество циклов колебаний в единицу времени называют частотой колебаний . Число циклов колебаний за секунд называют круговой частотой колебаний — . Степень затухания колебаний характеризуется логарифмическим декрементом колебаний . откуда коэффициент затухания Затухание колебаний связано с затратой энергии на преодоление внешних и внутренних сопротивлений. Внешние сопротивления обусловлены силами трения в опорных закреплениях и узловых сопряжениях, сопротивлением воздушной среды и другими факторами. а б
Рис.8.3. Диаграмма работы материалов: а - идеально упругого;б - упругопластического
Внутренние сопротивления обусловлены в основном пластическими деформациями материала. Зависимость между внешней силой и перемещениями материала показана на рис. 8.3. Площадь замкнутой петли гистерезиса пропорциональна работе , поглощенной в необратимой форме за один цикл колебаний, а площадь заштрихованного треугольника на рис. 8.3, б пропорциональна работе упругих сил за четверть цикла при возрастании деформации от нуля до максимальной величины. Отношение необратимой энергии к работе упругих сил системы за четверть цикла называется коэффициентом поглощения энергии:
При экспериментальном определении коэффициента поглощения энергии для повышения точности виброграмму разбивают па несколько участков по циклон в каждом (см. рис. 8.2) и определяют среднее значение коэффициента: В расчетах вместо коэффициента поглощения энергии часто пользуются пропорциональным ему параметром, называемым коэффициентом неупругого сопротивления: Значение коэффициента определяются экспериментальным данным при затухании собственных колебаний в зависимости от материала и категории нагрузки.
Рис. 8.4. Максимальные , минимальные , средние и амплитудные напряжения цикла вынужденных колебаний
Категория динамической нагрузки устанавливается в зависимости от величины и характера внешнего воздействия. К I и II категориям относятся слабые и умеренные импульсы , к IIIи IV— сильные и очень сильные / Вынужденными называются колебания, вызываемые внешней возмущающей силой при ее непрерывном воздействии. При таких колебаниях системе непрерывно сообщается энергия со стороны действующей силы. Часть этой энергии затрачивается на преодоление внешних и внутренних сопротивлений, оставшаяся вызывает колебания, которые не затухают, пока действует возмущающая сила (рис. 8.4). Период вынужденных колебаний равен периоду возмущающей силы. Амплитуда от начальных условий не зависит. Частота возмущающей силы может быть и переменной во времени. Когда частота возмущающей силы близки или совпадает с частотой собственных колебаний конструкции, происходит резкое увеличение амплитуды (рис. 8.5, а ), что связано с явлением резонанса. Если частота возмущающей силы изменяется, резонанс прекращается. При резонансе возникают недопустимые для нормальной работы конструкции перемещения и деформации, которые могут вывести ее из строя. Известен случай разрушения вантового моста через залив Такома в США от чрезмерных колебаний пролетного строения, вызванных ветром. Для высотных гибких сооружений типа мачт, дымовых труб производят поверочный расчет на резонанс, который возможен при таких скоростях, когда частота срыва вихрей совпадает с собственной частотой колебаний сооружения. Когда частоты вынужденных колебаний становятся кратными частотам собственных колебаний, наблюдается частичный резонанс в менее выраженной форме. Резонанс следует отличать от биения (рис. 8.5, б), когда на конструкцию действуют две силы с весьма близкими частотами. Если какой-либо из параметров конструкции, например масса или жесткость, периодически изменяется при действии внешней возмущающей силы, такие колебания называют параметрическими. Они возникают, например, при вращении вала некруглого сечения с переменной жесткостью.
Рис. 8.5. Виброграмма колебаний: а - резонанс; б – биение
Незатухающие колебания, вызванные постоянно действующей внешней силой, находящейся за пределами конструкции, называют автоколебаниями. Это колебания линий электропередач, вантовых мостов, высоких гибких мачт и других конструкций при постоянной скорости ветра. По виду деформации упругих элементов строительных конструкции различают продольные, поперечные и крутильные колебании. Важной характеристикой конструкции является число степеней свободы - количество независимых геометрических параметров, определяющих положение конструкции в любой момент времени. Строительные конструкции, как правило, относятся к системам с бесконечно большим числом степеней свободы. Но если второстепенными факторами пренебречь, их число можно значительно уменьшить. Так, гибкую балку на двух опорах с одним сосредоточенным грузом, когда масса балки не превышает 0,1 массы груза, рассматривают как систему с одной степенью свободы, пренебрегая собственной массой балки. Колебания такой балки, например, при падении грузов в се редине пролета называют главными нормальными или колебаниями первой формы (рис. 8.6, а).
Рис. 8.6. Колебания балки: а – первой формы; б – второй; в – третьей; г – четвертой
Если же удар произойдет в четверти пролета, возникнут колебания, соответствующие высшим гармоникам, или второй, третьей и четвертой формы (рис. 8.6, б, г). Совокупность частот собственных колебаний конструкции называют спектром ее частот. При расчете гибких сооружений типа мачт, башен, вантовых, антенных и других систем приходится считаться с колебаниями не только основного тона, но и наличием высших собственных частот колебаний системы. Отношение значения какой-либо величины при динамической нагрузке к ее значению при статической нагрузке (рис. 8.7) называют динамическим коэффициентом: Где - перемещение, вызванное динамической нагрузкой; - перемещение от той же нагрузки при ее статическом воздействии.
Рис.8.7. К определению динамического коэффициента
При действии вибрационной нагрузки наибольший амплитудный динамический коэффициент, определяемый без учета сопротивлений, вычисляется по формуле
Где и - соответственно частота вынужденных и собственных колебаний. Динамический коэффициент установившихся колебаний с учетом неупругих сопротивлений определяется по формуле [8.2]:
При коэффициент близок к единице, а амплитуда вынужденных колебании незначительно отличается от статического перемещения. При приближении отношения к единице коэффициент при отсутствии сопротивления стремится к бесконечности и формула (8.1) теряет смысл. Значения коэффициента приведены на рис. 8.8. При из (8.2) получаем
.
При возникает резонанс. Фактически силы сопротивления значительно уменьшают динамический коэффициент, оказывая наиболее существенное влияние па его значение в резонансной зоне: . Строительные конструкции должны быть запроектированы так, чтобы при работе они не попадали в резонансную зону. Кривые, изображенные на рис. 8.8, называют резонансными. При вынужденные колебания и возмущающая сила находятся в одной фазе - . Например, для груза, подвешенного к пружине и под действием возмущающей силы перемещающегося вниз, возмущающая сила имеет наибольшее значение и тоже направлена вниз. При приближении к резонансу сдвиг фаз возрастает, а когда , сдвиг фазы (рис. 8.9). После резонанса, когда , стремится к . Если сопротивление исчезает , сдвиг фазы происходит скачкообразно (на рис. 8.9 показан жирной линией).
Динамические расчеты выполняют по двум группам предельных состояний. По первой группе проверяют несущую способность конструкции (прочность, выносливость и устойчивость), по второй - пригодность конструкции к нормальной эксплуатации. Прочность, устойчивость и выносливость оцениваются на основании данных о внутренних усилиях и напряжениях, а также перемещениях, вычисленных для характерных сечений строительных конструкций. Разрушение при повторно-переменной нагрузке происходит при напряжениях, меньших предела прочности, и все процессы, происходящие в материале, носят ярко выраженный местный характер. Вид нагрузки, характер напряженного состояния, концентрация напряжений, образование микро- и макротрещин, природа материала и его свойства оказывают влияние на предел выносливости. Пределом выносливости называют максимальное напряжение, при котором материал не разрушается при заданном числе циклов переменных нагрузок. Значительное влияние на предел выносливости оказывают минимальные и максимальные напряжения цикла (см. рис. 8.4). Отношение этих напряжений называют характеристикой цикла: Среднее напряжение и амплитуда цикла определяются по формулам: При динамической нагрузке большой интенсивности, но малой продолжительности (взрыв, удар) наблюдается увеличение временного сопротивления материала. Происходит так называемое динамическое упрочнение. Большое влияние на предел выносливости оказывает количество циклов повторно переменной нагрузки. Иногда продолжительно действующая периодическая нагрузка может создавать значительный динамический эффект. Однако при больших напряжениях разрушение может произойти и при малом числе циклов в результате малоцикловой усталости материала. Все эти обстоятельства необходимо учитывать при динамических расчетах строительных конструкций. В некоторых случаях динамическая нагрузка может вызвать потерю общей или местной устойчивости конструкции, а для высоких гибких сооружений и призматических конструкций при воздействии потока ветра возможна аэродинамическая неустойчивость вследствие вихревого возбуждения, или галопирования. Для обеспечения нормальных условий работы людей, технологического оборудования и измерительных приборов ограничивается амплитуда динамических перемещений: , где - амплитуда вынужденных колебаний конструкции; - предельно допустимая амплитуда вынужденных колебаний, устанавливаемая санитарно-гигиеническими и технологическими нормами. Сейсмическая нагрузка относится к числу особых и зависит от силы сейсмического воздействия, измеряемого в баллах, периода и формы свободных колебаний конструкции и ее массы. Колебания распространяются от эпицентра землетрясения во все стороны в виде продольных, поперечных и поверхностных сейсмических волн. Динамический расчет зданий, расположенных в сейсмических районах, основан на упрощенных предпосылках норм. При расчете конструкции учитывают статическое действие сейсмических сил, распределенных в зависимости от массы сооружения. Расчетная сейсмическая нагрузка , соответствующая тону собственных колебаний конструкции, вычисляется по формуле:
Где - нагрузка, вызывающая инерционную силу, принятая сосредоточенной в точке (с учетом коэффициента перегрузки); - коэффициент сейсмичности, зависящий от расчетной сейсмичности в баллах; - коэффициент динамичности, соответствующий -ой форме собственных колебаний конструкции; -коэффициент, зависящий от формы деформации конструкции при его собственных колебаниях по - ой форме и от места расположения нагрузки . Колебания здания выражаются законом затухающей синусоиды при горизонтальном направлении сейсмических сил вдоль продольной или поперечной осей здания с точкой их приложения в уровнях междуэтажных перекрытий. Расчетная схема сооружения имеет вид консольного стержня на подвижном основании с произвольным расположением по его высоте масс и жесткостей (рис. 8.10). Для протяженных в плане зданий схему следует усовершенствовать. Если масса и жесткость здания по высоте изменяются незначительно, учитывают колебания только первого тона. Для гибких высотных сооружений учитываются колебания и высших тонов. Колебания при землетрясениях носят хаотический нестационарный характер и трудно поддаются описанию четкими математическими зависимостями. Условно колебательный процесс рассматривается как случайный стационарный, как суммарное действие ряда гармонических колебаний. Представляют интерес не только перемещения и скорость, но главным образом сопровождающие их ускорения с отдельными пиковыми выбросами. Для записи сейсмометрических данных применяют различные измерительные приборы. При динамических испытаниях, так же как и при статических, напряжения не поддаются непосредственному измерению, и их приходится определять косвенными методами: по деформациям, по амплитуде и форме колебаний, по ускорениям и перемещениям.
Рис.8.10. Расчетная схема сооружения при сейсмических воздействиях
|
|||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-28; просмотров: 6069; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.142.130.127 (0.009 с.) |