Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.954.04

ДОСЛІДЖЕННЯ МІЦНОСТІ

ПІРАМІДАЛЬНО-ПРИЗМАТИЧНИХ БУНКЕРІВ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2001р.

Дисертація присвячена детальному аналізу роботи конструкції одиночного підвісного сталевого пірамідально-призматичного бункера з урахуванням його просторової роботи. При цьому використовувались сучасні дані досліджень вітчизняних та закордонних вчених. В якості метода досліджень обраний метод математичного моделювання на основі методу скінчених елементів (МСЕ) з чисельною реалізацією на базі ліцензійного проектно-обчислюваного комплексу SCAD.

В роботі показано, що напружено-деформований стан бункерів такого типу при дії статичних і температурних навантажень є досить складним та неоднорідним і потребує розгляду конструкції як єдиної об'ємної системи. Встановлено, що схема роботи споруди нагадує роботу балки зі шпренгелем. Виконано порівняльний аналіз існуючих конструктивних схем та проведено вибір найбільш раціональних з них. Наведено ряд рекомендацій, які дозволяють удосконалити конструкцію сталевого пірамідально-призматичного бункера та уникнути типових помилок при його проектуванні. Подано розроблені скінчено-елементні розрахункові моделі та отримані рекомендації щодо дискретизації та методики розрахунку. Дана оцінка динамічним властивостям бункера такого класу в порожньому та завантаженому станах. Запропоновано удосконалену методику його проектування на основі МСЕ. Представлені результати можуть послужити основою для розробки сучасної вітчизняної нормативної бази для проектування конструкцій такого типу. Дослідження дозволяють вказати напрямки подальших робіт в даній галузі.

Ключові слова: сталевий пірамідально-призматичний бункер; метод скінчених елементів; міцностні, жорсткостні та динамічні властивості; методика проектування.

Банников Д.О. Исследование прочности пирамидально-призматических бункеров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2001г.

Диссертация посвящена детальному анализу работы конструкции одиночного подвесного стального пирамидально-призматического бункера. Его напряженно-деформированное состояние, а также основные прочностные, жесткостные и динамические свойства определяются с учетом пространственности работы конструкции, рассмотрении ее как единой, объемной системы.

В качестве метода исследований был выбран метод математического моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ), численная реализация которого проводилась на базе лицензионного проектно-вычислительного комплекса SCAD.

В работе показано, что напряженно-деформированное состояние бункеров такого типа при действии статических нагрузок от собственного веса конструкции и давления сыпучих материалов (с учетом и без учета трения о стенки конструкции), а также технологических температурных нагрузок является достаточно сложным и неоднородным и не может быть верно описано набором плоских расчетных схем. Численные расчеты подтвердили справедливость теоретически обоснованной Ягофаровым Х. расчетной модели пирамидально-призматического бункера, которая напоминает работу балки со шпренгелем.

Проведенный сравнительный анализ различных существующих конструктивных схем (при вариации основных конструктивных - расположение, ориентация и шаг постановки ребер жесткости, высота вертикальной части, угол наклона стенки воронки, и технологических параметров - вид загружаемого сыпучего материала, различный характер задания его давления) позволили привести рекомендации относительно выбора наиболее рациональных из них с позиций надежности и экономичности работы сооружения, которые в дальнейшем могут быть приняты в качестве типовых решений. При этом использовались современные данные исследований отечественных и зарубежных ученых в данной области. Ряд рекомендаций касается непосредственного усовершенствования конструкции бункера такого типа и может помочь избежать некоторых типовых ошибок при их проектировании.

Приводятся, также, разработанные конечно-элементные расчетные схемы, рекомендации по дискретизации данного класса конструкций и методике проведения расчетов, полученные в процессе отладки моделей на опубликованных результатах натурных обследований и физических экспериментов. Среди них - обязательный учет геометрической нелинейности работы бункеров, необходимость дополнительной оценки точности решения в отдельных случаях.

Все полученные результаты обобщены в предлагаемом в работе принципиально новом подходе к расчету и конструированию стальных пирамидально-призматических бункеров на основе МКЭ. Приведен пример практического использования такой методики, позволяющей снизить материалоемкость конструкции, в среднем, по теоретическим подсчетам на 30-40 %.

В работе дана оценка динамическим свойствам конструкции бункера в порожнем и загруженном состояниях, а также выполнен анализ влияния на них вариации вышеуказанных основных конструктивных параметров. Полученный спектр нижних частот лежит в диапазоне 5-25 Гц. Показано, что конечно-элементный подход может быть использован не только для решения ряда динамических задач, но и как численно-теоретическая база принципа динамической интегральной диагностики применительно к стальным пирамидально-призматическим бункерам.

В целом, выполненные исследования позволяют указать пути и направления дальнейших работ в области прочности и динамики конструкции бункера данного типа, в особенности решения ряда динамических и тепловых задач, учета начальных несовершенств системы, задачи многокритериальной оптимизации конструкции. Представленные научные результаты могут послужить основой для разработки современной отечественной нормативной базы для проектирования таких и аналогичных конструкций, отвечающей современным международным требованиям.

Ключевые слова: стальной пирамидально-призматический бункер; метод конечных элементов; прочностные, жесткостные и динамические свойства; методика проектирования.

Bannikov D.O. Investigations of Pyramidally-Prismatic Bunker Strength. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on Specialty 05.23.01 - Structural Constructions, Buildings and Structures. - Pridneprovsk State Academy of Construction and Architecture, Dnepropetrovsk, 2001.

The dissertation is devoted to detail analysis of work of a single hanged steel pyramidally-prisma-tic bunker with taking into account its spatial work. In this process the modern data of research of native and foreign scientists were used. As a method of investigations the method of mathematic simulation on the base of finite element method (FEM) was chosen. Its numerical realization was done by means of license SCAD software.

In the paper is shown, that stress-strain state of the bunker of the such type under the static and temperature loads is complicated and inhomogeneous enough, and need to examine of the construction as a united spatial system. It is shown the scheme of structure work reminds a sprengelled girder work. The comparing analysis of existing structural schemes and choose the most rational of them were done. The recommendations as for improving the construction of the steel pyramidally-prismatic bunker and avoiding of the typical mistakes in designing are given. The carried out finite-element models and some recommendations as for discretization and computing methodology are presented. The estimation of dynamic properties of the such type bunker in empty and full states are done. Its improved designing method on the base of FEM is suggested. Presented results can be used as a base for carrying out of modern native norm documents for designing of the such type constructions. Investigations allow to show ways of the further researches in this sphere.

Key words: steel pyramidally-prismatic bunker; finite element method; strength, rigid and dynamic properties; designing method.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Використання сталевих пірамідально-призматичних бункерів у різних галузях господарства нараховує вже біля ста років. В силу своєї простоти вони є досить розповсюдженим типом ємкостей для накопичення та збереження сипучих матеріалів. У той же час, це один з найменш вивчених видів будівельних конструкцій, робота якого досліджена ще не в достатній мірі.

Діюча методика проектування пірамідально-призматичних бункерів базується на умовному поділі конструкції на окремі прості елементи з наступним розрахунком кожного з них по елементарних плоских розрахункових схемах. Такий підхід не дозволяє належним чином оцінити міцностні й жорсткостні властивості бункерів, оскільки втрачається винятково важливий фактор просторовості роботи системи. В результаті, конструкції виходять досить неекономічними і недостатньо надійними.

Актуальність теми. Як відомо, одним зі шляхів зниження матеріаломісткості й підвищення надійності будівельних конструкцій є урахування їхньої просторової роботи. Дана проблема особливо актуальна для сталевих пірамідально-призматичних бункерів і необхідність її рішення давно вже назріла. Це наочно ілюструє вже той факт, що прийнята на сьогодні офіційна методика розрахунку і конструювання такого типу бункерів не зазнавала принципових змін протягом усього свого існування і не може вважатися такою, що відповідає сучасним вимогам.

Мета і задачі дослідження. У зв'язку з вищевикладеним, метою даної роботи є встановлення напружено-деформованого стану сталевого пірамідально-призматичного бункера в умовах експлуатації, визначення його міцностних, жорсткостних та динамічних властивостей як єдиної просторової системи, із приведенням у відповідність методики розрахунку і виявленням із всієї наявної різноманітності найбільш раціональних конструктивних рішень.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені наступні задачі:

- проаналізувати й узагальнити накопичений досвід проектування й експлуатації бункерів;

- вибрати метод і методику дослідження, що дозволяють врахувати просторову роботу конструкції сталевого бункера, з експериментальним підтвердженням їхньої достовірності;

- виконати теоретичні дослідження роботи сталевого пірамідально-призматичного бункера при різних експлуатаційних впливах;

- виявити раціональні конструктивні рішення й обґрунтувати можливість їхнього використання як типових;

- оцінити динамічні властивості сталевих пірамідально-призматичних бункерів;

- розробити удосконалену інженерну методику проектування сталевих пірамідально-призматичних бункерів, що враховує просторову роботу системи і відповідає сучасним вимогам.

Об'єктом дослідження є одиночний підвісний сталевий пірамідально-призматичний бункер.

Предмет досліджень - міцностні, жорсткостні і динамічні властивості об'єкта досліджень.

Метод досліджень - метод математичного моделювання із застосуванням методу скінчених елементів (МСЕ), що набув в останній час широке розповсюдження. Його чисельна реалізація здійснювалася на основі проектно-обчислювального комплексу Structure CAD for Windows (SCAD). Експериментальні дані являли собою опубліковані результати натурних обстежень сталевих бункерів і результати фізичних експериментів на моделях, виконаних ведучими проектними організаціями.

Наукова новизна отриманих результатів. На захист виносяться наступні наукові положення, розроблені автором:

1. Напружено-деформований стан сталевого пірамідально-призматичного бункера при дії різних експлуатаційних навантажень є досить складним та неоднорідним і не може бути вірно описаний набором плоских розрахункових схем. У зв'язку з цим, при проектуванні бункера такого типу необхідне обов'язкове урахування його просторової роботи.

2. У систему дій, що враховуються при розрахунку і конструюванні сталевого пірамідально-призматичного бункера, в якості основних для підбора перерізів елементів необхідно включати технологічні температурні навантаження. Окрему увагу варто приділяти, також, урахуванню різного роду початкових недосконалостей, що можуть викликати значний кількісний і якісний перерозподіл зусиль у конструкції. Це вимагає обов'язкового нормування характеру і рівня температурних дій і початкових недосконалостей для даного класу конструкцій в офіційних документах.

3. Для оцінки міцностних та жорсткостних властивостей сталевого пірамідально-призматичного бункера крім статичного підходу можуть бути використані результати модального аналізу.

Застосовувана дотепер методика розрахунку і конструювання сталевих пірамідально-призматичних бункерів по плоских розрахункових схемах є наближеною і не дозволяє вірно прогнозувати розподіл зусиль і напружень у конструкціях не тільки від статичних, але і температурних впливів, а сама постановка динамічних задач при такому підході не має сенсу. Сучасна вітчизняна практика проектування бункерів такого класу не передбачає врахування міжнародних рекомендацій у даній сфері, при цьому має місце різке звуження спектра експлуатаційних впливів і явищ, які розглядаються.

Дані факти відбивають новизну отриманих результатів і сформульованих наукових положень.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність роботи полягає в:

1) розробці удосконаленої методики проектування сталевого пірамідально-призматичного бункера з урахуванням його просторової роботи на основі МСЕ, через встановлення неприпустимого рівня наближеності діючої офіційної методики і її неадекватності сучасним міжнародним вимогам;

2) виявленні з усієї різноманітності конструктивних рішень, що має місце в практиці, найбільш раціональних з позицій економічності і надійності роботи сталевих пірамідально-призматичних бункерів і обґрунтуванні можливості їхнього використання в якості типових;

3) оцінці динамічних властивостей сталевого пірамідально-призматичного бункера в порожньому і завантаженому станах.

Застосування отриманих результатів в інженерній практиці дозволяє:

1) знизити металоємкість конструкції сталевих пірамідально-призматичних бункерів, у середньому, за теоретичними підрахунками на 30-40 %, а в окремих випадках і більше, без адекватного зниження її несучої спроможності;

2) підвищити надійність роботи таких бункерів за рахунок наближення розподілу матеріалу в елементах конструкції відповідно до умов її дійсної роботи;

3) ще на стадії проектування обґрунтовано прогнозувати рівень і характер напружено-деформованого стану в елементах конструкції при різних експлуатаційних навантаженнях і діях, у т.ч. і нетрадиційного для даного класу конструкцій плану (вибух пилоподібної фракції сипучого, аварії), і їхніх сполученнях;

4) зменшити кількість чинних конструктивних рішень на основі використання найбільш раціональних із них з позицій економічності і надійності роботи системи;

5) спростити і прискорити сам процес проектування за рахунок однакового підходу до різних конструктивних схем і впровадження комп'ютерів;

6) точно і оперативно оцінювати ступінь небезпеки можливих у процесі експлуатації ушкоджень та зносу різного характеру і ступеня, а також використовувати отримані дані для їхнього ефективного усунення і попередження відмовлень;

7) вказати шляхи і напрямки подальших досліджень у даній області, зокрема, постановки і рішення ряду динамічних і теплових задач, урахуванню початкових недосконалостей системи і фізичної нелінійності роботи матеріалу, задачі оптимізації елементів конструкції;

8) розробити основи для створення офіційної вітчизняної нормативної бази по проектуванню сталевих пірамідально-призматичних бункерів, що відповідає сучасним міжнародним вимогам.

Теоретична обґрунтованість, логічна завершеність і відносна відособленість приведених у роботі висновків і рекомендацій дає можливість їхнього безпосереднього впровадження в проектно-виробничу практику.

Особистий внесок здобувача. Ряд наукових праць були опубліковані в співавторстві з к.т.н., зав. кафедри теоретичної механіки Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту, доцентом Кострицею С.А. і д.т.н., зав. кафедри мостів Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту, заслуженим діячем науки і техніки України, науковим керівником даної роботи, професором Казакевичем М.І.

У зв'язку з цим необхідно відзначити, що автором визначені мета, ідея і задачі, що вирішуються у роботі, виконана система чисельних експериментів, а також проведено аналіз і узагальнення отриманих результатів і їхнє порівняння з результатами натурних експериментів і обстежень, сформульовані наукові положення, висновки і рекомендації.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на наступних всеукраїнських і міжнародних наукових конференціях і семінарах: “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (Україна, Київ, 1998 і 2000р.), “Theoretical Foundations of Civil Engineering” (Польща, Варшава, 1998р.), “Modern Building Materials, Structures and Techniques” (Литва, Вільнюс, 1999р.), Internationales Kolloquium uber Anwendungen der Informatik und der Matehematik in Architektur und Bauwesen (Німеччина, Веймар, 2000р.), “Металеві конструкції” (Україна, Дніпропетровськ, 2000р.), “Сварные конструкции” (Україна, Київ, 2000р., організована Національною Академією наук України), “Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе граничных и конечных элементов” (Росія, Санкт-Петербург, 2000р., організована Російською Академією наук).

Робота обговорювалася на засіданнях кафедр металевих конструкцій Донецької державної академії будівництва і архітектури (Макіївка, 2000р.), мостів Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту (Дніпропетровськ, 2000р.); на розширеному спільному засіданні Міжвузівського наукового семінару “Проблеми нелінійної механіки” Придніпровської державної академії будівництва і архітектури, проведеному разом з кафедрою металевих і дерев'яних конструкцій академії (Дніпропетровськ, 2000р.), а також, на засіданнях технічних рад однієї з провідних проектно-конструкторських організацій України “Укрдіпромез” (Дніпропетровськ, 2000р.) і ВАТ проектного інституту “Дніпропроектстальконструкція” (Дніпропетровськ, 2001р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць, у тому числі: статей у фахових виданнях - 4, матеріалів і тез конференції - 7.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 140 сторінок, з них 116 сторінок основного тексту, 65 рисунків, 17 таблиць, список використаних джерел із 112 найменувань на 9 сторінках і два додатки на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подана загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, показана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, наведені відомості щодо їх публікації й особистого внеску здобувача.

В першому розділі подано огляд літератури з питань призначення та області використання бункерів у господарстві, місця серед них пірамідально-призматичного бункеру, його основних конструктивних схем та різновидів, існуючої методики і підходів до завдання навантажень та проектування конструкції такого класу у їх історичному розвитку. При цьому увага приділялась не тільки вітчизняному, а й закордонному досвіду, накопиченому у цій сфері, який у деяких питаннях є більш розвинений та поглиблений.

Серед дослідників, роботи яких присвячені проблемам розрахунку та конструювання пірамідально-призматичних бункерів, слід назвати Алфьорова К.В., Лур'є С., Матвеєва С.Г., Розенбліта Г.Л., Липницького М.Є., Соловйова Н.Б., Хавіна Я.М., Солодаря М.Б., Лессіга Е.М., Ященко М.М., Новікова М.М., Березіна Ю.О., Гуревича М.Л., Кондратюка Г.Г., Корнієнко В.С., Плішкіна Ю.С., Любарова Б.І., Роттера М., Ягофарова Х. та американську школу Дженіке А.В.

Хоча серед них є багато досить відомих вчених, все ж таки, до теперішнього часу сталеві пірамідально-призматичні бункера (рис. 1) залишаються одним з найменш досліджених класів конструкцій. Навіть по самому питанню щодо теоретичного визначення різниці між бункером та спорідненим до нього класом конструкцій - силосом, немає згоди.

Рис. 1. Конструктивна схема сталевого пірамідально-призматичного бункера:

1 - пірамідальна частина (воронка);

2 - вертикальна призматична частина (бункерна балка);

3 - футеровка;

4 - ребра жорсткості бункерної балки;

5 - горизонтальні ребра жорсткості воронки;

6 - випускний отвір.

Спектр навантажень та дій на сталеві бункера налічує більш 15 впливів, але характер та специфіка дії більшості з них маловідомі. Тому, основним з них при розрахунку залишається тиск сипучого матеріалу з введенням емпіричних динамічних коефіцієнтів у разі потреби, хоча не існує чітких рекомендацій відносно його характеру розподілу та необхідності урахування тертя об стінки конструкції.

Існують, також, декілька різних рекомендацій стосовно вибору й матеріла конструкції, зокрема, класу міцності сталі та необхідності його диференційованого призначення залежно від елементу конструкції бункера.

Усі дослідники єдині лише у двох положеннях - поділ споруди при проектуванні на окремі самостійні елементи, кожен з яких розраховується по елементарним плоским розрахунковим схемам, та ствердженням о наближеності та некоректності такого підходу. Виключенням можуть послужити лише роботи Ягофарова Х. останнього десятиріччя, який запропонував теоретично обґрунтовану нову модель роботи пірамідально-призматичного бункера і виявив явище діагонального распору воронки при наявності асиметрії любого роду.

Необхідно відзначити, також, і відсутність до теперішнього часу офіційних вітчизняних документів, регламентуючих процес проектування та експлуатації бункерів. У сукупності всі ці фактори призводять до різноманітності конструктивних рішень в бункерах такого типу без віддання пріоритету якимось з них, що у свою чергу не сприяє розвитку проектно-нормативної бази. На практиці така ситуація обертається невиправданими міцностними резервами конструкцій сталевого пірамідально-призматичного бункера або відмовами та аваріями їх в окремих випадках.

У розділі підкреслюється, що в об'ємних листових конструкціях, до яких належать і вищевказані бункера, проблема зниження матеріаломісткості й підвищення надійності роботи споруди впирається в проблему врахування її просторової роботи, необхідність вирішення якої, як видно, давно вже назріла.

В другому розділі обґрунтовано вибір методу дослідження математичного моделювання, в якості якого був прийнятий один із сучасних широко відомих чисельних методів будівельної механіки - метод скінчених елементів (МСЕ). Він дозволив у ході проведення чисельних розрахунків досить повно, точно й докладно врахувати всі особливості конструкції сталевого пірамідально-призматичного бункера і її роботи, здійснити варіації основних конструктивних і технологічних параметрів, вирішити задачі статичного, температурного та динамічного планів, придати отриманим результатам легкість для читання та наочний вигляд.

Усі чисельні розрахунки проводились на базі проектно-обчислюваного комплексу Structure CAD for Windows версії 7.27, який реалізує МСЕ у формі методу переміщень. Комплекс має сертифікат відповідності вимогам нормативних документів Держбуду Росії №POCC RU.CП11.Н00010 строком дії 10.08.2000-10.08.2002 і Атестаційний паспорт Федерального нагляду Росії з ядерної та радіаційної безпеки №124 от 2.11.2000.

Для виявлення особливостей, пов'язаних з дискретизацією та методикою розрахунків сталевих пірамідально-призматичних бункерів, було проведено ряд чисельних експериментів, результати яких зіставлялись з задокументованими результатами реальних натурних обстежень та фізичних експериментів: обстеження бункерної естакади комбінату “Криворіжсталь” під домену піч №9 об'ємом вище 5000 м³, проведене у 1997 р. ВАТ проектним інститутом “Дніпропроектстальконструкція”; випробування моделі стінки бункера з ребрами, виконане у 1982 р. тим же інститутом; випробування моделі бункера з органічного скла, виконане у 1971 р. Ленінградським відділенням ЦНДІ Проектстальконструкція.

Отримано досить добрий рівень співпадання результатів (помилка не перевищує 20-22 %). При цьому, також, була показана необхідність урахування можливих початкових недосконалостей та геометричної нелінійності роботи споруд такого типу, оскільки вони призводять до значного перерозподілу зусиль та напружень у конструкції.

У розділі наведено численні рекомендації щодо вибору типу, форми й розмірів скінчених елементів (СЕ) при моделюванні бункера в залежності від його габаритів та подані оцінки збіжності результатів чисельного аналізу.

В третьому розділі подані результати чисельного моделювання жорсткого бункера, наведеного як приклад розрахунку такого типу бункерів у “Руководстве по расчету и проектированию железобетонных, стальных и комбинированных бункеров” (Ленпромстройпроект. - М.: Стройиздат, 1983. - 200 с.), яке негласно носить статус нормативного документу у цій сфері. Конструкція моделювалась у повній відповідності до прикладу, що виконувалось з метою оцінки ефективності СЕ підходу до аналізу роботи сталевих пірамідально-призматичних бункерів на основі співставлення його результатів (рис. 2) з результатами традиційної методики.

Встановлено, що в ребрах жорсткості та стінках бункера розбіжність по цих двох методах становить 20-30 % по напруженням та деформаціям, але це стосується лише запропонованих традиційним підходом точок у середині прольотів нижнього відсіку стінки та верхнього ребра.

З рис. 2 видно, що в цілому сталевий пірамідально-призматичний бункер є конструкцією з дуже нерівномірним розподілом зусиль і напружень у її елементах. Основними зонами їх концентрації є приопорна частина воронки, кути з'єднання сусідніх стінок і ребер жорсткості між собою, місця приєднання ребер до обшивки і її з'єднання з елементами випускного отвору. Інші ділянки бункера виявляються значно недовантаженими. Таким чином, прийнята на сьогоднішній день офіційна методика розрахунку і конструювання бункерів такого типу як у якісному, так і в кількісному відношенні цілком неадекватна реальній просторовій роботі конструкції. Вона дає завищені, іноді навіть в декілька разів, величини напружень і деформацій системи в основній масі елементів бункера (особливо це стосується вертикальної частини) і різко занижені - у зонах концентрації напружень, при цьому значно спотворюючи сам напружено-деформований стан системи.

Рис. 2. Розподіл еквівалентних напружень (по IV теорії міцності) в бункері, наведеному як приклад розрахунку в “Руководстве...”

Аналізуючи роботу конструкції, було встановлено, що передача навантаження від пірамідальної частини бункера на опорні стійки відбувається через невеликі приопорні ділянки воронки, а не за допомогою бункерних балок. Це положення збігається з теоретично обґрунтованою Ягофаровим Х. розрахунковою схемою пірамідально-призматичного бункера, у якій основним несучим елементом конструкції визнається воронка. Робота конструкції нагадує роботу балки зі шпренгелем, що передає зусилля на її кінці. сталевий пірамідальний бункер призматичний

У зв'язку з цим одним з важливих аспектів при проектуванні сталевих бункерів пірамідально-призматичного типу виявляється врахування можливої втрати стійкості елементами конструкції. Перевірку її слід виконувати обов'язково для уникнення аварійних ситуацій. В даному випадку коефіцієнт запасу стійкості становив 1,05. Була отримана загальна втрата стійкості стінкою вертикальної частини і крутильна форма втрати стійкості в верхньому ребрі жорсткості.

Окремо розглянуто питання, що стосується врахування тертя сипучого о стінки конструкції. Для цього тиск матеріалу було змодельовано за теорією Янсена. Виявилося, що це приводить до якісного перерозподілу напружень у конструкції, що полягає в зсуві найбільш навантажених ділянок у місця найбільшого рівня навантаження. В іншому відбувається збереження характеру розташування основних зон концентрації напружень. У кількісному плані застосування теорії Янсена до розрахунку бункерів приводить до зниження напружень, у середньому, в 1,2-1,3 рази.

Таким чином, результати чисельного аналізу, в цілому, вказують на наявність і дозволяють виявити деякі міцностні та жорсткостні ресурси конструкції сталевого пірамідально-призматичного бункера. Практично, вони можуть бути реалізовані за рахунок більш раціонального розподілу матеріалу в елементах системи або за рахунок завдання більш точного, наближеного до реального закону розподілу тиску сипучого матеріалу при проектуванні.

В четвертому розділі були проведені дослідження з метою вияву впливу на НДС конструкції бункера даного типу варіації основних конструктивних та технологічних параметрів, серед яких приймались розміри бункера, постановка, орієнтація і крок ребер жорсткості, висота призматичної частини, кут нахилу стінок воронки, характер завдання тиску і вид сипучого матеріалу.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в аналізі роботи конструкції підвісного одиночного сталевого пірамідально-призматичного бункера як просторової системи, а також на основі цього встановленні його основних міцностних, жорсткостних та динамічних властивостей.

Основні рекомендації і загальні висновки, у яких відбиті головні наукові і практичні результати, полягають у наступному:

1. На основі аналізу як вітчизняної, так і закордонної сучасної науково-технічної інформації зроблений висновок про те, що конструктивні схеми сталевих пірамідально-призматичних бункерів досить різноманітні і в даний час не існує єдиного погляду щодо переваги якої-небудь з них. Також немає усталеного підходу до вибору спектра і характеру завдання навантажень та дій на бункери. Існують серйозні розбіжності і з приводу теоретичних методик розрахунку конструкції: усі вони єдині тільки в одному - розгляді роботи даного класу конструкцій як набору плоских взаємонезалежних елементарних розрахункових схем.

2. В якості теоретичного методу для аналізу роботи конструкції сталевого пірамідально-призматичного бункера був обраний метод математичного моделювання на основі одного з сучасних чисельних методів будівельної механіки - метода скінчених елементів (МСЕ). Він дозволив у ході проведення чисельних розрахунків досить повно, точно й докладно врахувати всі особливості даної конструкції та її роботи, здійснити варіації основних конструктивних і технологічних параметрів (розміри бункера, постановка та крок ребер жорсткості, висота призматичної частини, кут нахилу стінок воронки, характер завдання тиску і вид завантажуваного матеріалу), вирішити задачі статичного, температурного та динамічного планів, надати отриманим результатам легкий для читання та наочний вигляд. Чисельна реалізація МСЕ здійснювалась на базі проектно-обчислюваного комплексу Structure CAD for Windows (SCAD) у формі метода переміщень.

3. В процесі експериментального налагодження розрахункових схем були отримані результати, що дозволили сформулювати ряд рекомендацій з дискретизації конструкцій і методиці проведення розрахунків з урахуванням особливостей даного типу бункерів. У роботі представлені розроблені СЕ схеми для статичного, температурного і динамічного аналізу конструкції.

4. На основі виконаного чисельного аналізу показано, що найбільш точний розрахунок конструкції сталевого пірамідально-призматичного бункера необхідно проводити з урахуванням його просторової роботи як єдиної системи. На базі цього в роботі встановлено напружено-деформований стан (НДС) підвісного одиночного сталевого пірамідально-призматичного бункера і його окремих вузлів та елементів. Виявлено, що даний тип конструкцій обладає дуже нерівномірним характером розподілу напружень і наявністю ряду невеликих зон їх сильних концентрацій у той час, як основна маса конструкції має запаси міцності.

5. В ході досліджень були визначені основні міцностні й жорсткостні властивості різних конструктивних схем. Найбільш раціональною із них з позицій економічності і надійності роботи конструкції виявилася: в малих бункерах - схема з постановкою ребер жорсткості вертикально, у середніх і великих - горизонтально з орієнтацією перпендикулярно стінці. З цих же позицій найкращим варто вважати співвідношення висот призматичної і пірамідальної частин конструкції, що дорівнює 0,2. Встановлено, також, що варіації кута нахилу стінки і кроку ребер жорсткості не викликають значної якісної зміни загального НДС бункера. Показана необхідність урахування власної ваги конструкції, вплив якої знаходиться в межах 10-відсоткового рівня максимальних напружень, а також - тангенційної складової тиску сипучого, концентратором зусиль від якої є невелика (у межах 1/10-1/15 розміру бункера в плані) приопорна зона. У роботі приведений ряд конструктивних рекомендацій, що дозволяють уникати найбільш типових помилок, які припускаються при проектуванні.

6. Чисельні розрахунки підтвердили справедливість теоретично обґрунтованої Ягофаровым Х. розрахункової схеми. Встановлено, що приопорна зона при цьому є основною ланкою передачі навантаження від конструкції на опорні елементи.

7. Виявлено необхідність урахування при проектуванні і нормування на теоретичному рівні характеру й виду можливих початкових недосконалостей системи і температурних впливів, через їх значний кількісний і якісний вплив на розподіл зусиль та напружень у конструкції.

8. У роботі дана оцінка динамічним властивостям різних конструктивних схем сталевого пірамідально-призматичного бункера в порожньому і завантаженому станах: перша частота знаходиться в межах 5-25 Гц для великих та малих бункерів, відповідно, (порожній варіант) і зміщується в область більш низьких частот, порядку 2-5 Гц, при повному завантаженні конструкції. Показано, що частотний підхід також з досить високим ступенем ефективності може бути застосовано до оцінки міцностних та жорсткостних властивостей системи. Одержані результати можуть послужити чисельно-теоретичною базою застосування принципу динамічної інтегральної діагностики конструкцій до даного типу бункерів.

9. На основі порівняння результатів розрахунків із загальноприйнятої сучасною офіційною методикою проектування сталевих пірамідально-призматичних бункерів установлена її неадекватність отриманим даним, причому, як убік 2-3-х кратного завищення напружень в одних місцях, так і не виявлення ряду місцевих значних концентрацій напружень в інших.

Показано, що застосування МСЕ до розрахунку сталевих пірамідально-призматичних бункерів дає найбільш точні і близькі до експериментальних результати. На його основі пропонується розроблена автором методика проектування такого типу бункерів, що дозволяє досить оперативно, просто, комплексно і з достатньої для практичних цілей точністю оцінити характер НДС конструкції як на стадії проектування, так і в процесі експлуатації, а також, при необхідності, - у випадку виникнення аварійної ситуації. Використання цієї методики в процесі проектування дозволяє знизити масу конструкції бункера, в середньому, за теоретичними підрахунками на 30-40 % без адекватного зниження її несучої спроможності.

10. Проведені наукові дослідження дозволяють вказати шляхи і напрямки подальших робіт в області міцності і динаміки конструкції сталевого пірамідально-призматичного бункера. Серед них постановка і рішення ряду динамічних і теплових задач, облік початкових недосконалостей системи і фізичної нелінійності роботи матеріалу, задачі оптимізації елементів конструкції. Представлені результати і висновки можуть послужити основою для розробки і створення офіційної вітчизняної нормативної бази для проектування сталевих пірамідально-призматичних бункерів, що відповідає сучасним міжнародним вимогам.

Обґрунтованість і достовірність всіх наукових положень, висновків і рекомендацій, наведених у даній дисертаційній роботі, забезпечується використанням в аналітичних дослідженнях фундаментальних положень будівельної механіки, а при проведенні чисельних розрахунків - ліцензійного програмного пакета Structure CAD for Windows (SCAD) і підтверджується добрим якісним і кількісним збігом результатів чисельних експериментів з результатами фізичних експериментів і натурних обстежень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Казакевич М.И., Кострица С.А., Банников Д.О. Напряженно-деформированное состояние стального пирамидально-призматического бункера // Вестник: Строительные конструкции. Здания и сооружения. - Донецк: ДГАСА. - 1998. - Вып. 98-4(12). - С. 37-44.

2. Казакевич М.И., Кострица С.А., Банников Д.О. Эффективность расположения горизонтальных ребер жесткости бункеров // Сб. научн. работ: Ресурсосберегающие технологии в транспортном и гидротехническом строительстве. Строительство. - Днепропетровск: Арт-Пресс. - 1998. - Вып. 5. - С. 98-104.