Russian (CIS)English (United Kingdom)
ГлавнаяКонференцииПятая Международная конференция МГС → Особенности построения расчетной конечно-элементной модели
Особенности построения расчетной конечно-элементной модели
ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

«Особенности построения расчетной конечно-элементной модели конструкций на основе МГС и экспериментальная проверка работы приопоной зоны МГС опор ВЛ»

Автор: Гаранжа И.М., аспирант кафедры «Металлические конструкции», строительный институт
Научный руководитель: Васылев В.Н., к.т.н., профессор кафедры «Металлические конструкции», строительный институт
  Многогранные гнутые стойки (МГС) широко применяются в странах Северной Америки уже в течение нескольких десятилетий. Несколько позже применение МГС началось в Западной Европе, а в последние 10 лет и в наиболее промышленно развитых странах азиатско-тихоокеанского региона, а также странах СНГ.
Основная область их применения – опоры ВЛ. Кроме этого МГС могут применятся как опоры под наружное освещение улиц, парковых зон, автострад, промзон, осветительные опоры стадионов, теле-, радиовышки, въездные знаки, как опоры контактной сети ж/д и горэлектротранспорта и т.д.
В июне 2008 года на Полигоне испытания опор высоковольтных линий электропередачи и башенных сооружений ДонНАСА проведены статические испытания восьмигранных осветительных опор, выявившие неэффективность конструкций, которая проявилась в сильной деформативности конструкции, разрушении сварных швов и т.д. Это и послужило причиной начала работы по усовершенствованию конструктивной формы опор на основе МГС (см. рис. 1).
graphic graphic
                                        а)                                  б)
Рис. 1 Основные дефекты конструкций МГС после натурных испытаний:
а) деформация опорной плиты, отрыв опорного ребра, трещина в сварном шве крепления стойки к базе; б) потеря устойчивости стойки в районе базы.
В данное время расчет и проектирование конструкций, в частности, многогранных гнутых стоек (МГС) выполняется с использованием программных комплексов, которые требуют определения особенностей создания расчетной схемы (тип и размер конечного элемента, условия сопряжения элементов в пространстве и т.д.). В связи с чем было принято решение оценить влияние особенности создания расчетной схемы на результирующий параметр – напряженно-деформированное состояние конструкции (НДС).
graphic
n – возможное количество граней стойки;  t – толщина грани стойки
Рис .2 Геометрическая схема модели МГС
Численное исследование напряженно деформированного состояния МГС сводится к расчету кольцевых и меридиональных напряжений, возникающих в приопорной зоне, а также определение перемещений характерных точек конструкции по двум видам расчета: линейном расчете и расчете с учетом геометрической нелинейности конструкции. МГС являются тонкостенными листовыми конструкциями, а значит при расчете должна учитываться их геометрическая нелинейность.
Интересующая картина НДС зависит от формы поперечного сечения МГС (количества граней, n), от геометрических размеров сечения,  а также от методики построения расчетной схемы исследуемой конструкции. Достаточно точную оценку НДС можно получить с помощью метода конечных элементов (МКЭ). На целесообразность применения МКЭ для численного исследования НДС многогранных гнутых стоек указывает ряд литературных источников. Данный метод применим на стадии предварительного расчета или при первоначальных теоретических исследованиях МГС и поэтому необходимо провести анализ их результатов при влиянии определяющих факторов.
Программный вычислительный комплекс SCAD Office автоматически определяет тип конечного элемента в зависимости от заданной расчетной схемы [4]. Однако тип конечного элемента (КЭ) пользователь может изменить вручную, при изменении КЭ возможны расхождения в результатах расчета.
Для выбора типа конечного элемента был проведен статический расчет  восьмигранной стойки, назначая поочередно типы элементов: прямоугольник (тип 41), треугольник (тип42), произвольный четырехугольник (тип44), произвольный четырехугольник до 8-ми узлов (тип50). Из результатов расчета был сделан вывод о целесообразности применения типа КЭ 44, как наиболее универсального (см. табл. 1 и рис. 3).
Таблица 1
Значения нормальных и касательных напряжений
при изменении типа КЭ
Тип КЭ
Вид
Напряжения (т/см2)
NX
NY
tXY
s
1
2
3
4
5
6
41
graphic
0,78
-2,6
0,58
2,69
42
graphic
0,68
-2,05
0,47
2,42
44
graphic
0,77
-2,58
-0,58
2,50
50
graphic
0,74
-2,52
0,48
2,48

graphic
Рис. 3 График изменения приведенных напряжений в зависимости от типа КЭ
Выбрано оптимальное количество сегментов, на которые должна разбиваться грань стоики при расчете в программно вычислительном комплексе (см. рис. 4) и при этом прослеживалось влияние видов расчета (линейного и нелинейного) на результаты определения напряжений и перемещений (см. рис. 5 и табл.2-3). Параллельно было проведено сравнение результатов расчета полученных методом конечных элементов (ПВК SCAD) и аналитическим методом, описанным пособием к СНИП II-23-81*.
graphic
graphic;
graphic;
graphic
graphic
Рис. 4 Параметры единичных пластин
     Результаты расчета напряжений модели МГС
                                                                            Таблица 2
nSR
Вид
расчета
σпр, т/см2
1
2
3
1
линейный
2,32
нелинейный
2,31
2
линейный
2,34
нелинейный
2,33
3
линейный
2,43
нелинейный
2,42
4
линейный
2,44
нелинейный
2,43
5
линейный
2,44
нелинейный
2,43
6
линейный
2,44
нелинейный
2,43

graphic
Рис. 5 График сравнения результатов расчета напряжений

     Результаты расчета перемещений модели МГС
                                                                            Таблица 3
Значение
nSR
Вид расчета
Значение перемещений,
fi, мм

Σ fi, мм

D, %
 
 
fx
fy
fz
 
 
1
2
3
4
5
6
7
1
линейный
11,66
0,01
-1,17
11,72
13,8
нелинейный
10,05
0
-1,00
10,10
2
линейный
11,72
0,02
-1,18
11,75
12,8
нелинейный
10,30
0
-1,01
10,36
3
линейный
12,09
0,03
-1,22
12,16
12,8
нелинейный
10,84
0
-1,01
10,92
4
линейный
12,09
0,03
-1,22
12,16
12,8
нелинейный
10,87
0
-1,01
10,92
5
линейный
12,10
0,03
-1,22
12,17
12,8
нелинейный
10,89
0
-1,01
10,93
6
линейный
12,11
0,03
-1,22
12,18
12,8
нелинейный
10,91
0
-1,01
10,93
При проведении численных исследований стойка рассматривалась как восьмигранная гнутая оболочка толщиной 5мм, база – в виде объемного элемента толщиной 20мм. Применены современные программные комплексы SCAD и Lira Soft. Результаты численных исследований позволили сформировать расчетную модель МГС и получить теоретическую картину напряженно-деформированного состояния конструкции.
Целью экспериментальных исследований модели ставиться определение действительного напряженно-деформированного состояния конструкции при совместной работе модели восьмигранной гнутой стойки и ее базы.
Для проведения экспериментальных исследований запроектирована и изготовлена специальная установка.

В качестве объекта экспериментальных исследований приняты фрагменты натурных восьмигранных гнутых стоек замкнутого коробчатого сечения совместно с 8-ми болтовой базой, длинной 2м.

В процессе эксперимента проводились исследования тех зон, которые теоретически были определены как наиболее напряженные (как сжатием, так и растяжением), а именно:

- приопорные зоны стойки МГС расположенные перпендикулярно направлению действия расчетной нагрузки (максимальные сжимающие и растягивающие напряжения);

- зоны, расположенные в базе между отверстиями под болты работающие на сжатие, и ближайшей гранью стойки (максимальные сжимающие и растягивающие напряжения);

- зона с нулевыми напряжения расположенная на нейтральной оси стойки рассматривалась как контрольная.

Нагрузка на конструкцию прикладывалась ступенями по 20% от расчетной. Продолжительность каждой ступени загружения определялась временем, необходимым для стабилизации деформаций, снятия отчетов по приборам и визуального осмотра модели. Нагрузка, создаваемая гидравлическим домкратом ДГ-20, прикладывались так, чтобы не возникало никаких динамических воздействий.

Для измерения внутренних деформаций в исследуемых точках использовались тензометрические средства.
   graphic
Рис.6 Экспериментальная установка
Результаты исследований позволили сделать выводы:
1. Достаточный уровень дискретизации модели МГС при nSR=3 так как дальнейшее увеличение nSR не приведет к существенному изменению значений напряжений и перемещений.
2. Разница значений суммарных напряжений при линейном и нелинейном расчетах, проведенных при помощи программы SCAD, не превышает 1%, т.е определение значений напряжений в теле МГС не зависит от вида расчета.
3. Разница значений суммарных напряжений полученных при расчете методом КЭ (SCAD) и расчете по методике СНиП II-23-81* при уровне дискретизации модели  nSR=3 составляет 6,9%.
4. Результаты расчета перемещений зависят от вида расчета. Разница значений перемещений между линейным и нелинейным расчетом составляет 13-14%.
5. Разработана экспериментальная установка, позволяющая исследовать действительную работу МГС в любом расчетном сечении.
6. Разница значений напряжений и перемещений в характерных зонах конструкции, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях, составляет 8-12%.
7. Апробирована методика проведения статических экспериментальных исследований МГС, показывающая достаточную сходимость с теоретическими исследованиями.

Литераура:
1.    Перельмутер А.В., Сливкер В.И. «Расчетные модели сооружений и возможность их анализа». Издание 2-е, дополненное и переработанное. – К.: Издательство «Сталь», 2005. – 618с.
2.    Материалы 1-4 международных конференций «Многогранные гнуты стойки». – Кременец (Николаевка) 2006-09.
3.    Пособие по проектированию стальных конструкций опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи и открытых распределительных устриойств (ОРУ) подстанций напряжением выше 1кВ (к СНиП II-23-81*). – М.: Энергосетьпроект Минэнерго СССР, 1989. – 72с.
4.    Горохов Е.В., Мущанов В.Ф., Васылев В.Н. «Обследование и испытание несущих конструкций зданий и сооружений». Учебное пособие. – К.: - УМК ВО, 1991. – 56с.
  
 





Сейчас 100 гостей онлайн
Применение полимерных стоек, как опор ВЛ, в ближайшие 10 лет:
 
Locations of visitors to this page