Ярошенко Денис Сергійович. Розробка схем та способів розрахунку нелінійної динамічної взаємодії споруд рамного типу з демпфіруючими пристроями

Краткое описание

Ярошенко Денис Сергійович. Розробка схем та способів розрахунку нелінійної динамічної взаємодії споруд рамного типу з демпфіруючими пристроями.- Дис. канд. техн. наук: 05.23.01, Держ. ВНЗ "Придніпр. держ. акад. буд-ва та архітектури". - Дніпропетровськ, 2014.- 210 с.

Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская
государственная академия строительства и архитектуры»

На правах рукописи

Ярошенко Денис Сергеевич

УДК 624.042

РАЗРАБОТКА СХЕМ И СПОСОБОВ РАСЧЕТА НЕЛИНЕЙНОГО
ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СООРУЖЕНИЙ
РАМНОГО ТИПА С ДЕМПФИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель
Кулябко Владимир Васильевич,
доктор технических наук,
профессор

Днепропетровск – 2014
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕ-НИЕ………………………………………………………………...….5
РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДИК ДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙ-СТВИЯ ДЕМПФИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С КОНСТРУКЦИЯМИ СООРУЖЕНИЙ
1.1. Развитие способов снижения колебаний сооруже-ний………..….11
1.2. Классификация демпфирующих устройств по принципу работы и динамической модели их взаимодействия с объек-том………………….…….17
1.2.1. Гасители колебаний инерционного ти-па……….……………...…18
1.2.2. Гасители колебаний диссипативного типа (демпферы)…….….. 27
1.3. Схемы применения демпфирующих устройств в зданиях и сооружениях рамного ти-па………………..…………………………………….34
1.4. Известные методики создания схем и моделей, составления дифференциальных уравнений динамического взаимодействия объектов и демпфирующих устройств. Обзор терминологии мер внутреннего тре-ния..…..... 38
Выводы по разделу 1…………………………………………………...…. 42
РАЗДЕЛ 2. СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ РАМНЫХ СООРУ-ЖЕНИЙ – ОСОБЕННОСТИ ФОРМ И ЧАСТОТНЫХ СПЕКТРОВ
2.1. Плоские рамы……………….……………………..…….……..…......43
2.1.1. Многопролетные одноэтажные плоские ра-мы……………...………43
2.1.2. Многоэтажные плоские ра-мы……………………………………….54
2.1.3. Рамы с несмещающимися узла-ми…………………………….……..65
2.2. Методика определения форм и частот свободных колебаний линейных и нелинейных систем, в том числе с демпфирующими устрой-ствами………………………………………………………………………………..68
2.3. Особенности собственных колебаний пространственной ра-мы..74
Выводы по разделу 2………………………………………………………...77
РАЗДЕЛ 3. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ РАМ С РАЗЛИЧ-НЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ (ПРОСТЫЕ МО-ДЕЛИ ДЛЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ФОРМ)………………………………………..79
3.1. Приведение модели объекта к одномассовой (базовая мо-дель)..…...79
3.2. Линейный ДГК с вязким трени-ем………………….…..…………82
3.3. ДГК с линейным упругим элементом и нелинейным диссипа-тивным элементом сухого тре-ния……………………………………….………....85
3.4. Поглотитель колебаний с вязким трением …………..……….....89
3.5. Поглотитель колебаний с сухим трением ………….….….….….91
3.6. Моделирование колебаний систем с нелинейным диссипатив-ным элементом сухого трения ………………………………………………….……92
3.7. Методика моделирования рамных систем «методом пря-мых»……95
Выводы по разделу 3……………………………………………..………..104
РАЗДЕЛ 4. ПОДБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАСИ-ТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ НА МОДЕЛЯХ СО МНОГИМИ ДИНАМИЧЕ-СКИМИ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ
4.1. Выбор рациональных параметров ДГК с трением для моделей плоских систем со многими динамическими степенями свобо-ды…….….….…105
4.1.1. Колебания модели плоской однопролетной балки с динамиче-скими гасителями колебаний с вязким и сухим трени-ем…………………………..106
4.1.2. Колебания однопролетной балки с нелинейно-упругим элементом (кубическая нелинейность) в ДГК…………………………………………..117
4.1.3. Колебания плоской одноэтажной многопролетной рамы с нераз-резным ригелем и динамическими гасителями колеба-ний………………….….123
4.2. Поиск новых способов выбора мест рациональной расстановки демпфирующих устройств…………………………………………………………..131
Выводы по разделу 4…………………………………………..…………...137

РАЗДЕЛ 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ СЛОЖНЫХ КОН-СТРУКТИВНЫХ СХЕМ ДЕМПФИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СО-СТАВЕ СООРУЖЕНИЙ РАМНОГО ТИПА
5.1. Моделирование работы составных демпфирующих устройств с су-хим трени-ем……………………………………………………………….……....…138
5.2. Возможные схемы и конструктивные формы ДГК для гашения ко-лебаний мостового крана-перегружателя……….…………………………...….152
5.3. О возможности снижения амплитуд колебаний надшахтных сооружений (в частности, рамных укосных ко-пров).………………………160
5.4. Сравнение демпфирующих свойств различных систем демпфиро-вания колебаний многоэтажной рамы (лабораторный и численный экспе-римен-ты)……………………………………………………………………………...166
Выводы по разделу 5……………………………….….…….…..……….179
ВЫВО-ДЫ………….……..…….………………….………………………182
СПИСОК ЛИТЕРАТУ-РЫ……………………….……..…….….………..185
ПРИЛОЖЕ-НИЯ……………………………………...………..…………..202

Список литературы

ВЫВОДЫ
В диссертационной работе получены теоретически и экспериментально обоснованные результаты исследований, направленных на решение актуальной научно-прикладной задачи разработки схем и способов расчета нелинейного динамического взаимодействия сооружений рамного типа с различными демпфирующими устройствами. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Аналитический обзор известных методик расчета и конструктивных решений ДУ показал, что для большинства конструктивных решений отсутствуют инженерные методики расчета взаимодействия таких устройств с различными рамными сооружениями при динамических воздействиях моделей ДУ с нелинейными характеристиками.
2. Создана инженерная методика моделирования нелинейного динамического взаимодействия во временной области ДУ и сооружений рамного типа с конечным числом степеней свободы (с использованием «метода прямых» при составлении дифференциальных уравнений движения).
3. Показаны варианты алгоритмов поиска мест расположения ДУ на сооружениях путем поиска на исследуемых формах собственных колебаний максимальных перемещений и перекосов ячеек, анализа соответствующих зон сгущения частот спектров, логарифмических декрементов колебаний и эпюр динамических коэффициентов. При этом выявлены закономерности в частотных спектрах одноэтажных и многоэтажных рам с разными связями и конструкциями узлов. Указаны границы и принципы расположения зон сгущения собственных частот рам. Выявлено, что при изменении масс конструкций зоны сгущения частот в рамных сооружениях с неразрезными элементами не только «передвигаются» в сторону повышения (при уменьшении масс) или понижения (при увеличении масс) частот зоны, но и изменяют свою плотность. Показано, что при добавлении в систему нелинейных ДУ могут возникать эффекты изменения структуры модели, движения с остановками и т.п.
4. Сравнение эффективности использования различных линейных и нелинейных ДУ с вязким и сухим трением (ДГК, поглотители, демпферы) при линейно направленных колебаниях, например, покрытия одноэтажного здания, показало, что эффективность ДГК в 4-5 раз выше, чем у поглотителей колебаний. В развитие известных решений Ден-Гартога для фрикционного осциллятора показано, что при установке ДГК (с соотношением массы ДГК и осциллятора 1/20) с сухим трением наименьшие амплитуды сооружения наблюдались при соотношении силы сухого трения в демпфере ДГК к амплитуде возмущающего моногармонического воздействия, равном приблизительно 0,2.
5. На примере многоэтажной модели защищаемой конструкции были сопоставлены эффективности использования ДГК с вязким, сухим трением и ДГК с нелинейно-упругой характеристикой (известна полезность, в частности, кубической характеристики при широкополосных возмущениях, переходных режимах):
- при изгибных колебаниях модели по основному тону эффект от использования рациональных параметров вязкого и сухого трения (для рассмотренной конструкции моста длиной 168 м при ДГК массе 21 т) был одного порядка, динамические коэффициенты соответственно равнялись 2,8 и 3,2, а при отсутствии ДГК – 12,5.
- рациональные частотные настройки для ДГК с вязким и сухим трением практически близки.
6. Создан вариант методики нелинейного расчета одного из зарубежных ДУ для сейсмостойкого строительства. Разработана новая схема ДУ на основе устройства преобразования движения (получен патент на полезную модель №84117). Для макета многоэтажной рамы проведены численные и экспериментальные исследования по сравнению диссипативных свойств системы для двух случаев: демпфер включен в работу через устройство преобразования движения (по патенту) и без него. В зависимости от места устройства (этажа по высоте рамы) одного из этих устройств показано, что ДУ с механизмом преобразования движения при выбранных параметрах может быть эффективнее в 2 раза. В методике расчета учтено, что при больших амплитудах колебаний рамы устройство при выборе хода штока работает как упругая связь.
7. Применение разработанных методик расчета и выбора схем ДУ могут привести к позитивным эффектам различного характера:
- экономического (за счет повышения долговечности конструкций с меньшими амплитудами колебаний сооружений);
- материального (снижение массы и предотвращение аварийных разрушений строительных конструкций, которые оснащены ДУ);
- социально-медицинского: повышение комфорта, понижение укачивания и вредных последствий вибрации и ударов для здоровья.
Методики и результаты работы были внедрены в учебный процесс ДВУЗ «ПГАСА» и ОГАСА, а также приняты к внедрению в проектную практику:
- ОАО «ПИ ДПСК» (гашение колебаний крана-перегружателя);
- Лаборатории СНПЦ «Надшахтные сооружения» (снижение колебаний конструкций надшахтних копров).