Модель для определения деформаций стержней фермы
Владельцы патента RU 2671754:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова" (ФГБОУ ВО ХГУ им. Н.Ф. Катанова) (RU)
Изобретение относится к наглядным учебным пособиям и предназначено для использования в учебных и исследовательских лабораториях по теоретической, строительной механике, строительным конструкциям как в качестве наглядной демонстрации работы стержневых конструкций, так и в качестве моделей шарнирно-стержневых систем при проектировании зданий и сооружений, при изучении работы ферм. Технический результат заключается в расширении арсенала технических демонстрационных средств и наглядных пособий, а также в упрощении модели для визуального определения деформаций стержней фермы без применения электрического тензометрического оборудования. Для достижения технического результата предложена модель для определения деформаций стержней фермы, характеризующаяся тем, что ферма содержит шарнирно соединенные между собой стержни, образующие геометрически неизменяемую шарнирно-стержневую систему из треугольников. Каждый стержень системы выполнен с возможностью использования его в качестве механического тензометра для определения вида деформации в нем при действии нагрузки в узлах фермы. Стержень образован из двух трубчатых половинок, соосно состыкованных посредством вставленной в их отверстия втулки с возможностью образования зазора между стыкуемыми торцами трубчатых половинок стержня. При этом часть втулки неподвижно закреплена в одной трубчатой половинке, а вторая трубчатая половинка установлена на втулке с возможностью свободного перемещения по ней и фиксации. Внутри стержня расположен упругий элемент, закрепленный на концах стержня и соединяющий трубчатые половинки между собой с зазором, заполняемым хрупким материалом, в частности гипсом, не изменяющим форму при отсутствии внешних усилий, при этом отрывающимся или отслаивающимся от торца незафиксированной подвижно установленной трубчатой половинки при действии усилий растяжения и выдавливающимся из зазора при действии усилий сжатия в исследуемом стержне, причем во всех стержнях, кроме исследуемого, подвижная трубчатая половинка стержня зафиксирована на втулке от перемещения с помощью съемного фиксатора, в частности стопорного винта, установленного в каждом стержне. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к наглядным учебным пособиям и предназначено для использования в учебных и исследовательских лабораториях по теоретической, строительной механике, строительным конструкциям как в качестве наглядной демонстрации работы стержневых конструкций, так и в качестве моделей шарнирно-стержневых систем при проектировании зданий и сооружений, при изучении работы ферм.
Известна теория расчета плоских ферм, разработанная в прошлом русским инженером Д.И. Журавским, который теоретически и экспериментально установил закон распределения усилий, возникающих в различных частях раскосных ферм под действием нагрузок. Свои теоретические выводы о распределении усилий в элементах решетки он проверил испытанием модели фермы с помощью созданного им «струнного метода», в котором использовались струны-тяжи одинаковой толщины, которые настраивались на одинаковый тон, а также известное свойство натянутой струны, характеризующееся тем, что чем туже натянута струна, тем более высокого тона издает она звук при проведении по струнам скрипичным смычком (Дарков - Строительная механика - Библиотека строительства, эл. рес.http://www.zodchii.ws/books/info-309.html, дата просмотра 27.10.2017).
Струнный метод до настоящего времени не потерял своего значения и может быть использован для определения вида деформаций в стержнях нагруженной фермы. В ферме могут быть установлены музыкальные струны или проволочные стержни, которые при натяжении настраиваются на одинаковый тон. При загружении фермы натяжение струн и стержней меняется, и в них происходят деформации растяжения или сжатия. При сравнительной оценке тональности струны можно судить о том, растянут или сжат стержень
Недостатком известного метода является трудоемкость создания в струнах одной тональности, а также вероятностный и субъективный характер оценки.
В настоящее время большинство технических университетов для демонстрации работы фермы, а также для наглядного изучения работы стержней в ней используют тензометрическую аппаратуру и мост Уитстона. При этом ферма нагружается, в стержнях происходят деформации растяжения или сжатия. Электрическое сопротивление в тензодатчиках меняется, и по величине изменения сопротивления определяются деформации сжатия или растяжения.
Применение тензометрического метода для определения деформаций в конструкциях, в том числе, строительных, широко известно в разных областях техники (https://studfiles.net/preview/5336368/. дата просмотра 31.10.2017).
Известно, например, устройство для измерения деформаций строительных конструкций, включающее нагружающее устройство, рабочие тензорезисторы, расположенные непосредственно на испытываемой конструкции, блок измерения и программного обеспечения, блок компенсационных тензорезисторов и два температурных датчика (Патент РФ №86008 U1, дата приоритета 21.04.2009, дата публикации 20.08.2009, авторы: Плевков B.C. и др., RU).
Недостатком известного устройства и используемого в нем метода является сложность аппаратуры, а также сложный перевод изменения электрического сопротивления в деформации сжатия или растяжения.
Известна модель для определения параметров напряженно-деформированного состояния в силовых соединительных узлах пространственных конструкций, выполненная из оптически чувствительного материала с соблюдением геометрического подобия по отношению к натурной конструкции с применением метода «замораживания» деформаций (Патент РФ №123934 U1, дата приоритета 20.09.2012, дата публикации 10.01.2013, авторы: Кондратьев А.Д. и др., RU).
Недостатком известной модели является сложность метода и ограниченная область использования.
Известна модель для демонстрации реакций стержней и замкнутого плана сил, содержащая стержни, соединенные со станиной и между собой посредством шарниров, к внутреннему из которых подвешен груз, причем стойка станины и стержни выполнены из трубчатого профиля с продольными окнами по бокам и стрелками на концах, внутри которых расположены неоновые лампы, включенные в электрическую цепь и высвечивающие возникшие реакции стержней (Патент РФ №49991 U1, дата приоритета 29.06.2005, дата публикации 10.12.2005, авторы: Маркин Ю.С. и др., RU).
Недостатком данной модели является сложность оборудования.
Известна регулируемая ферма, позволяющая проводить исследования по выявлению зависимостей усилий в стержнях от изменения расстояния между опорами фермы, при этом ферма содержит между опорами телескопический стержень, выполненный с возможностью изменения и фиксирования его длины с помощью клеммы, а все стержни снабжены тензодатчиками (Патент РФ №41366 U1, дата приоритета 24.06.2004, дата публикации 20.10.2004, авторы: Маркин Ю.С.и др., RU).
Ни одно из приведенных устройств не может быть аналогом или прототипом по отношению к заявляемой модели для определения деформаций стержней фермы, так как в них реализуются иные методы исследования деформаций, преимущественно с применением электрического тензометрического оборудования.
Наиболее близким к заявляемой модели, предназначенной для использования в учебных и исследовательских лабораториях по теоретической, строительной механике и строительным конструкциям, является устройство для исследования усилий в стержнях плоской фермы, содержащее станину, консольно и шарнирно закрепленную к ней ферму, включающую шарнирно связанные между собой стержни с тензодатчиками, связанными электрической цепью с регистрирующей аппаратурой, причем конечный шарнир фермы содержит подвес с грузом и снабжен катком, взаимодействующим с опорной поверхностью установленного под катком упора (Патент РФ №29779 U1, дата приоритета 16.09.2002, дата публикации 27.05.2003, авторы: Маркин Ю.С. и др., RU, прототип).
Недостатком принятого за прототип и совпадающего по назначению устройства является его сложность, обусловленная применением тензометрического оборудования.
Технической проблемой, решаемой изобретением является создание упрощенной модели для визуального определения деформаций в стержнях фермы без применения электрического тензометрического оборудования.
Для решения технической проблемы предложена модель для определения деформаций стержней фермы, характеризующаяся тем, что ферма содержит шарнирно соединенные между собой стержни, образующие геометрически неизменяемую шарнирно-стержневую систему из треугольников, каждый стержень системы выполнен с возможностью использования его в качестве механического тензометра для определения вида деформации в нем при действии нагрузки в узлах фермы и образован из двух трубчатых половинок, соосно состыкованных посредством вставленной в их отверстия втулки с возможностью образования зазора между стыкуемыми торцами трубчатых половинок стержня, при этом часть втулки неподвижно закреплена в одной трубчатой половинке, а вторая трубчатая половинка установлена на втулке с возможностью свободного перемещения по ней и фиксации, внутри стержня расположен упругий элемент, закрепленный на концах стержня и соединяющий трубчатые половинки между собой с зазором, заполняемым хрупким материалом, не изменяющим форму при отсутствии внешних усилий, при этом отрывающимся или отслаивающимся от торца незафиксированной подвижно установленной трубчатой половинки при действии усилий растяжения и выдавливающимся из зазора при действии усилий сжатия в исследуемом стержне, причем во всех стержнях, кроме исследуемого, подвижная трубчатая половинка стержня зафиксирована на втулке от перемещения с помощью съемного фиксатора.
Модель в частности характеризуется тем, что ферма выполнена геометрически подобной по отношению к натурной конструкции.
Модель в частности характеризуется тем, что ферма выполнена с опорами, одна из которых закреплена от перемещения в вертикальном и в горизонтальном направлениях, а другая закреплена от перемещения или в вертикальном, или в горизонтальном направлении, при этом обе опоры должны иметь запрет по перемещению по параллельным линиям, и одна из опор должна иметь запрет по перемещению в перпендикулярном направлении относительно этих линий.
Модель в частности характеризуется тем, что ферма выполнена с опорами, которые могут быть установлены в любых узлах.
Модель в частности характеризуется тем, что ферма выполнена с возможностью загрузки в узлах, при этом усилия могут иметь любые направления.
Модель в частности характеризуется тем, что съемный фиксатор выполнен в виде винта, фиксирующего подвижную трубчатую половинку стержня и втулку запрещением свободного перемещения по ней
Модель в частности характеризуется тем, что в качестве хрупкого материала использован гипс.
На фиг. 1 схематично изображена модель для определения деформаций стержней фермы с концевыми опорами и равномерно загруженными узлами, общий вид; на фиг. 2 схематично изображен пример модели фермы с опорами, установленными в любых узлах, в частности, в крайнем и в смещенном от края узлах; на фиг. 3 приведен пример модели фермы, расположенной вертикально, в узлах которой приложены усилия под различными углами.
Модель для определения деформаций стержней фермы содержит шарнирно соединенные между собой стержни 1, образующие геометрически неизменяемую шарнирно-стержневую систему из треугольников, представляющую собой ферму, нагружаемую в узлах 2. Ферма установлена на двух опорах 3,4. Опора 3 закреплена от перемещения в двух направлениях, по вертикали и по горизонтали. Опора 4 закреплена от перемещения по вертикали или по горизонтали. Для получения неизменяемой системы обе опоры должны иметь запрет по перемещению по параллельным линиям, и одна из опор должна иметь запрет по перемещению в перпендикулярном направлении относительно этих линий. Опоры 3, 4 могут быть установлены в любых узлах, например на концах фермы (фиг. 1). Опора 4 может быть смещена от края, например в соседний узел (фиг. 2). Кроме того, ферма может быть геометрически подобна натурной конструкции, при этом ферма может иметь различные схемы расположения опор, схемы приложения усилий и их направления и положение в пространстве. Каждый стержень фермы может быть исследуемым, поэтому выполнен с возможностью использования его в качестве механического тензометра для определения вида деформации в нем при действии нагрузки в узлах фермы. При этом в качестве механического тензометра может быть использован известный универсальный стержень Хегая (Патент РФ №2624794 С1, дата приоритета 15.08.2016, дата публикации 06.07.2017, авторы: Хегай О.Н и др., RU). Каждый стержень 1 фермы, включая исследуемый, например стержень 5, согласно изобретению и указанному патенту, образован из двух трубчатых половинок, соосно состыкованных посредством вставленной в их отверстия втулки с возможностью образования зазора между стыкуемыми торцами трубчатых половинок стержня. При этом часть втулки неподвижно закреплена в одной трубчатой половинке, а вторая трубчатая половинка установлена на втулке с возможностью свободного перемещения по ней и фиксации с помощью съемного фиксатора 6. Внутри стержня расположен упругий элемент, закрепленный на концах стержня и соединяющий трубчатые половинки между собой с зазором, заполняемым хрупким материалом, например гипсом, не изменяющим форму при отсутствии внешних усилий, при этом отрывающимся или отслаивающимся от торца незафиксированной подвижно установленной трубчатой половинки при действии усилий растяжения и выдавливающимся из зазора при действии усилий сжатия в исследуемом стержне 5 (условно не показано). При этом во всех стержнях 1 фермы, кроме исследуемого стержня 5, подвижная трубчатая половинка стержня зафиксирована на втулке от перемещения с помощью съемного фиксатора 6, например стопорного винта, установленного в подвижной трубчатой половинке каждого стержня. В исследуемом стержне 5 стопорный винт удален.
Модель для определения деформаций стержней фермы работает следующим образом. В узлы шарнирно-стержневой системы из треугольников, представляющей собой ферму, прикладываются сосредоточенные усилия (Р), схематично обозначенные стрелками. В стержнях появляются усилия сжатия или растяжения. Все стержни 1 за счет фиксаторов 6 останутся постоянными по длине, недеформируемыми. В исследуемом стержне 5 произойдет деформация, и визуально по поведению хрупкого материала можно определить растянут или сжат стержень.
За счет шарнирного соединения стержни можно соединять в других направлениях, тем самым, получать другой тип шарнирно-стержневой системы. К шарнирно-стержневой системе можно прикладывать сосредоточенные усилия (Р) в произвольные узлы и в произвольном направлении (фиг. 2-фиг. 3).
Таким образом, можно визуально определить вид деформации в любом стержне разнотипных шарнирно-стержневых систем, с разной схемой прикладываемых в узлах усилий, в том числе, геометрически подобных натурным конструкциям, используемым при проектировании зданий и сооружений.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в расширении арсенала технических демонстрационных средств и наглядных пособий, предназначенных для использования в учебных и исследовательских лабораториях по теоретической, строительной механике и строительным конструкциям, а также в упрощении модели для визуального определения деформаций в стержнях фермы без применения электрического тензометрического оборудования.
1. Модель для определения деформаций стержней фермы, характеризующаяся тем, что ферма содержит шарнирно соединенные между собой стержни, образующие геометрически неизменяемую шарнирно-стержневую систему из треугольников, каждый стержень системы выполнен с возможностью использования его в качестве механического тензометра для определения вида деформации в нем при действии нагрузки в узлах фермы и образован из двух трубчатых половинок, соосно состыкованных посредством вставленной в их отверстия втулки с возможностью образования зазора между стыкуемыми торцами трубчатых половинок стержня, при этом часть втулки неподвижно закреплена в одной трубчатой половинке, а вторая трубчатая половинка установлена на втулке с возможностью свободного перемещения по ней и фиксации, внутри стержня расположен упругий элемент, закрепленный на концах стержня и соединяющий трубчатые половинки между собой с зазором, заполняемым хрупким материалом, не изменяющим форму при отсутствии внешних усилий, при этом отрывающимся или отслаивающимся от торца незафиксированной подвижно установленной половинки при действии усилий растяжения и выдавливающимся из зазора при действии усилий сжатия в исследуемом стержне, причем во всех стержнях, кроме исследуемого, подвижная трубчатая половинка стержня зафиксирована на втулке от перемещения с помощью съемного фиксатора.
2. Модель для определения деформаций стержней фермы по п. 1, отличающаяся тем, что ферма выполнена геометрически подобной по отношению к натурной конструкции.
3. Модель для определения деформаций стержней фермы по п. 1, отличающаяся тем, что ферма выполнена с опорами, одна из которых закреплена от перемещения в вертикальном и в горизонтальном направлениях, а другая закреплена от перемещения или в вертикальном, или в горизонтальном направлении, при этом обе опоры должны иметь запрет по перемещению по параллельным линиям и одна из опор должна иметь запрет по перемещению в перпендикулярном направлении относительно этих линий.
4. Модель для определения деформаций стержней фермы по п. 1, отличающаяся тем, что ферма выполнена с опорами, которые могут быть установлены в любых узлах.
5. Модель для определения деформаций стержней фермы по п. 1, отличающаяся тем, что ферма выполнена с возможностью загрузки в узлах, при этом усилия могут иметь любые направления.
6. Модель для определения деформаций стержней фермы по п. 1, отличающаяся тем, что съемный фиксатор выполнен в виде винта, фиксирующего подвижную трубчатую половинку стержня и втулку запрещением свободного перемещения по ней.
7. Модель для определения деформаций стержней фермы по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве хрупкого материала использован гипс.
