Модель для определения деформаций стержней пространственной стержневой конструкции

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 пространственных конструкций, так и в качестве моделей шарнирно-стержневых систем при проектировании зданий и сооружений, при изучении работы пространственных стержневых конструкций. Модель содержит шарнирно соединенные между собой стержни, образующие установленную на опорах 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 системы и образован из двух трубчатых половинок, соосно состыкованных посредством вставленной в их отверстия втулки с возможностью образования зазора между стыкуемыми торцами трубчатых половинок стержня. 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. Технический результат: расширение арсенала технических демонстрационных средств и наглядных пособий, а также в упрощение модели для визуального определения деформаций в стержнях пространственной стержневой конструкции без применения электрического тензометрического оборудования. 6 з.п. ф-лы, 4 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 пространственных конструкций, так и в качестве моделей шарнирно-стержневых систем при проектировании зданий и сооружений, при изучении работы пространственных стержневых конструкций.

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 пространственной стержневой системы. В пространственной стержневой системе могут быть установлены музыкальные струны или проволочные стержни, которые при натяжении настраиваются на одинаковый тон. При загружении пространственной стержневой системы 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 стержневых конструкций, а также для наглядного изучения работы стержней в них используют тензометрическую аппаратуру и мост Уитстона. При этом стержневая конструкция 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 пространственных стержневых конструкций, 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 пространственной стержневой конструкций без применения сложного электрического тензометрического оборудования.

Для решения технической проблемы предложена модель для определения деформаций стержней пространственной стержневой конструкции, характеризующаяся тем, что пространственная стержневая конструкция содержит шарнирно соединенные между собой стержни, образующие установленную на опорах 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 системы 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.

Согласно изобретению, модель в частности характеризуется тем, что пространственная стержневая конструкция выполнена геометрически подобной по отношению к натурной конструкции.

Согласно изобретению, пространственная стержневая конструкция выполнена с опорами, обеспечивающими неподвижность конструкции в любом направлении.

Согласно изобретению, пространственная стержневая конструкция выполнена с опорами, которые могут быть установлены в любых узлах.

Согласно изобретению, пространственная стержневая конструкция выполнена с возможностью загрузки в узлах, при этом усилия могут иметь любые направления.

Согласно изобретению, съемный фиксатор выполнен в виде винта, фиксирующего подвижную трубчатую половинку стержня и втулку запрещением свободного перемещения по ней.

Согласно изобретению, в качестве хрупкого материала использован гипс.

На фиг. 1 схематично изображена модель для определения деформаций стержней пространственной стержневой конструкции с опорами и усилиями, приложенными в узлах, общий вид; на фиг. 2 схематично изображен стержень для определения деформаций растяжения или сжатия; на фиг. 3 приведен пример работы стержня при растяжении или сжатии; на фиг. 4 схематично изображен стержень с фиксатором.

Модель для определения деформаций стержней пространственной стержневой конструкции содержит шарнирно соединенные между собой стержни 1, 2, образующие установленную на опорах геометрически неизменяемую шарнирно-стержневую систему из треугольников, нагружаемую в узлах. Опоры должны обеспечивать неподвижность конструкции в любом направлении и могут быть расположены в различных узлах с запретом перемещений в определенных направлениях (фиг. 1). Кроме того, пространственная стержневая конструкция может быть геометрически подобна натурной конструкции, может иметь различные схемы расположения опор, схемы приложения усилий и их направления и положение в пространстве (условно не показано). Каждый стержень пространственной стержневой конструкции может быть исследуемым, поэтому выполнен с возможностью использования его в качестве механического тензометра для определения вида деформации в нем при действии нагрузки в узлах пространственной стержневой конструкции. 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 пространственной стержневой конструкции, включая исследуемый, например стержень 2, согласно изобретению и указанному патенту, образован из двух трубчатых половинок 3, 4, соосно состыкованных посредством вставленной в их отверстия втулки 5 с возможностью образования зазора между стыкуемыми торцами трубчатых половинок стержня (фиг. 2). При этом часть втулки 5 неподвижно закреплена в одной трубчатой половинке 3, а вторая трубчатая половинка 4 установлена на втулке с возможностью свободного перемещения по ней и фиксации. Внутри стержня расположен упругий элемент 6, закрепленный на концах стержня и соединяющий трубчатые половинки между собой с зазором, заполняемым хрупким материалом 7, 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 2 пространственной стержневой конструкции (фиг. 3). При этом во всех стержнях 1 пространственной стержневой конструкции, кроме исследуемого стержня 2, подвижная трубчатая половинка 4 стержня зафиксирована на втулке 5 от перемещения с помощью съемного фиксатора 8, например стопорного винта, установленного в подвижной трубчатой половинке каждого стержня (фиг. 4). В исследуемом стержне 2 стопорный винт удален.

Модель для определения деформаций стержней пространственной стержневой конструкции работает следующим образом. В узлы шарнирно-стержневой системы из треугольников, представляющей собой пространственную стержневую конструкцию, прикладываются сосредоточенные усилия (Р), схематично обозначенные стрелками. В стержнях появляются усилия сжатия или растяжения. Все стержни 1 за счет фиксаторов 8 останутся постоянными по длине, недеформируемыми. В исследуемом стержне 2 произойдет деформация, и визуально по поведению хрупкого материала можно определить растянут или сжат стержень.

К шарнирно-стержневой системе можно прикладывать сосредоточенные усилия (Р) в произвольные узлы и в произвольном направлении.

Таким образом, можно визуально определить вид деформации в любом стержне пространственной стержневой конструкции, 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 пространственной стержневой конструкции без применения электрического тензометрического оборудования.

1. Модель для определения деформаций стержней пространственной стержневой конструкции, характеризующаяся тем, что пространственная стержневая конструкция содержит шарнирно соединенные между собой стержни, образующие установленную на опорах 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 системы 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.

2. Модель по п. 1, отличающаяся тем, что пространственная стержневая конструкция выполнена геометрически подобной по отношению к натурной конструкции.

3. Модель по п. 1, отличающаяся тем, что пространственная стержневая конструкция выполнена с опорами, обеспечивающими неподвижность конструкции в любом направлении.

4. Модель по п. 1, отличающаяся тем, что пространственная стержневая конструкция выполнена с опорами, которые могут быть установлены в любых узлах.

5. Модель по п. 1, отличающаяся тем, что пространственная стержневая конструкция выполнена с возможностью загрузки в узлах, при этом усилия могут иметь любые направления.

6. Модель 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 по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве хрупкого материала использован гипс.