Введение
Остановочные комплексы – это сооружения некапитального типа, представляющие собой трехмерные стержневые конструкции, устанавливаемые на остановках общественного транспорта, с целью защиты пассажиров от атмосферных осадков и ветра. Соответственно, конструкции остановочных комплексов должны удовлетворять условиям надежности, экономичности и долговечности [1, 2]. Обеспечение данных условий невозможно без проведения прочностных расчетов на стадии проектирования конструкций остановочных комплексов с использованием современных машинных технологий реализации прочностных расчетов методом конечных элементов [3, 4].
В ходе эксплуатации остановочных комплексов нередко наблюдаются избыточно большие деформации элементов их конструкций, а также частичное или полное разрушение, ведущие к возникновению аварийного состояния остановочных комплексов, что является существенной проблемой, требующей решения.
Можно предположить, что одной из значимых причин этого является несоответствие прочностных характеристик конструкций остановочных комплексов требованиям прочности и жесткости. Эти нарушения являются следствием ошибок при проведении прочностных расчетов на этапе проектирования конструкций остановочных комплексов или даже отсутствием прочностных расчетов в принципе. В связи с чем целью настоящей работы является проверки выдвинутого предположения. Реализация поставленной цели осуществлена посредством экспериментального исследования ряда реальных остановочных комплексов, в ходе которого выполнены измерения вертикальных прогибов горизонтальных стержней. Величина вертикального прогиба характеризует прочность и жесткость конструкции. В соответствии со сводом правил «СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*» величина предельного вертикального прогиба должна быть не более 1/200 длины горизонтального стержня.
Материалы и методы
Экспериментальное исследование проводилось в феврале 2017 года в городе Петрозаводске (Республика Карелия, Россия). В качестве объекта исследования выбрана конструкция остановочного комплекса, наиболее часто подверженная избыточно большим деформациям ее элементов и разрушению при снеговой нагрузке (рисунок 1). Данная конструкция представляет собой трехмерную стержневую систему, в которой основными несущими элементами являются четыре стойки 1, на которые опираются два горизонтальных стержня 2, на которые, в свою очередь, опираются четыре арки 3. Все стержни выполнены из стальных труб прямоугольного поперечного сечения: стойки 50*50*2 мм, горизонтальные стержни и арки 40*20*1,5 мм. Длина каждого горизонтального стержня 2 равнялась 4540 мм.
Рисунок 1. Исследуемая конструкция остановочного комплекса (ул. Щербакова).
Измерения величины вертикальных прогибов горизонтальных стержней 2 выполнены на восьми остановочных комплексах данной конструкции, расположенных в разных районах города Петрозаводска (рисунок 2 и рисунок 3). Среднее значение величины снежного покрова составляла 0,310 м, плотность снега – 350 кг/м3. Соответственно, вес снегового покрова на 1 м2 составлял 1085 Н/м2.
Необходимо отметить, что при проведении прочностных расчетов на этапе проектирования стержневых конструкций вес снегового покрова на 1 м2 в соответствии со сводом правил «СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*» принимается в зависимости от снегового района. Так, город Петрозаводск относится к V снеговому району и вес снегового покрова на 1 м2 соответствует 3200 Н/м2.
Рисунок 2. Остановочные комплексы на ул. Репникова (слева) и ул. Антонова (справа).
Рисунок 3. Схема расположения исследуемых остановочных комплексов:
1 - ул. Репникова, 2 - ул. Антонова, 3 - ул. Сегежская, 4 - ул. Щербакова,
5 - ул. Гоголя, 6 - ул. Красноармейская, 7 - пр. Комсомольский, 8 - ул. Чистая.
В ходе экспериментального исследования осуществлялась пятикратная повторность измерений.
Результаты
По результатам исследований была получена выборка данных величины вертикальных прогибов горизонтальных стержней 2. Для полученных данных произведена статистическая обработка общепринятыми методами математической статистики с использованием программного пакета Microsoft Office Excel 2010 [5–8] для 5 %-го уровня значимости. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты измерения вертикальных прогибов горизонтальных стержней.
| Показатели | Значения |
| Среднее значение вертикальных прогибов, мм | 165,63 |
| Среднеквадратичное отклонение, мм | 11,48 |
| Дисперсия выборки, мм2 | 131,70 |
| Доверительный интервал, мм | 30,00 |
| Нижняя граница доверительного интервала, мм | 150,00 |
| Верхняя граница доверительного интервала, мм | 180,00 |
Обсуждение и заключение
Как видно из таблицы 1, среднее значение вертикальных прогибов горизонтальных стержней составило 165,63 мм, а величина предельного вертикального прогиба в соответствии со сводом правил «СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*» – 22,70 мм (4540/200). Соответственно, реальные значения вертикальных прогибов горизонтальных стержней превысили предельные в 7,3 раза. Кроме того, принимая во внимание величину доверительного интервала, необходимо отметить, что даже нижняя граница доверительного интервала реальных значения вертикальных прогибов превышает предельный в 6,6 раза, а верхняя граница в 7,9 раза. При этом, столь значительное превышение реальных значений над предельны наблюдались при снеговой нагрузке (1085 Н/м2) почти в три раза меньшей расчетной для города Петрозаводска (3200 Н/м2). Все это говорит о значительном несоответствии прочностных характеристик конструкции остановочных комплексов требованиям прочности и жесткости. Для того чтобы повысить прочностные характеристики исследуемой конструкции остановочных комплексов необходимо, в соответствии с законом Гука, увеличить площадь поперечного сечения горизонтальных стержней. Конкретные значения площади поперечного сечения должны быть определены в ходе прочностных расчетов методом конечных элементов (FEM) с использованием современных программных пакетов, например, таких как «КОМПАС-3D», «SOLIDWORKS» или «ANSYS» [9–10].
Благодарности
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук Т. А. Гаврилову, оказавшему большую помощь ценными консультациями и замечаниями.
Список литературы
1. Волошановская Ю. Э., Тихонова О. Н. Расчет стержневых конструкций с учетом пластических деформаций материала: монография. – Москва: Директ-Медиа. – 2014. – 152 с.
2. Левин В. Е., Пустовой Н. В. Механика деформирования криволинейных стержней: монография. – Новосибирск: Издательство НГТУ. – 2008. – 208 с.
3. Гаврилов Т. А. Информационные технологии в междисциплинарных исследованиях возможностей ресурсосбережения // Информационная среда ВУЗа XXI века: материалы VII Международной научно-практической конференции. – 2013. – С. 48-50.
4. Зайцева М. И., Девятникова Л. А., Никонова Ю. В., Колесников Г. Н. Информационные технологии в научно-исследовательской работе студентов технических факультетов // Информационная среда ВУЗа XXI века: материалы VII Международной научно-практической конференции. – 2013. – С. 86-89.
5. Gavrilov T. А., Stankevich T. B., Anpilogova O. А., Kolesnikov G. N., Chernyaev L. A. Debarking waste processing: a systematic review // Resources and Technology. – 2016. – Т. 13. – № 3. – С. 71-77.
6. Зайцева М. И., Колесников Г. Н., Робонен Е. В., Чернобровкина Н. П. Отходы переработки хвои сосны обыкновенной как материал для теплоизоляционных плит // Перспективное развитие науки, техники и технологий: материалы 3-й Международной научно-практической конференции: в 3-х томах. – 2013. – С. 27-30.
7. Гаврилов Т. А., Малинов Г. И., Карпин В. Ю., Кондрашов В. Ф. Исследование температурного режима в режущем механизме измельчителей мясного корма // Техника в сельском хозяйстве. – 2014. – № 1. – С. 29-31.
8. Гаврилов Т. А. Ресурсосберегающие технологии переработки отходов в виде биомассы древесины // Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции. – 2014. – С. 20-24.
9. Малинов Г. И., Кондрашов В. Ф., Гаврилов Т. А. Определение углов скольжения лезвия в процессе опорного резания // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. – 2012. – № 8-2 (129). – С. 40-42.
10. Stankevich T. B., Anpilogova O. А., Malinov G. I., Gavrilov T. А. The efficiency rise of the feeds grinding process by optimizing its parameters // Resources and Technology. – 2015. – Т. 12. – № 2. – С. 89-97.