Типовые проекты Скачать проект
Форма обратной связи
8 (800) 444-22-51 Звонок по России бесплатный snabsbit@cesis.ru Отдел продаж
Форма обратной связи

Расчет и конструирование противотаранных устройств шлагбаумного типа

Для определения усилий и дальнейшего расчета сечений элементов конструкцию необходимо представить в виде расчетной схемы и приложить к ней нагрузки, действующие на нее. При расчете и конструировании противотаранных устройств шлагбаумного типа (ПТУ, барьер) определяющей нагрузкой, действующей на рассматриваемые изделия, является динамическая нагрузка, возникающая вследствие таранного удара транспортным средством. Ударом называется физическое явление, при котором скорость транспортного средства (автомобиля) за очень короткий промежуток времени изменяется и в нашем случае падает до нуля; автомобиль останавливается. Значит, на него от барьера передается очень большое ускорение, направленное в сторону, обратную его движению, т.е. передается сила, равная произведению массы транспортного средства на это ускорение. Математически это записывается так: Fдин=m*a где m – масса транспортного средства, a – ускорение. По закону равенства действующих и противодействующих сил на противотаранное устройство передается такая же сила, но обратно направленная. Эти силы и вызывают усилия, возникающие в поперечных сечениях основных силовых элементов ПТУ и транспортного средства. Таким образом, в барьере возникают усилия равные по величине, возникающим при приложении нагрузки в виде силы инерции ударяющего автомобиля. Мы можем вычислить эти усилия, рассматривая силу инерции как статическую нагрузку, приложенную к стреле противотаранного устройства. Затруднение заключается в вычислении этой силы инерции. Мы не знаем продолжительности удара, т.е. величины того промежутка времени, в течение которого происходит падение скорости автомобиля до нуля. Поэтому остается неизвестной величина ускорения, а стало быть, и силы инерции. Для вычисления этой силы и связанных с ней усилий и деформаций, возникающих в основных силовых элементах ПТУ, воспользуемся законом сохранения энергии. При ударе за очень короткий промежуток времени происходит превращение одного вида энергии в другой: кинетическая энергия ударяющего автомобиля превращается в потенциальную энергию деформации основных силовых элементов барьера. Выражая эту энергию в виде функции силы или усилий, или деформаций, мы получаем возможность вычислить эти величины. Решение данной задачи строится на основе приближенной теории упругого удара, в которой принимаются следующие допущения. Первое. Кинетическая энергия ударяющего автомобиля полностью переходит в потенциальную энергию деформации силовых элементов барьера; при этом не учитывается энергия, идущая на деформацию самого транспортного средства и остальных частей ПТУ. Второе. Закон распределения усилий и деформаций по всему объему ПТУ остается таким же, как и при статическом действии сил. При этом не учитывается изменение распределения усилий и деформаций в том месте, где происходит соударение автомобиля со стрелой барьера, а также за счет колебаний высокой частоты, сопровождающих явление удара во всем объеме ПТУ. Первое допущение идет в запас прочности несущих элементов барьера, так как ставит их в худшие условия работы, чем это имеет место в действительности. Второе допущение дает дополнительные усилия для наиболее напряженных частей ПТУ, что также идет в запас прочности системы. На практике решение рассматриваемой задачи сводится к алгоритму: 1) определить перемещения основных силовых элементов ПТУ от действия, статически приложенного веса транспортного средства в направлении его движения; 2) вычислить динамический коэффициент: (2) где – скорость транспортного средства в начальный момент удара; – ускорение свободного падения; – перемещение от действия статически приложенного веса автомобиля; 3) вычислить усредненную силу удара: 4) определить усилия и деформации от усредненной силы удара в основных силовых элементах ПТУ; 5) проверить поперечные сечения основных силовых элементов ПТУ на полученные усилия. В качестве одних из основных силовых элементов противотаранных устройств шлагбаумного типа, воспринимающих ударную нагрузку и передающих ее посредством опор на фундамент, целесообразно использовать стальные канаты, расположив их внутри стрелы барьера. Это связано с тем, что одной из главных характерных особенностей работы стальных канатов при внешнем воздействии является наличие в любом сечении, нормальном к оси, только растягивающих равномерно распределенных напряжений, причем вектор, соответствующий усилию, всегда направлен по касательной к оси стального каната. Другими словами стальные канаты работают только на растяжение. Из курса сопротивления материалов известно, что при одинаковых напряжениях в материале, растянутый элемент несет нагрузку, в несколько раз большую, чем изгибаемый того же поперечного сечения. Еще в 1897 г. великий русский инженер и ученый Владимир Григорьевич Шухов в опубликованной книге «Стропила. Изыскание рациональных типов прямолинейных стропильных ферм и теория арочных ферм» впервые доказал, что прочность материала используется наилучшим образом, если он работает на усилия сжатия либо растяжения, и наихудшим, – если на изгиб. Убедимся в правильности этого постулата Шухова в результате простых выкладок и рассуждений. Для этого рассмотрим два элемента, расчетные схемы которых представлены на рисунке 1. а) б) Рисунок 1 – Расчетная схема элемента: а – растянутого; б – изгибаемого. Напряжения σ от осевого растяжения или осевого сжатия силой N, приложенной к элементу сечением b на h, представленному на рисунке 1а, равны:     (4) В свою очередь в изгибаемом элементе, представленном на рисунке 1б, тем же сечением b на h и пролетом 8∙h, загруженным той же силой N посередине пролета, напряжения определяются по формуле:      (5) где M – изгибающий момент; W – момент сопротивления сечения. Подставив в выражение (5) значения изгибающего момента:    (6) и момента сопротивления сечения:     (7) получим напряжения:     (8) а после сокращения формула (8) примет вид:    (9) Рисунок 2. Общий вид противотаранных устройств (фото из интернет-источников) Сопоставляя значения напряжений, полученных в формулах (4) и (9), приходим к выводу о том, что напряжения в изгибаемом элементе в 12 раз больше, чем в растянутом либо сжатом стержне, хотя оба они нагружены одинаковой силой N и имеют одинаковое сечение b на h. Иначе говоря, при одинаковых напряжениях в материале растянутый либо сжатый элемент несет нагрузку в 12 раз большую, чем изгибаемый элемент того же поперечного сечения, причем чем больше пролет изгибаемого элемента, тем больше он проигрывает в сопоставлении с растянутым либо сжатым элементом того же поперечного сечения. Так, при увеличении длины вышерассмотренного элемента в 2 раза при прочих равных условиях стержень, работающий на изгиб, проигрывает элементу, испытывающему растяжение, в 24 раза, а при увеличении его длины в 3 раза уступает по своей несущей способности уже в 36 раз. Работа на растяжение, позволяющая более эффективно использовать всю площадь поперечного сечения стального каната и высокая прочность материала приводят к тому, что общий вес ПТУ снижается, и как следствие появляется возможность применять для подъема стрелы барьера мотор–редуктор и преобразователь частоты для его управления с меньшей мощностью и типоразмером. В свою очередь все это ведет к значительному снижению себестоимости изделия, а также расширяет технические характеристики рассматриваемых устройств по ширине перекрываемых проездов и практику их применения. Однако в настоящее время на рынке можно встретить изделия, использующие в качестве основного силового элемента, воспринимающего динамическую нагрузку, вызванную таранным ударом транспортного средства, изгибаемые элементы в виде жестких массивных стальных балок различного сечения. В качестве примера на рисунке 2 представлены такие устройства. Из рисунка видно, что ширина перекрываемого проезда указанных барьеров, как правило, не намного больше ширины самого автотранспортного средства. Для оценки достоверности получаемых результатов при расчете силовых элементов противотаранных устройств вышеописанным методом проведем сравнительный анализ параметров напряженно–деформированного состояния (НДС) несущих элементов барьера, полученных в результате натурного и вычислительного экспериментов. Для этого создана расчетная модель, представленная на рисунке 3, противотаранного устройства облегченного типа, установленного на металлический свайный фундамент совместно с грунтовым массивом, и проведен расчет методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе «ЛИРА» версии 9.6 релиз R9. Моделирование балочных элементов выполнено с использованием универсального пространственного стержневого конечного элемента (тип 10), пластинчатых элементов с использованием универсального прямоугольного конечного элемента оболочки (тип 41), стального каната с использованием геометрически нелинейного универсального пространственного стержневого конечного элемента (тип 310). Моделирование грунтового массива выполнено с использованием физически нелинейных объемных изопараметрических конечных элементов грунта (тип 274 и тип 276). Воздействие таранного удара смоделировано равномерно–распределенной горизонтальной поперечной нагрузкой, приложенной по всей длине стального каната. Данная нагрузка определена с помощью вышеуказанной методики через усредненную величину силы импульса (удара). Расчет выполнен шаговым нелинейным процессором, предназначенным для решения физически и геометрически нелинейных, а также контактных задач. Проведенный расчет методом конечных элементов позволил получить НДС исследуемой конструкции. На рисунке 4 представлены полученные результаты расчета. На рисунке 5 и 6 показаны общий вид и фрагмент мозаики горизонтальных перемещений, вызванных действием динамической нагрузки. В результате численного моделирования получено максимальное перемещение в середине пролета стальных канатов, которое составило 533 мм. а) б) Рисунок 3 – Расчетная модель: а – общий вид; б – фрагмент. Экспериментальные исследования проводились в сентябре 2013 г. на территории испытательного центра НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ» (г. Дмитров, Московская область). На рисунке 7 показан монтаж металлического свайного фундамента. Технология установки на месте монтажа определялась организацией, осуществляющей монтаж. При проведении работ по монтажу руководствовались рабочей документацией на объект. Монтаж изделия производился специалистами, изучившими эксплуатационную документацию и прошедшими подготовку по правилам проведения монтажа. Все работы по монтажу проводились с соблюдением требований действующих нормативных документов по технике безопасности на месте монтажа и эксплуатации изделий. Протокол решения задачи. 1. Расчётная схема: – Уравнений 10345 – Элементов 3302 – Узлов 3797 – Загружений 1 – Геом. Нелинейность – Грунт 2. Расчёт: – Шагово–итерационный 3. Ресурс: – Диск. память 26,527 М – Время расчёта 1–1 мин. Р А З Р У Ш Е Н И Я: Тёмно–синий цвет – Разруше- ния элемента Голубой цвет – Растяжение а) б) Рисунок 4 – Напряженно–деформированное состояние расчетной модели: а – общий вид; б – фрагмент. Нелинейное загружение 2 Мозаика перемещения по Y(G) Единицы измерения – мм Рисунок 5 – Мозаика горизонтальных перемещений: общий вид Рисунок 6 – Мозаика горизонтальных перемещений: фрагмент а) б) Рисунок 7 – Монтаж металлического свайного фундамента: а – монтаж свай; б – монтаж ростверка Монтаж барьера на металлический свайный фундамент показан на рисунке 8. Монтаж противотаранного устройства велся поперек полотна проезжей части дороги. Требование, предъявляемое к объектам испытаний, заключалось в создании непреодолимого препятствия для автотранспорта массой до 3,5 т и скоростью движения до 40 км/ч при попытке несанкционированного въезда на охраняемую территорию объекта. Общие виды испытуемого изделия, а также автомобиля ГАЗ–33023, которым производился таранный удар, представлены на рисунке 9 и рисунке 10 соответственно. Автомобиль ГАЗ–33023 догружался тремя грузами по 500 кг до разрешенной максимальной массы в 3500 кг, что видно на рисунке 10б. Испытание осуществлялось путем таранного удара по ПТУ, установленного на металлический свайный фундамент автомобилем ГАЗ–33023, массой 3,5 т, движущегося по поверхности дорожного покрытия со скоростью 40 км/ч. Для разгона автотранспортного средства (АТС) использовалась горизонтальная дорога с твердым (цементобетонным) покрытием шириной 6 м. Движение АТС в заданном направлении обеспечивалось прямолинейным монорельсом. а) б) Рисунок 8 – Монтаж барьера на металлический свайный фундамент: а – общий вид; б – фрагмент а) б) Рисунок 9 – Общий вид барьера до испытания: а – в закрытом состоянии; б – в открытом состоянии Разгон осуществлялся автомобилем – тягачом марки МАЗ 537, представленным на рисунке 11, посредством тягового троса, системы подвижных и неподвижных направляющих блоков и ползуна, перемещающегося по монорельсу. Отделение АТС от ползуна осуществлялось автоматически на расстоянии 8 м от места возникновения контакта с ПТУ. Дальнейшее движение АТС происходило по инерции. Скорость таранного удара автомобиля по ПТУ определялась посредством электронного прибора «время – путь» на расстоянии 8 м до места возникновения контакта с ПТУ. Результаты испытания представлены на рисунке 12. Прогиб стальных канатов, вызванный действием поперечного удара, составил 615 мм. Сопоставление полученных в результате натурных испытаний и вычислительного эксперимента значений параметров напряженно–деформированного состояния основных силовых элементов противотаранного устройства и металлического свайного фундамента, а именно максимальных перемещений в середине пролета стальных канатов, показало расхождение в значениях не более 15%, что является достаточным показателем точности для инженерных расчетов. а) б) Рисунок 10 – Общий вид автомобиля ГАЗ–33023 до испытания: а – вид спереди; б – вид сзади а) б) Рисунок 11 – Общий вид седельного тягача МАЗ 537: а – вид спереди; б – вид сзади а) б) Рисунок 12 – Прогиб стальных канатов вследствие действия поперечного удара: а – общий вид; б – фрагмент

Автор: Денис Тарасов, к.т.н, начальник архитектурно–строительной группы ЗАО «ЦеСИС НИКИРЭТ»

    Журнал “ТЕХНИКА ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА” • №2, 2017 г.