Автор: Денис ТАРАСОВ, АО «ЦеСИС»
Расчет, проектирование и натурное испытание защитного сооружения
В настоящее время не теряют своей актуальности разного рода угрозы, связанные с прорывом периметра особо важных объектов с помощью автотранспортных средств. Следовательно, исключительное значение приобретают вопросы, относящиеся к проектированию и устройству специальных инженерных сооружений, обладающих защитными свойствами при ударном воздействии, возникающем при наезде автотранспортного средства. Вместе с тем, в условиях возрастающих требований, предъявляемых к безопасности особо важных объектов, становится все более актуальным решение задачи по повышению надежности и эффективности применяемых проектных решений, особенно на начальном этапе разработки проекта при назначении конструктивных схем защитных сооружений. Из основных теоретических положений механики известно, что любой конструктивный элемент той или иной механической системы при внешнем силовом воздействии наилучшим образом работает на растяжение и значительно хуже сопротивляется изгибу. При этом следует отметить, что с увеличением длины изгибаемый элемент всё больше и больше уступает элементу, испытывающему растяжение. Этот факт обусловлен тем, что при одинаковых поперечном сечении и нагрузке, напряжения, возникающие в максимально нагруженном сечении изгибаемого элемента, в несколько раз больше, чем в материале элемента, подверженному осевому растяжению. Иными словами, при постоянных значениях нагрузки и максимально допустимых напряжений в материале элемент, работающий на растяжение, экономически более обоснован, чем элемент, воспринимающий изгибающие моменты, поскольку первому для сопротивления силовому воздействию без разрушения требуется меньшая площадь поперечного сечения. В связи с этим в качестве основных силовых элементов, обеспечивающих общую прочность защитных сооружений при ударном воздействии, предлагается использовать стальные канаты. Главной особенностью данных элементов является то, что они способны работать исключительно на растяжение и не могут воспринимать изгибающие моменты, ввиду наличия малой изгибной жесткости. В настоящее время оценка прочности стальных канатов при действии статических нагрузок проводится с использованием известных методик, для которых расчетной моделью является гибкая нить. При динамическом воздействии наряду с ними широко применяются коммерческие системы компьютерного моделирования, реализующие метод прямого интегрирования уравнений движения по времени, что дает возможность определять усилия и напряжения в элементах геометрически нелинейных конструкций, а также перемещения, скорости и ускорения узлов в любой момент времени. Из вышеперечисленного сформулируем цель исследования следующим образом – оценить прочность и жесткость защитного сооружения с основными несущими элементами, выполненными из стальных канатов, при ударном воздействии, вызванном наездом автомобиля с заданной массой и скоростью движения. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. По результатам численного моделирования разработать, а затем изготовить и смонтировать объект исследования; 2. Разработать методику проведения натурного эксперимента; 3. Провести экспериментальное исследование по разработанной методике с дальнейшим сравнительным анализом результатов, полученных в ходе численного моделирования. Объектом исследования является защитное сооружение, представляющее собой противотаранное устройство, конструктивно выполненное в виде шлагбаума. Предметом исследования выступают усилия и деформации, возникающие в сечениях элементов защитного сооружения, характеризующие его поведение при ударном воздействии. Требование, предъявляемое к проектируемому защитному сооружению, заключается в создании непреодолимого физического препятствия при несанкционированном проезде автотранспортного средства массой m=10 тонн, движущегося со скоростью υ=60 км/ч, с гарантированным обеспечением его принудительной остановки. Для определения геометрических характеристик опорных конструкций, расположенных ниже основных несущих элементов, выполненных из стальных канатов, проведем компьютерное моделирование поведения защитного сооружения при динамическом воздействии в коммерческом программном комплексе «Лира»*, реализованном на общепризнанном методе конечных элементов. В качестве параметров динамического воздействия во времени примем значения, определенные в результате ранее проведенных натурных испытаний (рис. 1).
Рис. 1. Расчетная модель защитного сооружения За критерий оценки адекватности результатов, полученных с помощью программного комплекса «Лира», примем перемещение стальных канатов в середине пролета защитного сооружения. В ходе расчета получены максимальные значения нормальной растягивающей силы, возникающей в стальных канатах, равной N=2144 кН и горизонтального перемещения равного u=1,034 м. В качестве примера на рис. 2 показано деформированное состояние защитного сооружения, соответствующее максимальным перемещениям в момент времени t=0,1134 c от начала действия динамической нагрузки.
Рис. 2. Деформированное состояние защитного сооружения Согласно задачам исследования, по результатам проведенного моделирования запроектировано и изготовлено защитное сооружение, конструктивно представляющее собой противотаранный шлагбаум. Монтаж объекта исследования выполнен на полигоне испытательной лаборатории для проведения испытаний технических средств обеспечения транспортной безопасности Пензенского государственного университета. Общий вид противотаранного шлагбаума до экспериментального исследования представлен на рис. 3.
Рис. 3. Общий вид противотаранного шлагбаума до испытания Это техническое решение условно можно представить в виде совокупности двух групп конструктивных элементов: основных (несущих) и вспомогательных. Основные элементы обеспечивают требуемую прочность и жесткость противотаранного шлагбаума при действии силовых факторов, возникающих вследствие таранного удара автотранспортным средством. Вспомогательные элементы предназначены для сопряжения и обеспечения требуемой функциональности несущих элементов. К основным элементам относятся стальные канаты, штыри из высокопрочной стали, расположенные на концах стрелы противотаранного шлагбаума, и наряду с этим две металлические опоры. Всё перечисленное совместно с фундаментом образует замкнутую силовую систему во время действия кратковременной динамической нагрузки. В качестве вспомогательных элементов выступают металлическая рама с установленной стрелой, выполненной из стальной трубы и уравновешенной противовесом, электропривод, а также пластиковый защитный кожух, закрывающий раму с противовесом. Стальные канаты намотаны по замкнутому контуру вокруг металлических штырей, расположенных на концах стрелы. Тем самым труба, из которой изготовлена стрела барьера, является кожухом для данных элементов. В свою очередь, металлические штыри на концах стрелы защитного сооружения предназначены для обеспечения пассивного зацепа во время таранного удара автотранспортным средством. Металлические опоры противотаранного шлагбаума представляют собой пространственные конструкции, сваренные из толстостенных стальных прямоугольных профилей. Основания опор имеют жесткое сопряжение с блоками фундаментных болтов, расположенных в теле фундамента. Натурное испытание проводится путем наезда на объект исследования грузовым автомобилем ЗиЛ-130, догруженным железобетонными блоками до требуемой массы m=10 т и разогнанным до скорости υ=60 км/ч (рис. 4).
Рис. 4. Общий вид автомобиля ЗиЛ-130 до испытания Разгон испытательного автомобиля осуществляется по горизонтальной дороге с твердым покрытием. Прямолинейное движение автотранспортного средства в направлении удара обеспечивается монорельсом, непосредственно по которому перемещается ползун, соединенный с помощью стальной цепи с передней подвеской разгоняемого автомобиля (рис. 4). В свою очередь, ползун посредством тягового троса, огибающего систему полиспастов, приводится в движение колесным трактором К-700. Контроль скорости, на которой происходит взаимодействие, осуществляется с помощью датчика угла поворота (энкодера), установленного на заднем колесе ударяющего автотранспортного средства (рис. 4). На расстоянии 4 м от объекта исследования ползун автоматически отделяется от стальной цепи, соединенной с передней подвеской, и испытательный автомобиль продолжает свое дальнейшее движение по инерции. Фактические климатические условия на момент натурного эксперимента характеризовались температурой окружающего воздуха +25 ºС и скоростью ветра 0–1 м/с. В ходе экспериментального исследования стрела противотаранного шлагбаума находилась в горизонтальном положении, тем самым фиксировалось замкнутое состояние силовой системы «канаты – штыри – опоры –фундамент». На основании данных, полученных с датчика угла поворота, скорость ударяющего автотранспортного средства к моменту контакта с объектом исследования составляла 59,4 км/ч. Удар пришелся под прямым углом в середину стрелы защитного сооружения. Во время таранного удара испытательным автомобилем первой начала деформироваться стрела, при этом совершая кинематические перемещения до тех пор, пока штыри, расположенные на ее концах, не вошли в контакт с опорами барьера. После полного совершения стрелой кинематических перемещений по выбору зазоров между штырями и опорами, произошло разрушение указанного элемента. В это же время в работу по восприятию кратковременной динамической нагрузки вступили стальные канаты, расположенные внутри стрелы противотаранного шлагбаума. Таким образом, стальные канаты через штыри посредством опор передали ударную нагрузку на фундамент. Общий вид объекта исследования после контакта с автотранспортным средством, которым производился таранный удар, представлен на рис. 5.
Рис. 5. Общий вид противотаранного шлагбаума и автомобиля ЗиЛ-130 после испытания Одним из важнейших критериев, характеризующих поведение любой механической системы при внешнем воздействии, являются возникающие при этом деформации. Анализ деформированного состояния, представленного на рис. 5, показал, что максимальный прогиб основных несущих элементов, а именно стальных канатов, расположенных внутри стрелы защитного сооружения, составил значение порядка 1,05 м при цене деления шкалы измерения равной 0,2 м. Для оценки адекватности результатов, полученных с помощью компьютерного моделирования, сведем значения ранее принятого критерия в табл. 1.
Анализ приведенных данных в табл. 1 показывает, что полученные с помощью компьютерного моделирования результаты имеют хорошую согласованность с данными, зафиксированными во время проведения натурного эксперимента. Предложенное конструктивное решение защитного сооружения, представляющее собой противотаранный шлагбаум с основными несущими элементами, выполненными из нескольких витков стального каната, в ходе натурного испытания подтвердило расчетные характеристики по остановке автомобиля с заданной массой и скоростью движения. Наряду с этим проведенный полномасштабный эксперимент позволил определить истинное распределение деформаций по элементам объекта исследования, возникающих вследствие ударного воздействия, вызванного наездом останавливаемого автотранспортного средства. Результаты исследования могут найти применение при проектировании подобных инженерных сооружений, предназначенных для защиты инфраструктуры особо важных объектов. * версия 10.10 релиз 2.4
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru