Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как мосты, перекинутые через могучие реки, или стальные каркасы, поддерживающие небоскребы, остаются устойчивыми к ветру и непогоде? Ответ часто кроется в конструктивном решении, известном как «жесткая рама». В этой статье рассматриваются определение, характеристики, применение и критическая важность жестких рам в инженерном деле.
Определение и основные принципы
Жесткая рама, как следует из названия, представляет собой конструктивную систему, в которой балки и колонны соединены жесткими соединениями, образуя единое целое. Основной принцип требует, чтобы пролетная конструкция и поддерживающая подконструкция обладали сопоставимой жесткостью для создания истинной жесткой рамы. В стальных конструкциях это обычно проявляется в виде полностью сварных соединений между балочными фермами и поддерживающими колоннами, в то время как бетонные конструкции достигают интеграции посредством монолитного литья строительных плит с опорными стенами.
Следует отметить, что когда жесткость верхней конструкции значительно превышает жесткость нижней конструкции, соединение не может считаться истинной жесткой рамой — даже при физическом соединении. Например, в железобетонных арочных плитных конструкциях, где плита монолитно соединяется с балочными балками и колоннами, система не квалифицируется как рамная конструкция, если жесткость колонн минимально влияет на работу плиты.
Механические свойства и анализ устойчивости
При механическом анализе каждый узел в жесткой раме должен удовлетворять трем уравнениям равновесия: сумма горизонтальных сил равна нулю (∑H=0), вертикальные силы равны нулю (∑V=0), а моменты равны нулю (∑M=0). Следовательно, каждый компонент рамы несет неизвестные осевые силы, поперечные силы и изгибающие моменты.
Для жесткой рамы с
n
элементами и
r
внешними ограничениями количество неизвестных равно (3
n
+
r
). Конструкция становится статически определимой, когда количество неизвестных соответствует уравнениям равновесия (3
n
+
r
=3
j
, где
j
представляет узлы, включая опоры), статически неопределимой, когда количество неизвестных превышает количество уравнений (3
n
+
r
>3
j
), и неустойчивой, когда количество уравнений меньше количества неизвестных (3
n
+
r
<3
j
j
).
Приложения для обеспечения безопасности
Принципы проектирования жестких рам были адаптированы для систем безопасности. Некоторые компании используют жесткие рамные корзины, которые заключают персонал в каркасные конструкции. Хотя это снижает риски падения, возникают опасения по поводу сценариев погружения в воду, когда эвакуация может быть затруднена. Существуют два варианта: тип
Esvagt
с плавучими кольцами и крыльями для стоящих пассажиров и транспортные капсулы с плавучими пластинами, где сидящий персонал остается пристегнутым.
Жестко-рамные мосты: экономичные решения для средних пролетов
Жестко-рамные мосты (или портально-рамные мосты) имеют надстройки, поддерживаемые вертикальными или наклонными монолитными колоннами. Жесткое соединение между верхней и нижней конструкциями создает интегрированную систему, которая оказывается экономически эффективной для средних пролетов. Эти мосты, появившиеся в начале 20-го века в Германии, предлагают конструктивные преимущества, включая уменьшение моментов в середине пролета (что позволяет использовать более мелкие поперечные сечения), минимизацию строительной площади и исключение детализации опорных конструкций.
Известными примерами являются двухпутный непрерывный предварительно напряженный жестко-рамный мост Шибанпо в Чунцине, пересекающий реку Янцзы, с рекордным главным пролетом 330 метров, и мост Хигаси-Охаси в Токио. Однако, как статически неопределимые конструкции, их проектирование и анализ сложнее, чем у просто опирающихся или непрерывных мостов.
Конструкция шарниров в жестких рамах
Введение шарниров в
i
элементов среди
n
элементов в узле создает
i
освобождений. Когда все
n
элементы содержат шарниры, происходят (
n
−1) освобождений. Жесткая рама с шарнирными соединениями становится определимой при выполнении 3
n
+
r
=3
j
+
c
, где
c
представляет введенные освобождения.
Специализированные приложения
Технология топливных элементов
Жесткие защитные рамные уплотнительные конструкции в мембранных электродных сборках (MEA) используют рамы из таких материалов, как PEN или PTFE. После термического сжатия с термопластичными герметиками эти рамы определяют коэффициенты сжатия MEA в стеках топливных элементов, обеспечивая оптимальное контактное сопротивление с биполярными пластинами, предотвращая чрезмерное сжатие, которое может вызвать проблемы с переносом массы или эксплуатационные повреждения.
Рамы, сопротивляющиеся изгибающему моменту (MRF)
Системы MRF используют рамы с моментными соединениями в качестве основных систем боковой устойчивости в зданиях. Требуя специально разработанных балок, колонн и соединений для выдерживания изгибающих моментов от боковых нагрузок, MRF — будь то стальные или бетонные — требуют дорогостоящей детализации соединений. Проблемы включают в себя контроль эффектов P-Delta, которые увеличивают раскачивание здания и вызывают дополнительные изгибы. Следовательно, MRF редко служат исключительной боковой опорой в высотных зданиях, обычно сочетаясь с несущими стенами или системами крепления — примером является One World Trade Center в Нью-Йорке с бетонным ядром, окруженным стальными рамками, сопротивляющимися изгибающему моменту.
Авиационная техника
Жесткие дирижабли оправдывают свою конструктивную сложность только при значительной длине. В
Airship Design
Берджесса отмечается, что жесткие рамы становятся непрактичными при объемах менее одного миллиона кубических футов — большинство превышают два миллиона. В то время как нежесткие дирижабли доминируют в текущем использовании, жесткие корпуса демонстрируют преимущества для больших судов, устраняя ограничения прочности ткани и обеспечивая превосходную конструктивную целостность. Они предотвращают разрушение носа на высоких скоростях и допускают внутренние осмотры, хотя соображения веса и сложные производственные процессы представляют собой серьезные проблемы.
Методология пластического проектирования
В подходах к пластическому проектированию инженеры определяют требуемые пластические модули сечения для жестких рам для достижения указанных коэффициентов нагрузки разрушения. Например, для двухпролетной жесткой рамы с однородными поперечными сечениями (коэффициент формы 1,15, предел текучести 50 кпс/дюйм²), игнорируя осевые нагрузки, требуется расчет для обеспечения коэффициента нагрузки разрушения
N
=1,75.
Повсеместные конструктивные решения
Помимо гражданского строительства, жесткие рамы служат в различных отраслях промышленности. Пространственные рамы — легкие, жесткие, подобные фермам конструкции с переплетающимися стойками — используют геометрические узоры для больших пролетов с минимальным количеством опор. Автомобильное производство исторически полагалось на конструкцию «кузов на раме», где отдельные кузова монтируются на жесткое шасси, в котором размещаются компоненты трансмиссии. Анализ методом конечных элементов оказывается особенно ценным для проектирования этих статически неопределимых систем, особенно при учете требований сейсмической и противопожарной защиты.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!