CC BY
35
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
УДК 625.745.2.03-408.8:624.014.046.2
Й. Й. ЛУЧКО1*, В. В. КОВАЛЬЧУК2*, О. С. НАБОЧЕНКО3*
1 Каф. «Рухомий склад i колш», Львивська фшш Днiпропетровського национального унiверситету зализничного транспорту iменi академика В. Лазаряна, вул. I. Блажкевич, 12а, Львив, Укра!на, 79052, тел. +38 (097) 033 18 36, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-3675-0503
2*Каф. «Рухомий склад i колш», Львiвська фiлiя Дншропетровського национального унiверситету залiзничного транспорту имени академика В. Лазаряна, вул. I. Блажкевич, 12а, Львив, Украша, 79052, тел. +38 (097) 223 72 43, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4350-1756
3*Каф. «Рухомий склад и колия», Львивська фшия Дншропетровського национального университету зализничного транспорту имени академика В. Лазаряна, вул. I. Блажкевич, 12а, Львив, Украша, 79052, тел. +38 (067) 451 55 93, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0001-6048-2556
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НЕСУЧО1 ЗДАТНОСТ1 МЕТАЛЕВО1 ГОФРОВАНО1 КОНСТРУКЦП ЗА КРИТЕР1СМ РОЗВИТКУ ПЛАСТИЧНОГО ШАРН1РУ
Мета. Дане дослидження спрямоване на: 1) проведення розрахунку екывалентних сил, яки виникають вид рухомого складу зализниць у зимовий та лггнш перюди року при ризних параметрах неривностей зализнично! коли! та модуля пружности шдрейково! основи; 2) дослидження несучо! здатносп металево! гофровано! конструкцп (МГК) за показником розвитку пластичного шарниру у вершиш металево! труби внаслидок отримання незворотних залишкових деформаций вертикального та горизонтального диаметрив труби. Методика. Розрахунок еквивалентних сил проведений за методикою розрахунку зализнично! коли! на мщшсть та стшшсть. Дали було розроблено математичний алгоритм у програмному середовищи Mathcad 14, за допомогою якого проводились розрахунки утворення пластичного шарниру у вершиш труби при ризних величинах неривности зализнично! коли! та ступеню ущшьнення грунтово! засипки. При даних дослидженнях розрахунки проводилися при проектному значенш ступеня ущшьнення грунтово! засипки та величини динамичного навантаження вид рухомого складу зализниць. Результати. Анализ багатовариантних розрахункив перевирки умови виникнення пластичного шарниру у вершиш склетння труби показав, що заро-дження пластичного шарниру, яке мае мисце у склешнш МГК, виконуеться тшьки за умовою одночасного, несприятливого впливу двох факторив (причин). Це фактори: допущения розвитку неривности коли! за межи допустимих значень без виконання заходив щодо !! усунення чи обмеження швидкости руху по!здив (перша причина); зниження ступеня ущшьнення грунтово! засипки нижче 90 % (друга причина). При вщсутносп одше! из причин зародження пластичного шарниру не видбудеться. Наукова новизна. Вперше дослиджено несучу здатшсть металево! гофровано! конструкций великого диаметру (бшьше 6 м) при врахуванш комплексу факторив: ступеню ущшьнення грунтово! засипки, величини динамичного навантаження вид рухомого складу зализниць за критерием розвитку пластичного шарниру у метали труби при виникненш залишкових незворотних деформаций вертикального та горизонтального диаметрив МГК. Практична значимкть. Отримаш авторами результати несучо! здатносп металевих гофрованих конструкций (типу горизонтальний елшс поперечного перетину) можуть бути використаш инженерами Мостовипробувальних станций Укрзализнищ та Укравтодору й проектними организациями, яки займаються проектуванням металевих гофрованих конструкций диаметром, бильшим за 6 м.
Ключовi слова: металеви гофроваш конструкцп; залишкови деформацп; екивалентш сили; пластичний шарнир; напруження
Вступ
Металев1 гофроваш конструкцп (МГК) в останш два-три десятилгття набули широкого розповсюдження у всьому свт через !х високу ефективнють застосування. Ц споруди посту-пово адаптуються у транспортне буд1вництво i Укра!ни. Таю конструкцп використаш тд час
будiвництва транспортних розв'язок та перепуску водотоюв в АР Крим на автомобшьнш дорозi Ки!в - Одеса, Харюв - Сiмферополь [7, 8], на затзнищ споруджено МГК на дшьнищ Вадул-Сирет - Держкордон [2, 4, 10].
Щд час спостереження за поведiнкою металево! гофровано! труби у процесi експлу-атацii [4] виявилося, що вони мають незату-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
хаючий характер. Так, анатз штенсивносп на-копичення залишкових деформацш за один р1к служби металево! гофровано! труби показав, що вщносш деформаци труби не збшьшуються, а поступово зменшуються. Графш залишкових вертикальних та горизонтальних деформацш ¿з окресленням гранично! (допустимо!) величини цього значення наведено на рис. 1.
Мета
Метою роботи е оцшка несучо! здатносп металево! гофровано! конструкци за показни-ком утворення пластичного шаршру у вершин! металево! труби при виникненш незворотних залишкових деформац!й вертикального та горизонтального д!аметр!в МГК у момент експлуа-тац!!.
-е-
ф
1 1,5
\ i Ч1 у ч
А И
у
— Залишкова вертикальна деформаци МГК Залишкова горизонтальна деформац1я МГК -Допустиме значення залишкових деформацш
0 1 2 3 4 5 6 7
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Дата BUMipiB
Рис. 1. Графж накопичення залишкових деформацш металево! гофровано! труби в перюд експлуатаци
Fig. 1. Accumulation graph of residual deformation of the metal corrugated pipes during the operation
Анализ дослгджень та публтацт. Досвщ за-стосування металевих гофрованих конструкцш показуе, що значний вплив на !х напружено-деформований стан мае стутнь ущiльнення грунтово! засипки [12, 14-19, 21]. Рекомендо-ване значення ступеня ущшьнення повинно знаходитися у межах 0,95-0,97 (стутнь ущшьнення визначений за методом Проктора [9, 18]). У робот [16] зазначено, що зниження ступеня ущшьнення грунту з 0,95 до 0,8 при-зводить до зменшення модуля деформаци грунту у 4 рази, що, у свою чергу, спричиняе значне зростання у стшках конструкци напружень i деформацiй.
Здiйснення багаторiчного монiторингу по-над 900 об'екпв з гофрованих труб, побудова-них протягом 1951-1965 рр. в штат Огайо (США) [4], дозволило зробити такий висновок: у вшх випадках для конструкцш, як не зазнали руйнувань, велик деформаци становили 22-34 %; для конструкцш, як зазнали руйнувань, таю деформаци сягали 45-55 %. Даш
дослщження однозначно довели, що причиною надмiрних деформацiй було недостатне ущшьнення грунту або використання для засипки невластивого типу матерiалу. За даними [15], якщо деформаци перебувають у межах 15-20 %, а висота шару над трубою бшьша за 1,8 м, то конструкщя не вимагае для свого змщнення додаткових заходiв.
Проте у жоднш iз проаналiзованих науково-дослщних роботах не виконувалася оцiнка несучо! здатносп металевих гофрованих конструкцiй за показником розвитку пластичного шаршру у вершит металево! труби. Тому дослщження напружено-деформованого стану металевих гофрованих конструкцш при виникненш залишкових деформацш вертикального та горизонтального дiаметрiв труби е актуальною задачею.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Методика
За основну умову перевирки несучо! здат-ност металево! гофровано! конструкци вибрано перевирку розвитку пластичного шарниру у верхний частиш труби. Двома основними факторами впливу на його розвиток е неривнють геоме-трп коли! над вюсю труби та стушнь ущшьнен-ня грунтово! засипки.
Вихiднi дат до розрахунку МГК за мщтстю та сттюстю. З метою оцшки випливу неривносп на величину розвитку пластичного шарниру були виконаш дослидження несучо! здатносп МГК при неривностях геометри коли! у трьох випадках:
— у проектному сташ;
— допустима неривнють зпдно з диючими на зализницях Укра!ни нормативними документами (тобто така неривнють, яка не потребуе обмеження встановлено! швидкост зпдно з табл. 5 Техшчних вказивок [13] та таблицею Д.8.11 ¡нструкци [6]);
— на момент виникнення найбшьшо! неривносп у профили коли! над трубою.
Приймаеться металева гофрована труба конструкци Multiplate МР 150 довжиною 12,69 м у форми горизонтального елшсу (рис. 2) з такими параметрами: внутришшм вертикаль-ним диаметром 6,20 м, внутришшм горизон-тальним диаметром 6,57 м, довжиною хвили 150 мм, висотою хвили 50 мм, товщиною мета-левого листа 6 мм, щшьшстю цинкового по-85 микрон (567 г/м2),
криття товщиною
питома вага грунту засипки становить у = 20 кН/м3; модуль деформацii грунту засип-
ки - Е0 = 33 МПа; видстань вид тдошви рейок до верху склешння труби - И = 1,88 м; екви-валентне навантаження, вщповщно до ДБН В.2.3-14 залежно вид довжини и форми лини! впливу - q = 235,3 кН/м; модуль пруж-
носп стали - Е = 2.1-105 МПа; коефщиент Пуассона материалу споруди - V = 0,25; питома вага материалу МГК - у= 145,4 кН/м2; площа переризу одше! хвили гофри -А = 0,757-15 = 11,355 см2; розрахунковий отр стали за межею текучосп - Яу = 235 МПа;
коефщиент умов роботи - т = 0,9. Розподш навантажень по шпалах вздовж коли! отримали из розрахункив коли! на мщнють [3].
У поздовжньому напрямку тшо труби складаеться з 14 кшець. Кожне кшьце склада-еться з 10 листив, яки з'еднаш болтами. Оголовки труби виконаш за допомогою габюшв сис-теми Террамеш. Модули розташовуються гори-зонтальними ярусами. Основою для оголовкив служать габюнш матраци Рено 3:2:0,23, вкла-деш на геотекстиль та ситку секугрид.
Висота верхового оголовка 7,5 м, висота низового оголовка 7,5 м. Довжина укршлення ливобережного укосу земляного полотна 1 м та довжина кршлення правобережного укосу земляного полотна 28 м.
Параметри неривностей та шши вихщш дани, яки були прийнят для розрахунку еквивалент-них сил вид локомотива 2М62 та вантажного вагона, наведеш в табл. 1.
Рис. 2. Розрахункова схема задач! Fig. 2. Calculation scheme of the task
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
ТРАНСПОРТНЕ БУД1ВНИЦТВО
Таблиця 1
Bii\i.ini дан1 для розрахунку екв1валентних сил
Table 1
Initial data for calculation of equivalent forces
№ з/п Вид вих1дних даних Розм1ршсть Значения
1 Локомотив - 2М62, Вантажш нашввагони
2 Швидк1сть км/год 40
3 Тип рейок - Р65
4 Тип шпал - зал1зобетонш
5 Рвд баластно! подушки - щебшь
6 Висота засипки м 1,88
Параметри експлуатацшнл нершносл
7 Довжина нер1вносп м 5,7
8 Глибина нер1вносп мм 44,7
9 Ухил нер1вносп % 16,5
Параметри нершносп, що допускаються зпдно з [10-14]
10 Довжина нер1вносл м 3
11 Глибина нер1вност1 мм 10
12 Ухил нер1вност1 % 3,3
13 Модуль пружносп шдрейково! основи МПа 73,6 (лгго)
зпдно з Правилами [3] 92,1 (зима)
14 В1дстань м1ж осями шпал м 0,625
15 Коефщент а0 - 0,403
16 Коефщент у - 1,0
17 Коефщент а1 - 0,931
18 Коефщент е - 0,332
19 Коефщент р - 0,87
20 Момент шерци рейки вщносно горизонтально!' ос 4 см 3 548
21 Момент опору рейки ввдносно горизонтально! ос 3 см 436
22 Опорна площа пвдкладки см2 262,5
23 Довжина шпали см 285
24 Ширина нижньо! постел шпали см 27,5
25 Опорна площа нашвшпали см2 3 918,75
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Результати
Виклад основного матер1алу досл1джень. Результати розрахунюв величин екв1валентних
сил вщ локомотива 2М62 наведеш на рис. 3-4, а вщ вантажного вагона — на рис. 5-6.
Рис. 3. Вар1антний розрахунок величини екв1валентних сил ввд локомотива 2М62 при значенш модуля пружносп тдрейково! основи 73,6 МПа
Fig. 3. Variational calculation of equivalent forces from the locomotive 2M62 when the value of the modulus of elasticity of the rail base is 73,6 MPa
Рис. 4. Варiантний розрахунок величини е^валентних сил ввд локомотива 2М62 при значенш модуля пружносп тдрейково! основи 92,1 МПа
Fig. 4. Variational calculation of equivalent forces from the locomotive 2M62 when the value of the modulus of elasticity of the rail base is 92,1 MPa
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Рис. 5. Варiантний розрахунок величини еквiвалентних сил ввд вантажного вагона при значеннi модуля пружносп пвдрейково! основи 73,6 МПа
Fig. 5. Variational calculation of equivalent forces from a freight car when the value of the modulus of elasticity of the rail base is 73,6 MPa
Рис. 6. Варiантний розрахунок величини екывалентних сил вщ вантажного вагона при значенш модуля пружносп шдрейково! основи 92,1 МПа
Fig. 6. Variational calculation of equivalent forces from a freight car when the value of the modulus of elasticity of the rail base is 92,1 MPa
Оскшьки розрахунок допустимих напру-жень та перевiрка умови утворення пластичного шаршру виконуеться при найбшьш неспри-ятливих умовах (максимальнш е^валентнш силi), тому виконуемо порiвняння е^ва-лентних сил вiд локомотива 2М62 та вантажного вагона за методиками [1, 5, 11-14, 20-21]. Як
видно iз рис. 3-6, величина е^валентних сил при експлуатацшнш нерiвностi вщ локомотива 2М62 е бшьшою, анiж вiд вантажного вагона, тому при розрахунку допустимих напружень та перевiрцi умови утворення пластичного шаршру у вершиш склепiння МГК приймаемо е^валентш сили вiд локомотива 2М62.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Дат виконуемо багатовар!антний розраху-нок перев1рки металево! гофровано! труби на утворення пластичного шаршру за отриманими значеннями екв1валентних сил вщ локомотива 2М62 за допомогою програмного забезпечення Mathcad. Програма для розрахунку перев1рки металево! гофровано! труби на утворення пластичного шаршру розроблена вщповщно до методик [3, 18].
Максимальне напруження у стшщ труби розраховуеться за допомогою р!вняння Нав'е:
Nd
с = -
W
<fy
yd '
(1)
де ,Мй8 - сили та моменти сил у сташ нормально! експлуатацп; А - площа поперечного перерiзу та момент опору перерiзу на оди-ницю довжини труби; - границя текучостi
сталi труби; Ж - момент опору одинищ довжини труби.
Проектна нормальна сила i згинальний момент розраховуються, як сума абсолютних зна-чень максимально! нормально! сили i максимального згинального моменту, вони обчис-люються окремо при навантаженнi грунтом i рухомим навантаженням. При цьому викори-стовуються коефiцieнти для роботи труби в сташ нормально! експлуатацп. Виконуеться перевiрка забезпечення неперевищення границ текучостi сталi у стшщ верхньо! частини
труби впродовж експлуатацшних навантажень.
Перевiрка розвитку пластичного шаршру у верхнш частинi труби у граничному сташ виконуеться на максимально завантажену дшянку труби згщно з [20] за формулою:
(
N
\
d .u
®fydA
(
M
\
d .u
Mu
< 1.0,
(2)
де Ndu,Mdu - сили та моменти сил у стан! нормально! експлуатацп; A - площа поперечного перер!зу та момент опору перер!зу на оди-ницю довжини труби; Mu - допустиме зна-чення згинального моменту для одинищ довжини профшю труби, при якому досягаються напруження текучостг
Значення у знаменнику першо! складово! формули (2) розраховуеться таким чином
ю
= Ncrj Afyd ,
(3)
де Ncr - критичне навантаження, що обчислю-еться, грунтуючись на теор!ях автор!в Klöp-pel&Glock [18], за формулою:
Ncr.el = ~L\
Ed (EI)
R
(4)
де Е]а - проектний модуль зсуву для грунту; (Е1 - жорстюсть стiнки труби на одиницю !! довжини; р - параметр, що враховуе недостат-нш боковий опiр грунту, якщо висота засипки над трубою е мала; розраховуеться за наступ-ними формулами, яю виражаються з умови зменшення модуля зсуву грунту:
Ejred л ( 1
= ц, =1 -
E
1 + к
(
(
1,22 + 1,95
(EI )
\ 0,25 Л
n EdR3
л/пТ
(5)
(6)
У випадку, якщо R = D /2, ця залежшсть мае вигляд:
f
f
1,22+1,95
\
0,25
n j ь f
1
(7)
Параметри ^ та к розраховуються за формулами:
£ = >/к<1,0, (8)
к = hc / R. (9)
Допустиме значення згинального моменту сил для роботи труби у граничному стан! визна-чаеться за формулою:
Mu = Zfy
yd ■■
(10)
де Z - пластичний момент опору одинищ дов-жини труби.
За допомогою програми Mathcad було вико-нано розрахунок характеристик грунту засипки залежно вщ ступеня !! ущ!льнення. Результати розрахунюв наведен! у табл. 2.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Результати багатоварiантних розрахунюв nepeBÎpm металево! гофровано! труби на утворення пластичного шаршру при рiзнiй величиш ступеня ущiльнення грунтово! засипки, здшс-
нених за допомогою розроблено! програми у програмному середовищi Mathcad, зведено в табл. 3-4.
P03paxyHK0Bi характеристики грумов при рпних ступенях ущшьнення Design characteristics of soils at different degrees of compaction
Таблиця 2 Table 2
Характеристики грунпв Стушнь ущшьнення грунтово! засипки RP, %
85 90 95 97
Коефщент пористосп e 0,425 0,40 0,329 0,30
Кут внутршнього тертя ф , град 36 38 40 40,8
Модуль деформаци E, МПа E 6,584 11,54 21,089 27,27
Таблиця 3
nepeBipKa умови утворення пластичного шаршра у МГК при модулi пружностi
пiдрейковоï основи 73,6 МПа
Checking the conditions of the plastic hinge formation in the MCC when the module of elasticity of the rail base is 73,6 MPa
Table 3
Стан коли Стутнь ущшьнення грунтово! засипки RP, %
85 90 95 97
Без нер1вносп 54,555 43,906 29,677 24,186
(проектне положения коли) 0,226 0,159 0,108 0,135
Нер1вшсть з параметрами: 93,883 75,276 53,464 45,047
l = 3 м; h = 10 мм; iHep = 3,3 %о 0,403 0,295 0,186 0,144
Нер1вшсть з параметрами: 270,516 216,169 160,299 138,742
l = 5,7 м; h = 44,7 мм; iHep = 16,5 % 1,233 0,949 0,676 0,573
Прим1тка: у чисельнику наведеш значення напружень, а в знаменнику - значения величини пластичного шаршру.
Таблиця 4
nepeBipKa умови утворення пластичного шаршра у МГК при модулi пружносп
шдрейковоТ основи 92,1 МПа
Table 4
Checking the conditions of plastic hinge formation in the MCC when the module of elasticity of the rail base is 92,1 MPa
Стан коли
Ступшь ущшьнення грунтово! засипки RP, %
85 90 95 97
55,21 44,428 30,073 24,53
0,229 0,161 0,107 0,134
Без нер1вносп (проектне положения коли)
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Зак1нчення табл. 4 End of table 4
Стан коли Ступшь ущшьнення грунтово! засипки RP, %
85 90 95 97
Нер1вшсть, з параметрами: 98,894 79,273 56,495 47,706
l = 3 м; h = 10 мм; iHep = 3,3 % 0,425 0,313 0,199 0,156
Нерiвнiсть з параметрами: 295,146 235,815 175,196 151,807
l = 5,7 м; h = 44,7 мм; iHep = 16,5 % 1,353 1,045 0.749 0,637
Прим1тка: у чисельнику наведеш значення напружень, а в знаменнику - значення величини пластичного шаршра.
Рис. 7. nepeBipKa умови утворення пластичного шаршра у МГК при модулi пружносп пвдрейково! основи 73,6 МПа
Fig. 7. Checking the conditions of plastic hinge formation in the MCC when the module of elasticity of the rail base is 73,6 MPa
Анатз результат багатоварiантного розра-хунку напружень, що виникли у вершит скле-тння МГК, показав:
1) напруження, яю виникли внаслщок експлуатацшно! нерiвностi, складають 138,742 МПа (табл. 3, рис. 8) та 151, 807 МПа (табл. 4, рис. 8) при ступеш ущшьнення грунтово! обойми 97 %, що е меншими за допустимi напруження 235 МПа;
2) напруження, яю виникли без наявносп нерiвностi в результат ущiльнення грунтово! обойми 90 %, складають 43,906 МПа (табл. 3, рис. 7) та 44,428 МПа (табл. 4, рис. 8); при ступеш ущшьнення грунтово! обойми 85 % -54,555 МПа (табл. 3) та 55,21 МПа (табл. 4), е меншими за допустимi напруження 235 МПа;
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
Рис. 8. Перев1рка умови утворення пластичного шаршра у МГК при модул1 пружносп пвдрейково! основи 92,1 МПа
Fig. 8. Checking the conditions of plastic hinge formation in the MCC when the module of elasticity of the rail base is 92.1 MPa
3) напруження, яю виникли внаслщок нерiвностi, яка допускаеться згщно з табл. 5 [13] та табл. Д.8.11 [6], складають 45,047 МПа (табл. 3, рис. 7) та 47,706 МПа (табл. 4, рис. 8), при ступеш ущшьнення грунтово! обойми 97 %; 75,276 МПа (табл. 3, рис. 7) та 79,273 МПа (табл. 4, рис. 8), при ступеш ущшьнення 90 %; 93,883 МПа (табл. 3, рис. 8) та 98,894 МПа (табл. 4, рис. 8) при ступеш ущшьнення 85 %, е меншими за допустимi напруження 235 МПа;
4) напруження, яю виникли при експлуатацп коли з нерiвнiстю та при ступеш ущшь-нення грунтово! обойми 90 %, складають 216,169 МПа (табл. 3, рис. 7), що е меншим за допустимi напруження 235 МПа та 235,815 МПа (табл. 4, рис. 8), що е бшьшим за допустиме напруження 235 МПа.
Перевiрка умови виникнення пластичного шаршра у вершиш склетння труби при ступеш ущшьнення грунтово! обойми 90 % та на-явност експлуатацшно! нерiвностi не викону-еться, оскшьки умова виникнення пластичного шаршра е бшьшою за одиницю.
Розрахунок дольовог частки впливу ущшьнення та нер1вност1 на розвиток пластичного шармра в МГК. Згщно з табл. 4 при ступеш ущшьнення грунтово! засипки 90 % (проектний стан залiзнично! коли) величина коефщента пластичного шаршра дорiвнюе
0,161, а при ступеш ущшьнення грунтово! засипки 90 % i експлуатацшно! нерiвностi скла-дае - 1,045. Вщповщно, вплив нерiвностi буде складати: 1,045-0,161=0,884.
При експлуатацшнш нерiвностi та при необхщному проектному ступеш ущшьнення грунтово! засипки КР=95 % величина коефщ> ента пластичного шаршра дорiвнюе 0,749. Вщповщно, вплив ущшьнення буде складати: 1,045 - 0,749 = 0,296.
Тодi дольова частка вщ впливу експлуатацшно! нерiвностi буде становити 75 %, а вщ впливу ступеня ущшьнення - 25 %.
Наукова новизна та практична значимкть
Автором вперше виконаш багатоварiантнi розрахунки несучо! здатност металево! гофровано! конструкцш великого дiаметра (бшьше 6 м) iз врахуванням комплексу факторiв - ступеня ущшьнення грунтово! засипки, величини динамiчного навантаження вiд рухомого складу залiзниць та рiзного значення ступеня ущшь-нення пiдрейково! основи — за критерiем роз-витку пластичного шарнiра у метат труби при виникненнi залишкових деформацiй вертикального та горизонтального дiаметрiв МГК. У результат чого встановлено, що виникнення пла-стичних незворотних деформацiй металево!
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
гофровано! труби можливе тшьки при одночас-ному впливовi двох несприятливих факторiв, а саме: ступеня ущiльнення грунтово! засипки та величини нерiвностi на залiзничнiй колi!.
Отримаш результати несучо! здатностi ме-талевих гофрованих конструкцiй типу горизон-тальний елiпс поперечного перерiзу можуть бути використаш iнженерами Мостовипробув-них станцш Укрзалiзницi та Укравтодору та проектними органiзацiями, якi займаються про-ектуванням металевих гофрованих конструкцiй дiаметром бшьшим за 6 м.
Висновки
Анатз багатоварiантних розрахункiв пе-ревiрки умови виникнення пластичного шарш-ру у вершиш склепiння труби показав, що за-родження пластичного шарнiру, яке мае мюце у склепiннi МГК, виконуеться тiльки за умови одночасного, несприятливого впливу двох фак-торiв (причин): допущення розвитку нерiвностi коли за межi допустимих значень без виконан-ня заходiв щодо !! усунення чи обмеження швидкостi руху по!здiв (перша причина); зни-ження ступеня ущшьнення грунтово! засипки нижче 90 % (друга причина). За вщсутност одше! з причин зародження пластичного шаршру не вщбудеться. 1з двох причин, що мають вплив, вагомiше значення мае перша причина, частка впливу яко! становить 75 %, частка друго! причини становить 25 %. Тому утриман-ня коли у техшчно справному станi е необ-хiдною умовою щодо забезпечення довговiчно! та стабiльно! роботи металу гофрованих труб.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бондаренко, I. О. Стосовно питань моделюван-ня деформативно! роботи елеменпв зал!з-нично! кол!! / I. О. Бондаренко // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту зал!зн. трансп. - 2015. - № 1 (55). - С. 78-89. аог 10.15802/8ТР2015/38247.
2. Гнатюк, I. Новий «стиль» старого мосту [Елек-тронний ресурс] / I. Гнатюк // Мапстраль. -2011. - Режим доступу : www.magistral-uz.co-т.иа. - Назва з екрана. - Перевiрено : 4.09.2015.
3. Даншенко, Е. I. Правила розрахуншв залiзнич-но! коли на мщшсть i стiйкiсть : ЦП-0117 / Е. I. Даншенко, В. В. Рибкш. - Ки!в : Транспорт Укра!ни, 2006. - 168 с.
4. Дослвдження напружено-деформованого стану металевих гофрованих конструкцш при взаeмодiï з грунтом засипки / Б. М. Стасюк, В. З. Станкевич, В. В. Ковальчук, Й. Й. Лучко // Мости та тунелг теоргя, дослвдження, практика : зб. наук. пр. Дшпропетр. нац. ун-ту. залiзн. трансп. îm. акад. В. Лазаряна. - Дт-пропетровськ, 2014. - Вип. 5. - С. 105-112.
5. Железнодорожный путь / Т. Г. Яковлева,
H. И. Карпущенко, С. И. Клинов [и др.]. - Москва : Транспорт, 1999. - 405 с.
6. 1нструкщя з улаштування та утримання коли залiзниць Укра!ни : ЦП 0138 / Е. I. Даншенко,
B. О. Яковлев, А. М. Орловський [та ш.] : затв. наказом Укрзалiзницi ввд 22 грудня 2005 р. № 427-Ц. - Ки!в : Транспорт Укра!ни, 2006. -336 с.
7. Коваль, П. М. Нормування при проектуванш i будiвницгвi споруд з металевих гофрованих конструкцш / П. М. Коваль, I. П. Бабяк, Т. М. Q-тдикова // Вюн. Днiпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - Дншропетровськ, 2010. - Вип. 33. - С. 114-117.
8. Ковальчук, В. В. Дослвдження температурного поля та напруженого стану металевих гофрованих труб / В. В. Ковальчук // Ресурсо-економш матерiали, конструкци, будiвлi та споруди : зб. наук. пр. - Рiвне, 2014. - № 29. -
C. 186-192.
9. Лучко, Й. Й. Грунтознавство, мехашка грунпв, основи та фундамента / Й. Й. Лучко. - Львiв : Каменяр, 2013. - 320 с.
10. Пат. № 93604 Укра!на, МПК G 01 В 5/30, E 04 B 1/00. Пристрш для вимiрювання та оцшки напружено-деформованих транспортних споруд при змшних температурах i ста-тичних та динамiчних навантаженнях / Ковальчук В. В. - № u2014 04271 ; заяв. 22. 04.2014 р. ; опубл. 10.10.2014, Бюл. № 19. - 4 с.
11. Петренко, В. Д. Порiвняльний аналiз розрахун-кових моделей залiзничного земляного полотна / В. Д. Петренко, Д. О. Ямпольський,
I. О. Святко // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. - 2013. -№ 4 (46). - С. 56-62. doi: 10.15802/stp2013-/16619.
12. Правила техшчно! експлуатаци залiзниць Укра!-ни. - Ки!в : Пол^афсервю, 2002. - 133 с.
13. Технчш вказiвки щодо оцшки стану рейково! кол!! за показниками колiевимiрювальних вагон!в та забезпечення безпеки руху по!зд!в при в1дсту-пах ввд норм утримання рейково! кол!! : ЦП 0020. - Ки!в : Укрзалiзниця, 2005. - 48 с.
14. Barbato, M. Performance évaluation of buried pipe installation / M. Barbato, M. Bowman,
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
A. Herbin. - Louisiana : Louisiana State University Publ., 2010. - 123 p.
15. Elshimi, T. M. Three-dimensional nonlinear analysis of deep-corrugated steel culverts / T. M. Elshimi. - Kingston, Ontario, Canada : Queen's University Publ., 2011. - 738 p. 20
16. Machelski, Cz. Kinematic method for determining influence function of internal forces in the steel shell of soil-steel bridge / Cz. Machelski // Studia Geotechnica et Mechanica. - 2010. - Vol. XXXII, № 3. - P. 28-40.
17. Machelski, Cz. Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowo-powlokowych / Cz. Machelski. - Wroclaw 21 : Dolnoslaskie Wydawnictwo Edukacyjne, 2008. -208 p.
18. Pettersson, L. Design of soil steel composite bridges / L. Pettersson, H. Sundquist. - Sweden : Structural Desing and Bridges, 2007. - 122 p.
19. Saat, M. R. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials
И. И. ЛУЧКО1*, В. В. КОВАЛЬЧУК2*, О. С. НАБОЧЕНКО3*
1 Каф. «Подвижной состав и путь», Львовський филиал Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. И. Блажкевич, 12а, Львов, Украина, 79052, тел. +38 (097) 033 18 36, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-3675-0503 2*Каф. «Подвижной состав и путь», Львовський филиал Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. И. Блажкевич, 12а, Львов, Украина, 79052, тел. +38 (097) 223 72 43, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-4350-1756 3*Каф. «Подвижной состав и путь», Львовський филиал Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. И. Блажкевич, 12а, Львов, Украина, 79052, тел. +38 (067) 451 55 93, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-6048-2556
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ГОФРИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ПО КРИТЕРИЮ ОБРАЗОВАНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ШАРНИРА
Цель. Данное исследование направлено на: 1) проведение расчета эквивалентных сил, возникающих от подвижного состава железных дорог в зимний и летний периоды года при различных параметрах неровностей железнодорожного пути; 2) исследование несущей способности металлической гофрированной конструкции (МГК) по показателю развития пластического шарнира в вершине металлической трубы вследствие получения необратимых остаточных деформаций вертикального и горизонтального диаметров трубы. Методика. Расчет эквивалентных сил проведен по методике расчета железнодорожного пути на прочность и устойчивость. Далее был разработан математический алгоритм в программной среде Mathcad 14, с помощью которого проводились расчеты образования пластического шарнира в вершине трубы при различных величинах неровности железнодорожном пути и степени уплотнения грунтовой засыпки. При данных исследованиях расчеты проводились при проектном значении степени уплотнения грунтовой засыпки и величины динамической нагрузки от подвижного состава железных дорог. Результаты. Анализ многовариантных расчетов проверки условия возникновения пластического шарнира в вершине свода трубы показал, что зарождение пластического шарнира, которое имеет место в своде МГК, проявляется только при условии одновременного, неблагоприятного влияния двух факторов (причин). Это факторы: допущение развития неровности пути за пределы допустимых значений без выполнения мероприятий по ее устранению или ограничению скорости движения поездов (первая причина); снижение степени уплотнения грунтовой засыпки ниже 90 % (вторая причина). При отсутствии одной из причин зарождения пластического шарнира не произойдет. Научная новизна. Впервые исследована несущая способность металлической гофрированной кон-
transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety / M. R. Saat, C. P. L. Barkan // J. of Hazardous Materials. -2011. - № 189 (1-2). - Р. 62-68. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.136. Scintific evidence for walls fastening technologies of working trench by the special method «Slurry wall» for shallow subways' stations / S. V. Bor-chevskiy, V. D. Petrenko, O. L. Tiutkin [et al.] // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту. залiзн. трансп. - 2014. - № 6 (54). -С. 154-163. doi: 10.15802/stp2014/33740. Weltschev, M. Comparison of the operating life of tank containers, tank vehicles and rail tank cars for the carriage of dangerous goods in practice, analysis of causes of damage / М. Weltschev, S. Schwarzer, F. Otremba // Chemical Engineering Transactions. -2013. - № 31. - Р. 559-564. doi: 10.1016/j.jhaz-mat.201L0L13610.3303/CET1331094.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
струкции большого диаметра (более 6 м) с учетом комплекса факторов: степени уплотнения грунтовой засыпки, величины динамической нагрузки от подвижного состава железных дорог по критерию развития пластического шарнира в металле трубы при возникновении остаточных деформаций вертикального и горизонтального диаметров МГК. Практическая значимость. Полученные авторами результаты несущей способности металлических гофрированных конструкций (типа горизонтальный эллипс поперечного сечения) могут быть использованы инженерами Мостоиспытательных станций Укрзализныци, Укравтодора и проектными организациями, которые занимаются проектированием металлических гофрированных конструкций диаметром больше 6 м.
Ключевые слова: металлические гофрированные конструкции; эквивалентные силы; пластический шарнир; напряжения
Y. Y. LUCHKO1*, V. V. KOVALCHUK2*, O. S. NABOCHENKO3*
1 Dep. «Rolling Stock and Track», Lviv branch of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, I. Blazhkevych St., 12a, Lviv, Ukraine, 79052, tel. +38 (097) 033 18 36 e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-3675-0503
2*Dep. «Rolling Stock and Track», Lviv branch of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, I. Blazhkevych St., 12a, Lviv, Ukraine, 79052, tel. +38 (097) 223 72 43, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4350-1756
3*Dep. «Rolling Stock and Track», Lviv branch of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, I. Blazhkevych St., 12a, Lviv, Ukraine, 79052, tel. +38 (067) 451 55 93, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-6048-2556
STUDY OF CARRYING CAPACITY OF A CORRUGATED METAL CONSTRUCTION BY CRITERION OF YIELD HINGE DEVELOPMENT
Purpose. This research is aimed to: 1) calculation of equivalent forces caused by rolling stock in winter and summer seasons at different parameters of the irregularities of railway track; 2) research of bearing capacity of corrugated metal constructions (CMC) in terms of development of plastic hinge in the top of the metal pipe due to irreversible residual deformation of the vertical and horizontal diameters of the pipe. Methodology. The calculation of equivalent forces is carried out according to the method of calculating the railway track on strength and stability. Further a mathematical algorithm was developed in the software environment of Mathcad 14, with which the calculations were made about the formation of a plastic hinge at the top of the pipe for different values of the irregularities of the railway track and the degree of compaction of soil backfill. In these studies, the calculations were carried out at the design value of the compaction degree of soil backfill and magnitude of dynamic loading on railway rolling stock. Findings. Analysis of multivariate calculations of testing the condition of occurrence of plastic hinge at the top of the pipe arch has revealed that the first plastic hinge, which occurs in the set of CMC is revealed only when there is a simultaneous unfavorable influence of two factors (causes). These are the factors: the assumption of the development of the track irregularities out of the allowable values without the implementation of measures to eliminate or limit the speed of trains (the first cause); reduction of compaction of soil backfill below the 90 % (the second cause). In case of absence of one of the causes the origin of the plastic hinge will not happen. Originality. It was the first time, when the bearing capacity of corrugated metal construction with large diameter (more than 6 m) with account of factors complex: the degree of compaction of soil backfill, the magnitude of the dynamic loads from rolling stock by the criterion of plastic hinge development in the metal pipe when the occurrence of residual deformations of the vertical and horizontal diameters of the CMC was investigated. Practical value. The obtained results of the bearing capacity of corrugated metal constructions (like horizontal ellipse of cross-section) can be used by engineers of Bridge building stations of Ukrzaliznytsia, Ukravtodor and design organizations, which are engaged in the design of corrugated metal constructions with a diameter of more than 6 m.
Keywords: corrugated metal construction; equivalent forces; plastic hinge; tension
REFERENCES
1. Bondarenko I.O. Stosovno pytan modeliuvannia deformatyvnoi roboty elementiv zaliznychnoi kolii [To the modeling issues of life cycle of deformation work of the railway track elements]. Nauka taprohres transportu. _Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^mnponeTpoBctKoro Ha^oH&ntHoro ymBepcureTy 3&ni3HHHHoro TpaHcnopTy, 2015, № 5 (59)
Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2015, no. 1 (55), pp. 78-89. doi: 10.15802/STP2015/38247.
2. Hnatiuk I. Novyi «styl» staroho mostu [New «style» of the old bridge]. Mahistral - Main Line, 2011. Available at: www.magistral-uz.com.ua (Accessed 4 September 2015).
3. Danilenko E.I., Rybkin V.V. Pravyla rozrakhunkiv zaliznychnoi kolii na mitsnist i stiikist. TsP-0117 [Rules of calculations of the railway track strength and stability. TsP-0117]. Kyiv, Transport Ukrainy Publ., 2006. 168. p.
4. Stasiuk B.M., Stankevych V.Z., Kovalchuk V.V., Luchko Y.Y. Doslidzhennia napruzheno-deformovanoho stanu metalevykh hofrovanykh konstruktsii pry vzaiemodii z hruntom zasypky [Investigation of the stressstrain state of metallic corrugated structures in the interaction with the backfill soil]. Zbirnyk naukovykh prats Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana: Mosty i tuneli: teoriia, doslidzhennia, praktyka [Proc. of the Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan: Bridges and Tunnels: theory, research, practice]. Dnipropet-rovsk, 2014, issue 5, pp.105-112.
5. Yakovleva T.G., Karpushchenko N.I., Klinov S.I. Zheleznodorozhnyyput [Railway track]. Moscow, Transport Publ., 1999. 405 p.
6. Danilenko E.I., Yakovliev V.O., Orlovskyi A.M. Instruktsiia z ulashtuvannia ta utrymannia kolii zaliznyts Ukrainy. TsP 0138 [Manual for installation and maintenance of the tracks of the Railways of Ukraine. TsP 0138]. Kyiv, Transport Ukrainy Publ., 2006. 336 p.
7. Koval P.M., Babiak I.P., Sitdykova T.M. Normuvannia pry proektuvanni i budivnytstvi sporud z metalevykh hofrovanykh konstruktsii [Normalization of the design and construction of buildings of corrugated metal structures]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan]. Dnipropetrovsk, 2010, issue 33, pp. 114-117.
8. Kovalchuk V.V. Doslidzhennia temperaturnoho polia ta napruzhenoho stanu metalevykh hofrovanykh trub [Research of the temperature fields and stressed state of metal corrugated pipe]. Resursoekonomni materialy, konstruktsii, budivli ta sporudy: zbibrnyk naukovykh prats [Resource-saving materials, constructions, buildings and structures: Proc.]. Rivne, 2014, no. 29, pp. 186-192.
9. Luchko Y.Y. Gruntoznavstvo, mekhanika gruntiv, osnovy ta fundamenty [Soil science, soil mechanics, bases and foundations]. Lviv, Kameniar Publ., 2013. 320 p.
10. Kovalchuk V.V. Prystrii dlia vymiriuvannia ta otsinky napruzheno-deformovanoho transportnykh sporud pry zminnykh temperaturakh i statychnykh ta dynamichnykh navantazhenniakh [The device for measurement and evaluation of stress-strain transport facilities at variable temperatures and static and dynamic loads]. Patent UA, no. u2014 04271.
11. Petrenko V.D., Yampolskyi D.O., Sviatko I.O. Porivnialnyi analiz rozrakhunkovykh modelei zaliznychnoho zemlianoho polotna [Comparative analysis of calculation models of the railway subgrades]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 4 (46), pp. 56-62. doi: 10.15802/stp2013/16619.
12. Pravyla tekhnichnoi ekspluatatsii zaliznyts Ukrainy [Rules of technical operation of Ukrainian Railways]. Kyiv, Polihrafservis Publ., 2002. 133 p.
13. Tekhnichni vkazivky shchodo otsinky stanu reikovoi kolii za pokaznykamy koliievymiriuvalnykh vahoniv ta zabezpechennia bezpeky rukhu poizdiv pry vidstupakh vid norm utrymannia reikovoi kolii. TsP 0020. [Technical guidelines for assessment of rail track on track measuring cars and to ensure of traffic safety during the retreat from the norms of railway track maintenance. TsP 0020]. Kyiv, Ukrzaliznytsia Publ., 2005. 48 p.
14. Barbato M., Bowman M., Herbin A. Performance evaluation of buried pipe installation. Louisiana, Louisiana State University Publ., 2010. 123 p.
15. Elshimi T.M. Three-dimensional nonlinear analysis of deep-corrugated steel culverts. Kingston, Ontario, Canada, Queen's University Publ., 2011. 738 p.
16. Machelski Cz. Kinematic method for determining influence function of internal forces in the steel shell of soil-steel bridge. Studia Geotechnica etMechanica, 2010, vol. XXXII, no. 3, pp. 28-40.
17. Machelski Cz. Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowo-powlokowych. Wroclaw, Dolnoslaskie Wydawnictwo Edukacyjne Publ., 2008. 208 p.
18. Pettersson L., Sundquist H. Design of soil steel composite bridges. Sweden, Structural Desing and Bridges Publ., 2007. 122 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 5 (59)
19. Saat M.R., Barkan C.P.L. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety. Journal of Hazardous Materials, 2011, no. 189 (1-2), pp. 62-68. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.136.
20. Borchevskiy S.V., Petrenko V.D., Tiutkin O.L. Kulazhenko Ye.Yu., Kulazhenko O.M. Scintific evidence for walls fastening technologies of working trench by the special method «Slurry wall» for shallow subways' stations. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2014, no. 6 (54), pp. 154-163. doi: 10.15802/stp2014/33740.
21. Weltschev M., Schwarzer S., Otremba F. Comparison of the operating life of tank containers, tank vehicles and rail tank cars for the carriage of dangerous goods in practice, analysis of causes of damage. Chemical Engineering Transactions, 2013, no. 31, pp. 559-564. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.13610.3303/CET1331094.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. О. I. Балицьким (Украгна); д.ф1з.-мат.н., проф. М. I. Стодыкою (Украгна)
Надшшла до редакцп: 18.08.2015
Прийнята до друку: 20.10.2015
