- •3.1.1.1. Определение числа степеней свободы масс
- •3.1.1.2. Расчётная схема рамы
- •3.1.1.3. Динамический расчёт по уравнениям в форме метода сил ( в амплитудах инерционных силовых факторов )
- •3.1.1.4. Динамический расчёт по уравнениям в форме
- •3.1.2. Расчёт рамы на статические нагрузки
- •3.1.3. Определение полных расчётных усилий
- •3.1.3. О приближённом учёте инерции вращения масс
- •Приложение к задаче 3.1
- •1 2 3 5 4 1 Перемещения узлов и узловые нагрузки Узел
- •Задача 3.2. Динамический расчёт симметричной системы
- •Задача 3.3. Динамический расчёт системы с взаимозависимыми перемещениями сосредоточенных масс
- •Задача 3.4. Приближённое определение частоты собственных колебаний
- •Задача 3.5. Расчёт системы с конечным числом степеней свободы масс на кинематические воздействия
- •3.5.2. Негармоническое кинематическое воздействие
- •Задача 3.6. Расчёт стержневой системы с гасителем колебаний на вибрационную нагрузку
- •4. Контрольные вопросы
Задача 3.5. Расчёт системы с конечным числом степеней свободы масс на кинематические воздействия
m(1)
m(1)
EI2
m(1)
m(2)
m(2)
mc
mc
mр






















EI1
EI1
(t)
(t)
mф
mф
а)
б)
m(3)
m(3)
c1
c1
c2
c2
































l
/
4
l
/
4
l
/
4
l
/
4






Рис. 3.46
Расчётная схема, сформированная в соответствии с сообра-жениями, изложенными в п. 2.1, представлена на рис. 3.46, б, где податливыми связями с жёсткостями с1 и с2 смоделирована грун-товая среда в основании и вокруг сооружения, рассматриваемая как упруго деформируемая. Распределённые массы элементов
конструкции заменены сосредоточенными массами m(1) = mр / 4 ; m(2) = mс / 2 + mр / 8 *) ; в опорных узлах m(3) = mс / 2 + mф + mпг ( здесь mф – масса фундамента, mпг – «присоединённая» масса грунта ). Инерцией вращения масс и защемлениями стоек пренебрегаем.
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
н







етостатическим
методом
и


![]()
спользуем
групповые сим-
м

етричные
и
обратносим-
м
![]()
![]()
![]()
(
(t)
(t)
![]()
![]()
с
вободы
масс,
определённое
б



















![]()
![]()
ез
учёта продольных
де-
ф
Рис. 3.47
*
)
mс
и mр
– с учётом
масс стенового ограждения, покрытия,
утеплителя и, возможно, снега на кровле.
В полном динамическом расчёте должны
рассматриваться различные варианты
комбинаций масс.
Вертикальные перемещения концов левой стойки – одина-ковые, поэтому вертикальные силы инерции масс m(2) и m(3) учи-тываются их суммой, приложенной в верхнем узле. Аналогично – для правой стойки. Горизонтальное перемещение точек ригеля – общее для расположенных на нём пяти масс, в расчёт вводится
их суммарная сила
инерции
.
Для удобства обратносимметричным групповым силам инерции присвоены номера с 1 по 4, симметричным – с 5 по 8. Заданное кинематическое воздействие – обратносимметричного типа, поэтому все симметричные инерционные силы и соответ-ствующие им симметричные перемещения масс равны 0.
Система уравнений (дифференциальных) при произвольном законе изменения во времени заданного воздействия ( в рассмат-риваемой задаче – горизонтального смещения основания (t) ) записывается в перемещениях масс. Пренебрегая диссипатив-ными силами, имеем ( см. 1*А* в табл. 1.3 ):
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
З





а
положительные приняты
п
(t)
(t)



















![]()
![]()
![]()
по направлению с соответст-
вующими силами инерции
( см. рис. 3.47 ).
Рассмотрим решение
при следующих исходных
д
![]()
EI1
=
50
EI2
=
200
Рис. 3.48
с1 = 80 МН /м ; с2 = 50 МН/м ;
mс = 4 т ; mр = 20 т ; mф = 3 т ; mпг = 16 т.
3.5.1. Гармоническое кинематическое воздействие (t) = sin c t
=
м
; fc
=
1,8
Hz
(
задана
техническая
частота
).
![]()
или, что удобнее для определения динамических усилий в систе-ме, в амплитудах инерционных сил:
![]()
в
матричной
форме
где
=
= 11,31 c –1 ; в развёрнутом виде:
где
– перемещения
в рассчитываемой раме
по
на-
правлениям групповых инерционных сил от
заданной амплитуды смещения основания.
Для
определения
групповых
перемещений
(
компонентов
матрицы
упругой
податливости
)
рассматриваем
единичные
со-
с
1
1
0,5
0,5













































![]()
=
1, k
= 1, …, 4 (
на рис. 3.49
по-
к
![]()
![]()
h
/
2![]()
![]()






h
/
2


![]()
![]()
![]()
а) б)
![]()
![]()
![]()
в)
0,5




![]()
![]()
![]()
![]()
l
/
8






![]()
![]()

![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
г) д)
е)




Рис. 3.49
Единичные перемещения вычисляем по формуле Максвел-ла – Мора с учётом изгиба стержней рамы и деформаций упру-гих опорных связей:

Первая и третья единичные инерционные силы не вызы-вают изгиба стержней, перемещения в системе возникают толь-ко за счёт податливости опор. Изгибающие моменты во втором и четвёртом единичных состояниях легко находятся, исходя из обратной симметрии воздействий – соответствующие эпюры даны на рис. 3.49, в, е.
Приняв в качестве параметра жёсткости C0 = EI1 , выражаем через него жесткостные характеристики элементов системы:
EI2
=
4
C0
; с1
=
1,6
м
–3
;
с2
=
1
м
–3
,
после чего находим
=
2
/
c2
=
2
/
C0
;
![]()

![]()

![]()

![]()



















![]()
системы, вызванное амплитудным сме-
щ
у
словий
легко находятся перемещения,
в
ходящие
в
уравнения
в
качестве
сво-
б
Рис. 3.50
![]()
Для
определения
,
конечно,
можно
применить
и
метод
М
нет необходимости.
),
но здесь
в этом
![]()
где m(1) = mр / 4 = 5 т ; m(2) = mс / 2 + mр / 8 = 4,5 т ;
m(3) = mс / 2 + mф + mпг = 21 т ;
следовательно,
10,5
т
;
24
т
;
12,75
т
;
2,5
т
.
Приняв за
параметр масс
m0
=
24
т
,
получаем
матрицу
отношений масс
а
=
= diag
[
0,4375 1 0,53125
0,10417 ]
,
после
чего
вычисляем
диагональные
компоненты
матрицы
ди-намической
податливости
рамы
где
![]()
= 24000 кг
=
3,070
:
2
/
С0
– (3,070![]()
=
(
2 –
0,7445
–
(
35,225
м3
)
/![]()
аналогично
–
(
2,1408
м3
)
/
–
(
29,407
м3
)
/![]()
–
(
155,368
м3
)
/![]()
Умножив уравнения вынужденных колебаний на параметр С0, получаем их в виде

где
коэффициенты
при неизвестных
измеряются
в
м3
,
а
= = 50
м
= 250
Решение системы
уравнений даёт
![]()
252,07
м
126,58


![]()
![]()
(
учтено, что
)
–
эпюра приведена на рис. 3.51 для половины
р
Рис. 3.51
метрично ).
По инерционным силам определяем амплитуды переме-щений масс:
-
горизонтальные на уровне ригеля

= 126035
Н
/
(24000 кг
=
0,0411
м;
-
горизонтальное на опоре
0,0066
м; -
вертикальное на опоре
м; -
вертикальное в четверти пролёта ригеля

м.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при за-данных воздействиях колебания рамы происходят практически в горизонтальном направлении ( вертикальные перемещения масс меньше горизонтальных в десятки раз ). То, что смещения точек конструкции более чем в восемь раз превышают расчётную ха-рактеристику перемещения основания = 0,005 м, а также боль-шие значения найденных сил инерции можно расценить как признак колебаний системы в режиме, достаточно близком к резонансу. Для проверки этого предположения определим мини-мальную частоту обратносимметричных собственных колебаний приближённым способом Донкерлея:

откуда
.
Точное
значение частоты min
,
найденное решением частотного уравне-ния
Det
(
)
= 0 (
где
),
равно 12,11 с
–1.
Следовательно, значение c = 11,31 c –1, действительно, бли-зко к резонансной частоте ( c = 0,93 min ) и находится в дорезо-нансной области.
Дополнение:
при
увеличении частоты c
c
1,8 до 2
Hz
диагональные ком- поненты матрицы
динамической податливости принимают
значения
=
–
28,138
/
;
=
0,9605
/
;
=
–
23,569
/
;
=
–
125,596
/
;
силы инерции получаются рав-
ными
=
8,393 кН;
=
–
263,489
кН;
=
–
6,950
кН;
=
1,403
кН
– знак «–» у
![]()
указывает
на то, что перемещение
(
см.
рис. 3.48
)
имеет
направление, противо-
положное смещению (t) , т.е. основные (горизонтальные) колебания рамы происходят в противофазе кинематическому воздействию – это имеет место при работе системы в зарезонансном режиме ( c > min ).
