Понятие о динамическом расчете форм
В процессе изготовлении сборного железобетона форму, заполненную бетонной смесью, подвергают интенсивному вибрационному, виброударному или ударному воздействию с целью уплотнения смеси. При этом форма воспринимает значительные динамические нагрузки и от характера ее работы при таких воздействиях зависят качество железобетонных изделий и долговечность самой формы. Именно этим обусловлена необходимость выполнения динамического расчета формы.
Основным нормативным документом для проведения динамического расчета служат «Рекомендации по динамическому расчету стальных форм», М., НИИЖБ Госстроя СССР. 1984.
Приближенный (инженерный) расчет форм основан на следующих исходных предпосылках: a) бетонная смесь колеблется совместно с обшивкой поддона без отрыва; б) форма жестко соединена с подвижными частями уплотняющей машины; в) рассматривается заключительный этап процесса уплотнения смеси, которая оценивается как упруговязкая среда, имеющая постоянную скорость распространения колебаний.
Для подвижных и умеренно жестких смесей на тяжелых заполнителях скорость распространения колебаний принимается v = 50 м/с, для керамзитобетонных смесей на кварцевом песке v = 40 м/с. Исследования показывают, что динамические давления в смеси, определяющие в конечном счете эффект уплотнения и качественные характеристики бетона, зависят не только от состава смеси, ее упругих и неупругих характеристик, типа и режима работы уплотняющей установки, но и от параметров жесткости формы, ее элементов и в первую очередь обшивки поддона. Размеры ячеек и толщину листа обшивки, а также число и жесткость балок каркаса выбирают на основе динамического расчета в зависимости от высоты слоя бетона и характеристик смеси для каждого типа установки. Только в этом случае можно обеспечить оптимальные значения давлений в смеси, определяющих как плотность и прочность бетона, так и качество лицевых поверхностей изделий.
Задачей динамического расчета является определение геометрических размеров и сечений рамы и обшивки поддона, при которых обеспечиваются:
а) значение собственных частот колебаний системы «уплотняющая машина — форма (в целом) — бетонная смесь», достаточно удаленное от частоты вибрирования (для площадок с гармоническими колебаниями). Это позволяет избежать возникновения резонансных режимов колебаний формы и получить требуемую долговечность ее элементов; б) наибольшие динамические давления в смеси при достаточно равномерном распределении их по площади поддона, что приводит к сокращению времени растекания смеси по форме, повышению коэффициента уплотнения, улучшению качества лицевой поверхности.
Достижение наибольших динамических давлений и интенсификация вследствие этого процесса формования смеси осуществляют за счет выбора на основе расчета оптимальных значений частот собственных колебаний обшивки поддона загруженной смесью формы. Оптимальные значения указанных частот устанавливают для каждого типа уплотняющей установки в зависимости от частотного спектра вынуждающих сил; при этом одновременно обеспечивается снижение до минимума величины излучаемого формой шума. В ряде случаев оптимальным значениям частот колебаний соответствуют размеры ячеек, несколько превышающие эти размеры у используемых в настоящее время форм, что позволяет добиться снижения их металлоемкости.
Динамический расчет предполагает определение частот собственных колебаний ячеек обшивки поддона, частот собственных колебаний формы в целом, мод (форм) главных колебаний, амплитуды вынужденных колебаний.
Из спектра частот собственных колебаний элементов формы на уплотнение смеси наибольшее влияние оказывает частота основного тона колебаний обшивки поддона, при которой деформации листа относительно балок рамы наибольшие; на излучение шума — также частота основного тона колебаний формы в целом, соответствующая первой моде колебаний. При этом под частотой основного тона колебаний обшивки с бетонной смесью понимается частота основного тона колебаний системы «вибромашина (вместе с рамой поддона) — обшивка поддона - бетонная смесь».
В том случае, когда поддон состоит из ячеек одинакового размера, то частота основного тона колебаний его обшивки соответствует частоте основного тона колебаний отдельной ячейки; при этой частоте прогибы центральных точек всех ячеек наибольшие. У поддона с ячейками разных размеров обшивка имеет несколько частот собственных колебаний, совпадающих с частотами основного тона колебаний ячеек различных размеров.
Определение всех динамических характеристик формы требуется только в отдельных случаях, в частности при проектировании длинномерных форм. В обычной практике проектирования достаточно вычислять частоты основного тона колебаний обшивки ячеек, отличающихся размерами в плане, и первые три собственные частоты колебаний формы в целом, если в процессе уплотнения бетонной смеси форма опирается на ограниченное число опор и имеет возможность прогибаться.
Вычисление динамических характеристик производят для незагруженной формы и формы, заполненной бетонной смесью. Определяющими являются характеристики загруженной формы, поскольку она в таком состоянии находится большую часть времени процесса формования.
Динамический расчет, выполненный даже в минимальном объеме, позволяет выявить основные динамические характеристики формы и оценить, насколько они соответствуют частотным характеристикам. Такой расчет необходимо проводить прежде всего при уплотнении жестких смесей в случае изготовления на ударных установках изделий с повышенной плотностью, непроницаемостью и долговечностью бетона. При формовании изделий из подвижных смесей с химическими добавками на серийных виброплощадках динамический расчет позволяет выбрать такие размеры ячеек и толщину листа обшивки поддона, при которых будет улучшено качество нижней поверхности изделия, что повысит заводскую ее готовность без дополнительной доводки.
Проведение динамических расчетов для форм, устанавливаемых на серийные площадки с гармоническими колебаниями, позволяет исключить резонансные явления, приводящие к снижению долговечности установки и формы, увеличению шума и ухудшению качества изделий. Устранение резонансных явлений и уменьшение неравномерности амплитуды колебаний по длине формы имеет существенное значение при изготовлении длинномерных изделий (примером такой формы служит десяти гнездовая форма для изготовления железобетонных шпал).
При выборе конструкции формы следует помнить, что она должна соответствовать тому типу установки, для которого предназначена не только по геометрическим размерам, но и параметрам жесткости обшивки и рамы поддона. Например, форма, приемлемая для работы на серийных виброплощадках, не будет оптимальной конструкцией для ударных и ударно-вибрационных установок. Ее жесткость, выбранная исходя из наличия сосредоточенных масс виброблоков и достаточно высокой частоты вибрирования, будет чрезмерной при установке на низкочастотные ударные машины. Кроме увеличения металлоемкости это приведет к более медленному растеканию смеси по форме и удлинению цикла уплотнения Увеличение деформативности обшивки (благодаря увеличению размеров ячеек или уменьшению толщины листа) позволит не только снизить на 10... 15 % металлоемкость формы, но и повысить интенсивность формования и уменьшить излучаемый шум.
Наоборот, форма, предназначенная для ударных установок, на виброплощадке также не будет эффективной из-за виброизоляции колебаний основной частоты при прохождении их через систему «обшивка — смесь» с низкой частотой основного тона. Учет всех этих факторов при разработке новых форм позволит улучшить технико-экономические показатели формовочного поста и производства в целом, а также повысить качество железобетонных конструкций заводского изготовления.