Дослідження експлуатаційної надійності сходових плит із природного каменю з урахуванням їх напруженого стану

Анотація

Мета. Метою роботи є встановлення експлуатаційних ризиків сходових плит із природного каменю та кількісна оцінка напружено-деформованого стану гранітних проступів за різних схем спирання і положень локального динамічного навантаження. Методика. Дослідження виконано шляхом узагальнення конструктивних схем застосування кам’яних проступів, аналізу типових дефектів зовнішньої експлуатації та скінченно-елементного моделювання у середовищі Autodesk Inventor. Розрахункова модель мала розміри 1000×300 мм, товщину 30, 40 або 60 мм, матеріал задано як граніт з густиною 2,7 г/см³, модулем Юнга 55 ГПа, коефіцієнтом Пуассона 0,25 та розрахунковою межею міцності на розтяг 5 МПа. Динамічне навантаження прийнято 1660 Н і прикладено до умовної площі контакту стопи 200×100 мм. Результати. Встановлено, що накладні проступи мають найнижчий рівень силових ризиків, проте є чутливими до зволоження, висолоутворення і корозії суміжних металевих елементів. Для плит, що працюють на згин, визначальним є перше головне напруження. За спирання на два косоури плита товщиною 40 мм має максимальне розтягувальне напруження 2,5 МПаі прогин 0,093 мм, тоді як плита товщиною 30 мм досягає 4,47–4,51 МПа та в окремих випадках перевищує нормативний прогин. При встановленні на один косоур бокове навантаження підвищує напруження до 3,8 МПа, а при товщині 30 мм до критичних 9,3 МПа. Консольно встановлені проступи товщиною 40 мм при навантаженні біля вільного краю розвивають напруження до 3,6 МПа, а при збільшення товщини до 60 мм забезпечує зниження напруження біля вільного краю до 1,5 МПа. Наукова новизна. Уперше для гранітних сходових плит встановлено закономірності формування їх напружено-деформованого стану залежно від комплексного впливу товщини, схеми опирання та положення локального динамічного навантаження. Встановлено, що збільшення товщини закономірно знижує рівень максимальних перших головних напружень і деформацій, тоді як зміщення навантаження відносно опор спричиняє їх істотне зростання, особливо за однокосоурної та консольної схем. Виявлено, що найбільш несприятливим є поєднання зменшеної товщини плити з ексцентричним прикладанням навантаження, яке зумовлює концентрацію розтягувальних напружень і підвищує ризик крихкого руйнування. Практична значимість. Результати можуть бути використані під час попереднього проєктування кам’яних сходів у промисловому та цивільному будівництві, вибору товщини проступів, схеми опирання і потреби в армуванні.