Безфундаментні башти-атракціони з високоточним стовбуром

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ТА ПРОЕКТНИЙ ІНСТИТУТ

СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ ІМЕНІ В.М. ШИМАНОВСЬКОГО

АВТОРЕФЕРАТ

БЕЗФУНДАМЕНТНІ БАШТИ-АТРАКЦІОНИ З ВИСОКОТОЧНИМ СТОВБУРОМ

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук Свердлов Володимир Деонисович,

Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри промислового та цивільного будівництва.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Перельмутер Анатолій Вікторович, Відкрите акціонерне товариство Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського, головний науковий співро-бітник науково-дослідного відділу технічного розвитку;

кандидат технічних наук, Білик Сергій Іванович, Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри металевих та деревяних конструкцій.

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій (м. Київ) Міністерства будівництва, архі-тектури та житлово-комунального господарства Украї-ни, відділ досліджень конструкцій будівель і споруд.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Відкритого акціонерного товариства Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського за адресою: пр. Визволителів, 1, Київ - 02, МСП - 660, 02660.

Автореферат розіслано 19 січня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради K 26.857.01, д.т.н., професор О.І. Оглобля

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На даний момент в усьому світі збільшується попит на пересувні безфундаментні башти-атракціони. Вони є цікавими та прибутковими елементами індустрії розваг. Дані споруди повинні бути максимально легкими (для здешевлення перевезення та монтажу), жорсткими та надійними. Водночас для виживання у ринкових умовах виробники башт-атракціонів повинні зменшувати собівартість даних споруд, головними складовими частинами якої є витрати металу та праці. Це обґрунтовує актуальність і доцільність досліджень з проблеми пошуку раціональної конструктивної форми безфундаментних башт-атракціонів.

Вчені таких країн як Італія, Австрія, США приділяють велику увагу даним конструкціям. Зусиллями іноземних конструкторів та науковців (Дзафонато, Петріє, Серраваллі) та науково-дослідних організацій при потужних промислових об'єднаннях (Fabbri Group, Preston&Barbieri, S&S Power Inc. та ін.) розроблено рекомендації щодо раціонального проектування стовбурів башт-атракціонів, та запроектована низка конструктивних рішень опорних частин та різноманітних вузлових з'єднань. Через те, що по стовбуру башт-атракціонів здійснює рух технологічне обладнання, елементи стовбура - напрямні - повинні мати високу точність з'єднання. Конструктивно найбільш близькими до безфундаментних башт-атракціонів є баштові крани, тому закордонні інженери-проектувальники багато чого запозичують у них. На теренах України такий тип баштових споруд є не достатньо вивченим у порівнянні з класичними призматичними баштами та баштовими кранами, дослідженням яких займалися такі відомі вчені як Л.О. Незоров, М.П. Кондра, М.М. Гохберг, О.М. Орлов, А.В. Перельмутер, В.О. Пермяков та інші.

Відзначимо, що на даний момент не достатньо дослідженими залишаються опорні платформи, динамічний вплив на споруду від технологічного устаткування. Окрім цього, типові високоточні з'єднання трубчастих елементів, що використовуються вітчизняними та закордонними виробниками мають високу собівартість. З огляду на це виникає завдання вдосконалити опорні платформи та міжсекційні вузлові з'єднання безфундаментних башт-атракціонів. При цьому важливим та актуальним є пошук характеру втрати стійкості таких споруд, пошук раціональних конструктивних рішень опорних платформ, дослідження їх поведінки під час сумісної роботи з ґрунтом; розроблення та дослідження нових високоточних вузлів для забезпечення збірності-розбірності конструкції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є закінченою науковою працею, яка відповідає тематиці загального плану наукових досліджень, які проводились на кафедрі промислового та цивільного будівництва Вінницького національного технічного університету за період з 1999 по 2006 роки за темою “Висотні просторові стрижневі конструкції”, згідно державної науково-технічної програми “Розробка вібраційної установки для ефективного ущільнення бетонних сумішей” (номер державної реєстрації 0105U004663), а також у відповідності із пріоритетним напрямом розвитку науки і техніки “Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості, будівництві та агропромисловому комплексі” на період до 2006 р, що обумовлений у Законі України від 11.07.2001 №2623-ІІІ “Про приоритетні напрями розвитку науки і техніки”.

Основні положення по розробленню розрахункових моделей, методик, запропонованого програмного забезпечення, експериментальні дані, чисельні результати та їх дослідження і аналіз виконані безпосередньо здобувачем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення, теоретичне та експериментальне дослідження конструктивних рішень опорних платформ і вузлових з'єднань безфундаментних башт-атракціонів з високоточним стовбуром та оптимізація їх геометричних параметрів. Для досягнення мети необхідним є розв'язок наступних задач:

теоретичне вивчення впливу типу конструктивної схеми опорної платформи башти-атракціону та її геометричних параметрів на несучу здатність, оцінка характеристик запропонованих конструктивних схем на флюгерах під час їх роботи під дією розрахункових навантажень, пошук раціонального конструктивного рішення, виходячи з критерію мінімальних витрат металу;

розроблення нового ефективного конструктивного рішення міжсекційного вузлового з'єднання башт-атракціонів, теоретичне вивчення впливу геометричних параметрів з'єднання на його несучу здатність, розроблення методики визначення несучої здатності запропонованого з'єднання для різних діаметрів несучих труб;

виконання експериментальних досліджень на моделі роботи запропонованих опорних платформ (для оцінки достовірності отриманих теоретичних результатів), розроблення ефективної методики експериментального визначення форми втрати стійкості моделі металоконструкції башти-атракціону, виконання експериментальних досліджень запропонованих вузлових з'єднань, розроблення ефективної методики для оцінки несучої здатності запропонованих з'єднань;

представлення рекомендацій для використання запропонованих конструктивних рішень, розрахункових та експериментальних методик для інженерних цілей;

оцінка ефективності запропонованих конструктивних схем у порівнянні з існуючими. опорний платформа безфундаментний стовбур

Об'єктом дослідження є металеві башти-атракціони без стаціонарного фундаменту з високоточним стовбуром та їх основні складові частини - жорстка опорна платформа, високоточне міжсекційне з'єднання та технологічне рухоме обладнання.

Предметом дослідження є напружено-деформований стан опорної платформи з урахуванням її сумісної роботи з ґрунтом від розрахункових комбінацій навантажень та напружено-деформований стан високоточних вузлових з'єднань безфундаментних башт-атракціонів.

Методи дослідження. Для розв'язку задачі пошуку раціональних геометричних параметрів та конструктивних рішень опорних платформ башт-атракціонів було використано методи класичної будівельної механіки; для розв'язку задачі пошуку раціональних геометричних параметрів запропонованих високоточних вузлових з'єднань було використано методи опору матеріалів. Результати теоретичних та експериментальних досліджень оброблялися на стандартному програмному комплексі “Lira 9.0”. Розв'язок трансцендентного рівняння для пошуку раціонального кута нахилу вісі флюгерів виконувався методом послідовного наближення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

на основі математичного моделювання визначена раціональна конструктивна схема та геометрична форма опорної платформи безфундаментної башти-атракціону у вигляді конструкції на флюгерах та жорсткому осерді;

виведено трансцендентне рівняння, що дозволяє визначити раціональний кут нахилу прямолінійних флюгерів опорної платформи башти-атракціону, виходячи з критерію мінімальності діючого у небезпечних перерізах моменту;

отримано наближену математичну модель технологічного нелінійного навантаження, що діє на стовбур башти, яка дає змогу оцінити зусилля, що виникають у елементах башти від дії цього технологічного динамічного впливу;

розроблено нову оригінальну конструкція вузлового з'єднання на втулці та запірному штифті. На основі теорії опору пружних матеріалів було виведено геометричне співвідношення між елементами запропонованого з'єднання для раціонального конструювання.

Практичне значення одержаних результатів:

розроблені рекомендації по розрахунку та раціональному компонуванню опорних платформ башт-атракціонів на флюгерах;

на базі виведеного трансцендентного рівняння розроблена розрахункова програма, що дозволяє визначити раціональний кут нахилу прямолінійних флюгерів;

запропоновані конструктивні різновиди комбінованої опорної системи на чотирьох флюгерах. Проведено їх чисельні дослідження;

розроблені рекомендації по улаштуванню тимчасового анкерування пересувної споруди башти-атракціону з допомогою гвинтових паль та улаштуванню додаткового баласту для підвищення її стійкості від перекидання;

на базі розробленої методики по конструюванню запропонованого з'єднання, розроблена розрахункова програма, що дозволяє користувачеві підібрати геометричні параметри запропонованого вузла для з'єднувальних трубчастих перерізів будь-якого діаметру;

одержані у роботі результати були впроваджені при розробленні відповідних конструкцій нових атракціонів “Магнетик-ХХL”, для розроблення ТУ У 36.6-13326217-020:2006 “Стела-Магнетик” ТУ У 36.6-13326217-014 - 2004 Атракціон “Вежа кругового огляду” (знаходяться на стадії розробки), та для удосконалення ТУ У 36.6-13326217-017-2005 Атракціон “Шторм”, ТУ У 36.6-13326217-014 - 2004 Атракціон “Вежа кругового огляду”, ТУ У 13326217.004 - 2001 “Атракціон-вежа з прямолінійним підйомом до 50 м”.

Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

постановка і рішення задачі пошуку раціональної конструкції опорних платформ безфундаментних башт-атракціонів;

постановка і проведення модельних експериментів для визначення форми втрати стійкості башт-атракціонів, визначення несучої здатності гвинтових паль та запропонованих вузлових з'єднань;

розробка всіх методик, виконання системного та наукового аналізу отриманих результатів; особиста участь у створенні нових конструкцій безфундаментних башт-атракціонів; розроблення двох розрахункових програм.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і були обговорені на трьох наукових конференціях та двох наукових семінарах Вінницького національного технічного університету. У повному обсязі дисертація доповідалася на розширеному спеціалізованому науковому семінарі у Вінницькому національному технічному університеті 9 березня 2006 року, на засіданні Науково-технічної ради ВАТ Укрндіпроект-стальконструкція ім. В.М. Шимановського 20 квітня 2006 року.

Публікації. За темою дисертації опубліковано п'ять наукових робіт, серед яких одна монографія і чотири статті у фахових виданнях ВАК.

Обсяг наукової роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та 11 додатків. Зміст викладено на 224 сторінках, у тому числі 178 сторінок основного тексту, 80 рисунків, 32 таблиці та список використаних джерел із 132 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зв'язок її з науковими програмами та темами, сформульовані мета та основні задачі роботи, вказано об'єкт та предмет дослідження, викладено наукову новизну, описані методи дослідження, дані про практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про апробацію і публікації результатів досліджень та їхнє впровадження.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз стану питання, який включає в себе короткий огляд і класифікацію башт-атракціонів, опис їх основних складових частин та їх призначення, огляд та аналіз досліджень вітчизняних та зарубіжних науковців по безфундаментним спорудам та баштовим конструкціям.

Докладно розглянуто конструкцію типових опорних платформ башт-атракціонів. Зазначимо, що існую три основні конструктивні форми опорних платформ башт-атракціонів - у вигляді жорсткої плоскої ферми, у вигляді плоскої ферми із додатковими флюгерами, у вигляді системи окремих жорстко зв'язаних між собою флюгерів.

Також розглянуто типові вузлові з'єднання, що забезпечують високу точність збирання елементів стовбуру, по зовнішній поверхні якого рухається технологічне обладнання. Вітчизняні виробники башт-атракціонів для своїх виробів використовують класичне високоточне фланцеве з'єднання з вибірками для роликів та центруючими елементами. Іноземні виробники башт-атракціонів та баштових кранів для своїх виробів використовують з'єднання на втулках та високоточних болтах. Базуючись на проведеному аналізі, щодо практики виготовлення, зведення і експлуатації башт-атракціонів, методів розрахунку та існуючих конструктивних рішень можна зробити такі висновки: башти-атракціони на даний момент є одним з найбільш інтенсивно розвинутих та прогресивних напрямків атракціонного бізнесу усього світу, існує значний попит на такі споруди у курортній та парковій зонах; через особливість свого призначення башти-атракціони сприймають вплив комплексу складних динамічних навантажень, тому для виготовлення таких конструкцій необхідно використовувати легкі, але надійні металеві профілі для забезпечення високої надійності та ресурсу роботи; моделювання та розрахунок даних конструкцій у багатьох моментах є спорідненим до розрахунку класичних баштових споруд, однак існує значна відмінність, що до цих пір недостатньо досліджена.

Сформульовано основні задачі дослідження.

У другому розділі виконано теоретичне дослідження опорних платформ башт-атракціонів, що сприймають розрахункові навантаження від стовбура. Складено розрахункові комбінації навантажень, у яких враховано динамічний вплив від технологічного обладнання - візка. За основу взята конструкція башти-атракціону вільного падіння висотою 14 м.

Використовуючи дослідження гальмівного зусилля, що виконані І.П. Кондратенко та його учнями, складено наближену математичну модель силового впливу візка на конструкцію стовбура башти-атракціону.

Виявлено, що найбільш невигідною розрахунковою комбінацією навантажень, що викликає у елементах стовбуру башти найбільші зусилля, є основна схема (з врахуванням повного вітрового навантаження). Для цієї розрахункової комбінації було виконано перевірочний розрахунок стовбура існуючої башти-атракціону “Шторм” та зібрано навантаження на опорну платформу. Використовуючи теорію стійкості безфундаментних споруд на пружному ґрунті доведено, що у першому наближенні можна вважати, що безфундаментна башта-атракціон перекидається навколо свого габариту. Цей принцип базується на припущенні, що споруда не перекинеться відносно осі перекидання (), якщо корисний (стабілізуючий) момент навколо цієї осі, створений власною вагою споруди з платформою, привантаженням та вагою навісного обладнання () буде більший за максимальний момент перекидання

де - горизонтальна складова навантаження; - висота прикладання горизонтальної складової ; - кількість усіх навантажень на баштову споруду.

Припускаємо, що розподілена вага від баласту і самої металоконструкції та геометричні характеристики перерізу (площа та момент інерції ) статично невизначеної двохшарнірної рами є сталими: . Канонічне рівняння методу сил для цього випадку:

,(3)

де ;

.

З опрацьованих джерел робимо висновок, що область визначення раціонального кута з конструктивних міркувань повинна складати . Наближений чисельний розрахунок сил тертя, що виникають при взаємодії ґрунту та опор “А” () і “В” (), від відповідних вертикальних реакцій і , доводить, що величина розпору у опорних точках на порядок більша за очікувану силу тертя: ; . Аналогічний характер результатів отримуємо на всій множині області визначення кута . Тому розрахункова схема, є прийнятною тільки у випадку анкерування опорних точок “А” і “В” у ґрунті, або їх місцевого привантаження баластом великої ваги. Дійсна розрахункова схема типової безфундаментної башти (для плоского випадку) являє собою звичайну, статично визначену ламану балку, тому у цьому випадку ефекту перерозподілу згинальних моментів у флюгерах не спостерігається.

Ці дані свідчать про те, що найбільш ефективним виходячи з умов мінімального діючого у перерізах моменту, є конструктивне рішення при (моменти у гілках рівні, максимальний момент - мінімальний), однак на проміжку від до величини моментів змінюються на незначну величину (у межах 18%), тому раціональний кут для даної платформи на флюгерах з анкеруванням опорних точок у ґрунті, виходячи з критерію мінімальності згинальних моментів та конструктивних міркувань, складає . Розрахункові дослідження доводять, що величина раціонального кута при анкеруванні опорних точок не є сталою, а залежить від зовнішніх зусиль та параметрів самої рами. Для визначення раціонального кута нахилу флюгерів, виходячи з критерію мінімальності максимального моменту, для будь-яких , , , , , та (при сталих вздовж та ) - була розроблена програма. Шляхом безпосереднього інтегрування складових виразу (3), аналізу отриманих епюр згинальних моментів, було виведено функціональний вираз у вигляді трансцендентного рівняння (4), що дозволяє обчислити величину раціонального кута безпосередньо підстановкою та шляхом послідовного наближення:

, (4)

де ;; ; ; ; .

Чисельний аналіз, проведений на розробленій програмі для множини довільних випадків показав, що має два значення (симетричне відносно “0”) та головним чином залежить від параметрів , , співвідношення , та не залежить від , , , , тобто .

З точки зору мінімальних загальних деформацій споруди раціональним є варіант при . Виходячи з конструктивних міркувань, критеріїв мінімальності згинальних моментів та мінімальних деформацій, можна зробити висновок, про доцільність улаштування опорних флюгерів на запропонованій конструкції під кутом з анкеруванням опорних точок.

Для цього випадку необхідно оцінити, чи не виникає повзучість споруди. Співвідношення (5) - умова повзучості споруди:

, (5)

де: - сумарна розрахункова сила тертя під опорними п'ятами системи; - загальне розрахункове зсуваючи зусилля.

Для варіанта плоского випадку, розглянутого вище: .

З огляду на це, повзучості споруди по поверхні ґрунту при дії розрахункових горизонтальних навантажень не виникає.

Для типового випадку (без анкерування опорних точок), аналізуючи дані, робимо висновок, що мінімальні зусилля та мінімальні деформації діють у елементах рами при . Отже, раціональний кут для улаштування флюгерів опорної рами для варіанту без анкерування є .

Рис. Випадок платформи з флюгерами без анкерування

Аналізуючи епюри моментів, нормальних та дотичних зусиль, що відповідають розрахунковим схемам з анкеруванням опорних вузлів та без нього в області визначення кута . Робимо висновок, що у випадку коли анкерування відсутнє, у перерізах опорних флюгер виникають згинальні моменти, максимальне значення яких є значно більшими за максимальне значення згинальних моментів, що виникають у випадку, коли має місце закріплення опорних точок. При анкеруванні виникає своєрідний ефект перерозподілу згинальних моментів між лівою та правою флюгерами.

Аналізуючи модулі максимальних деформацій (стрілу прогину) при анкеруванні та без нього. Робимо висновок, що при однакових значеннях кута стріла прогину системи без анкерування більша у порівнянні з анкерним варіантом при , тобто на всій області кута . Порівнюючи значення згинальних моментів та модулі деформацій при раціональних значеннях кутів (з анкеруванням) та (без анкерування), робимо висновок, що при анкеруванні згинальні моменти та модулі деформацій є значно меншими, аніж при відсутності анкерування:

;

.

Тому більш ефективним з точки зору діючих максимальних згинальних моментів та загальних деформацій системи є варіант з анкеруванням опорних точок.

Дослідження плоского випадку не дає відповіді, яка раціональна кількість флюгерів. За критерії раціональності використаємо критерій мінімальних витрат металу для забезпечення необхідної жорсткості та стійкості конструкції.

Для забезпечення стійкості баштової споруди необхідним та достатнім є конструктивне рішення платформи з трьома полярно симетричними флюгерами. Розташування осі перекидання залежить від орієнтації платформи. У найбільш невигідному випадку відбувається перекидання вздовж вісі О-О. Для платформ, точки опирання яких утворюють правильних багатокутник, вісь О-О є дотичною до кола, вписаного у цей багатокутник та співпадає з одною із його сторін. Добре видно, що чим більша кількість опорних флюгерів , тим менша їх довжина, тобто . Довжина в залежності від діаметра розраховується за формулою (6):

. (6)

Оптимізаційний розрахунок доводить, що більш ефективно використовувати конструктивне рішення, якому відповідає розрахункова схема, тобто при варіанті опорної платформи на чотирьох опорних флюгерах. При цьому загальна вага опорної платформи разом із жорстким осердям для башти-атракціону висотою 14 м складає 732 кг. У той же час вага металу при улаштуванні шести опорних флюгерів еквівалентної жорсткості буде 812 кг (+11%), при цьому витрати праці на шестипроменеву платформу більші майже на 30% у порівнянні з чотирипроменевою.

Варіант конструкції платформи на шести опорних флюгерах може бути більш ефективним при улаштуванні стовбуру башти-атракціону шестигранної форми.

Втрата стійкості запропонованої башти на опорних флюгерах суттєво відрізняється від втрати стійкості класичної металевої башти на фундаменті. При розрахунку втрати стійкості необхідно враховувати не тільки деформації стрижневого стовбура башти, але і деформації опорної конструкції на флюгерах. Окрім цього суттєве значення має перекіс рамної системи, внаслідок нерівномірного просідання ґрунту. Моделювання роботи башти атракціону з допомогою програмного комплексу “Lira 9.0” доводить, що при збільшенні горизонтальних навантажень на 50% у порівнянні з розрахунковими відбувається втрата стійкості споруди внаслідок перекидання. У той же час металоконструкція стовбура башти, опорна платформа ще не досягають граничного стану. Просідання ґрунту під опорними п'ятами знаходиться у допустимих межах. Виходячи з отриманих результатів можна зробити висновок, що для збільшення загальної стійкості споруди необхідно збільшити стійкість від перекидання.

У третьому розділі виконано теоретичне дослідження напружено-деформованого стану запропонованого вузлового з'єднання.

Воно складається з таких конструктивних елементів: трубчастих несучих елементів (діаметром та товщинами стінок відповідно та , причому ); вставки-пальця та відповідної вставки-втулки. Ці елементи з'єднують з несучими трубами за допомогою зварювання, причому вставку-палець рекомендується приєднувати до труби з більшою товщиною стінки з конструктивних міркувань. Зварювальні шви необхідно зачистити врівень. Вставка-палець містить циліндричний виступ з конічним хвостовиком для полегшення збирання-розбирання секцій башти. Пальцю відповідає аналогічний паз на вставці-втулці; конічний штифт з діаметром посередині (з малою конусністю ~1:50) служить затяжним пристроєм. Його виготовляють із якісних легованих сталей та надають високу поверхневу твердість для зменшення зносу та сприйняття великих зрізаючи зусиль. Затяжка штифта здійснюється гайкою. Доцільно додатково шплінтувати гайку для уникнення можливого розкручування.

Допустимі дотичні напруження у конічному штифті при зрізі - , нормальні при зминанні - ; допустимі нормальні напруження у трубах, вставці-пальці та вставці-втулці при розтязі - , при зминанні - . Найбільш небезпечним є переріз А-А при роботі на розтяг. При роботі на стиск в основному працює розвинутий буртик на вставках. Виходячи з умови міцності конічного штифта при розтязі отримуємо при малій конусності (~1:50) мінімальний діаметр штифта по середній лінії буде складати:

, (6)

де - площа труби нетто.

Мінімальний розрахунковий діаметр пальця, виходячи з умови міцності:

, (7)

де - вибраний конструктивно діаметр штифта, причому .

Максимальний розмір вибірки під палець не повинен перевищувати розміру:

. (8)

Результати чисельного аналізу співвідношень (6), (7) та (8), для різних і , приведено у табл.3.

Таблиця 3 Аналіз геометричних параметрів запропонованого з'єднання

	Кількість штифтів	Висновок про можливість влаштування з'єднання
	1	можливе
	2	можливе
	>3	не можливе (не раціональне)

Якщо, визначені по формулах (7) і (8), - необхідно влаштовувати вузол з використанням двох штифтів. Три і більше штифти влаштовувати не доцільно у зв'язку із значним збільшенням довжини (приблизно у 2,5 рази) у порівнянні з одноштифтовим. У цьому випадку доцільно замінити матеріал штифта на більш якісний, збільшивши параметр і відповідно зменшивши параметр . Розмір приймаємо конструктивно: . Запропоноване вузлове з'єднання при розтязі може зруйнуватися через зріз стінки (вздовж ). При цьому відбувається розкриття штифтового отвору на вставках. Виходячи з умови міцності шийки біля отвору отримуємо функціонал (9) для визначення значення параметра :

. (9)

Геометричний параметр призначаємо, виходячи із співвідношень , де - кількість штифтів, та .

Якщо при розрахунку отримані геометричні параметри, які неможливо реалізувати конструктивно, необхідно влаштовувати два або більше конічних штифти. Якщо конструктивні особливості башти дозволяють, бажано розміщувати штифти у взаємно перпендикулярних напрямках.

Четвертий розділ присвячений експериментальному підтвердженню теоретичних досліджень. Експериментальні дослідження складаються з трьох частин. Першою частиною є дослідження моделі (1:10) башти-атракціону на втрату стійкості; другою - дослідження моделі (1:10) гвинтової палі на стійкість від висмикування; третьою - дослідження запропонованого вузлового з'єднання на різні види напружено-деформованого стану.

Перша частина експериментальних досліджень на моделі (1:10) присвячена перевірці результатів теоретичних досліджень роботи башти-атракціону без стаціонарного фундаменту на платформі з флюгерами.

Аналіз результатів експериментальних досліджень моделі башти-атракціону доводить правильність теоретичних вишукувань. Було доведено, що модель, а відповідно і башта-атракціон на запропонованій платформі, витримує розрахункове навантаження; при збільшенні горизонтального навантаження на модель на 50% вона, а відповідно і башта-атракціон, втрачає стійкість через перекидання металоконструкції (а не через інші можливі фактори).

Друга частина експериментальних досліджень присвячена підтвердженню більшої ефективності використання гвинтових паль для збільшення стійкості споруди від перекидання у порівнянні з місцевим привантаженням баластом.

Виходячи з даних експериментальних досліджень моделі гвинтової палі (1:10), робимо висновок: модель гвинтової палі (1:10) витримала вертикальне висмикуючи навантаження 145 Н, характер висмикування - лавиноподібний; граничне значення висмикуючого зусилля - 100 Н; експериментальне значення 100 Н є на 9% меншим за теоретичне розрахункове . Тому розрахунок несучої здатності натурної палі, базуючись на даних експерименту моделі з коефіцієнтом масштабності необхідно вести за формулою (10), де - запропонований перевідний коефіцієнт:

. (10)

Експериментальне дослідження моделі гвинтової палі за стандартною методикою довело правильність теоретичних вишукувань: підтвердилася несуча здатність моделі гвинтової палі, а відповідно і самої палі, на висмикування у межах 90% від розрахованої теоретично; було виведено теоретичне співвідношення (8), що дозволяє визначити несучу здатність гвинтової палі по результатам експериментальних досліджень її моделі з відповідним масштабним коефіцієнтом.

Третя частина експериментальних досліджень присвячена перевірці теоретичних досліджень роботи міжсекційного високоточного стикового вузлу стовбура металевої регулярної башти-атракціону, що працює на різні види напружено-деформованого стану.

Експериментальне дослідження запропонованого вузлового з'єднання довело, що воно є ефективним як для сприйняття зусиль розтягу так і для сприйняття згинальних моментів; доведено, що коефіцієнт несучої здатності у порівнянні з основною трубою .

Висновки

1. На основі проведених теоретичних та експериментальних модельних досліджень запропоновано раціональне конструктивне рішення опорної платформи безфундаментної башти-атракціону, виходячи з критерію мінімальних витрат металу. Таким конструктивним рішенням є платформа на тригері з чотирма опорними флюгерами та її модифікації.

2. Розроблено методику для визначення раціонального кута нахилу вісі флюгера до горизонту з точки зору мінімальності діючих у перерізах флюгера згинальних моментів. У випадку улаштування споруди без додаткового анкерування у ґрунті вісь флюгера повинна бути горизонтальною. Для випадку анкерування винайдено трансцендентне рівняння для обчислення раціонального кута нахилу вісі флюгера в залежності від геометричних параметрів та зовнішнього навантаження (плоский випадок). Доведено, що існує два (симетричних відносно 0^о) раціональних кута нахилу.

3. Виявлено раціональне співвідношення між розміром опорної платформи та висотою стовбура баштової споруди , виходячи з критерію стійкості від перекидання та архітектурної виразності споруди .

4. Розроблена ефективна методика експериментального визначення форми втрати стійкості моделі металоконструкції башти-атракціону під дією комбінації навантажень, що перевищують розрахункові. Для башт-атракціонів без анкерування у ґрунті втрата стійкості пов'язана з перекиданням металоконструкції.

5. За допомогою теоретичного моделювання та експериментальних досліджень виявлено ефективність використання додаткових анкерних елементів у вигляді гвинтових паль у порівнянні з привантаженням баластом.

6. Розроблена методика конструювання та розрахунку запропонованого конструктивного рішення міжсекційного вузлового з'єднання башт-атракціонів. Проведені чисельні та експериментальні дослідження роботи запропонованого з'єднання на різні види напружено-деформованого стану. На основі запропонованої методики розроблена програма для інженерних цілей, яка обчислює раціональні геометричні параметри запропонованого з'єднання.

7. Шляхом техніко-економічного порівняння доведено економічну ефективність запропонованих конструктивних рішень у порівнянні з існуючими: для запропонованих платформ на чотирьох опорних флюгерах досягається економія матеріалу у межах 22...31%; для запропонованих високоточних вузлових з'єднань у порівнянні з фланцевими конструктивними рішеннями досягається економія металу і праці у межах 50 - 60%.

Основні публікаціі за темою дисертації

1. Свердлов В.Д., Попов В.О. Металеві баштові споруди з високим ступенем співосності несучих елементів. Монографія. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. - 147 с.

2. Свердлов В.Д., Попов В.О. Моделювання нестандартного навантаження на висотну просторову стрижневу конструкцію // Вісник Вінницького політехнічного інституту. Вінниця. - 2004. - №3 (54). - С. 7-11.

3. Свердлов В.Д., Сіянов О.І., Попов В.О. Удосконалення вузлових з'єднань башт з високою ступінню совісності труб // Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Том 2. Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології. Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. - 2003. - №2 (39). - С. 251-253.

4. Свердлов В.Д., Попов В.О., Кисіль О.А. Конструктивні рішення прецезіонних вузлових з'єднань башт-атракціонів // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. - 2005. - Вип. № 12. - С. 288-296.

5. Свердлов В.Д., Попов В.О. Практичне визначення величини та форми переміщень висотних просторових стрижневих конструкцій башт // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди. - 2004. - Вип. № 11. - С. 268-272.

В роботах, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належать: у [1] - проведено аналіз конструкцій існуючих башт-атракціонів та їх складових частин, технології виготовлення та зведення, запропоновано шляхи конструктивного удосконалення; у [2] - розроблена математична модель, що дозволяє оцінити навантаження від рухомого технологічного обладнання на стовбур башти-атракціону, приведений метод її вирішення; у [3] - проведено аналіз конструктивних рішень вузлових з'єднань башт-атракціонів, запропоновано нове комбіноване конструктивне рішення міжсекційного вузлового з'єднання; у [4] - розроблено методику розрахунку запропонованого високоточного вузлового з'єднання; у [5] - розроблено методику експериментального визначення відхилення стовбура башти-атракціону від вертикалі, що перебуває під дією комплексу навантажень.

Анотація

Попов В.О. Безфундаментні башти-атракціони з високоточним стовбуром. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Відкрите акціонерне товариство Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М.Шимановського, Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена розробці, теоретичному та експериментальному дослідженню конструктивних рішень опорних платформ і вузлових з'єднань безфундаментних башт-атракціонів з високоточним стовбуром та оптимізації їх геометричних параметрів.

У роботі чисельними засобами змодельоване навантаження на несучу конструкцію башти-атракціону від рухомого технологічного обладнання, досліджено вплив типу конструктивної схеми опорної платформи та її геометричних параметрів на несучу здатність, оцінено характеристики запропонованих конструктивних схем на флюгерах під час їх роботи під дією розрахункових навантажень, знайдено раціональне конструктивне рішення даної системи, виходячи з критерію мінімальних витрат металу; розроблено нове ефективне конструктивне рішення міжсекційного вузлового з'єднання башт-атракціонів, на втулках та запірному штифті, теоретично вивчено вплив геометричних параметрів з'єднання на його несучу здатність, розроблено методику та відповідне програмне забезпечення визначення несучої здатності запропонованого з'єднання. Виконано експериментальне дослідження на моделі роботи запропонованої опорної платформи, розроблено ефективну методику експериментального визначення форми втрати стійкості моделі металоконструкції башти-атракціону, виконано експериментальне дослідження запропонованого вузлового з'єднання, розроблено ефективну методику для оцінки несучої здатності запропонованого з'єднання; представлено рекомендації для використання запропонованих конструктивних рішень, розрахункових та експериментальних методик для інженерних цілей; оцінено ефективність запропонованих конструктивних рішень у порівнянні з існуючими.

Abstract

Popov V.A. Amusement towers with precision trunk erected without foundation. - The manuscript.

Thesis for candidate degree of technical sciences by speciality 05.23.01 - constructions, buildings and structures. - OJSC V.Shimanovsky Ukrainian Research and Design Institute of Steel Construction, Kyiv, 2007.

The thesis is dedicated to development; theoretical and experimental analysis of structures of supporting platforms and connectors of amusement towers with precision trunk erected without foundation and to optimization their geometrical parameters.

Were modeled the dynamic loading at amusement towers structure from moveable technological equipment, were studied influence the type of constructions schemes of supporting platform and its geometrical parameters on its bearing ability; were evaluated characteristics of constructional schemes of platforms on cocks loading by calculated forces; were discovered optimal constructional scheme proceeded from requirements of minimal metal consuming; were developed the effective original constructional scheme of precision connector of amusement towers, which made of bushes and additional locked sprig; were theoretical studied influence of geometrical parameters of connector to it bearing ability; were developed effective methods and additional program to determine bearing ability propositions precision connector. Were realized experimental analyzes of propositions supporting platforms on model of amusement tower; were developed effective methods of experimental determination failure forms of amusement towers model; were realized experimental analyzes of propositions precision connector, were developed effective methods grades of bearing capacity for propositions precision connector; were represented recommendations for using propositions constructional decisions, designed and experimental methods for engineering purposes; were evaluated effectiveness of propositions constructional decisions in comparison with beings.

Аннотация

Попов В.А. Безфундаментные башни-аттракционы с высокоточным стволом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Открытое акционерное общество Украинский научно-исследовательский и проектный институт стальных конструкций им. В.Н.Шима-новского, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке, теоретическому и экспериментальному исследованию конструктивных решений опорных платформ и узловых соединений безфундаментных башен-аттракционов с высокоточным стволом и оптимизации их геометрических параметров.

В роботе численными методами смоделирована нагрузка от подвижного технологического оборудования на несущую конструкцию башни-аттракциона, исследовано влияние типа конструктивной схемы опорной платформы и её геометрических параметров на несущую способность, оценены характеристики предложенных конструктивных схем на флюгерах во время работы под действием расчетных нагрузок, выявлено рациональное конструктивное решение данной системы, исходя из критерия минимальных затрат металла, разработано новое эффективное конструктивное решение межсекционного узлового соединения башен-аттракционов, выполненное на втулках и запорном штифте, теоретически изучено влияние геометрических параметров соединения на его несущую способность, разработано методику и соответствующее программное обеспечение для определения несущей способности предложенного соединения. Выполнены экспериментальные исследования на модели роботы предложенной опорной платформы, разработано эффективную методику экспериментального определения формы потери устойчивости модели металлоконструкции башни-аттракциона, выполнено экспериментальное исследование предложенного узлового соединения; разработано эффективную методику для оценки несущей способности предложенного соединения; представлено рекомендации для использования предложенных конструктивных решений, расчетных и экспериментальных методик для инженерных целей; оценено эффективность предложенных конструктивных решений в сравнении с существующими.

Размещено на Allbest.ru

...