Безфундаментні башти-атракціони з високоточним стовбуром

- 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.

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:

- 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.

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.

Для випадку анкерування опорних точок у ґрунті отримано множину даних.

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.

Епюри моментів, нормальних та дотичних зусиль для плоского випадку, що виникають у розглянутій системі. 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 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: а - силові фактори, б - деформації

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 (просторова задача). 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. Чим більша кількість опорних флюгерів , тим менша їх довжина, тобто . Довжина в залежності від діаметра розраховується за формулою (6):

. (6)

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.

, (6)

де - площа труби нетто.

, (7)

де - вибраний конструктивно діаметр штифта, причому .

. (8)

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

Таблиця 3 Аналіз геометричних параметрів запропонованого з'єднання

. (9)

Геометричний параметр призначаємо, виходячи із співвідношень

,

де - кількість штифтів, та .

Висновки

конструктивний безфундаментний башта атракціон

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 публікації 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.

Размещено на Allbest.ru