Оценка влияния резиноармированных опорных частей на динамическое поведение башенной конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Оценка влияния резиноармированных опорных частей на динамическое поведение башенной конструкции

Горохов Е.В., д.т.н., професор,

Бусько М.В., к.т.н., доцент

В данной статье на примере башни ветроагрегата приводятся результаты экспериментального исследования влияния демпфирующих опор из вязкоупругих материалов на изменение динамических характеристик башенной конструкции.

Ветроэлектрическая установка (ВЭУ) является источником довольно сильных вибраций, которые, воздействуя на башню, передаются на фундамент и основание. Неблагоприятным проявлением колебательного характера воздействий на башню может оказаться возникновение усталостных трещин в сварных швах и непосредственно в самом металле конструктивных элементов, а также снижение степени затяжки болтов (разболчиваемость) в узлах сопряжения элементов, и анкерных болтах. Для фундаментов основным будет их преждевременный износ - растрескивание и разрушение.

Упомянутые виды повреждений в той или иной степени уже начали проявляться на объектах Новоазовской ветроэлектростанции (ВЭС). В среднем один раз в год обслуживающий персонал выполняет обтяжку всех болтов башенной конструкции, в уровне базы и оголовка болты обтягиваются два раза в год, что подтверждает возникновение и развитие процесса разболчиваемости.

Выборочный контроль технического состояния оголовков фундаментов башен ВЭУ позволил выявить выветривание поверхностных слоев бетона на глубину до 23 см (рис. 1), что может свидетельствовать о его низких прочностных свойствах, которые были заложены еще на стадии проектирования, либо о недостатках имевших место при выполнении строительно-монтажных работ. А также отмечено растрескивание оголовков фундаментов и локальный скол бетона глубиной до 35 см (рис. 1). Ширина раскрытия трещин не превышала 2-х мм, а их длина составляла 1015 см. Все это свидетельствует о восприятии конструкцией нагрузок динамического характера.

Рис. 1. Повреждения оголовков фундаментов башен ВЭУ

Принимая во внимание тот факт, что в Украине довольно интенсивно развивается ветроэнергетическая отрасль, актуальным становится решение задач связанных со снижением неблагоприятного характера воздействий ветроагрегата на несущие конструкции.

К наиболее эффективным способам борьбы с вибрацией, согласно [0, 0], которые можно применить в случае башен ВЭУ, относится применение виброизоляционных прокладок из упругих материалов, динамических гасителей колебаний и демпферов, которые могут размещаться непосредственно между ветроагрегатом и оголовком башни и (или) башмаком и оголовком фундамента.

Частным случаем демпфирующих подкладок является применение резиноармированных опорных частей (РАОЧ), которые в настоящее время используются для стабилизации конструкций резервуаров [0], пролетных строений мостов различного назначения [0], строительных конструкций зданий [0], опор линий электропередачи [0]. Отличительной особенностью данного вида демпферов является поочередное расположение вязкоупругого материала - резины и стальных пластин, которые, располагаясь горизонтально, рассчитаны на работу в одноосном напряженно-деформированном состоянии - сжатии. В работе [0], для повышения эффективности использования резины за счет создания сложного напряженно-деформированного состояния, а также восприятия колебаний и вибрационной нагрузки различного направления предложено армирование демпферов выполнять наклонным, согласно схем приведенных на рис. 2. Оригинальность и новизна предложенных решений заявлена патентами Украины № 7329 [0] и № 13751 [0].

Рис. 2. Варианты резиноармированных демпфирующих опор

В данном случае, конусное армирование опорных частей (рис. 2 а) позволяет равноценно воспринимать вибрацию любого направления в плане, что актуально непосредственно для самого ветроагрегата, который в процессе эксплуатации разворачивается по направлению ветра. Соответственно и устанавливать их целесообразней между ветроагрегатом и оголовком башни.

Вариант армирования в виде усеченной пирамиды (рис. 2 б), являясь более простым в изготовлении, рассчитан на восприятие вибрации строго ортогонального направления. Такую демпфирующую опору целесообразней устанавливать между башмаком башни и оголовком фундамента.

Однако эффективность применения подобных мероприятий для снижения вибрационных воздействий на башню и фундамент требуют своего экспериментального подтверждения. Следует также оценить влияние демпфирующих опор на изменение частоты собственных колебаний всего сооружения, т.к. их применение может вызвать появление резонансных явлений при совпадении вынужденной частоты вращения ротора ветроагрегата и собственной частоты колебания системы башня-ВЭУ.

Для оценки степени влияния демпфирующей опоры на изменение динамического поведения башенной конструкции, были проведены испытания модели стойки, в базу которой вводились резиновые и резиноармированные демпфирующие элементы.

В процессе эксперимента использовались различные типы эластомерных прокладок (всего испытано 5 типов), предоставленных УНИКТИ «ДИНТЕМ», г. Днепропетровск. Отличительной особенностью применяемых прокладок было марка резины и тип армирования; их схема, а также физико-механические характеристики приведены в табл. 1.

демпфирующая опора вязкоупругий башенный

Таблица 1 - Физико-механические характеристики демпфирующих прокладок

Т.к. имеющейся информации о физико-механических свойствах явно недостаточно для проведения теоретических исследований [0, 0, 0] было принято решение о создании простой методики, позволяющей, с минимальной трудоемкостью, оценить влияние демпферных прокладок на изменение собственной частоты колебания стойки, а также предусмотреть возможность варьирования угла наклона их расположения в демпфирующей опоре.

Экспериментальная модель стойки представляла собой консольный стержень состоящий из базы, непосредственно самой стойки и оголовка (рис. 3). База включала в свой состав основание и опорную плиту, между которыми располагалась демпфирующая опора, состоящая из стальных башмаков, для обеспечения необходимого уклона демпферным прокладкам, и непосредственно самих прокладок. Основание крепилось к силовому полу, а стойка посредством опорной плиты и 4-х болтов к основанию. Тело стойки состояло из двух равнополочных уголков 100х7, сваренных в коробчатое сечение. В уровне оголовка располагалась корзина для размещения грузов, общая масса которых составила 257 кг.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение динамичес-кого поведения модели стойки проводилось благодаря анализу виброграмм ее собственных колеба-ний. Реакция конструк-ции фиксировалась при помощи петлевых тензорезисторов типа ПКБ с базой 20 мм и паспортным сопротив-лением 200,2 200,5 Ом которые крепились в уровне базы по 2 шт на каждой грани стойки.

Для сбора информа-ции с первичных преобразователей использовалась универ-сальная система мониторинга конструк-ций «УСМК-1», которая изготовлена и эксплуатируется в ДонНАСА. Частота опороса тензодатчиков была принята равной 64 Гц. Схема прове-дения испытания стойки приведена на рис. 3.

Абсолютное значение частоты собственных колебаний исследуемой системы без применения демпферных прокладок составило f₀=2,05 Гц, логарифмический декремент колебания =0,098, коэффициент внутреннего трения =0,031, коэффициент затухания =0,2, коэффициент динамичности =5,1. Дальнейшее исследование влияния типа применяемых прокладок и угла наклона армирования демпфирующей опоры выполнялось за счет анализа изменения этих величин. Графическое изображение полученных результатов приведено на рис. 4 6.

Рис. 4. Влияние типа применяемой прокладки и угла армирования демпфирующей опоры на изменение частоты колебания стойки

Рис. 5. Влияние угла расположения прокладки в демпферной опоре на изменение частоты колебания стойки

Рис. 6. Влияние угла расположения прокладки в демпферной опоре на изменение коэффициента затухания колебаний

Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы:

- при горизонтальном расположении демпферных прокладок, резиновая прокладка (тип I) не оказывает существенного влияния на изменение частоты собственных колебаний стойки, резиноармированные (тип II V) - увеличивают ее на 5 15%. Применяя углы наклона элементов армирования демпфирующей опоры 10⁰ и 40⁰, величина изменения собственной частоты будет колебаться в пределах 3 4 %, а при наклонах 20⁰ 30⁰ - частота колебания уменьшится на 5 10%;

- в случае применения резиноармированных демпферных прокладок, существенные уменьшения частоты собственных колебаний стойки будут происходить при изменении угла их расположения в опорах от 0⁰ до 1015⁰, при дальнейшем его увеличении, изменения будут незначительны (в 2-3 раза меньше по сравнению с предыдущими). Угол расположения резиновой прокладки не оказывает существенного влияния на частоту колебания конструкции, изменяя ее не более чем на 2%;

- применение горизонтальных демпферных прокладок позволяет повысить коэффициент затухания колебаний стойки и тем самым снизить коэффициент ее динамичности. Наиболее эффективной оказалась резиновая прокладка (тип I), которая увеличивает скорость диссипации колебательной энергии на 70%. Для некоторых типов прокладок эффективным может оказаться расположение элементов армирования под углом 2025⁰, как правило, дальнейшее его увеличение оказывает отрицательное влияние на динамическое поведение конструкции в целом.

Выводы

Экспериментально доказано, что применение демпферных прокладок в уровне базы башенной конструкции позволяет увеличить скорость диссипации ее колебательной энергии до 70%, а также снизить коэффициент динамичности до 40%. Рассматривая данный факт совместно с изменением частоты собственных колебаний сооружения, это может оказаться довольно эффективным способом позволяющим снизить уровень вибрационных воздействий на фундамент и одновременно выполнить частотную отстройку башен ВЭУ от частоты вынужденных колебаний.

Литература

1.Казакевич М.И. Проблемные задачи аэрогидродинамики конструкций // VI-я украинская научно-техническая конференция "Металлические конструкции": Тез. докл. Николаев, 1996. - С. 82-83.

2. Korenev B.G., Dukart A.V., Koreneva E.B. Application of dynamic vibration protection of tower structures // Proc. of ICSS-98. Moscow (Russia). - 1998. - Vol. 2. - pp. 794 - 797.

3. Bachmann H., Wenk T. Softening Instead of Strengthening for Seismic Rehabilitation // Structural Engineering International. Zurich (Switzerland). 2000. Issue. № 1. pp. 6165.

4. Gopalakrishna H.S., Lai M.L. Finite element heat transfer analysis of viscoelastic damper for wind applications // J. Wind Eng. and Ind. Aerodyn. 1998. № 77&78. pp. 283-296.

5. Опорные части в строительстве. Проектирование, расчет, нормы. Эггерт Х., Гроте Ю., Каушке В. Пер с нем. М., «Транспорт», 1978. - 359 с.

6. Горохов Е.В., Назим Я.В., Бакаев С.Н., Турбин С.В., Хорольский М.С. Исследования динамических характеристик опор ВЛ в уровне обреза фундаментов при пульсации ветрового потока // Вестник ДонГАСА. Макеевка. 1999 г. № 99-6 (20). С. 4955.

7. Турбин С.В. Новый тип армирования резиновых опорных частей в условиях одноосного НДС // Вестник ДонГАСА. Макеевка.

8. Пат. 7329 України, МПК: F 16 F 11/00. Пружна опора / Горохов Є.В., Турбін С.В., Бусько М.В., Жабський Ю.В.; ДонНАБА (Україна). № 20041109792; Заяв. 29.11.2004; Опубл. 15.06.2005. Бюл. №6.

9. Пат. 13751 України, МПК: F 16 F 11/00. Пружна опора / Горохов Є.В., Турбін С.В., Бусько М.В., Волков В.М.; ДонНАБА (Україна). № 2005 09958; Заяв. 24.10.2005; Опубл. 17.04.2006. Бюл. №4.

Размещено на Allbest.ru