Особливості компонування, конструювання та розрахунки веж і щогл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ

Кафедра інженерних конструкцій

Реферат на тему:

“Особливості компонування, конструювання та розрахунки веж і щогл”

Виконали: Студенти ФБА

Групи ПЦБ-53 Гарбарук Ю.В.,

Гергелюк Г.В., Степанчук В.Ю.

Перевірив: Корнійчук О.І.

PIBHE 2009



Башта

Високі споруди з відносно малим поперечним перерізом і з великим відношенням висоти до найбільшої ширини називаються вежами або щоглами.

Баштавежа являє собою одноконсольну вільно стоячу спорудуспорудження, закладена в основізаснуванні.

Прикладамизразками споруджень баштовоговежа типутипу можуть слугувати водонапірні баштивежі, радіо- і телевізійні баштивежі, опори ліній електропередач, опори радіорелейних ліній і тому подібне.тощо На рис. 1 показана тригранна радіобаштавежа зіз трубтруба-конденсаторів заввишки 202 м.

Рис. 1 Тригранна радіобаштавежа

1-стяжні муфти

Унаслідоквнаслідок великої висоти споруджень баштовоговежа типутипу основним навантаженням, що визначає до деякої міри конструктивну форму спорудиспорудження, є вітрове навантаження (ДБН В.1.2-2:2006).

Вертикальні навантаження грають роль лише в таких спорудах, як водонапірні баштивежі, або в конструкціях щоглового типутипу, на які впливає вертикальна складова від натягуваннянатягу відтяжок.

Граничне розрахункове значення вітрового навантаження визначається за формулою:

,

де - коефіцієнт надійності за граничним розрахунковим значенням вітрового навантаження, визначений за 9.14;

W₀ - характеристичне значення вітрового тиску за 9.6;

С - коефіцієнт, визначений за 9.7.

Характеристичне значення вітрового тиску W₀ дорівнює середній (статичній) складовій тиску вітру на висоті 10 м над поверхнею землі, який може бути перевищений у середньому один раз за 50 років.

Характеристичне значення вітрового тиску W₀ визначається залежно від вітрового району по карті (рис. 9.1) або за додатком Е.

Коефіцієнт С визначається за формулою

С ⁼ С_aer C_h C_alt C_rel C_dir C_d,

де С_aer - аеродинамічний коефіцієнт, що визначається за додатком І залежно від форми споруди або конструктивного елемента і можуть мати вигляд:

C_h - коефіцієнт висоти споруди, що визначається за 9.9;

C_alt - коефіцієнт географічної висоти, що визначається за 9.10;

C_rel - коефіцієнт рельєфу, що визначається за 9.11;

C_dir - коефіцієнт напрямку, що визначається за 9.12;

C_d - коефіцієнт динамічності, що визначається за 9.13.

Високі радіобаштивежі найчастіше мають трикутний або квадратний переріз в плані і пірамідальний контур по висоті.

Ширина бази призначається рівною 1/8--1/15 висоти, нахилсхил граней 1/16--1/40. Внаслідоквнаслідок хорошого протікання вітром і значно меншого аеродинамічного коефіцієнта з трубчастих перерізів в порівнянні з іншими перерізами елементи поясів баштвеж зазвичайзвично виконують зіз трубтруба-конденсаторів зіз привареними на кінцях фланцями; це створює зручний для монтажу болтовий стик. Решітка баштвеж складаються з перехресних розкосів зіз круглої сталі зіз натяжним пристроєм і жорстких розпірок трубчастого перерізу.

Вага радіобаштвеж заввишки 100--200 м складає відповідно біля 2--3 кН/м для тригранних і 4--5 кН/м для чотиригранних баштвеж, виконаних зіз трубтруба-конденсаторів.

Конструкція водонапірних баштвеж складається із стійокстойок, розставлених в плані по кутахкутках квадрату або багатокутника, вписанного в кругколо. Перерізи стійокстойок виконуються зіз двотаврів або швелерів, алета можуть бути і складенимискладовими.

Розрахунок баштвеж виконуєтьсясправляє як решітчастого бруса, закладеного в основізаснуванні. Вертикальне навантаження розподіляється між стійкамистойками (поясами) рівномірно.

Повнецілковите зусилля від вертикальних і горизонтальних навантажень в стійцістойці баштивежі рівне:

.

де - зусилля в стійці від вертикальних навантажень, рівномірно розподілених між п стійками башти, нахиленими до вертикальної осі під кутом а (якщо такий кут є);

-- зусилля в стійцістойці від горизонтальних сил, викликанеспричиняти згинаючим моментом.

В чотиригранній башті найбільше зусилля в поясі виходить, коли горизонтальне (вітрове) навантаження направлене на ребро башти і в роботу на згин включаються лише два пояси (рис. 2, а):

В тригранній башті найбільше зусилля в поясі від горизонтального навантаження рівне (рис. 2, б):

У багатостійковій башті зусилля у стійці перерізом F визначається по згинаючому моменту відносно осі х--х (рис. 2, в) по формулі

,

де екваторіальний момент інерції в симетричних перерізах дорівнює половині полярного моменту інерції:

.

Рис. 2 До розрахунку баштвеж

Площину максимального радіусу інерції перетину стійокстойок зазвичайзвично розташовують по радіусах баштивежі. При розрахунку стійокстойок на стискстиснення за розрахункову довжину їх в площині грані баштивежі приймають відстань між горизонтальними кільцями і вузлами решітки. За розрахункову довжину стійкистойки в радіальному напрямку приймають: для баштвеж зіз чотирма і шістьма стійкамистойками -- відстань між вузлами решітки; при числі стійокстойок 8 і більше -- повнуцілковиту довжину (висоту баштивежі), якщо в горизонтальній площині немає жорстко прикріпленихскріпляти діафрагм, що володіють достатньою жорсткістю у вертикальній площині.

Решітка баштвеж працює на поперечну силу і розраховується в припущенні, що остання сприймається двома площинними вертикальними фермами.

башта щогла інерція конструкція

Щогли. Загальна характеристика

Щогли як спорудження менш металомісткий й більше дешеві в порівнянні з вежами широко застосовуються як опори антенних споруджень зв'язку, особливо при висоті опор більше 150 м.

Щогла складається зі стовбура, що опирається на центральний фундамент, і відтягнень, закріплених в анкерних фундаментах і утримуючому стовбурі у вертикальному положенні. Залежно від радіотехнічних вимог стовбур і відтягнення роблять не ізольованими або ізольованими від землі. У другому випадку балансирну плиту опори стовбура встановлюють на потужні порцелянові ізолятори, а відтягнення обладнають стяжними пристроями з ізоляторами.

Стовбур щогли роблять переважно ґратчастим, призматичної форми, 3 - або 4-гранного обрису. Така конструктивна форма зручна як для виготовлення, так і для монтажу способом нарощування зверху самопіднімальним краном.

В окремих випадках радіотехнічні вимоги повніше задовольняються при суцільностінчатому стовбурі трубчастого перетину.

Ширина грані (або діаметр) стовбура приймається виходячи з умов зручності розміщення й обслуговування технологічного встаткування, з урахуванням транспортабельності окремих елементів.

Для того щоб додати стовбуру необхідну твердість, відстані між сусідніми ярусами кріплення відтягнень приймають не більше 406 - при 4-гранной формі стовбура й не більше 306 - при 3-гранній (b - ширина грані). Місця кріплення відтягнень також погоджують із розміщенням устаткування.

Тригранні щогли розчалюють у кожному ярусі трьома відтягненнями, розташованими в плані під кутом 120° одна до інший, а 4-гранні- у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Стовбур щогли трубчастого перетину може бути розчавлений трьома, чотирма відтягненнями й більше в кожному ярусі. Число відтягнень більше чотирьох застосовують рідко, звичайно у високих щоглах, з метою зниження зусиль у відтягненнях або зменшення деформацій стовбура.

Рис. 3 Секція типової радіощогли із шириною грані стовбура 1,35 м

Відомо, що при дії вітру в напрямку, що збігається з бісектрисою кута між відтягненнями, деформативність щогли виявляється вище, ніж при вітрі на відтягнення: при трьох відтягненнях у плані - в 1,64, при чотирьох - в 1,14 рази, при шести- усього в 1,04 рази. Тому установка чотирьох або шести відтягнень у плані в ряді випадків переважніше, ніж трьох. Кут нахилу відтягнень до обрію звичайно приймають близьким до 45°. Більший ухил, у межах 60°, допускається при закріпленні декількох відтягнень до одного анкерного фундаменту. У високих щоглах для зменшення прогину відтягнень їх підкріплюють реями. Для відтягнень використають сталеві оцинковані канати, що не розкручуються одинарної свивки (при розрахункових зусиллях до 325 кн) або подвійний хрестової свивки з металевим сердечником. До установки канати витягають зусиллям, рівним 60 % розривного, протягом не менш 0,5 ч або трикратним натягом до зазначеного зусилля з відпусткою натягу до нуля. Це забезпечує більше рівномірну роботу всіх дротів, з яких свит канат, підвищує й стабілізує його модуль пружності. Після витяжки модуль пружності сталевих канатів одинарної свивки приймається рівним 1,67-105 Мпа, а для канатів подвійний свивки з металевим сердечником- 1,47-105 Мпа.

Для зручності кріплення до стовбура й фундаменту відтягнення постачають спеціальними анкерними пристроями, що забезпечують надійне закріплення в них кінців сталевих канатів. Найбільш широке застосування одержали анкери склянкового типу, у порожнині яких загнуті кінці дротів заливають легкоплавким цинковим сплавом ЦАМ 9- 1,5Л (ДЕРЖСТАНДАРТ 21437-75 з изм.).

Масове використання щогл як опори антенних споруджень зв'язку привело до необхідності створення типових конструкцій.

Інститутом ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ розроблені типові щогли із ґратчастим стовбуром тригранного обрису із круглих стрижнів- висотою від 45 до 120 м при ширині грані 0,8 м, із труб - висотою від 100 до 250 м при ширині грані 1,35 м (рис. 3) і висотою від 150 до 400 м при ширині грані 2,2 м. Розроблені також типові щогли різної висоти зі стовбуром чотиригранного обрису й зі стовбуром суцільного трубчастого перетину діаметром 1,6 м.

Щогли зі стовбуром з куточків мають гірші в порівнянні із щоглами із труб показники по витраті стали. Застосування куточків і інших прокатних профілів, менш дефіцитних і більше дешевих, чим труби, може виявитися доцільним для щогл порівняно невеликої висоти, що мають більшу навітряну площу встаткування. Так, наприклад, типові щогли радіорелейних ліній мають чотиригранний стовбур з поясами з куточків.

Прикладом щогли із трубчастим стовбуром може служити телевізійна опора висотою 350 м, побудована в 1960 р. у районі Вінниці. Стійкість стовбура діаметром 2,5 м забезпечується круто поставленими відтягненнями, частина яких підкріплена реями.

Найвищої у вітчизняній практиці є щогла висотою 460 м. Її ґратчастий тригранний стовбур із шириною грані 3,6 м підтримується відтягненнями, закріпленими в шести рівнях. За рубежем є щогли, висота яких перевищує 600 м.



Основи розрахунку щогл

Щогли проектують на основі технологічного завдання, у якому вказуються висота щогли, устаткування (маса, розміри, місця установки), граничні переміщення й інші вимоги. Розрахунку передує розробка конструктивної схеми щогли із призначенням форми й основних розмірів її елементів, необхідних для визначення вітрового тиску на щоглу.

При розрахунку допускається розчленовувати щоглу на стовбур і відтягнення. Для визначення зусиль у відтягненнях у першому наближенні розглядають щоглу як систему однопрогонових балок, що шарнірно опираються в місцях кріплення вант і, що перебувають під впливом вітру, що діє в напрямку на одну з відтягнень. При цьому зусилля тяжения в навітряному відтягненні А/т, розташованої під кутом а до вертикалі, може бути визначене по формулі

,

де R - сума реакцій балок в 1-м вузлі; до - коефіцієнт, що враховує зусилля початкового тяжения вант, значення якого при трьох або чотирьох відтягненнях у вузлі приймається рівним 1,2.

При призначенні діаметра каната вважають, що зусилля тяжения не повинне перевищувати половини величини розривного зусилля.

Розміри перетину стовбура щогли визначають по моменті М и поздовжній силі Ы, що обчислюють приблизно:

де g - усереднене значення рівномірно розподіленого тиску вітру на конструкцію й устаткування в розглянутому прольоті стовбура; - сума проекцій зусиль всіх вище розміщеннихх відтягнень на вертикаль; Nс, Noб - зусилля від власної ваги стовбура щогли й устаткування.

Розрахунковою схемою стовбура щогли є пружний багатопрогоновий стрижень, що опирається на нижню незміщати опору, що, і підтримуваний системою відтягнень, службовців пружнопідатливими опорами в крапках їхнього кріплення до стовбура. Ступінь пружності цих опор залежить від геометричних і фізичних характеристик вант, твердості стовбура, а також від діючих на спорудження навантажень, у тому числі від інтенсивності початкового (монтажного) натягу відтягнень. Вертикальні навантаження, що діють на щоглу, можуть бути прикладені з ексцентриситетом стосовно осі стовбура (наприклад, вага встаткування), а горизонтальна (вітрова) навантаження може діяти під різними кутами стосовно напрямку відтягнень у плані, при цьому рівнодіюча її може й не перетинати вісь стовбура щогли. Ці фактори враховують при остаточному розрахунку. Невідомими в цій багаторазово статично невизначеній системі є зусилля.

У загальному випадку для визначення невідомих використаються: 2/г рівнянь статики, що встановлюють рівновагу вузлів по координатах х и в; тп рівнянь спільності деформацій крапок кріплення відтягнень до стовбура; 2п рівнянь нерозривності пружної лінії стовбура (п - число ярусів; т - число відтягнень у кожному ярусі).

У випадку, коли рівнодіюча горизонтальних сил проходить у площині симетрії розташування відтягнень, число невідомих істотно зменшується й при жорстко закріпленому до фундаменту стовбурі визначається вираженням mn/2+2n, якщо число відтягнень парне, або mn/2+5n/2, якщо це число непарне. При шарнірному кріпленні стовбура до фундаменту число невідомих на одне менше, ніж при твердому.

При розрахунку щогли користуються різними способами. Найбільш загальним, але й найбільш трудомістким є спосіб початкових натягів вант, що дозволяє розглядати будь-який напрямок вітру на щоглу. Цей спосіб полягає в тім, що спочатку задають тип, діаметри відтягнень, зусилля їхнього початкового натягу. Вирішуючи рівняння нерозривності деформацій і рівноваги сил у вузлах кріплення відтягнень, визначають опорні моменти й зсуви оттяжечных вузлів. Змінюючи площі перетину відтягнень Ао1 і зусилля початкового натягу в них Ы0ь використовуючи метод послідовних наближень, проводять оптимізацію, домагаючись у першу чергу вирівнювання пролітних і опорних моментів.

Трохи менш трудомістким є спосіб заданих епюр моментів, що полягає в тім, що для стовбура щогли задаються эпюрой моментів і відповідно до неї послідовно визначають прогини й опорні реакції у вузлах кріплення вант, зусилля у відтягненнях при розрахункових навантаженнях і в монтажному стані.

Існують і інші способи розрахунку, однак всі вони досить трудомісткі. Наявність програм, розроблених для розрахунку щогл на ЕОМ (наприклад, програма SUD в інституті Цниипроектстальконструкция), дозволяє проводити оптимізацію конструктивного рішення в значно більше короткі строки.

Оптимізація може проводитися шляхом варіювання таких параметрів як площі перетину відтягнень і зусилля їх попереднього (монтажного) натягу, відстані між вузлами кріплення відтягнень, кути нахилу відтягнень, а також форма й розміри елементів стовбура, від яких залежить вітровий тиск на окремих ділянках.

Епюра поперечних сил будується відповідно до епюри моментів. Поздовжні сили визначаються для кожної ділянки шляхом підсумовування зусиль від ваги всіх вышерасположенных конструкцій і встаткування, а також вертикальних складових тяжения вант, що кріпиться вище розглянутого перетини.

Перевірка прийнятого діаметра каната проводиться у формі порівняння максимального зусилля у відтягненні з несучою здатністю каната:

,

де Аo - площа перетину відтягнення; Nр - розривне зусилля каната в цілому, ун - коефіцієнт надійності, прийнятий рівним 1,6; в0 - коефіцієнт умов роботи відтягнення, рівний 0,8 (при числі відтягнень у ярусі не більше п'яти); увт - коефіцієнт закріплення каната у втулці, рівний 0,95.

Напруги, що виникають у відтягненнях див при дії розрахункових навантажень на щоглу, визначаються шляхом рішення системи рівнянь нерозривності деформацій відтягнень при зсуві оттяжечного вузла й рівняння рівноваги сил, що діють у вузлі кріплення відтягнень.

По знайдених зусиллях М, N і Q перевіряють міцність і стійкість елементів стовбура щогли, роблять розрахунок з'єднань.

Загальна втрата стійкості найбільш імовірна при дії зусиль від власної ваги, зледеніння, зниження температури й зрадіння натягу відтягнень у напрямку, що не збігається із площиною дії вітру. При трьох відтягненнях у плані більше ймовірна втрата стійкості при вітрі на відтягнення, коли натяг у бічних відтягненнях ослаблено.

Вітрову й снігове навантаження допускається приймати рівномірно розподіленими зі значеннями, що відповідають оцінкам: для стовбура щогли - середини кожного з ділянок, для відтягнень - двох третин висоти їхнього підвісу. Зосереджені сили в прольоті відтягнень від ізоляторів, вітровий і снігове навантажень на них допускається приймати як рівномірно розподілене навантаження, еквівалентну дійсної за значенням балкового моменту.

При перевірці стійкості щогли в цілому розрахункове зусилля в стовбурі повинне бути в 1,3 рази менше критичної сили.



Основи конструювання й розрахунку елементів щогл

При проектуванні стовбур щогли розбивають на секції опорну, оттяжечные й проміжні. Розмір секцій, повністю виготовлених на заводі (відправних марок), визначається в основному умовами транспортування. Оттяжечные секції відрізняються від проміжних наявністю деталей для кріплення відтягнень. Опорна секція конструюється залежно від способу обпирання щогли (шарнірне або тверде закріплення). Секції з'єднують, як правило, на болтах. Монтажне зварювання застосовують у щоглах зі стовбуром суцільного перетину, а також в. ґратчастих щоглах з поясами з куточків. У з'єднаннях фланцевого типу (рис. 4), які особливо широко застосовуються в щоглах з поясами із труб, рекомендується застосовувати високоміцні болти.

Число болтів п при прийнятому їхньому діаметрі визначають розрахунком:

,

де Np - розрахункове зусилля розтягання в поясі стовбура щогли;

R - розрахунковий опір розтяганню високоміцного болта, рівне 0,7 0;

Лнт - площа перетину болта нетто;

у- коефіцієнт умов роботи; в6- коефіцієнт умов роботи болтового з'єднання.

Товщину фланця, що працює на вигин, визначають по формулі

,



Таблиця 1

Значення коефіцієнта , МПа

r1,/r	r2/r,	t/tст= з при r/tст	t/tст=5 при г/*ст	t/tСт==7 при г/(ст
		5 10	15	5 10 1 15	5 10 15
1,2	1,2 1,3 1,4	930 985 1084	1136 1170 1294	1238 1278 1434	540 615 675	589 662 734	625 692 766	465 538 610	481 555 619	496 576 638
1,6	1,2 1,3 1,4	416 439 453	479 508 526	524 547 471	283 304 322	299 321 338	313 333 351	257 278 295	263 284 301	269 289 307
2	1,2 1,3 1,4	391 458 535	497 627 780	587 786 1093	230 247 262	246 268 284	260 284 306	205 218 229	211 224 237	216 230 247

Рис. 4 До розрахунку з'єднання фланцевого типу



Таблиця 2

Значення коефіцієнта а

t/tcm	R1/r
	1,2	1.6 2,0
3 4	0,02 0,01	0,05 0,02	0,07 0,03

Витрата стали на фланці досить великий. Зниження його може бути досягнуто вибором оптимальних розмірів t/tcm (при заданих t і tcm). З табл. 1 видно, що товщина t фланця багато в чому залежить від відношення R1/r. З метою зменшення t це відношення варто приймати мінімальним, для чого треба використати болти щодо малих діаметрів.

Болти розміщають на рівних відстанях по окружності можливо меншого радіуса Си прийнятого конструктивно, з урахуванням розмірів шайб під болти за ДСТ 22355-77 і катета кутового шва, що кріпить фланець до труби.

Фланець кріплять до труби двома кутовими швами загальною довжиною. Розмір катета шва кш визначають із розрахунку на дію стискального зусилля в поясі Мсж:

і перевіряють на дію розтяжного зусилля в поясі з урахуванням моменту М = аыр від пружного защемлення фланця в трубі:

де а - коефіцієнт, обумовлений по табл.

Відтягнення кріпиться до стовбура щогли за допомогою валика 5 з високоміцної сталі, що з'єднує втулку 6 (у якій закріплений канат) з фасонкой оттяжечного вузла 3. При конструюванні цього вузла треба прагнути до мінімальної відстані між лінією дії зусилля N і центром ваги площі перетину зварених швів, що кріплять фасонку 3 і горизонтальні ребра 2 до пояса стовбура щогли.

Міцність звареного з'єднання при обліку моменту М=Ncos ae перевіряють по формулах:

де , i -площі розрахункових перетинів відповідно по металі шва й по металі границі сплавки й моменти інерції цих площ відносно осі х; а - кут нахилу відтягнення до горизонталі; утах - відстань від осі х до найбільш вилученої крапки шва: верхньої - якщо лінія дії зусилля N проходить вище центра ваги площі перетину швів; нижньої - якщо нижче центра ваги.

Для збільшення площі зминання до фасонке із двох сторін приварюють кільцеві накладки 4, сумарна товщина яких визначається умовою.. Розрахунок швів, що кріплять кожну накладку до фасонке 3, виробляється на зусилля.

Рис. 26.11 Вузол кріплення відтягнення до трубчастого пояса стовбура щогли

а - конструкція вузла; б-обрису зварених швів, що кріплять фасонку й ребра до труби

Фасонка повинна бути перевірена на зріз і розтягання (розрив) по площині можливого руйнування.

У нижній частині кожне відтягнення забезпечується натяжним пристроєм, що служить для регулювання натягу її при монтажі й у процесі експлуатації щогли. Натяжний пристрій кріпиться до анкерних тяжам, прикріпленим до фундаменту через гнучку вставку довжиною не менш 20 діаметрів каната.

З метою боротьби з вібрацією на відтягненнях установлюють виброгасители.



Список літератури

1. ДБН В.1.2-2:2006 ”Навантаження і впливи” Київ МІНБУД Україна 2006.

2. Муханов К,К, Металлические конструкции. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1976. 504 с.

3. Е.И.Беленя и Н.Н.Стрелецкий, Металические конструкции: Спец. Курс. Учеб. М54 пособие для вузов, 2-е узд.,перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1982.-472 с.

Размещено на Allbest.ru

...