Тема 2 «Высотные сооружения» Вопросы:

Тема 2 «Высотные сооружения» Вопросы: 1. Особенности высотных сооружений 2. Башни 3. Мачты 1

1. Особенности высотных сооружений Высотные сооружения – сооружения, высота которых намного превышает размеры поперечного сечения (8 -15 раз). К ним относятся: • Опоры антенных сооружений связи (радио и телевидение); 2

• Опоры воздушных линий электропередач; • Вытяжные башни; 3

• Вентиляционные и дымовые трубы; • Осветительные и метеорологические вышки; 4

• Водонапорные башни; • Монументы большой высоты (памятник победы на Поклонной горе h=140 м) 5

1. 1. Классификация высотных сооружений 1. 1. 1. По расчетно-конструктивной схеме: • Башни – высотные сооружения, ствол которых жестко заделан в основании и работает как консоль; • Мачты – высотные тонкоствольные конструкции, устойчивость положения которых обеспечивается системой оттяжек, раскрепляющих ствол в одном или нескольких уровнях. 1. 1. 2. По конструктивному решению: • Решетчатые – выполняются из профилей хорошо обтекаемого круглого сечения (редко используют уголки или швеллеры); • Сплошные – проектируют в виде круговой цилиндрической оболочки, подкрепленной ребрами жесткости (водонапорные и дымовые трубы). 6

1. 2. Нагрузки и воздействия 1. 2. 1. Виды нагрузок: • Постоянная – наиболее важна при расчете водонапорных башен и шахтных копров буровых вышек (принимается на основе ранее выполненных проектов); • Временная: - длительная (технологическое оборудование, натяжение оттяжек), - кратковременная (атмосферные нагрузки – изменение температуры, ветер, гололед; монтажные); • Особые – сейсмические и аварийные нагрузки (обрыв оттяжек или проводов). 1. 2. 2. Постоянная нагрузка от собственного веса конструкции Определяется по данным аналогичных проектов. Для большинства высотных конструкций напряжение от собственного веса составляет не более 20% от полного напряжения. Значение среднего веса 1 п. м. конструкции на высоте Hi можно определить: для башен qi=0, 5*q*[1+3*(1 -Hi/H)2], для мачт qi=0, 4*q*(4 -3*Hi/H), где q – средний вес 1 п. м. конструкции (определяется по справочнику), H – высота здания. 7

1. 2. 3. Ветровая нагрузка – является доминирующей для большинства высотных сооружений. Ветровая нагрузка зависит: от скоростного напора ветра, от формы и габаритов сооружения, от сечения элемента. По Актуализ. СНи. П «Нагрузки и воздействия» ветровая нагрузка определяется: W=Wm+Wp, где Wm – средняя (статическая) составляющая ветровой нагрузки, Wp – пульсационная (динамическая) составляющая ветровой нагрузки. Нормативное значение среднестатистической составляющей ветровой нагрузки на единицу площади i-того участка определяется: Wmi=W 0*kzi*c, где W 0 – нормативное значение ветрового давления (по табл. 11. 1 актуал. СНи. П), kzi – коэффициент характеризующий изменение скоростного напора по высоте (табл. 11. 2 актуал. СНи. П), с – аэродинамический коэффициент характеризующий взаимодействие ветрового потока с сооружением, значение которого зависит от скорости ветра, формы и размеров обдуваемых поверхностей (п. 11. 1. 7 актуал. СНи. П). 8

1. 2. 4 Нормативное значение пульсационной (динамической) составляющей для сооружений у которых: • f 1>fl -> Wp=Wm*ζ*ν, f 1=2 п/Т – первая частота собственных колебаний, где Т=2 п*√ (m*l 3/3*E*J) – период собственных колебаний сооружения, где m – приведенная к верхней опоре масса сооружения в Н, Е – модуль упругости стали, l – высота сооружения, J – момент инерции сечения. fl – предельное значение частоты собственных колебаний (см. 11. 1. 10 актуализированному СНи. П). ζ – коэффициент пульсации давления ветра на уровне z, принимается по табл. 11. 4 или по форм. 11. 6 для эквивалентной высоты по актуализированному СНи. П; ν – коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра (см. 11. 1. 11 актуализированному СНи. П). • f 1

Направление ветра по отношению к сооружению в плане меняется, поэтому устанавливают наиболее опасное направление ветра. Для башен таким направлением ветра будет: для поясов – направление по диагонали, для решетки – направление по грани. Для удобства выполнения расчета сооружение разбивают на несколько участков (для башен на 7 -15 в зависимости от высоты, для мачт по числу ярусов оттяжек). Нагрузка в пределах каждого участка постоянной интенсивности, геометрические размеры одинаковые. 10

1. 2. 5. Снеговые и пылевые нагрузки. Снеговую нагрузку при расчете площадок высоких решетчатых конструкций учитывают при размерах площадки более 15 м 2. Если площадки частично защищены от ветра оборудованием, то снеговую нагрузку учитывают независимо от размеров площадки, принимая во внимание скопление снега вокруг оборудования. Определение коэффициента μ: • μ=1, 5 при 1, 5<=D<=5; • μ=2 при 5

2. Башни – это высотные сооружения, жестко закрепленные в основании, что достигается анкеровкой ствола к специальному фундаменту. Пространственная сквозная конструкция, образованная из плоских ферм и снабженная диафрагмами. Особенности: 1. Высота больше 20 метров (большое отношение h/b=8÷ 15); 2. Открытое расположение на местности(подвержены атмосферному воздействию, солнечной радиации, ветру, изменению температуры, гололёду); 3. Подвержены коррозии; 4. Необходимость согласования с полетами самолетов. Достоинства: 1. Требуют меньшей площади застройки в сравнении с мачтами; 2. Менее опасны для воздушного транспорта. Недостатки: тяжелее мачт. 12

13

Классификация 1. По очертанию а) призматическая башня используется при небольшой высоте (для осветительных вышек) и большой продольной силе (водонапорные башни). «+» : просты в изготовлении и монтаже; «-» : плохо соответствуют эпюре изгибающих моментов от ветровой нагрузки. б) пирамидальные «+» : лучше соответствуют эпюре изгибающих моментов от ветровой нагрузки; «-» : большое количество типоразмеров элементов. в) с переломом граней по высоте (состоит из призматической и пирамидальной частей) «+» : хорошее соответствие между конфигурацией башни и эпюрой М от ветровой нагрузки; «-» : сложность узлов сопряжения поясов в местах их перелома 14

г) с криволинейным поясом «+» : хорошее соответствие между конфигурацией башни и эпюрой изгибающих моментов; «-» : сложны в конструктивном отношении. 2. По форме поперечного сечения а) трехгранные "+": менее металлоемки, не требуют устройства диафрагмы жесткости, менее чувствительны к осадке фундамента, имеют меньшее число сборных элементов "-": нельзя использовать прокатные уголки и крестовые сечения из них, т. к. грани расположены под углом 60°, усложняются узлы сопряжения элементов, не привлекательность с эстетической точки зрения (при взгляде на такую башню сбоку, параллельно одной из граней, она кажется ассиметричной, а вблизи падающей). 15

б) четырехгранные "+": -эстетичны; можно использовать для изготовления прокатные уголки и крестовые сечения из них "-": более металлоемки, чем трехгранные. в) многогранные (восьмигранные) «-» : большой расход стали, экономичны при большой высоте Экономичны при большой высоте и применяются в вертикальных конструкциях исходя из архитектурных соображений 16

Сечения элементов башни: - для поясов используются: прокатные уголки (для невысоких башен); крестовые сечения (h=200÷ 250 м); трубчатые сечения (h=350÷ 380 м); сплошное сечение (для невысоких башен или антенной части башни); - решетка: для сжатых элементов: круглые трубы или уголки; для растянутых элементов: сплошное круглое сечение, полые трубы или уголки. 17

3. По типу решетки: а) Треугольная б) Треугольная с распорками в) Полураскосная г) Крестовая д) Ромбическая е) Кресторомбическая 18

Конструирование узлов башни 1. Соединение поясов а) заводские соединения поясов только на сварке при одинаковом диаметре труб: -сварка встык на остающемся подкладном кольце -с помощью парных кольцевых накладок при разном диаметре труб: -сварка встык через коническую вставку 19

-с помощью врезного сварного креста в трубу большего диаметра 1 -1 б) монтажные соединения поясов: - фланцевые при диаметре трубы меньше 400 мм и растягивающих усилиях N меньше 2 МН и разница диаметров стыкуемых элементов меньше 50 мм; - сварные на подкладных кольцах (по типу заводских); - встык через врезной крест (по типу заводских); 20

В местах переломов поясов при фланцевом решении узлов сопряжений трубы привают на заводе под некоторым углом к фланцам. При сечении поясов башен из уголков заводские и монтажные стыки на сварке или высокопрочных болтах выполняются с помощью угловых или листовых накладок. 21

Основы расчета башен Башню разбивают по высоте на отдельные участки, в пределах которых конструкции элементов и их сечения приняты одинаковыми: h≤ 50 м – 4 участка; h≤ 100 м – 6 -8 участков; h≤ 200 м – 8 -12 участков; h≤ 400 м – 10 -16 участков; В сечениях башни действуют нормальные усилия, изгибающие моменты и поперечные силы. Расчетные значения поперечных сил и изгибающих моментов находят по соответствующим эпюрам. Продольные силы уточняют на основе подбора сечений вышерасположенных участков с учетом приближенного веса рассчитываемого участка. При определении усилий в поясах принимают направление ветра по диагонали, а для решетки – на грань. В комбинации нагрузок без гололеда рассматривают ветровую нагрузку максимальной интенсивности, а при учете гололеда давление ветра принимают 25% от нормативного значения. 22

Расчет по первой группе предельных состояний. Нормальные усилия в поясах и раскосах можно определить соответственно по формулам: n – количество поясов. Усилия в поясе от момента: , при φ=0 , при φ=п где r – радиус описанной окружности, α – угол между раскосом и вертикалью в плоскости грани, β – то же, между поясом и вертикалью в плоскости грани. 23

Элементы поясов и решетки рассчитывают как центрально-сжатые элементы (при этом незначительный изгиб от местного давления ветра не учитывают). Предельные гибкости : - для поясов λпред=80; - для раскосов и распорок крестового сечения λпред=120; - для раскосов и распорок круглого сечения λпред=80. Площадки проектируют по общим правилам проектирования балочных клеток. В элементах, одновременно входящих в состав башни и площадки (например распорки, на которые опирается настил), нужно учитывать осевые усилия от их работы в составе башни. 24

Расчет по второй группе предельных состояний Деформативность башни в целом оценивают по амплитуде ее колебаний, а распорок решетки, поддерживающих площадки, по стрелке выгиба. Под амплитудой колебаний понимают максимальное горизонтальное перемещение верхней точки башни от полной нормативной ветровой нагрузки, действующей на грань. Перемещение можно определить по формуле Мора: 25

3. Мачты - высотные сооружения, устойчивость которых обеспечивается системой оттяжек. Рея служит для уменьшения провеса оттяжек и для повышения жесткости ствола. Основные элементы: ствол и оттяжки. Ствол выполняется из низколегированной или углеродистой стали. Оттяжки – стальные спиральные канаты или тросы. Оттяжки могут иметь от 1 до 6 ярусов. На каждом ярусе 3 -4 оттяжки. Расстояние между оттяжками ≤ 40 b или ≤ 30 b при трехгранной форме ствола, где b – размер грани ствола в плане. H/b ≈ 60÷ 200, l/b≤ 30÷ 40. 26

Типы сечения ствола мачт: а) трехгранный – наиболее часто используется; при высоте мачт от 50 до 150 м используются круглые трубы; при высоте мачт более 150 м используется круглая сталь для решетки и круглые трубы для поясов; б) четырехгранная – используется реже и имеет 4 оттяжки. в) сплошной ствол для мачт от 200 до 250 м, для таких мачт используется труба, которая имеет диаметр 2400 - 2600 мм с толщиной профиля 10 -16 мм, выполняется из отдельных секций длиной 6 м. 27

Расчет мачт Расчетной схемой ствола мачты является многопролетный сжато- изогнутый стержень на нижней неподвижной и остальных упруго- податливых опорах в местах крепления оттяжек. Ствол имеет значительную гибкость. Расчет ствола производится по деформированной схеме, т. е. с учетом влияния продольных сил на перемещение ствола и влияния изгибающих моментов в стволе. Расчет мачты выполняется в два этапа: 1) предварительный расчет: назначают схему мачты (число ярусов, вант или оттяжек в ярусе), размеры сечения ствола и решетки, сечения оттяжек. Усилия в оттяжке: Tот = Ri/sinα Aот = 1, 2*Tот/k*Ru, где k – коэффициент, который зависит от типа оттяжек, Тнач = 0, 5*Тот. Усилия в стволе: Nст = Gст+Gоб+Tнач*cosα*n, Изгибающий момент в стволе: M = 0, 1*q*l², где q – усредненная равномерно-распределенная нагрузка в пролете ствола. 28

Усилия в стволе: Nст = Gст+Gоб+Tнач*cosα*n, Изгибающий момент в стволе: M = 0, 1*q*l², где q – усредненная равномерно-распределенная нагрузка в пролете ствола. 2) Точный расчет мачты на ЭВМ – производят расчет на устойчивость: составляется система уравнений для прогибов, угловых перемещений, поперечных сил и моментов опорных сечений ствола при отсутствии поперечной нагрузки. Задача заключается в определении наименьшего значения продольных сил при которых система теряет устойчивость. 29