2. Розрахунок сил, що діють на анкерну опору

В процесі експлуатації оболонка, опори та інші елементи трубопровода відчувають навантаження, виникаючі від діючого статичного тиску води, підвищеного тиску при гідравлічному ударі, власної ваги трубопровода, зміни температур води та повітря, тиску вітру та снігу і т.п.

Розрахунок відкритого трубопроводу виконується для двох сполучень діючих на нього навантажень – основних та особливих (розрахунок на особливе поєднання навантажень проводиться як перевірочний).

При розрахунку анкерної опори усі сили, що діють на неї поділяють:

• Осьові (аксіальні), які діють у напрямку осі;

• Нормальні, які діють по нормалі до осі трубопроводу;

• Вертикальні, які діють у напрямку дії сили тяжіння;

В процесі розрахунку напрям дії осьових, нормальних та вертикальних сил показуємо на рис.2.1.

Рис.2.1 Розрахункова схема навантаження

Осьові зусилля

Осьова складова від дії сили власної ваги оболонки трубопроводу:

, (2.1)

, (2.2)

Де - власна вага оболонки трубопроводу;

- довжина верхньої розрахункової ділянки трубопровода, яка згідно вихідних даних становить =140 м;

- довжина нижньої розрахункової ділянки трубопровода, яка згідно вихідних даних становить =15 м;

- кут нахилу трубопровода до горизонту на верхній ділянці, який згідно вихідних даних становить =30;

- кут нахилу трубопровода до горизонту на нижній ділянці, який згідно вихідних даних становить =30;

- густина сталі, яка становить =7850 кг/м³;

- прискорення вільного падіння, яке становить =9,81 м/с²;

– зовнішній діаметр трубопроводу, який згідно вихідних даних становить =2340 мм;

- найменша товщина оболонки, яка згідно вихідних даних становить =10 мм;

Тоді,

кН;

кН;

Осьова сила внутрішнього тиску води на торцеві кільцеві поверхні сальникового компенсатора:

, (2.3)

, (2.4)

Де - густина води, яка становить =1000 кг/м³;

– гідродинамічний тиск на верхній ділянці трубопровода, який визначається за формулою:

, (2.5)

Де - статичний тиск, який становить =184 м;

– втрати гідродинамічного тиску на верхній ділянці дериваційного трубопроводу, який визначається за формулою:

, (2.6)

Де – загальні максимальні втрати напору у трубопроводі, який визначається за формулою:

, (2.7)

Тоді,

м;

– загальна довжина дериваційного трубопроводу, яка визначається за формулою:

, (2.8)

Де – довжина горизонтальної ділянки дериваційного трубопроводу, яка становить =100 м;

Тоді,

м;

– розрахункова довжина горизонтальної ділянки трубопровода, яка визначається за формулою:

, (2.9)

Тоді,

м;

м;

м;

кН;

– гідродинамічний тиск на нижній ділянці трубопровода, який визначається за формулою:

, (2.10)

Де - втрати гідродинамічного тиску на нижній ділянці дериваційного трубопроводу, який визначається за формулою:

, (2.11)

Де – розрахункова довжина дериваційного трубопроводу, яка визначається за формулою:

, (2.12)

Тоді,

м;

м;

м;

кН;

Осьова сила тертя в сальниковому компенсаторі:

, (2.13)

, (2.14)

Де - коефіцієнт, який враховує перевантаження конструкції водоводу;

– довжина сальникової набивки, яку приймаємо згідно умови >970 мм =120 мм;

- коефіцієнт тертя сальникового компенсатора по оббивці металевої оболонки трубопровода, який приймається в межах =0,3…0,4. Приймаємо =0,3;

Тоді,

кН;

кН;

Осьова сила гідравлічного тертя потоку води по внутрішній поверхні трубопроводу:

, (2.15)

, (2.16)

Де - Умовний внутрішній діаметр трубопроводу, який згідно вихідних даних становить =3300 мм;

- втрати напору по довжині на верхній ділянці трубопроводу, яка визначається за формулою:

, (2.17)

Де - гідравлічний похил, який визначається з формули Шезі:

, (2.18)

Де - витрата трубопроводу, яка становить =250 м³/с;

– площа поперечного перерізу трубопровода, яка визначається за формулою:

, (2.19)

Тоді,

м²;

- гідравлічний радіус, який визначається за формулою:

, (2.20)

Де – змочений периметр, який визначається за формулою:

, (2.21)

Тоді,

м;

м;

– коефіцієнт опору, який визначається за формулою Н.Н. Павловського:

, (2.22)

Де - шорсткість, яка для гладкостінних труб становить =0,011;

Тоді,

м^0,5/с;

;

м;

кН;

- втрати напору по довжині на нижній ділянці трубопроводу, яка визначається за формулою:

, (2.23)

Тоді,

м;

кН;

Осьова сила тертя оболонки трубопровода по проміжним опорам:

, (2.24)

, (2.25)

Де - коефіцієнт, який враховує перевантаження конструкції водоводу;

- вага води у ділянці трубопроводу;

Тоді,

кН;

кН;

Осьова сила тиску води на повороті трубопроводу:

, (2.26)

, (2.27)

Де - гідродинамічний тиск на вході у поворот трубопровода, який визначається за формулою:

, (2.28)

Де – втрати гідродинамічного тиску на вході у поворот трубопровода, які визначається за формулою:

, (2.29)

Де

– довжина трубопровода у верхній ділянці, яка визначається за формулою:

, (2.30)

Де – довжина опори у верхній ділянці, яка становить =4,6 м;

Тоді,

м;

м;

м;

кН;

– гідродинамічний тиск на виході із повороту трубопровода, який визначається за формулою:

, (2.31)

Де - втрати гідродинамічного тиску при виході з повороту трубопровода, які визначається за формулою:

, (2.32)

Де – довжина трубопроводу до початку нижньої ділянки, яка визначається за формулою:

, (2.33)

Де - довжина опори у верхній ділянці, яка становить =3,6 м;

Тоді,

м;

м;

м;

кН;

Осьова складова відцентрової сили на повороті трубопроводу:

, (2.34)

Де - швидкість води у трубопроводі, яка визначається за формулою:

, (2.35)

Тоді

м/с;

– кут, повороту оболонки анкерної опори, який становить =25⁰;

Тоді,

кН;

У нашому випадку діаметри у верхній та нижній ділянках трубопроводу однакові, тому виконується умова: =

Нормальні зусилля:

Нормальні зусилля направлені перпендикулярно до осі трубопроводу і по всій довжині трубопровода між анкерними опорами сприймаються проміжними опорами трубопровода.

В розрахунку анкерної опори нормальні сили розглядаються на ділянці - , на половині відстані між проміжними опорами.

, (2.36)

, (2.37)

Де - нормальне зусилля від власної ваги трубопровода у верхній ділянці;

- нормальне зусилля від власної ваги води у верхній ділянці трубопровода;

Де - нормальне зусилля від власної ваги трубопровода у нижній ділянці;

- нормальне зусилля від власної ваги води у нижній ділянці трубопровода;

- відстань до проміжної опори у верхній ділянці трубопровода, яка складає =24 м;

- відстань до проміжної опори у нижній ділянці трубопровода, яка складає =18 м;

Тоді,

кН;

кН;

Вертикальні зусилля:

Вага анкерної опори, яка визначається за формулою:

, (2.38)

Де - вага бетону анкерної опори, яка визначається за формулою:

, (2.39)

Де - густина бетону, яка становить =2500 кг/м³;

Тоді,

кг;

- об’єм бетону анкерної опори, який становить =420 м³;

Тоді

кН;

Всі раніше розраховані зусилля зводимо у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1. Розрахунок навантаження на анкерну опору

Зусилля		Верхня ділянка	Нижня ділянка
Осьові зусилля, кН
		890	39
		207	-233
		895	-1007
		2094	188
		10230	-1224
		18754	-18864
		1582	-1582
Нормальні зусилля, кН
	1616		1609
Вертикальні зусилля, кН
	10300