КЛ Спец констр МК
.pdf
РОЗДІЛ 4. СПЕЦІАЛЬНІ ВИСОТНІ СПОРУДИ
(автор к.т.н., доц. Губанов В.В.)
1. Загальна характеристика
Висотними називають споруди, висота яких набагато перевищує їхні розміри в плані. За характером статичної роботи вони можуть бути розділені на башти, які працюють
як консолі, закладені в основі, і на щогли, що являють собою стовбур, підтримуваним відтяжками і працюючий як балка на пружних опорах.
За конструктивним рішенням висотні споруди можуть бути гратчастими і суцільними. Гратчасті (крізні) споруди виконують з профілів добре обтічного круглого перетину, рідше використовують кути, швелери, зварні хрестоподібні профілі. Суцільні споруди, як правило, проектують у вигляді кругової циліндричної оболонки, підкріпленої ребрами жорсткості.
Типи висотних споруд:
–витяжні башти;
–димарі;
–градирні;
–бурові вишки;
–освітлювальні опори;
–водонапірні башти і ін. 1.1. Навантаження і впливи
Власну вагу конструкції визначають за даними аналогічних проектів. Для більшості
конструкцій вплив власної ваги на напруження не перевищує 20 %.
Вітрове навантаження.
Напрям вітру – розрахунковим напрямом вітру для поясів є напрям на діагональ, а для грат – на грань, при цьому вітрове навантаження по всій висоті споруди має максимальне значення.
Для зручності виконання розрахунків споруду розбивають на декілька ділянок (для башт звичайно 7...15), приймаючи в межах кожної ділянки навантаження постійної інтенсивності, а геометричні розміри однаковими. Величину навантаження визначають відповідно до вимог норм проектування. Розрахунок висотних споруд виконують з урахуванням складової вітрового навантаження пульсації, яке залежить від періоду власних коливань.
Частоти і форми коливань визначають за правилами будівельної механіки. Приблизно період власних коливань башти за першою формою можна визначити за формулі
де у2і – ординати пружної лінії консольного стержню від дії одиничної поперечної сили, прикладеної на вільному кінці.
Облік зональної дії вітру – виконується для елементів – розкосів і розпірок, для яких максимальні напруги виникають при спаді вітрового тиску в окремих зонах по висоті.
61
Для обліку зональної дії вітру епюру вітрового навантаження вище перетини, в якому знаходиться розрахунковий елемент, представляють у вигляді двох ділянок. На одній з ділянок епюра зберігає своє максимальне значення, на іншому може бути прийнята зменшеною (рис. 1), при цьому слід розглядати обидві можливі схеми спаду вітрового навантаження. Рівень розділу епюри на зони визначається положенням точки сходу поясів.
Рис. 1. Зональна дія вітру: а, б — розрахункові схеми для визначення зусиль в розкосах і розпірках; в — схема максимального вітрового навантаження; г, д — схеми спаду вітрового навантаження.
Снігове навантаження при розрахунку площадок високих гратчастих конструкцій ураховують при розмірах площадки більше 15 м2. Якщо майданчики частково захищені від прямої дії вітру устаткуванням, то слід ураховувати снігове навантаження незалежно від розмірів площадки, ураховуючи скупчення снігу навколо устаткування. Нормативне снігове навантаження на 1 м2 площі площадки визначають як ідля будівель по СНіП 2.01.07–85. Наявність технологічного устаткування приводить до утворення «снігових мішків» і збільшення розрахункового снігового навантаження.
Навантаження від пилових відкладень ураховують, якщо не передбачені спеціальні заходи щодо їхнього видалення. Величину пилового навантаження визначають за технологічним завданням, а схему прикладання – аналогічно сніговим навантаженням.
Нормативне значення ожеледного навантаження визначають відповідно до вимог норм проектування (СНіП 2.01.07–85). Коефіцієнт надійності по навантаженню для ожеледного навантаження приймають рівним 1,3. Тиск вітру на покриті ожеледдю поверхні приймають рівним 25 % нормативного значення.
2. Витяжні башти
Витяжні башти (труби) відводять газові і газоповітряні суміші, малої агресивності, з
вогкістю більше 80 % при невисокій температурі (до 180 ), які пройшли очищення. Витяжна башта складається з несучої гратчастої конструкції і одного або декількох
газовідвідних стовбурів(мал. 2). Витяжна башта може бути використана як димар, що стає ефективним при висоті більше 120...150 м.
62
с одним газовідвідним |
с трьома |
багатогранна башта |
стовбуром |
газовідвідними стовбурами |
|
|
Рис. 2. Витяжні башти |
|
Конструктивні схеми башт. Габаритні розміри несучої башти визначаються за діаметром і висотою газовідвідного стовбураю. Башти можна класифікувати: за кількістю граней — трьох-, чотирьох- і багатогранні; за конфігурацією — без переломів граней по висоті і з переломами граней; по схемою грат — з трикутною, ромбічною, хрестовою і іншими гратами.
Найбільше розповсюдження отримали чотиригранні башти. Тригранні башти менш металоємні, не вимагають улаштування діафрагм для забезпечення незмінності контуру, менш чутливі до осідань фундаментів, проте, розташування граней в плані під кутом 60‘ ускладнює вузли спряження елементів. Основні конструктивні елементи чотиригранної башти з ромбічними гратами показані на рис. 3. Незмінність контуру поперечного перерізу башт забезпечують за допомогою діафрагм, які розміщують по висоті башти на відстанях які, в 1,5...2,5 разу перевищують ширину грані башти.
63
Рис. 3. Конструктивні елементи башти: 1 — пояси; 2 — розкоси; 3 — додаткова розпірка; 4 — розпірки; 5—зв’язки; б—шпренгель.
Конфігурація башти. ( рис. 4):
–призматичні башти – застосовують при невеликій висоті
–пірамідальні башти – контур башти повторює епюру моментів від вітру, проте мала повторюваність елементів приводить до великої кількостітипоразмірів елементів;
Рис. 4. Силуети башт
64
– башти з переломами граней по висоті (в, г) складаються з призматичної і пірамідальних частин. Вузли спряження поясів в місцях їхнього перелому складні за конструкцією і трудомісткі у виготовленні. Звичайно передбачають 1–2 переломи.
Схеми грат (рис. 5). З’єднальні грати забезпечують спільну роботу поясів, сприймаючи зсув від поперечної сили.
Трикутні грати найбільш прості в конструктивному відношенні і не чутливі до обтискання віток. Їх основний недолік — велика вільна довжина пояса в межах панелі
Трикутні з розпірками грати у порівнянні з трикутними мають в двічі меншу вільну довжину пояса, що дозволяє застосовувати її при великих висотах башти і розмірах поперечного перерізу.
Хрестові грати у порівнянні з трикутними з розпірками мають вдвічі більше розкосів, але на відміну від останньої дозволяють ураховувати в роботі тільки розтягнені розкоси, виводячи з роботи стислі, тобто при одному напрямку вітру вводять в роботу одні розкоси (висхідні до цього напрямку), а при протилежному – інші.
Ромбічні грати являються геометрично змінними, що вимагає установки додаткових розпірок.
Рис. 5. Схеми грат: а – трикутна; б – трикутна з розпірками; в – напіврозкісна; г – хрестова; д– ромбічна.
Діафрагми забезпечують поперечну жорсткість башти в горизонтальних площинах, зберігаючи незмінним її контур. Схема діафрагми залежить від поперечних розмірів башти в даному перерізі, її звичайно формують за принципом «матрьошки». Діафрагми використовуються також для розміщення площадок.
Типи перерізів елементів башти. Вітрове навантаження вносить найбільший внесок в напруження в елементах башт, тому їхня конструктивна форма повинна бути визначена з
урахуванням максимального зниження вітрових дій. Найбільш поширеними типами перерізів елементів башти є круглі профілі з труб, разом з якими застосовують також хрестові з кутів або коробчасті профілі.
65
Рис. 7. Вузли сполучення грат з поясами
Вузли перетину елементів грат відрізняються різноманіттям конструктивних рішень, оскільки в них можуть зходитися розкоси, розпірки, елементи діафрагм і площадок.
Опорні вузли башт. Через опорний вузол на фундамент передаються нормальна і поперечна сили. Залежно від напряму вітру нормальна сила може бути стискальною або розтягувальлною. Стискальна сила передається через опорну плиту, розтягувальна– через анкерні болти.
Газовідвідний стовбур передає на несучу башту вертикальні і горизонтальні сили. Схеми спирання стовбура на башту передбачають роздільну передачу вертикальних і горизонтальних сил із збереженням свободи його вертикальних переміщень при змінах температури газів, що відводяться. Горизонтальні сили виникають від вітрового натиску і при сейсмічних явищах. На несучу башту ці сили передаються в місцях розташування діафрагм.
Вертикальні сили виникають від ваги стовбура, теплоізоляції, корозійного захисту, а також від ваги конденсату, пилу і інших відкладень на його стінах. Ці сили бажано передавати на окремий фундамент, не пов'язаний з фундаментами несучої башти (рис. 8).
Рис. 8. Схеми опирання газовідвідного стовбура
66
Види опирання:
–стовбур спирається на кожну діафрагму з передачею на башту як вертикальних, так і горизонтальних впливів. Температурні переміщення погашаються компенсаторами поблизу вузла опирання на башту стовбура;
–стовбур цілком спирається на окремий фундамент і передає на нього вертикальні сили. Горизонтальні сили передаються на башту в площинах діафрагм (рис. 10);
–газовідвідний стовбур спирається на башту за допомогою тяжів (рис. 9).
Рис. 9. Опирання газоотвідвідного стовбура на тяжах
Рис. 10. Ковзаючі опори стовбура
На період монтажу і ремонтів газовідвідних стовбурів, передбачають можливість їхньої підвіски до верхньої діафрагми.
Газовідвідний стовбур, що газовідводить, виробляють з металу (сталі, алюмінію і його сплавів, титану), конструкційних пластмас (склопластику, текстофаолиту і ін.), деревини. Вибір матеріалу залежить від складу, температури і вогкості газоповітряних сумішей.
67
Рис. 11. Схема компенсатора
Компенсатори газовідвідного стовбура передбачають при спиранні стовбура на кожну секцію з сумістною передачею вертикальних і горизонтальних сил. Компенсатор забезпечує гнучкий зв'язок між окремими ділянками стовбура і можливість їх деформуватися самостійно.
Розрахунок конструкцій.
Башту розбивають по висоті на окремі ділянки, в межах яких конструкції елементів і їхнього перерізу прийняті однаковими. При висоті башти до 50 м рекомендується призначати 4...5 ділянок, при висоті 100 м — б... 8, при висоті 200 м – 8... 12. Для збору вітрового навантаження перерізи заздалегідь приймаються за аналогічними проектами.
Визначення зусиль в елементах башти. В перерізах башти діють нормальні зусилля, згинальні моменти і поперечні сили. Кожний з цих силових чинників приводить до появи в елементах башти зусиль, які є переважаючими, але не єдиними. Окрім них виникають зусилля від місцевих навантажень на площаках і повторні зусилля від обтискання віток.
Перевірка несучої здатності елементів башти. Елементи поясів і грат розраховують як самостійні центрально стиснуті стрижні. Граничні гнучкості елементів башти мають менше значення, ніж для інших гратчастих конструкцій.
Площадки розраховують за загальними правилами проектування балочних кліток. В елементах, що одночасно входять до складу башти і площадки потрібно ураховувати осьові зусилля від їхньої роботи у складі башти.
Якщо прийняті в результаті розрахунку площі перерізів елементів відрізняються від спочатку заданих, то розрахунок повторюють.
Розрахунок по другій групі граничних станів. Деформативність башти в цілому оцінюють за амплітудою її коливань, а розпірок грат, що підтримують площадки – за стрілкою прогинання.
Під амплітудою коливань розуміють максимальне горизонтальне переміщення верхньої точки башти від повного нормативного вітрового навантаження, яке діє на грань. Гранично допустиме переміщення для башт звичайно приймають рівним H/100.
Прогинання розпірки, яка працює на вигин, обмежують величиною 1/400. Газовідвідний стовбур представляє собою тонку циліндричну оболонку. Розрахунок
виконується, як і для кожуха труби. Розрахунок включає перевірку:
–основних меридіональних напружень від ваги і вигину від вітру по стикових зварних швах оболонки;
–кільцевих напружень від локальної дії вітру;
–приведених напружень;
–загальної стійкості оболонки. Для підвищення стійкості стовбур підкріплюють кільцевими ребрами;
–місцевої стійкості в місцях впливу зосереджених сил від упорів.
3. Димарі
Труби відводять і викидають в атмосферу газоповітряні суміші, що містять сажу, золу, пил і продукти окислення сировини, що переробляється. Вогкість сумішей не більше 60 %, температура 100...500‘С.
68
Конструктивні особливості. Діаметр димарів і її висоту визначають теплотехнічним розрахунком з урахуванням екологічних вимог.
Типи труб:
1.Вільно стоячі труби мають змінний переріз: нижня частина – конічна, верхня – циліндрична:
висота 10…120 м діаметр стовбура 0,3… 4 м. товщина стін – 6…18 мм
2.Труби на відтяжках роблять циліндричними, використовують при малих діаметрах і великих висотах: діаметр змінюється від 30 до 70 см, товщина стін – 4…8 мм.
Труби виготовляють з листів секціями довжиною 4,5...8 м. З'єднання секцій:
– фланцеве з'єднання;
– через кільце жорсткості;
– з'єднання секцій встик з одностороннім обробленням нижніх кромок кожної секції.
Для захисту внутрішньої сторони оболонки (кожуха) труби від корозії під дією димових газів і теплоізоляції газів від зовнішнього повітря влаштовують футеровку з вогнетривкої цеглини (шамота). Товщина футеровки залежить від температури димових газів. Для опирання футеровки
ізабезпечення жорсткості до оболонки труби
приварюють кільця з листової сталі (рис. 13).
Рис. 12. Типи димарів
Рис. 13. Вузли димарів.
Окрім кожуха до складу конструкцій труби входять:
–оголовок труби (рис. 14, а);
–база труби (рис. 14, би);
–круговий (світлофорна) площадка поблизу верха труби;
–сходи для підйому на трубу.
69
Рис. 14. Конструктивне оформлення димарів
Порядок розрахунку димаря:
Трубу розбивають по висоті на ділянки завдовжки 10...20 м. Для кожної ділянки збирається навантаження, визначаються внутрішні зусилля внизу ділянки і виконуються перевірки міцності оболонки. Розрахункова схема труби уявлена на мал. 15.
1. Збір навантажень:
–власна вага кожуха, футеровки;
–горизонтальні сили (вітер, сейсмічні дії). Вітрове навантаження включає середню і складові пульсації
а) розбиття на ділянки |
б) форма коливань |
Рис. 15. Розрахункова схема труби
2. Визначення подовжніх сил і моментів по ділянках. Розрахунковий момент дорівнює сумі моменту від вітру плюс моменти від власної ваги, виникаючі при крені і пружному прогинанні осі труби від вітру.
70