10 Расчет опор колонных аппаратов на ветровую нагрузку и сейсмическое воздействие

ГОСТ 25757-81 [9] устанавливает метод определения расчетных усилий, возникающих в элементах аппаратов колонного типа постоянного и переменного сечения по высоте от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий.

Сочетание нагрузок при различном состоянии аппаратов колонного типа (монтаж испытание, эксплуатация) - по ГОСТ 14249-80.

Область применения расчетных формул.

Расчету на ветровую нагрузку подлежат все колонные аппараты, устанавливаемые на открытой площадке, если их высота Н>10 м при Н≥1,5D_min , а также если Н< 10 м, но H > D_min , где D_min — наименьший из наружных диаметров аппарата. Расчет проводится отдельно на рабочие условия, условия испытания и условия монтажа.

Расчетная схема аппарата принимается в виде консольного упругого защемленного стержня (рисунок 10.1).

Аппарат по высоте H разбивают на z участков.

а — схема аппарата; б — схема ветровых нагрузок; в — эпюра изгибающих моментов от сейсмических воздействий

Рисунок 10.1 - Расчетная схема колонного аппарата при определении ветровых нагрузок и сейсмических воздействий.

При этом и во всех случаях высота участка м (рисунок 10.1,б).

Силу тяжести каждого участка принимают сосредоточенной в середине участка.

Ветровую нагрузку, действующую по высоте аппарата, заменяют сосредоточенными силами Q₁ действующими в горизонтальном направлении и приложенными в серединах участков.

Сейсмические силы прикладываются также горизонтально в серединах участков.

Определение периода собственных колебаний.

Период основного тона собственных колебаний аппарата постоянного сечения с приблизительно равномерно распределенной по высоте массой, с

Здесь J— момент инерции верхней части основного металлического сечения аппарата относительно центральной оси, м⁴;

J_F — минимальный момент инерции площади подошвы фундамента, м⁴;

С_F — коэффициент неравномерности сжатия грунта, Н/м³, определяемый по данным инженерной геологии (при отсутствии таких данных С_F выбирают по табл. 11);

T₀ — величина, определяемая по формуле:

где m — общая масса аппарата.

Таблица 11-Коэффициент неравномерности сжатия грунта

Грунт	Коэффициент неравномерности сжатия грунта, МН/м3
Слабые грунты (материалы и шлам в пластичном состоянии, пылевой песок в состоянии средней плотности)	60
Грунты средней плотности (материалы и шлам на границе течения, песок средней плотности)	60 - 100
Плотные грунты (твердый глинистый шлам, гравий и гравийный песок, плотный лес)	100 - 200
Скальные грунты	200
Примечание. Данные, приведенные в таблице 1, относятся к опорной площадке более 10 м2. При меньшей площади значения, указанные в табл.1, необходимо умножить на 3.2/FF , где FF - площадь бетонного фундамента, м2.

При отсутствии данных о фундаменте в первом приближении допускается принимать .

Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного сечения (по диаметру и толщине стенки корпуса), с

Здесь — момент инерции площади поперечного сечения части аппарата диаметром D₁ и высотой H₁ (см. рисунок 10.1,а);

— относительное перемещение центров тяжести участков, 1/(Н•м)

где — коэффициент, определяемый по рисунку 10.2;

Рисунок 10.2 - График для определения коэффициента

расстояние от поверхности земли до центра тяжести рассматриваемого i-го участка (см. рисунок 10,1,б). Коэффициент , определяют по следующей формуле:

где H₁, H₂, H₃, J₁, J₃ —высоты и моменты инерции площади поперечного сечения частей аппарата (см. рис. 10.1,а);

— коэффициенты, определяемые по рисунку 10.3 или вычисляемые по формулам:

Для аппаратов с двумя переменными жесткостями J₁ и J₂ в формулах следует принимать H₃ = 0, то же при определении коэффициентов по рисунку 10.3.

Рисунок 10.3 - Графики для определения коэффициентов

Рисунок 10.4 - График для определения коэффициента

Общий период колебаний для групп аппаратов, установленных на общем фундаменте и жестко связанных в горизонтальном направлении площадками для обслуживания, с

где G_n — вес n-го аппарата;

H_n — высота n-гo аппарата;

N— число аппаратов.

Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки в расчетном сечении аппарата на высоте x₀ от поверхности земли (см. рисунок 10.1,б)

где n – число участков аппарата над расчетным сечением;

m— число площадок над расчетным сечением аппарата;

—изгибающий момент от действия ветра на j-ю обслуживающую площадку, расположенную на высоте x₀, Н•м.

Ветровая нагрузка на i-м участке аппарата

где , — статическая и динамическая составляющие ветровой нагрузки на i-м участке:

Здесь — наружный диаметр i-гo участка аппарата (если имеется изоляция, то наружный диаметр изоляции);

— нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки на середине i-го участка, Па.

где q₀ — нормативный скоростной напор ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (табл. 12);

— коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора ветра по высоте аппарата (рисунок 10.4);

К — аэродинамический коэффициент (табл. 13).

На рисунке 10.5 приведена карта стран СНГ с указанием границ географических районов для определения скоростных напоров и сейсмическихрайонов.

Таблица 12 Нормативный скоростной напор ветра

Районирование территории СНГ по скоростным напорам ветра	1	2	3	4	5	6	7
Cкоростной напор ветра q0, Па (кгс/м2)	270 (27)	350 (35)	450 (45)	550 (55)	700 (70)	850 (85)	1000 (100)

Примечание: Район установки аппарата определяет заказчик в техническом задании.

Круговой цилиндр	Площадка* (общая площадь)	Площадка** (отдельный профиль)

граница географического района; О —города; 11111 — граница сейсмического района.

Рисунок 10.5 - Карта СНГ с указанием географических районов для определения скоростных напоров ветра (римскими цифрами указаны географические районы)

Таблица 14 Коэффициент ν пульсации скорости ветра

	Высота аппарата Н, м
	До 45	60	120
0,05 0,1 0,2	0,7 - -	0,65 0,75 -	0,6 0,65 0,75

Примечание. Промежуточные значения коэффициента в таблицах определяют линейной интерполяцией.

Рисунок 10.6 - График для определения коэффициента динамичности 𝝃

Рисунок 10.7 - График для определения коэффициентов пульсации

V —коэффициент, учитывающий пульсацию скорости ветра, определяемый по табл. 14 в зависимости от безразмерного параметра

𝝃—коэффициент динамичности при ветровой нагрузке, определяемый в зависимости от безразмерного параметра по рисунку 10.5;

— приведенное относительное ускорение центра тяжести i-го участка,

где - относительные перемещения центра тяжести i-го и k-го участков при основном тоне колебаний;

— сила тяжести k-гo участка;

— коэффициент пульсации скоростного напора ветра для середины k-гo участка, принимаемый по рисунку 10.6.

Изгибающий момент в расчетном сечении аппарата (на высоте x₀ — см. рисунок 10.1,б) от действия ветра на j-ю площадку для обслуживания рассчитывается по формуле:

где — коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора ветра по высоте аппарата (см. рисунок 10.4);

— коэффициент пульсации (см. рисунок 10.6);

— коэффициент определяемый по рисунку 10.7;

— сумма площадок проекций профилей j-й площадки на вертикальную плоскость.

При отсутствии данных о форме площадки для обслуживания аппарата изгибающий момент определяют по формуле:

где — площадь проекции участка аппарата в месте расположения площадки, включая последнюю, на вертикальную плоскость.

Определение расчетных усилий от сейсмических воздействий.

Расчету на сейсмические воздействия подлежат все вертикальные аппараты, устанавливаемые в районах с сейсмичностью не менее 7 баллов (по 12-балльной шкале), независимо от того, находятся они в помещении или на открытой площадке.

_{Таблица 15 Сейсмический коэффициент Кs}

Расчетная сейсмичность, баллы	7	8	9
Значение сейсмического коэффициента для средних грунтов	0.25	0.050	0.100

Рисунок 10.8 - График для определения коэффициента

Рисунок 10.9 - График для определения коэффициента динамичности

Рисунок 10.10 - График для определения коэффициента

Расчетную сейсмическую силу в середине i-го участка для первой формы колебаний аппарата определяют по формуле:

где — сейсмический коэффициент (табл. 20);

— коэффициент динамичности при сейсмической нагрузке (рисунок 10.9);

— коэффициенты.

Максимальный изгибающий момент от сейсмических воздействий в нижнем сечении аппарата при учете только первой формы колебаний

Расчетный изгибающий момент М_sR в сечении аппарата на расстоянии x₀ от поверхности земли с учетом влияния высших форм колебаний определяется в зависимости от М_s.max по эпюре изгибающих моментов (см. рисунок 10.1,в)

При отсутствии данных о фундаменте аппаратов постоянного сечения с приблизительно равномерно распределенной по высоте массой допускается расчетный изгибающий момент в сечении определять по формуле:

где С_x —коэффициент, определяемый по рисунку 10.10.