Содержание
В ходе расчета и конструирования высотных решетчатых стальных сооружений, таких как башни и мачты связи, инженер-проектировщик неизбежно сталкивается с интересным и очень ответственным этапом построения расчетной схемы сооружения, а именно — ветровая нагрузка на башню, ее сбор и приложение.
Предпосылки к расчету
Специфика назначения ветровой нагрузки для выше обозначенных конструкций заключается в том, что башни и мачты не являются сплошностенчатыми, что влечет за собой особый порядок действий по определению усилий, возникаемых от ветра. Стоит отметить, что именно усилия от ветровой нагрузки являются основополагающими при назначении необходимых размеров сечения отдельных стержней разрабатываемой конструкции — ее влияние достигает 70-80%.
Как и в любом другом проекте, вся работа начинается с получения технического задания от заказчика, который передает проектирующей организации наиважнейшие данные для проектирования: район строительства, высота башенного сооружения, масса и парусность дополнительного оборудования. Как только вся необходимая информация, прошедшая двухстороннее согласование, находится в наличии у инженера, начинается этап расчета.
При определении и назначении ветровых нагрузок следует пользоваться рекомендациями, изложенными в СП 20.13330.2016 п.11 и прил. Д.1.14. А сам процесс расчета в общем случае выполняется методом последовательного приближения.
Алгоритм сбора ветровой нагрузки на башню или ствол мачты
В первую очередь следует выполнить предварительное, исходя из опыта проектирования, назначение сечений элементам расчетной схемы, соблюдая при этом универсальность элементах в переделах одного — двух поясов башенной конструкции.
Чтобы подсчитать общую парусность назначенных элементов инженеру придется столкнуться с проблемой отсутствия универсального программного обеспечения, которое способно автоматически собирать и суммировать площадь поверхностей элементов секции, автоматически проставляя аэродинамические коэффициенты Cx в зависимости от вида используемого сечения: есть большая разница между уголковым профилем и трубами в связи с их разной формой обтекания и способностью к завихрению от ветрового потока.
В СП 20.13330.2016 приведен алгоритм действия по подсчету ветровых нагрузок, но это не реализовано ни в одном современном САПР, поддерживающем российские стандарты. Инженеру приходится решать данную проблему, создавая вручную таблицу в программе Microsoft Excel, занося все данные и формулы вручную, получая сухую информацию, в которой достаточно легко ошибиться при дальнейшей корректировке расчетов.
Упуская детали подсчета, в общих словах, алгоритм сбора ветровой нагрузки на секцию башенной конструкции можно сформулировать следующим образом:
- Выделить плоскую стержневую ферму, расположенную во фронтальной плоскости, перпендикулярной оси действия ветровой нагрузки.
- Разделить плоскую ферму на j-ое количество участков (секций) по высоте.
- Вычислить площади контуров выделенных секций Aki и площади проекций элементов, входящих в состав j-ой секции, т.е. сумму Aij.
- Вычислить коэффициент проницаемости секции:
- Определить коэффициенты снижения аэродинамических коэффициентов на последующие сквозные фермы (определение значения по табл. В.8 [2]):
- Вычислить аэродинамический коэффициент для каждой j-ой секции рассматриваемой башни (мачты) Cj:
- Вычислить аэродинамические коэффициенты каждой пространственной j-ой секции:
- Определить среднюю статическую ветровую нагрузку на каждую j-ую секцию башни или мачты:
Полученное значение средней статической ветровой нагрузки требуется привести к узлам рассматриваемой трапеции (очертания секции):
Где aj — относительная координата центра тяжести трапеции j-ой секции.
Рассматривать влияние ветра на четырехгранную башенную конструкцию следует в 2 опасных направлениях воздействия: при его действии на ребро и грань секции. Так при направлении ветра на грань в работе участвуют только 2 параллельные ветру грани. При направлении ветра на диагональ будут работать все грани, но с меньшими усилиями. При этом усилия в поясах от составляющих ветровой нагрузки будут суммироваться. Таким образом, опасным направлением ветра для поясов является направление на диагональ, для решетки – на грань. Ветровая нагрузка на башню чаще всего становится определяющей при расчете конструкции на внутренние силовые факторы.
При построении расчетной схемы в САПР на основе внесенных значений статического ветра будет рассчитываться пульсационная составляющая для создания расчетных сочетаний нагрузок по таблице 1.
В зарубежных САПР, например, Robot Structural Analysis, удобно реализовано трехмерное проектирование с автоматическим сбором ветровых нагрузок на трех- и четырехгранные башенных конструкций, однако, по американским и французским нормам.
Ветровая нагрузка на башню аналогична мачтам, которая одинаково настраивается в ПК «Лира» и SCAD.
