Оценка влияния формы башенной оросительной градирни из монолитного железобетона на восприятие ветровых нагрузок | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 18 июля, печатный экземпляр отправим 22 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №20 (310) май 2020 г.

Дата публикации: 11.05.2020

Статья просмотрена: 3 раза

Библиографическое описание:

Аккерман, Д. Д. Оценка влияния формы башенной оросительной градирни из монолитного железобетона на восприятие ветровых нагрузок / Д. Д. Аккерман. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 20 (310). — С. 166-174. — URL: https://moluch.ru/archive/310/69938/ (дата обращения: 10.07.2020).



В данной работе представлена оценка влияния формы башенной градирни из монолитного железобетона на восприятие ветровых нагрузок. Проведен анализ влияния воздействия ветра на три математические модели башни на основе расчета в программном комплексе SAP 2000 21, с помощью которого были выявлены деформированные схемы башен и распределения напряжений по тему оболочек.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, железобетон, башенная градирня, ветровая нагрузка, ветровое воздействие.

При строительстве и проектировании высотных зданий и сооружений существенный вклад в напряженно-деформированное состояние системы вносит ветровое воздействие. Более того, ветровая нагрузка является динамической, восприятие которой может привести к потере устойчивости конструкции и обрушению. В этой связи, возникают вопросы, связанные с обеспечением надежности и безопасности здания или сооружения на всех их жизненных этапах с помощью влияния внешней формы сооружения.

Основная часть

В рамках статьи рассматривался вопрос влияния формы башенной оросительной градирни на восприятие ветровой нагрузки.

Параметр высоты оболочки был принят одинаковым для всех рассматриваемых моделей и равен 100,0 м. Радиус основания оболочек принят равным 50,0 м для всех вариантов. Высота опорной колоннады 15 м, следовательно, суммарная высота градирни от уровня земли составляет 115,0 м.

Толщина стенки железобетонной оболочки по п.6.3.3 [1] должна быть не менее 180 мм и иметь переменное сечение по высоте, но, так как подбор сечения производиться не будет, для обеспечения равенства условий восприятия нагрузки, принимаем толщину оболочки равной 250 мм для всех трех вариантов. Опорный пояс имеет прямоугольное поперечное сечение размерами 800х600 мм. Наклонная опорная колоннада устроена по касательной к нижней грани оболочки и имеет прямоугольное поперечное сечение размерами 450х450 мм. Прочие параметры градирен определены математическим расчетом и приведены ниже в таблице 1.

Материал оболочки и опорного пояса, а также для опорной колоннады и кольцевого фундамента по п.6.6.8 [1] принимается бетон класса прочности на осевое сжатие В30.

Определение размеров башенных градирен

Башня градирни представляет собой однополостной гиперболоид, описываемый следующим математическим уравнением в декартовых координатах:

(1)

где А и В — действительные полуоси,

С — мнимая полуось,

х, y, z — координаты точек поверхности.

Для упрощения, гиперболоид может быть построен как фигура вращения с формообразующей гиперболой, подчиняющейся уравнениям:

(2)

или (3)

При этом, параметр С будет отвечать за масштаб значения Z, а параметры А и В — за пологость формы. Таким образом, можно задать формообразующие разной степени изгиба. Чем меньше значение параметров А и В, тем больше перепад в значениях Z.

Вращение гипербол (2,3) осуществляется вокруг осей, параллельных OX или OY соответственно. Вершина гиперболы будет приходиться на точку с координатой по осям OX/OY соответствующей 0. Для формирования оболочки градирни, минимальный диаметр располагается примерно на ¼ ниже верха башни, следовательно, для распределения высот будут использоваться как положительные, так и отрицательные значения. Шаг по вертикали для упрощения принимаем равным 5м, нижний диаметр будет определяться значением при X = -75м, верхний при Х = +25 м.

Принимаем параметр масштаба С равным 10. Параметр изгиба формообразующей кривой принимаем равной 12,5; 13,75 и 15. На основе расчета получаем следующие значения координаты Z, приведенные на рисунках 1, 2, 3.

Рис. 1. Форма гиперболы при А = 12,5

Рис. 2. Форма гиперболы при А = 13,75

Рис. 3. Форма гиперболы при А = 15

Согласно вычисленным параметрам градирен, определяем физические значения радиусов участков башни для построения в графическом программном комплексе (табл. 1). Параметры определялись пропорционально относительно известного размера нижнего радиуса поверхности.

Таблица 1

Параметрические и физические параметры башенных оросительных градирен

Вариант оболочки

Параметр А

Радиус в основании, м

Радиус в верхней части, м

Радиус самой узкой части, м

Вспомогательная точка построения

1

12,5

50

32

30

-5: 38 м

2

13,75

50

36

34

-5: 41 м

3

15

50

38

37

-5: 43м

Расчетные модели оболочек были разработаны в графическом программном комплексе Rhinoceros 6 и экспортированы в расчетный комплекс, реализующий МКЭ, SAP 2000 21.

Рис. 4. Моделирование оболочки в ПК Rhinoceros 6

Стержневая опорная колоннада и опорный пояс заданы универсальным линейным конечным элементом Straight Frame, сетка оболочки задана универсальным пластинчатым конечным элементом Shell Thin, размеры сетки 5х5 м.

Рис. 5. Модели оболочек в ПК SAP 2000 21

Опорные закрепления не допускают линейных перемещений в трех направлениях, а также повороты относительно этих трех направлений.

Сбор нагрузок

Расчет градирен проводился на восприятие собственного веса конструкций, который задается автоматически в ПК SAP 2000 21 на основе заданного материала и размеров поперечных сечений всех элементов, и ветрового воздействия. Статическая ветровая нагрузка собиралась для г. Санкт-Петербурга типа местности А в соответствии с [2], динамическая составляющая задавалась автоматически в ПК SAP 2000 21.

Так как ветровое давление в ПК SAP 2000 21 задается параметрально уже с учетом распределения его по высоте конструкции, суть сводится к определению аэродинамического коэффициента се1 внешнего давления по формуле В.2 и аэродинамического коэффициента лобового сопротивления сх по формуле В.3 п. В.1.12 прил. В [2].

Коэффициент лобового сопротивления сх для наклонных элементов определяется по формуле В.4. п. В.1.12 прил. В [2] и зависит от вертикального угла наклона оси элемента к горизонтальной плоскости.

Рис. 6. Значение вертикального угла при определении коэффициента сх

Определение коэффициента сх приведено в таблице 2.

Таблица 2

Определение коэффициента лобового сопротивления сх

Вариант 1

Δ

z

d, m

k(z)

Re*10–6

Δ/d

C

β верт

sinβв

Сx

0

15

100

1,125

3,514

0,00000200

0,4

45

0,707

0,283

4,46

19,46

94,71

1,237

3,759

0,00000211

0,4

59,3

0,860

0,344

4,56

24,02

89,76

1,300

3,848

0,00000223

0,4

61,54

0,879

0,352

4,66

28,68

85,19

1,359

3,917

0,00000235

0,4

63,85

0,898

0,359

4,75

33,43

81

1,418

3,986

0,00000247

0,4

66,23

0,915

0,366

4,83

38,26

77,24

1,478

4,058

0,00000259

0,4

68,71

0,932

0,373

4,91

43,17

73,91

1,532

4,113

0,00000271

0,4

71,26

0,947

0,379

4,98

48,15

71

1,582

4,163

0,00000282

0,4

73,73

0,960

0,384

5,03

53,18

68,49

1,632

4,218

0,00000292

0,4

75,99

0,970

0,388

5,07

58,25

66,34

1,683

4,281

0,00000301

0,4

78,04

0,978

0,391

5,11

63,36

64,52

1,725

4,329

0,00000310

0,4

79,89

0,984

0,394

5,13

68,49

63

1,764

4,373

0,00000317

0,4

81,55

0,989

0,396

5,15

73,64

61,77

1,802

4,425

0,00000324

0,4

83,2

0,993

0,397

5,17

78,81

60,85

1,841

4,486

0,00000329

0,4

84,92

0,996

0,398

5,18

83,99

60,26

1,880

4,559

0,00000332

0,4

86,73

0,998

0,399

5,18

89,17

60,01

1,919

4,643

0,00000333

0,4

88,62

1,000

0,400

5,19

94,36

60,11

1,958

4,741

0,00000333

0,4

90,59

1,000

0,400

5,18

99,54

60,57

1,997

4,854

0,00000330

0,4

92,54

0,999

0,400

5,17

104,71

61,38

2,024

4,952

0,00000326

0,4

94,46

0,997

0,399

5,16

109,87

62,53

2,049

5,062

0,00000320

0,4

96,33

0,994

0,398

5,13

115

64

2,075

5,185

0,00000313

0,4

98,18

0,990

0,396

Вариант 2

Δ

z

d, m

k(z)

Re*10–6

Δ/d

C

β верт

sinβв

Сx

0

15

100

1,125

3,514

0,00000200

0,4

51,93

0,787

0,315

4,7

19,7

95,95

1,243

3,802

0,00000208

0,4

66,7

0,918

0,367

4,75

24,45

92,17

1,306

3,915

0,00000217

0,4

68,31

0,929

0,372

4,81

29,26

88,67

1,366

4,017

0,00000226

0,4

69,97

0,940

0,376

4,86

34,12

85,45

1,427

4,119

0,00000234

0,4

71,69

0,949

0,380

4,9

39,02

82,54

1,488

4,222

0,00000242

0,4

73,46

0,959

0,383

4,95

43,97

79,94

1,540

4,300

0,00000250

0,4

75,28

0,967

0,387

4,98

48,95

77,64

1,590

4,375

0,00000258

0,4

77

0,974

0,390

5,01

53,96

75,61

1,640

4,453

0,00000265

0,4

78,57

0,980

0,392

5,04

59

73,83

1,690

4,536

0,00000271

0,4

79,97

0,985

0,394

5,06

64,06

72,27

1,730

4,595

0,00000277

0,4

81,21

0,988

0,395

5,07

69,13

70,9

1,768

4,651

0,00000282

0,4

82,33

0,991

0,396

5,08

74,21

69,76

1,807

4,713

0,00000287

0,4

83,56

0,994

0,397

5,1

79,31

68,86

1,845

4,782

0,00000290

0,4

85

0,996

0,398

5,11

84,42

68,27

1,883

4,860

0,00000293

0,4

86,66

0,998

0,399

5,11

89,53

68,01

1,921

4,950

0,00000294

0,4

88,54

1,000

0,400

5,11

94,64

68,11

1,960

5,052

0,00000294

0,4

90,59

1,000

0,400

5,11

99,75

68,58

1,998

5,169

0,00000292

0,4

92,62

0,999

0,400

5,1

104,85

69,39

2,024

5,267

0,00000288

0,4

94,56

0,997

0,399

5,08

109,93

70,54

2,050

5,377

0,00000284

0,4

96,43

0,994

0,397

5,06

114,99

72

2,075

5,500

0,00000278

0,4

98,22

0,990

0,396

Вариант 3

Δ

z

d, m

k(z)

Re*10–6

Δ/d

C

β верт

sinβв

Сx

0

15

100

1,125

3,514

0,00000200

0,4

75,07

0,966

0,386

4,85

19,85

96,98

1,246

3,834

0,00000206

0,4

72,7

0,955

0,382

4,87

24,72

94,12

1,309

3,967

0,00000212

0,4

73,64

0,960

0,384

4,89

29,61

91,4

1,370

4,092

0,00000219

0,4

74,46

0,963

0,385

4,91

34,52

88,8

1,432

4,214

0,00000225

0,4

75,13

0,967

0,387

4,92

39,44

86,28

1,493

4,332

0,00000232

0,4

75,68

0,969

0,388

4,93

44,37

83,85

1,544

4,416

0,00000239

0,4

76,15

0,971

0,388

4,95

49,32

81,55

1,593

4,494

0,00000245

0,4

76,91

0,974

0,390

4,97

54,29

79,45

1,643

4,574

0,00000252

0,4

78,09

0,978

0,391

4,99

59,28

77,63

1,693

4,659

0,00000258

0,4

79,68

0,984

0,394

5,02

64,3

76,18

1,732

4,723

0,00000263

0,4

81,71

0,990

0,396

5,05

69,35

75,12

1,770

4,792

0,00000266

0,4

84,06

0,995

0,398

5,06

74,41

74,45

1,808

4,873

0,00000269

0,4

86,21

0,998

0,399

5,07

79,48

74,09

1,846

4,964

0,00000270

0,4

87,95

0,999

0,400

5,08

84,56

73,96

1,884

5,062

0,00000270

0,4

89,27

1,000

0,400

5,08

89,64

73,99

1,922

5,165

0,00000270

0,4

90,19

1,000

0,400

5,08

94,72

74,13

1,960

5,272

0,00000270

0,4

90,78

1,000

0,400

5,08

99,8

74,38

1,999

5,384

0,00000269

0,4

91,39

1,000

0,400

5,07

104,87

74,75

2,024

5,467

0,00000268

0,4

92,13

0,999

0,400

5,07

109,94

75,29

2,050

5,556

0,00000266

0,4

93,01

0,999

0,399

5,06

115

76

2,075

5,651

0,00000263

0,4

94,02

0,998

0,399

Коэффициент внешнего давления се1 зависит от горизонтального угла , замеряемого до каждого конечного элемента оболочки. Коэффициенты определяются по графику на рис. В.16 п. В.1.12 прил. В [2] в зависимости от числа Рейнольдса Re.

Рис. 7. Схема распределения ветрового давления по цилиндрической поверхности

Определение коэффициента се1 приведено в таблице 3.

Таблица 3

Определение коэффициента внешнего давления се1

β гор

се1

β гор

се1

β гор

се1

β гор

се1

0

1,000

48

-0,633

96

-1,265

144

-0,700

6

0,800

54

-0,844

102

-1,124

150

-0,700

12

0,600

60

-1,056

108

-0,983

156

-0,700

18

0,400

66

-1,267

114

-0,841

162

-0,700

24

0,200

72

-1,478

120

-0,700

168

-0,700

30

0,000

78

-1,689

126

-0,700

174

-0,700

36

-0,211

84

-1,548

132

-0,700

180

-0,700

42

-0,422

90

-1,406

138

-0,700

В результате модального расчета имеем следующие деформационные схемы и напряженные состояния в оболочке, приведенные на рисунках 8, 9 и 10.

Рис. 8. Деформированная схема и напряжения в оболочке вариант 1

Рис. 9. Деформированная схема и напряжения в оболочке вариант 2

Рис. 10. Деформированная схема и напряжения в оболочке вариант 3

Заключение

Анализируя полученные выше результаты, можно сделать следующие выводы:

  1. При прочих равных параметрах (материал, высота, диаметр основания), чем более обтекаемую форму имеет оболочка, тем меньшие перемещения в ней возникают в результате восприятия ветрового воздействия;
  2. Растягивающие и сжимающие напряжения имеют меньше очагов распределения по поверхности оболочки, а также имеют меньшие значения, в случае, если формообразующая гипербола имеет большую стрелу подъема;
  3. С увеличением пологости оболочки, увеличиваются растягивающие напряжения в бетоне.

Следовательно, оболочка варианта 1 является наиболее рациональной для восприятия ветровой нагрузки в регионе г. Санкт-Петербурга. Тем не менее, форма не соответствует технологически принятым рекомендациям по проектированию башенных градирен, поэтому должна утверждаться технологами с учетом обеспечения требуемой площади орошения и испарения, а также с учетом обеспечения охлаждения воды до требуемой температуры. Более того, подобное расположение опорной колоннады, обеспечивающее осевую передачу усилия от опорного пояса на фундамент, будет требовать серьезной анкеровки, поскольку угол наклона к горизонту достаточно мал, что может значительно сказаться на стоимости сооружения. Таким образом, опираться только на рациональность при восприятии ветровой нагрузки при проектировании башенных градирен нельзя, необходимо учитывать сопутствующие конструктивные параметры и их рациональность.

Литература:

  1. СП 340.1325800.2017 Конструкции железобетонные и бетонные градирен. Правила проектирования — М.: Минстрой России, 2017. — 48 с.
  2. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85* — М.: Минстрой России, 2016. — 104 с.
  3. СНиП 52–01–2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения [Текст]. — М., 2004. — 24 с.
  4. Югов А. М., Титков С. О., Анищенков В. М. Оценка влияния формообразования башенной металлической градирни на восприятие ветровых нагрузок // Металлические конструкции. Макеевка: Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, 2018. 41–48.
  5. Корсаков А. Б., Щуров А. С. Расчет ветровых нагрузок на внешнюю поверхность вытяжной башни градирни методами вычислительной аэродинамики // Автоматизация и IT в энергетике. М.: Издательский дом «ИД АВИТ-ТЭК», 2015. 10–12.
  6. Корсун В. И., Стеблянко Л. В., Корсун А. В. Исследование напряженно-деформированного состояния железобетонной градирни // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. Макеевка: Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, 2003. 113–118.
  7. Гмирач К. М., Козлов А. В., Проскуров Р. А. Подбор оптимальных параметров эллипсоидной железобетонной оболочки вращения // Международный научно-исследовательский журнал. — 2017. — № 2. — С. 100–104.
Основные термины (генерируются автоматически): SAP, ветровая нагрузка, ветровое воздействие, опорный пояс, форма гиперболы, оболочка вариант, опорная колоннада, лобовое сопротивление, внешнее давление, деформированная схема.


Похожие статьи

Определение пульсационной составляющей ветровой нагрузки...

Схема задания средней составляющей ветровой нагрузки на расчетную схему представлена на рис. 4.

Параметры расчета на ветровое воздействие с учетом пульсации включают указание числа форм собственных колебаний, учитываемых при расчете, характеристики...

Методика расчета высотных зданий на воздействие ветровой...

Согласно [1] Расчеты ветровых потоков и воздействий на высотные здания и комплексы

Для расчета коэффициента лобового сопротивления Cz (ветер дует вдоль глобальной оси Z)

1. Дубинский С. И. Численное моделирование ветровых воздействий на здания и сооружения.

Опыт модификации конструкции антенного сооружения

Расчет ветровых нагрузок, а также прочих нагрузок, задаваемых соответствующими СНиП

С целью расчета напряжений и деформаций, собственных частот и форм колебаний

При приложении расчетной нагрузки оказалось, что в ряде балок напряжения превышают предел...

Сравнение поведения твердотельно смоделированной арки из...

Ветровую нагрузку берем из численного расчета в программном комплексе, определенной по обдуванию свода из Т образных профилей в аэродинамической трубе по аналогии с ранее проделанными моделями [1], [4], [5]. Величины полученных ветровых давлений по зонам при...

Результаты определения усилий в статически неопределимой...

Ключевые слова: арка, двухшарнирная арка, ветровая нагрузка, статически неопределимая

Цель: определить усилия в статически неопределимой двухшарнирной арке от воздействия

Форма загружения арки, геометрические постоянные, принятая система ОСМС и единичная...

Результаты определения перемещений круговой арки от ветровой...

Рис. 1/ Схема арки при загруженной ветровым давлением. В интервале: радиальные перемещения

Веселев Ю. А., Карабутов М. С. Результаты определения усилий в статически неопределимой двухшарнирной арке от воздействия ветровой нагрузки в буквенном...

Численное определение предельно допустимой ветровой...

Определив предельно допустимые постоянные нагрузки на профиль, определим предельно допустимую ветровую нагрузку на профиль

Загружение приложено к гофрированной нижней полке профиля. Рис. 1. Сечения/расчетная схема для определения предельно допустимых...

Расчет напряженно-деформированного состояния...

На основе линейной теории оболочек исследуется НДС от действия различных вариантов нагрузок, обеспечивающих одни и те же заданные

Библиографическое описание: Кабриц, С. А. Расчет напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки по заданным...

Сравнение численного анализа работы свода с эмпирическими...

Для определения форм деформаций и перемещений арочного профиля использовали. Рис.5. Перемещения при ветровом давление на арку

Ключевые слова: вальцованный U-образный профиль системы MIC-120, ветровая нагрузка, гидростатическое давление, гравитационная...

Похожие статьи

Определение пульсационной составляющей ветровой нагрузки...

Схема задания средней составляющей ветровой нагрузки на расчетную схему представлена на рис. 4.

Параметры расчета на ветровое воздействие с учетом пульсации включают указание числа форм собственных колебаний, учитываемых при расчете, характеристики...

Методика расчета высотных зданий на воздействие ветровой...

Согласно [1] Расчеты ветровых потоков и воздействий на высотные здания и комплексы

Для расчета коэффициента лобового сопротивления Cz (ветер дует вдоль глобальной оси Z)

1. Дубинский С. И. Численное моделирование ветровых воздействий на здания и сооружения.

Опыт модификации конструкции антенного сооружения

Расчет ветровых нагрузок, а также прочих нагрузок, задаваемых соответствующими СНиП

С целью расчета напряжений и деформаций, собственных частот и форм колебаний

При приложении расчетной нагрузки оказалось, что в ряде балок напряжения превышают предел...

Сравнение поведения твердотельно смоделированной арки из...

Ветровую нагрузку берем из численного расчета в программном комплексе, определенной по обдуванию свода из Т образных профилей в аэродинамической трубе по аналогии с ранее проделанными моделями [1], [4], [5]. Величины полученных ветровых давлений по зонам при...

Результаты определения усилий в статически неопределимой...

Ключевые слова: арка, двухшарнирная арка, ветровая нагрузка, статически неопределимая

Цель: определить усилия в статически неопределимой двухшарнирной арке от воздействия

Форма загружения арки, геометрические постоянные, принятая система ОСМС и единичная...

Результаты определения перемещений круговой арки от ветровой...

Рис. 1/ Схема арки при загруженной ветровым давлением. В интервале: радиальные перемещения

Веселев Ю. А., Карабутов М. С. Результаты определения усилий в статически неопределимой двухшарнирной арке от воздействия ветровой нагрузки в буквенном...

Численное определение предельно допустимой ветровой...

Определив предельно допустимые постоянные нагрузки на профиль, определим предельно допустимую ветровую нагрузку на профиль

Загружение приложено к гофрированной нижней полке профиля. Рис. 1. Сечения/расчетная схема для определения предельно допустимых...

Расчет напряженно-деформированного состояния...

На основе линейной теории оболочек исследуется НДС от действия различных вариантов нагрузок, обеспечивающих одни и те же заданные

Библиографическое описание: Кабриц, С. А. Расчет напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки по заданным...

Сравнение численного анализа работы свода с эмпирическими...

Для определения форм деформаций и перемещений арочного профиля использовали. Рис.5. Перемещения при ветровом давление на арку

Ключевые слова: вальцованный U-образный профиль системы MIC-120, ветровая нагрузка, гидростатическое давление, гравитационная...

Задать вопрос