CC BY
31
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОНАПОРНОЙ БАШНИ НА СТАДИЯХ МОНТАЖА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО ПРОГРАММЕ АХК-ЬС} 2.1
М.А.СЕНЮЩЕНКОВ, канд. техн. наук, доц., С.Н.ШВАЧКО, ассистент
Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Рассмотрена методика анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) водонапорных башен с использованием осесимметричных расчетных схем по программе АХ18-Ьц 2.1 на примере водонапорной башни емкостью 50 м3. Выполнено уточнение значений напряжений на стадии эксплуатации за счет учета совместной работы сооружения с фундаментом. Определена критическая величина крена для данной водонапорной башни. Выполнен анализ НДС водонапорной башни на стадии монтажа.
Описание объекта исследования и метода анализа его НДС
Водонапорные башни используют для создания напора воды в водонапорных сетях при отсутствии или бездействии насосной станции, для регулирования водопотребления, для предотвращения гидравлических ударов и т.п.
Водонапорная башня состоит из трех конструктивных частей: бака, опоры и фундамента. Как правило, каждая из этих частей имеет осесим-метричную форму. В связи с этим, при численном моделирование НДС водонапорной башни возможно использование осесимметричной расчетной модели с применением осесимметричных высокоточных оболочечных конечных элементов [1] для моделирования конструкций бака и опоры и кольцевых конечных элементов [2] для моделирования фундамента. Использование осесимметричной модели водонапорной башни [3] позволяет значительно снизить затраты машинного времени и увеличить точность расчета.
Указанные методы были реализованы в программном комплексе для анализа осесимметричных конструкций АХ18-Ьц 2.1. Программный комплекс АХВ-Ьц 2.1 позволяет выполнять нелинейный анализ при действии осесимметричных нагрузок, линейный анализ при действии несимметричных нагрузок, а также определять критическое значение осесимметричной нагрузки из условия общей устойчивости. При выполнении расчета для каждого элемента конструкции вычисляются перемещения, усилия, напряжения, а также коэффициент запаса прочности, устойчивости и надеж-70ости, вычисляемые в соответствии с требованиями СНиП [4]. 11
Использование пакета АХ18-1^ 2.1 позволяет выполнить анализ ряда практических задач, таких как расчет с учетом крена и определение критического крена, расчет с учетом совместной работы сооружения и фунтового основания, расчет водонапорной башни на стадии монтажа.
Ниже представлен анализ НДС водонапорной башни емкостью 50 м3 с
высотой опоры 18 м в г.
+26,87
1
+26,57
+20,57
+18,00
50 м
\
+ 9,00
03020
Брянск (рис. 1).
Расчет водонапорной башни на эксплуатационные воздействия
7
+0,00
02000
Рис. 1. Водонапорная башня емкостью 50 мЗ с высотой опоры 18 м
На стадии эксплуатации на водонапорную башню в +19|Р7 общем случае действуют — следующие нагрузки: соб-
ственный вес башни, нагрузка от жидкости, нагрузка от технологического оборудования и лестниц, снеговая нагрузка на покрытие, ветровая нагрузка. Дополнительно при расчете водонапорных башен необходимо учитывать их возможный крен. Появление крена может быть вызвано рядом причин, таких как неточность монтажа, неоднородность основания, воздействие несимметричных нагрузок. При возникновении крена нагрузки от собственного веса конструкций и веса жидкости становятся несимметричными [3], что неблагоприятно сказывается на работе водонапорной башни.
Меняя угол крена (^ш-ни, выполняем расчет башни по двум схемам: (1) с учетом совместной работы башни с фундаментом, (2) с жестким защемлением башни в фунда-
ТЬ
менте. Учет совместной работы башни с фундаментом позволил уточнить значения максимальных напряжений на 0,7%.
Анализ изменения коэффициента запаса надежности позволил установить критический крен данной водонапорной башни, который составил 1 = 0,107 рад. = 6,13° (рис. 2).
0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 123456789 12345
Крен водонапорной башни, рад.
Рис. 2. График зависимости минимального коэффициента запаса надежности от крена водонапорной башни
Расчет водонапорной башни на монтажные воздействия
В качестве метода монтажа данной металлической водонапорной башни принят метод поворота (рис. 3). Технология монтажа водонапорной башни методом поворота сводится к следующим операциям [5].
Перед началом подъема в проектное положение водонапорная башня должна быть полностью собрана и заварена. Затем башню устанавливают в шарнир 1 и раскрепляют боковыми расчалками к якорям, которые должны располагаться по прямой, проходящей через ось шарнира.
Подъем башни производят в два этапа:
I этап - при помощи автокрана 2 башня поднимают под углом 45° от горизонтальной плоскости.
И"! г-
Рис. 3. Монтаж водонапорной башни методом поворота
II этап - из положения II до проектного положения башню ставят с помощью двух тракторов, связанных между собой тросом 5, перекинутым через ролик 4, который стропами крепится к башне.
В момент нахождения центра тяжести башни над осью вращения в работу должно включиться тормозное устройство, состоящее из каната 6 трактора №3. Дальнейший подъем башни осуществляется благодаря отпусканию тормозного каната 6.
Согласно указаниям по монтажу башни [5] работа при ветре более 5 баллов, дожде и снегопаде запрещаются. Таким образом, в стадии монтажа на башню действует только нагрузка от собственного веса.
При расчете в стадии монтажа несимметричные связи заменяются эквивалентными уравновешенными нагрузками (рис. 4). Реакции шарнирной опоры и усилие, возникающее в тяговом тросе, определяются из статического расчета. Далее найденные нагрузки раскладываются в ряды Фурье, и выполняется расчет.
Рис. 4. Расчетные схемы башни на стадии монтажа: а) I этап подъема башни; б) II этап подъема башни.
А, В, С - опасные точки.
Нагрузка от собственного веса схематично показана в центре тяжести башни
Анализ результатов показал, что наиболее опасными участками являются зона крепления троса (т. В, С) и зона установки поворотного шарнира (т. А) (рис. 5). Характер распределения напряжений на этих участках носит ярко выраженный локальный характер. Для получения результатов необходимой точности в указанных зонах требуется расчет с учетом значительного числа гармоник
а)
б)
Рис. 5, Изополя эквивалентных напряжений оэкв на II этапе монтажа башни при угле подъема 45°
Выполняемый расчет позволяет определить опасные напряжения не только в центральной части водонапорной башни, но и в зоне опорного шарнира и месте крепления тягового троса. Достоверность полученных результатов проверена расчетом по пространственной схеме в программе NASTRAN for Windows. Тест выполнен для расчетной схемы башни на II этапе подъема при угле подъема 45°. Сравнение результатов по программам AXIS-Lq 2.1 и NASTRAN (табл. 1) показало высокую точность получаемых результатов.
Таблица 1
Сравнение результатов расчета водонапорной башни на стадии монтажа в программах АХ18-1^ и НАБТЛАЫ
/\XIS-Lq ЫА8ТНАЫ
Параметр Ед. ЮМ. количество учитываемых гармоник размер конечно-элементной сетки,м
10 20 30 40 50 0,25 0,10 0,05 0,02 0,01
| О 9 я с я
1 ё « й I и Й 1 1 и ВС х сх, 2! л с I 5 § я 2 со г и к 5 я МПа 95,5 162,4 198,8 217,8 228,1 97,2 138,1 202,5 220,9 229,7
§ 5 о. « I о 5 и и ^ ч н
Зависимости эквивалентного напряжения от угла поворота башни для различных этапов подъема представлены на рис. 6.
осп
10 30 50 70
Угол подъема водонапорной башни, град.
Рис. 6. График зависимости эквивалентного напряжения в опасных точках от угла подъема водонапорной башни
Как видно из графика более опасным является II этап подъема водонапорной башни. В целом наиболее опасным положением башни является положение II, при котором происходит переход от первого ко второму этапу подъема башни.
Литература
1. Мяченков В.И., Григорьев И.В. Расчет составных оболочечных конструкций на ЭВМ: Справочник. - М.: Машиностроение, 1981. - 218 с.
2. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник/ В.И.Мяченков, В.П.Мальцев, В.П.Майборода и др.; Под общ. ред. В.И.Мяченкова. - М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.
3. Сенющенков М.А., Швачко С.Н. Расчетная схема водонапорной башни как осесимметричного сооружения с учетом крена и подъема при монтаже // Современные тенденции развития строительного комплекса Поволжья: Сб.тр. Всероссийская научно-практическая конференция. Ч. 2. -Тольятти: ТГУ, 2005, с. 96-100.
4. СНиП И-23-81*. Стальные конструкции/ Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.
5. Типовой проект 901-5-29. Унифицированные водонапорные стальные башни заводского изготовления емкостью 15, 25 и 50 м3 с высотой опоры 12, 15 и 18 м. - М.: ГИПРОНИСЕЛЬХОЗ, 1972.
NUMERICAL MODELING OF STRESS-DEFORMED CONDITION OF WATER TOWER ON THE STAGES OF MOUNTING AND
OPERATION ACCORDING TO THE PROGRAM AXIS-LQ 2.1
M.A. Senushenkov, S. N. Shvachko
In the article the method of analysis of stress-deformed condition of water towers with the application of the axisimmetrical calculation schemes according to the program AXIS-Lq 2.1 for the water tower with the capacity of 50 m3 as an example is examined. The elaboration of stress values is executed on the stage of operation taking into consideration the cooperation of the construction with the foundation. The limited value of the list for the given water tower is defined. The analysis of the stress-deformed condition of the water tower on the stage of the mounting is executed.
