CC BY
16УДК 69.036.7
Проектирование и строительство промежуточных опор эстакады общепланетарного транспортного средства: проблемы и решения
Юницкий А.Э.1, 2 Жарый С.А.2
В мире построено около 100 сооружений высотой более 300 м; из них только три моста имеют опоры выше указанной отметки. Самая высокая опора принадлежит мосту Виадук Мийо (343 м). При конструировании таких масштабных сооружений возникает множество проблем. С аналогичными вопросами столкнулись и авторы данной статьи, разрабатывая опоры экваториальной эстакады общепланетарного транспортного средства (ОТС). Кроме того, следует учитывать специфические нагрузки от функционирования ОТС. Предложенная авторами форма промежуточной опоры подобрана для оптимального распределения всех внешних нагрузок. Рассмотрены разные варианты исполнения связевой решётки промежуточных опор, а также влияние выбранных решений на массу, деформации и собственные частоты колебаний.
1 ООО «Астроинженерные технологии»,
г. Минск, Беларусь
2 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь
Ключевые слова:
общепланетарное транспортное средство (ОТС), траектория движения ротора, опоры экваториальной эстакады, экваториальная взлётно-посадочная эстакада, нагрузки на экваториальную транспортную эстакаду.
Введение
Экваториальная транспортная эстакада, как следует из названия, проходит по экватору Земли и образует замкнутое кольцо. Её трасса пересекает три океана и два материка, на которых имеются горные массивы. Такое расположение позволяет объединить огромные территории в единую транспортно-инфраструктурную сеть; вместе с тем оно вызывает множество сложностей при воплощении данного проекта как на сухопутных, так и на океанических участках.
Строительство экваториальной транспортной эстакады, безусловно, будет одним из самых масштабных проектов человечества на планете и поднимет земную транспортную индустрию на новый уровень, однако не только в этом её главное предназначение. Эстакада станет стартовой и посадочной площадкой для общепланетарного транспортного средства (ОТС) [1, 2]. ОТС осуществит транспортное сообщение между поверхностью Земли и орбитальным индустриальным комплексом, где расположится вся промышленность будущей космической цивилизации. Благодаря представленному решению биосфера Земли освободится от вредного влияния технического прогресса.
Это долгий путь, старт которого начнётся со строительства промежуточных опор по линии экватора. Длина экваториальной эстакады составит 40 076 км, для её сооружения понадобятся сотни тысяч опор, в том числе высоких (более 100 м) и очень высоких (более 300 м). Следовательно, одна из основных задач - удешевление конструкции с сохранением всех эксплуатационных функций. При этом опора должна выдерживать все нагрузки, создаваемые эстакадой, порывами шквального ветра и землетрясениями.
Цель исследования - проанализировать нагрузки, которые действуют на промежуточную опору экваториальной эстакады; рассчитать оптимальную, по мнению авторов, форму опоры; рассмотреть разные варианты исполнения внутренней силовой решётки при одинаковых условиях эксплуатации.
Обзор литературы
В 1989 г. проведён анализ возможных вариантов исполнения промежуточных опор экваториальной эстакады и их материалоёмкости [2]. Количество опор высотой до 100 м составило 10 %.
Однако для прохождения горных массивов данной высоты недостаточно. Расчёт оптимальной траектории движения ротора ОТС в Южной Америке и Африке с радиусами вертикальной кривизны 100 км, 1000 км и 5760 км (радиус
Земли по экватору - 6378,1 км) показал необходимость опор высотой 300 м и более [3].
Невозможно разработать столь сложную конструкцию, не опираясь на существующий опыт проектирования. Аналогов экваториальной эстакады в мире не имеется, но в качестве примера рассмотрим объекты, которые совершили прорыв в своё время.
Первый стальной мост построен в 1779 г. в графстве Шропшир (Англия) под руководством А. Дерби [4]. В дальнейшем качество и количество металлических конструкций начали расти экспоненциально.
Благодаря разработке мартеновской печи XIX в. можно назвать временем масштабного применения стали при возведении мостов. В этот период построены гиганты:
• Фортский мост (1890 г.): пролёт - 210 м, высота в опорной зоне - 100,6 м;
• мост Британия (1850 г.): общая длина - 460 м, пролёты -140 м.
Кроме этого, из ковкого чугуна было установлено ещё множество мостов, которые открыли новую эру строительства, тем самым позволив возводить лёгкие, ажурные конструкции и уйти от тяжёлых каменных и бетонных сооружений.
Следующий этап развития металлоконструкций - освоение выплавки стали с низким содержанием углерода и применение легирующих добавок. Пришлось это на начало XX в., когда предыдущие варианты уже не соответствовали требованиям архитектуры. Один из примеров - сталь «Дворец Советов», разработанная в Советском Союзе для реализации грандиозного проекта - возведения Дворца Советов.
Вместе с тем получила своё развитие выработка стали, предназначенной для производства несущих канатов и высоких опор (пилонов) висячих мостов, которые нашли широкое применение в США. В частности, был сооружён мост Золотые Ворота в г. Сан-Франциско (1937 г.): общая длина - 2737 м; высота пилона - 227 м.
Применение таких конструкций потребовало дополнительных исследований и привело к выявлению связанных с ветровыми колебаниями специфических эффектов - аэроупругих колебаний большепролётных и высоких сооружений, а также частотных характеристик ветровых потоков.
В настоящее время реализация высотных проектов уже не является чем-то необычным. Так, разработка новых материалов (на основе бетона и металла) позволяет возводить объекты высотой до 820 м (на данный момент самое высокое здание находится в ОАЭ - башня Бурдж-Халифа
(2010 г.)) и выше (ведётся строительство 1300-метрового здания в ОАЭ).
В мировой практике уже существуют мосты с высокими опорами. Пример, наиболее схожий с проектируемой эстакадой по условиям строительства, - висячий мост через долину р. Сыдухэ в провинции Хубэй в Китае. Его длина составляет 1341 м, высота опор относительно подошвы фундамента - 269 м и 245 м. Сооружён мост в гористой местности, открыт для движения в 2009 г.
Однако самая высокая (343 м) опора моста в мире на текущий момент принадлежит Виадуку Мийо [5]. Длина данного моста равна 2460 м (2004 г.).
Как видим, с 1989 г., когда завершились первые проработки вариантов исполнения промежуточных опор, прогресс в области строительства не стоял на месте. Каждое новое сооружение, при возведении которого возникали большие трудности, мотивировало создавать новые технологии. Глядя на количество вопросов, стоящих перед специалистами, проектирующими экваториальную эстакаду, можно сказать, что будет представлено множество уникальных инновационных технических решений, часть из которых рассмотрена далее в данной статье.
Основные нагрузки на промежуточную опору
Для правильного анализа и расчёта промежуточных опор необходимо рассмотреть особенности строения и принцип работы ОТС [1, 2]. Оно состоит из внешней оболочки, на которую крепится всё оборудование и полезный груз, и внутреннего ротора, скорость которого достигает 12 км/с. При разгоне ротора создаётся подъёмная сила, что и обеспечивает старт ОТС. При этом результирующая
сила притяжения меняется от полной массы всех элементов до отрицательных значений.
Нагрузка от ОТС
Вес ОТС может изменяться в пределах от 1000 кг до 0 кг на погонный метр и наоборот при взлёте и посадке, что важно учесть при расчёте эстакады и её опор.
ОТС также выставляет ряд требований, связанных с функционированием ротора внутри него при всех режимах эксплуатации. После включения комплекса движение ротора не прекращается. Это вызвано тем, что на остановку ротора после посадки нужно тратить дополнительную энергию, которую придётся восстанавливать для следующего запуска. Соответственно, форма стартовой площадки (эстакады) должна всегда соответствовать оптимальному режиму работы ротора.
Нагрузка от эстакады
Выбор типа пролётного строения существенно влияет на вес эстакады и её парусность. Наиболее распространёнными мостовыми конструкциями являются балочные пролётные строения со сплошными и решётчатыми стенками, а также арочные, вантовые и висячие мосты [6]. Самую большую величину пролёта при минимальных затратах материалов могут обеспечить висячие системы. Следовательно, для расчёта промежуточных опор авторы выбрали предварительно напряжённую рельсо-струн-ную вантовую ферму (рисунок 1) с собственным весом 1000 кг на погонный метр. По нижнему стабилизирующему поясу будут проходить магистрали Струнного транспорта Юницкого (ЮСТ; англ. - ыБТ) и разместится взлётно-посадочная полоса для ОТС.
H м 30
25
20
15
10
5
L, м
H, м 30
25
20
15
10
5
L, м
100 200 300 400 500
100 200 300
400
500
Рисунок 1 - Предварительно напряжённая вантовая система: а - без ОТС; б - с ОТС
0
0
а)
б)
С высотой промежуточных опор 300 м нерационально использовать малые пролёты экваториальной эстакады. Для всех вариантов опор принят пролёт 500 м.
Суммарное натяжение верхнего и нижнего поясов ван-товой фермы составило 3700 тонн. Высота пилонов - 30 м. Деформация под весом ОТС - 5 м.
Большие деформации ОТС приведут к сбою в работе линейных роторов, движущихся с космическими скоростями. Необходимо минимизировать любые отклонения от идеальной траектории движения до момента отрыва от эстакады. Возможны несколько способов решения данной проблемы:
• увеличение жёсткости эстакады с одновременным уменьшением длины пролётов. Однако такой подход значительно увеличит затраты на строительство;
• компенсация потери веса ОТС от создаваемой ротором подъёмной силы за счёт равномерного регулируемого балласта (например, заполнение резервуаров водой по всей длине эстакады). Для правильной работы всей системы следует синхронизировать скорость изменения подъёмной силы, которую создаёт ротор, и добавления балласта;
• использование механизации (например, установка гидравлических систем для выравнивания ОТС по идеальной траектории). В подобном варианте также необходима синхронизация с работой ротора, но при этом возрастает стоимость за счёт использования дорогостоящего оборудования.
Самый экономичный вариант из вышеперечисленных -компенсация подъёмной силы, что потребует минимального
количества механизации и материалов на свою реализацию. Благодаря современным системам управления имеется возможность организовать синхронную работу.
Ветровая нагрузка
Для определения ветровой нагрузки использован ТКП ЕЙ 1991-1-4-2009 «Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1-4. Общие воздействия. Ветровые воздействия» [7, 8]. В данной нормативной документации установлено ограничение на высоту рассчитываемой конструкции в 200 м, но так как отсутствуют статистические характеристики по ветровому потоку на высоте больше 200 м от уровня земли в месте предполагаемого строительства, то вышеуказанное ограничение в настоящей работе не учитывается.
На текущий момент в зоне возведения экваториальной эстакады не проводились изыскания по определению максимальной скорости ветра. Результаты наблюдений, проведённых в разных странах, зачастую не превышают I = 30 м/с.
Сейсмическая нагрузка
Экваториальная эстакада проходит через множество сейсмически активных зон [9, 10], что предъявляет конструктивные требования как к опорам, так и к исполнению их узлов.
На рисунке 2 показаны все случаи землетрясений разной интенсивности за период 1976-2005 гг.
Рисунок 2 - Районы землетрясений за период 1976-2005 гг. [10]
При проектировании опор необходимо ориентироваться на детальные и самые последние исследования конкретных регионов. Сейсмическую активность можно изучить на сайте volcanodiscovery.com [11].
В данной работе расчёт выполнялся по общим правилам ТКП ЕЙ 1998-1-2011 «Еврокод 8. Проектирование сейсмостойких конструкций. Часть 1. Общие правила, сейсмические воздействия и правила для зданий» [12].
Выбранные конструктивные решения
Если не учитывать сейсмическую нагрузку, то основными усилиями, действующими на промежуточную опору экваториальной эстакады, являются сосредоточенные нагрузки в вертикальной и горизонтальной плоскостях на вершине опоры, а также распределённая нагрузка в горизонтальном направлении по всей высоте опоры. В зависимости от доминирующего усилия форма опоры может меняться. Если преобладает сосредоточенная горизонтальная нагрузка (ветровое давление на эстакаду), то стойки опоры выравниваются в линию. При других вариантах сочетаний нагрузок стойки становятся более изогнутыми.
Для таких типов опор оптимальной считается крестовая решётка [13]. Раскосы пересекаются по центральной оси опоры (рисунок 3) с целью уменьшения расчётной длины. Это наиболее приемлемая форма для обеспечения высокой жёсткости при минимальном использовании материалов.
Расстояние между стойками и их форма подобраны из условий равномерного усилия по всей высоте опоры.
Рисунок 3 - Вариант промежуточной опоры экваториальной эстакады
Для уменьшения длины раскосов и главных стоек нужно добавить дополнительные связи, разбивая пирамидальные секции (рисунок 4а) на более мелкие (рисунок 4б) с делением расчётной длины всех элементов на два
(рисунок 4в). В результате получена решётка с однократным уплотнением (рисунок 4г).
Все работы по моделированию таких опор очень трудоёмки и в масштабе всей экваториальной эстакады
г)
Рисунок 4 - Уплотнение решётки опоры: а - секция решётки опоры; б - разбиение на новые секции; в - добавление новых элементов; г - финальный вид решётки
а)
в)
б)
займут слишком много времени. Для ускорения процесса написан алгоритм, который позволит генерировать подобные решётки любой кратности в зависимости от геометрии опоры.
Для определения эффективности такого метода выполнен расчёт без уплотнения и с одно-, дву- и трёхкратным уплотнением решётки (рисунок 5).
Результаты расчёта
Расчёт показал, что геометрия опоры под нагрузки подобрана правильно; практически по всей высоте опоры сила сжатия N в стойках одинаковая при ULS (Ultimate Limit State - предельное состояние несущей способности) (рисунок 6).
б)
-X ^X
a) в)
г)
Рисунок 5 - Уплотнение решётки опоры: а - решётка без уплотнения; б - решётка с однократным уплотнением; в - решётка с двукратным уплотнением; г - решётка с трёхкратным уплотнением
-7093,5 1196,95
-11 717,6 5427,82
-17 922/11 10 870,9
-23 900,8
-21 220,3
7 519,5
8 471,3
-29 196 29 907,9 673,5
■35 916,4
-36 582,8
Рисунок 6 - Эпюра N в стойках опоры при ULS, кН
Определены первые четыре формы собственных частот колебаний (рисунок 7). Расчёт вёлся с учётом веса экваториальной эстакады и расположенного на ней ОТС. Ни одна из форм не является крутильной.
б)
г)
Рассмотрим каждую форму отдельно:
• первая форма выполняет колебания перпендикулярно транспортной эстакаде;
• вторая форма выполняет колебания вдоль транспортной эстакады;
• третья форма - более усложнённый вариант первой формы;
• четвёртая форма показывает колебания нижней раскосной решётки. Во избежание данных вибраций нужно увеличивать жёсткость раскосов.
Максимальные поперечные перемещения возникают на вершинах опор - 1055 мм (рисунок 8).
1055 мм
Рисунок 7 - Формы собственных частот колебаний: а - первая форма - 0,341 Гц; б - вторая форма - 0,644 Гц; в - третья форма - 0,934 Гц; г - четвёртая форма - 1,103 Гц
Рисунок 8 - Максимальные деформации опоры без уплотнения решётки
а)
в)
При расчёте деформаций, образованных от сейсмических нагрузок, выбрана форма упругого спектра реакций (рисунок 9).
Полученные деформации значительно меньше значений, выявленных от ветровой нагрузки, и составили 58,1 мм
для опоры без уплотнения решётки и 77 мм для опоры с трёхкратным уплотнением (рисунок 10). Вышеуказанные результаты приведены только для опоры без уплотнения решётки.
Для всех остальных типов информация представлена в таблице.
5э, м/с2 1,75 1,5 1,25 1
0,75 0,5 0,25
- -|Т 0,152 с; 5а: 1,867 м/с2
.............Т 3,421 с; Sa: 0,16 м/с2 > >
0 0,25
0,75
3,25
1,25 1,75 2,25 2,75
Рисунок 9 - Форма упругого спектра реакций
3,75
4,25
4,75
Т, с
58,1 мм
58,1 мм
77 мм
77 мм
б)
Рисунок 10 - Максимальные деформации опоры от сейсмических нагрузок: а - опора без уплотнения решётки; б - опора с трёхкратным уплотнением решётки
а)
Таблица - Результаты сравнения опор с разным типом решётки
Тип опоры Характеристика Без уплотнения решётки С однократным уплотнением решётки С двукратным уплотнением решётки С трёхкратным уплотнением решётки
Вес опоры, тонн 3814 3028 2542 2290
Сечение основных стоек, мм 2134 х 36 1727 х 30 1422 х 28 1219 х 25
Собственная частота без эстакады и ОТС, Гц 0,596 0,614 0,629 0,68
Собственная частота с эстакадой и ОТС, Гц 0,341 0,296 0,27 0,24
Отклонение опоры при БЬБ, мм 1055 1578 1993 2779
Выводы
и дальнейшие направления исследования
Расчёт разных вариантов исполнения внутренней решётки данного типа опор показал, что на жёсткость и деформации конструкции влияет геометрия основных стоек. Снижение площади поперечного сечения приводит к уменьшению общего веса опоры, но увеличивает поперечные деформации от внешних нагрузок.
Проанализировав рассмотренные вопросы, можно сделать следующие выводы:
• перед началом проектирования необходимо провести климатические и сейсмологические исследования на пути прохождения экваториальной эстакады;
• постройка экваториальной эстакады с пролётами 500 м по типу вантовой предварительно напряжённой системы возможна, однако следует решить ряд вопросов, связанных с отклонениями от идеальной траектории движения ротора;
• объективно будут существовать локальные отклонения экваториальной эстакады от оси трассы, что создаст отклонения от идеальной плоскости вращения роторов ОТС и потребует поиска решения данной проблемы (например, создание рельсового механизма на каждой опоре поперёк эстакады, который будет удерживать эстакаду в пределах надлежащих допусков);
• для ускорения процесса проектирования экваториальной эстакады и её опор целесообразно разработать специальный программный комплекс.
В дальнейшей работе требуется более детально рассмотреть конструкцию экваториальной транспортной эстакады с учётом особенностей старта и посадки ОТС.
После концептуальной проработки всех элементов ОТС и эстакады нужно выполнить построение траектории трассы, учитывая все особенности и ограничения. Это позволит провести посадку опор на местность и выполнить уточнение по их высотам, а значит, станет возможным оценить общую материалоёмкость изготовления опор и трудоёмкость их возведения.
Кроме того, имеет смысл проанализировать вариант расположения экваториальной эстакады в обход крупных гор.
Литература
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.
2. Кривко, О.П. Анализ вариантов конструкции эстакады ОТС/ О.П. Кривко, Г.Ф. Логвинов; под. общ. рук. А.Э. Юницкого. -Гомель: Центр «Звёздный мир», 1989. - 118 с.
3. Юницкий, А.Э. Варианты конструктивных решений ЭкоКосмоДома / А.Э. Юницкий, С.А. Жарый // Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы III междунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 12 сент. 2020 г. / Астроинженерные технологии, Струнные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2021. -С. 294-305.
4. Ефимов, П.П. Архитектура мостов / П.П. Ефимов. - М.: Информавтодор, 2003. - 288 с.
5. Viaduc de Millau [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://stroyone.com/stroitelstvo-mostov/vanto-vye-mosty/viaduk-mijo-millau.html. - Дата доступа: 04.09.2021.
6. Петропавловский, А.А. Проектирование металлических мостов / А.А. Петропавловский, Н.Н. Богданов, Н.Г. Бондарь. - М.: Транспорт, 1982. - 320 с.
I. Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1-4. Общие воздействия. Ветровые воздействия: ТКП EN 1991-1-4-2009 (02250). - Введ. 10.12.2009. - Минск: Минстройархитектурыы 2010. -120 с.
8. Пичугин, С.Ф. Нормирование ветровой нагрузки на решётчатые опорыI в стандартах разных стран мира / С.Ф. Пичугин, А.В. Махинько//Металлические конструкции. - 2009. - Т. 4, № 15. - C. 237-252.
9. Шерман, СИ. Сейсмические пояса и зоныi Земли: формализация понятий, положение в литосфере и структурный контроль/С.И. Шерман, О.Г. Злогодухова//Геодинамика и тектонофизика. - 2011. - Т. 2, № 1. - С. 1-34.
10. Global CMT Web Page [Electronic resource]. - Mode of access: https://www.globalcmt.org/. - Date of access: 04.09.2021.
II. Volcano Discovery [Electronic resource]. - Mode of access: https://www.volcanodiscovery.com/home.html. - Date of access: 04.09.2021.
12. Еврокод 8. Проектирование сейсмостойких конструкций. Часть 1. Общие правила, сейсмические воздействия и правила для зданий: ТКП EN 1998-1-2011 (02250). - Введ. 0512.2011. - Минск: Минстройархитектуры, 2013. - 158 с.
13. Анализ конструктивной формыi антенных опор радиорелейной связи/Е.В. Горохов [и др.]//Металлические конструкции. - 2010. - Т. 16, № 1. - С. 41-50.
