Оптимизация узлов металлических конструкций опорных мачт

2

3

В качестве объекта исследования была выбрана решетчатая опора башенного типа со стволом квадратного сечения высотой 45 250 мм, несущая факельные стволы для сжигания попутного газа.
Предполагаемый район строительства – Амурская область.
Предусматриваются 2 факельных ствола диаметром 920 мм.
Основные загружения: ветер, температурное технологическое воздействие, сейсмическое воздействие.
Все элементы, за исключением поясов по несущей стороне, из труб круглого сечения, пояса – двутавр 40Ш1.
Краткая характеристика объекта исследования
4

Первоначальная конструкция узлов
1)
2)
3)
4)
5

Конечно-элементные модели узлов
1)
2)
3)
4)
6

7
7
Результаты расчета

В третьей главе была произведена оптимизация узла стыка элементов опоры. Вместо традиционной круглой формы фланцев для решения узла на шести болтах была предложена шестиугольная форма.
Произведен анализ раскроя стального листа для изготовления фланцев для двух вариантов конструкции.
8
Оптимизация фланцевого стыка

Уменьшение расчетной несущей способности при действии продольной силы находится в пределах 1%, при сопутствующем действии изгибающего момента – в пределах 3%. Увеличение усилий в болтах по сравнению с типовыми решениями составляет до 5%, напряжения от изгиба фланцев и напряжения в сварных швах практически не изменились.
Разница в расходе материала на один фланец составила 10 %.
Сравнение эквивалентных напряжений во фланце для растягивающего усилия
Сравнение эквивалентных напряжений во фланце для изгибающего усилия
9
Сравнение напряжений во фланцах

Изготовление круглых фланцев
10

Методы раскроя для круглых фланцев:
Методы раскроя листа для шестиугольных фланцев:
11
Методы раскроя

Использование шестиугольных фланцев для варианта фланцевого соединения на шести болтах позволило сократить затраты на материал на 22 %, затраты на резку металла – до 46 %, общие затраты на производство - на 32 %, по сравнению с традиционным круглым вариантом фланца (использовались средние цены второй четверти 2020 года).
12
Сравнение расходов на изготовление

Для сравнения двух вариантов расчетных программ была создана модель соединения в программном комплексе SCAD из оболочечных конечных элементов с учетом физической нелинейности материала.
Разница в результатах расчета фланцевого соединения в двух разных программах оказалось в пределах 10%.
13
Сравнение расчетных моделей

Раскосы
Пояса
Шпренгели
Опоры
В четвертой главе произведено сравнение двух расчетных схем мачты: изначальной схемы, использующей классические методы строительной механики: шарниры и жесткие заделки; и новой схемы, в которой учтена фактическая жесткость соединений.
Расчет произведен шагово-итерационным методом постепенного уточнения жесткостных характеристик узлов.
Рассматриваются следующие группы узлов:
Узел базы опоры;
Примыкание раскосов к базам опор;
Примыкание раскосов к опорам для нижней, средней и верхней секций;
Примыкание раскосов к поясам для нижней, средней и верхней секций;
Примыкание поясов к опорам для нижней, средней и верхней секций;
Примыкание шпренгелей к опорам.
14
Расчет с учетом фактической жесткости узлов

По результатам расчета только 3 из 13 рассчитанных типов узлов можно в полном смысле назвать шарнирными в соответствии с требованиями Eurocode.
Изменение изгибающего момента в нижней части опоры
Изменение изгибающего момента в поясе нижнего яруса
Изменение изгибающего момента в раскосах нижнего яруса
15
Сравнение эпюр изгибающих моментов

В среднем величина изменений критических факторов лежит в пределах 5 %.
Для ряда элементов коэффициент использования по основному критическому фактору стал меньше (например, для опор, рис. , с 0,97 до 0,91).
Для некоторых элементов (например, для раскосов 426х12) увеличение пролетного момента не привело к значительным изменениям основного критического фактора.
Для раскосов верхней половины мачты произошли значительные изменения, в том числе и в сторону увеличения значения критического фактора (например, для раскосов 273х7 мм, с 0,84 до 0,95).
Сравнение по основным критическим факторам
16

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Предложено новое решение фланцевого стыка элементов опор по длине, отличающееся от стандартного решения шестиугольной формой фланцев. Достигнуто уменьшение массы фланца на 10 %, уменьшение расходов на материалы – до 22 %, расходов на резку металла – до
47 %, общих расходов на изготовление фланца – до 32 % (использованы средние цены второй четверти 2020 г.).
Разработана конечно-элементная модель расчетной схемы сооружения, учитывающая ограниченную угловую податливость узлов элементов мачты;
Сравнение результатов расчета двух вариантов моделей мачты показало, что для ряда элементов значение основного критического фактора первоначально было недооценено на величину 11 % от критического значения. Таким образом, сделан вывод о необходимости учета угловой податливости узлов при расчете уникальных сооружений с большим уровнем ответственности.
17