RU2539066C2 - Supporting element - Google Patents
Supporting element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2539066C2 RU2539066C2 RU2013119708/03A RU2013119708A RU2539066C2 RU 2539066 C2 RU2539066 C2 RU 2539066C2 RU 2013119708/03 A RU2013119708/03 A RU 2013119708/03A RU 2013119708 A RU2013119708 A RU 2013119708A RU 2539066 C2 RU2539066 C2 RU 2539066C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- column
- pipe
- tubing
- wind
- stresses
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006231 aramid fiber Polymers 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Foundations (AREA)
- Clamps And Clips (AREA)
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сфере строительства и может использоваться для создания антенных устройств, башенных конструкций и опор для размещения различных объектов на высотах свыше пятисот метров.The invention relates to the field of construction and can be used to create antenna devices, tower structures and supports for placing various objects at heights of more than five hundred meters.
Известна башенная опора, включающая трубчатые металлоконструкции и устройство ограничения поперечных деформаций (см., например, Ю.В. Гайдаров «Предварительно напряженные металлические конструкции». Издательство литературы по строительству. Л., 1971 г., стр.11). Металлоконструкции выполнены из сваренных между собой труб, связанных стяжками, в части которых созданием предварительных напряжений ограничиваются поперечные деформации опоры.A well-known tower support, including tubular metal structures and a device for limiting lateral deformations (see, for example, Yu.V. Gaidarov "Pre-stressed metal structures". Publishing house of construction literature. L., 1971, p. 11). The metal structures are made of pipes welded together, connected by couplers, in part of which the transverse deformations of the support are limited by the creation of prestresses.
Недостатками известной опоры являются большая металлоемкость, обусловленная необходимостью обеспечения устойчивости конструкции к весовой и ветровой нагрузкам, а также большие затраты на изготовление, монтаж и эксплуатацию.The disadvantages of the known supports are large metal consumption, due to the need to ensure the stability of the structure to weight and wind loads, as well as the high cost of manufacture, installation and operation.
Кроме того, к недостаткам всех подобных конструкций необходимо отнести имеющееся внутреннее противоречие: решение задачи обеспечения устойчивости приводит к возрастанию массы и площади боковой поверхности (парусности) всего сооружения, что ведет к увеличению весовой и ветровой нагрузок, создающих угрозу этой самой устойчивости. Данное противоречие ограничивает высоту подобных сооружений и их несущую способность.In addition, the existing internal contradiction must be attributed to the shortcomings of all such structures: solving the stability problem leads to an increase in the mass and lateral surface area (windage) of the entire structure, which leads to an increase in weight and wind loads that pose a threat to this very stability. This contradiction limits the height of such structures and their bearing capacity.
Указанные недостатки частично устранены в другом известном опорном элементе, включающем трубчатые металлоконструкции и устройство ограничения поперечных деформаций (см., например, Ю.В. Гайдаров «Предварительно напряженные металлические конструкции». Издательство литературы по строительству, Л., 1971 г, стр.91-93). Устройство ограничения поперечных деформаций выполнено в виде герметичных элементов, заполненных сжатым воздухом.These disadvantages are partially eliminated in another known support element, including tubular metal structures and a device for limiting lateral deformations (see, for example, Yu.V. Gaidarov, “Pre-stressed Metal Structures.” Publishing House of Construction Literature, L., 1971, p. 91 -93). The device for limiting lateral deformations is made in the form of sealed elements filled with compressed air.
Недостатком известного опорного элемента является снижение его надежности и безопасности при увеличении давления воздуха, необходимого для обеспечения искомой устойчивости конструкции, что ведет к ограничению величины давления и, как следствие, высоты проектируемого сооружения.A disadvantage of the known support element is the decrease in its reliability and safety with increasing air pressure necessary to ensure the desired stability of the structure, which leads to a limitation of the pressure and, as a consequence, the height of the designed structure.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный опорный элемент, включающий трубчатые металлоконструкции и устройство ограничения поперечных деформаций (см., например, авторское свидетельство СССР №1687848, F03D 11/04).The closest in technical essence and the achieved result is a known supporting element, including tubular metal structures and a device for limiting lateral deformations (see, for example, USSR author's certificate No. 1687848, F03D 11/04).
Устройство ограничения поперечных деформаций представляет собой рычаг, опора которого закреплена на башне ветроагрегата. На коротком плече рычага шарнирно закреплен верхний конец стяжки, соединенной нижним концом с основанием башни. На длинном плече рычага закреплен ветровоспринимающий орган. При воздействии ветра на ветровоспринимающий орган происходит дополнительное натяжение стяжек, обусловливающее возрастание давления рычага на его опору и увеличение сжимающей нагрузки на башню, ограничивающее поперечные деформации последней.The device for limiting lateral deformations is a lever, the support of which is fixed on the tower of the wind turbine. The upper end of the coupler connected to the base of the tower by the lower end is pivotally mounted on the short arm of the lever. A wind-sensing organ is fixed on the long arm of the lever. When the wind acts on the wind-receiving organ, additional tension of the screeds occurs, causing an increase in the pressure of the lever on its support and an increase in the compressive load on the tower, which limits the lateral deformations of the latter.
Недостатком известного опорного элемента является создание сжимающих напряжений в башне, обусловливающих снижение продольной устойчивости, которое приводит к увеличению металлоемкости и ограничению высоты конструкции.A disadvantage of the known support element is the creation of compressive stresses in the tower, causing a decrease in longitudinal stability, which leads to an increase in metal consumption and limitation of the height of the structure.
Целью предлагаемого технического решения является снижение металлоемкости при одновременном расширении его функциональных возможностей.The aim of the proposed technical solution is to reduce the metal consumption while expanding its functionality.
Указанная цель достигается тем, что в известном опорном элементе, включающем трубчатые металлоконструкции и устройство ограничения поперечных деформаций, трубчатые металлоконструкции снабжены многослойной обмоткой высокопрочного материала, навитого на наружную поверхность труб с натягом каждого слоя, и выполнены в виде некоторого числа соединенных между собой насосно-компрессорных труб, образующих герметичную относительно окружающего пространства внутреннюю полость, а устройство ограничения поперечных деформаций - в виде источника гидравлического давления, сообщенного с внутренней полостью насосно-компрессорных труб, заполненной жидкостью.This goal is achieved by the fact that in the known support element, which includes tubular metal structures and a device for limiting lateral deformations, tubular metal structures are provided with a multilayer winding of high strength material wound on the outer surface of the pipes with an interference fit of each layer, and are made in the form of a number of interconnected tubing pipes forming an internal cavity sealed relative to the surrounding space, and a device for limiting lateral deformations - in the form of a source ka hydraulic pressure in communication with the internal cavity of the tubing filled with liquid.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен продольный разрез опорного элемента; на фиг.2 - схема образования дополнительной площади для расчета величины поперечных деформаций.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawing, where figure 1 shows a longitudinal section of a support element; figure 2 is a diagram of the formation of additional area for calculating the magnitude of transverse strains.
Опорный элемент включает в себя некоторое количество насосно-компрессорных труб 1 (далее НКТ или трубы), соединенных друг с другом с помощью муфт 2 в колонну 3. Количество НКТ 1 в колонне 3 определяется требуемой высотой сооружаемого объекта. Верхняя труба в колонне снабжена резьбовой заглушкой 4.The support element includes a number of tubing 1 (hereinafter tubing or pipe) connected to each other by means of
Вместо насосно-компрессорных труб 1 в предлагаемом техническом решении допустимо использование бурильных или обсадных труб, изготавливаемых нашей промышленностью.Instead of tubing 1 in the proposed technical solution, it is permissible to use drill or casing pipes manufactured by our industry.
На наружную поверхность каждой трубы 1, включая муфту 2, с натягом каждого слоя нанесена многослойная обмотка 5 из высокопрочного материала, например, углеродного, арамидного волокна (в виде жгута, тканой ленты и т.п.) или стальной ленты, создающая предварительное напряжение сжатия в стенке трубы 1. После нанесения обмотка 5 любым известным способом фиксируется на трубе в натянутом состоянии.On the outer surface of each pipe 1, including the
Нижняя труба 6 в колонне 3 закреплена в фундаменте 7. Внутренняя полость НКТ 1 заполнена гидравлической жидкостью, например, маслом и соединена с источником гидравлического давления 8.The lower pipe 6 in the column 3 is fixed in the foundation 7. The inner cavity of the tubing 1 is filled with hydraulic fluid, for example, oil and connected to a source of hydraulic pressure 8.
Опорный элемент работает следующим образом.The support element operates as follows.
При моментах затяжки резьбы НКТ более 1000 Н·м с одновременным применением антифрикционно-уплотняющей смазки резьбовые соединения насосно-компрессорных труб 1 с муфтами 2, заглушкой 4 и стаканом 6 становятся герметичными и после заполнения внутренней полости гидравлической жидкостью надежно удерживают создаваемое внутреннее давление вплоть до достижения предела прочности стенки НКТ. Для повышения надежности герметизации вместо антифрикционно-уплотняющей смазки возможно использование резьбопаяных соединений НКТ 1 с муфтами 2.When the tightening torque of the tubing thread is more than 1000 N · m with the simultaneous use of antifriction-sealing grease, the threaded connections of tubing 1 with
Предварительное заполнение системы маслом производится при незатянутой верхней заглушке 4, что позволяет удалить весь воздух, содержащийся во внутренней полости труб 1 колонны 3. После полного заполнения указанных объемов затягивается резьбовое соединение трубы 1 и заглушки 4.The system is pre-filled with oil when the
Ветровая нагрузка на боковую поверхность опорного элемента вызывает его изгиб. При этом участки боковой поверхности колонны 3, расположенные по отношению к центру кривизны изгиба дальше изогнутой оси трубы, растягиваются, а расположенные ближе оси трубы сжимаются. Таким образом, на трубах образуется дополнительная боковая поверхность снаружи от оси НКТ (по отношению к центру кривизны) и сокращается соответствующая поверхность внутри оси.Wind load on the side surface of the support element causes it to bend. In this case, the sections of the lateral surface of the column 3, located relative to the center of curvature of the bend farther than the curved axis of the pipe, are stretched, and closer to the axis of the pipe are compressed. Thus, an additional lateral surface is formed on the pipes outside the tubing axis (with respect to the center of curvature) and the corresponding surface inside the axis is reduced.
Давление масла на избыточную поверхность, образованную со стороны действия ветровой нагрузки, формирует распределенную по длине силу противодействия, стремящуюся восстановить прямолинейность оси колонны, и ограничивает величину поперечных деформаций, то есть прогиба опорного элемента.The oil pressure on the excess surface formed from the side of the wind load generates a counter-force distributed along the length, which tends to restore the straightness of the axis of the column, and limits the amount of transverse deformations, that is, the deflection of the support element.
Особенно значимым подобный вывод оказывается при необходимости размещения каких-либо объектов на высотах от пятисот метров и выше, когда именно парусность объекта ставит неразрешимые проблемы, препятствующие реализации проектов. Легко проверить: без создания во внутренней полости НКТ избыточного давления колонна высотой более 50 метров падает на землю.This conclusion is especially significant if it is necessary to place any objects at heights of five hundred meters and above, when it is the windage of the object that poses insoluble problems that impede the implementation of projects. It is easy to verify that without creating excess pressure in the inner tubing cavity, a column with a height of more than 50 meters falls to the ground.
Ниже приведены расчетные оценки определения максимального отклонения от вертикали свободного конца колонны.Below are the estimated estimates for determining the maximum deviation from the vertical of the free end of the column.
В качестве исходных принимаются следующие данные и допущения.The following data and assumptions are accepted as initial data.
Расчетная высота колонны L=1000 метров. Вес колонны вместе с массой намотанного слоя p=18700 кг.Estimated column height L = 1000 meters. The weight of the column together with the mass of the wound layer p = 18700 kg.
Для изготовления выбраны насосно-компрессорные трубы с высаженными наружу концами: B - 89×8 - P ГОСТ 633-80 (категории прочности «Р»). Наружный диаметр D=0,089 м, внутренний диаметр d=2r1=0,073 м, толщина стенки s=0,008 м, длина l=10 м. Предел текучести σт=930 МПа (9490 кг/см2), модуль упругости Е=2000000 кг/см2, момент инерции lx=πD3/S=221,47 см4, распределенная весовая нагрузка q=0,16 кг/см.For the manufacture of tubing with upset ends: B - 89 × 8 - P GOST 633-80 (strength category "R"). Outer diameter D = 0.089 m, inner diameter d = 2r 1 = 0.073 m, wall thickness s = 0.008 m, length l = 10 m. Yield strength σ t = 930 MPa (9490 kg / cm 2 ), elastic modulus E = 2,000,000 kg / cm 2 , moment of inertia l x = πD 3 / S = 221.47 cm 4 , distributed weight load q = 0.16 kg / cm.
Наматываемый материал - углеродное волокно с пределом прочности на растяжение (σp) не менее 3,5 ГПа (34300 кг/см2) и модулем упругости Е не менее 400 ГПа. Толщина наматываемого слоя - 0,01 м. Наружный диаметр колонны Dk=0,109 м.The wound material is carbon fiber with a tensile strength (σ p ) of at least 3.5 GPa (34300 kg / cm 2 ) and elastic modulus E of at least 400 GPa. The thickness of the wound layer is 0.01 m. The outer diameter of the column is D k = 0.109 m.
Величина рабочего гидравлического давления - p=500 МПа (4900 кг/см2).The magnitude of the working hydraulic pressure is p = 500 MPa (4900 kg / cm 2 ).
Усредненные по высоте колонны плотность воздуха p=1,225 кг/м3 и коэффициент кинематической вязкости воздуха v=15,2×10-6 м2/сек (см., например, Г.А.Савицкий «Ветровая нагрузка на сооружения». Издательство литературы по строительству, М., 1972, стр.36).The density of air averaged over the height of the column is p = 1.225 kg / m 3 and the kinematic viscosity coefficient of air is v = 15.2 × 10 -6 m 2 / s (see, for example, G. A. Savitsky “Wind load on structures.” Publishing House literature on construction, M., 1972, p. 36).
Максимальная скорость ветра υ=60 м/сек (216 км/час).Maximum wind speed υ = 60 m / s (216 km / h).
В качестве допущения принимаем, что форма изогнутой оси колонны труб при наличии внутреннего давления представляет собой окружность.As an assumption, we assume that the shape of the bent axis of the pipe string in the presence of internal pressure is a circle.
Далее определяем ветровую нагрузку:Next, we determine the wind load:
Cx=0,2 - коэффициент лобового сопротивления длинного шероховатого цилиндра для Re=υ·D/v=3,9·105 (см. там же, стр.44, рис.3.8),C x = 0.2 is the drag coefficient of a long rough cylinder for Re = υ · D / v = 3.9 · 10 5 (see ibid., P. 44, Fig. 3.8),
Sпар - площадь проекции боковой поверхности колонны НКТ, на плоскость перпендикулярную к направлению ветра,S pairs - the projection area of the lateral surface of the tubing string, on a plane perpendicular to the direction of the wind,
Sпар=Dk·L=0,109·1000=109 м2.S steam = D k · L = 0.109 · 1000 = 109 m 2 .
Подставляя численные значения параметров в формулу (1), получим Fв=4905 кг.Substituting the numerical values of the parameters in the formula (1), we obtain F in = 4905 kg.
При действии на боковую поверхность опорного элемента ветровой нагрузки начинается его изгиб относительно некоего центра кривизны. Участки поверхности труб 1 колонны 3, расположенные по отношению к центру кривизны изгиба снаружи изогнутой оси колонны (с выпуклой стороны), растягиваются, а расположенные внутри (с вогнутой стороны) - сжимаются. Упругие деформации растяжения и сжатия образуют на поверхности колонны фигуру, близкую к цилиндрическому отрезку, то есть геометрическому телу, отсекаемому от прямого кругового цилиндра плоскостью, проходящей через диаметр ВС основания цилиндра под углом α (см. фиг.2, цилиндрический отрезок заштрихован).When the wind load acts on the lateral surface of the support element, it begins to bend relative to a certain center of curvature. The surface sections of the pipes 1 of the column 3, located relative to the center of curvature of the bend outside the bent axis of the column (from the convex side), are stretched, and those located inside (from the concave side) are compressed. Elastic tensile and compression deformations form on the column surface a figure close to a cylindrical segment, i.e. a geometric body cut off from a straight circular cylinder by a plane passing through the diameter of the cylinder base at an angle α (see Fig. 2, the cylindrical segment is shaded).
В данном примере цилиндром является внутренняя поверхность НКТ, а секущей плоскостью - крайнее сечение BCD колонны, повернутое к основанию цилиндра АВС на определенный угол α, при ее максимальном прогибе под действием ветровой нагрузки. Вследствие малой кривизны колонны при ветровом воздействии пренебрегаем «тороидальностью» рассматриваемого цилиндрического отрезка.In this example, the cylinder is the inner surface of the tubing, and the secant plane is the extreme section of the BCD column, turned to the base of the ABC cylinder at a certain angle α, with its maximum deflection under the influence of the wind load. Due to the small curvature of the column under wind exposure, we neglect the “toroidality” of the cylindrical segment in question.
Цилиндрический отрезок образован двумя одинаковыми «лепестками». Один: ABDC (выделен вертикальной штриховкой), - образован на растянутых, а второй - на сжатых волокнах стенки трубы (на фиг.2 не показан). Площадь боковой поверхности каждого из «лепестков» (см., например, Г.М. Фихтенгольц «Курс дифференциального и интегрального исчисления», том 2, Изд. Наука, Москва, 1969 г., стр.222):The cylindrical segment is formed by two identical "petals". One: ABDC (highlighted by vertical shading), - formed on stretched, and the second - on the compressed fibers of the pipe wall (not shown in figure 2). The area of the lateral surface of each of the “petals” (see, for example, G. M. Fichtengolts “The Course of Differential and Integral Calculus”,
Sцил.=d·h, где h=AD.S cyl. = d · h, where h = AD.
Площадь боковой поверхности цилиндрического отрезка (двух «лепестков») при изгибе является тем неуравновешенным участком поверхности, действуя на который давление масла создает силу, противодействующую отклонению оси колонны от прямой линии. Необходимо помнить, что данная площадь боковой поверхности равномерно распределена по длине колонны, вследствие чего и сила, противоположная направлению ветра, является распределенной нагрузкой, действующей на всей длине опорного элемента.The area of the lateral surface of a cylindrical segment (two "petals") during bending is that unbalanced surface area, acting on which the oil pressure creates a force that counteracts the deviation of the axis of the column from a straight line. It must be remembered that this area of the lateral surface is evenly distributed along the length of the column, as a result of which the force opposite to the direction of the wind is a distributed load acting along the entire length of the supporting element.
Компенсирующая ветровую нагрузку сила является равнодействующей всех сил давления, которые согласно закону Паскаля действуют разнонаправленно, и определяется:The force compensating the wind load is the resultant of all pressure forces, which according to Pascal's law act in different directions, and is determined:
Fкомп.=p·Sпр., гдеF comp. = p · S ave , where
Sпр. - площадь проекции B'C'D' цилиндрического отрезка на плоскость, перпендикулярную направлению ветровой нагрузке (на фиг.2 затонирована).S Ave - the projection area B'C'D 'of the cylindrical segment on a plane perpendicular to the direction of the wind load (toned in figure 2).
Площадь проекции двух «лепестков» цилиндрического отрезка ABDC равна удвоенной площади полуэллипса B'C'D':The projection area of the two “petals” of the cylindrical segment ABDC is equal to twice the area of the semi-ellipse B'C'D ':
Sпр.=π·A'B'·A'D'=πhd/2.S pr. = Π · A'B '· A'D' = πhd / 2.
Величину отрезка AD=A'D'=h можно определить из условия равенства ветровой нагрузки Fв. противодействующему ей усилию Fкомп.:The value of the segment AD = A'D '= h can be determined from the condition of equality of the wind load F in. counteracting her effort F comp. :
Fв.=Fкомп.;F century = F comp ;
h=2Fв./πdp=9810/π4900 7,3=0,087 см.h = 2F in. / πdp = 9810 / π4900 7.3 = 0.087 cm.
Далее определим угол поворота крайнего сечения колонны α из выражения:Next, we determine the angle of rotation of the extreme section of the column α from the expression:
tgα=2h/d=0,0239 и α=1,37°.tgα = 2h / d = 0.0239 and α = 1.37 °.
Учитывая допущение о форме изогнутой оси колонны, - находим радиус кривизны колонны 3, используя простые зависимости: C=2πR и C=360·L/α, откуда:Given the assumption about the shape of the bent axis of the column, we find the radius of curvature of column 3 using simple dependencies: C = 2πR and C = 360 · L / α, whence:
R=L·360/2π·α=1000·360/2π·1,37°=41822 м.R = L · 360 / 2π · α = 1000 · 360 / 2π · 1.37 ° = 41822 m.
Наконец, определяем величину отклонения от вертикали верхнего конца колонны под действием ветра δ:Finally, we determine the amount of deviation from the vertical of the upper end of the column under the influence of wind δ:
Полученный результат показывает, что предлагаемое техническое решение способно кардинально ограничивать отклонение опорного элемента под действием поперечных нагрузок от продольной оси. Практически, величина отклонения будет еще меньше, поскольку ее (помимо компенсирующей силы) ограничивает изгибающий момент от силы внутреннего давления на заглушку, возникающий при искривлении оси защемленной трубы и, вместе с моментом компенсирующей силы, направленный на восстановление прямолинейности оси колонны.The result shows that the proposed technical solution is able to drastically limit the deviation of the support element under the action of transverse loads from the longitudinal axis. In practice, the deviation will be even smaller, since it (in addition to the compensating force) limits the bending moment from the internal pressure force on the plug, arising when the axis of the clamped pipe is curved and, together with the moment of the compensating force, is aimed at restoring the straightness of the column axis.
Подставив в выражение (2) центральный угол α1=α/100, определим отклонение от продольной оси одной трубы, входящей в состав колонны, δ1=0,12 см. Сравним это значение с максимальным прогибом под собственным весом горизонтально расположенной консольной трубы с защемленным концом. Прогиб (см., например, В.И. Анурьев «Справочник конструктора-машиностроителя», том 1, Машиностроение, М., 1980 г., стр.78): ymax=ql4/8Elx=45,15 см.Substituting in the expression (2) the central angle α 1 = α / 100, we determine the deviation from the longitudinal axis of one pipe included in the column, δ 1 = 0.12 cm. Let us compare this value with the maximum deflection under the own weight of the horizontally located cantilever pipe with pinched end. Deflection (see, for example, V.I. Anuryev, “A Handbook of a Mechanical Engineering Designer”, Volume 1, Mechanical Engineering, Moscow, 1980, p. 78): y max = ql 4 / 8El x = 45.15 cm.
Напряжения в защемленном конце трубы (см., например, В.И. Феодосьев «Сопротивление материалов», М., Наука, 1979 г., стр.131): σ1=Мизг./Wx=2ql2/πD2s=1607 кг/см2.Stresses at the pinched end of the pipe (see, for example, V.I. Feodosiev, “Resistance of materials,” M., Nauka, 1979, p. 131): σ 1 = M out . / W x = 2ql 2 / πD 2 s = 1607 kg / cm 2 .
То есть напряжения в заделке значительно меньше предела текучести стали, из которой изготовлена труба. А поскольку в упругой области напряжения пропорциональны деформациям, то по отношению последних можно сделать вывод о величине напряжений в заделке колонны: σ=σ1δ1/ymax=4,27 кг/см2.That is, the stress in the seal is much less than the yield strength of the steel of which the pipe is made. And since in the elastic region the stresses are proportional to the strains, we can conclude with respect to the latter about the magnitude of the stresses in the embedment of the column: σ = σ 1 δ 1 / y max = 4.27 kg / cm 2 .
Отсюда видно, что при реальных прогибах колонны напряжения в защемленном конце пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями от внутреннего давления.It can be seen from this that with real deflections of the column, the stresses at the clamped end are negligible compared to stresses from internal pressure.
Напряжения в колонне с учетом внутреннего давления можно определить по выражениям (см., например, С.В. Бояршинов «Основы строительной механики машин», М., Машиностроение, 1973 г., стр.64):Stresses in the column, taking into account the internal pressure, can be determined by the expressions (see, for example, S.V. Boyarshinov “Fundamentals of the construction mechanics of machines”, M., Mechanical Engineering, 1973, p. 64):
где:Where:
σr и σt - радиальное и окружное напряжения;σ r and σ t are the radial and circumferential stresses;
pвн и pн - внутреннее (рабочее) и наружное давление;p vn and p n - internal (working) and external pressure;
r1, r2 и r - внутренний, наружный и текущий радиусы трубы.r 1 , r 2 and r are the inner, outer and current radii of the pipe.
Решая задачу нахождения напряжений, разбиваем ее на этапы, определяя напряжения на каждом из них.Solving the problem of finding stresses, we divide it into stages, determining the stresses on each of them.
На первом рассматриваем отдельно внутренний цилиндр, нагруженный только наружным давлением pн. Под наружным давлением в данном примере понимаем контактное давление pк, создаваемое в материале трубы навиваемым с натягом высокопрочным материалом. Натягом назовем растягивающее усилие в материале, которым производится навивка.At the first, we consider separately the inner cylinder, loaded only with external pressure p n . By external pressure in this example we mean the contact pressure p k created in the pipe material by a high-strength material which is wound with interference. Tension is the tensile force in the material by which the winding is made.
Формулы (3) и (4) приобретают вид:Formulas (3) and (4) take the form:
Напряжения на внутренней поверхности внутреннего цилиндра (в нашем примере трубы): σr=0;
Напряжения на наружной поверхности внутренней трубы:Stresses on the outer surface of the inner pipe:
σr=-pк;
На втором этапе рассматриваем отдельно наружный цилиндр (в нашем примере обмотку), для которого контактное давление pк будет внутренним давлением, r2 - внутренним радиусом и R - наружным радиусом.At the second stage, we consider separately the outer cylinder (in our example, the winding), for which the contact pressure p k will be the internal pressure, r 2 - the inner radius and R - the outer radius.
На внутренней поверхности обмотки:On the inner surface of the winding:
σr=-pк;
На наружной поверхности обмотки:On the outer surface of the winding:
σr=0;
На третьем этапе загружаем составной цилиндр рабочим давлением и рассматриваем напряженное состояние без учета контактного давления.At the third stage, we load the composite cylinder with working pressure and consider the stress state without taking into account contact pressure.
На внутренней поверхности трубы:On the inner surface of the pipe:
σr=-pвн;
На наружной поверхности обмотки:On the outer surface of the winding:
σr=0;
Наконец, суммируем напряжения, действующие в каждой из исследуемых точек, и, подставляя численные значения параметров, получим.Finally, we summarize the stresses acting at each of the studied points, and, substituting the numerical values of the parameters, we obtain.
На внутренней поверхности трубы:On the inner surface of the pipe:
σr=-pвн=-9800 кг/см2,
На наружной поверхности трубы (внутренней поверхности обмотки):On the outer surface of the pipe (inner surface of the winding):
σr=-pк=-3000 кг/см2,
На наружной поверхности обмотки: σr=0;
Окружные напряжения составляют менее 65% от предела текучести материала трубы, что вполне приемлемо с точки зрения устойчивости к наружному обжатию.Circumferential stresses make up less than 65% of the yield strength of the pipe material, which is quite acceptable from the point of view of resistance to external compression.
Выше нами не рассматривались осевые напряжения σz; в колонне, которые остаются неизменными в любом из рассматриваемых сечений.Above, we did not consider axial stresses σ z ; in a column that remain unchanged in any of the sections under consideration.
С учетом веса самой колонны:
Очевидно, что труба не выдержит такую растягивающую нагрузку. Максимальная допустимая растягивающая нагрузка на НКТ с учетом веса колонны не превышает 120 тонн.Obviously, the pipe will not withstand such a tensile load. The maximum allowable tensile load on the tubing, taking into account the weight of the string, does not exceed 120 tons.
Решением проблемы является увеличение массы навесного оборудования или иного объекта, удерживаемого предлагаемым опорным элементом, до 300 тонн, ради чего и предложен исследуемый объект.The solution to the problem is to increase the mass of attachments or other objects held by the proposed support element, up to 300 tons, for the sake of which the investigated object is proposed.
В случае применения опорного элемента при недостаточности массы полезного груза на него необходимо навешивать балласт или использовать дополнительные стяжки, размещаемые во внутренней полости колонны 3 и соединяющие заглушку 4 верхней трубы 1 с фундаментом 7 колонны. Внутренний способ размещения позволяет не увеличивать парусность опорного элемента и его ветровую нагрузку. Стяжки изготавливаются из того же углеродного волокна, что и наружная обмотка 5.In the case of the use of the support element with insufficient mass of the payload, it is necessary to hang ballast on it or use additional ties placed in the inner cavity of the column 3 and connecting the
Таким образом, приведенные оценки подтверждают работоспособность предлагаемого технического решения, позволяющего создавать объекты, которые ранее было невозможно изготовить.Thus, the above estimates confirm the operability of the proposed technical solution that allows you to create objects that were previously impossible to manufacture.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013119708/03A RU2539066C2 (en) | 2013-04-29 | 2013-04-29 | Supporting element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013119708/03A RU2539066C2 (en) | 2013-04-29 | 2013-04-29 | Supporting element |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013119708A RU2013119708A (en) | 2014-11-10 |
RU2539066C2 true RU2539066C2 (en) | 2015-01-10 |
Family
ID=53288439
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013119708/03A RU2539066C2 (en) | 2013-04-29 | 2013-04-29 | Supporting element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2539066C2 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU889915A1 (en) * | 1980-03-06 | 1981-12-15 | Горьковский инженерно-строительный институт им.В.П.Чкалова | Part connection |
SU1687848A1 (en) * | 1989-10-17 | 1991-10-30 | Кооператив "Натиск" | Bearing device for win motor |
RU601U1 (en) * | 1994-03-01 | 1995-07-16 | Валерий Александрович Сырых | Free-standing metal chimney |
US6202369B1 (en) * | 1996-08-21 | 2001-03-20 | Stanley E. Partee | Universal anchor system |
RU2178355C2 (en) * | 1995-05-31 | 2002-01-20 | Н.В. Рейкем С.А. | Tubular product, methods for its production and use (versions) |
RU2317385C1 (en) * | 2006-05-02 | 2008-02-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" | Assemblage method for elongated structures provided with flange connections |
RU2473750C1 (en) * | 2011-08-10 | 2013-01-27 | Закрытое акционерное общество "ЭРКОН" | Joint of composite tube confined concrete rods |
-
2013
- 2013-04-29 RU RU2013119708/03A patent/RU2539066C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU889915A1 (en) * | 1980-03-06 | 1981-12-15 | Горьковский инженерно-строительный институт им.В.П.Чкалова | Part connection |
SU1687848A1 (en) * | 1989-10-17 | 1991-10-30 | Кооператив "Натиск" | Bearing device for win motor |
RU601U1 (en) * | 1994-03-01 | 1995-07-16 | Валерий Александрович Сырых | Free-standing metal chimney |
RU2178355C2 (en) * | 1995-05-31 | 2002-01-20 | Н.В. Рейкем С.А. | Tubular product, methods for its production and use (versions) |
US6202369B1 (en) * | 1996-08-21 | 2001-03-20 | Stanley E. Partee | Universal anchor system |
RU2317385C1 (en) * | 2006-05-02 | 2008-02-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" | Assemblage method for elongated structures provided with flange connections |
RU2473750C1 (en) * | 2011-08-10 | 2013-01-27 | Закрытое акционерное общество "ЭРКОН" | Joint of composite tube confined concrete rods |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013119708A (en) | 2014-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104792516B (en) | A kind of H types blade of vertical axis wind turbine fatigue test of structure device and method | |
NO315284B1 (en) | Riser pipe for connection between a vessel and a point on the seabed | |
CN105887703A (en) | Replacing device for concrete tied arch bridge flexible suspension rod and using method thereof | |
CN106592585A (en) | Extension body compaction pile capable of eliminating pile foundation negative friction and construction method | |
Kokoshin et al. | The use of flexible tubular elements of the overhaul and tunnels reconstruction | |
Zhang et al. | Determination of the bearing capacity of a concrete-filled steel tubular arch support for tunnel engineering: Experimental and theoretical studies | |
NO136550B (en) | ||
KR101045884B1 (en) | Reliability Evaluation and Recovery Method of High Temperature High Pressure Piping and Support System Reflecting Operating Environment | |
RU2539066C2 (en) | Supporting element | |
CN207568156U (en) | Steel platform supports bracket | |
CN106404260B (en) | A kind of method for early warning based on pipeline axial direction monitor stress | |
CN204594684U (en) | A kind of blade construction fatigue experimental device | |
CN115481470A (en) | Internal force calculation method for tunnel secondary lining vault hollow lining | |
CN114046761A (en) | Device and method for measuring pipe orifice installation gap of concrete pipeline | |
CN113445994B (en) | Conversion method of pumping work diagram of pumping unit based on continuous system mode shape superposition method | |
Sundberg | Anchor block design made easy | |
Unterweger et al. | Steel‐lined pressure shafts–appropriate design for external pressure | |
CN205483825U (en) | Interior water pressure that buries ground rigidity pipeline under pressure jointly adds lotus testing equipment with outer load | |
Ilinca et al. | A Special Pipe Support Analysis | |
de Winter | Deformation capacity of steel tubes in deep water | |
Melissianos et al. | Upheaval buckling of onshore buried steel pipelines with flexible joints | |
Guarracino | Analytical evaluation of local effects in cylindrical shells testing and design | |
Gresnigt et al. | Local buckling and deformation capacity of tubes in steel structures | |
Lv et al. | Numerical Calculation of Internal Force of Segment Lining in Shield Tunnel | |
Sika Okyere | Stress‐Based Design of Pipelines |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150430 |