| Часть 1 | Часть 2 >>

Итак, на забор действуют силы собственного веса и силы, вызванные внешними факторами, основным из которых является, конечно же, ветер. Если сила веса действует (почти) вдоль оси столба и (почти) не вызывает изгибающего момента, то ветер норовит дуть поперек забора, и вызывает порой очень значительную нагрузку, многократно превышающую нагрузку от собственного веса.

В результате на заборный столб действует изгибающий момент, достигающий максимума в месте выхода заборного столба из земли. Именно он является основной причиной разрушения (падения) забора. Сразу отметим, что все дальнейшие расчеты основаны на определении максимально допустимого изгибающего момента, действующего на столб в месте его жесткой заделки (у земли).

Моментом от собственного веса (тот, который «почти»…) - пренебрегаем как ничтожно малым. Расчет столба на сжатие (под собственным весом конструкции) не имеет смысла, т.к. даже для трубы квадратного сечения 60х2 мм предельная нагрузка составляет более 7,5 тн, что практически недостижимо при любой конструкции забора и из любых разумных материалов. По той же причине не рассматриваем расчет заборного столба на срез (или чистый сдвиг).

Кроме того, обойден нашим вниманием и расчет столба на устойчивость, т.е. нарушение геометрии стенок и искривление столба в целом из-за потери устойчивости. Расчетом мы пренебрегли ввиду его чрезмерной сложности и нецелесообразности в рамках данной статьи. Откровенно говоря, оценка устойчивости конструкций - самая сложная часть курса инженерно-конструкторского факультета... На практике же нет оснований для беспокойства, т.к. науке неизвестны случаи разрушения забора из-за потери столбами устойчивости. Принципиальная зависимость здесь проста: чем больше типоразмер столба и толщина стенки, тем более устойчив столб!

В данной статье мы рассчитываем не просто предъявить Вам голые цифры, демонстрирующие преимущества наших столбов, но предоставить инструмент для самостоятельного выполнения таких расчетов.

"Ветер, ветер, ты могуч… "

Для начала определимся, какую силу на забор оказывает ветер. Эта сила зависит, во-первых, от скорости ветра, а также от температуры и атмосферного давления. Два последних фактора определяют плотность воздуха, т.е. его массу в одном кубическом метре. Для нормальных условий она составляет 1,22 кг/м3.

Из школьного курса физики мы помним, что с увеличением давления и уменьшением температуры плотность вещества возрастает и наоборот. Так что зимой и при повышенном давлении ветровая нагрузка чуть больше, а летом, при пониженном, – чуть меньше.

Все вышесказанное относится к сухому чистому воздуху. Если же имеет место снежная или песчаная буря или сильный ливень с порывами ветра, то плотность окружающей среды существенно увеличивается на неопределенную величину. В наших расчетах мы предусмотрим такое увеличение нагрузки, введя коэффициент, который в дисциплине «Сопротивление материалов» называется запасом прочности.

Несколько существенней дело обстоит со скоростью ветра. Если зависимость силы ветра от плотности воздуха – линейная, то от скорости – квадратичная, то есть изменяется пропорционально квадрату скорости. Таким образом, скорость ветра – определяющий фактор нагрузки на забор.

Упрощенная формула расчета силы, действующей на площадку размером 1 кв.м. выглядит так:

F=0.61V 2 /9,8

Где F – сила в кгс; 0,61 – 1/2 плотности воздуха (в нормальных условиях), V – скорость ветра в м/с, а 9,8 – это «g» или ускорение свободного падения для перевода непонятных Ньютонов (Н) в понятные килограмм-силы (кгс).

Для различных скоростей ветра его сила F, действующая на 1 кв.м забора приведена в таблице и на графике:

	V, м/с
	5	10	15	20	25
F, кгс	1,56	6,22	14,01	24,90	38,90

Справедливости ради нужно отметить, что скорость ветра в 25 м/с наблюдается в московском регионе крайне редко, но раз в 5-10 лет такое происходит. Поэтому все же возьмем ее за критерий расчета прочности заборного столба. Ведь мы хотим построить забор не на 10 лет, а на 50-100, не так ли? Порывы ветра в 20 м/с – вполне обычное явление и происходят практически каждый год. При этом они могут случиться относительно внезапно, без объявления метеослужбами штормового предупреждения.

Прогнозы скорости ветра более 20 м/с обязательно сопровождаются объявлением штормового предупреждения по всем средствам массовой информации т.к. возникает реальная опасность человеческих жертв от летающих предметов (сучья и ветки, части крыш зданий...) а также от падений деревьев и легких строительных конструкций.

Согласно шкале Бофорта, принятой для оценки скорости ветра Всемирной метеорологической организацией, штормом считается скорость ветра в диапазоне от 20,8 до 24,4 м/с. Для справки, скорость ветра при урагане превышает 32,4 м/с. Он вызывает давление более 64 кгс на м 2 . Передвигаться и даже стоять на месте человеку практически невозможно.

Владимир Васильев, Фаниль Мустафин, Андрей Алехин

Рекламные конструкции, установ-ленные на многолюдных улицах, — весьма ответственные сооружения, которые должны отвечать всем требованиям надежности и безопасности современных норм строительного проектирования.

В мае 2008 года произошло обрушение рекламной конструкции в Уфе на пересечении улиц Лесотехникума и Менделеева. Поскольку рекламная установка была расположена очень выгодно — в месте наибольшего скоп-ления народа, предприятие-изготовитель было заинтересовано в восстановлении конструкции, обеспечив ее безопасность. В связи с этим перед авторами данной работы были поставлены следующие задачи: рассчитать напряженно-деформированное состояние в конструкции (НДС) и выработать конструктивные решения для восстановления ее безопасной эксплуатации. При этом критерием оптимизации должны были стать минимальные экономические затраты, вследствие чего необходимо было сохранить неизменным общий облик начальной конструкции.

Рекламная установка представляет собой три стандартных шита размерами 6Ѕ3 м, расположенные под углом в 120° друг к другу и консольно закрепленные на колонне. Колонна конструктивно выполнена в виде трубы диаметром 530 мм с толщиной стенки 9 мм. Колонна устанавливается на фундамент посредством кольцевого фланцевого соединения. Щиты состоят из металлокаркаса, сваренного из швеллера 14 П, и листов фанеры толщиной 10 мм. Щиты крепятся к колонне кронштейнами, укрепленными стальными косынками толщиной 10 мм (рис. 1).

Для того чтобы понять причины обрушения рекламной конструкции и выдать рекомендации по ее усилению, было принято решение построить ее расчетную модель и выполнить расчет напряженно-деформированного состояния с помощью CAD/CAE-системы автоматизированного проектирования строительных объектов гражданского и промышленного назначения APM Civil Engineering.

Система APM Civil Engineering имеет сертификат соответствия № РОСС RU.СП15.Н00744 требованиям современных нормативных документов строительного проектирования (СП и СНиП):

• СП 20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»);
• СП 14.13330.2011 (СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах»);
• СП 16.13330.2011 (СНиП II-23-81* «Стальные конструкции»);
• СП 15.13330.2012 (СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции»);
• СП 52-101-2003 («Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры»);
• СП 50-101-2004 («Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений»);
• СП 50-102-2003 («Проектирование и устройство свайных фундаментов»);
• СТО 36554501-002-2006 («Деревянные клееные и цельнодеревянные конструкции. Методы проектирования и расчета»);
• ГОСТ Р ИСО 9127-94 («Документация пользователя и информация на упаковке потребительских программных пакетов»);
• ГОСТ Р ИСО/МЭК 12119-2000 («Информационная технология. Пакеты программ. Требования к качеству и тестирование»).

На установку действуют нагрузки согласно СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия: снеговая распределенная нагрузка 200 Н и гололедная нагрузка 2000 Н. Однако за все время эксплуатации конструкции выпадения снега и сколько-нибудь значительного ее обледенения не наблюдалось. Основное влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции оказывает ветровая нагрузка.

Расчет на ветровую нагрузку выполнялся для наиболее неблагоприятных условий, а именно ураганного ветра при скорости V= 30 м/с, так как установка находится на возвышенности на высоте 200 м над уровнем р.Уфы. Значение ветрового давления рассчитываем по формуле q = ρV2/ 2, где ρ= 1,29 кг/м3 — плотность воздуха). Значение ветрового давления составило q= 562 Па.

Ветровая нагрузка задавалась в системе APM Civil Engineering с учетом пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Пульсационная составляющая ветровой нагрузки задается автоматически в диалоговом окне (рис. 2).

Расчет динамической пульсационной ветровой нагрузки включает расчет собственных частот конструкции. Результаты расчета собственных частот представлены на рис. 3.

Учитывая симметрию конструк-ции, собственные частоты повторяются для трех щитов и трех направлений. Собственные частоты колебаний конструкции характеризуются изгибными для щитов (рис. 4), крутильными для щитов (рис. 5) и изгибными для колонны (рис. 6) формами.

Рис. 4. 1-я собственная форма колебаний конструкции — колебания щитов

Рис. 5. 4-я собственная форма колебаний конструкции — крутильная

Рис. 6. 7-я собственная форма колебаний конструкции — изгиб колонны

Собственные частоты колебаний установки составили значения в пределах 3÷17 Гц. Нижние пределы соответствуют частоте возмущающих колебаний ветра. Таким образом, имеется опасность резонансных явлений.

В качестве критериев надежности и безопасности металлоконструкции используются критерии прочности, жесткости и устойчивости.

Полученные в результате прочностного расчета карты напряжений (рис. 7) показывают, что в случае установки укрепляющих косынок на первом и четвертом сверху кронштейнах напряжения достигают максимальных значений в зоне соединения второго сверху кронштейна с вертикальной трубой — опорой, а точнее в области трубы вокруг кронштейна. Эти напряжения достигают 1700 МПа (для стали ВСтЗкп) и 440 МПа (для стали 16Г2АФ). В зоне соединения с трубой третьего сверху кронштейна напряжения в материале трубы вокруг кронштейна составили ~900 МПа. Условие прочности здесь также не выполняется. Напряжения в остальной части трубы не превышает 100 МПа, и условие прочности там выполняется, так как допустимые напряжения для перечисленных материалов можно принять равными: [σ]=150 МПа и [σ]=350 МПа соответственно. Напряжения в кронштейнах, представляющих собой прямоугольные профили, образованные двумя швеллерами, составляют 14 П ~200 МПа, что несколько превышает допустимые напряжения.

Результаты расчета напря-жен-но-деформированного состояния конструкции щита с косынками на всех четырех кронштейнах показывают максимальные напряжения в месте трубы вокруг второго сверху кронштейна ~900 МПа, что также превышает допустимые напряжения.

Причиной завышения напряжений являются «выламывающие» моменты со стороны кронштейнов на вертикальную трубу — колонну, так как швеллеры кронштейнов просто приварены с наружной стороны труб. Из-за небольшого момента сопротивления двух швеллеров создаются большие «выламывающие» напряжения в стенке трубы.

Коэффициент запаса общей устойчивости конструкции — около 15, то есть устойчивость конструкции обеспечена со значительным запасом.

После того как причина недостаточной прочности и безопасности конструкции была выявлена, авторы смогли дать рекомендации для восстановления несущей способности рекламной конструкции. С целью выполнения условия прочности в конструкцию рекламного щита предложено внести следующие элементы усиления:

1. Ко второму сверху кронштейну и колонне приварить кольцо толщиной 10 мм, имеющее внутренний диаметр 530 мм, а наружный — 930 мм (рис. 8).
2. Второй сверху кронштейн, представляющий собой в сечении прямоугольный профиль из двух швеллеров 14 П, и его продолжение в раме щита швеллер 14 П укрепить (приварить к трубе) швеллером 14 П.

Полученная карта эквивалентных напряжений для предлагаемой конструкции представлена на рис. 9. Напряжения в местах со-единения кронштейнов с колонной в кольце не превышают 100 МПа, то есть условие прочности выполняется.

Увеличение жесткости конструкции кольцом и швеллером привело к повышению собственных частот свободных колебаний, что исключило возникновение резонансных явлений от ветра.

Имеет смысл равномерной установки четырех горизонтальных кронштейнов крепления щита к колонне с подкреплением их приваркой к трубе усиливающих колец .

Предложено конструктивное решение повышения прочности рекламных конструкций за счет приварки колец. Данное решение является технологичным, экономичным и надежным по сравнению с известными способами установки в колонне сквозных кронштейнов. 

* Патент РФ № 116197 Мустафин Ф.М., Шаммазов А.М., Васильев В.В., Куценко К.В., Загидуллина А.И., Терехов Д.А., Чэнь Цюнь, Остапчук А.Э. Узел соединения элементов каркасных конструкций // 2012. Бюл. №14

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Расчет конструкции покрытия. Статический расчет щита. Основные геометрические размеры рамы. Сбор нагрузок на раму. Расчет сочетаний нагрузок. Эпюра продольных и поперечных сил по 2 РСН. Подбор сечения полуарки. Проверка прочности биссектрисного сечения.

курсовая работа , добавлен 04.10.2010


Применение древесины в строительстве, оценка ее положительных и отрицательных свойств. Средства соединения элементов деревянных конструкций. Расчет конструкций рабочей площадки, щита и прогонов кровли, клееной балки, центрально-сжатой стойки (колонны).

курсовая работа , добавлен 12.03.2015


Анализ расчетной схемы сварной стержневой конструкции и определение типа поперечного сечения её балки. Расчет прочности балки и её высоты по условиям жесткости и максимального прогиба. Геометрические размеры сечения и прочность стержневой конструкции.

курсовая работа , добавлен 12.09.2015


Конструирование крытого перрона для автовокзала. Характеристика покрытия, подбор материала обшивки, расчет прогонов. Статистический расчет поперечной рамы, особенности конструктивного расчета. Определение прочностных свойств ригеля, подкоса, стойки.

курсовая работа , добавлен 04.10.2010


Компоновочная схема балочной клетки: нормальный тип. Выбор материала, геометрические характеристики сечения. Назначение размеров измененного сечения, определение места изменения. Расчет монтажного стыка на высокопрочных болтах, конструкции базы.

отчет по практике , добавлен 18.04.2015


Расчет конструкции монолитного перекрытия. Определение усилий в плите от нагрузок. Геометрические характеристики сечения. Расчет второстепенной балки по нормальным к продольной оси сечениям. Определение потерь предварительного напряжения арматуры.

курсовая работа , добавлен 24.02.2012


Расчет и конструирование ограждающей конструкции. Геометрические размеры и определение нагрузок на раму, ее статический расчет, подбор сечения и проверка напряжений, оценка устойчивости плоской формы. Конструкции и расчет опорного и конькового узлов.

курсовая работа , добавлен 11.12.2011


Проектирование и расчет многопролетного неразрезного дощато-гвоздевого прогона. Расчет и конструирование металлодеревянной фермы. Расчет клеедеревянной стойки основного цеха, подсобного помещения, внешней клеедеревянной стойки подсобного помещения.

курсовая работа , добавлен 02.07.2014

Похожие статьи