Основы расчета и конструирования

Башни. Основные понятия

Это высотное, обычно решетчатые в виде пространственных ферм трех- или четырехгранного, реже многогранного очертания, сооружение, жестко закрепленное к фундаменту (рисунок 1).

Первая радиобашня в Москве построена в 1921 г по проекту академика В.Г. Шухова.

Ствол телебашни в 360 м (Алма-Ата, 1982 г.) состоит из участков цилиндрической формы диаметром от 18,5 м до 9 м, решен в виде решетчатых призм из сварных двутавров. Материал - сталь с σ_т=440 МПа. Расход стали 3700 т.

Башни имеют большую жесткость на кручение, чем мачты.

Основы расчета и конструирования

В башнях с поясами из труб рациональны крестовая решетка с преднапряженными раскосами из круглой стали. При поясах из уголков или других профилей широко используются треугольная и ромбическая решетки со шпренгелями.

При конструировании следует стремиться к снижению аэродинамического сопротивления сооружения в целом.

Усилия в башне определяются как в пространственной статически определимой системе.

Для упрощения расчета башня расчленяется по высоте на участки по 10-20 м, в основании каждого i-го участка определяют усилия М, N, Q (рисунок 2) как в консольной балке от каждой нагрузки.

Рисунок 1 – Схемы типовых четырехгранных телевизионных башен

1 – ствол башни; 2 – ветровая нагрузка; 3 – вертикальная нагрузка Рисунок 2 – К определению усилий в стволе башни (расчетная схема и эпюры)

Действующие нагрузки - собственный вес конструкций, масса технологического оборудования, ветровая, обледенение, температурные.

Расчетная ветровая нагрузка на единицу i-го участка определяется

W_mi=W₀ ·k_zi ·c·γ_f; γ_f=1,4 (1)

где k_zi – коэффициент изменения скоростного напора и зависит от положения I-го участка.

Коэффициент «с» зависит от формы сечения, так для круглых сечений с=с₀·к

коэффициент с₀ зависит от числа Рейнгольдса

R_е =V·d/ν = от 0,4 до 1,2 (2)

где ν = 145·10^-7 м/сек – кинематическая вязкость воздуха по СНиП

R_е =0,88·d ·10⁵ (3)

Продольная сила сжатия N_с в любом из поясов башни, имеющей в сечении форму:

n – угольника (рисунок 3а)

N_c=[2M_i·cosα/n·r_i – N_i/n](1/cosα_i) (4)

- трехгранника (рисунок 3б)

N_c=[-2M_i/а√3 – N_i/3](1/cosα_i) (5)

- четырехгранника (рисунок 3в)

N_c=[-M_i/а√2 – N_i/4](1/cosα_i) (6)

Рисунок 3 – К определению усилий в поясах многогранной (а), трехгранной (б) и четырехгранной (в) башен

Для определения наибольшего растягивающего усилия в поясе изгибающий момент М_i определяют при направлении ветра на пояс, в котором находится усилие. Первый член в формулах (4-6) принимают со знаком «плюс», а значение N_i для второго члена вычисляются с γ_f <1.

Поперечная сила в плоскости любой грани

Q_гр=(2Q_i/n)sin( φ- π/n) (7)

При наличии М_кр в каждой грани возникает дополнительная Q_кр

Q_кр=М_кр/ n·r·cos π/n (8)

Усилия в элементах решетки определяются по сумме Q_гр+Q_кр, действующих в плоскости грани как в плоской консольной ферме.

В первом приближении, прогибы башни определяются как в консольной балке.

На рисунке 4 показаны решения монтажных узлов, применяемых в типовых телебашнях.

Рисунок 4 – Монтажные узлы типовых решетчатых башен