Решетчатая башня

 

Изобретение относится к строительству, а именно к строительству стальных решетчатых башен, предназначенных для размещения радиотелевизионных антенн, линий электропередач, а также для поддержания газоотводящих стволов. Цель изобретения: повышение надежности конструкции башни при экстремальных ветровых нагрузках. Башня имеет четное число граней, содержит пояса, раскосы, наклонные и горизонтальные распорки. Отличается от известных тем, что каждый узел соединен десятью стержнями с ближайшими к нему узлами, при этом каждые шесть стержней, соединяющих четыре ближайших друг к другу узла, образуют жесткий пространственный элемент, имеющий форму неправильного тетраэдра, а каждые два соседних элемента имеют три общих стержня. 3 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к строительству стальных решетчатых башен, предназначенных для размещения радиотелевизионных антенн, линий электропередач, а также для поддержания вытяжных и дымовых стволов различных промышленных производств.

Известны стальные решетчатые башни [1 и 2] состоящие из секций, содержащих плоские панели, образованные несущими поясами, раскосами и горизонтальными распорками.

Такие башни содержат минимальное количество стержней и имеют простейшую конструкцию узловых соединений. В связи с этим каждый стержень и узел конструкции становится незаменимым. В случае выхода из строя во время бури одного из несущих стержней или связанного с ним узлового соединения башня разрушается. Усиление несущих стержней путем увеличения площади поперечного сечения увеличивает материалоемкость башни.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой башне является решетчатая секционная башня [3] состоящая из несущих поясов, горизонтальных распорок, соединяющих пояса башни по ее периметру; элементов диафрагм и раскосов, образующих плоские фермы, расположенные в вертикальных плоскостях, проходящих через оси чередующихся в поперечном сечении башни через один поясов башни, причем это чередование меняется в каждой секции башни по ее высоте таким образом, что в каждых двух смежных по высоте секциях пояса, через которые проходят упомянутые вертикальные плоскости, чередуются. В такой конструкции башни сокращается количество раскосов и узлов их прикрепления, а также количество элементов в диафрагмах. Чередование плоских ферм по высоте в смежных секциях башни обеспечивает развязку поясов в нескольких плоскостях. Все это приводит к снижению материалоемкости башни и упрощению конструкции ее узловых элементов.

Выбранная в качестве прототипа башня с точки зрения принципов надежности обладает тремя основными недостатками.

Башня содержит дублирующие пояса и горизонтальные распорки, но в ней отсутствуют дублирующие раскосы. Отсутствие резервных раскосов снижает надежность конструкции. При выходе из строя одного из раскосов в критических ситуациях башня потеряет жесткость и разрушится.

Малое количество раскосов не позволяет создать в конструкции жесткие пространственные элементы, имеющие форму тетраэдра. Это снижает жесткость всей конструкции.

Стремление к минимальному числу раскосов и упрощению конструкции узловых соединений снижает многосвязность между элементами башни. Это не дает возможности осуществить один из основных принципов надежности принцип функциональной избыточности, т.е. способность конструкции при выходе из строя тех или иных ее элементов возлагать выполнение их функций на другие элементы. Это снижает надежность конструкции башни.

Цель изобретения повышение надежности конструкции башни при экстремальных ветровых нагрузках.

Это достигается тем, что каждый узел соединен десятью стержнями с ближайшими к нему узлами, при этом каждые шесть стержней, соединяющих четыре ближайших друг к другу узла, образуют жесткий пространственный элемент, имеющий форму неправильного тетраэдра, а каждые два соседних элемента имеют три общих стержня.

Предлагаемая конструкция башни обладает рядом существенных отличий от конструкции башни, выбранной в качестве прототипа.

Во-первых, в ней найдены новые связи между поясными стержнями, раскосами, наклонными и горизонтальными распорками. При таких связях названные стержни образуют множество пространственных элементов, имеющих форму неправильного тетраэдра. Такие элементы обладают самой высокой теоретически возможной жесткостью. Каждые два жестких соседних элемента имеют три общих стержня, т.е. жестко соединены друг с другом. Стержневая конструкция, состоящая из жестко соединенных друг с другом жестких пространственных элементов, называется структурной конструкцией.

Структурные конструкции обладают большой жесткостью и повышенной надежностью от внезапного разрушения.

В конструкции башни прототипа поясные стержни, раскосы и горизонтальные распорки образуют только плоские решетчатые элементы, обладающие меньшей жесткостью.

Предлагаемая башня имеет структурную конструкцию, а башня-прототип секционную конструкцию, состоящую из плоских панелей.

Во-вторых, предлагаемая конструкция представляет собой многосвязную систему стержней, в которой каждый узел соединен с соседними узлами десятью стержнями. Это обеспечивает высокую надежность конструкции. При выходе из строя одного из стержней любого узла несомые им усилия распределяются между другими стержнями и передаются другим узлам. Например, при выходе из строя любого поясного стержня несомые им усилия распределяются между тремя раскосами, соединенными с концами этого поясного стержня.

В башне-прототипе связность между узлами более низкая. В зависимости от положения узел соединяется с соседними узлами пятью, шестью или семью стержнями. Это снижает надежность конструкции.

В-третьих, в предлагаемой конструкции поясные стержни не соединены по периметру горизонтальными распорками, которые не несут существенных нагрузок. Находящиеся внутри башни горизонтальные распорки почти в два раза короче распорок, соединяющих пояса через один. Это делает конструкцию более надежной.

В-четвертых, в предлагаемой конструкции раскосы, горизонтальные и наклонные распорки без поясных стержней образуют самостоятельную связную конструкцию, состоящую из жестких пространственных элементов, имеющих форму тетраэдра. При этом каждый элемент имеет с соседним элементом один общий стержень. Такая конструкция является самостоятельной башней, обладающей достаточно большой прочностью и жесткостью.

В башне-прототипе раскосы и распорки не образуют жесткой конструкции. После удаления поясов конструкция разрушается при малейших усилиях.

Проведенное сравнение заявленного технического решения с прототипом и другими техническими решениями позволяет утверждать, что изобретение соответствует критерию "Существенные отличия" и дает положительный технико-экономический эффект.

Предлагаемая конструкция башни осуществима при любом четном числе граней, начиная с четырех.

Наиболее прочными и надежными будут башни с 6, 8, 10, 12 гранями.

На фиг. 1 представлена схема расположения стержней и узлов в шестигранной башне; на фиг. 2 схема расположения стержней и узлов в башне с полностью удаленными поясными стержнями; на фиг. 3 схема конструкции башни, в которой удалены поясные стержни и внутренние раскосы.

Решетчатая башня состоит из наружных 1 и внутренних 2 поясных стержней, расположенных на ребрах башни; наружных 3 и внутренних 4 раскосов, образующих с поясами треугольные решетки на наружной и внутренней поверхности башни; наклонных 5 и горизонтальных 6 распорок, соединяющих наружные пояса с внутренними; узловых соединений 7, 8, в каждом из которых соединяются концы десяти стержней. Каждые шесть стержней, соединяющих четыре ближайших друг к другу узла, например 9-12, образуют жесткий пространственный элемент, имеющий форму неправильного тетраэдра. Два каждых соседних пространственных элемента, например элементы с вершинами в узлах 9-12 и 10-13, имеют три общих стержня, проходящих через три общих узла 10, 11, 12. В зависимости от места расположения жесткие пространственные элементы делятся на три вида: элементы, у которых три вершины лежат на наружных поясах, а одна на внутреннем, например, элемент с вершинами в узлах 9-12; элементы, у которых три вершины лежат на внутренних поясах, а одна на наружном поясе, например элемент с вершинами в узлах 14, 15, 16 и 12; элементы, у которых две вершины лежат на наружных поясах, а две на внутренних поясах, например элемент с вершинами в узлах 9, 12 и 11, 14.

Пространственные жесткие элементы каждого вида подобны друг другу, поэтому все узловые соединения делятся на два вида: наружные и внутренние. Узлы в каждом из этих видов равны друг другу.

Расстояние между двумя соседними узлами, находящимися на одном и том же наружном поясе, выбирается в пределах 1,2 до 2 расстояний между соседними поясами на уровне нижнего узла. Кратчайшее расстояние между наружным и внутренним соседними поясами выбирается в пределах 1/4-1/6 диаметра башни на высоте измерения.

В предлагаемой конструкции башни жесткие пространственные элементы жестко соединены между собой своими гранями, следовательно, такая конструкция относится к классу структурных конструкций.

Предлагаемая решетчатая башня может быть изготовлена из металлических труб круглого сечения одинакового диаметра. Применение круглых труб позволяет экономить металл и снижать ветровые нагрузки.

Для соединения труб могут быть использованы уже известные конструктивные решения узловых сопряжений, применяемые в структурных конструкциях, например литые соединительные элементы в виде "ежа", с цилиндрическими отростками, входящими в отверстия трубчатых стержней.

Предлагаемая башня не имеет секций. Ее можно собрать из отдельных деталей на любом месте без подъемных механизмов.

Для ускорения монтажа башни на ровной площадке можно предварительно собрать на заводе кольцевые секции, состоящие из двух-трех рядов пространственных элементов, имеющих форму тетраэдра, а затем установить их один на другой с помощью подъемных механизмов.

Известно, что надежность любой технической конструкции может быть повышена путем резервирования и функциональной избыточности.

Сущность резервирования заключается в том, что в систему вводятся добавочные (дублирующие) элементы, включаемые параллельно основным. Функциональной избыточностью называется способность системы при выходе из строя тех или иных ее элементов возлагать выполнение их функций на другие элементы.

Предлагаемая конструкция башни содержит добавочные (дублирующие) стержни, повышающие ее надежность, а именно наружные и внутренние поясные стержни, наружные и внутренние раскосы, горизонтальные и наклонные распорки. Дублирующие стержни заменяют друг друга. При удалении из конструкции башни всех стержней, дублирующих какие-нибудь стержни, получается новая башня, обладающая меньшей жесткостью и надежностью. Например, можно удалить из башни все наружные или внутренние поясные стержни. Можно удалить все наружные или внутренние раскосы. Можно удалить все горизонтальные или наклонные распорки. Во всех случаях башня будет сохранять достаточную жесткость и целостность конструкции.

В предлагаемой конструкции башни каждый узел связан стержнями с десятью соседними узлами. Такая многосвязность системы позволяет осуществить принцип функциональной избыточности. Действительно, воздействующие на любой узел усилия, вызванные собственным весом башни и ветровыми нагрузками, воспринимаются одновременно закрепленными в нем поясным стержнем, двумя раскосами и одной наклонной распоркой. Если в критической ситуации наружный поясной стержень под воздействием сжимающей силы теряет устойчивость, то воздействующая на него сила распределяется между двумя раскосами и одной наклонной распоркой, а затем передается трем узлам, лежащим на концах этих стержней. Способность предлагаемой конструкции возлагать функции одних стержней на другие стержни можно подтвердить путем удаления из нее всех наружных и внутренних поясных стержней. После удаления получается новая башня (фиг. 2), в которой каждый узел соединен стержнями с восемью соседними узлами. При этом каждые шесть стержней, соединяющих четыре ближайших друг к другу узла, например 9, 11, 12, 14, образуют жесткий пространственный элемент, имеющий форму неправильного тетраэдра, а каждый пространственный элемент 9, 11, 12, 14 имеет с соседним элементом, например 11, 12, 13, 15, один общий стержень 11, 12.

Полученная после удаления поясов башня (фиг. 2) сохраняет целостность конструкции, если удалить из нее все наружные или внутренние раскосы (фиг. 3). Такая башня не будет содержать жесткие пространственные элементы, имеющие форму тетраэдра. В связи с этим она будет обладать малой жесткостью.

Предлагаемая конструкция башни относится к группе решетчатых пространственных конструкций, которые называют также структурными конструкциями. Такие конструкции благодаря многосвязности системы обладают значительной жесткостью и повышенной надежностью от внезапного разрушения.

Недостатками структурных конструкций считают повышенную трудоемкость изготовления элементов и трудность выполнения узлов по сравнению с традиционными решениями металлических конструкций. Основное требование к конструкции башни это высокая надежность от внезапного разрушения во время бури. Материальные потери, вызванные разрушением башни, во много раз превосходят затраты, вызванные усложнением ее конструкции.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является снижение вероятности аварии во время бури, что обеспечивается наличием резервных стержней и высокой связностью между ними.

Формула изобретения

РЕШЕТЧАТАЯ БАШНЯ, содержащая наружную и внутреннюю поясные сетки с треугольными ячейками и соединяющие их распорки, отличающаяся тем, что каждый узел соединен десятью стержнями с ближайшими к нему узлами, а каждые шесть стержней, попарно соединяющих каждую четверку ближайших друг к другу узлов, образуют с ними пространственный элемент с четырьмя треугольными гранями, каждая грань которого, содержащая две распорки, одновременно является гранью соседнего с ним элемента, при этом элементы, содержащие по четыре распорки, образуют связную стержневую конструкцию с теми же узлами, в которой четыре стержня каждого элемента одновременно являются стержнями четырех соседних с ним элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3