Совершенствование конструкции, уточнение расчета и оптимальные параметры стального круглого бункера Ягофаров Анвар Хабидович

+

2,59-

К'и

2,59

\*к.

sin а

2,59[_л

\Vn) гЛ\*к

sin а]

(2.106)

6₀м-Е (6ме-Е)

8 -F

3,32--^

8J2 \г_л 1ц" Vn

3,32 r_K

*к

Г,

8,52

Г,-і_к \t_K-since

8,52

3,32

V'n

\'и

Yft_K

Yi'h

(2.107)

'к

tv- -sina

(2.108)

Aop-E

P,t

P -^гк

t_K -sina

ElL^r!!-.P-:lK- . (2.109) hi he 'Since

Дмр'С'

hr^hu

1,764-р^н -r_K -cosa

t_K - sin a

г 2

Pu^ji_ ₊ 1J64-p^H -r_K -cosa t_K -sin²a

(2.110)

Примечание: у, = 1 + 0,7215-cosa ^-; y₂ =1-0,195-cosa ^-

r_K -sina

V r_K sin a

Буквенные обозначения величин г_ц - радиус цилиндрической части в месте сопряжения с конусом;

г_к - радиус конической части в месте сопряжения с цилиндром;

t_n - толщина стенки цилиндрической части;

t_K - толщина стенки конической части;

р^Гн - горизонтальное давление сыпучего материала на стенку

цилиндрической части;

р^н - нормальное давление сыпучего материала на стенку конической части;

h_n - высота цилиндрической (призматической) части;

а - угол наклона стенок прямого конуса к горизонту.

2.5. Выводы

1. Для предложенной автором конструкции стального круглого бункера определены основные геометрические параметры общего случая наклонной воронки, а также — бункера с прямой воронкой.

2. Нагрузки, действующие на бункер, подразделяются на активные и пассивные.

Для предложенной конструкции бункера найдена закономерность распределения усилий в кольцевом и в меридиональном направлениях от действия активных нагрузок. Задача решена для случаев с наклонной и прямой воронками.

Опорные реакции бункера определены с использованием принципа распределения силового мотора на составляющие силы упругости и пары, где опоры бункера принимаются упругоподатливыми при количестве опор более трех. Задача решена аналитически двумя способами.

3. Усилия краевого эффекта в месте сопряжения конуса с цилиндром, определенные методом сил, незначительны и ими можно пренебречь.

4. Опирание бункера конической частью позволяет эффективно компоновать бункера в многоячейковые системы. При этом верх бункера выполняется призматическим.

Некоторые недостатки из опыта проектирования и строительства

Крепление конуса к цилиндру выполняется силовым, т.е. рассчитывается на равномерно-распределенные усилия в вертикальном и горизонтальном направлении равные соответственно где v — полный объем бункера. Кроме того, на стыке цилиндрической и конической частей возникают усилия краевого эффекта М и Q (рис. 1.2), зависящие от принятой конструкции узла. Вертикальная нагрузка на уровне пересечения конуса с цилиндром qB воспринимается цилиндрической частью. В этом случае цилиндр рассматривается как кольцевая в плане балка, покоящаяся на нескольких точечных опорах. Для восприятия горизонтальной нагрузки qr устраивают кольцо жесткости на границе конуса с цилиндром. Приближенно в запас прочности, т.е. без учета активного и пассивного давления сыпучего материала, кольцо жесткости рассчитывают на сжатие по формуле [60] где г — радиус цилиндрической части. На рис. 1.2 изображена идея расчетной схемы, а также усилия в элементах бункера [60]. На рис. 1.3 приведены основные варианты опорного узла существующего круглого бункера. Здесь уместно отметить сложность, трудоемкость и металлоемкость узлов бункера. Существующая методика расчета заимствована и осталась практически без изменений с 30-х годов XX столетия. Суть ее состоит в том, что вся нагрузка от конструкций воронки передается на цилиндрическую часть, которая рассматривается как кольцевая в плане балка, покоящаяся на нескольких точечных опорах. Число опор (колонн) рекомендуется не менее 4 для диаметра бункера до 6 м и не менее 6 для диаметра более 6 м. Это основной принцип расчета круглого бункера по плоской схеме. Такая трактовка расчетной схемы приводит к затруднениям в расчетах опорной зоны. Как следствие, опорный узел получается громоздким, металлоемким и сложным в изготовлении. Основные недостатки расчета и конструирования опорного узла рассмотрены ниже. 1. В вышерассмотренных литературных источниках по расчету бункеров отсутствует четкая методика расчета опорной зоны круглого бункера, т.е. по существующей методике невозможно корректно рассчитать кольцо жесткости, опорное ребро, цилиндрическую оболочку как кольцевую балку. 2.

Так как опорные реакции V воспринимаются цилиндрической частью, а воронка выполняет функции ограждающей конструкции, появляется надобность в кольце жесткости - для восприятия нагрузки дг (рис. 1.2). Это приводит к увеличению расхода металла без соответствующего увеличения прочности конструкции. 3. Неизбежна силовая связь между конической и цилиндрической частями бункера, рассчитываемая на усилия дг и qB (рис. 1.2). 4. В статическом расчете опорные реакции определяются как среднее арифметическое значение от веса бункера. Допускается вводить коэффициент неравномерности к опорной реакции до 1,5 [34]. Это показывает отсутствие метода в определении опорных реакций бункера при различных условиях опирання, т.е. при разных жесткостях опор. 5. В месте сопряжения конуса с цилиндром появляется значительный краевой эффект, иначе говоря это всплеск усилий в местах резкого изменения жесткости сечений элементов (рис. 1.3). Здесь стенка конуса граничит со стенкой цилиндра, кольцом жесткости, опорным ребром. 6. Не учитывается несущая способность сыпучего материала заполнения, как материала, способного принять часть горизонтальной составляющей веса бункера с заполнителем. 7. То обстоятельство, что нагрузка от веса сыпучего материала передается на цилиндрическую часть, приводит к тому, что коническая воронка не может быть использована как отдельная емкость. Поэтому цилиндрическая часть создается нередко искусственно для выполнения функции бункерной балки.

Геометрические параметры бункера с воронкой в виде прямого конуса

Бункер, представленный воронкой из прямого конуса, является частным решением бункера с воронкой в виде наклонного конуса. Этот бункер, как правило, симметричен относительно центральной вертикальной оси и для определения его параметров справедливы формулы таблицы 2.1. На рассмотрение представлен бункер с конической формой заполнения сыпучим материалом. Число опор т 2. Опоры расположены в плане симметрично относительно осей, проходящих через центр тяжести бункера. Верхний конус насыпки отсыпается под углом естественного откоса, который для сухих хорошо сыпучих материалов равняется углу внутреннего трения. В связи с этим в дальнейших расчетах принимают угол наклона конуса насыпки равным углу внутреннего трения сыпучего материала рп = р. Обозначения величин приведены нарис. 2.3. Габариты сыпучего материала в бункере и определение его центра тяжести приведены на рис. 2.3 и 2.4. Развертка части конической воронки конуса показана на рис. 2.5. Основные формулы для определения параметров бункера и развертки стенок воронки приведены в таблице 2.2. Вывод формул представлен в Приложении А. Нагрузки, действующие на бункер, следует разделить на активные и пассивные. активным относятся следующие нагрузки: - действующие на перекрытие или кровлю; - от сыпучего материала заполнения; - от площадок и оборудования, подвешенного к бункеру; - атмосферные (ветер, снег по СНиП [62]). а) Нагрузка от кровли или перекрытия может восприниматься цилиндрической (призматической) частью бункера или воронкой (рис. 2.6). В последнем случае нагрузка от перекрытия интенсивностью "g" раскладывается на скатную и горизонтальную составляющие, соответственно равные где а, - угол наклона к горизонту z -ой образующей конической воронки, б) Ветровая нагрузка gw характерна для бункера, расположенного вне помещения, и определяется по СНиП [62]. в) Основной нагрузкой является давление сыпучего материала на стенки бункера. Оно принимается, исходя из общепринятых положений и предпосылок, а именно: - трение сыпучего материала о стенки бункера отсутствует; - горизонтальное давление сыпучего материала на цилиндрические (призматические) и конические стенки описывается теорией

Кулона; - по закону Ранкина на коническую часть бункера действует вертикальное и горизонтальное давления сыпучего материала. На рассмотрение представлен общий случай бункера с наклонной воронкой. Нормативные нагрузки от давления сыпучего материала на стенки бункера приведены в таблице 2.3. Нагрузки, действующие на бункер, представлены на рис. 2.6. В таблице 2.3 приведены нормативные нагрузки от давления сыпучего материала для общего случая бункера с наклонной воронкой. По определению вертикальное и горизонтальное давления сыпучего материала действуют на проекции наклонной стенки конуса соответственно на вертикаль и на горизонталь. Для корректировки расчетной схемы эти нагрузки заменяют распределенными на наклонную стенку конуса. Вертикальное и горизонтальное давления заменяют скатным, нормальным и горизонтальным. Получение значений новых нагрузок показано в таблице 2.4. Вывод формул представлен в Приложении Б. Пассивные нагрузки являются следствием активных. К ним относятся следующие силы: - опорные реакции Vi; - пассивный отпор (распор) сыпучего материала. При определении опорных реакций бункер можно рассматривать как абсолютно твердое тело, покоящееся на точечных или линейных упругоподатли-вых опорах. Опорные реакции бункера определяются условиями равновесия бункера в целом, а также упругого перемещения опор.

Необходимость рассмотрения последнего условия обусловлена тем, что бункер на четырех и более опорах является статически неопределимой системой в отношении опорных реакций. Если учесть, что число разрешающих уравнений равновесия бункера как твердого тела в вертикальном направлении равно трем, то степень статической неопределимости бункера на " т " опорах равно " т - 3 ". При наличии линейной опоры последнюю можно привести к точечной, расположенной в центре тяжести линейной опоры и эквивалентной податливости. Определение опорных реакций бункера как статически неопределимой системы возможно выполнить на основе распределения силового мотора на составляющие силы и пары [95].

Расчет стенок воронки на действие пассивных нагрузок — опорных реакций бункера

Цилиндрическая часть рассчитывается независимо от условий опирання бункера на конус. При наличии нагрузок вдоль образующей стенка испытывает двухосное напряженное состояние: в кольцевом направлении она растянута, в меридиональном - сжата. В этом случае необходимо обеспечить прочность и устойчивость стенки цилиндрической части. Формулы и пояснения к ним при расчете на прочность и устойчивость приведены в таблице 3.1. В этом случае стенка испытывает двухосное растяжение. Основные формулы и пояснения к ним приведены в таблице 3.2. Вывод формул представлен в Приложении В. Анализ напряженного состояния стенок конической части показал следующее. 1. Для подавляющего большинства параметров круглых бункеров, а также на большей области стенок, преобладают усилия меридионального направления. 2. Для большинства параметров бункеров толщина стенки tK = 4 мм обеспечивает достаточную прочность. При таком случае опирання коническая оболочка выше зоны опирання сжата в меридиональном направлении и растянута в кольцевом. Поэтому необходима проверка прочности и устойчивости стенки. Формулы для расчета стенки приведены в таблице 3.2. Краевой эффект возникает в месте сопряжения конуса с цилиндром. В зоне действия усилий краевого эффекта стенки испытывают сложное напряжен ное состояние, поэтому прочность стенок проверяют здесь по приведенным напряжениям с учетом составляющих напряжений. Пример определения усилий и напряжений от краевого эффекта приведен в Приложении Б.

Расчет показал, что при опираний бункера на конус и в случае отсутствия меридионального усилия в цилиндрической части, краевой эффект незначителен и им можно пренебречь при расчете. Расчетная схема бункера базируется на том, что несущей конструкцией является коническая воронка. Цель расчета заключается в том, чтобы определить местное усиление стенок для восприятия сосредоточенной силы в виде опорной реакции. Для упрощения расчетов расчетную схему стенки конической части представляют в развернутом виде (рис. 3.1). На стенку действуют следующие нагрузки. 1. Сосредоточенная сила в виде скатной составляющей опорной реакции "Г" приложена в верхней зоне вдоль образующей в пределах линии hn . Центральный угол между соседними силами / определяется по формуле (2.53). 2. На верхнюю кромку стенки передается нагрузка от цилиндрической части — скатная составляющая меридионального усилия в цилиндрической части N", определяемая по формуле (6.9) Приложения Б. 3. На всей боковой поверхности приложена распределенная нагрузка, представляющая собой скатную составляющую вертикального давления сыпучего материала рс-. Она определяется по формуле (2.70). Расчет такой пластины выполняется на ЭВМ по одной из типовых программ, реализующих метод конечных элементов. Предварительные сечения участков стенок — марку стали и толщину - задают по приближенной инженерной методике расчета. Поскольку опорная реакция воспринимается конической частью, то усилия, передающиеся от конической к цилиндрической части в вертикальном направлении, незначительны и в расчете ими пренебрегают.

Учет сыпучего материала заполнения как несущего элемента бункера

На сегодняшний день понятия "сыпучее тело" и "сыпучая среда" не имеют четкого (однозначного) определения [29,65,72]. Сыпучая среда - сплошная среда, обладающая следующими статическими свойствами [72]: 1) среда не сопротивляется растяжению — нормальные напряжения в ней могут быть только сжимающими; 2) касательные напряжения в среде не превосходят усилий внутреннего трения среды; 3) до тех пор, пока касательные напряжения меньше усилий внутреннего трения, среда не деформируется; 4) деформации среды возможны только тогда, когда касательные напряжения достигают величины усилий внутреннего трения - в этом состоянии среда претерпевает только деформации сдвига, ее объемные деформации остаются равными нулю. Сыпучая среда является расчетной моделью сыпучего тела. Сыпучее тело - одна из механических моделей грунта. Отличием от остальных моделей является отсутствие сцепления между его частицами. Любые насыпные грунты, независимо от условий их первоначального формирования, могут рассматриваться как сыпучие тела. Деформации сыпучей среды определяются сдвигами, возникающими в результате преодоления усилий внутреннего трения. Пока сила не превосходит предельной величины, соответствующей разрушению сыпучего тела, перемещение равно нулю; в момент достижения предельной величины перемещения могут неограниченно расти. Данное утверждение вполне справедливо, но не позволяет применить его при подсчете величин перемещений. Для определения деформаций сыпучей среды прибегают к механическим моделям сплошной среды. Среди них для расчета осадок грунта и сооружений на грунтовом основании могут быть применены [42]. 1. Модель местных упругих деформаций Эта модель, предложенная Фуссом и Винклером, характеризуется пропорциональностью между давлением на граничную поверхность грунта на данной площадке и ее местной осадкой А, т.е. где кп — коэффициент постели грунта, ю/м . Можно еще дополнительно принять, что модель способна сохранять остаточные деформации при увеличении давления выше определенного предела. 2. Модель упругого полупространства

Упругое однородное и изотропное полупространство характеризуется осадками не только под загруженной площадью, но и за ее пределами. 3. Комбинации моделей Это различные комбинированные модели, большинство из которых сочетает свойства двух более простых моделей и характеризуется одновременно наличием общих и местных осадок. Наиболее полно свойства природного грунтового основания отражаются комбинированной моделью в виде полупространства, материал которого способен к одновременному развитию упругих осадок общего характера и остаточных осадок местного характера, т.е. основание рассматривается как упругопла-стическое тело с линейным упрочнением. Механическая модель комбинированного грунтового основания и графики ее деформаций от штампа приведены на рис. 3.10 и 3.11. Программный комплекс "Лира-Windows" служит основой статических расчетов бункера. В этой программе заложена модифицированная модель основания Винклера. Расчетной механической моделью основания Винклера явля ется ряд не связанных между собой упругих пружин, закрепленных на абсолютно жестком основании. Штамп, приложенный к поверхности такой модели, при нагружении вдавливается на глубину А, пропорциональную среднему давлению рш, и при снятии нагрузки возвращается в исходное положение.

Механические свойства модифицированной модели Винклера характеризуются двумя коэффициентами жесткости (постели): К1(С1) — коэффициент жесткости линейно-деформируемого основания при сжатии при действии вертикальной нагрузки (тс/м ); К2(С2) — коэффициент жесткости линейно-деформируемого основания при сдвиге при действии горизонтальной нагрузки (тс/м). По физическому смыслу коэффициент жесткости означает величину усилия в 7С, которое необходимо приложить кім2 поверхности основания, чтобы последнее осело на 1 м. В данном случае К1 учитывает вид грунта, форму и размеры подошвы фундаментов, переменные свойства грунтов по глубине основания и в плане сооружения, работу грунта за пределами фундамента. Кроме того, модифицированная модель Винклера позволяет с помощью параметра К2 учитывать совместные горизонтальные деформации оснований и фундаментов при действии горизонтальных нагрузок. Учитывая приближенность исходных данных по определению деформаций основания при действии горизонтальной нагрузки, рекомендуется принимать = 0,7-Ю. Таким образом, модифицированная модель Винклера, реализованная в программе "Лира-Windows", представляет грунт основания как однородное линейно-деформируемое упругое тело. Деформации основания происходят в направлении действия нагрузки и подчиняются закону Гука є = J-E. В данном случае напрашивается аналогия между грунтом и сыпучим материалом. Ведь сыпучий материал - одна из механических моделей грунта, лишенная естественного сцепления. Рассмотренные модели грунта справедливы для сыпучего материала как покоящегося массива. В случае помещения сыпучего материала в оболочку оп ределяют возможность учета совместной работы стальной конусной оболочки и сыпучего материала заполнения по соотношению жесткости оболочки и коэффициента постели (жесткости) сыпучего материала.

Похожие диссертации на Совершенствование конструкции, уточнение расчета и оптимальные параметры стального круглого бункера

Пространственное численное моделирование и совершенствование конструкций гидротехнических затворовКозинец Галина Леонидовна

Совершенствование конструкции стыка колонны и перекрытия в монолитном безбалочном каркасеМурашкин Василий Геннадьевич

Совершенствование деревянных клееных конструкций с пространственно-регулярной структуройЛабудин Борис Васильевич

Экономическая эффективность и совершенствование проектирования железобетонных конструкций на основе расчетных моделейХао-Цян

Развитие теории ползучести бетона и совершенствование методов расчета железобетонных конструкцийГалустов Константин Захарович

Совершенствование плитно-структурных конструкций с применением клеефанерных труб, включенных в совместную работу с плитными настилами кровли Заварихин Дмитрий Светозарович

Методика расчета и совершенствование конструктивных форм рекламных конструкцийИсаев Алексей Викторович

Совершенствование клееметаллических соединений деревянных конструкций с применением стальных шайбАрискин, Максим Васильевич

Совершенствование методов расчета металлических гофрированных конструкций с эксплуатационными повреждениямиОсокин Илья Александрович

Совершенствование плитно-структурных металлодеревянных конструкцийМоскалев, Михаил Борисович