Под научно-методологическим обеспечением будем понимать совокупность теорий, гипотез, моделей, методов, методик и экспериментальной и нормативной базы, выстроенных в логически непротиворечивую взаимосвязанную структуру, позволяющую создавать, внедрять в производство и эксплуатировать новую более совершенную продукцию. В нашем случае – башенные сооружения для сферы энергетики. Такое понимание вопроса подразумевает наличие определённой последовательности действий, началом которой служат фундаментальные исследования, а окончанием – использование результатов этой последовательности в виде массовой продукции для широкого потребления. Этапами последовательности могут служит прикладные исследования, опытно-конструкторские разработки, создание технических и технологических регламентов, прочих нормативных документов и т.д.
Традиционным подходом к проектированию конструкций башенных сооружений является разделеное рассмотрение его элементов и решение для каждого из них некоторой совокупности частных инженерных задач.
В отличии от этого подхода основополагающим принципом предлагаемого научно-методологического обспечения служит совместное рассмотрение башенного сооружения, как целостной системы, в виде ствола (стального либо железобетонного), дающего наиболее общее представление о сооружении, фундамента (обычно желебетонного), грунта основания, всевозможных стыковочных узлов, создаваемых с учётом условий их работы под нагрузкой и назначения, а также несущих элементов электротехнической части – проводов, подвесов и т.п. На примере опоры ЛЭП перечисленные конструкции башенного сооружения проиллюстрированы на рис. 1.
Тем не менее основные положения традиционного подхода при таком рассмотрении сохраняются в виде начального приближения для определения оптимальных конструктивных параметров сооружения и для этого в ранее опубликованных работах автора было разработано:
1 – для сплошностенчатого ствола сооружения – поз. 3,5 (рис. 1,а) – расчётная сдвиговая модель и математический аппарат отыскания напряженно-деформированного состояния (НДС) на основе усовершенствования теории А.А. Уманского, на основе чего далее получена инженерная методика расчёта усилий и напряжений, которая реализована в ПК «AutoRSS.02» [4];
2 – для опорного узла – поз. 2 (рис. 1) – предложено заменить опорные рёбра из пластин специальной конической вставкой оптимальной формы (получен патент [3]), эффективность которой обоснована расчётом, на основе чего далее получена инженерная методика расчёта усилий и напряжений, которая реализована в ПК «AutoRSS.03» [5]; кроме того, для случая фланцевого стыка предложена расчётная модель рёбра жёсткости и математический аппарат отыскания её НДС;
3 – для стыковочного узла двух труб разного диаметра – поз. 4 (рис. 1) – предложены новые решения в виде стыка «труба в трубе», расчётная модель и математический аппарат отыскания НДС такого стыка, а на основе этого разработана инженерная методика расчёта усилий и напряжений в нём, которая реализована в ПК «AutoRSS.01» [6];
4 – для стыковочного узла проводов с мачтой опоры ЛЭП – поз. 9 (рис. 1) – предложена расчётная модель стыка, на основе которой получена оптимальная форма переходного элемента между проводом и изолятором (получен патент [7]), а далее разработана инженерная методика расчёта усилий и напряжений в стыке, которая реализована в ПК «AutoRSS.04» [8];
5 – для фундамента – поз 1 (предложен сборно-разборный фундамент с высокими эксплуатационными характеристиками (получен патент), в последующих главах на основе компьютерного моделирования изучена его совместная работа со стальной опорой).
На первом этапе создания авторского подхода была рассмотрена исследовательская задача о совместной работе стальной стойки-опоры и сборного железобетонного фундамента (получен патент [9]) экспериментальным методом и с применением математического МКЭ-моделирования [4].
Рисунок 1. Информационная схема исследований башенного сооружения: а) опора ЛЭП (1 – фундамент; 2 – опорный узел; 3 – нижняя часть ствола – трубчатый стержень большего диаметра; 4 – стык трубчатых стержней разного диаметра; 5 – верхняя часть ствола – трубчатый стержень меньшего диаметра; 6, 7 – токоведущие провода, выполняющие силовую несущую функцию; 8 – изолятор; 9 – узел крепления проводов к изолятору);
б) общие схема и вид системы «стойка опоры-фундамент-грунт основания»
Экспериментальные и теоретические исследования системы (рис. 1,б) показали, что её предельное состояние наступает одновременно из-за потери прочности опорной стойки (в виде появления остаточных пластических деформаций) и грунта основания. При этом разрушение бетонных элементов ячеек и их соединений не зафиксировано. Так же установлено, что совместная работа стойки с фундаментом обеспечивается. Податливость сопряжения призм, из которых состоит фундамент, не оказала существенного влияния на НДС системы в целом. Исходя из перечисленного, рекомендуется новый тип сборно-разборных фундаментов [9] применять в реальных условиях при строительстве башен сотовой связи РМГ-30.
На следующем этапе исследований, по всей видимости, впервые, совместное рассмотрение башенного сооружения, как целостной системы, было проведено в форме компьютерного моделирования в работе [10]. В ней в качестве ствола рассматривается многранная стальная опора ЛЭП на 10 кВ по серии 3.407.2-181.09 (рис. 2).
Фундамент так же является сборно-разборным, но выполняется согласно другому патенту [9] (рис. 2,в). В отличии от предыдущего варианта он состоит из бетонных призм не с квадратным, а треугольным основанием.
Суть методики моделирования рассматриваемой системы состояла в следующем:
1 – определение нагрузок на конструкции (на основе положений СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» и ПУЭ-7);
2 – статический расчет стальной опоры отдельно, как жёстко заделанной консольной стойки полого сечения (в результате этого определяется нагрузка на обрез фундамента);
3 – определение размеров подошвы фундамента исходя из нагрузки на него;
4 – моделирование единой системы «опора-фундамент-грунт», определение в ней НДС;
5 – проверка элементов системы по прочности, устойчивости и деформативности (соответственно по 1-й и 2-й группам предельных состояний).
Рисунок 2. Опора СМ-10АУ: а – расчётная схема; б – общий вид, в - сборно-разборный фундамент
Система «опора-фундамент-грунт» включает в себя элементы, образованные из материалов с качественно и количественно отличающимися физико-механическими свойствами. Для их моделирования были использованы соответствующие типы конечных элементов и законы деформирования в ПК «Ansys». Их перечень представлен в табл. 1.
Таблица 1
К построению конечно-элементной модели
|
Параметр КЭ-модели |
Стальная опора |
Железобетонный фундамент |
Грунт основания |
|
Геометрические размеры |
В сечении 16-ти угольная труба переменного сечения (Ø676 – Ø282) длинной 9 м |
Правильный шестигранник в плане со стороной 1,8 м, высотой 0,6 м, состоящий из призм с основанием в виде правильного треугольника со стороной 0,6 м. |
Массив 10х10х10 м |
|
Тип конечного элемента |
Shell 181 |
Solid 65 |
Solid 45 |
|
Закон деформирования |
Двухлиненая диаграмма, кинематическое упрочнение с эффектом Баушенгера |
Криволинейная диаграмма Карпенко-Радайкина [3] |
Определяется теорией прочности |
|
Теория прочности |
Мизеса |
Вильяма-Варнаке |
Друккера-Прагера |
Развитием проведённых исследований стал сравнительный анализ статической работы различных типов стальных опор линий электропередач на основе компьютерного моделирования системы «опора-фундамент-грунт основания [11]. Были рассмотрены два конструктивных типа стальных опор ЛЭП: в виде стержней-оболочек замкнутого профиля с переменной по высоте толщиной стенки и в виде решетчатой трёхгранной конструкции, изготовляемой по патенту [12]. При этом оба типа опор рассматривались для трёх разных высот – под линии электропередач на 10 кВ – высотой 9-11 м, 35 кВ – высотой 20,6 м и 110 кВ – высотой 22,5 м соответственно. Таким образом, всего рассмотрено восемь вариантов опор. Общий вид перечисленных опор представлен на рис. 3.
Рисунок 3. Типы моделируемых конструкций опор ЛЭП: а) опора анкерно-угловая марки СМ10АУ; б) трёхранная решётчатая опора марок СТР10АУ, СТР10П, СТР35П, СТР110П; в) опора двухцепная промежуточная марки ПМ35-2ф; г) опора одноцепная промежуточная марки ПМ110-3ФТ
Далее приведены результаты компьютерного моделирования на примере опор ОП-1 и ОП-2. Общий вид КЭ-моделей показан на рис. 4,5.
Рисунок 4. Оценка НДС системы «опора-фундамент-грунт» тип ОП-1
Анализ НДС показывает, что прочность и устойчивость конструкций сплошностенчатых и решетчатых сечений обеспечивается. Соответствующие коэффициенты использования получились близкими – 0,912 и 0,837. Несмотря на это, опора ОП-1 (сплошностенчатая) имеет значительные недоиспользованные резервы прочности в сравнении с порой ОП-2 (решетчатая). Следовательно, в решётчатой конструкции усилия распределяются более равномерно и поэтому обоснованно следует ожидать заметную экономию металла за счёт применения данного конструктивного решения для возведения башенных конструкций, особенно для больших высот (свыше 20 м). Результаты определения эквивалентных напряжений в рассматриваемых опорах показаны на рис. 4 (ОП-1) и рис.5 (ОП-2).
Рисунок 5. Конечно-элементная модель системы «опора-фундамент-грунт»: а) для опоры ОП-2; б) результаты Эп. Mx, кН
В дальнейших публикациях планируется осветить результаты моделирования НДС опор всех серий, на основе этого определить рациональную область применения трёхгранных решётчатых опор [12], а также получить инженерную методику их расчёта и конструирования.
Не менее сложной задачей, чем исследование систем с опорами ЛЭП, является вопросс разработке методик проектирования башен ВЭУ. Этому посвящены наши публикации [13-16].
В этих статьях рассматривается совместная статическая работа элементов строительной системы «комбинированная башня – железобетонный фундамент – грунт основания» на примере ВЭУ. При этом под комбинированной башней в статье понимается высотное сооружение, состоящее из двух частей: нижней – трубобетонной, верхней – в виде тонкостенного стержня-оболочки замкнутого профиля. В обоих случаях в качестве оболочки выступает труба со слабой конусностью. Анализ литературы показал, что целостная методика расчёта такой системы на данный момент отсутствует. А при её разработке наиболее полно следует учесть следующие факторы:
– физическую нелинейность свойств материалов;
– геометрическую нелинейность элементов системы (лопастей и др.);
– циклическую усталость материалов – стали и бетона;
– динамические эффекты;
– резонансные явления;
– трение между бетоном и стальной оболочкой, а также между бетоном и грунтом.
Аналитически описать влияние всех перечисленных факторов полностью пока невозможно, что отражено в существующих нормах на проектирование ВЭУ [17,18] и учебно-методической литературе [19]. Однако для этого можно воспользоваться мощным инструментом – компьютерным моделированием в ПК «Ansys». В статье [11] этот инструмент уже был нами применён для исследования совместной работы системы «стальная опора линий электропередач – фундамент – грунт основания». При этом в отличии от неё в рассматриваемой здесь системе учтены следующие особенности:
– ветровая нагрузка на ометаемую поверхностей вращающихся лопастей, важной характеристикой которой является уже не давление, а скорость ветрового потока;
– наличие бетона в нижней части башни;
– силы трения между стальной оболочкой и бетонным ядром.
Последнее два обстоятельства превращают нижнюю часть ствола башни в так называемую трубобетонную конструкцию, которая благодаря ряду преимуществ [20,21] существенно увеличивает эксплуатационные свойства ВЭУ, включая прочность, надёжность и долговечность. Использовать трубобетон в составе комбинированной башни ВЭУ, по всей видимости, автором предлагается впервые.
В качестве примера рассмотрим ВЭУ Acciona AW-82/1500 класса IEC IIIB на 1,5-2 МВт из [22,23] – рис. 6.
Рисунок 6. Конструктивная схема (компьютерная модель в ПК «Ansys») ВЭУ на 2 МВт: 1 – гондола; 2 – лопасти ротора; 3 – башня; 4 – сборно-разборный фундамент; 5 – грунт основания
Фундамент под башню принят массивным из монолитного бетона класса В25, армированного стальной арматурой. В плане фундамент круглого сечения.
Рисунок 7. Распределение скорости ветра V (а) и ветровой нагрузки 
(б) по высоте
Нагрузки, действующие на конструкцию ВЭУ и принятые с учётом коэффициентов надёжности по нагрузке γf=1,0 и ответственности сооружения γn=1,0. В табл. 2 ГОСТ Р 54418.1-2012 прописаны 8 проектных случаев для расчёта ВЭУ. Наиболее характерным является первый – «Выработка электроэнергии» – расчёт с использованием модели нормальной турбулентности.
Рассматриваемая конструкция включает в себя элементы, образованные из материалов с качественно и количественно отличающимися физико-механическими свойствами. На рис. 8 представлены диаграммы деформирования материалов, используемые для создания модели.
Математические выражения, описывающие диаграммы рис. 8, а-б приведены в статье [24]. В качестве закона деформирования для стали была принята билинейная диаграмма кинематического упрочнения (см. рис. 8, в). Закон предполагает, что на диаграмме «σ-ε» сумма напряжений разного знака в процессе нагрузки-разгрузки всегда равна удвоенной величине предела текучести σy, то есть учитывается эффект Баушингера. Модель рекомендуется для упругопластических задач с малыми деформациями материала, подчиняющегося условию текучести Мизеса.
Рисунок 8. Диаграммы деформирования материалов: а) криволинейная диаграмма Радайкина О.В. при растяжении [24]; б) тоже – при сжатии; в) двухлинейная диаграмма, кинематическое упрочнение с эффектом Баушенгера
Таким образом, физический закон деформирования тонкостенной оболочки описывался четырьмя параметрами: модулем упругости E=206·103 МПа, касательным модулем E'=75·103 МПа, пределом текучести 
и коэффициентом Пуассона ν=0,3.
Для определения габаритов фундамента предварительно был выполнен расчёт башни, как жёстко заделанной консольной стойки, то есть без учёта фундамента и грунта основания:
В результате были получены нагрузки на обрез фундамента, по которым с использованием формул СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений» вычислены требуемые габариты фундамента: 18×18 м, высота 1,8 м.
Результаты определения эквивалентных напряжений в башне показаны на рис. 9.
Рисунок 9. Результаты компьютерного моделирования башни
Сравнение результатов расчёта с данными работы [22] показало, что разрушающая нагрузка башни увеличилась на 37% за счёт заполнения нижней её части бетоном, что говорит об эффективности предлагаемого решения. При этом разрушение башни с бетонным ядром и без него произошло от потери местной устойчивости стальной оболочки на уровне стыка башни с фундаментом (с сжатой зоне). Полученные результаты об эффективности изгибаемого трубобетона коррелируют с опытными данными работы [25], что говорит о правомерности предлагаемого в данной статье подхода. Более детальному рассмотрению напряжённого деформированного грунтового массива, фундамента, контактного взаимодействия бетонного ядра и стальной оболочки будут посвящены последующие публикации.
ВЫВОДЫ:
1. В настоящей публикации сделано обощение ранее проведённых автором исследований, что позволяет говорить о целостном научно-методологическом обеспечении создания новых более совершенных башенных сооружений для сферы энергетики. Это обеспечение включает в себя совокупность теорий, гипотез, моделей, методов, методик и экспериментальной и нормативной базы, выстроенных в логически непротиворечивую взаимосвязанную структуру, позволяющую создавать, внедрять в производство и эксплуатировать новую более совершенную продукцию [26].
2. Рассмотренно два наиболее представительных типа башенных сооружений – опоры ВЛЭП и опоры ВЭУ – каждая в виде единой системы «опора-фундамент-грунт основания». Такой подход позволил учесть совместную работу всех компонент системы и перераспределение усилий между ними с учётом физической нелинейности свойств материалов.
3. В песпективе у автора разработать малочисленную группу обобощенных (интегральных) критериев наступления того или иного предельного состояния для всей рассматриваемой системы «опора-фундамент-грунт основания», что возможно сделать, на взгляд автора, на основе теории надёжности и энергетической теории деформирования и разрушения строительных конструкций и сооружений.
