RU2052055C1

RU2052055C1 - Grate tower

Info

Publication number: RU2052055C1
Authority: RU
Inventors: Николай Дмитриевич Бирючевский
Original assignee: Николай Дмитриевич Бирючевский
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1996-01-10

Abstract

FIELD: civil engineering. SUBSTANCE: tower has even number of faces, belts, trusses, slope and horizontal thrusts. Each unit is connected with ten rods to the closest units. Each six rods interconnecting four closest rods form rigid spatial member of irregular tetrahedron shape. Each two adjacent members have three common rods. EFFECT: enhanced tower reliability at extreme wind loads. 3 dwg

Description

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. The invention relates to the construction, namely the construction of steel lattice towers designed to accommodate radio television antennas, power lines, as well as to maintain exhaust and smoke shafts of various industrial plants.

Известны стальные решетчатые башни [1 и 2] состоящие из секций, содержащих плоские панели, образованные несущими поясами, раскосами и горизонтальными распорками. Known steel lattice towers [1 and 2] consisting of sections containing flat panels formed by bearing belts, braces and horizontal struts.

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. Such towers contain a minimum number of rods and have the simplest design of nodal connections. In this regard, each core and assembly design becomes indispensable. In the event of a failure during a storm of one of the bearing rods or the associated nodal connection, the tower is destroyed. Strengthening the bearing rods by increasing the cross-sectional area increases the material consumption of the tower.

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. Closest to the technical nature of the proposed tower is a lattice sectional tower [3] consisting of load-bearing belts, horizontal struts connecting the belt of the tower along its perimeter; elements of diaphragms and braces that form flat trusses located in vertical planes passing through the axes of the tower alternating in the cross section through one tower belt, and this alternation changes in each section of the tower along its height so that in every two sections of the belt adjacent in height through which the said vertical planes pass alternate. In this design of the tower reduces the number of braces and nodes of their attachment, as well as the number of elements in the diaphragms. The alternation of flat trusses in height in adjacent sections of the tower provides isolation of belts in several planes. All this leads to a decrease in the material consumption of the tower and simplification of the design of its nodal elements.

Выбранная в качестве прототипа башня с точки зрения принципов надежности обладает тремя основными недостатками. The tower selected as a prototype in terms of reliability principles has three main drawbacks.

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. The tower contains overlapping belts and horizontal struts, but there are no overlapping braces in it. The lack of backup braces reduces the reliability of the design. If one of the braces fails in critical situations, the tower will lose stiffness and collapse.

Малое количество раскосов не позволяет создать в конструкции жесткие пространственные элементы, имеющие форму тетраэдра. Это снижает жесткость всей конструкции. A small number of braces does not allow creating rigid spatial elements in the structure in the form of a tetrahedron. This reduces the rigidity of the entire structure.

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. The desire to minimize the number of braces and simplify the design of nodal joints reduces the multiplicity of connections between the elements of the tower. This makes it impossible to implement one of the basic principles of reliability, the principle of functional redundancy, i.e. the ability of the structure when the failure of one or another of its elements to assign the execution of their functions to other elements. This reduces the reliability of the tower design.

Цель изобретения повышение надежности конструкции башни при экстремальных ветровых нагрузках. The purpose of the invention is to increase the reliability of the tower structure under extreme wind loads.

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. This is achieved by the fact that each node is connected by ten rods to the nodes nearest to it, while every six rods connecting the four nodes closest to each other form a rigid spatial element in the form of an irregular tetrahedron, and every two neighboring elements have three common rods.

Предлагаемая конструкция башни обладает рядом существенных отличий от конструкции башни, выбранной в качестве прототипа. The proposed tower design has a number of significant differences from the tower structure selected as a prototype.

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. Firstly, it found new connections between waist rods, braces, inclined and horizontal struts. With such bonds, the named rods form many spatial elements in the form of an irregular tetrahedron. Such elements have the highest possible stiffness theoretically. Every two rigid adjacent elements have three common rods, i.e. rigidly connected to each other. A core structure consisting of rigid spatial elements rigidly connected to each other is called a structural structure.

Структурные конструкции обладают большой жесткостью и повышенной надежностью от внезапного разрушения. Structural structures have great rigidity and increased reliability from sudden destruction.

В конструкции башни прототипа поясные стержни, раскосы и горизонтальные распорки образуют только плоские решетчатые элементы, обладающие меньшей жесткостью. In the design of the prototype tower, waist rods, braces and horizontal struts form only flat lattice elements with less rigidity.

Предлагаемая башня имеет структурную конструкцию, а башня-прототип секционную конструкцию, состоящую из плоских панелей. The proposed tower has a structural structure, and the prototype tower is a sectional structure consisting of flat panels.

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. Secondly, the proposed design is a multiply connected system of rods in which each node is connected to neighboring nodes by ten rods. This provides high reliability design. In case of failure of one of the rods of any node, the forces carried by it are distributed between other rods and transferred to other nodes. For example, in the event of failure of any belt rod, the forces it carries are distributed between the three braces connected to the ends of this belt rod.

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. In the prototype tower, the connectivity between the nodes is lower. Depending on the position, the node is connected to neighboring nodes by five, six or seven rods. This reduces the reliability of the design.

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. Thirdly, in the proposed design, the waist rods are not connected along the perimeter by horizontal struts that do not carry significant loads. The horizontal struts inside the tower are almost two times shorter than the struts connecting the belts through one. This makes the design more reliable.

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. Fourth, in the proposed design, the braces, horizontal and inclined struts without waist rods form an independent connected structure consisting of rigid spatial elements having the form of a tetrahedron. In addition, each element has one common rod with the neighboring element. This design is an independent tower with a sufficiently large strength and rigidity.

В башне-прототипе раскосы и распорки не образуют жесткой конструкции. После удаления поясов конструкция разрушается при малейших усилиях. In the prototype tower, the braces and struts do not form a rigid structure. After removing the belts, the structure is destroyed at the slightest effort.

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. The comparison of the claimed technical solution with the prototype and other technical solutions suggests that the invention meets the criterion of "Significant differences" and gives a positive technical and economic effect.

Предлагаемая конструкция башни осуществима при любом четном числе граней, начиная с четырех. The proposed tower design is feasible with any even number of faces, starting with four.

Наиболее прочными и надежными будут башни с 6, 8, 10, 12 гранями. The most durable and reliable will be towers with 6, 8, 10, 12 faces.

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. In FIG. 1 shows a layout of rods and nodes in a hex tower; in FIG. 2 arrangement of rods and nodes in a tower with completely removed waist rods; in FIG. 3 is a diagram of a tower structure in which waist rods and internal braces are removed.

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. The lattice tower consists of external 1 and internal 2 waist rods located on the edges of the tower; external 3 and internal 4 braces forming triangular lattices with belts on the outer and inner surface of the tower; inclined 5 and horizontal 6 spacers connecting the outer belt with the inner; nodal connections 7, 8, in each of which the ends of ten rods are connected. Every six rods connecting the four nodes closest to each other, for example 9-12, form a rigid spatial element having the shape of an irregular tetrahedron. Two of each adjacent spatial elements, for example, elements with vertices in nodes 9-12 and 10-13, have three common rods passing through three common nodes 10, 11, 12. Depending on the location, the rigid spatial elements are divided into three types: elements , in which three vertices lie on the outer belts, and one on the inner, for example, an element with vertices at nodes 9-12; elements with three vertices lying on the inner belts and one on the outer belt, for example, an element with vertices at nodes 14, 15, 16 and 12; elements with two vertices lying on the outer belts and two on the inner belts, for example, an element with vertices at nodes 9, 12 and 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. Spatial rigid elements of each type are similar to each other, therefore, all nodal connections are divided into two types: external and internal. The nodes in each of these species are equal to each other.

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. The distance between two neighboring nodes located on the same outer belt is selected within 1.2 to 2 distances between neighboring belts at the level of the lower node. The shortest distance between the outer and inner neighboring belts is selected within 1 / 4-1 / 6 of the diameter of the tower at the height of measurement.

В предлагаемой конструкции башни жесткие пространственные элементы жестко соединены между собой своими гранями, следовательно, такая конструкция относится к классу структурных конструкций. In the proposed tower design, the rigid spatial elements are rigidly interconnected by their faces, therefore, this design belongs to the class of structural structures.

Предлагаемая решетчатая башня может быть изготовлена из металлических труб круглого сечения одинакового диаметра. Применение круглых труб позволяет экономить металл и снижать ветровые нагрузки. The proposed lattice tower can be made of metal pipes of circular cross section of the same diameter. The use of round pipes allows you to save metal and reduce wind loads.

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. To connect the pipes, already known structural solutions of nodal mates used in structural structures can be used, for example, molded connecting elements in the form of a "hedgehog", with cylindrical processes entering the holes of the tubular rods.

Предлагаемая башня не имеет секций. Ее можно собрать из отдельных деталей на любом месте без подъемных механизмов. The proposed tower has no sections. It can be assembled from individual parts anywhere without lifting mechanisms.

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. To accelerate the installation of the tower on a flat site, you can pre-assemble at the factory ring sections consisting of two or three rows of spatial elements in the form of a tetrahedron, and then install them one on top of the other using lifting mechanisms.

Известно, что надежность любой технической конструкции может быть повышена путем резервирования и функциональной избыточности. It is known that the reliability of any technical design can be improved by redundancy and functional redundancy.

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. The essence of redundancy is that additional (duplicate) elements are introduced into the system and included in parallel with the main ones. Functional redundancy is the ability of the system to impose the fulfillment of their functions on other elements upon failure of one or another of its elements.

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. The proposed tower design contains additional (duplicate) rods that increase its reliability, namely the outer and inner waist rods, external and internal braces, horizontal and inclined struts. Duplicate rods replace each other. When you remove from the tower structure all the rods that duplicate any rods, you get a new tower with less rigidity and reliability. For example, you can remove all outer or inner waist rods from a tower. All external or internal braces can be removed. You can remove all horizontal or inclined spacers. In all cases, the tower will maintain sufficient rigidity and structural integrity.

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. In the proposed tower design, each node is connected by rods to ten adjacent nodes. Such a multi-connected system allows the principle of functional redundancy to be implemented. Indeed, the forces acting on any node caused by the tower’s own weight and wind loads are perceived at the same time by a belt rod fixed in it, two braces and one inclined strut. If, in a critical situation, the outer waist rod loses stability under the influence of compressive force, then the force acting on it is distributed between two braces and one inclined strut, and then transmitted to three nodes lying at the ends of these rods. The ability of the proposed design to assign the functions of some rods to other rods can be confirmed by removing from it all the outer and inner waist rods. After removal, a new tower is obtained (Fig. 2), in which each node is connected by rods to eight neighboring nodes. Moreover, every six rods connecting the four nodes nearest to each other, for example, 9, 11, 12, 14, form a rigid spatial element having the shape of an irregular tetrahedron, and each spatial element 9, 11, 12, 14 has an adjacent element, for example 11, 12, 13, 15, one common shaft 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. The tower obtained after removing the belts (Fig. 2) preserves the integrity of the structure if all external or internal braces are removed from it (Fig. 3). Such a tower will not contain rigid spatial elements in the form of a tetrahedron. In this regard, it will have low rigidity.

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. The proposed tower structure belongs to the group of lattice spatial structures, which are also called structural structures. Such designs due to the multiply connected system have significant rigidity and increased reliability from sudden destruction.

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. The disadvantages of structural structures are considered the increased complexity of manufacturing elements and the difficulty of assembling in comparison with traditional solutions of metal structures. The main requirement for the design of the tower is high reliability from sudden destruction during a storm. Material losses caused by the destruction of the tower are many times higher than the costs caused by the complexity of its design.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является снижение вероятности аварии во время бури, что обеспечивается наличием резервных стержней и высокой связностью между ними. The technical result of the proposed design is to reduce the likelihood of an accident during a storm, which is ensured by the presence of redundant rods and high connectivity between them.

Claims

LATTICE TOWER, containing the outer and inner waist grids with triangular cells and connecting spacers, characterized in that each node is connected by ten rods to the nodes closest to it, and every six rods, pairwise connecting each four of the nodes closest to each other, form them a spatial element with four triangular faces, each face of which containing two spacers is simultaneously a face of an element adjacent to it, while elements containing four spacers form a connected a rod structure with the same nodes in which the four rods of each element are simultaneously the rods of four neighboring elements.