Расчет металлической дымовой трубы на прочность
ТРУБЫ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ДЫМОВЫЕ
Industrial chimneys. Design rules
Предисловие
Сведения о своде правил
1 ИСПОЛНИТЕЛЬ - Ассоциация пече-трубостроителей и пече-трубопроизводителей России ("РосТеплостройМонтаж")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"
3 ПОДГОТОВЛЕН к утверждению Департаментом градостроительной деятельности и архитектуры Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России)
6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего свода правил соответствующее уведомление будет опубликовано в установленном порядке. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте разработчика (Минстрой России) в сети Интернет
Введение
Работа выполнена некоммерческой организацией - Ассоциация пече-трубостроителей и пече-трубопроизводителей России "РосТеплостройМонтаж" (Ассоциация "РосТеплостройМонтаж").
Авторский коллектив: АО "Союзтеплострой" (Г.М.Мартыненко - руководитель разработки), Ассоциация "РосТеплостройМонтаж" (Ю.П.Сторожков), СРО НП "МонтажТеплоСпецстрой" (А.Ф.Федин), ООО АС "Теплострой" (В.А.Сырых, Т.В.Цепилов), ООО "Спецвысотстройпроект" (канд. техн. наук С.Б.Шматков), АО НИЦ "Строительство - НИИЖБ им.А.А.Гвоздева (докт. техн. наук Т.А.Мухамедиев), ООО "ПСФ Энерго" (канд. техн. наук А.З.Корсунский), АО "ЦНИИПромзданий" (д-р техн. наук В.В.Гранев, канд. архитектуры Д.К.Лейкина, К.В.Авдеев), ЗАО ЦНИИПСК им.Мельникова (инженеры Е.А.Понурова, Г.Р.Шеляпина, Р.М.Шилькрот, канд. хим. наук Г.В.Оносов), ОАО "Теплопроект" (инж. А.А.Ходько), ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет" (докт. техн. наук, проф. В.И.Соломин, докт. техн. наук, проф. В.М.Асташкин, докт. техн. наук А.Н.Потапов), при участии объединения "Союзкомпозит" (С.Ю.Ветохин), АНО "Центр нормирования, стандартизации и классификации композитов (инж. А.В.Гералтовский).
1 Область применения
1.1 Настоящий свод правил устанавливает требования к проектированию промышленных дымовых труб, включая фундаменты, с несущими стволами из кирпича, железобетона, стали, полимерных композитов, а также на промышленные дымовые трубы, поддерживаемые несущими металлическими башнями (каркасами).
1.2 Настоящий свод правил не распространяется на проектирование промышленных дымовых труб высотой от отметки установки 15 м и менее.
1.3 Настоящий свод правил не распространяется на проектирование фундаментов промышленных дымовых труб, предназначенных для строительства в особых условиях: на вечномерзлых, просадочных, насыпных и намывных грунтах, подрабатываемых и закарстованных территориях.
2 Нормативные ссылки
В настоящем своде правил использованы нормативные ссылки на следующие документы:
ГОСТ 530-2012 Кирпич и камень керамические. Общие технические условия
ГОСТ 12071-2014 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов
ГОСТ 19281-2014 Прокат повышенной прочности. Общие технические условия
ГОСТ 19912-2012 Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием
ГОСТ 20276-2012 Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости
СП 14.13330.2014 "СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах" (с изменением N 1)
СП 15.13330.2012 "СНиП II-22-81* Каменные и армокаменные конструкции" (с изменениями N 1, N 2)
СП 16.13330.2017 "СНиП II-23-81* Стальные конструкции"
СП 20.13330.2016 "СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия"
СП 22.13330.2016 "СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений"
СП 27.13330.2011 "СНиП 2.03.04-84 Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур"
СП 28.13330.2012 "СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии" (с изменениями N 1, N 2)
СП 43.13330.2012 "СНиП 2.09.03-85 Сооружение промышленных предприятий" (с измененением N 1)
СП 47.13330.2016 "СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения"
СП 63.13330.2012 "СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения" (с изменениями N 1, N 2, N 3)
Примечание - При пользовании настоящим сводом правил целесообразно проверить действие ссылочных документов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте федерального органа исполнительной власти в сфере стандартизации в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего свода правил в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов.
3 Термины и определения
В настоящем своде правил применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 агрессивная среда: Среда эксплуатации сооружения, вызывающая уменьшение сечений и деградацию свойств материалов отдельных конструкций сооружения во времени.
3.2 воздействие: Явление, вызывающее изменение напряженно-деформированного состояния строительной конструкции.
3.3 газоотводящий ствол: Вертикальная часть газоотводящего тракта, обеспечивающая отвод в атмосферу и рассеивание отводимых газов.
3.4 газоход: Часть газоотводящего тракта по которому отводимые газы перемещаются от обслуживаемого оборудования (теплового или промышленного агрегата) до дымовой трубы (газоотводящего ствола).
3.5 дивертор: Устройство на газоотводящем стволе, обеспечивающее, при необходимости, переключение направления потока отводимых газов.
3.6 диффузор: Расширяющийся по ходу движения газа участок газоотводящего тракта.
3.7 защитная система: Система защиты несущего ствола дымовой трубы от агрессивного или температурного воздействия отводимых газов, состоящая из защитной футеровки (газоотводящего ствола), тепловой изоляции, опорных конструкций.
3.8 интерцепторы: Спиралевидные ребра, устанавливаемые в верхней части трубы (обычно металлической), для предотвращения или уменьшения ее резонансных колебаний в ветровом потоке.
3.9 конфузор: Сужающийся по ходу движения газов участок газоотводящего тракта.
3.10 коэффициент сочетаний нагрузок: Коэффициент, учитывающий уменьшение вероятности одновременного достижения несколькими нагрузками их расчетных значений.
3.11 коэффициенты надежности: Коэффициенты, учитывающие возможные неблагоприятные отклонения значений нагрузок, характеристик материалов и расчетной схемы строительного объекта от реальных условий его эксплуатации, а также уровень ответственности строительных объектов.
3.12 лучковая арка: Арка, отношение стрелы подъема которой к пролету менее 1/2.
Примечание - Отношение стрелы подъема лучковой арки и лучкового свода к пролету, как правило, составляет 1/8, 1/12, 1/16 или 1/32, а центральный угол - от 120° до 180° соответственно.
3.13 маркировочная окраска: Окраска высотного сооружения горизонтальными полосами белого и красного (оранжевого) цветов для выделения его на фоне местности с целью обеспечения безопасности полетов воздушных судов.
3.14 молниезащита: Устройство для защиты дымовой трубы и ее отдельных элементов от прямого удара молнии.
3.15 надежность: Способность строительного объекта выполнять требуемые функции в течение расчетного срока эксплуатации.
3.16 несущая конструкция: Конструкция, воспринимающая основные нагрузки и обеспечивающая прочность, жесткость и устойчивость сооружения.
3.17 несущая способность: Максимальный эффект воздействия, при котором в конструкциях, а также грунтах основания, не происходит разрушение любого характера (пластического, хрупкого, усталостного) и потеря местной или общей устойчивости.
3.18 полуциркульная арка: Арка, отношение стрелы подъема которой к пролету равно 1/2 и центральный угол равен 180°.
3.19 предельное состояние: Состояние строительного объекта, при превышении характерных параметров которого эксплуатация строительного объекта недопустима, затруднена или нецелесообразна.
3.20 промышленная труба: Высотное сооружение, предназначенное для создания тяги, отвода и рассеивания в атмосфере продуктов сгорания топлива или воздуха, содержащего вредные примеси.
Примечание - Промышленные трубы, отводящие преимущественно продукты сгорания топлива, называются дымовыми, а промышленные трубы, отводящие преимущественно воздух, содержащий вредные примеси, называются вентиляционными.
3.21 разделительная стенка: Конструкция в нижней части ствола трубы или газоотводящего ствола, разделяющая встречные потоки подводимых газов при двух и более вводах газоходов.
3.22 расчетная модель трубы: Модель взаимосвязанной системы "ствол трубы - фундамент - основание", используемая при проведении расчетов и включающая в себя: расчетные схемы, идеализирующие геометрию рассчитываемого объекта; расчетные модели нагрузок и воздействий; расчетные модели напряженно-деформированного состояния; расчетные модели материалов.
3.23 расчетный срок службы: Установленный в нормах проектирования, задании на проектирование или в проектной документации временной период (срок) использования строительного объекта по назначению до его капитального ремонта либо реконструкции при нормальной эксплуатации с предусмотренным техническим обслуживанием.
Примечание - Расчетный срок службы отсчитывается от начала эксплуатации или возобновления эксплуатации после капитального ремонта, реконструкции, или расконсервации.
3.24 световое ограждение: Обозначение местоположения высотного сооружения в темное время суток и при плохой видимости с помощью заградительных огней, устанавливаемых на сооружении для обеспечения безопасности полетов воздушных судов.
3.25 светофорные площадки: Площадки, предназначенные для размещения на них и обслуживания заградительных огней светового ограждения трубы, используемые также при осмотрах, обследованиях, техническом обслуживании и ремонтах трубы.
3.26 секция газоотводящего ствола: Укрупненная составная часть газоотводящего ствола, ограниченная температурно-компенсационными стыками, свободным или опорным краями и собранная из нескольких царг с помощью жестких (чаще всего неразъемных) соединений.
3.27 царга: Отдельный конструктивный элемент дымовой трубы или газоотводящего ствола, как правило, цилиндрической формы, имеющий необходимые детали для соединения с аналогичными элементами или смежными частями дымовой трубы или газоотводящего тракта
4 Общие требования
4.1 Проектирование промышленных дымовых труб (далее - труб) следует выполнять с учетом требований СП 43.13330.2012 (пункты 9.3 и 9.4), при этом должна быть обеспечена эвакуация в атмосферу и эффективное рассеивание отводимых газов до допустимых гигиеническими нормами пределов концентрации вредных веществ и твердых частиц на уровне земли в зоне расположения трубы.
При проектировании труб следует учитывать их уровень ответственности.
4.2 Трубы по конструктивным особенностям делятся:
- на свободностоящие (самонесущие) - кирпичные, армокирпичные, монолитные железобетонные, сборные железобетонные, стальные, из полимерных композитов;
- трубы с оттяжками - стальные, из полимерных композитов;
- трубы в поддерживающем каркасе (башне) - стальные, из полимерных композитов.
Несколько труб допускается объединять соединительными конструкциями, не препятствующими независимым перемещениям каждой из труб относительно остальных, объединенных в одно сооружение.
Расчет дымовой трубы на устойчивость
Кандидат непонятных наук
Растяжки уменьшают расчёную длину ствола.
У дымовой метллической трубы проверяется две устойчивости:
1) Общая устойчивость ствола как стержня.
2) Устойчивость стенки ствола трубы от действия ветровой нагрузки. (Может не пройти труба с огромным диаметром и очень малой толщиной стенки).
Крен задаёте в схему как дополнительный момент.
Хм.
Скажите высоту, остаточную толщину стенки, диаметр и крен - я навскидку скажу, пройдёт расчёты или нет (за годы работы экспертом насчитался этих металлюг до звёздочек в глазах).
Кроме устойчивости и прочности проверьте фундаментную плиту - некоторые трубы не проходят уже на стадии проектирования. Проверяется также, как база колонны.
как это учитывать в расчетной схеме, просто уменьшать расчетную длину в схеме?
Стенка у трубы 6 мм. Крен составляет 97мм
Ствол лучше разбить на участки - гораздо точнее будет. Участок не более 10 метров хоят бы по условиям сбора ветровой нагрузки.
В целом, да. Прикладывате момент от крена. Только он как бы не на оголовок здаётся - у момента же нет точки приложения. Считаете момент от крена в расчётных сечениях.
При толщине 6 мм и крене всего-то 97 мм такая труба будет иметь огромнейшие запасы прочности и устойчивости - не пугайтесь, если коэфициент использования материала получите в районе 10%, а то и меньше. Такие огромные запасы связаны с коррозией материала ствола - это запас на коррозию. Обычно подобные мелкие трубы начинают исчерпывать несущую способность, когда толщина ствола уменьшается до 3 мм. Это как раз 30 лет эксплуатации из расчёта 1 мм в 10 лет при нормальном режиме работы.
Устойчивость: Да, когда мы расчёт делаем, там есть такой показатель, как расчётная длина стержня. Если растяжек нет, то расчётная длина стержня равна двум высотам трубы. Если растяжки есть, то расчётная длина значительно сокращается (см. справочники по строительной механике - там в зависимости от способа закрепленяи стержня свои коэффициенты). Учитывая сказанное мною про запасы прочности - вы сейчас даже если растяжки в расчёт не возьмёте, у вас ствол трубы пройдёт по расчёту.
Ствол лучше разбить на участки - гораздо точнее будет. Участок не более 10 метров хотя бы по условиям сбора ветровой нагрузки. |
Труба сама состоит из секций по полтора метра, т.е. расчет вести участками 10, 10 и 7, просто как это учитывать в расчете? точнее куда и что подставлять? когда я считаю максимальную гибкость мне туда подставлять собственно что?
спасибо
ps
может завалялись какие-нибудь старые варианты расчетов ?
То что труба разбита царгами, учитывается при определении местной устойчивости стенки и при определении устойчивости стенки как цилиндрической оболочки. В вашем случае заморачиваться этими проверками нет нужды - это интересно только при диаметрах стволов свыше 2 метров.
Разбиение на участки поволяет вам прежде всего корректно собрать нагрузку. Ну и при огромных диаметрах высоких труб, к тому же приблизившихся к предельному сроку эксплуатации, бывает не проходит местная устойчивость самого верхнего участка - там высокое давление ветра и малая нагрузка от собственного веса. Повторюсь, что в вашем случае забудьте и не мучайтесь.
Когда вы считаете максимальную гибкость, вы считаете ствол целиком, вам туда нужно подставлять напряжения в самом нижнем сечении. В вашем конкретном случае не заморачивайтесь с расчётными длинами, а для успокоения совести посчитайте расчётную длину стержня 27*2=54 метра, как будто растяжки у вас провисли и не работают. У вас по реультатам расчёта всё пройдёт, и вы тогда будете точно знать, что у вас с таким (огромным, хе-хе) креном не просто устойчивость обеспечена, а обеспечена даже с учётом того, что растяжки эксплуатационщики как обычно не натянули.
Расчет колонной дымовой трубы 30 метров
Каждая дымовая труба для котельной или промышленного предприятия разрабатывается в индивидуальном порядке с учетом специфики производства, состава отводимых газов и климатических особенностей района строительства.
Данный отчет содержит результаты расчета несущих конструкций металлической дымовой трубы (чертежи марки КМ находятся тут )
Расчеты произведены в расчетном комплексе SCAD версии 11.3.1.1.
1. Исходные данные.
Цель настоящей работы состоит в расчётном обосновании конструктивных решений, принимаемых при проектировании металлической дымовой трубы.
Предварительно была принята пространственная цилиндрическая оболочка, защемленная в основании. Итогом данного расчета станет проверка общей прочности и устойчивости конструкции на соответствие нормам проектирования.
Расчёт выполнен с использованием программного комплекса SCAD версии 11.3.1.1.
Используемый программный комплекс позволяет реализовать прочностные и деформативные расчёты методом конечных элементов на конечно-элементной модели.
1.1. Описание конструктивной схемы сооружения.
Конструктивная схема – пространственная цилиндрическая оболочка, защемленная в основании.
Пространственный цилиндр представляет собой набор 4-х угольных КЭ оболочки (№44).
Оболочка защемляется в основании болтами через опорную пластину.
Болты замоделированы как стержни, жестко заделанные в основании и шарнирно сопряженные с опорной плитой.
Опорная плита замоделирована как стержень плоской формы. Плита жестко сопряжена с оболочкой трубы.
2. Методика расчёта.
2.1. Общие данные
Расчет выполнен с помощью расчетного комплекса SCAD. Данный расчетный комплекс реализует конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем, проверку устойчивости, выбор невыгодных сочетаний усилий, подбор арматуры железобетонных конструкций, проверку несущей способности стальных конструкций. В данной пояснительной записке описаны лишь фактически использованные при расчете выше названного объекта возможности расчетного комплекса SCAD.
Расчет прочности здания проводился в пространственной постановке.
2.2. Краткая характеристика методики расчетов
В основу расчетов положен метод конечных элементов с использованием в качестве основных неизвестных перемещений и поворотов узлов расчетной схемы. В связи с этим идеализация конструкции выполнена в форме, приспособленной к использованию этого метода, а именно: система представлена в виде набора тел стандартного типа (стержней, пластин, оболочек и т.д.), называемых конечными элементами и присоединенных к узлам.
Тип конечного элемента определяется его геометрической формой, правилами, определяющими зависимость между перемещениями узлов конечного элемента и узлов системы, физическим законом, определяющим зависимость между внутренними усилиями и внутренними перемещениями, и набором параметров (жесткостей), входящих в описание этого закона и др.
Узел в расчетной схеме метода перемещений представляется в виде абсолютно жесткого тела исчезающе малых размеров. Положение узла в пространстве при деформациях системы определяется координатами центра и углами поворота трех осей, жестко связанных с узлом. Узел представлен как объект, обладающий шестью степенями свободы - тремя линейными смещениями и тремя углами поворота.
Все узлы и элементы расчетной схемы нумеруются. Номера, присвоенные им, следует трактовать только, как имена, которые позволяют делать необходимые ссылки.
Основная система метода перемещений выбирается путем наложения в каждом узле всех связей, запрещающих любые узловые перемещения. Условия равенства нулю усилий в этих связях представляют собой разрешающие уравнения равновесия, а смещения указанных связей - основные неизвестные метода перемещений.
В общем случае в пространственных конструкциях в узле могут присутствовать все шесть перемещений:
1 - линейное перемещение вдоль оси X;
2 - линейное перемещение вдоль оси Y;
3 - линейное перемещение вдоль оси Z;
4 - угол поворота с вектором вдоль оси X (поворот вокруг оси X);
5 - угол поворота с вектором вдоль оси Y (поворот вокруг оси Y);
6 - угол поворота с вектором вдоль оси Z (поворот вокруг оси Z).
Нумерация перемещений в узле (степеней свободы), представленная выше, используется далее всюду без специальных оговорок, а также используются соответственно обозначения X, Y, Z, UX, UY и UZ для обозначения величин соответствующих линейных перемещений и углов поворота.
В соответствии с идеологией метода конечных элементов, истинная форма поля перемещений внутри элемента (за исключением элементов стержневого типа) приближенно представлена различными упрощенными зависимостями. При этом погрешность в определении напряжений и деформаций имеет порядок (h/L) k , где h — максимальный шаг сетки; L — характерный размер области. Скорость уменьшения ошибки приближенного результата (скорость сходимости) определяется показателем степени k, который имеет разное значение для перемещений и различных компонент внутренних усилий (напряжений).
2.3. Расчетная схема.
- Системы координат.
Для задания данных о расчетной схеме могут быть использованы различные системы координат, которые в дальнейшем преобразуются в декартовы. В дальнейшем для описания расчетной схемы используются следующие декартовы системы координат:
- Глобальная правосторонняя система координат XYZ, связанная с расчетной схемой;
- Локальные правосторонние системы координат , связанные с каждым конечным элементом.
- Тип схемы.
Расчетная схема определена как система с признаком 5. Это означает, что рассматривается система общего вида, деформации которой и ее основные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей.
Расчет металлических труб на прочность и устойчивость
Как и для всех рассмотренных в предыдущих главах типах дымовых труб, расчет металлических труб на прочность и устойчивость проводится по первой и второй группам предельных состояний. Расчет металлических труб на прочность и устойчивость по первой группе предельных состояний стальных труб проводят на прочность и устойчивость, причем внутренние усилия в отдельных элементах несущих металлических каркасов определяют в предположении образования в них шарнирных узлов и упругой работы материалов.
Основное напряжение в стволе стальной трубы рассчитывают по формуле
где N - расчетная продольная сила от вертикальных нагрузок; F - площадь поперечного сечения ствола; М - расчетный изгибающий момент; R - расчетное сопротивление стали; W - момент сопротивления поперечного сечения ствола
где r - радиус сечения ствола; t - толщина металла ствола.
Расчет металлических труб на прочность и устойчивость замкнутых цилиндрических оболочек вращения, которыми и являются металлические дымовые трубы, следует выполнять по формуле
где σ - расчетное напряжение в стволе; vc - коэффициент условий работы; vcr - критическое напряжение, равное меньшему из значений или CEt/r, здесь r - радиус сечения ствола; t - толщина металла ствола; φ - коэффициент, при 0
R - расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по временному сопротивлениию; Е - модуль упругости стали; С - коэффициент, в зависимости от отношения r/t коэффициент С имеет следующие значения:
Расчет металлических труб на прочность и устойчивость дымовой трубы при воздействии внешнего равномерного давления Р, нормального к боковой поверхности, производят по формуле
где σ1 - расчетное кольцевое напряжение в стволе, σ1 - Pr/t; vc - коэффициент условий работы; σcr1 - критическое напряжение
при l/r ≥ 20, здесь I длина цилиндрической части ствола трубы; г - радиус сечения ствола.
Расчет металлических труб на прочность и устойчивость цилиндрического ствола дымовой трубы, подверженной одновременному действию силы сжатия N и равномерного давления Р, нормального к боковой поверхности, выполняют по формуле
где vc - коэффициент уcловий работы.
Учитывая, что цоколь металлических дымовых труб, как правило, конической формы, его расчет на устойчивость выполняют индивидуально как под действием продольного усилия сжатия (рис. 39), так и при действии внешнего равномерного давления.
Расчет металлических труб на прочность и устойчивость конической оболочки с углом конусности ß < 60º, сжатой силой N вдоль оси, выполняют по формуле
где - N критическая сила
здесь t - толщина оболочки; σг критическое напряжение, вычисленное нами для цилиндрических оболочек, только вместо радиуса r принят радиус rm.
Расчет металлических труб на прочность и устойчивость конической оболочки при действии внешнего равномерного давления Р, нормального к боковой поверхности, выполняют по формуле
где σ2 расчетное кольцевое напряжение в оболочке, σ2 = Рrm /t; σcr2 критическое напряжение.
здесь h - высота конической оболочки (см. рис. 39).
Е - модуль упругости стали.
Расчет металлических труб на прочность и устойчивость конической части дымовой трубы, подверженной одновременному действию нагрузок от силы сжатия N и равномерного давления Р, нормального к боковой поверхности, выполняют по формуле
Читайте также: