Text
                    

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ У11ИВЕРСИТЕТ R В. Елистратов И. А. Константинов А. А. Панфилов НАГРУЗКИ НА ЭЛЕМЕНТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, НА ЕЕ ФУНДАМЕНТ И ОСНОВАНИЕ Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство СПбГТУ 1999
УДК 620.92+624.042 Елистратов В. В, Константинов И А., Панфилов А. А. Нагрузки на элементы ветроэнергетической установки, на ее фундамент и основание: Учеб, пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 38 с. Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины “Возобновляемые источники энергии” направления инженерной подготовки специальности 100900 “Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии”. Для ветроэнергетических установок (ВЭУ) башенного типа с горизонтальной осью вращения рассмотрена методика подсчета постоянных нагрузок в виде собственного веса элементов ВЭУ, ветровых нагрузок на ветроколесо (ВК) и башню, динамической нагрузки, действующей на ступицу ВК и связанной с дисбалансом массы В К по отношению к оси вращения, и других нагрузок. Предназначено для студентов 5-го и 6-го курсов инженерно-строительного факультета указанной выше специальности. Табл. 6. Ил. 12. Библиогр.: 15назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербург- ского государственного технического университета. © Санкт-Петербургский государственный технический университет. 1999
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие........................................................... 4 1. Элементы сооружения. Нагрузки, их расчетные варианты и сочетания. 5 1,1. Краткое описание элементов сооружения ......................... 5 1.2. Нагрузки, действующие на элементы сооружения.................. 5 1.3. Расчетные варианты и сочетания нагрузок........................ 8 2. Определение постоянных и временных нагрузок на элементы ВЭУ, на ее фундамент и основание..................................... 10 2.1. Нагрузки для расчета иа статическую прочность и устойчивость.. 10 2.1.1 Определение нагрузок, действующих на гондолу ВЭУчерез ступицу ВК.. 10 2.1.2. Другие нагрузки на гондолу................................. 20 2.1.3, Нагрузки па башню....................................... 20 2.1.4. Нагрузки на фундамент...................................... 20 2.1.5. Нагрузки на основание...................................... 21 2.2. Нагрузки для расчета на выносливость......................... 21 3. Пример расчета нагрузок на элементы ВЭУ, на ее фундамент и основание 24 3.1. Основные параметры ВЭУ........................................ 24 3.2. Составляющие ветровой нагрузки, действующие на гондолу через ступицу ВК................................................... 25 3.3, Инерционные нагрузки, связанные с вращением ВК................ 27 3.4. Другие нагрузки на гондолу' ВЭУ............................... 29 3.5. Нагрузки на башню............................................. 30 3.6. Ветровая нагрузка на башню.................................. 31 3.7. Нагрузки на фундамент ........................................ 36 3.8. Нагрузки на основание....................................... 37 Список литературы................................................... 38 3
ПРЕДИСЛОВИЕ Ветроэнергетическая установка (ВЭУ), ее фундамент и грунтовое основание образуют единую систему, элементы которой взаимодействуют друг с другом при любых статических или динамических воздействиях на них. Проектирование элементов системы “ВЭУ-фундамент-основание” связано с необходимостью выполнения различных требований, предъявляемых к ее элементам [1-12], в том числе по статической прочности и устойчивости; выносливости; жесткости. Для создания системы, удовлетворяющей этим требованиям, необходимо проведение ряда статических и динамических расчетов. Изучение методики таких расчетов для системы “ВЭУ-фундамент-основание” предусмотрено в учебных планах кафедры “Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика” инженерно-строительного факультета СПбГТУ для специальности 100900 “Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии”. Однако учебной литературы по этим вопросам недостаточно. В связи с этим, авторский коллектив (В. В. Елистратов, А. А. Панфилов - кафедра “Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика” и И. А. Константинов - кафедра “Строительная механика и теория упругости”) для студентов указанной специальности предполагает выпустить учебные пособия: 1 .’’Нагрузки на элементы ветроэнергетической установки, на ее фундамент и основание”; 2 .’’Динамические расчеты системы «ветроэнергетическая установка- фундамент-основание»”; 3 . “Расчет фундаментов ветроэнергетических установок”; 4 . “Расчет свайных фундаментов ветроэнергетических установок на вечномерзлых грунтах”. Эти пособия ориентированы на ветроэнергетические установки башенного типа с горизонтальной осью вращения ветроколеса, поскольку именно они нашли в настоящее время наибольшее применение [13,14]. Данное издание является первым из указанной серии учебных пособий. В нем рассмотрена методика определения ветровых и других нагрузок на элементы ВЭУ, на ее фундамент и основание и дан соответствующий пример расчета. 4
1. ЭЛЕМЕНТЫ СООРУЖЕНИЯ. НАГРУЗКИ, ИХ РАСЧЕТНЫЕ ВАРИАНТЫ И СОЧЕТАНИЯ 1.1. Краткое описание элементов сооружения ВЭУ является надфундаментной частью сооружения и состоит (рис. 1.1) из гондолы (1) с ветроколесом (2) и несущей их башни (3). Внизу башня крепится анкерными болтами к так называемой привалочной плоскости (4) фундамента (5). Ветроколесо (ВК) имеет две или три (см. рис. 1.1) лопасти и часто (из аэродинамических соображений) ось вращения, наклоненную к горизонту на небольшой угол 5 (для ВЭУ “Радуга-1” мощностью 1000 кВт 5 - 5°). Гондола (рис. 1.2) представляет собой капсулу, в которой располагаются вал ветроколеса и его опорная конструкция, мультипликатор (редуктор), генератор и элементы их крепления, другое оборудование и приборы. Гондола при изменении направления ветра поворачивается вокруг вертикальной оси, совпадающей с осью башни. Башня ВЭУ обычно имеет вид трубы (металлической, железобетонной или из других материалов) [13,14]. Часто башню, для удобства транспортировки и монтажа выполняют из нескольких, чаще всего трех, секций. Фундамент ВЭУ железобетонный. Обычно он имеет вид плиты, опирающейся на грунтовое или свайное основание. В последнем случае сваи заделываются в плиту (ростверк). Наиболее рациональной (по условиям работы) является круглая в плане форма плиты. Для упрощения производства фундамента часто используют плиты квадратной в плане формы 1.2. Нагрузки, действующие на элементы сооружения Нагрузки, действующие на элементы сооружения, классифицируются в соответствии со СНиП [1]. Постоянные нагрузки ГН. Собственный вес элементов надфундаментной части сооружения. П2. Собственный вес фундамента. ПЗ. Давление грунта засыпки и воды (при наличии грунтовых вод) на поверхности фундамента. 5
I Рис. 1.2
Временные нагрузки Ветровая нагрузка на ветроколесо, гондолу и башню ВЭУ и динамические нагрузки, связанные с вращением ветроколеса, относятся к длительным временным нагрузкам. Снеговая нагрузка на гондолу может быть отнесена как к разряду длительных, так и кратковременных нагрузок [1]. В соответствии с принятой методикой практических расчетов [1,2] ветровая нагрузка подсчитывается как сумма статической (средней) и динамической (пульсационной) составляющих. В рассмотренных далее расчетных вариантах и сочетаниях нагрузок учитываются следующие ветровые воздействия. В1. Ветровое воздействие на элементы ВЭУ (ВК, гондолу и башню) при вращающемся ВК и расчетной (по мощности ВЭУ) скорости ветра двух видов: а) с учетом пульсационной составляющей ветрового давления; б) без учета пульсационной составляющей ветрового давления. В2. Ветровое воздействие на элементы ВЭУ при максимальном значении скорости ветра без учета пульсационной составляющей ветрового давления. Основная ветровая нагрузка в этом случае приходится на башню. По сравнению с ней ветровая нагрузка на ветроколесо незначительна, так как обычно при скорости ветра 25 м/с и более предусмотрена его остановка. Мет одике подсчета постоянных и временных нагрузок посвящен разд.2 данного пособия. Особые нагрузки Некоторые временные нагрузки относятся к разряду особых нагрузок. Для ВЭУ особой является нагрузка от сейсмического воздействия, определяемая в соответствии со СНиП [4]. Расчет ВЭУ на сейсмическое воздействие связан с динамическими расчетами сооружения, поэтому методика определения сейсмических нагрузок рассматривается в учебном пособии [15]. 1.3. Расчетные варианты и сочетания нагрузок При проектировании ВЭУ и фундамента, а также при расчете основания предъявляются различные требования [1-12], в том числе по статической прочности и устойчивости, выносливости, жесткости. Расчет на статическую прочность и устойчивость производится на действие статических нагрузок и статических эквивалентов динамических нагрузок (статически эквивалентные нагрузки) [1-4] для следующих расчетных вариантов. А1. Эксплуатационный (“Рабочий режим”)* Основное сочетание постоянных (П1, П2, ПЗ) и временных (снеговой, инерционных и ветровой вида В1,а) нагрузок. 8
А2. Действие ветра с максимальной скоростью (“Буря”). Ветроколесо остановлено. Сочетание постоянных (П1, П2, ПЗ) и временной (ветровой вида В2) нагрузок. АЗ. Сейсмическое воздействие (“Сейсм”). Особое сочетание постоянных (П1, П2, ПЗ), временных (инерционных и ветровой вида В1,б) и сейсмической нагрузок. Для постоянных и временных нагрузок сначала определяют их нормативные значения. Расчетные значения этих нагрузок получают умножением их нормативных значений на коэффициенты надежности по нагрузке у ,: для постоянных нагрузок у у - 1.05, для статически эквивалентных ветровых, а также для снеговой нагрузок //=1.4. Расчетные сейсмические нагрузки находят по методике, изложенной в СНиП [4]. Суммирование нагрузок в особом сочетании выполняют с учетом коэффициентов сочетаний пс: для постоянных нагрузок пс_0.9; для временных - пс =0.8; ДЛЯ особых =1.0. При расчете на выносливость рассматривается только эксплуатационный вариант Б1( по аналогии с А1). В отличие от варианта А1, при расчете на выносливость динамические составляющие нагрузки (В1,а) в варианте Б1 не приводятся к статически эквивалентным нагрузкам, а задаются как функции от времени. Коэффициент надежности для динамических нагрузок принимается равным единице (у с = 1.0). Цель расчета на жесткость - обеспечение таких перемещений ВЭУ и ее элементов, при которых собственные частоты колебаний ВЭУ и ее элементов находятся вне зон резонанса при действующих динамических нагрузках [15], а сами перемещения сооружения, в частности, осадка и крен фундамента ВЭУ, не превышают допустимых значений. Расчет осадки и крена фундамента выполняется для сочетании нагрузок в вариантах А1 и А2. Методика их определения будет рассмотрена в третьем и четвертом (см. предисловие) учебных пособиях. 9
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ И ВРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК НА ЭЛЕМЕНТЫ ВЭУ, НА ЕЕ ФУНДАМЕНТ И ОСНОВАНИЕ В данной главе приводятся формулы для определения постоянных и временных нагрузок на элементы системы для всех расчетных вариантов, указанных в разд. 1.3. 2.1. Нагрузки для расчет на статическую прочность и устойчивость 2.1.1. Определение нагрузок, действующих на гондолу ВЭУ через ступицу ВК На рис.2.1 изображена схема трех систем координат, в которых выполнен подсчет усилий, действующих со стороны ВК на гондолу: система координатных осей х ,у ,z с началом координат в точке Ор пересечения оси вала ротора (ось х) с плоскостью вращения ВК, система координатных осей xltyltZj с началом координат в точке О пересечения оси вала ротора (ось х} совпадает с осью х ) с осью башни; система координатных осей x,y,z с началом координат в той же точке О. При этом оси х и z горизонтальны. Ось z совпадает с осью Zj. Ось ВК, совпадающая с осью хр и осью х;, наклонена к горизонту (оси х ) на угол 8. Угол 0 обозначает угол наклона оси лопасти ВК к оси уру перпендикулярной оси вращения ВК. Угол <ря является утолом поворота лопасти вокруг ее продольной оси. Там же отмечен угол у/ между направлением ветра и осью х в горизонтальной плоскости ху. Положительные направления сил и моментов, приведенных к началу координат Ор и началу координат О, показаны на рис. 2.2. Все нагрузки, действующие через ступицу ВК на гондолу (точка Ор), зависят от указанных углов. С соответствующими зависимостями можно познакомиться, например, в работе [3]. Поскольку в реальных конструкциях углы 8 и 0 малы, с целью облегчения расчетов нагрузок на фундамент ВЭУ при выполнении учащимися курсовых работ и проектов будем принимать 8 = 0 = 0. Кроме того, будем полагать, что направление ветра на ВК точно совпадает с осью х, т е. (см. рис.2.1) 0. При этом будут учитываться только следующие основные нагрузки, передающиеся на гондолу через ступицу ВК. 10
Направление ветра 11
Рис. 2.2 12
Собственный вес В К Нормативное значение силы собственного веса ВК определяется по формуле РВк (2-1) где твк -масса ветроколеса, g - ускорение свободного падения тел. Расчетное значение силы собственного веса ВК получают умножением нормативного значения силы на коэффициент надежности у, - 1.05: Р&=1.05Р* (2.2) ДА X ✓ Составляющие ветровой нагрузки Формулы для определения составляющих ветровой нагрузки взяты из работы [3]. Они соответствуют методике, изложенной в СНиП [1] и справочнике по динамике сооружений [2]. 1. Равнодействующая лобового давления ветра на ВК, отнесенная к его ступице и действующая вдоль оси ВК (ось хр, совпадающая с осью х;). Указанная нагрузка складывается из статической составляющей Рс , связанной хр со средней (постоянной) скоростью ветра, и из динамической составляющей Рд , связанной с пульсациями скорости ветра. При расчетах на статическую хр прочность и устойчивость составляющая Р° приводится к эквивалентной хр статической нагрузке Рэ . Поэтому хр где [1-3] < =сх </S, (2.4) хр р сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления ветроколеса. Известно, что этот коэффициент зависит от угла наклона направления ветра по отношению к лопастям ВК, быстроходности ВК и вида профиля лопасти [13]. В качестве примера приведем взятую из работы [3] формулу для определения указанного коэффициента для ВК типа “Радуга-Г’, разработанного в МКБ “Радуга”: c^(Z,^.,^,6>,^) = c^(Z,^r)cos2(5 + 6»)ic(^). (2.5)
График для коэффициента кс(ур отражающего влияние угла наклона направления ветра по отношению к оси х, приведен на рис.2.3. При S 0=у - 0 получим сХр (Z,(p4,§,O,w) = с*? (Z,tpn). (2.6) Изменение величины с в зависимости от быстроходности ВК Z ~ ®вк Rр (2-7) (аВ1С ~ угловая частота вращения ВК. R—радиус ВК, м; Vp ~ расчетная по мощности ВЭУ скорость ветра, м/с ) и от угла поворота (рч лопасти показано на рис.2.4. Для жёстколопастных ВК угол <р:. имеет одно значение, соответствующее конкретному типу ВК (2 -3° для некоторых зарубежных ВК, 5 -6° для ВК, разработанных в нашей стране), поэтому вместо графиков, приведенных на рис.2.4, будет одна кривая сх (Z). р Величина q в (2.4) представляет собой скоростной напор ветра и определяется по формуле <7 = 0.5 р И/, (2.8) где р - плотность воздуха. Полагая р= 0.121 кгс с2/м4, вместо (2.8) принимают [2] q = Р'2 /16 кгс/м2 = 0.625Г 2Па (2.9) * г г (здесь и далее, для упрощения расчетов принимаем 1 кгс -г 9.81 Па » 10 Па). Величина S-ttRb (2.4) представляет собой так называемую “ометаемую” площадь ветроколеса. Нормативное значение статически эквивалентной составляющей Р* в соответствии с рекомендациями п.6.7 СНиП [1] выражается через нормативное значение статической составляющей Рс в виде хр (2.10) где кэ~ коэффициент эквивалентности, который по СНиП [1] зависит от значений частот собственных колебаний системы “ВЭУ-фундамент”, колеблющейся на грунтовом основании, значения коэффициента пульсаций давления ветра на уровне z (см. табл.7 СНиП [1]) и от коэффициента v пространственной корреляции пульсаций давления ветра, определяемого в соответствии с указаниями п.6.9 СНиП [1]. При подсчете ветровой нагрузки на сооружения башенного типа с высотой не более 150 м (обычно ВЭУ имеет меньшую высоту) допускается 14

16
учитывать только колебания по основному (первому) тону [2]. В этом случае можно принять (2.11) где 4? - коэффициент динамичности, для нахождения которого по графику, приведенному на рис.2 СНиП [1], требуется знать первую собственную частоту колебаний системы “ВЭУ-фундамент”. Определение величин £ и v производится в соответствии с указаниями разд.6 СНиП [1]. С учетом (2.10) равенство (2.3) может быть представлено в виде Выражение (2.12) используется только для расчетного варианта А1 (см. разд. 1.2). В варианте А2 (“Буря”) ветроколесо остановлено, а его лопасти, если это предусмотрено конструкцией, находятся во флюгерном положении. Тогда приближенно считают Рс =0, Рэ =0 и Рн =0. (2.13) хр хр хр В расчетном варианте АЗ (“Сейсм”) пульсационная составляющая ветровой нагрузки не учитывается, поэтому кэ = 0 и Рн =РС (при расчетной хр хр по мощности ВЭУ скорости ветра). Расчетное значение равнодействующей лобового ветрового давления на = Рх (при расчетной ступицу ветроколеса получают умножением нормативного значения Р” на р коэффициент надежности по нагрузке ;/у-1.4: Рр = 1.4Р" . (2.14) хр р 2.Момент на валу ветроколеса (момент относительно оси хр = см. рис.2.1- 2.2). Методика его подсчета аналогична методике, рассмотренной для лобового ветрового давления на ВК. Сначала определяется статическая составляющая этого момента: Мс =МС =тх qSR. (2.15) Хр Х! Р Здесь т - аэродинамический коэффициент, определяемый из выражения тх = ms (Z,^)cos2(£ + <9)Aw(^). (2.16) р р Изменение величины т (2><рл) в зависимости от изменения величин Z и <рл для ВК ВЭУ “Радуга-1” показано на рис. 2.5. График кт(у/) изображен вместе с графиком kc(ys) (см. рис.2.3). Затем по формуле, аналогичной (2.10), находят статический эквивалент его динамической составляющей и по формулам, аналогичным (2.12) и (2. Не- соответственно суммарное нормативное и окончательное расчетное значения. 17
Будем полагать, что ВК вращается но часовой стрелке (см. рис. 2.1). Тогда при принятых на рис.2.2 положительных направлениях моментов относительно координатных осей момент на валу будет иметь знак "‘минус”. Инерционные нагрузки, связанные с вращением ВК 1. Гироскопический момент, действующий со стороны ВК на гондолу. Гироскопический момент возникает при вращающемся ВК и вращающейся вокруг оси z гондоле (при выравнивании положения ВК прямо против направления ветра) и действует (см. рис. 2.2) относительно оси у. Нормативное значение этого момента для трехлопастного колеса, являющегося симметричным гироскопом, определяют по формуле МуjnP — @ вк (2.17) где со зк - номинальная угловая скорость вращения ветроколеса, рад/с; сог - угловая скорость вращения гондолы вокруг оси z (см. рис. 2.2); 0ЗК- полярный момент инерции ветроколеса относительно оси его вращения. Для трехлопастного ВК &ВК ~ 3(^0,.7 + тл ) ’ (2-18) где Оо jj — момент инерции массы лопасти относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно плоскости лопасти. Как показали расчеты для лопасти ВЭУ “Радуга-1” [3], эта величина мала по сравнению со вторым слагаемым в выражении (2.18). Поэтому приближенно принимают (2.19) где гц - расстояние от оси вращения ВК до центра масс лопасти. 2. Центробежная сила, вызванная дисбалансом масс ветроколеса. На рис. 2.6 показан эксцентриситет е центра масс ВК по отношению к его геометрическому центру. По американским данным его значение может составлять до 0.25% диаметра ВК [3]. Во время вращения ВК из-за наличия дисбаланса его массы на ступицу будет действовать центробежная сила. Нормативное значение амплитуды этой силы определяется по формуле В* = (2.20) Ее проекции на оси ур и ’р (см. рис. 2.6) определяются выражениями Р* и t, В2,и = т ®rjRC0S0)ВК I• (221) 18
о 19
Рис.2.6 Направления этих оставляющих (знаки) и их значения зависят от положения центра масс ВК при его вращении относительно координатных осей. Этот вопрос подробно рассмотрен в примере расчета в разд. 3. Расчетные значения инерцион- ных нагрузок, используемые для расчетов элементов системы на прочность, получают умножением нормативных значений на коэффици- ент надежности по нагрузке /у=1.4. 2.1.2. Другие нагрузки на гондолу На гондолу, кроме усилий от ВК, будут действовать следующие нагрузки: собственный вес конструкции гондолы и размещающихся в ней механизмов (см. рис. 1.2); снеговая нагрузка; ветровая нагрузка на поверхность гондолы. Все воздействия определяются для расчетных вариантов Al, А2 и АЗ (см. разд.1.3) в соответствии с указаниями СНиП [1]. 2.1.3. Нагрузки на башню Нагрузки от ВК и о г гондолы сначала приводят к точке О (см. рис. 2.1- 2.2) в виде составляющих по направлению координатных осей х, у, z и в виде моментов относительно этих осей. Затем от этих усилий находят аналогичные составляющие нагрузки на верхнее сечение башни и на сечения, где соединяются секции башни (точки О], О2 и Оз на рис. 2.7). Кроме них, на башню действуют: ее собственный вес, ветровая нагрузка. Нагрузки определяют для трех расчетных вариантов Al А2, и АЗ в соответствии с указаниями СНиП [1]. 2.1.4. Нагрузки на фундамент Нагрузки от ВК, гондолы и башни приводят к центру тяжести нижнего сечения башни (см. точку О4 на рис. 2.7), совпадающему с центром приваленной плоскости фундамента (точка Оп на рис. 2.8), и представляют в 20
виде сосредоточенных сил и моментов. Кроме них, на фундамент действуют постоянные нагрузки П2, ПЗ (см. разд. 1.2), а также реакции основания, действующие на подошву фундамента. 2.1.5. Нагрузки на основание Обычно для расчета естественного или свайного основания сначала подсчитываются нагрузки на основание в виде сосредоточенных сил и моментов, действующих в центре тяжести площади подошвы фундамента на естественном основании или в центре тяжести площади подошвы ростверка свайного фундамента (точка Оо на рис 2.9 ). Усилия в точке Оо (см. рис.2.9) выражают через усилия в точке Оп (см. рис. 2.8) и нагрузки П2 и ПЗ (см. разд. 1.2). Вид нагрузок П2 и ПЗ зависит от конкретного вида фундамента и гидрогеологических условий в месте его возведения. Формулы перехода от усилий в точке Оп фундамента ВЭУ на естественном основании (или ростверка свайного фундамента) к соответствующим усилиям в точке OQ могут быть записаны в следующем виде: V Р/ = Р/; 4) Мр = Мр + Р/ Иф; ло лп Л0 -Уп 2)Рур=Рур; 5)МР =МР -РхрНф; (2.22) У о Уп У о Уп Ал ’г 3)Рр =рр + Рр +рр -wp; 6)МР=МР. 7 2>гР z 7 zo zn Здесь и Рг,гр~ собственный вес соответственно фундамента (или ростверка свайного фундамента) и грунта засыпки; Wf - противодавление, действующее на подошву фундамента, если она находится ниже уровня грунтовых вод; кф - расстояние между точками Оп и О0. 2.2. Нагрузки для расчета на выносливость Расчет на выносливость выполняется только для расчетного варианта Ы (см. разд. 1.3). При этом все нормативные значения постоянных нагрузок Ш-ПЗ, временных нагрузок, имеющих статический характер (снеговая и другие), гироскопического момента и статических составляющих ветровых нагрузок вида В1,а определяют так же, как в предыдущем расчете на статическую прочность. Нормативные значения динамических составляющих ветровой нагрузки на башню находят с учетом того, что при определении пульсационной составляющей ветровой нагрузки для сооружений башенного типа с высотой менее 150 м допускается учитывать только первую собственную форму 21
У Рис. 2.7 22
Привалочная плоскость фундамента Рис. 2.8 Подошва плиты фундамента ВЭУ Рис. 2.9 23
колебаний [2]. Поэтому нормативное значение любой из приведенных в разд. 2.1.1 составляющих ветровой нагрузки будем определять по формуле р” =kj>csma,t, (2.23) Г 1 где Рс - статическая составляющая рассматриваемой ветровой нагрузки; кр — амплитудный коэффициент, определяемый в соответствии с рекомендациями, данными в [2] и [3]; - первая собственная частота колебаний системы “ВЭУ-фундамент” Расчетные значения ветровых нагрузок при расчетах на выносливость равны нормативным, так как коэффициент надежности по нагрузке в этом случае принимают равным единице. Поэтому Рр = РС + к рРсыыЦ. (2.24) Нормативные значения составляющих динамической центробежной силы, связанной с дисбалансом массы ВК, определяю! по формулам (2.21). Расчетные значения этих составляющих при расчетах на выносливость равны нормативным значениям, так как коэффициент надежности по нагрузке в этом случае принимают равным единице. 3. ПРИМЕР РАСЧЕТА НАГРУЗОК НА ЭЛЕМЕНТЫ ВЭУ, НА ЕЕ ФУНДАМЕНТ И ОСНОВАНИЕ 3.1. Основные параметры ВЭУ Выполним вычисления для ВЭУ, имеющей следующие параметры, номинальная мощность N = 150 кВт; высота втулки ВК от поверхности земли Н =30 м, радиус ВК R — 9 м; расчетная по мощности скорость вегра Vp — 14 м/с; номинальная частота вращения ВК: а) в одну’ минуту nSK= 100 об/мин; б) в одну секунду fBK ~ пвк 60= 1.67 об/с; в) угловая частота овк=2д fBE - nBf( п / 30 = 6.28 • 1.67= 10.5 рад/с; номинальное значение быстроходности ВК (при номинальной частоте вращения ВК) Z-a>BKR/ V = 10.5-9/ 14 = 6.73; максимальная скорость ветра 60 м/с. Другие параметры будут указаны в процессе расчетов. Ограничимся определением нагрузок только для расчета на статическую прочность и устойчивость для вариантов А1 (“Рабочий режим”). А2 (“Буря”) и АЗ (“Сейсм”). Для последнего варианта пример определения нагрузок от сейсмического воздействия рассмотрен в учебном пособии [15].Там же приведены примеры других динамических расчетов. 24
3.2. Составляющие ветровой нагрузки, действующие на гондолу через ступицу ВК При подсчете этих нагрузок будем полагать, что тип ВК аналогичен тому, для которого в разд.2 приведены формулы и соответствующие графики для аэродинамических коэффициентов. Будем также полагать, что имеет место лобовое воздействие ветра на ВК ( угол косого обдува ^=0). Учитывая также малое значение углов д’ и в в реальных конструкциях ( например, в ВЭУ “Радуга - 1” д= 5°), примем их при подсчете нагрузки на ВК равными нулю. Тогда через ступицу ВК на гондолу будут действовать только две составляющие ветровой нагрузки (см. подразд. 2.1,1). 1. Равнодействующая лобового давления. Сначала для варианта А1 по формуле (2.4) подсчитаем нормативное значение ее статической составляющей. С этой целью выполним ряд предварительных вычислений. При расчетной скорости ветра Vp - 14 м/с по формуле (2.9) определим скоростной напор ветра на ВК: q = (14)2 /16= 12.25 кгс/м2 =125.5 Па. Найдем ометаемую площадь ВК: S 3.14 - 97 = 254.3 м2. По графику (см. рис.2.4) при 2=6.73 найдем значение аэродинамического Ж коэффициента сх . Видно, что эта величина существенно зависит от угла поворота лопасти ( в ВЭУ типа “Радуга-1” этот угол регулируется [3]). Для расчетов на прочность примем <ц7=0. В этом случае при быстроходности 2=6.73 получим максимальное значение cY = 1.08. ' р Полагая угол косого обдува у/ = 0 и пренебрегая углами д и 0, по формуле (2.5) определим cr ~сх =1.08. р р Из (2.4) получим статическую составляющую искомой силы: =-(1.08- 122.5-254.3) =-33.64 кН. хр Минус показывает, что рассматриваемая сила в соответствии с указанным (см. рис.2.1) направлением ветра будет действовать в отрицательном направлении оси х ( хр\ Для определения суммарного нормативного (2.12) и расчетного (2.14) значений искомой силы, найдем коэффициент к3. Рассматриваемая ВЭУ имеет высоту меньше 150 м, поэтому [2] при определении динамической составляющей ветровой нагрузки на ВЭУ можно ограничиться учетом только первой собственной формы колебаний. При этом будем подсчитывать коэффициент кэ по формуле (2.11). 25
Для определения коэффициента динамичности ио графику на рис.2 СНиП [1] необходимо найти первую собственную частоту системы “ВЭУ-фундамент”, расположенной на линейно-деформируемом основании. Решение этой задачи рассмотрено в [15]. Здесь воспользуемся уже готовым результатом f~ 1.56 Гц. Предположим, что ВЭУ находится в ветровом районе 1,а (см. карту- приложение к СНиП [1]). По табл. 8 СНиП [1] устанавливаем, что соблюдается условие f,< 2.6. Это подтверждает возможность использования для определения кэ формулы (2.11). В соответствии с п. 6.7,6 СНиП 11] при w0— 122.5 Па £•=(1.4- 122.5)t/2 / 940-1.56 - 0.0088. Тогда по графику на рис.2 СНиП [1] найдем динамический коэффициент ~ 1.4. По табл.7 СНиП [1] для z = 30 м находим значение коэффициента пульсации £ для местности А: <= 0.5 ( 0.69+0.62) - 0.655. Коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра v определим в соответствии с указаниями п. 6.9 СНиП [1] . Используя схему 12,а приложения 4 к СНиП [1], примем b ~ h = 0.7 D = 0.7 • 18 = 12.6 м. По табл. 10 СНиП [ 1 ] получим р-b = 12. 6 м и / = й ~ 12.6 м. По табл. 9 СНиП [1] находим v= 0.82. По формулам (2.11), (2.12) и (2.14) для расчетного варианта А1 соответственно получаем кэ = 1.4 ♦ 0.655 • 0.82 = 0.75, Рх? = 1.75 Рх и Р^—1.4 • 1.75 • Рхс=2.45 ( -33.64) = - 82.42 кН. Для расчетного варианта АЗ (“Сейсм”) пульсационная составляющая ветровой нагрузки при расчете сооружения на статическую прочность не учитывается, поэтому кэ = 0, Рх-Р^ и Р/ подсчитывается по формуле (2.14): РР = 1.4-( -33.64) = -47.1 кН. 2. Момент на валу ВК. Для расчетного варианта А1 определим нормативное значение его статической составляющей по (2.15). Сначала но графику (см. рис. 2.5) при Z— 6.73 находим аэродинамический коэффициент + тх (1,(рл). Как и при вычислении лобовой нагрузки, для расчета на прочность используем максимальное значение аэродинамического коэффициента mx^(Z,(pn) (см. рис. 2.5). При Z=6.73h^1=0 гпх (2,<рл)^ 0.077. Затем по формуле (2.15) подсчитаем нормативное значение статической составляющей этого момента; 26
Мсх = Мс = -(0.077 -122.5 -254.3 -9) = -21.6 кН-м. хр Момент направлен относительно оси х по часовой стрелке, поэтому в соответствии с правилом знаков, принятым для моментов (см. рис.2.1-2.2), он имеет знак “минус”. Тогда, по аналогии с (2.12) и (2.14), Mf = - 1.4 (1+0.75) • 21.59 - - 52.9 кН-м. Так же решается задача для вариантов А2 и АЗ . При этом надо помнить, что в варианте А2 ВК остановлено и лопасти находятся во флюгерном положении, поэтому Л/£=0. В варианте АЗ не учитывается пульсационная составляющая ветрового давления (кэ =0), поэтому Mg = -1.4-21.59 = - 30.23 кН - м. Вычисленные здесь и далее значения расчетных усилий, отнесенные к началу координатных систем в точках Ор и О (см. рис.2.2), для варианта А1 будем заносить в табл.3.1. 3.3. Инерционные нагрузки, связанные с вращением ВК 1. Гироскопический момент, действующий со стороны ВК на гондолу. В данном примере примем д>г-0. Тогда из (2.17) получим Му, ГИР 0- 2. Центробежная нагрузка, вызванная дисбалансом масс ВК (см. рис.2.6). Ее нормативное значение подсчитаем по формуле (2.20). Массу ВК определим по данным для ВК рассматриваемого типа. В нашем случае примем тБК - 2600 кг. Определим эксцентриситет центра масс ВК (см. подразд. 2.1.1), полагая его максимально возможным [3]: е = 0.25% D = 0.0025 • 18 = 0.045 м. При угловой частоте вращения ВК а)вк=10.5 рад/с по формуле (2.20) Р* = 2600-0.045-10.52- 13.15 кН. *7 Соответствующее расчетное значение этой силы получим умножением на коэффициент надежности по нагрузке /у = 1.4: рР = 1.4-13.15 = 18.4 кН. Ее проекции на оси zp и ур зависят от положения центра масс при вращении ВК (2.21). Для расчета башни и фундамента на прочность и устойчивость необходимо выбрать наихудший из возможных вариантов (см. рис.2.6): 27
Таблица.3.1 Расчетные усилия, Расчетные усилия, отнесенные к ступипе ВК (система координат xpypzp (см. рис.2.2)) отнесенные к началу координатной системы xyz (см. рис.2.2) Силы ,кН; моменты, кН • м Силы, кН, моменты, кН • м Рр хр - 82.42 Л" - 82.42 рр : >> 1) 0 И 2) ±18.4 3) ± 13.1 1) о 2) ±18.4 3) ±13.1 *) р/ zp 1)±18.4 2) 0 3)±13.1 р/ 1) 60.9±18.4 2) 60.9 3) 60.9 ±13.1 р -52.9 -52.9 мр Ур 0 *) мр У 1) ±33.1 2) 0 3) ±23.6 zp 0 мр 1) о 2) ±33.1 3)±23.6 *) Сила тяжести ВК учтена в суммарной силе тяжести гондолы Рр. 1) при 0)BKt ~ 0 и coBKt = 180° %=о, Р4=±18.4кН; 2) при a>BKt ~ 90° и соBKt= 270° р^=±18.4кн, р4=0; 3) при a>BKt = 45° и 69дк/-225° ит, д. Здесь положительный знак соответствует первому значению угла a)BKt, отрицательный-второму. В зависимости от выбранного варианта при переносе нагрузки в точку' О (см. рис. 2.2) получим различные моменты относительно осей у и z с плечом 28
1бК, которое для конкретного типа ВЭУ определяется расположением масс оборудования, размещаемого в гондоле (см. рис. 1.2). Для рассматриваемой ВЭУ /bj<=1.8m. Тогда, например, в первом варианте положения центра масс при переносе силы Р£ц в точку О получим момент ME = ± 18.4 ‘1.8 = ±33.1 кН* м. При этом знак “плюс” момента соответствует силе Р£ц> направленной в отрицательном направлении оси z, и наоборот. Во втором варианте получим момент Mf - ± 18.4 • 1.8 = ± 33.1 кН* м. В этом случае знак “плюс” момента будет соответствовать силе Р/=18.4 кН, направленной в положительном направлении оси у, и наоборот. В третьем варианте при положительных направлениях сил получим - 23.6 кН-м, М? = 23.6 кН-м Эти варианты усилий также занесены в табл. 3.1. 3.4. Другие нагрузки на гондолу ВЭУ На гондолу, кроме указанных нагрузок от ВК, будет действовать собственный вес ВК, который учтем в собственном весе гондолы. Собственный вес гондолы с ВК. Определим его по формулам, аналогичным (2.1) и (2.2). Примем массу гондолы с ВК для ВЭУ-150 равной /и, = 5000 кг . Тогда (приближенносчитаем 9.81 Па-10 Па) Р",- 50 кН, р£= 1.05 *50 = 52.5 кН. Центр тяжести гондолы должен быть определен при детальном проектировании механизмов, размещаемых в гондоле (см. рис. 1.2), и элементов ее конструкции. Эта работа выполняется в КБ машиностроительного типа, проектирующем гондолу. Обычно для проектирования башни и фундамента положение равнодействующей силы веса гондолы по отношению к оси башни известно. В наших расчетах принято, что он равен нулю. Поэтому момент Му г от собственного веса гондолы с учетом ВК (см. табл.3.1) также равен нулю. Снеговая нагрузка на гондолу. Подсчитаем ее в соответствии с указаниями разд. 5 СНиП [1], полагая, что рассматриваемая ВЭУ находится в третьем снеговом районе (см. карту-приложение к СНиП [1]). Нормативное значение снегового давления определим ио формуле (5) СНиП [ 1 ], где л* ~ 100 кгс/м2 и ц - L Полагая, что плошадь проекции гондолы на горизонтальную плоскость равна 1.5 *4=6 м2, найдем нормативное значение полной снеговой нагрузки на гондолу: 29
Р" -100-1-6 600 кгс-6 кН. s jCH Расчетное значение этой силы получим умножением на коэффициент надежности у у = 1.4 : Ргр= 1.4 -6 -8.4 кН. Суммируя эту нагрузку с расчетным собственным весом гондолы, получим Р/ = 52.5 +8.4 = 60.9 кН. Эксцентриситет этой силы по отношению к оси башни в нашем примере будем также считать равным пулю. Ветровая нагрузка на торец гондолы будет подсчитана в разд. 3.6. Расчетные значения всех составляющих натрузок на гондолу для расчетного варианта А1 приведены к точке О (см. рис. 2.2 и рис. 2.7) и представлены в табл.3.1. 3.5. Нагрузки на башню Подсчет нагрузок на башню выполняется с учетом ее конструкции. Рассмотрим вариант, когда башня имеет вид стальной трубы, состоящей из трех секций (см. рис.2.7). Верхнее сечение трубы, расположенное по высоте на метр ниже втулки ВК, имеет диаметр срединной поверхности 1.2 м, нижнее - 3 м (tg ft ~/3 — 0.03). В первом приближении считаем, что толщина трубы t = 10 мм. Для расчета башни все нагрузки на гондолу, приведенные к точке О (см рис. 2.2), надо привести к центру тяжести верхнего сечения башни (см. точку О} на рис. 2.7). Башня состоит из секций, поэтому действующие на гондолу нагрузки приводятся и к центрам тяжести сечений, где с помощью болтов стыкуются секции башни, и к центру тяжести нижнего сечения, где башня с помощью анкерных болтов крепится к фундаменту ( см. рис. 2.7). Расчетные значения сосредоточенных усилий во всех указанных сечениях приведены (табл.3.2) только для расчетного варианта А1. В составляющих Р? для указанных сечений учтен и собственный вес секций башни, подсчитанный ниже. Собственный вес секций башни. Определим нормативные значения сил тяжести каждой секции башни отдельно, принимая удельный вес стали равным 78.50 кН/ м3. Тогда при объеме /-й секции, равном 2тг , где Rj средний радиус секции, - толщина стенки трубы секции, Ц - длина секции, получим: сила тяжести верхней секции (R3 = 0.75 м) 30
Таблица 3.2 Нагрузка (силы в кН, моменты в кН-м), отнесенная к точкам (см.рис.2.7) Усилия О1 02 о3 о4 р? - 82.42 -82.42 - 82.42 -82.42 Рур 1) о 2) ±18.4 3)±13.1 1) о 2) ±18.4 3) ±13.1 1) о 2) ±18.4 3) ±13.1 1) о 2) ±18.4 3) ±13.1 Pf 1)60.9+18.4 2) 60.9 3) 60.9+13.1 1) 95.84+18.4 2) 95.84 3) 95.84+13.1 1) 150.2+18.4 2) 150.2 3) 150.2+13.1 1) 220.1+18.4 2) 220.1 3) 220.1+13.1 МР 1) -52.9 2) -52.9+18.4 3)-52.9+13 1) -52.9 2) -52.9+184 3)-52.9+130 1) -52.9 2) -52.9+368 3) -52.9+260.2 1) -52.9 2) -52.9+552 3) -52.9+390.3 м? 1)82.42+33.1 2) 82.42 3) 82.42 ±23.6 1)824.2+33.1 2) 824.2 3) 824.2 ±23.6 1) 1649.4+33.1 2) 1649.4 3) 1649.4+23.6 1)2472.6+33.1 2) 2472.6 3) 2472.6+23.6 1) о 2) ±33.1 3) ±23.6 1) о 2) ±33.1 3) ±23.6 1) 0 2) ±33.1 3) ±23.6 1) о 2) ±33.1 3) ±23.6 Р“63 = 78.50’(2-3.14- 0.75* 0.01)-9 = 33.275 кН; сила тяжести средней секции (R2 - 1.05 м) Р“б2 = 78.50 *(2-3.14-1.05-0.01)-10-51.765 кН; сила тяжести нижней секции (7?j ~ 1.35 м) Р“6Х = 78.50-(2-3.14-1.35- 0.01)• 10 = 66.55 кН. Полная сила тяжести башни Р“б = (33.275+51.765+66.55) = 151.6 кН. Соответствующие расчетные значения получим умножением на коэффициент надежности по нагрузке, равный для сил тяжести 1.05: рР = 34.94 кН, РР= 54.35 кН, Р? == 69.88 кН. 1 7 ztul Расчетное значение суммарной силы тяжести башни Р& = 159.2 кН Ветровая нагрузка, действующая непосредственно на башню, в табл.3.2 не учтена . Она подсчитана в следующем разделе. 3.6. Ветровая нагрузка на башню I Расчетный вариант А1 (“Рабочий режим”). Ветровую нагрузку на башню определим в соответствии с требованиями действующих СНиП [1]. 31
Для ветрового района 1 ,а , где будет расположена ВЭУ, по табл. 5 СНиП [ 1 ] находим нормативное значение ветрового давления wo на высоте г = Юм: w0 = 0.17 кПа. В табл.3.3 приведены вычисления нормативных значений статической составляющей ветрового давления wm - wok с для высоты z соответственно 30, 20, 10 и < 5 м. Коэффициент к взят из габл.6 СНиП [1]. Для определения аэродинамического коэффициента с для башни в виде цилиндра использована методика, приведенная в приложении 4 к СНиП [1] для схемы 14, где Таблица 3.3 z} м к, местность А ыок, Па Ч™ Па q(z), Па Па (для А1) На (для АЗ) 1 2 3 4 5 6 7 0.75 127.5 72.7 207 510 290 10 1 170 96.9 233 570 326 20 1.25 212.5 121.1 218 534 305 30 1.375 233.7 133.2 160 392 224 Коэффициент к находим из табл. 1 схемы 13 по значению Ле, определяемому по 2 = / / Ь. При заданных параметрах ВЭУ : I ~ 30 л/, b - Dcp = 2.1 м, 2= 30/2.1 ~ 14.3 2 =22 = 28.6, £ = 0.81. С Величина сх а0 определяется по графику для схемы 14 по числу Рейнольдса Re/ К)5 = 0.88D /и^(7йЯ7 Vh IX tr ЧХ IX и по отношению Д / Dcp. Поскольку Dc„= 2.1 м, w0 - 170 Па, 1.4, А(30) = =1.375 (табл.6 СНиП [1]), получим Re! 105 - 33.4. При Re / 105 = 33.4 и Д/ Dcp 0.001/2.1 = 4.76-10’4 по графику для схемы 14 находим ^ = 0.7 и = 0.81 • 0.7 = 0.57. В столбце 5 (см. табл. 3.3) приведены нормативные значения удельных по длине трубы статических составляющих ветровой нагрузки qC(z) = wm(z)D(z)9 (3.1) где D(z) - диаметр трубы на высоте z. В столбце 6 приведены соответствующие значения расчетной ветровой нагрузки (с учетом пульсационной составляющей), подсчитанные по формуле 32
которая аналогична (2.14) после подстановки в нее (2.12) и /у -1.4. Определение величины кэ для расчетного варианта А1 было рассмотрено при определении ветровой нагрузки на ВК. Различие того расчета с данным состоит в том, что при определении величины £ (для нахождения динамического коэффициента £) там использовалось значение %- 122.5 Па, соответствующее расчетной (по мощности ) скорости ветра Vp = 14 м/с . При расчете ветровой нагрузки на башню по СНиП [1] величину w0 находим по табл.5 СНиП [1] для данного ветрового района (в данном случае 170 Па). Тогда получим £= 0.0089. Коэффициент динамичности & (см. рис.2 СНиП [1]), в связи с полученным незначительным изменением £, также изменится незначительно. Как и при расчете нагрузки на ВК, принимаем § « 1.4. При этом по-прежнему будем иметь кэ= 0.75 и ( 1+ Аэ)1.4= 2.45. Тогда qp(z) - 2A5qc(z). (3-3) Эпюра расчетного ветрового давления на башню показана на рис. 3.1. Там же показаны равнодействующие ветрового давления на участках ба 111 от 0 до 5 м, от 5 до 10 м, от 10 до 20 м, от 20 до 29 м и равнодействующая ветровой нагрузки на площадь Se проекции торца гондолы на вертикальную плоскость (приближенно принято: 1.5 -1.5 = 2.25 м2). Значения равнодей- ствующих расчетного ветрового давления, равные соответствующим площадям эпюры, приведены далее в табл.3.5. Расчетный вариант А2 (“Буря”)- Ветровая нагрузка рассчитывается при максимальной для заданного района скорости ветра V6yp = 60 м/с, которой соответствует нормативное значение статической составляющей ветрового давления на уровне z = 10 м w0 = 0.625-602 = 2.25 кПа. Нормативные значения статической составляющей ветрового давления и’„ для z, соответствующие высотам 30, 20, 10 и < 5 м и вычисленные по формуле (6) СНиП [1], приведены в табл.3.4. Таблица 3.4 Z, м к, местность А wok, кПа ^ж,кПа qc(z), кПа (для А2) (f(z), кПа . (дляА2) 2 3 4 6 <5 0.75 1.6875 0.9620 2.741 3.84 10 1 2.25 1.2925 3.078 4.31 20 1.25 2.8125 1.6031 2.886 4.04 30 1.375 3.0937 1.7634 2.116 2.96 33
Рис. 3.1 34
Для определения аэродинамического коэффициента с - сх использована та же методика, что и при расчетной скорости ветра (см. схему 14 в приложении 4 к СНиП [1] ). Поскольку мо = 2.25 кПа для варианта А2 больше и;=122,5 Па для варианта А1 , то 7?е/105 > 32 ( см. график для схоо схемы 14) и значения сх 0.7 и сх= 0.57 останутся без изменения. В столбцах 5 и 6 табл.3.4 соответственно приведены нормативные значения удельных по длине башни величин (3.1) и расчетных величин (3.2) при кэ= 0 (пульсационные составляющие не учитываются) и /у =1.4. Эпюра расчетного ветрового давления и положение равнодействующих будут такими же, как в расчетном варианте А1 (см. рис.3.1). Значения равнодействующих для варианта А2 приведены в той же табл., что и для варианта А1 (см. табл. 3.5). Расчетный вариант АЗ ( “Сейсм” ). Здесь ветровое давление на башню для ветрового района 1,а рассчитывается без учета динамической (пульсационной) составляющей. Нормативное значение ветрового давления для ветрового района 1,а будет таким же.как в эксплуатационном случае А1. Поэтому (см. схему 14 в приложении 4 к СНиП [1] ) остаются без изменения аэродинамический коэффициент с=сЛ=0.57, нормативные значения статической составляющей ветровой нагрузки мт для различных высот z и нормативные значения удельных статических составляющих ветровой нагрузки qc (z) (см. табл. 3.3). Изменится только столбец 6 табл.3.3. Вместо него будем иметь столбец 7, в котором расчетные значения ветровой нагрузки получены по формуле /(z) = 1.4 / (z), (3.4) а не по формуле (3.3), которая учитывает и пульсационную составляющую ветровой нагрузки. Таблица 3.5 Значения равнодействующих расчетного ветрового давления, кН, на секции башни для вариантов: Величины А1 АЗ ?6i,i 2.54 19.20 1.45 Р6Р,.2 2.69 20.37 1.54 Р6Р2 5.52 41.75 3.15 Р6Рз 4.09 31.59 2.42 Р/ 0.59 4.44 0.34 15.43 117.35 8.90 35
Эпюра ветрового давления для расчетного варианта АЗ будет иметь тот же вид, что и в предыдущих вариантах (см. рис. 3.1). Значения равнодействующих также приведены в табл..3.5. 3.7. Нагрузки на фундамент В данном примере они получены только для расчетного варианта А1 (см. табл.3.2). Приведены значения сосредоточенных сил и моментов, отнесенных к центру тяжести нижнего сечения башни (точка О4 на рис.2.7) и представляющих собой составляющие нагрузки на приваленную плоскость фундамента (см. рис. 2.8) от нагрузок, действующих на гондолу ВЭУ. Учтен также собственный вес башни. Кроме приведенных в табл.3.2 усилий, через нижнее сечение башни на фундамент будут действовать: равнодействующая ветрового давления на башню (см. табл.3.5), подсчитанная с учетом ветрового давления на торец гондолы ^Рх,б = = -15.43 кН; момент от ветрового давления на башню и гондолу £ М? = 2.54-2.5 + 2.69-7.5 + 5.52-15 + 4.09-24.5 +0.59-30 = 227.23 кН-м. Суммарные расчетные составляющие нагрузки на привалочную плоскость фундамента приведены в табл.3.6. Таблица 3.6 Силы, кН Моменты, кН м Р,р Рр У Р? м*у мр -97.85 1) о 2) ±18.4 3) ±13 1) 220.1±18.4 2) 220.1 3) 220.1±13 1) -52.9 2) -52.9+552 3) -52.9±390.3 1) 2699.83±33.1 2) 2699.83 3) 2699.83+23.6 1)0 2)±33.1 3)±23.6 Другие нагрузки на фундамент (см. подразд. 2.1.4) могут быть подсчитаны только в процессе конструирования конкретного фундамента на естественном или свайном основании. Соответствующая методика будет изложена в предполагаемых к изданию (см. предисловие) учебных пособиях “Расчет фундаментов ветроэнергетических установок” и “Расчет свайных фундаментов ветроэнергетических установок на вечномерзлых грунтах”. Здесь в качестве примера рассмотрим вариант свайного фундамента с ростверком в виде круглой железобетонной плиты высотой Иф= 1.5 м и радиусом Яф= 3 м. Предполагаем, что подошва ростверка выше уровня грунтовых вод, а его верхняя плоскость выше поверхности Земли на 15 см. В 36
этом случае из нагрузок П1-ПЗ (см. раздел 1.2) бу дез действовать только собственный вес ростверка Рр. . Примем объемный вес железобетона равным 24 кН/м3 (2,4 тс/м' ). Тогда 24-3.14’32-1.5= 1017.36 кН. г,Ф 3.8. Нагрузки на основание Нагрузки, передающиеся на естественное или свайное основание по подошве массива фундамента или ростверка, могут быть подсчитаны только при наличии конкретной конструкции фундамента Конструирование и расчет фундаментов на естественных и свайных основаниях будут рассмотрены в учебных пособиях, указанных в предыдущем разделе. Рассмотрим пример нахождения но формулам (2.22) нагрузок на свайное основание в виде составляющих сил и моментов но координатным осям (см. рис.2.9). Параметры ростверка свайного фундамента приведены в разд.3.7. Используя, например, вариант 2) нагружения припадочной плоскости фундамента (см. табл. 3.2), получим (силы в кН, моменты в кН-м): 1)рР = -97.85; 4)МР =-52.9 + 552 ±18.44.5= -52.9±579.6; 2)Рр =±18.4; 5)МР = 2699.83-<-97.85 4.5) = 2562.05; Л о л г ? 3)РР =220.1 + 1017.36 =1237.46; 6/ Мр =±33.1. zo При дальнейших конкретных расчетах основания для рассматриваемого варианта А1 выбирается наихудший из трех случаев нагружения привалочной плоскости фундамента (см. табл .3.2). Аналогичные рассуждения проводятся и при расчетах по вариантам А2 и АЗ. 37
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ I. СНиП 2.01.07-85.Нагрузки и воздействия /Госстрой СССР. М.» 1987. 2. Справочник по динамике сооружений /Под ред. Б.Г.Коренева и И.М.Рабиновича. М.:Стройиздат, 1972. 3. Ветроэнергетическая установка мощностью 1000 кВт “Радуга-1”.' Эскизный проект. 4.2, кн.5. Нагрузки, прочность, тепловые расчеты / МКБ “Радуга”, 1990. 193 с. 4. СНиП 11-7-81. Строительство в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1982. 5. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений /Госкомитет СССР по делам строительства. М., 1985. 6. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений /Госкомитет СССР по делам строительства. М.,1986. 7. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты /Госкомитет СССР по делам строительства. М., 1986. 8. СНиП 2.02.05-87. Фундаменты машин с динамическими нагрузками Госкомитет СССР но делам строительства. М., 1988. 9. СНиП П-23—81*. Стальные конструкции /ЦИТП. М.,1990. 10. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции /Госстрой СССР. М., 1989. 11. СНиП 2.06.08-87, Бетонные и железобетонные конструкции гидротехни- ческих сооружений /Госстрой СССР. М., 1987. 12. СНиП 2.09.03 -86. Сооружения промышленных предприятий /Госстрой СССР. М., 1987. 13. Robert Gach,Windkraftanlagen/B.G. Teubner. Stuttgart, 1993. 14. Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию по специальностям “Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии” и “Гидроэнергетика”. Технико-экономические характеристики ветроэнергетики ^справочные материал^/В.И.Виссарионов, Г.В.Дерюгина, В.А.Кузнецова и др.; Под ред. В.И Виссарионова. М.: Изд-во МЭИ, 1997. 132 с. 15. Е л и стр ато в В. В., Константинов И. А., Панфилов А. А. Динамические расчеты системы «ветроэнергетическая установка-фундамент— основание»: Учеб, пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 54 с. 38
ЕЛИСТРАТОВ Виктор Васильевич КОНСТАНТИНОВ Игорь Алексеевич ПАНФИЛОВ Александр Алексеевич НАГРУЗКИ НА ЭЛЕМЕНТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, НА ЕЕ ФУНДАМЕНТ И ОСНОВАНИЕ Учебное пособие