Основні засади розрахунку металоконструкцій на міцність і стійкість

Розглянемо розрахунок вишок на міцність і жорсткість, для чого спочатку визначимо діючі навантаження, потім напруження в частинах вишки.

1. Навантаження, які діють на вишку, поділяються залежно від їх напрямку на вертикальні і горизонтальні. Вертикальне навантаження Р_верт складається з ваги в повітрі найбільш важкої бурильної колони Q з врахуванням коефіцієнта f перевантаження (вводиться як «запас» на випадок прихоплень і динамічних навантажень при розходжуванні колони), власної ваги вишки Р_в, ваги підвісних частин талевої системи (талевого блоку, гака, вертлюга, штропів, елеваторів і частини каната) – Q _т.с., а також від навантаження вертикальної складової ходового Р_х і нерухомого Р_н кінців талевого каната, тобто:

Р_верт = fQ+Р_в+Q_т.с.+Р_х+Р_н.

Спрощено суму навантажень від натягу ходового і нерухомого кінців каната можна розрахувати за формулою:

Р_х+Р_н =Q/z,

де z - число канатних шківів талевого блоку.

Решта величини визначаються за довідковими даними.

Рисунок 7.5 Визначення горизонтальної складової від ваги свічок

Горизонтальна навантаження на вишку складається в основному з горизонтальної складової навантаження від ваги свічок, поставлених за палець, а також навантаження від тиску вітру на вишку і на площу, утворену комплектом свічок.

Горизонтальна складова від ваги труб визначається з рівняння моментів від ваги труб і реакції верхньої опори відносно точки О (рис. 7.5). Позначивши вагу свічок через G, координату точки прикладання горизонтальної складової від ваги свічок Т через х, координату центру ваги труб через у, отримаємо

де - кут нахилу свічок до вертикалі.

Зазвичай = 2-4°, так що горизонтальну складову від ваги труб, прикладену на рівні майданчика бурового робітника, можна прийняти рівною 2,5% від ваги свічок.

Найбільшим навантаженням, що діє на вишку в горизонтальному напрямку, є зусилля від вітрового навантаження. Воно визначається за формулою:

Р_віт= qⁿSК_д,

де qⁿ - нормативне вітрове навантаження, яке сприймається поверхнею вишки, в Н/м². Нормативні швидкісні напори вітру для висоти над поверхнею землі до 10 м залежно від географічного розташування приймають в межах 270 – 1000 Н/м².

qⁿ= q₀С,

q₀ - нормативний швидкісний напір, який визначається з урахуванням поправочних коефіцієнтів на зростання швидкісних напорів вітру. Поправочний коефіцієнт для висот більше 10 м (за винятком гірських місцевостей) приймають рівним 1,0-3,0. Для гірських місцевостей поправочні коефіцієнти приймаються відповідно до даних гідрометеорологічної служби;

С - аеродинамічний коефіцієнт, вибирається за будівельними нормами (для трубних вишок С = 1, для вишок із прокату С = 1,4);

S - площа проекції вишки або її частини на площину, перпендикулярна напрямку вітру;

К_д - динамічний коефіцієнт для споруд баштового типу (враховує динамічний вплив поривів вітру на вишку).

К_д = 1 + m.

Тут - коефіцієнт динамічності, залежить від періоду власних коливань вишки і від характеру цих коливань (визначається з графіка, рис.7.6);

m - коефіцієнт пульсації швидкісного напору вітру (визначається за табл. 7.1).

Рисунок 7.6 - Визначення коефіцієнта динамічності.

Таблиця 7.1 - Коефіцієнт пульсації швидкісного напору вітру

Висота в м, для якої визначається коефі-цієнт пульсації швидкісного напору	До 20				100- 200	200- 300	300- 400	Понад 400
Для споруд Для дротів і тросів	0,35 0,25	0,32 0,22	0,28 0,20	0,25 0,18	0,21 0,15	0,18 0,12	0,14 0,10	9,10 0,08

Для спрощення площу, що обдувається, можна визначити за формулою:

S=S_пов.

Тут S_пов - повна площа проекції вишки на площину, перпендикулярну напряму вітру і обмежена зовнішніми контурами вишки або її частинами;

- коефіцієнт, що враховує заповнення площі частини вишки, що обдувається (для обшитих частин вишки =1, для необшитих = 0,15-0,2).

При розрахунку слід враховувати також тиск вітру на свічки, встановлені за палець.

Точка прикладання вітрового навантаження визначається за формулою:

,

що дійсно для необшитої вишки без свічок, встановлених за палець.

Тут - відстань від нижньої основи до центру ваги бурової вишки;

Н - повна висота вишки;

b і b₁ - сторони нижньої і верхньої основ по осях ніг.

Визначення зусиль в стержнях вишки

Для визначення зусиль в стержнях вишки з метою визначення розподілу зусиль на вузли спочатку треба побудувати епюру діючих на неї горизонтальних навантажень, а потім побудувати діаграму Кремона.

Розрахунок вітрового навантаження при цьому слід вести по зонах, оскільки ділянки, що обдуваються, розташовані на різній висоті. При цьому необхідно врахувати площу проекції свічок, поставлених за палець, на площину, перпендикулярну напряму вітру. Якщо верхні і нижні кінці свічок закриті обшивкою, слід враховувати лише відкриті. Слід також враховувати зусилля, діючі на деталі завітреної грані вишки. Ослаблення дії вітру враховується коефіцієнтом m₁=0,75-0,67 (велика величина для нижніх, а менша для верхніх секцій вишки; для обшитої завітреної частини вишки m₁=0,4).

Напрям руху вітру при розрахунку для спрощення приймають нормальним до вишки. При цьому слід розраховувати горизонтальне навантаження за умови тиску вітру на одну з граней, тобто напрям вітру повинен бути паралельним іншим його двом граням. Одну бічну грань виділимо і розглянемо її як плоску ферму. Навантаження, діючі на цю ферму, будуть розташовані в площині самої ферми. При цьому до вузлів будуть докладені зусилля W₁, W₂, W₃, … W_n з навітряного боку і зусилля W’₁, W’₂, W’₃, …, W’_n з підвітряної сторони.

Розглянемо порядок побудови діаграми Кремона для вишки типу ВМ.

1. Необхідно в масштабі викреслити схему грані, що розраховується (в даному випадку бічної); в схемі повинні бути вказані стержні, що сприймають зусилля. Хоча гратчаста конструкція виконана за хрестовою схемою, стержні, що працюють на стиск, можна не враховувати, оскільки ця гнучка діагональна тяга практично сприймає малі зусилля, працюючи на стиснення (рис. 7.7,а).

2. Встановити статичну визначність системи. Система буде статично визначеною при дотриманні рівності

С + С_о – 2y = 0

де C - кількість стержнів;

С₀ - кількість опорних стержнів;

у - кількість вузлів.

3. Визначити опорні реакції (рис. 7.7, а).

Суму моментів щодо опори прирівнюють до нуля.

M = (W₁+W’₁)nh + (W₂ + W’₂)(n-1)h+...+(W_n+ W’_n)h -R_oyb= 0.

Звідки

R_oy=(W_n+W’_n)nh /b; R_oх=(W_n+W’_n).

4. Побудова діаграми Кремона бічної грані вишки. Поля (рис. 7.7,а) між зовнішніми силами, і поля всередині ферми позначають буквами або цифрами. Відкладаємо в масштабі на прямій х-х (рис. 7.7, б) відрізки в масштабі, пропорційні прикладеним силам. Відрізок ЗЖ зображає силу W₁ відрізок ЗИ рівний силі W’₁. Далі, зусилля в стержні Ж-1 рівне нулю, оскільки воно не співпадає з напрямом зовнішньої сили, зусилля ж в стержні 1-3 рівне, силі W₁, як таке, що співпадає з нею по напряму. З точки ж проводимо лінію, паралельну стержню 1-2, а з точки И проводимо лінію, паралельну 2-И, до їх перетину в точці 2. Таким чином, ми вже можемо по відрізках Ж-2 і И-2 встановити за допомогою масштабу зусилля в стержнях 1-2 і 2-И. Після цього переходять до наступного вузла. Необхідно стежити, щоб при цьому в ньому було не більше два стержнів, в яких невідомі величини зусиль. Від точки ж відкладаємо вліво відрізок, пропорційний силі ЖЕ (силі W₂), а з точок на діаграмі Е і 2 проводять лінії Е-3 і 2-3 до їх перетину. Тепер ми маємо зусилля в стержнях Е-3 і 2-3. Потім від точки И відкладаємо управо зусилля ИК, рівне W’₂; з точок К і 3 проводимо лінії 3-4 і К-4 до їх перетину в точці 4; так ми дізнаємось зусилля в стержнях 3-4 і 4-К. Продовжуємо будувати діаграму до точки 10. Після цього з точки 10 проводимо відрізок 10-А, паралельний прямий 10-А на рис. 7.7, а, до перетину з проведеною з точки б паралельно напрямленої реакції R_оу прямою А-Б, причому відрізок Аб і є величина реакції R_оу. Тепер ми маємо зусилля у всіх стержнях бічної грані.

Рисунок 7.7 - Схема визначення зусиль боковій грані вишки

а - розрахункова схема бічної грані вишки;

б - діаграма Кремона бічної грані вишки.

Дещо інший порядок розрахунку зусиль в передній грані вишки (рис. 7.8, а).

Так само, як і у разі розрахунку зусиль в бічній грані, викреслюють в масштабі схему вишки, визначають опорні реакції і статичну визначність системи і починають побудову діаграми Кремона (рис. 7.8,, б) до точки 6, де розглядають окремо обидві ферми воріт. Спочатку розглядається права сторона воріт. Зусилля N_6-Л в стержні 6-л визначено по діаграмі. Потім знаходять зусилля N_10-а в стержні 10-а.

N_10-а =

На діаграмі відкладаємо відрізки ДГ, ГВ і ВБ (в ліву сторону), що зображають сили W₄, W₅ і W₆, після чого з точки б вертикально відкладаємо відрізок БА (реакцію ), з точки А горизонтально - відрізок А-10, рівний величині N_А-10. Потім з точки Л по горизонталі управо відкладаємо відрізки ЛМ (сила W’₄) і МН (сила W’₅); з точок В і Н паралельно стержням В-9 і Н-9' проводимо вгору лінії; потім з точки 10 проводять лінії, паралельні стержням 7-10 і 10-7', до перетину з лініями, які проведені з точок В і Н в точках 9 і 9'. З точок 9' і 9 проводимо паралельно стержням 8-9 і 8'-9' лінії до перетину з лініями, паралельними стержням Г-8 і 8'-М з точок Г і М. З одержаних шляхом перетину цих ліній точок 8 і 8' проводимо паралельно стержням 8-7 і 7'-8' лінії до перетину з лініями 9-10 і 9'-10. Потім сполучаємо точки 7 і 7’. Всі одержані на діаграмі відрізки дають в масштабі величини зусиль, діючих у відповідних стержнях.

Рисунок 7.8 - Схема до визначення зусиль в передній грані вишки.

а - розрахункова схема передньої грані вишки;

б - діаграма Кремона передньої грані вишки.

Для визначення величин зусиль, діючих в стержнях від тиску вітру на поставлені за палець свічки, також будують діаграму Кремона. Таким же чином будується діаграма Кремона для визначення зусиль в стержнях від горизонтальної складової ваги свічок. При цьому вважаємо, що те або інше зусилля передається на палець і розподіляється по вузлах. Приклад побудови діаграми Кремона для визначення зусиль в стержнях від вітрових навантажень, діючих на комплект свічок, показаний на рис.7.9.

При розрахунку вишки слід перевірити стержні на навантаження, що виникають у всіх можливих випадках: при витяганні інструменту з свердловини, під час процесу буріння і при спуску обсадної і бурильної колон.

Визначення навантажень, діючих в нозі вишки.

Рахуємо навантаження на гаку, розподілене порівну між чотирма ногами. Тоді навантаження на першу ногу

Р_н=Р_верт/4.

Зусилля в нозі Р’_н направлене по її осі, при нозі, нахиленій на кут , до вертикалі:

Р’_н=Р_н/cos,

Кут можна визначити за формулою:

tg=

де b - сторона нижньої основи вишки по осях ніг;

b₁ - сторона верхньої основи вишки по осях ніг;

Н - повна висота вишки від опорних плит до верхньої площини підкронблочних балок;

= 0,45 м - висота підкронблочних балок.

Рисунок 7.9 - Схема вітрових навантажень

а - схема вітрових навантажень від тиску вітру на свічки;

б - діаграма Кремона - вітрові зусилля на свічки.

Подальший розрахунок ведеться за відомими формулами опору матеріалів.

Визначення навантажень, діючих на відтяжки. При розрахунку вишки зусилля в її частинах визначають без урахування відтяжок. Але для забезпечення стійкості вишки при особливо сильних вітрах відтяжки необхідні.

Нехай горизонтальна сила lW₀=Р_віт+Т, діюча на плече а, створює момент М₀ = W₀a щодо осі АА₃. З другого боку, момент стійкості М_у від ваги вишки (рис. 7.10,а):

М_у =Р_в,

Якщо М₀>М_у, відтяжки необхідні, тоді зусилля N в одній відтяжці визначатиметься:

= W₀aК₀;

де К₀ - коефіцієнт безпеки. Приймаємо К₀ = 2.

З рис. 7.10, а знаходимо:

c₁=(b+c)sin.

Звідки:

N=(W₀aК₀ – Р_в)/((b+c)sin).

За наявності двох відтяжок, нахилених до горизонту під кутом (рис. 7.10, б), зусилля в кожній з них:

N=(W₀aК₀ – Р_в)/(2(b+c)sinsin ).

При установці відтяжок в два яруси зусилля в кожній з них

N₂=N₁/2.

б

Рисунок 7.10 - Схема вишки.

а - з однією відтяжкою; б - з двома відтяжками.

Розрахунок фундаменту. При розрахунку фундаменту слід виходити з максимального навантаження, що складається з вертикальних і горизонтальних зусиль, що виникають в процесі буріння, і з допустимого тиску на грунт.

Навантаження на фундамент - функція ряду навантажень, що виникають в процесі буріння. При підрахунку питомого тиску на грунт враховують також вагу самого фундаменту.

Дата добавления: 2013-12-14