ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА Й АРХІТЕКТУРИ
ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
Удахін Сергій Анатолійович
УДК 624.014: 624.97(043.3)
ОПТИМАЛЬНЕ ПРОЕКТУВАННЯ
КОНСТРУКЦІЙ АНТЕННИХ ОПОР
РАДІОРЕЛЕЙНОГО ЗВ'ЯЗКУ
05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Макіївка – 2005
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент
Шевченко Євген Володимирович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, професор кафедри металевих конструкцій, м.Макіївка.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Пермяков Володимир Олександрович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри металевих та дерев'яних конструкцій;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кондра Михайло Петрович, головний інженер інституту
ВАТ “УкрНДІпроектстальконструкція ім. В.М. Шимановського”, м.Київ.
Ведуча організація: Одеська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра “Металеві, дерев'яні та пластмасові конструкції”.
Захист дисертації відбудеться “7” липня 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській національній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка,
вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, Зал засідань.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка,
вул. Державіна, 2).
Автореферат розісланий 3 червня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Югов А.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Прискорені темпи розвитку мобільного зв'язку, прецизійного віщання вимагають у найкоротший термін створення мережі радіорелейних опор, як в Україні, так і в інших країнах СНД, а також далекого зарубіжжя. Значні резерви в рішенні цієї задачі закладені в удосконалюванні будівельних конструкцій антенних опор на основі оптимального проектування з урахуванням вимог економічності і технологічності.
У нових умовах ринкової економіки конструкції повинні мати низьку вартість, гарантовану якість і виготовлятися в найкоротший термін. Тому тема дисертаційної роботи, присвяченої оптимальному проектуванню будівельних конструкцій антенних опор і фундаментів з гарантованими показниками економічності і надійності, є досить актуальною, оскільки спрямована на збереження конкурентноздатності національної продукції на світовому ринку.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках кафедральної держбюджетної теми
К-2-10-01 “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, економіко-математичне моделювання режимів експлуатації будинків і споруджень” (№0102U002843). У даній роботі автором запропоновані конкурентноздатні конструкції антенних опор радіорелейного зв'язку для України і країн СНД з урахуванням вимог економічності і технологічності.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка оптимальних конструктивних форм антенних опор радіорелейного зв'язку з урахуванням динамічного складового навантаження, спільної роботи опори з основою і фундаментом, вимог економічності і технологічності.
Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:
- розроблена методика і алгоритм оптимізації конструктивної форми антенних опор на багато навантажень з урахуванням динамічного навантаження, спільного деформування системи “опора-фундамент-основа”, вимог економічності і технологічності;
- розроблена методика техніко-економічного аналізу конструкцій антенних опор радіорелейного зв'язку по трудомісткості і вартості виготовлення і монтажу;
- виконані теоретичні і експериментальні дослідження динамічної поведінки конструкцій антенних опор радіорелейного зв'язку;
- розроблені нові оптимальні конструктивні рішення антенних опор.
Логічна схема досягнення поставленої проблеми представлена на рисунку .
Об'єкт досліджень сталеві решітчасті конструкції антенних опор радіорелейного зв'язку баштового типу.
Предмет дослідження оптимальне проектування конструкцій антенних опор радіорелейного зв'язку.
Рис. 1. Логічна схема досліджень антенних опор радіорелейного зв'язку
Методи досліджень. В основу розроблених методів розрахунку і проектування покладені експериментальні методи і методи класичної механіки, математичного і комп'ютерного моделювання.
Наукова новизна отриманих результатів.
Короткий зміст наукових положень і результатів, отриманих автором, полягає в тім, що вперше при проектуванні антенних опор:
- розроблені методика і алгоритм оптимізації антенних опор враховують пульсаційну складову вітрового навантаження, спільну роботу з основою і фундаментом, вимоги економічності і технологічності;
- теоретично досліджені і експериментально підтверджені закономірності зміни частот власних коливань вузькобазих антенних опор для уточнення розрахункової схеми;
- виконаний техніко-економічний аналіз конструктивної форми з урахуванням трудомісткості і вартості виготовлення і монтажу для створення оптимальних конструктивних форм антенних опор ;
- розроблена серія нових оптимальних конструктивних рішень антенних опор радіорелейного зв'язку в системі одностадійного автоматизованого проектування, що задовольняють вимогам прецизійного віщання і зменшують вартість конструкції до 22%..
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені автором методики, алгоритми і отримані закономірності використані ДНДПВІ “Укренергомережпроект” (м. Харків) при розрахунках і розробці проектної документації для нових антенних опор радіорелейного зв'язку для України.
Система автоматизованого проектування антенних опор радіорелейного зв'язку застосована на ВАТ “Донецький завод високовольтних опор” при розробці робочої документації антенних опор. Оптимізація при проектуванні антенних опор дозволила використовувати сортамент металлопроката, що виготовляється металургійними заводами України, зі зниженням металоємності конструкцій на 12%, і застосувати технологічні у виготовленні і монтажі конструктивні рішення. Впровадження у виробництво оптимального проектування дозволить одержати економічний ефект при виготовленні антенних опор у сумі 90000 гривень.
Розроблена нова вузькобаза антенна опора АО-35 для стиснутих умов міської забудови, що сполучає одночасно функції прожекторної щогли, споруджена на території складського комплексу концерну “Енерго” у м. Донецьку.
Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:
- постановка і рішення задачі оптимізації конструкцій антенних опор радіорелейного зв'язку;
- постановка і проведення натурного експерименту з визначення частот власних коливань вузькобазих антенних опор;
- особиста участь у створенні серії оптимальних антенних опор;
- розробка всіх методик і чисельних експериментів;
- науковий аналіз отриманих результатів.
Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Вплив вітру на будинки і споруди” (м. Макіївка, 2001р.), V Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” (м. Одеса, 2001р.), 2-й Міжнародної наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Будинки і споруди з застосуванням нових конструкцій і матеріалів: розрахунки, проектування, технології, організація зведення і реконструкція” (м. Макіївка, квітень 2003р.), на науково-методичному семінарі кафедри “Металеві конструкції” Донбаської національної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 2004 р.).
У повному обсязі закінчена дисертаційна робота доповідалася на розширеному засіданні кафедри “Металеві конструкції” Донбаської національної академії будівництва і архітектури (2005 р.).
Публікації. По темі роботи опубліковано 8 друкованих праць, що відображають її основний зміст, у тому числі 6 статей у журналах і збірниках наукових праць і 2 статті в матеріалах конференції.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, основних висновків, списку використаних джерел (206 наймену-вань), 2 додатків.
Дисертація викладена на 148 сторінках, у тому числі 92 сторінок основного тексту, 20 сторінок списку літератури, 22 повні сторінки з рисунками і таблицями, 8 сторінок додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, представлено загальну характеристику роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення роботи, а також структуру і обсяг дисертації.
В першому розділі дається аналіз відомих теоретичних і експериментальних досліджень в галузі статико-динамічних розрахунків і проектування антенних споруд і оптимального проектування будівельних металоконструкцій.
У роботі проаналізовані основні теоретичні і експериментальні дослідження з проблеми автоматизованого і оптимального проектування сталевих конструкцій, виконані А.Г. Соколовим, Г.А. Савицьким, Н.С. Стрелецьким, Я.М. Ліхтарніковим, Є.І. Беленьой, І.М. Рабіновічем, М.П. Кондрой, А.А. Зевіним, А.В. Геммерлінгом, М.Л. Гринбергом, В.М. Гордеєвим, В.О. Пермяковим, В.В. Трофимовичем, Є.В. Гороховим, В.А. Баженовим, В.Б. Барським, К.П. Крюковим, А.І. Курносовим, В.В. Кулябком, А.В. Перельмутером, М.Н. Рейтманом, О.В. Шимановським, Є.В. Шевченком та іншими.
Питанням створення надійних конструкцій антенних споруд з високими техніко-економічними показниками присвячені основні роботи А.Г. Соколова і Г.А. Савицького. Розглянуті питання розрахунку і раціонального конструювання, зазначені напрямки розвитку інженерної частини антенних споруд.
Удосконалювання сталевих башт нерозривно пов'язано з дослідженням і створенням конструкцій мінімальної маси і вартості. М.П. Кондра при оптимізації сталевих башт враховує взаємозв'язок зовнішнього навантаження із шуканими параметрами, від яких залежить навантаження; задача відшукання мінімальної маси вирішується з використанням аналітичних методів і ПЕОМ. О.І. Шумицький досліджував конструктивну форму металевих телевізійних башт великої висоти. А.А. Зевін розробив метод оптимізації параметрів перехідних башт ПЛ, при якому загальна конфігурація башти передбачається заданої, шуканими параметрами є розміри панелей і їх кількість. Мінімальна маса конструкції опори визначається побудовою алгоритму, заснованого на методі динамічного програмування, при задовільненні вимог сортаменту і граничної гнучкості.
Найбільш відомим при рішенні задач пошуку оптимальної топології є метод проектування конструкцій раціональної форми при одному навантаженні і обмеженнях на напругу, запропонований у роботі Митчелла. Розвиваючи цей підхід, Добс і Фелтон застосували алгоритм нелінійного програмування і ітераційний підхід до рішення задачі при декількох навантаженнях. Розрахунок при цьому повторювався доти, поки були можливі подальші топологічні зміни. Пізніше Мажид і Эліот сформулювали теореми про структурні зміни при проектуванні шарнірних конструкцій з перемінною топологією. Зазначені теореми застосовувалися до конструкцій з фіксованими координатами вузлів, тобто в процесі рішення задачі удалялися непотрібні елементи.
В.О. Пермяков запропонував рішення узагальненої задачі оптимального проектування на основі використання методів нелінійного програмування. У рамках цієї задачі вирішуються питання пошуку оптимальних геометричних і фізичних параметрів, а також оптимальної топології стрижневих конструкцій. На основі цього підходу для проектування стрижневих конструкцій розроблений пакет прикладних програм, де для статичного розрахунку конструкцій використаний метод кінцевих елементів, а для рішення задачі мінімізації цільової функції – метод неортогонального проектування градієнта.
Відзначено, що існуючі нормативні документи і довідкові посібники не дають чітких рекомендацій з призначення оптимальних параметрів антенних опор. На основі огляду літератури сформульовані основні цілі і задачі досліджень роботи.
У другому розділі приводиться розроблена методика і алгоритм оптимального проектування антенних опор радіорелейного зв'язку з урахуванням пульсаційної складової вітрового навантаження, спільної роботи опори з основою і фундаментом, трудомісткості і вартості, викладені основні розрахункові передумови, покладені в основу оптимізаційного розрахунку.
Сформулюємо задачу оптимізації. При заданих схемі і величині зовнішніх навантажень, типі перетинів елементів знайти параметри геометричної схеми і топології конструкції, що відповідають мінімальній масі або вартості “у справі” антенної опори.
Аналіз задачі оптимізації приводить до висновку, що вираження і цільової функції і системи обмежень є складними нелінійними функціями параметрів керування. Цільова функція – через нелінійну залежність площі стрижнів і їхніх довжин відповідно від невідомих зусиль у зайвих зв'язках і невідомих геометричних параметрах, обмеження - тому що зусилля в елементах також залежні від параметрів геометричної схеми. Значна кількість варіюючих параметрів (для антенної опори висотою 70 м нараховується 29 невідомих, що змінюються безперервно). Точність рішення оптимальних будівельних конструкцій доцільно приймати порівняно з величиною неминучих відхилень, що виникають при практичній реалізації знайденої відповіді.
Рішення задачі оптимізації проведено чисельними методами нелінійного програмування, що не використовують похідні. В основі пошуку лежить використання попередньої інформації для побудови поліпшених рішень за допомогою ітераційних процедур.
Оптимізація конструкцій антенних опор проводиться незалежно за критеріями мінімальної маси і мінімальної вартості “у справі”. Для одержання функції вартості в цільову функцію, що визначає масу, необхідно додати групу залежностей по визначенню трудомісткості і вартості.
Цільова функція формується алгоритмічно в залежності від перемінних, котрими є геометричні і конструктивні параметри антенної опори.
Сформульована задача оптимізації параметрів геометричної схеми антенних опор є нелінійної щодо шуканих параметрів.
Оптимізація антенних опор ведеться цілеспрямованим перебором змінних параметрів. На кожнім кроці пошуку маса опори визначається на основі традиційного розрахунку при задоволенні вимог реального проектування. Для цілеспрямованого перебору використовуються чисельні методи нелінійного програмування.
Автоматизований на ПЕОМ розрахунок антеної опори, що задовольняє усім вимогам будівельних норм, виконуваний у залежності від значень варіюючих параметрів: на кожнім кроці оптимізації цілеспрямовано змінюються параметри геометричної схеми і топологія опори і виконується її розрахунок з метою обчислення маси або вартості. Складено програму розрахунку антенних опор, де вхідними даними є навантаження і параметри конструктивної схеми, що реалізує статичний розрахунок на багато навантажень, обчислює зусилля в стрижнях, здійснює підбор перетинів і підрахунок маси деталей; з доданням блоку трудомісткості визначаються трудомісткість і вартість виготовлення, монтажу, транспортування, вартість “у справі”.
Процес мінімізації цільової функції вирішується за допомогою алгоритму оптимізації, розробленого Шевченком Є.В. При цьому в алгоритм введене обмеження на граничний кут прецизійного віщання, пульсаційну складову вітрового навантаження, а навітряна площа опори уточнюється в процесі оптимізації.
На рис. приведена топологія цільової функції і стратегія пошуку мінімуму методом напрямку спуска.
При дослідженні оптимальних параметрів встановлено, що основний вплив на конструктивну форму антеної опори оказує другий граничний стан, оскільки для більшості таких споруд граничний кут відхилення осі складає не більш 0,5 градуса (табл. ).
Рис. . Пошук мінімуму цільової функції методом напрямку спуска
Значна кількість оптимізаційних розрахунків антенних опор, зроблених з використанням розробленої програми, показали надійність збіжності методу – у всіх випадках забезпечувалася збіжність до экстремуму.
Отримані рішення значно поліпшують вихідний проект (зниження маси і вартості до 22%) і переконують у доцільності прийнятого підходу до оптимізації антенних опор.
Досліджено закономірності динамічного складового навантаження в залежності від геометричних розмірів конструкцій антенних опор з метою їхньої подальшої оптимізації.
Виконані розрахунки показують, що максимальний вплив на розрахункові зусилля в елементах опор оказують вітрові навантаження. Тому уточнення впливу вітрових навантажень, з урахуванням їхнього динамічного впливу є актуальною задачею в розрахунках конструкцій баштових радіорелейних опор.
Метою дослідження є динамічний розрахунок ряду радіорелейних опор, висотою від 30м до 70м, з урахуванням пульсаційної складової вітрового навантаження і розробка рекомендацій із призначення коефіцієнтів динамічності м до вітрових навантажень для подальшого їхнього використання в інженерних розрахунках опор.
Для визначення частот власних коливань баштову опору розглядаємо як жорстко затиснений стрижень, розбитий на довільну кількість ділянок n (рис. 3). У межах кожної ділянки твердість стрижня вважається постійної, а по висоті башти твердість східчасто перемінна, змінюється від ділянки до ділянки. Маси окремих ділянок башти і розташовуваного на них устаткування збираються на границі ділянок і розглядаються як крапкові, тобто поворотом мас навколо власної осі зневажаємо.
Таблиця 1
Залежність кута прецизійного віщання від параметрів опори АО-30
Кут прецизійного
віщання, град | 1,67 | 0,83 | 0,54 | 0,49 | 0,40 | 0,29
Ширина опори вгорі, м | 0,97 | 0,97 | 0,97 | 0,97 | 0,97 | 0,97
Ширина опори внизу, м | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | 5,0
Відхилення
верха опори, м | 0,575 | 0,255 | 0,162 | 0,143 | 0,115 | 0,078
Маса опори, кг | 3746 | 3280 | 3291 | 3389 | 3675 | 4474
Вартість“
у справі”, тис.грн. | 38,382 | 35,048 | 36,990 | 39,376 | 42,851 | 51,822
Рис. . Розрахункові схеми радіорелейних опор АО-30 – АО-70
Вітрові навантаження на баштові споруди, відповідно до вимог СНиП “Нагрузки и воздействия”, варто розглядати як суму середньої Wm і пульсаційної складової Wp вітрового навантаження, що залежить від району будівництва і висоти прикладення навантаження.
Нормативне значення динамічної складової вітрового навантаження визначається для кожної форми коливань споруди у вигляді системи інерційних сил, прикладених до зосереджених мас по напрямках можливих коливань.
Відповідно до описаної методики був проведений розрахунок типових радіорелейних опор висотою 30м, 40м, 50м, 60м і 70м.
Розрахунок опор виконувався на навантаження для III вітрового району, II ожеледного району, маса і місця установки технологічного обладнання прийняті за завданням на проектування.
У результаті динамічних розрахунків отримані власні частоти по всіх основних формах коливань опор. Значення перших трьох частот власних коливань представлені в таблиці 2.
Таблиця 2
Частоти власних коливань опор
Частоти власних коливань | АО-70 | АО-60 | АО-50 | АО-40 | АО-30
f1 (Гц) | 1,131 | 1,272 | 1,465 | 1,736 | 2,196
f2 (Гц) | 3,778 | 4,439 | 5,403 | 6,925 | 10,164
f3 (Гц) | 9,080 | 11,31 | 14,540 | 18,84 | 27,04
Граничне значення частоти власних коливань fl, при перевищенні якого допускається не враховувати інерційні сили, що виникають при коливаннях за відповідною формою, для металевих баштових опор, споруджуваних у III вітровому районі, дорівнює 3,8.
Представлені результати показують, що тільки для опори АО-70 розрахунок на динамічний вплив вітру варто вести за 1-ю і 2-ю формами власних коливань, а для інших опор АО-60 – АО-30 досить враховувати тільки першу форму власних коливань.
У процесі подальших розрахунків був отриманий розподіл зусиль по секціях опор від дії статичної складової вітрового навантаження Хс і від спільної дії статичної і динамічної складової вітру Х. Далі, по секціях, для всіх опор були визначені коефіцієнти динамічності ?, що залежать від відношення силових факторів (табл. 3).
Як бачимо з таблиці, коефіцієнти динамічності мають різні значення не тільки для різних типів опор, але і змінюються від секції до секції по висоті кожної опори. Тому в нижньому рядку таблиці представлені середні значення коефіцієнта динамічності для опор у цілому.
Більш усередненим критерієм визначальний коефіцієнт динамічності для всієї опори є відношення максимальних переміщень верхньої точки опори від сумарної дії статичного і динамічної складового вітрового навантаження f до переміщень від статичної складової fст (формула 1), тому що в переміщеннях враховується розподіл зусиль і жорсткостей по всіх секціях опори.
Таблиця 3
Значення коефіцієнта в залежності від силових факторів
Секції | АО-70 | АО-60 | АО-50 | АО-40 | АО-30
1 | 2,670 | 2,327 | 2,222 | 2,100 | 1,967
2 | 2,230 | 2,035 | 1,937 | 1,825 | 1,699
3 | 1,995 | 1,880 | 1,777 | 1,660 | 1,531
4 | 1,847 | 1,751 | 1,647 | 1,534
5 | 1,743 | 1,644 | 1,543
6 | 1,663 | 1,556
7 | 1,595
Середнє значення ?
(м=X/Xc) | 1,963 | 1,866 | 1,825 | 1,780 | 1,732
Крім того, досліджувалася залежність коефіцієнта динамічності від ширини бази опори. Коефіцієнт динамічності для баштових радіорелейних опор практично не залежить від ширини бази опори.
, (1)
Критерій оптимальності для антенних опор буде більш повним при урахуванні фундаментів і відчужуваної землі. У практиці будівництва баштових споруд застосовуються, як правило, грибоподібні фундаменти, які використовуються при спорудженні опор ПЛ. Таку практику не можна вважати виправданої, тому що об'єкт, що розглядається, не є спорудою, яка жорстко прив'язана до ґрунтових умов (траси ПЛ) на відміну від опор ПЛ, а робота його фундаментів разом з основою ґрунту має ряд специфічних особливостей. У зв'язку з цим у даній роботі проаналізовано з економічної точки зору кілька варіантів фундаментів (рис. 4), параметри яких оптимізувались з урахуванням інженерно-геологічних умов пропонованих ділянок будівництва. Варіанти фундаментів були обрані у результаті аналізу навантажень на основи і фундаменти радіорелейної опори.
Особливість навантаження фундаментів башти полягає в тому, що за час експлуатації цієї споруди кожний з чотирьох фундаментів буде сприймати максимальні висмикуючи, максимальні вдавлюючи і максимальні горизонтальні навантаження. У зв'язку з цим бачимо, що при оптимізації фундаментів башти необхідно враховувати, що вони повинні бути однотипними і мати однакові параметри.
При дослідженні розглядалися наступні інженерно-геологічні умови будівництва: сприятливі, середньої сприятливості, несприятливі і будівництво в умовах сильностискаємих ґрунтів.
У роботі були розглянуті фундаменти, стійкість яких залежить від будівельних властивостей ґрунту зворотного засипання (грибоподібні) і фундаменти, стійкість яких залежить від будівельних властивостей ґрунту природної основи: грибоподібний фундамент, грибоподібний фундамент із начіпними плитами, свайний фундамент з буронабівних свай і плитний фундамент.
У результаті дослідження було встановлено, що свайний фундамент з буронабівних свай для антенних опор найбільшою мірою відповідає спільній роботі опори з основою і більш економічний, у порівнянні з іншими варіантами (таблиця 4).
На рис. 5 приведена методика визначення області застосування грибоподібних і свайних фундаментів.
Рис. . Варіанти фундаментів під антенні опори: а - спарений грибоподібний фундамент; б - грибоподібний фундамент з начіпними плитами; в - свайний фундамент з буронабівних свай; г - плитний фундамент
Таблиця 4
Загальна вартість пристрою фундаментів по варіантах
Тип фундаменту | Вартість споруд.,
грн. | Вдорож.,
%
1. Спарений грибоподібний фундамент | 26584 | 8,4
2. Грибоподібний фундамент із начіпними плитами | 25688 | 4,7
3. Свайний фундамент з буронабівних свай | 24536 | -
4. Плітний фундамент | 35672 | 45,4
Рис. . Межі застосування грибоподібних і свайних фундаментів
Третій розділ присвячений дослідженню техніко-економічних показників металоконструкцій антенних опор радіорелейного зв'язку.
Маса конструкції складається з маси основних деталей, що утворюють основу конструкції, маси допоміжних деталей, метизів і цинкового покриття. Основні деталі, їхні розміри і маса залежать від силових впливів на конструкцію і визначаються розрахунком. Допоміжні деталі складають конструктивне оформлення і безпосереднє не залежать від силових впливів: їхнє призначення складається в з'єднанні основних деталей між собою. Допоміжні деталі враховуються будівельним коефіцієнтом маси, що досліджений для металоконструкцій антенних опор. Маса метизів і цинку визначається за допомогою питомих показників.
В основу методики аналізу конструкцій антенних опор по трудомісткості також покладений принцип підрахунку трудозатрат окремо для основних і допоміжних деталей. Конструктивна форма з погляду впливу її на трудомісткість виготовлення і монтажу характеризується виробничими показниками, що для антенних опор зведені до наступних: маса, кількість і серійність основних деталей, кількість отворів. Трудомісткість виготовлення і монтажу опори розглядається по технологічних операціях і складається по окремих елементах конструкції. Через те, що антенні опори і опори ПЛ з погляду технологічності схожі, тут застосована методика аналізу по трудомісткості і монтажу, розроблена раніше для опор повітряних ліній електропередачі.
На основі викладеної методики розроблені алгоритм і програма мовою Фортран для ПК, що реалізує розрахунки техніко-економічних показників антенних опор з урахуванням фундаментів і площі відчужуваної землі.
Досліджено структуру вартості виготовлення і монтажу основних матеріалів, запропоновані формули для визначення вартісних показників (табл. ).
Таблиця 5
Структура вартості (опора АО-30)
Конструктивний
елемент | Вартість, тис.грн. | Вартість“
у справі”, %
матеріал | виготовлення | монтаж“ | у справі”
Фундамент | 2,52 | 1,01 | 3,53 | 9,7/8,0
Опора | 12,20 | 10,84 | 9,49 | 32,53 | 89,8 / 73,8
Земля | 0,16/8,00 | 0,16 / 8,00 | 0,5 / 18,2
РАЗОМ | 36,22* /44,06 | 100,0 / 100,0
*) у чисельнику – ненаселена місцевість, у знаменнику - населена
Оцінка раціональних будівельних сталей приведена на графіку рис. .
Рис. . Залежність маси і вартості від міцності сталі для опори АО-30
У розділі 4 на основі отриманих у дисертації результатів здійснений пошук раціональних конструктивних рішень антенних опор і розроблена система одностадійного автоматизованого проектування.
На основі методик, викладених у розділах 2 і 3, розроблений програмний блок по оптимізаційному розрахунку антенних опор радіорелейного зв'язку, що увійшов у програмний комплекс по оптимальному проектуванню опор ПЛ, створений на кафедрі “Металеві конструкції” Донбаської національної академії будівництва і архітектури.
Вхідними даними є: висота опори, кліматичні і інженерно-геологічні умови будівництва, конструктивні обмеження, вимоги виготовлення і монтажу, параметри антенного і технологічного обладнання.
Програмний комплекс складається з підсистеми розрахунку і оптимізації антенних опор, підсистеми техніко-економічного аналізу і діалогової підсистеми автоматизованого конструювання.
Розроблена система автоматизованого проектування антенних опор використана в оптимальному проектуванні вузькобазої опори для міських умов і розробці нової серії оптимальних антенних опор.
У зв'язку із широкомасштабним впровадженням системи радіорелейного зв'язку на Україні виникла необхідність у масовому будівництві опор для установки антен на різній висоті в залежності від рельєфу місцевості і розташування будинків і споруд як у межах міста, так і за його межами.
Існуючі типові рішення антенних опор представляють собою широкобазі решітчасті металеві конструкції з уніфікованих секцій, на основі яких проектується опора заданої висоти. Ці опори конструктивно громіздкі, не задовольняють вимогам технічної естетики і складні при монтажі в стиснутих умовах.
У даній роботі представлений проект антенної опори АО-35 висотою 35 м, призначеної для улаштування параболічної антени діаметром 1,0 м з площадкою обслуговування, на якій розташований блискавковідвід і є місце для установки прожекторів. Усередині опори розташовані сходи для підйому на площадку обслуговування з площадками для відпочинку через 6,8 м по висоті.
Опора запроектована як просторова стрижнева стійка, квадратна в плані з базою 1,4х1,4 м. Пояси і решітка опори виконані з одиночних кутників, діафрагмами служать площадки для відпочинку. Загальний вид опори, змонтованої на території комплексу складських приміщень концерну “Енерго” (м. Донецьк), приведений на рис. 7.
На підставі аналізу експериментальних даних опори АО-35, отриманих в умовах її експлуатації, встановлено, що значимою є перша частота власних коливань конструкції; тому розрахункова модель антеної опори може бути представлена у формі жорстко затисненого стрижня кусочно-постійного перетину. При цьому теоретичне значення частоти власних коливань перевищує експериментальне на 17%.
Необхідність розробки нових уніфікованих типових антенних опор радіорелейного зв'язку для України викликана наступними причинами. Розроблено новий ДБН по навантаженням і впливам, тому що Україна в порівнянні з СРСР має значно менші географічні розміри, і, як наслідок, меншу варіацію навантажень (районів); у зв'язку з подорожчанням землекористування необхідний перехід на опори з меншими розмірами бази.
Рис. . Зовнішній вигляд антеної опори АО-35 радіорелейного зв'язку
При оптимізації варіювалися ширина бази опори, кількість і довжини панелей, довжини поясних секцій, тип решітки і діафрагм стовбура, тип вузлових сполучень розкосів з поясами, марка сталі основних несучих елементів – поясів і розкосів.
Геометричні схеми типових і запропонованих оптимальних антенних опор радіорелейного зв'язку представлені на рис. .
Рис. . Антенні опори радіорелейного зв’язку
За результатами виконаних досліджень база зменшилася на 11,8 - 16,3%, площа відчужуваної землі на 22,2 - 32,3%, маса опори на 19,8 - 22,5%, вартість “у справі” - на 18,1 - 21,8%.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
1. Розроблена методика оптимізації конструктивних форм антенних опор в системі автоматизованого проектування з урахуванням динамічної складової навантаження, спільної роботи з основою і фундаментом, яка дозволяє суттєво поліпшити показники економічності і технологічності конструкцій, підвищити якість продукції.
2. Запропонована методика техніко-економічного аналізу дозволила запроектувати антенні опори мінімальної трудомісткості і вартості виготовлення і монтажу, при цьому вартість матеріалу складає 34-52% від загальної вартості.
3. На підставі аналізу напружено-деформованного стану опори АО-35 у процесі її експлуатації, встановлено, що значимою є перша частота власних коливань конструкції, а це дозволяє представити розрахункову модель антенної опори у виді жорстко затисненого стрижня кусочно-постійного перетину. Теоретичне значення частоти власних коливань перевищує експериментальне на 17%.
4. Розроблені нові оптимальні сталеві опори радіорелейного зв'язку економічні, технологічні у виготовленні, надійні і довговічні, дозволяють у порівнянні з існуючими типовими конструкціями знизити вартість до 22,5%, а площу відчужуваної землі зменшити більш ніж на одну третину.
5. Розроблено нову конструкцію вузькобазої антеної опори АО-35 для стиснутих умов міської забудови, технологічна у виготовленні і монтажі, що одночасно сполучає функції прожекторної щогли.
Основні положення дисертації опубліковані в наступних працях:
1. Шевченко Є.В., Глухов В.О., Сапронов Ю.В., Удахін С.А. Розрахунок баштової опори повітряної лінії електропередачі як просторової шарнірно-стержньової системи // "Будівництво України", 2000. - № 1. - С. 41-43.
2. Горохов Е.В., Шевченко Е.В., Васылев В.Н., Некрасов Ю.П., Турбин С.В., Сапронов Ю.В., Удахин С.А., Бусько М.В. Исследование работы высоковольтной линии электропередачи как единой конструктивной системы на модели // Сб. науч. трудов "Современные конструкции из металла и древесины". - Одесса: ОГАСА, “Город мастеров”. - 2001. - С. 68-74.
3. Горохов Е.В., Шевченко Е.В., Сапронов Ю.В., Удахин С.А. Методика расчета стальных конструкций опор воздушных линий электропередачи на действие ветра с учетом профиля трассы // Вестник ДонГАСА. - Макеевка. - 2001 г. - № 2001-4 (29). - С. 68-73.
4. Горохов Е.В., Шевченко Е.В., Сапронов Ю.В., Удахин С.А. Уточнение методики определения аварийных нагрузок на опоры высоковольтных линий электропередачи // Международный научный журнал “Металлические конструкции”. Макеевка. 2001 г. Том 4, №1. С. 54.
5. Шевченко Е.В., Удахин С.А., Иващенко М.Н. Оптимальное проектирование башенной градирни ОАО “ДМЗ” при ее реконструкции // Вестник ДонГАСА. - Макеевка. - 2003 г. - № 2003-2 (39), Том 1. - С. 156-158.
6. Жук Н.Р., Шевченко Е.В., Удахин С.А. Расчет и конструирование башенной опоры сотовой сети высотой 70м // Международный научный журнал “Металлические конструкции”. Макеевка. 2003 г. Том 6, №1. – с.15-17.
7. Жук Н.Р., Шевченко Е.В., Удахин С.А. Динамическое влияние ветровых нагрузок на конструкции башенных радиорелейных опор // Вестник ДонГАСА. - Макеевка. - 2004 г. - № 2004-2 (44). – с.11-17.
8. Шевченко Е.В., Жук Н.Р., Удахин С.А. Оптимальное проектирование башенных радиорелейных опор // Вестник ДонГАСА. - Макеевка. - 2004 г. - №2004-2 (44). – с.7-10.
У публікаціях [1, 3, 4, 5, 6] автору належить розрахунок шарнірно-стрижньових систем при урахуванні спільної роботи її конструктивних елементів, уточнення вітрових навантажень; у [2] обробка експериментальних даних і аналіз результатів експерименту; у [7] розробка методики розрахунку з урахуванням пульсаційної складової вітрового навантаження і чисельні дослідження поведінки антенних опор при впливі вітру; у [8] розробка методики і програмного комплексу оптимізації конструктивної форми антенних опор з урахуванням вимог економічності і технологічності; запропонована нова серія оптимальних антенних опор, які, у порівнянні з типовими опорами, мають меншу масу.
АНОТАЦІЯ
Удахін С.А. Оптимальне проектування конструкцій антенних опор радіорелейного звязку. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2005.
Дисертація присвячена оптимальному проектуванню металевих конструкцій антенних опор баштового типу. Запропонована розрахункова модель антенної опори. Розроблено методику оптимізації конструктивної форми в системі автоматизованого проектування антенних опор і фундаментів, яка дозволяє суттєво поліпшити показники економічності і технологічності конструкцій, підвищити якість продукції. Запропонована методика техніко-економічного аналізу, яка дозволила запроектувати антенні опори мінімальної трудомісткості і вартості виготовлення і монтажу. Розроблені нові оптимальні сталеві опори радіорелейного зв'язку економічні і технологічні у виготовленні. Розроблено нову конструкцію вузькобазої антеної опори АО-35 для стиснутих умов міської забудови, технологічна у виготовленні і монтажі, що одночасно сполучає функції прожекторної щогли.
Ключові слова: антенні опори радіорелейного звязку, розрахункова модель, конструктивна форма, оптимальне проектування, система автоматизованого проектування.
АННОТАЦИЯ
Удахин С.А. Оптимальное проектирование конструкций антенных опор радиорелейной связи. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2005.
Диссертация посвящена решению задачи создания оптимальных конструктивных форм антенных опор радиорелейной связи с учетом динамической составляющей нагрузки, требований экономичности и технологичности.
Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные результаты, полученные автором, показаны их научная новизна, практическое значение и реализация.
В разделе 1 выполнен обзор научно-технической и нормативной литературы по расчету и рациональному проектированию, по оптимизации, по трудоемкости и стоимости изготовления и монтажа.
Во втором разделе исследовано напряженно-деформированное состояние металлических решетчатых антенных опор радиорелейной связи башенного типа, с целью их дальнейшей оптимизации и разработки рекомендаций для проектирования. Разработаны методика и алгоритм оптимизационного расчета антенных опор с учетом динамической нагрузки, совместного деформирования с основанием и фундаментом, требований экономичности и технологичности.
Раздел 3 посвящен исследованию технико-экономических показателей металлоконструкций антенных опор радиорелейной связи. Исследована трудоемкость и стоимость изготовления и монтажа антенных опор, получены зависимости. Исследованы закономерности строительных коэффициентов трудоемкости и структура заводской стоимости.
Раздел 4 посвящен описанию разработанной системы автоматизированного проектирования антенных опор. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования динамического поведения антенных опор при ветровом воздействии в условиях эксплуатации. Обоснована необходимость учета динамической составляющей ветровой нагрузки при проектировании. Разработана серия конструкций оптимальных антенных опор радиорелейной связи для Украины.
Ключевые слова: антенные опоры радиорелейной связи, расчетная модель, конструктивная форма, оптимальное проектирование, система автоматизированного проектирования.
ABSTRACT
Udahin S.А. Optimum design constructions of aerial supports of radiorelay communication. - Manuscript.
The thesis for a of scientific degree of the candidate of engineering sciences from speciality 05.23.01 - Building constructions, buildings and structures. - The Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture of the Department of education and science of Ukraine, Makeyevka, 2005.
Dissertation is devoted to the optimum planning of metallic constructions of aerial supports of towering type. Offered calculation model of aerial support. The method of optimization of structural form is developed in a computer-aided of aerial supports and foundations design, which allows substantially to improve the indexes of economy and technological of constructions, promote quality of products. Offered method of analysis, which allowed to project aerial resistances of minimum labour intensive and cost of making and editing. The developed new optimum steel resistances of radiorelay communication are economic and technological in making. A new construction of the aerial support AS-35 is developed for the compressed terms of city building, technological in making and editing, that simultaneously connects the functions of searchlight mast.
Keywords: aerial supports of radiorelay communication, calculation model, structural form, optimum design, computer-aided design.
