Благодаря возможности использования нестандартных креплений с различными направлениями и комбинациями связей, обладающих различными свойствами, СТАРТ-ПРОФ позволяет создавать модели практически любых реальных креплений трубопровода, в том числе опор с учетом трения, подвесок с учетом дополнительных боковых сил при их отклонении, врезок в сосуды и аппараты и т.д.
Нестандартные крепления описываются произвольной комбинацией различных типов внешних связей, накладываемых на узел под различными углами с целью предотвращения перемещений и углов поворота. В СТАРТ-ПРОФ используются угловые и линейные связи, обладающие следующими свойствами:
жесткая двухсторонняя
жесткая односторонняя
упругая
фрикционная - для учета трения (вводится автоматически)
фиктивная - для учета "маятникового" эффекта (вводится автоматически)
Связи могут быть линейные и угловые. Линейные связи - препятствуют перемещению сечения трубы вдоль некоторой оси, угловые связи - препятствуют повороту сечения трубы вокруг некоторой оси. Ниже в таблице приведены примеры линейных и угловых связей:
Линейная жесткая связь препятствует перемещению узла в некотором направлении, но не препятствует его повороту.
Пример 1: На рис. 1 изображено закрепление трубопровода одной линейной жесткой связью, которая полностью запрещает перемещения сечения трубы в вертикальном направлении но не препятствует его поворотам.
Рис. 1
Пример 2: На рис. 2 изображено закрепление трубопровода двумя линейными упругими связями, которые упруго сопротивляются перемещению сечений трубы в вертикальном направлении но не препятствует поворотам.
Рис. 2
Угловая жесткая связь препятствует повороту узла вокруг некоторой оси, но не препятствует его перемещению.
Пример 1: на рис. 3 изображено закрепление трубопровода одной угловой жесткой связью, которая препятствует повороту сечения трубы. Если слева приложен некоторый изгибающий момент, то труба будет изогнута только на участке между точкой приложения момента и угловой связью. Справа от угловой связи изгиб будет отсутствовать. При этом, такая связь не препятствует перемещениям трубы в любом направлении. В строительной механике такие связи принято называть "плавающей заделкой" - то есть заделкой, препятствующей поворотам узла вокруг некоторой оси, но не препятствующей его линейным перемещениям вдоль осей координат.
Рис. 3
Пример 2: На практике, угловые связи в чистом виде встречаются редко. Чаще всего угловые связи существуют в комбинации с линейными. Например, на рис. 4 изображено закрепление трубопровода одной линейной жесткой связью, которая препятствует перемещению сечения трубы в вертикальном направлении и угловой жесткой связью, которая препятствует повороту сечения трубы. Таким образом если некоторая внешняя сила приложена слева от угловой связи, то труба будет изогнута только на участке между этой силой и угловой связью. Справа от угловой связи изгиб будет отсутствовать.
Рис. 4
Пример 3: Угловые связи, также как и линейные связи могут быть упругими - то есть упруго сопротивляться поворотам сечения. На рис. 5. показана схема с одной линейной жесткой связью, которая препятствует перемещению сечения трубы в вертикальном направлении и угловой упругой связью, которая упруго сопротивляется повороту сечения трубы. Такое закрепление представляет собой нечто среднее между закреплением, показанным на рис. 1 и на рис. 4.
Рис. 5
Ниже приведено описание различных видов линейных и угловых связей.
Линейная жесткая двухсторонняя связь препятствует перемещению узла в обе стороны вдоль оси связи (рис. 6).
Угловая жесткая двухсторонняя связь препятствует поворотам узла в обе стороны вдоль оси связи (рис. 3).
Рис. 6
Линейная жесткая односторонняя связь препятствует перемещению точки только в одну сторону вдоль оси связи. При перемещении в другую сторону выключается из работы. Например, скользящая опора препятствует перемещению трубопровода вниз (рис. 7,а) и не препятствует перемещению вверх - труба снимается с опоры и связь выключается из работы (рис. 7,б).
Рис. 7
Линейные (рис. 8) и угловые (рис. 5) упругие связи представляют собой пружины, которые всегда работают как двухсторонние связи (никогда не выключаются из работы). Характеризуются податливостью С.
Рис. 8
Фрикционные связи не задаются пользователем, но автоматически вводятся в расчетную схему для учета сил трения в опорах.
Если реакция в фрикционной связи меньше предельной силы трения Fтр, то фрикционная связь автоматически считается жесткой, то есть препятствует скольжению трубы.
Если реакция в фрикционной связи больше предельной силы трения Fтр, то в направлении, противоположном перемещению узла прикладывается сила трения, равная Fтр=R∙μ (рис. 9,а). Где R - реакция, создающая силу трения, μ - коэффициент трения.
Когда направление силы трения точно известно (например для направляющей опоры), вводится одна линейная фрикционная связь по направлению силы трения. Если направление заранее неизвестно - вводятся две взаимно перпендикулярные линейные фрикционные связи в плоскости скольжения FX и FY (рис. 9,б), например вдоль и поперек оси трубы. В таком случае сила трения Fтр в СТАРТ-ПРОФ вычисляется как геометрическая сумма реакций этих связей (рис. 9,б).
Рис. 9
Фиктивные связи не задаются пользователем, но автоматически вводятся для учета "маятникового" эффекта (дополнительных горизонтальных реакций Fфикт, возникающих при отклонениях подвесок от вертикального положения на некоторый угол α). Эти реакции равны проекции усилия в подвеске на горизонтальную плоскость Fфикт=R∙Sin(α) и стремятся вернуть ее в вертикальное положение. Поскольку α - малый угол, то можно считать что Sin(α)=Δ/L, следовательно Fфикт=R∙Δ/L. Длина тяги L задается пользователем, а перемещение Δ определяется из расчета.
Всегда вводятся две взаимно перпендикулярные линейные фиктивные связи FX и FY в горизонтальной плоскости (рис. 10, б). А боковая составляющая горизонтальной реакции подвески Fфикт определяется программой как геометрическая сумма реакций этих связей.
Рис. 10
Направление каждой связи задается в виде вектора запрета перемещений (т.е. направление, по которому запрещены перемещения). Направление вектора задается вдоль одной из осей локальных или глобальных координат, либо в виде трех углов между вектором реакции связи и глобальными, либо локальными осями координат.
Точное направление реакции связи (прямое или обратное) необходимо задавать только для односторонних связей или связей с различными зазорами слева и справа, поскольку такие связи по разному работают в зависимости от направления перемещения. В остальных случаях направление не имеет значения (рис. 11,а,б).
Для определения направления реакции связи система координат мысленно помещается в рассматриваемый узел. Углы задаются по следующим правилам:
Угол между вектором реакции связи и осью координат берется всегда острым
Знак угла принимается положительным, если рассматривается угол между вектором реакции связи и положительным направлением оси (рис. 11, а) и отрицательным если рассматривается угол между вектором реакции связи и отрицательным направлением оси (рис. 11, б). Например, угол -300 к оси Z означает угол 300 между направлением реакции связи и отрицательным направлением оси Z (см. примеры 3, 4 и 5)
когда направление реакции и оси координат совпадают (угол наклона равен нулю), указывается 00 при совпадении с положительным направлением оси координат и 1800 при совпадении с отрицательным направлением оси (см. примеры 1 и 2)
Сумма квадратов косинусов всех углов должна быть равна единице (если это условие не выполняется, значит углы заданы с ошибкой). Это условие проверяется программой автоматически
Рис. 11
Примеры:
№ примера |
Схема |
Описание |
|---|---|---|
1 |
|
Реакция связи направлена вертикально вверх (вдоль положительного направления оси Z) Углы: X: 90, Y:90, Z:0 |
2 |
|
Реакция связи направлена вертикально вниз (вдоль отрицательного направления оси Z) Углы: X: 90, Y:90, Z:180 |
3 |
|
Реакция связи направлена вверх под углом 300 к оси Z Углы: X: 90, Y:60, Z:30 |
4 |
|
Реакция связи направлена вниз под углом 300 к оси Z Углы: X: 90, Y:60, Z:-30 |
5 |
|
Реакция связи направлена вверх под углом 300 к оси Z Углы: X: -60, Y:90, Z:30 |
Пример:
В скользящей опоре односторонняя связь работает только при перемещениях вниз (против оси Z) и выключается из работы при перемещениях вверх (вдоль оси Z). Реакция такой связи направлена вверх (вдоль оси Z). Следовательно, для задания такой связи следует выбирать опцию "-Z" (поскольку опора запрещает перемещения вниз) или задать углы (90,90,0) что соответствует вектору реакции связи, направленному вверх.
Поскольку процесс создания нестандартных креплений довольно трудоемкая процедура, для удобства пользователей программы СТАРТ-ПРОФ был создан набор стандартных опор. Во-первых эти опоры уже содержат необходимый набор связей, во вторых они автоматически ориентируют направления этих связей в соответствии с направлениями локальных осей участков. Ниже в таблице приводятся описания связей для стандартных типов опор СТАРТ-ПРОФ.
Считается что ось Xm направлена вдоль оси участка, Zm перпендикулярно оси трубы вверх, Ym перпендикулярна оси трубы и оси Zm.
Для обозначения типов и свойств связей на схемах приняты следующие обозначения:
- жесткая линейная
двухсторонняя связь
- жесткая линейная
односторонняя связь. Стрелочкой обозначено направление реакции связи
- жесткая угловая
двухсторонняя связь
- упругая угловая
связь
- упругая линейная
связь
стрелочками обозначены фрикционные (силы трения) и фиктивные связи
Для обозначения свойств связей в таблице приняты следующие обозначения:
ЖО - жесткая односторонняя связь
Ж - жесткая двухсторонняя
У - упругая
Фр - фрикционная
Фикт - фиктивная
отсутствующие связи обозначаются прочерком
Мертвая опора запрещает линейные перемещения и углы поворота во всех направлениях. На схемах показаны мертвые опоры двух конструкций:
Спаренная конструкция, состоящая из двух неподвижных опор, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном примерно 2÷4 диаметра, обеспечивает защемление от поворота трубопровода. На практике описанная конструкция чаще всего выполняется в виде одной удлиненной опоры
Мертвая опора щитовой конструкции. Трубопровод пропущен через круглое отверстие бетонной стены, с двух сторон к трубопроводу приварены фланцы плотно соприкасающиеся с бетоном. Наибольшее распространение такая опора получила в тепловых сетях
Такая опора описывается тремя линейными и тремя угловыми жесткими двусторонними связями.
Шарнирно-подвижная (скользящая) опора состоит из башмака, который жестко прикреплен к трубе, а в нижней его части имеется опорная плита, передающая нагрузку от трубопровода на строительную конструкцию (изображена условно как жесткое основание). В месте контакта плиты с жестким основанием – поверхность скольжения. Опора препятствует перемещению трубопровода вниз, а при его перемещении вверх - выключается из работы. Если работающая опора смещается в горизонтальной плоскости, то на поверхности скольжения возникает сила трения, направленная в сторону противоположную перемещению.
Такая опора описывается одной вертикальной односторонней линейной жесткой связью и двумя фрикционными связями в горизонтальной плоскости.
Основным элементом являются пружины или пружинные цепи. Применяются для обеспечения свободы температурным расширениям трубопровода и регулирования напряжений в трубопроводе за счет принудительного сжатия пружин. Опора накладывает на закрепляемую точку одну упругую вертикальную связь c податливостью C и две фиктивных связи в горизонтальной плоскости, учитывающих влияние "маятникового эффекта" при отклонении тяг подвесок от вертикального положения
Основным элементом являются пружины или пружинные цепи. Применяются для обеспечения свободы температурным расширениям трубопровода и регулирования напряжений в трубопроводе за счет принудительного сжатия пружин. Опора накладывает на закрепляемую точку одну упругую вертикальную связь c податливостью C и две фрикционных связи в горизонтальной плоскости.
Конструкция направляющей опоры обеспечивает перемещения вдоль оси трубопровода. Она отличается от скользящей опоры наличием упоров, препятствующих перемещениям поперек оси трубы в горизонтальной плоскости. Опора препятствует перемещению трубопровода вниз, а при перемещении вверх она выключается из работы. Перемещения в продольном направлении сопровождаются силой трения, возникающей на поверхностях скольжения.
Такая опора описывается двумя линейными жесткими связями – вертикальной односторонней и горизонтальной двухсторонней, а вдоль оси трубопровода фрикционная связь.
Опора работает аналогично направляющей односторонней, но при этом не выключается из работы при перемещении трубы вверх. Может быть использована для моделирования гильзы.
Такая опора описывается двумя линейными жесткими связями – вертикальной двухсторонней и горизонтальной двухсторонней, а вдоль оси трубопровода фрикционная связь.
Вертикальная жесткая подвеска препятствует перемещениям трубы вниз, но выключается из работы при перемещениях вверх. При отклонениях подвески от вертикального положения возникают проекции усилия в подвеске на горизонтальную плоскость и стремятся как бы вернуть подвеску в исходное вертикальное состояние.
Такая опора описывается одной вертикальной линейно односторонней связью и двумя фиктивными связями в горизонтальной плоскости
Опора состоит из башмака, который жестко прикреплен к трубе, а в нижней его части имеется опорная плита, передающая нагрузку от трубопровода на строительную конструкцию. Опорная плита приварена к жесткому основанию (например, к закладным деталям бетонной конструкции).
Опора препятствует перемещениям трубопровода вверх и вниз, а также вдоль и поперек его оси. Сопротивление повороту сечения трубы у такой конструкции незначительно, поскольку длина опоры (размер вдоль оси трубопровода) обычно соизмерима с размерами поперечного сечения трубы (1 диаметр). Поэтому угловыми связями (препятствующими изгибу и кручению) пренебрегают.
Опора накладывает на закрепляемую точку три двухсторонних линейных жестких связи.
Опоры постоянного усилия в настоящее время получают все большее распространение и используются вместо упругих опор. Идеальная схема опоры постоянного усилия - это жесткая подвеска, перекинутая через вращающийся блок, на конце которого подвешен груз величиной Р. При перемещениях трубопровода по вертикали поддерживающее усилие Р, передаваемое на трубопровод остается постоянным. Но в силу своей громоздкости, такая конструкция на практике не применяется. В современных конструкциях опор постоянного усилия обычно используется пружинно - рычажный механизм, с помощью которого за счет предварительной регулировки сжатия пружин обеспечивается практически постоянное поддерживающее усилие в фиксированном диапазоне возможных вертикальных перемещений.
Такая опора не накладывает никаких внешних связей на систему. В узле установки опоры просто прикладываются поддерживающие усилия Fx, Fy, Fz.
К сожалению, стандартный набор опор в СТАРТ-ПРОФ не может охватить всего многообразия встречающихся на практике конструкций креплений трубопровода, поэтому довольно часто приходится создавать собственные нестандартные крепления. Ниже приведены примеры задания креплений, которые отсутствуют в списке стандартных креплений СТАРТ-ПРОФ:
Если опора выполнена с помощью длинной гильзы в бетонной стенке (более 2÷4 диаметров), то такая опора будет препятствовать поворотам трубы. За счет перемещений вдоль оси трубопровода также возникает сила трения металла по металлу.
Такая опора должна быть описана при помощи нестандартного крепления с двумя (вертикальной и горизонтальной) двухсторонними линейными жесткими связями, а также двумя угловыми жесткими связями препятствующим поворотам поперек оси трубы.
Существует еще один вариант конструкции направляющей опоры на вертикальном стояке трубопровода. Труба пропущена через круглое отверстие (гильзу) в перекрытии , которое препятствует ее боковым перемещениям в горизонтальной плоскости. К тубе приварены четыре опорных кронштейна для того, чтобы исключить возможность перемещения вниз.
