РЕШЕТЧАТАЯ БАШНЯ
LATTICE TOWER

Предлагаемое изобретение относится к области строительства, а именно к длинномерным несущим конструкциям башен и стоек для опор различного назначения, и может быть использовано для сооружения устойчивых сетчатых, например водонапорных, силосных, астрономических, радио- и телевизионных, башен, башен ветроэнергетических установок и промышленного технологического оборудования (градирен, дымовых труб, барометрических конденсаторов, мокрых циклонов, высотных цилиндрических резервуаров и многих других), стоек для опор ЛЭП, связи, канатных дорог, мостов, надземных переходов, арок и арочных конструкций и пр.
В настоящее время проблема сооружения устойчивых длинномерных несущих конструкций башен и стоек для опор различного назначения встала достаточно остро. Однако существующие в настоящее время сооружения длинномерных несущих конструкций башен и стоек для опор различного назначения являются недостаточно эффективными по ряду причин. Так, для своей устойчивости они должны быть достаточно массивными, что требует большой расход металла на их изготовление. А попытка создавать конструкции башен и стоек для опор различного назначения секционного типа усложняет как их конструкцию, так и возведение, вследствие необходимости предусматривать в них крепежные элементы, которые, в свою очередь, могут снижать прочность конструкций башен и стоек для опор различного назначения.
Поэтому проблема создания именно устойчивых, прочных, высокотехнологичных и быстро возводимых длинномерных несущих конструкций башен и стоек для опор различного назначения посредством формирования специальных пространственных арматурных секционных структур и высокоэффективных крепежных элементов в настоящее время встала достаточно остро.
Известна металлическая решетчатая башня, включающая пояса, выполненные по высоте из секций, соединенных между собой и лежащих на образующих концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, в которых соседние секции поясов одного уровня, принадлежащие каждой из образующих, соединены стержневыми элементами [1].
Недостатком такой башни является повышенная ее металлоемкость, обусловленная тем, что все соседние секции поясов каждого уровня, принадлежащие как каждой из образующих, так и различным образующим, соединены между собой стержневыми элементами, а также трудоемкость монтажа, так как полностью вести монтаж башни укрупненными блоками невозможно и возникает необходимость монтировки более 50% элементов каждого в отдельности с соединением сваркой.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является металлическая решетчатая башня, включающая пояса, выполненные по высоте из секций, соединенных между собой и лежащих на образующих концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, в которых соседние секции поясов одного уровня, принадлежащие каждой из образующих, соединены стержневыми элементами, часть из которых образует раскосные решетки в вертикальных плоскостях, а другая часть расположена в горизонтальных плоскостях и объединяет концы секций поясов [2].
Недостатком известного технического решения (прототипа) является то, что известная решетчатая башня имеет невысокую пространственную жесткость конструкции, невысокие характеристики изгибной прочности. Она высокотехнологична как при изготовлении в производстве, так и при ее сборке непосредственно в месте, где ее предполагается эксплуатировать.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение пространственной жесткости конструкции и характеристик изгибной прочности за счет перераспределения в конструкции действующих на нее нагрузок, а также технологичности как при изготовлении элементов решетчатой башни в производстве, так и при ее сборке непосредственно в месте, где предполагается эксплуатировать башню.
Новый технический результат достигается тем, что в решетчатой башне, выполненной по высоте из соединенных между собой секций, каждая из которых включает наклонно установленные стержневые элементы, часть из которых образует пространственные структуры в вертикальных плоскостях соответствующих секций, а другая часть размещена в горизонтальных плоскостях соответствующих секций, в отличие от прототипа, наклонно установленные стержневые элементы, размещенные в горизонтальных плоскостях соответствующих секций, выполнены в виде ячеистой структуры, образующей соответствующие друг другу верхний и нижний элементы с формой ячеек в виде правильного многогранника, имеющие узловые крепежные отверстия, по крайней мере, в части своих вершин, наклонно установленные стержневые элементы, образующие пространственные структуры в вертикальных плоскостях соответствующих секций, выполнены в виде, по крайней мере, одного среднего элемента, установленного между соответствующими верхним и нижним элементами и образующего в пространстве последовательные ряды противоположно ориентированных вершинами пирамид, при этом
средний элемент дополнительно содержит узловые крепежные стержни, установленные на вершинах пирамид с возможностью их закрепления в соответствующих узловых крепежных отверстиях, причем число ребер ячеек верхнего и нижнего элементов равно числу ребер воображаемых оснований соответствующих пирамид.
По крайней мере, один из верхнего элемента, или нижнего элемента, или среднего элемента соответствующей секции выполнен в едином исполнении.
Верхний, и/или нижний, и/или средний элементы соответствующих секций могут быть выполнены из металла или композитных материалов на основе базальта, или углерода, или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками.
По крайней мере, часть пространства среднего элемента соответствующих секций может быть заполнена наполнителем, при этом узловые крепежные стержни среднего элемента соответствующих секций могут быть выполнены выходящими из соответствующих узловых крепежных отверстий для обеспечения возможности удержания наполнителя.
По крайней мере, часть верхних и нижних элементов может быть выполнена с возможностью присоединения по крайней мере одной дополнительной секции в горизонтальной или наклонной плоскостях соответствующих секций посредством соответствующих переходных устройств.
По крайней мере, часть секций может быть снабжена средствами обогрева, размещенными между стержневыми элементами среднего элемента соответствующих секций.
В башню может быть дополнительно введено закрепленное по ее длине ограждение в виде сетки или гибких связей для крепления декоративных элементов, выполненных из легкого негорючего материала и не создающего парусности башне.
Ограждение может быть выполнено в виде секций, образованных продольно размещенными гибкими связями, являющихся декоративными элементами.
По крайней мере, одна секция башни может быть выполнена с фланцами, в отверстиях которых протянуты концы тяг с возможностью их натяжения посредством, по крайней мере, одного механизма натяжения.
Фланцы могут быть выполнены со скосами в соответствующих направлениях для обеспечения возможности установки дополнительных элементов в вертикальной плоскости и под углами к ней.
Верхний элемент самой верхней секции и нижний элемент самой нижней секции башни могут быть выполнены с фланцами, в отверстиях которых протянуты концы тяг с возможностью их натяжения посредством, по крайней мере, одного механизма натяжения, при этом тяги протянуты по всей длине башни.
Тяги могут быть протянуты параллельно друг другу и симметрично относительно центральной оси башни внутри секций, формирующих башню.
Тяги по высоте башни могут быть выполнены составными.
В башню могут быть дополнительно введены защитные кожухи, закрывающие все механизмы натяжения тяг.
В башню может быть дополнительно введена траверса, размещенная на защитном кожухе в качестве, по крайней мере, одной из опор траверсы, при этом защитный кожух установлен на верхнем элементе верхней секции башни.
Траверса может быть выполнена с дополнительными фланцами на своих торцах, в отверстиях которых протянуты концы траверсных тяг с возможностью их натяжения посредством, по крайней мере, одного дополнительного механизма натяжения, при этом траверсные тяги протянуты по длине траверсы.
По крайней мере, часть башни вдоль ее центральной оси внутри, по крайней мере, одной секции, формирующей башню, может быть выполнена со свободным пространством с возможностью размещения в нем оборудования.
Свободное пространство может быть выполнено с возможностью размещения и обеспечения работы в нем ветрогенератора.
На фиг. 1-7 представлены принципиальные схемы выполнения решетчатой башни.
Решетчатая башня содержит секции (1), включающие наклонно установленные стержневые элементы (2), размещенные в горизонтальных плоскостях соответствующих секций (1) и выполненные в виде ячеистой структуры, образующей соответствующие друг другу верхний (3) и нижний (4) элементы с формой ячеек в виде правильного треугольника (5), имеющие узловые крепежные отверстия (6), по крайней мере, в части вершин своих правильных треугольников (5), наклонно установленные стержневые элементы (7), образующие пространственные структуры в вертикальных плоскостях соответствующих секций (1) в виде, по крайней мере, одного среднего элемента (8), установленного между соответствующими верхним (3) и нижним (4) элементами и образующего в пространстве последовательные ряды противоположно ориентированных вершинами тетраэдров (9), при этом средний элемент (8) дополнительно содержит узловые крепежные стержни (10), установленные на вершинах тетраэдров (9) с возможностью их закрепления в соответствующих узловых крепежных отверстиях (6) (фиг. 1).
Пространство среднего элемента (8) соответствующих секций (1) при необходимости может быть заполнено наполнителем (11), при этом узловые крепежные стержни среднего элемента (8) соответствующих секций (1) могут быть выполнены удлиненными (12) с возможностью их выхода из соответствующих узловых крепежных отверстий (6) для удержания наполнителя (11) (фиг. 2).
В качестве наполнителя (9) могут быть использованы бетон или полимерные материалы, в том числе с армирующими добавками, или звукоизолирующие, или теплоизолирующие пористые, или пеноматериалы.
Напряженные тяги (14) предназначены для создания напряжения в конструкции башни с целью повышения ее несущей способности и исключения необходимости установки оттяжек, что позволяет уменьшать отчуждаемый под башню участок земли и, как следствие, экономить на аренде отчуждаемого участка земли, снижает материалоемкость башни.
Тяги (14) могут быть выполнены, например, в виде металлических тросов с возможностью их натяжения посредством механизма натяжения (15), например посредством лебедки, домкрата, стяжных элементов, например в виде резьбового соединения и др. (фиг. 3).
Тяги (14) предпочтительно протянуты параллельно друг другу и симметрично относительно центральной оси башни внутри секций (1), формирующих башню.
Но тяги (14) могут быть протянуты и не параллельно или не симметрично друг другу, могут быть натянуты не по всей высоте башни.
Тяги (14) по высоте башни могут быть составными и при этом иметь эффект как бы единого троса. Можно собирать секции (1) башни с использованием нескольких тросов разной конфигурации с эффектом натяжения одним тросом. Такая сборка дает возможность частичной разборки башни по секциям (1) и раздельного контроля за натяжением тросов на различных участках башни.
Размещение тяг (14) в башне (параллельное или не параллельное; по всей высоте башни или только в ее части), а также выполнение тяг (14) в едином исполнении (один трос) или составными (несколько отрезков тросов последовательно скреплены между собой) определяется конструкцией фланцев (16) (фиг. 3) и порядком натяжения тросов и дает возможность:
- создавать полностью или частично сборно-разборные секции (1) решетчатой башни, при этом может разбираться только часть секций (1) башни, а оставшаяся ее часть продолжает оставаться под нагрузкой. Например, при необходимости может быть разобрана только верхняя часть башни;
- создавать башни с утонченной средней частью и эффектом натяжки одним тросом, который при этом по высоте башни как бы изгибается, за счет перехвата концов тросов во фланцах (16) в узкой части башни и тросы при этом не параллельны;
- создавать решетчатые башни арочного типа, или П-типа, или Т-типа, или Г-типа;
- создавать напряжения в секциях (1) башни в различных направлениях: по вертикали, по горизонтали, под различными углами к вертикали. Это зависит как от самого типа (например, арочного или консольного типа) башни, так и от направления изгибающих или крутящих моментов в башне и рассчитывается при проектировании решетчатой башни. В зависимости от типа решетчатой башни и, особенно, при использовании дополнительных элементов, располагаемых на разной высоте и под разными углами, в башне могут возникать напряжения в различных направлениях вплоть до крутящих. Для компенсации этих напряжений тросы располагают в соответствующих участках башни под определенными углами, что увеличивает возможности по формированию решетчатых башен необходимого типа, а также длительности эксплуатации башен.
Фланцы (16) для закрепления тяг (14) могут быть выполнены как в верхнем элементе (3) самой верхней секции (1) и нижнем элементе (4) самой нижней секции (1), так и в ее отдельных секциях (1), в том числе в верхних (3) и нижних (4) элементах, соответствующих секции (1) и на боковых поверхностях секций (1). В случае выполнения верхнего элемента (3) самой верхней секции (1) и нижнего элемента (4) самой нижней секции (1) башни с фланцами (16), в отверстиях которых протянуты концы тяг (14), тяги протянуты по всей длине башни.
Натяжка может выполняться одним тросом вдоль всей высоты башни. Но может и несколькими через фланцы (16) в отдельных секциях (1). Это позволяет создать эффект натяжки одним тросом, если по всей длине башни необходимо одинаковое натяжение. Если необходимо разное натяжение, это обеспечивает раздельная натяжка тросов через фланцы (16) отдельных секций (1).
Фланцы (16) могут быть выполнены со скосами в соответствующих направлениях для обеспечения возможности установки дополнительных элементов в вертикальной плоскости и под углами к ней и заодно их усиление тросами. Это также позволяет создавать как П-образные, или Т-образные, или Г-образные решетчатые башни с траверсой (17) наверху, так и решетчатые башни с полукруглыми арками.
В башню могут быть дополнительно введены защитные кожухи (18), закрывающие все механизмы (15) натяжения тяг (14).
В башню может быть дополнительно введена траверса (17), размещенная на защитном кожухе (18) в качестве, по крайней мере, одной из опор траверсы (17), при этом защитный кожух (18) установлен на верхнем элементе верхней секции (1) башни (фиг. 3).
Траверса (17) может быть выполнена с дополнительными фланцами (19) на своих торцах, в отверстиях (20) которых протянуты концы (21) траверсных тяг (22) с возможностью их натяжения посредством, по крайней мере, одного дополнительного механизма натяжения (23), при этом траверсные тяги (22) протянуты по длине траверсы (17) (фиг. 3).
Часть башни вдоль ее центральной оси внутри, по крайней мере, одной секции (1), формирующей башню, может быть выполнена со свободным пространством с возможностью размещения в нем оборудования, например, с возможностью размещения и обеспечения работы в нем ветрогенератора (24) (фиг. 4) для электроснабжения дополнительного оборудования, размещенного на башне, например, радиотрансляционного и телекоммуникационного оборудования, электроснабжения других потребителей электроэнергии, например электронасоса, кондиционеров, нагрева воды и воздуха в системах отопления и горячего водоснабжения, зарядки электромобилей и т.п., а также аккумулирования электроэнергии для обеспечения энергообеспечения объектов башенного типа в ночное и/или безветренное время суток. В свободном пространстве башни может размещаться иное оборудование или принадлежности и инструменты, необходимые эффективного обслуживания и эксплуатации как самой башни, так и, при необходимости, размещенного на ней дополнительного оборудования (в случае его размещения).
Ветрогенератор (24) предназначен для преобразования с высоким КПД кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения вала с целью автономного снабжения электроэнергией потребителей электроэнергии в районах со среднегодовой скоростью ветра не менее 4 м/с.
В качестве ветрогенератора (24) могут быть использованы: 1) ветровая установка из сверхпрочного алюминиевого сплава фирмы Helix Wind мощностью на 2,5 или 5 кВт, имеющая вертикальную ось или 2) ветровая роторная турбина Болотова [3] мощностью на 700 Вт или 2 кВт, представляющая собой центростремительную турбину, состоящую из неподвижного наружного статора и ротора вращения. Конец вала турбины соединен непосредственно с электрогенератором специальной конструкции. Внутренняя аэродинамика модулей согласована с местными свойствами ветра, а количество установленных модулей определяется требуемой мощностью ветроэлектростанции.
Часть верхних (3) и нижних (4) элементов может быть выполнена с возможностью присоединения, по крайней мере одной, дополнительной секции (13) в горизонтальной или
наклонной плоскостях соответствующих секций (1) посредством соответствующих переходных устройств (25) (фиг. 5). Выполнение верхних (3) и нижних (4) элементов с возможностью присоединения дополнительных секций (13) в наклонных плоскостях соответствующих секций (1) целесообразно прежде всего для арочных криволинейных конструкций.
Решетчатая башня функционирует следующим образом.
Предлагаемая конструкция решетчатой башни состоит из секций (1) со средним элементом, образующим в пространстве последовательные ряды противоположно ориентированных вершинами пирамид (9), например трех-, четырехгранных пирамид и т.д., с воображаемыми основаниями в виде правильных многогранников, например треугольников, квадратов и т.д., собранных в единую конструкцию. Прочность конструкции определяется конструктивными особенностями секций (1), их: массогабаритными характеристиками, прочностными и эксплуатационными характеристиками используемых материалов и качеством сборки.
В плане секция (1) может быть выполнена в виде правильного треугольника, или квадрата, или иного правильного многогранника. Например, правильный пятигранник используется для арочных и сферических конструкций. Если ячеистую структуру образуют тетраэдры или октаэдры, то верхние (3) и нижние (4) элементы в горизонтальной плоскости - плоские; если пентаэдр - то средние элементы (8) в вертикальных плоскостях соответствующих секций (1) образуют часть сферы. Это обеспечивает необходимое распределение нагрузок и эстетическое восприятие решетчатой башни.
Формы ячеистой и пространственной структур секций (1) определяются расчетным путем в зависимости от формы, габаритных размеров и функционального назначения башни (стойки для опоры), формируемых из нужного количества секций (1).
Каждая секция (1) предварительно собирается из соответствующих верхнего (3), нижнего (4) и среднего (8) элементов. Элементы (3, 4 и 8) в случае выполнения их, например, из композитных материалов на основе базальта или углерода, или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками могут быть выполнены в едином исполнении, например методом литья.
Часть узловых крепежных стержней среднего элемента (8) соответствующих секций (1) могут быть выполнены удлиненными (12) с возможностью их выхода из соответствующих узловых крепежных отверстий (6) для удержания наполнителя (11) (фиг. 2).
После сборки элементов (3, 4 и 8) соответствующих секций (1), при которой узловые крепежные стержни (10) среднего элемента (8) устанавливаются в узловые крепежные отверстия (6) элементов (3, 4), производят закрепление узловых крепежных стержней (10) в соответствующих узловых крепежных отверстиях (6) элементов (3, 4) методом, приемлемым для материала, из которого изготовлены узловые крепежные стержни (10). Например, при изготовлении узловых крепежных стержней (10) из полимерных материалов применяют метод оплавления их части, выходящей из соответствующих узловых крепежных отверстий (6) элементов (3, 4).
При этом остается некоторая возможность свободного перемещения в соответствующих узловых крепежных отверстиях (6) элементов (3, 4), что уменьшает возникновение чрезмерных изгибающих нагрузок, обусловленных, например, изменением схемы внешнего воздействия на сформированную из секций (1) решетчатую башню. Такие изменения происходят, как правило, под воздействием внешних факторов: проявлений стихии - землетрясений, ураганов, штормов, торнадо и т.п.
Дальнейшая сборка секций (1) в решетчатую башню зависит от назначения башни в целом. Например, решетчатая башня может быть широкой внизу, тоньше в средней части и вновь широкой сверху.
При изготовлении башни (опоры) собранные секции (1) устанавливают на фундамент (26) (фиг. 6), за счет соответствующих узловых крепежных отверстий (6) элементов (3, 4) и узловых крепежных стержней (10) среднего элемента (8) соответствующих секций (1) обеспечивается сборка единой башни (опоры) из множества секций (1) (фиг. 1, 6). Далее производится, при необходимости, установка в пространстве между стержневыми элементами (7) среднего элемента (8) соответствующих секций (1) средств обогрева (27) (фиг. 2) и пр. После чего, при необходимости, производится заливка наполнителем (11) по высоте соответствующих секций (1) (фиг. 2).
Как правило при изготовлении башни (опоры) не требуется заполнение секций (1) наполнителем (11).
Средства обогрева (27) предназначены для предохранения решетчатой башни и повышения ее устойчивости, например, от обледенения и/или снега.
При необходимости на решетчатой башне может быть закреплено, например, посредством кронштейнов, к башне по ее длине ограждение в виде сетки или гибких связей (28) для крепления декоративных элементов (29) (фиг. 7), имитирующих, например, ствол и крону дерева, например в виде пальмы, новогодней (рождественской) елки, украшенных электрическими гирляндами; разноцветных лент, трансформирующих, башню в разноцветный конус или пирамиду; цветных геометрических фигур; стилизованных окон и т.д. Декоративные элементы выполняют из легкого негорючего материала, не создающего парусность башне.
Ограждение может быть также выполнено в виде секций (1), образованных продольно размещенными гибкими связями (28), являющихся декоративными элементами (29).
В случае выполнения башни с тягами (14) осуществляют их натяжение по длине одной секции (1), по длине нескольких секций (1) или по длине всей башни посредством, например, лебедки, домкрата, стяжных элементов, например в виде резьбового соединения и др.
В случае выполнения башни с траверсой (17) ее размещают на защитном кожухе (18) в качестве, по крайней мере, одной из опор траверсы (17), при этом защитный кожух (18) установлен на верхнем элементе верхней секции (1) башни.
В случае выполнения траверсы (17) с траверсными тягами (14) осуществляют их натяжение по длине траверсы (17) посредством, например, лебедки, домкрата, стяжных элементов, например, в виде резьбового соединения и др.
На основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является:
1. Повышение пространственной жесткости конструкции башен (опор) не менее чем на 50%.
2. Повышение прочностных свойств башен (опор) на изгиб не менее чем на 30% за счет: а) армированных секций (1); б) перераспределения и последующего равномерного распределения действующих на башню (опору) нагрузок по всей опорной площади башни (опоры) вне зависимости от расположения прилагаемой нагрузки на верхнюю часть соответствующих секций (1) (будь то распределенная нагрузка по всей поверхности или же нагрузка распределена только на поверхности одной ячейки в виде равностороннего многогранника секции (1)); в) гашения вибронагрузок внутри самих секций (1).
3. Повышение не менее чем на 50% технологичности изготовления секций (1) при изготовлении в производстве и при их сборке в башню (опору) непосредственно в месте, где башню (опору) предполагается эксплуатировать.
4. Исключается проблема вибрации в зданиях, стоящих рядом с башней (опорой).
5. Снижается стоимость эксплуатации и ремонта башен (опор) не менее чем на 20%.
6. Снижается вес башен (опор) не менее чем на 20% за счет использования как более легкого материала элементов (2, 3, 5) секций (1), так и количества материала, необходимого для изготовления самих элементов (2, 3, 5).
7. Повышение сейсмоустойчивости башен (опор) не менее чем на 50%.
8. Возможность использования строительства башен (опор) на склонах.
9. Возможность украшения ландшафта местности или маскировки башен (опор) и их функционального назначения посредством придания им вида растительности или иных архитектурных сооружений.
В настоящее время в компании ЗАО «НПЦ СПЕЦОСНАЩЕНИЕ МО» проведены испытания и выпущена на их основе технологическая документация на предлагаемую решетчатую башню.
Используемые источники
1. Соколов А.Г. Металлические конструкции антенных устройств. - М.: Стройиздат. - 1971.
2. Авторское свидетельство РФ №757673, 1980, МКИ E04H 12/00.
3. Трофимов Г.Г. Возможности применения передовых технологий по внедрению ЭЭ и использования ВИЭ в Казахстане. - Third International Forum: Energy for Sustainable Development. - Capacity building for energy efficiency and access to cleaner energy in Central Asia and neighboring regions. - Kyrgyzstan, Issyk Kul Lake, 12-14 September 2012. - http://www.unece.org/fileadmin/DAM/energy/se/pp/eneff/IEEForum_Issyk_Kul_Lake_Sept.2012/day_2/workshop_4/2_German_Trofimov_Kazakhstan_Rus.pdf