ВЫСОКОМАЧТОВАЯ ОПОРА

ВЫСОКОМАЧТОВАЯ ОПОРА
Предлагаемое техническое решение относится к области строительства наземных сооружений специального назначения, а именно - металлических опор (мачт, башен, стоек, столбов, колонн, флагштоков и т.д.), и может быть использовано при разработке и выпуске длинномерных конструкций, в частности, опор значительной высоты, предназначенных, например, для электрического освещения спортивных площадок, автостоянок, проезжей части автострад и т.д.
Известна мачта для линий связи и освещения, состоящая из внешней трубы, конически расширяющейся к основанию и вставленной в нее по меньшей мере, еще одной трубы с меньшей длиной и тем же значением конусности (патент ФРГ №2334111, МКИ(2) Е04 HI2/02, опубл. 17.08.78). Другими словами, мачта представляет собой набор нескольких полых усеченных конусов, последовательно входящих друг в друга, причем высота внешнего конуса превышает высоту вставленного в него второго (промежуточного) конуса, высота которого, в свою очередь, превышает высоту вставленного в него третьего (внутреннего) конуса. Т.о. данная мачта представляет попытку создания (квази)равнопрочной конструкции, состоящей из набора конусообразных секций (труб), вставленных последовательно друг в друга таким образом, что суммарная толщина стенок мачты уменьшается с увеличением ее высоты. В конкретном варианте исполнения описывается использование трех секций мачты, но легко предположить, что количество подобных секций можно увеличить, например, до 10, 20 и тд. и в этом случае толщина стенок мачты примет 10, 20 и т.д. различных дискретных значений. В идеале, при стремлении числа секций мачты к бесконечности, можно получить равнопрочную конструкцию с непрерывно изменяющейся толщиной стенок от минимальной у вершин мачты до максимальной у ее основания. Однако при значительном количестве секций мачты она будет сложна в изготовлении.
Недостатками данного технического решения являются сложность его изготовления, транспортировки и монтажа на месте установки. Так, например, если требуется изготовление мачты значительной высоты, например, 40-50 м, это потребует использования сложного специализированного оборудования для изготовления в заводских условиях. Кроме того, транспортировка подобных длинномерных изделий наземЕ04Н12/08F21 V21/02
ным транспортом представляет собой сложную техническую задачу в городских условиях.
Известна также мачта для световых опор (и способ ее изготовления) из металлических труб с внешней единой конической поверхностью (патент ЕР №0825313 А1, МКИ(6) Е04 Н12/08, опубл. 12.08.1997), которая представляет собой набор отдельных звеньев опоры - тел сложной геометрической формы с внешними коническими и внутренними цилиндрическими поверхностями, последовательно вставленными друг в друга, который образует конструкцию опоры с переменной по высоте толщиной стенок и переменными (от звена к звену) внутренними и внешними диаметрами. Это еще одна из попыток создания (квази) равнопрочной конструкции из отдельных частей, более простых в изготовлении.
Недостатками данного технического решения являются сложность и невысокая технологичность изготовления опоры, поскольку каждое отдельное звено опоры требует для своего изготовления достаточно сложных и трудоемких технологических операций, включающих, среди прочих, механическую обработку, т.е. придание конической формы внешней поверхности каждому звену опоры (и это при длине звеньев, достигающей нескольких метров), и подготовку посадочных поверхностей нижних торцов (снятие материала с внешней поверхности до значения диаметра, равного внутреннему диаметру верхних торцов нижележащих звеньев мачты). Окончательная сборка (монтаж) мачты в целом осуществляется либо в заводских условиях, где есть необходимые механизмы и приспособления для сборки мачты, но с возможными трудностями при транспортировке длинномерных конструкций, либо на месте ее установки, что потребует использование специальных устройств и приспособлений и привлечение высококвалифицированного персонала. Кроме того, слабым местом с точки зрения прочности конструкции мачты в целом, являются места стыков звеньев мачты, в которых могут возникнуть значительные изгибающие напряжения, например, от ветровых нагрузок. Кроме того, нижние торцы всех звеньев мачты, кроме самого нижнего, ослаблены за счет снятия фасок, необходимых для соединения (сборки) целостной конструкции мачты, что также снижает ее надежность.
Известны также высотные осветительные опоры (мачты), которые изготавливаются из листовой стали в форме 20-гранника с постоянно суживающимся сечением, т.е. в виде усеченной пирамиды, причем каждая мачта содержит только 2 или 3 секции (в зависимости от требуемой высоты), и т.о. минимизируется количество мест сочленения секций. Секции соединяются в единую целостную конструкцию на месте установки мачты без дополнительной сварки. Набор состоит из мачт высотой до 30 м, но по специальному заказу могут быть изготовлены мачты высотой до 45 м (брошюра High mast lighting, опубл. в феврале 1992, Siemens Lighting Limited, Head Office-Brookvale Road, Witton, Binning ham, В 67 EU, Tel: 021 -3271702).
Мачты практически такой же конструкции, изготавливаемые из листовой стали, собираются из 2,3,4 секций (рекламный листок AMIRA, AL-BABTAIN, С-Петербург, 198099, ул.Калинина, д.22, тел.(812) 186-5656). Собранные вместе, секции образуют телескопическую опору, опирающуюся на фланец. В рекламе отмечается, что гамма этих опор с максимальной высотой 45 м рассчитана на прочность при скорости ветра до 160 км/час и соответствует международным стандартам.
В указанных выше двух последних источниках информации (практически идентичные технические решения, вплоть до пояснительных рисунков) нет почти никаких технических характеристик, необходимых для проектирования и изготовления подобных изделий, кроме высоты и вида поперечного сечения опор. Описывается только основная идея изготовления высокомачтовых опор из набора геометрических тел в виде полых усеченных пирамид, вложенных одна в другую, т.е. использовать эти источники в качестве аналогов весьма затруднительно.
Известна высокомачтовая осветительная установка, содержащая опору, выполненную в виде полого усеченного конуса, раму короны с источником света, закрепленными на кронштейнах, систему спуска и подъема рамы короны, в которую входят барабан с тросом, редуктор, блокировочное устройство и звездочка, в которой редуктор выполнен в виде червячной передачи, кронштейны выполнены съемными, а опора выполнена в виде набора конусов, вставленных последовательно один в другой (описание полезной модели Российской Федерации №12719, МКЩ5) F21V/00, опубл. 20.01.2000). Элементы опоры высокомачтового светильника выполнены в виде полых усеченных конусов, в которых соотношения размеров выбраны из условий:
0,01 ,02; dn  di + (n-l)LY;
Dn  di + n L T;
5  2+ 1,105°, где:
dn - меньший диаметр n-го элемента; Dn - больший диаметр n-го элемента; п - порядковый номер элемента опоры; L - длина элемента опоры; 3 - толщина стенки элемента опоры
(описание полезной модели Российской Федерации №12720, МКИ (5) F21V21/00, опубл. 20.01.2000). Данные технические решения по технической сути являются наиболее близкими к предлагаемому, поэтому они взяты за прототип.
Попытаемся воспользоваться данными техническими решениями на практике. Из описания полезной модели №12720 следует, что больший диаметр DI первого от вершины элемента опоры равен (без учета толщины стенок):
Di  di + LY
51 2 + 1,105 3,105
Меньший диаметр cb второго (от вершины) элемента опоры равен (без учета толщины стенок):
cb  di 4- (2-1) LY  di +LY - Di
52 2+ 1,1052  2+ 1,221025  3,221025.
Совершенно очевидно, что состыковать два элемента опоры с одинаковым поперечным сечением (например, с равным диаметром и почти одинаковой толщиной стенок) с обеспечением надежного неподвижного соединения весьма затруднительно, а порой и невозможно. Для этого необходимо использование каких-то дополнительных соединительных элементов. Т.о. все преимущества простого, на первый взгляд, соединение отдельных элементов опоры (как следует из формулы полезной модели №12719 - ...опора выполнена в виде набора конусов, вставленных последовательно один в другой.) не могут быть реализованы на практике без необходимости значительных конструктивных доработок, изменений и дополнений.
Для того, чтобы элементы опоры входили один в другой, необходимо, чтобы (внутренний) диаметр одного элемента опоры был больше (внешнего) диаметра другого, сочленяемого элемента опоры, аналогично, например, соединению звеньев телескопической антенны. Однако, в рассматриваемых технических решениях нет никаких указаний на то, каким именно образом, с помощью каких технических решений это может быть достигнуто, в частности, каковы значения диаметров (точнее, разница диаметров) верхних и нижних звеньев опоры в местах сочленения (стыков), и каково значение, как абсолютное, так и относительное, величины участков опоры с двойной толщиной стенок в местах перекрытия элементов опоры, т.е. значения коэффициентов перекрытия Кпер. Теоретически значения Кпер. могут изменяться от 0 (при стыке в торец двух элементов опоры без перекрытия с необходимостью использования дополнительных узлов крепления) до 1 (когда элементы опоры одинаковой длины вложены один в другой - аналогично патенту ФРГ №4319140 С1 МКИ(5) Е04Н12/02, опубл. 01.09.94). При малых значениях КПер. сложно обеспечить надежное неподвижное соединение двух элементов опоры, при больших значениях Кпер. значительно возрастает расход металла для изготовления опоры в целом. Т.о. налицо классическая задача оптимизации - выбор наилучшего (с точки зрения дешевизны (стоимости), прочности, простоты изготовления или монтажа и т.д.) решения, зависящего от нескольких независимых переменных (рабочих нагрузок на опору, марок используемых сталей, их стоимости, имеющегося технологического оборудования, квалификации монтажников и т.д.).
В соответствии с формулой полезной модели №12720 новыми заявлены такие признаки, как диапазон значений конусности Y элемента (и конусности Т всей опоры в целом) в диапазоне 0,01-0,02 и значение толщины 8 стенок элементов опоры в виде показательной функции от порядкового номера элемента опоры. Остальные зависимости (диаметр элементов опоры в зависимости от конусности Y и длины L элемента опоры не являются новыми, т.к. они определены в соответствующем ГОСТе (ГОСТ 8593-81 Нормальные конусности и углы конусов). Так, в Справочнике конструктора-машиностроителя ( В.ИАнурьев М., Машиностроение, 1992, т.1, с.464) дается определение конусности как отношения разности диаметров двух поперечных сечений конуса к расстоянию между ними, которое полностью совпадает с использованным в полезной модели №12720.
Рассмотрим заявленный диапазон величин конусности опоры, который иногда (в определенных случаях) может оказаться недостаточным для практического использования. Так, например, для конусности, равной 0,01 (0,02) угол между образующей конической поверхности и
центральной осью опоры, равен 174 1, 3 (3122, 6), т.е. на глаз этот угол практически незаметен, внешняя стенка опоры (образующая конусной поверхности) воспринимается человеческим глазом как вертикаль. Совершенно очевидно, что столь малый диапазон конусности опоры (0,01-0,02) на практике может оказаться явно недостаточным. Для решения поставленных задач, особенно с архитектурной (художественной, эстетической) точки зрения иногда бывает необходимо специально подчеркнуть отклонение от вертикали внешних стенок опор высокомачтовых осветительных установок, расположенных у входа (въезда) в гостиницы, офисы, жилые дома, на автострадах, спортивных площадках и т.д. На практике используют более широкий диапазон значений конусности опоры, например, 0,01-0,1, что соответствует углам наклона образующей внешней конической поверхности опоры относительно центральной вертикальной оси опоры от 1741, 3 до 2° 5 Г 44, 65, а в отдельных случаях может потребоваться и большее значение конусности.
Проанализируем далее заявленный как новый признак значение толщины 5 стенок элементов опоры в зависимости от порядкового номера п элемента опоры:
5  2+ 1,105П
Предполагается, что используется металл, обеспечивающий выполнение заданных технических требований с точки зрения прочностных характеристик. Возьмем, например, опору, состоящую из четырех элементов (секций, звеньев, участков). В этом случае, подставив в вышеприведенную формулу последовательно значения {,2,3.-4, получим толщины Si, 82, 83, 84, стенок элементов опоры:
5i  2+ 1,1051  2+ 1,105  3,105  1J052  2 + 1,221025  3,221025 §3 2 + 1,105s  2 + 1,349232625  3,34923225 84  2 + 1,1054  2 + 1,490902051  3,490902051
Совершенно очевидно, что воспользоваться полученными результатами практически невозможно, т.к. сталь такой толщины нигде в мире не выпускается, и трудно представить, что даже в случае специального заказа будет получен металлический лист такой заданной толщины. Т.о. полученные результаты могут быть использованы только для оценки
минимально возможной толщины данного элемента опоры. О том, какова должна быть реальная толщина стенок элементов опоры, нет никаких указаний.
Отечественная промышленность выпускает стальной лист в интересующем нас диапазоне со следующим набором толщин (в мм):
-2,0 - 2,2 - 2,5 - 2,8 - 3,0 - 3,2 - 3,5 - 3,8 - 3,9 - 4,0 (как для горячекатаной стали по ГОСТ 19903-74, так и для холоднокатаной стали по ГОСТ 19904-90). На практике возможен выбор и использование стального листа только с такими толщинами, т.е. использовать признак, определяющий толщину стенок элементов опоры, указанный в отличительной части формулы полезной модели №12720, затруднительно (напрямую, в чистом виде, без учета к/л дополнительных сведений).
Предположим, что в результате расчетов, моделирования, лабораторных и натурных испытаний выведена точная зависимость толщины стенки секции опоры в i-м сечении от высоты данного сечения какой угодно степени аппроксимации (приближения) к искомой зависимости (если она существует). Даже в этом случае (получения точной зависимости) невозможно воспользоваться на практике результатами, полученными с помощью найденного выражения, т.к. по сути дела мы имеем только лишь минимальное значение толщины стенки секции опоры. Использование точной зависимости оказывается в большинстве случаев практически бесполезным, ее невозможно использовать по прямому назначению, для непосредственного выбора толщины металлического листа, необходимого для изготовления секции опоры. Как отмечалось выше, полученные результаты вычислений в большинстве случаев не могут быть использованы непосредственно, т.к. металл такой толщины (например, 3,221025 мм) не выпускается, и при выборе толщины металлического листа необходимо принимать во внимание другие факторы, в первую очередь, учитывать набор толщин металлического листа, имеющийся в наличии и др. В данном техническом решении нет никаких конкретных указаний на то, каким образом практически определяются конкретные значения толщин металлического листа для изготовления различных секций опоры.
Еще одна сторона относится к категории понятий и определений. С математической точки зрения коническая поверхность представляет собой множество образующих, проходящих через данную точку (вершину), и пересекающих данную кривую (направляющую). С технической точки зрения, если в качестве направляющей взята окружность, то говорят о круглом конусе, как о геометрическом теле, образованном вращением прямоугольного треугольника вокруг одного из его катетов. Если же в качестве направляющей взят многоугольник, например, правильный n-угольник, то остальные грани данной конической поверхности являются треугольниками с общей вершиной, и образуемое тело называется пирамидой. Частные случаи конических поверхностей - усеченные конус и пирамида, которые не имеют общей точки (вершины). Как конус, так и пирамида, в т.ч. усеченные, могут быть полыми, например, сваренными из листовой стали или отлитыми. Оба геометрических тела - полый усеченный конус и полая усеченная пирамида - широко используются в машиностроительной и строительной технике. Они обладают близкими техническими характеристиками и отличаются только технологией изготовления. Для удобства описания ниже речь будет идти только о конусах (естественно, с технической, а не математической точек зрения). Все сказанное о конусах может быть отнесено и к пирамидам, т.е. то, что относится к конусам, в равной степени применимо и к пирамидам.
В описании полезной модели №1270 говорится о конусах, подразумевая использование технического определения этого понятия, т.е. подразумевается геометрическое тело с постоянной толщиной стенок, усеченное, с конической поверхностью, имеющей направляющую (форму сечения) в виде окружности (с бесконечным количеством осей симметрии).
На практике возможно проектирование и изготовление опоры и составляющих ее секций (звеньев, участков, элементов) в виде геометрических тел другой формы - также усеченных, полых, с постоянной толщиной стенок, но с внешними коническими поверхностями, имеющими направляющие (формы сечения) в виде многоугольников - как правильных, так и несимметричных, эллипсов и т.д. (с ограниченным количеством осей симметрии). В подобных случаях подразумевается использование математического определения конической поверхности.
Использование различных видов (по типу направляющих или формам сечения) конических поверхностей объясняется как архитектурными требованиями (например, заказчик желает получить опоры с конкретным, выбранным им видом направляющей), так и чисто техническими требованиями, например, использованием опоры для консольной подвески, с одной стороны опоры, электрических светильников вдоль автострад, где необходимо обеспечить освещение преимущественно с одной стороны, вдоль автострады. В этом случае имеем неравномерную нагрузку на опору (в горизонтальной плоскости), что требует применения соответствующей этому виду нагрузок формы сечения опоры.