11028
.pdf
140
Рис. 13 |
Рис. 14 |
Рис. 15 |
Рис. 16 |
Рис. 17 |
Рис. 18 |
141
Рис. 19 |
Рис. 20 |
Рис. 21 |
Рис. 22 |
Рис. 23 |
Рис. 24 |
Рис. 25 |
Рис. 26 |
Рис. 27 |
142
Рис. 28 |
Рис. 29 |
Рис. 30 |
Рис. 31 |
Рис. 32 |
Рис. 33 |
Рис. 34 |
Рис. 35 |
Рис. 36 |
143
Рис. 37 |
Рис. 38 |
Рис. 39 |
Рис. 40 |
Рис. 41 |
Рис. 42 |
Рис. 43 |
Рис. 44 |
Рис. 45 |
144
Рис. 46 |
Рис. 47 |
Рис. 48 |
Рис. 49 |
Рис. 50 |
Рис. 51 |
Рис. 52 |
Рис. 53 |
Рис. 54 |
145
2 Пример гидравлического расчета конструктивных элементов сооружения
2.1 Предпосылки к расчету гидростатических нагрузок
Расчеты гидростатических нагрузок выполняются по формулам гидростатики при условии, что за пределами дока поддерживается постоянный уровень воды (УВ), при этом сам док пустой. При расчете грузоподъемности дока следует учесть внутренний слой воды на днище.
В соответствии с выбранными исходными данными (см. п. 1.1) вычерчивается схема дока с указанием всех расчетных величин, пример оформления бланка с исходными данными дается в приложении 1. Приведенные исходные данные используются при расчете, представленном в п.п. 2.2-2.5.
Считается, что в пределах размера L заключена рабочая камера дока из заданного числа секций z. Размер R определяет габариты носовой секции. На задней стенке размещаются ригели числом п. Эта стенка является подвижной, поворачивающейся относительно нижней оси для транспортировки груза внутрь дока в его погруженном состоянии. Груз вводят внутрь дока, стенка возвращается в вертикальное положение, из дока откачивается вода, он готов к транспортировке груза. Для того чтобы запроектировать его конструктивное решение, необходимо рассчитать все усилия от гидростатического давления на все элементы дока.
Расчеты гидростатических нагрузок на конструктивные элементы дока должны сопровождаться схемами, выполненными в масштабе. На схемах показываются эпюры гидростатического давления с приведением численных значений давления в характерных точках; действующие гидростатические силы и точки их приложения с приведением численных значений. В расчетах следует применять Международную систему единиц физических величин (СИ).
2.2 Расчет рабочей секции дока
Гидравлический расчет конструктивных элементов сооружения проводится для дока, расчетная схема и исходные данные приводятся в приложении 1.
Рабочая камера дока состоит из пяти секций. В каждой секции рассматриваются три поверхности, рис.55: две боковые вертикальные и одна донная горизонтальная, причем две боковые поверхности равно загружены, так как имеют одинаковые площади и заглубление под уровень воды.
Определяем длину рабочей секции дока l по зависимости:
l = |
|
L |
, м, |
(1) |
||
|
|
|||||
|
|
|
z |
|
|
|
l= |
50 |
= 10 |
м. |
|
||
|
|
|||||
|
5 |
|
|
|
|
|
146
Гидростатическое давление p, действующее на боковые поверхности и горизонтальное днище рабочей секции дока определяется по формуле:
р = ρ g h, Па, |
(2) |
где: ρ - плотность жидкости, кг/м3, для воды принимаем ρ=1000 кг/м3; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; h - заглубление рассматриваемой точки под уровень воды, м.
Для точки «1», рис. 55, величина заглубления под уровень воды h1 = 0, следовательно, гидростатическое давление р1 в данной точке равно нулю. Для точки «2» величина заглубления h2 определяется из заданной геометрии дока:
h2 = a – с, м
h2 = 6,30 – 1,35 = 4,95 м,
следовательно, гидростатическое давление р2 запишется в соответствии с формулой (2):
p2 = 1000 · 9,81 · 4,95 = 48,56 кПа.
Полученных данных достаточно для построения эпюры гидростатического давления для всех трех поверхностей рабочей секции дока, рис.55.
Сила гидростатического давления определяется по формуле:
Р = ρ g hc S, Н, |
(3) |
где: hc – заглубление под уровень воды центра тяжести рассматриваемой поверхности; S – площадь этой поверхности.
Для силы, действующей на боковые поверхности рабочей секции дока Р1, величина hc определится:
h |
= h |
= |
|
a − с |
, м, |
|
|
(4) |
|
|
|
|
|||||||
c |
c1 |
2 |
|
|
|||||
|
h |
= |
6,3 − 1,35 |
= |
2,48 |
м; |
|
||
|
|
|
|||||||
|
c1 |
2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
площадь рассматриваемой поверхности найдется из |
|
||||||||
S = S1 = (a – с) l, м2, |
|
(5) |
|||||||
S1 = (6,3 – 1,35) · 10 = 49,5 м2. |
|
||||||||
Сила, действующая на боковые поверхности, при подстановке значений, вычисленных по формулам (4) и (5) в формулу (3) будет равна:
P1 = 1000 · 9,81 · 2,48 · 49,5 = 1201,85 кН.
Центр давления lD (точка приложения гидростатической силы) определяется формулой:
|
|
|
147 |
|
|
||
l D |
= lc |
+ |
Ic |
|
, м, |
(6) |
|
lc × |
S |
||||||
|
|
|
|
|
|||
где lc – координата центра тяжести рассматриваемой поверхности от уровня воды; Ic - момент инерции фигуры относительно собственной центральной оси, проходящей через её центр тяжести; в приложении 3 приводятся значения Ic для некоторых фигур.
Поскольку боковая поверхность дока вертикальная, то формулу (6) можно переписать в виде:
hD = hc + I×c , м, hc S
где Ic для прямоугольной поверхности находится по формуле:
Ic = b × h3 , м.
12
Для условий решаемой задачи b = l =10 м, h = (a – с) = 4,95 м, тогда
I c = |
10 |
× 4,953 |
= 101,07 м4, |
|
|||
|
|
12 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
hD1 = 2,48 + |
101,07 |
= 3,3 |
м. |
||||
|
|||||||
|
|
|
2,48 × 49,5 |
|
|
||
(6*)
(7)
Следует отметить, что гидростатическая сила проходит через центр тяжести эпюры, поэтому, для вертикальных прямоугольных, заглубленных под уровень воды стенок центр давления hD1 силы P1 находится на глубине
2/3 их высоты от уровня воды, т.е hD1= 2 h = 2 4,95 =3,3 м.
3 3
Сила гидростатического давления P2 действует на днище секции рабочей камеры дока. Ее величина также определяется по формуле (3). Здесь hс = h = 4,95 м - заглубление днища; S =S2 – площадь днища которую можно определить
S2 = l · b, м2, |
(8) |
где b – ширина днища дока, по заданию b =7,85 м.
S2 = 10 · 7,85 = 78,5 м2,
P2 = 1000 · 9,81 · 4,95 · 78,5 = 3811,9 кН.
Расчетная схема рабочей секции дока представлена на рис. 55 (местоположение сечения 3-3 имеется на общей схеме в бланке исходных данных), где показаны действующие на неё гидростатические нагрузки: эпюра гидростатического давления (р), гидростатические силы (P), а также центры тяжести поверхностей (С) и центры давления (D).
148
Рисунок 55 - К определению гидростатических нагрузок на рабочую секцию дока
2.3 Расчет носовой секции дока
Носовая секция дока состоит из двух боковых поверхностей и лобо-
вой.
Боковая поверхность представляет собой плоскую фигуру неправильной формы. Определение её центра тяжести представляется затруднительным, поэтому расчет силы гидростатического давления на нее Р3 проводится приближенно.
Лобовая поверхность представляет собой цилиндрическую поверхность и расчет гидростатической силы Р4 проводится с определением её составляющих Рx и Рy .
2.3.1 Расчет боковой поверхности
Для решения задачи боковая поверхность вычерчивается в строгом масштабе, рис. 56. Погруженная под уровень воды поверхность аппроксимируется, т.е. заменяется на ряд более простых и известных фигур, например, прямоугольных. Для этого поверхность по глубине делится на ряд элементов, например на 4 равных отрезка. В данном случае
149
h = 4,95 = 1,24 м 4 4
Образующиеся при таком делении 4 площади боковой поверхности неправильной формы заменяются равновеликими по площади прямоугольниками. Для каждого из них вычисляются силы гидростатического давления Рi и точки их приложения lDi. Расчеты сводятся в табл. 2. Расчеты ведутся по следующим формулам:
P = ρgb × sinα × |
(l 2 |
- l 2 |
) |
|
||||||||
2 |
|
1 |
|
, Н, |
(9) |
|||||||
− l13 |
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
l D |
= |
2 (l |
23 |
) |
, |
м, |
(10) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3 (l |
2 |
− l |
2 |
|
||||||||
|
|
2 |
1 |
) |
|
|
|
|||||
где: b - длина расчетного прямоугольника, определяется из рис.56 c учетом выбранного масштаба, м; α - угол наклона боковой поверхности к горизонту, поскольку стенка вертикальная, то sin α = sin 90º= 1; l2, l1 - заглубление от поверхности уровня воды до нижней и верхней граней прямоугольника, их можно заменить на h1 , h2 , м. Тогда формулы (9) и (10) примут вид:
P = ρgb × |
(h2 |
- h2 |
) |
|
|
2 |
1 |
|
, Н, |
(9*) |
|
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
hD = |
2 (h3 |
− h3 |
) |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
2 |
1 |
|
, м, |
(10*) |
|||||
|
|
3 (h2 |
− h2 |
) |
|||||||||
|
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|||
Таблица 2 - Расчет сил гидростатического давления |
|
|
|||||||||||
|
на элементы боковой поверхности |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
№№ |
bi, м |
Заглубление под УВ, м |
Pi, кН |
|
hDi м |
|
|||||||
прямоугольников |
h1 |
|
|
|
|
h2 |
|
|
|
|
|||
1 |
3,65 |
0 |
|
|
|
|
1,24 |
|
28,06 |
|
0,83 |
|
|
2 |
3,60 |
1,24 |
|
|
|
|
2,48 |
|
83,03 |
|
1,93 |
|
|
3 |
3,13 |
2,48 |
|
|
|
|
3,72 |
|
120,3 |
|
3,14 |
|
|
4 |
1,90 |
3,72 |
|
|
|
|
4,95 |
|
101,3 |
|
4,36 |
|
|
На рис. 56 показаны найденные силы Pi и точки их приложения lDi , буквами Сi обозначены центры тяжести каждого из четырех прямоугольников.
Равнодействующая силы гидростатического давления Р3 находится суммированием:
4 |
|
Р3 = ∑ Pi , Н |
(11) |
i =1