Динамический расчет монолитных фундаментов перекачивающих агрегатов

12.cdw

13.cdw

9.cdw

ДРМФПА.doc

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра "Сооружение газонефтепроводов газохранилищ и нефтебаз
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МОНОЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ
Методические указания по курсу "Сооружение и ремонт
насосных и компрессорных станций
В методических указаниях изложены основные положения динамического
расчета монолитных фундаментов перекачивающих агрегатов приводятся
особенности расчета фундаментов при их групповой установке дается пример
определения динамических характеристик монолитного фундамента.
Составил Коновалов Н. И. доцентк.т.н.
Рецензент Гильметдинов Р.Ф. доцентк.т.н.
В трубопроводном строительстве оборудование передающее динамические
нагрузки на фундаменты представлено в основном машинами с вращающимися
частями (турбоагрегаты электрические машины центробежные насосы
нагнетатели). Особенность работы фундаментов машин при динамическом
нагружении заключается в том что такие фундаменты являются источниками
волн которые вызывают колебания вибрации других фундаментов и
строительных конструкций. При определенных условиях фундаменты машин и
оборудования могут испытывать значительные колебания что способствует
развитию деформаций фундаментов и конструкций увеличению осадок основания
нарушению работы машин и технологического процесса а также оказывает
вредное влияние на обслуживающий персонал.
Фундаменты машин с динамическими нагрузками могут быть бетонными или
железобетонными монолитными сборно-монолитными и сборными а при
соответствующем обосновании - металлическими.
Суть расчета монолитного фундамента на динамические воздействия
сводится к определению амплитуды колебаний верхней грани фундамента и
должна удовлетворять условию
где a - амплитуда колебаний верхней грани фундамента определяемая
аu - предельно допустимая амплитуда колебаний фундамента
устанавливаемая заданием на проектирование или принимаемая согласно [1].
Определить динамические характеристики монолитного фундамента
перекачивающего агрегата возбуждающего гармонические колебания.
Определить динамические характеристики фундамента с учетом их групповой
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
1 Определить динамические характеристики монолитного фундамента.
2.Рассчитать амплитуды горизонтально-вращательных вертикальных
вращательных колебаний верхней грани фундамента относительно горизонтальной
3.Рассчитать амплитуды колебаний фундаментов с учетом их групповой
МЕТОДИКА РАСЧЕТА МОНОЛИТНОГО ФУНДАМЕНТА НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
1. Вычисление моментов инерции подошвы фундамента относительно
Подошва фундамента разбивается на ряд отдельных элементов
принимаемых прямоугольными (Рис.23). Неровности и выемки в фундаменте не
Площадь подошвы фундамента
bi - ширина соответствующего элемента подошвы фундамента м.
Координаты центра тяжести подошвы фундамента относительно произвольной
Xi - координаты центра тяжести относительно оси Y для каждого элемента
Момент инерции каждого из элементов подошвы
Момент инерции подошвы фундамента относительно произвольной оси Y
Момент инерции подошвы фундамента относительно оси. проходящей через
центр тяжести подошвы фундамента.
Момент инерции подошвы фундамента относительно вертикальной оси
фундамента проходящей через центр тяжести подошвы фундамента
2Вычисление координат общего центра тяжести и момента инерции массы
Фундамент разбивается на ряд отдельных прямоугольных элементов по осям
X У Z; вычисляются их масса и моменты инерции масс относительно
соответствующих осей.
элемента подошвы фундамента
γ - удельный вес бетона кНм2;
g - ускорение свободного падения; g=981 мс2.
Статические моменты масс элементов относительно осей X Y Z кН·с2
xi уizi - координаты центров тяжести элементов относительно осей X
Моменты инерции массы элементов относительно оси Y
Координаты центров тяжести элементов относительно осей проходящих
через центр тяжести всей установки Хо Zo м.
Моменты инерции массы элементов относительно центра тяжести всей
Аналогичный расчет производится для установки (привода) и нагнетателя.
Моменты инерции массы агрегата кН·м·с2
( нагнетатель [pic] (12)
где m - масса привода и нагнетателя соответственно т.
Координаты центра тяжести подошвы фундамента м
Координаты центра тяжести фундамента с агрегатом м
Эксцентриситет центра тяжести фундамента и всей установки м
ех=хф-х0 еу=уф-у0 еz=zф-z0
Координаты центра тяжести площади подошвы фундамента агрегата с учетом
смещения оси Y от первоначального положения м
Эксцентриситет не должен превышать для грунтов с расчетным
сопротивлением R0 ( 150 кПа ( 3% а для грунтов с R > 150 кПа ( 5% размера
стороны подошвы фундамента в направлении которой смещен центр тяжести.
Значение R0 следует определять по СНиП 2.02.01-83. Для фундаментов
турбоагрегатов эксцентриситет не должен превышать 3% указанного размера
независимо от значения R0. Для скальных оснований значение эксцентриситета
где с - размер стороны подошвы фундамента в направлении которой смещен
Если условие [pic] выполняется то в дальнейшем расчете эксцентриситет
Момент инерции массы всей установки относительно оси проходящей через
общий центр тяжести установки.
центр тяжести подошвы фундамента
где m - масса фундамента и агрегата т;
h - расстояние от общего центра тяжести установки до подошвы
фундамента mф=Vф·(б кг
где Vф - объем фундамента м3
(б - плотность бетона фундамента кгм3.
Расстояние от общего центра тяжести фундамента до верхней грани
где h - высота фундамента м.
3. Дроверка среднего статического давления под подошвой фундамента.
Среднее статическое давление под подошвой фундамента должно
удовлетворять условию
где γс0 - коэффициент условий работы учитывающий характер динамических
нагрузок и ответственность машин [1];
γс1 - коэффициент условия работы грунтов основания [1];
R - расчетное сопротивление грунта основания определяемое в
соответствии с требованиями [2].
Если условие (22) не выполняется то требуется принять дополнительные
меры по подготовке грунтов основания.
4. Определение упругих характеристик естественного основания.
Основной упругой характеристикой естественных оснований фундаментов
машин является коэффициент упругого равномерного сжатия Cz кНм3. При
отсутствии экспериментальных данных значение Сz для фундаментов с площадью
подошвы А не более 200 м2 допускается определять по формуле
где b0 -коэффициент принимаемый равным для песчаных грунтов ( 1; для
супеси и суглинков ( 12 ; для глин и крупнообломочных грунтов ( 15;
Е - модуль деформации грунта под подошвой фундамента определяемый в
соответствии с требованиями [2] кПа;
А - площадь подошвы фундамента м2.
Для фундаментов с площадью подошвы А превышающей 200 м2 значение
коэффициента Сz принимается как для фундаментов с площадью подошвы
Коэффициенты упругого неравномерного сжатия Сφ упругого равномерного
сдвига Сх и упругого неравномерного сдвига C принимаются равными
Коэффициенты жесткости для естественных оснований Кz Кφ Кx и К
определяются по формулам:
при упругом равномерном сжатии [p
при упругом неравномерном сжатии [p (25)
при упругом равномерном сдвиге [p
при упругом неравномерном сдвиге [p
Iφ I - момент инерции площади подошвы фундамента соответственно
относительно горизонтальной оси перпендикулярной плоскости колебаний и
вертикальной оси фундамента проходящих через центр тяжести подошвы м4.
5. Определение коэффициентов относительно демпфирования.
Вертикальные колебания ( [p (26)
Горизонтальные колебания ( [p (27)
Вращательные колебания ( [p (28)
6.Определение угловых частот колебаний фундамента.
Угловая частота собственных вертикальных колебаний фундамента
Угловая частота собственных горизонтальных колебаний фундамента
Угловая частота вращательных колебаний относительно
горизонтальной оси проходящей через центр тяжести подошвы фундамента
перпендикулярно плоскости колебаний
7. Нагрузки на фундамент и допустимые амплитуды колебаний.
Расчетные динамические нагрузки для расчета фундамента агрегата на
колебания Fd от возмущающих сил определяются в соответствии с формулой
где n ( коэффициент надежности по нагрузке n=1 [1];
Fn -нормативное значение динамической нагрузки кН.
Нормативные динамические нагрузки (вертикальные Fnv и горизонтальные
Fnh) кН следует принимать по данным задания на проектирование а при
отсутствии этих данных допускается принимать равными
где ( коэффициент пропорциональности устанавливаемый согласно [1];
Gш - вес каждого ротора машины кН.
Суммарный момент динамических сил
где М0 ( возмущающий момент машины кН·м;
hp - расстояние от линии действия силы Fh до центра тяжести
Круговая частота вращения агрегата
где nr - частота вращения агрегата обмин.
Частота колебаний с-1
Предельно допустимая амплитуда колебаний фундамента аu принимается
согласно табл.2 [1] в зависимости от типа машины.
8. Вычисление амплитуды горизонтально-вращательных колебаний верхней
Амплитуды горизонтально-вращательных колебаний верхней грани
монолитных фундаментов относительно горизонтальной оси следует определять
Для агрегата состоящего из нагнетателя и привода установленных на
общем фундаменте амплитуда вычисляется по формуле
где К - коэффициент принимаемый для машин периодического действия
равным 15; для машин с импульсными нагрузками ( 07; для машин со
случайными динамическими нагрузками ( 1;
После вычисления ahφ (a*hφ) проверяется условие
9.Главные собственные частоты колебаний установки.
Главные собственные частоты (12 определяются из соотношения
Проверяется условие (12 ( 025
Амплитуды вертикальных колебаний массивных фундаментов av м с учетом
вращения относительно горизонтальной оси перпендикулярной плоскости
колебаний определяются по формуле
аz - амплитуда вертикальной составляющей вращательных колебаний
фундамента относительно горизонтальной оси проходящей через центр тяжести
установки перпендикулярно плоскости колебаний определяемая при действии
горизонтальных сил Fh и моментов М включая моменты от вертикальных и
горизонтальных сил по формуле
а при отсутствии горизонтальных сил (Fh = 0) по формуле
где aφ- амплитуда (угол поворота) рад вращательных колебании
фундамента относительно горизонтальной оси определяется по формуле (38)
принимая S1=S2=0 и h1=l;
I φ - расстояние от вертикальной оси проходящей через центр тяжести
установки до края верхней грани фундамента в направлении действия сил и
Проверяется условия av≤ au
10 Амплитуды горизонтально-вращательных колебаний верхней грани
фундамента ahφ при действии только момента М
РАСЧЕТ КОЛЕБАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ ИХ ГРУППОВОЙ УСТАНОВКИ
1 Вертикальные колебания фундаментов.
Амплитуду колебаний фундамента-приемника от
кинематического возбуждения определяем по формуле
где v – коэффициент динамичности при кинематическим воздействии от
вертикальных нагрузок;
аsz – амплитуда вертикальных (горизонтальных) колебаний грунта на
поверхности в точке расположенной на расстоянии r от оси фундамента
(источника волн в грунте)
где а0 - амплитуда вынужденных вертикальных (горизонтальных) колебаний
где r - расстояние от оси фундамента-источника до точки на
поверхности грунта для которой определяется амплитуда колебаний:
r0 - приведенный радиус подошвы фундамента.
Для удобства расчетов представим формулу в виде
k() определяется по графику (рис 1). График получен на основе
обобщения имеющихся экспериментальных данных согласно которым амплитуды
распространяющихся колебаний при ≤3 пропорциональны 1 а при ≥2
пропорциональны [pic].
Для фундамента-приемника [pic]
Для фундаментов-источников [pic]вычисляется по формуле (53).
Рис 1. График зависимости коэффициента k() от расстояния до
2. Горизонтальные колебания фундаментов
Расчет производится в том же порядке что и при вертикальных
колебаниях. При этом учитывается что значение амплитуды а0
соответствует колебаниям фундамента-источника в уровне его подошвы. Поэтому
величина а0 находится по формулам (38)-(43) заменяя h1 на h2.
Коэффициент динамичности при кинематическом воздействии от
горизонтальных нагрузок - равен
[pic]- амплитуда колебаний фундамента-приемника.
Оценим величину амплитуды дополнительных горизонтальных колебаний
верхней части фундамента aхφ из-за его поворота счет разности амплитуд
колебаний по его длине вызванной работой соседних установок
а0= аv - амплитуда вертикальных колебании.
Общее значение амплитуды верхней грани фундамента определяется суммой
вычисленных амплитуд горизонтальных колебаний
Проверка условия: [pic]
ПРИМЕР ОПРЕДАЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОНОЛИТНОГО ФУНДАМЕНТА
Требуется определить динамические характеристики
монолитного фундамента газоперекачивающего агрегата состоящего из
нагнетателя типа 650-21-2 и газотурбинной установки ГТН-25
предназначенной для привода центробежного нагнетателя. Техническая
характеристика установки приведена в табл. 12.
Основные технические данные агрегатов
Наименование Обозначение 650-21-2 ГТН-25
Мощность кВт N 22500 25000
Число оборотов обмин n 3700 3700
Масса агрегата т m0 44.7 115
Масса вращающихся частей mв 105 21
Характеристик и монтажных блоков турбокомпрессора
Монтажный блок Габариты м т
длина ширина высота
Блок ГТУ совместно с блоком1090 318 333 997
Блок центробежного 546 338 397 447
В целом ГГН-25 157 338 33 144
В основании фундамента залегают суглинки твердые полутвердые и
Характеристика грунта:
Сила сцепления С=004 МПа.
Угол внутреннего трения φ =30º
Модуль деформации грунта Е=15 МПа.
Расчетное давление на основание R= 03 МПа.
Габаритные размеры фундамента в плане и размеры отдельных его элементов
представлены на схемах фундамента (рис 1. 2. 3) Глубину заложения
фундамента принимаем равной 2 м от поверхности пола.
Рис. 2 Схема для расчета моментов инерции подошвы фундамента
Рис.3 План фундамента под турбокомпрессор
Рис.4 Разрезы фундамента под турбокомпрессор
1 Моменты инерции подошвы фундамента относительно горизонтальной оси
Площадь подошвы фундамента определим по формуле (1)
[pic]=1622 ·425+31·137+462·39=129423 м2.
Координаты центра тяжести подошвы фундамента относительно произвольны
Момент инерции каждого из трех элементов подошвы но формуле (3)
По формуле (4) найдем момент инерции подошвы фундамента относительно
[pic]=151133+68935·8112+3401+
+4247·1552+3204+1427·5412=663107 м4.
По формуле (5) найдем момент инерции относительно оси проходящей через
центр тяжести фундамента.
[pic]=663107-129423·3042=5435 м4.
проходящей через центр тяжести подошвы фундамента формула (6) .
2.Координаты общего центра тяжести и момент инерции массы всей
Разобьем фундамент турбокомпрессора на ряд отдельных прямоугольных
элементов по осям X Y Z. Размеры элементов масса и моменты инерции масс
относительно соответствующих осей занесены в табл. 3.
Момент инерции массы ГТУ относительно оси Y X
Момент инерции массы нагнетателя
По формуле (13) положение центра тяжести подошвы фундамента
По формуле (14) определяем координаты центра тяжести фундамента с
через центр тяжести всей установки изменятся на величину X0 Z0:
“+ X0 ” - если ось Y смещается влево; “ – X0 ” - если ось Y смешается
вправо: для Z0 - аналогично.
Эксцентриситет центра тяжести фундамента и всей установки
ех=хф-х0=-4325-(-4762)=04 37 м;
еz=zф-z0=1327-175=-0432м.
Координаты центра тяжести плошали подошвы фундамента агрегата с учетом
смешения оси Y от первоначального положения по формуле (16)
По формуле (18) определим момент инерции массы всей установки
относительно оси проходящей через общий центр тяжести установки:
h1=h-Z0 =272-175=097 м.
Расчет моментов инерции масс фундамента и турбокомпрессора
Элементы Размеры Мi Координаты центров Статические моменты массМоменты Координаты Моменты
элементов м кН·с2м тяжести элементов элементов инерции центров тяжестиинерции
относительной осей относительной осей XYZмассы элементов массы
XYZ м м элементов относительной элементов
относительосей м относительн
ной осей Y ой центра
Последовательность выполнении задания 2
Методика расчета монолитного фундамента на динамические воздействия 2
Расчет колебаний фундаментов с учетом их групповой установки 9
Пример определения динамических характеристик монолитного фундамента 11
Пример расчета колебаний фундаментов турбокомпрессоров с учетом их 22
групповой установки

21.cdw

14.cdw