Гидравлические расчеты конструктивных элементов сооружений. 3

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

 

 

 

 

Кафедра гидравлики

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

 

по теме: «Гидравлические  расчеты конструктивных элементов  сооружений»

 

 

 

 

   Студент 2 курса 
             гр. ____  ________________________  _. _. ____.

(подпись, дата) (И. О. Фамилия) 

 

    Руководитель

        Доцент, к.т.н.  _______________________  М. И. Зонов

(подпись, дата) (И. О. Фамилия)

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород – 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

1. Гидростатический и конструктивный расчёт плоского щита-регулятора.
2. Гидростатический предпроектный расчёт резервуаров чистой воды.
1. Описание проблемной ситуации.
2. Доработка базы данных для расчёта ёмкостных сооружений на прочность.
3. Пояснение гидравлического принципа пневматического уровнемера.
3. Гидростатический расчёт при гидравлическом испытании напорных трубопроводов.
1. Нормативно-техническое обоснование процедуры гидравлического испытания.
2. Порядок проведения гидравлического испытания напорного трубопровода на прочность и герметичность.
3. Оформление акта приёмочного испытания напорных трубопроводов.
4. Гидростатический и конструктивный расчёт для обеспечения эксплуатационной надёжности напорных трубопроводов на поворотах.
1. Назначение и типовое конструктивное оформление горизонтального упора.
2. Определение конструктивных размеров типового горизонтального упора. 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Водопровод населённого  пункта, показанный на рисунке 1, имеет  такую структуру, элементы которой  обеспечивают приём воды из природных  источников, её очистку и доставку воды к потребителю. При этом в  виду не совпадения режимов подачи и потребления воды водопровод включает в свой состав элементы, предназначенные  для согласования функциональных особенностей его отдельных подсистем.

Водопровод населённого  пункта является единой гидравлической системой, взаимосвязанных инженерных сооружений, определяющие конструктивно-технологические  параметры которых, могут быть установлены  лишь в результате гидравлических расчётов.

 

 

1. Гидростатический и  реконструктивный расчёт плоского  щита и регулятора.

 

Щитовой затвор предназначен для избирательного отбора потока речной воды, направляемого  к береговому водоприёмнику. А так же для проведения его профилактической очистки от накопленный осадков. В последнем случае возможно полное опорожнение ковша и щит испытывает максимальные силовые нагрузки, определяющие его конструктивные параметры. Эта контрольная ситуация на рисунке 2. Необходимо подготовить детальное решение по размещению равнозагруженных ригелей в каркасе жёсткости щита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Конструктивная схема  щита-регулятора.

Решение задачи аналитическим методом  основано на использовании следующих  расчётных зависимостей:

, где                                                       (1)

P - сила давления на плоскую поверхность, H;

- суммарная сила давления на щит-регулятор, H;

  - плотность жидкости, кг/;

- плотность воды, кг/,;

 – ускорение свободного падения,  м/, ;

 – пьезометрическая  высота на уровне центра тяжести  плоской фигуры, ;

 – площадь плоской фигуры, м;

- высота щита-регулятора, м;

- ширина щита-регулятора, м;

 

После этого определим силу, которая  должна действовать на каждый из этих ригелей

, где                                                                 (2)

 – сила давления  на один ригель щита-регулятора, Н;

n – Количество ригелей;

 

Определяем глубину заложения  каждого ригеля

, где             (3)

 – глубина залегания первого ригеля, м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глубина заложения центра тяжести  каждой из эпюр определяется по формуле

, где      (4)

 _–  пьезометрическая высота т. D, м;

 _–  момент инерции плоской фигуры относительно центральной горизонтальной оси, ;

 

 

 

 

 

 

 

Решение задачи графоаналитическим методом учитывая условия

 

 

 

 , где

 – общая  площадь эпюры, ;

 – равновеликие площади эпюр, напротив центров, тяжести которых  должны быть расположены ригели, м;

 

 – глубина равновеликих эпюр, м;

 – i-ый ригель;

 

 

 

Определяем  глубину заложения каждого ригеля

 

; ; ; ; ;

 

=1,2,3,4,5, …

 

 

 

 

 

 

Площадь эпюр сил – функция от глубины залегания ригеля

 

Значение функции 

 

h, м	1	2	3	4	5	6	7
, кПа	4,9	19,6	44,1	78,4	125,5	176,4	240,1

 

Решение представлено на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПРЕДПРОЕКСТНЫЙ РАСЧЁТ РЕЗЕРВУАРОВ ЧИСТОЙ ВОДЫ (РЧВ).

 

2.1 Описание проблемной ситуации.

 

РЧВ – это ёмкостные сооружения, предназначенные для поддерживания  процессов накопления и отдачи, а  так же хранения питьевой воды, поступающих  от водопроводимых очистных сооружений и потребляемой населённым пунктом. Фактическая вместимость РЧВ  складывается из аварийного и противопожарного объёма и некоторой регулирующей вместимости, в границах которой  происходит интенсивное изменение  текущего объёма сопровождающегося  уровня воды в резервуаре, а значит и широкодиапазонным изменением объёма воздушной прослойки под  свободной поверхностью воды.

Поскольку в РЧВ поступает питьевая вода, которую надо предохранить от загрязнения, имеющую довольно низкую температуру резервуары проектируют  герметично закрытыми и утеплёнными. По указанным причинам предусматриваются, во-первых ликвидация прямого контакта внутреннего пространства резервуара с атмосферным воздухом и организация воздухообмена при подъёмах или опусканиях свободных поверхностях воды через фильтровентиляционную установку. Во-вторых полное или частичное заглубление в грунт резервуаров с утеплением их покрытия слоя насыпанного грунта.

Резервуары состоят их ограждающих  и несущих элементов выполняемых  из сборного железобетона, а так  же ряда конструкций, необходимых для  их обслуживания и поддержания заданного  технологического процесса.

Конструктивная схема РЧВ с  элементами реализации всех функциональных факторов представлены на рисунке 4. При этом можно сформулировать следующую параметрическую характеристику РЧВ:

 

 

      (2.1)

 

 

, где

 – фактическая вместимость, ;

 – регулирующая вместимость, ;

 – относительная вместимость регулирующей части резервуара, ;

 – минимальная воздушная вместимость, м;

 – максимальная воздушная вместимость, м;

 – максимальный уровень воды, м;

- минимальный уровень воды, м;

 

 

 

 

 

 

Расчёт ёмкостных сооружений на прочность производится на два сочетания  нагрузок (п.14.29[1]):

1-ое сочетание - испытательное,  когда заглублённое в грунт  сооружение заполняется водой,  а грунтовая обсыпка отсутствует;

2-ое сочетание - эксплуатационное, когда опорожнённое сооружение  осыпано грунтом.

Кроме того можно спрогнозировать  экстремальную ситуация(например, достижение или при аварийном отказе системы вентиляции) и оценить её опасность, что бы обосновать необходимость принятия дополнительных конструктивных технологических мер, исключающих прекращение воздухообмена с атмосферной средой.

2.2. ДОРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЁТА ЁМКОСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ.

1) Подготовка к расчёту по первому сочетанию нагрузок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Расчётная схема для конструктивного  расчёта РЧВ с учётом первого  сочетания нагрузок.

 

                               (2.2)

_{, где}

 – сила, действующая на стенку РЧВ, H;

b – один погонный метр;

 

 

2) Прогнозирование повышения давления  (прогнозирование достижения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Расчётная схема  для определения нагрузок при  повышении внутреннего давления в РЧВ вследствие аварийного отключения вентиляционной системы.

Согласно закону Бойля-Мариотта имеем

;

;       (2.3)

, где

 – атмосферное давление, Па;

 – абсолютное давление, Па;

-  максимальное избыточное  давление, Па;

 

 

 

   (2.4)

         (2.5)

        (2.6)

, где       (2.7)

- давление на стенку РЧВ, Н;

- давление газа на стенку РЧВ, Н;

 – сила, действующая  на стенку РЧВ при повышении давления, Н;

 

 

 

 

3) Прогнозирование понижения давления  (прогнозирование достижения )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Расчётная схема для определения нагрузок при снижении внутреннего давления в РЧВ вследствие аварийного отключения вентиляционной системы.

 

Согласно закону Бойля-Мариотта имеем

;

;       (2.8)

 

 

 

 

(2.9)

         (2.10)

     (2.11)

, где

 – сила, действующая  на стенку РЧВ при понижении давления, Н;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Пояснение гидравлического принципа действия пневматического уровнемера.

 

Для работы системы автоматического регулирования режимов функционирования насосных установок в HC-I, НС-II должна быть обеспечена возможность непрерывной индикации положения свободной поверхности воды от дна РЧВ между уровнями

Измерение уровня может выполняться  различными методами в зависимости  от используемого физического принципа действия уровнемера. В данном случае применяется пьезометрический измерительный преобразователь( см. рис. 8), осуществляющий однозначную функциональную зависимость вида

, где       (2.12)

 – давление газа  в импульсной трубке уровнемера, измеренное с помощью дифференциального  манометра, Па

 – глубина погружения  выходного сечения импульсной  трубки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Расчётная схема  пневматического уровнемера.

1-импульсная трубка, из выходного  сечения которой в объём воды  поступает цепочка мелких пузырей  газа без их слияния в сплошную струю

2-мембранный диф. манометр, подключённый к подающе-выпускному трубопроводу фильтро-вентиляционной установки с возможностью передачи показаний по каналу связи в виде электро сигнала

3-балон со сжатым газом

4-редукционный клапан

5-регулятор малого расхода газа

6-устройство для контроля расхода  воздуха (ротаметр)

7-обрытный клапан.

, где      (2.13)

 – удаление выходного  отверстия трубки от дна РЧВ;  ;

Граничные показания диф. манометра при:

:  

:  

3. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ  РАСЧЁТ ПРИ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ ИСПЫТАНИИ  НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

 

1. Нормативно-техническое  обоснование процедуры гидравлического  испытания.

 

Согласно указанию п.7.2[2] испытание напорного трубопровода на прочность и герметичность выполняет строительно-монтажная организация в 2 этапа:

1-ый этап: предварительное испытание  трубопровода;

2-ой этап: приёмочное (окончательная) испытание с оформлением документов.

При этом испытательное давление на прочность  () назначается по указаниям п. 7.7[2].

, где     (3.1)

1,3 – коэффициент, принимаемый  по таблице 5*[2];

 – расчётное внутреннее  давление (принимается, согласно  п. 8.22[1], равным максимальному возможному по условию эксплуатации давлению в трубопроводе на его различных участках), мПа.

Испытательное давление на герметичность () принимается по указаниям п. 7.5[2]:

, где      (3.2)

 – поправочная составляющая, принимаемая по данным таблицы  4[2] (ориентируемся на применение пружинного манометра, класса точность 1,5).

Напорный трубопровод признаётся выдержавшем предварительное и  приёмочное гидравлические испытания  на герметичность, если на участке длинной 1км величина утечки воды не превышает  значений, указанных в таблице 6*[2]. (согласно примечанию 4 для трубопроводов из НПВХ труб нормативы допустимой утечки следует принимать, как для чугунных трубопроводом)

Для гидравлического испытания  НПВХ трубопровода выделен участок  i-j (ограничения наложено по указаниям п. 7.5*[2]) оборудованный в соответствии с указаниями 7.8; 7.10[2](рис. 9).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Схема технической  подготовки гидравлического испытания  напорного трубопровода.

1-испытываемый трубопровод, проложенный на глубине (п. 8,42[1])

2-заглушка

3-временные упоры

4-монометры

5-вентели для выпуска воздуха

6-участок временной водопроводной сети

7-насос

8-водосчётчик, аттестованный установленным образом

3.3. Оформление акта приёмочного испытания напорных трубопроводов.

 

1) Определение расчётного внутреннего  давления на участке i-j испытуемого напорного трубопровода ()

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Расчётная схема  для определения расчётного давления

, где    (3.3)

 – пьезометрическая  высота в напорном трубопроводе  на участке i-j, м;

 – высота трубопровода  на участке i-j от отметки земли, м;

 – пьезоотметка в напорном трубопроводе в точке размещения водонапорной башне (пьезометрический напор, измеренный от плоскости сравнения, в качестве которой используется уровень воды в Балтийском море), м;

 – геодезическая  отметка поверхности земли на  участке трубопровода i-j, м;

 – глубина промерзания  грунта, м;

 

2) Определение испытательного давления  при проверке трубопровода на  прочность

 

В связи с тем, что манометры  устанавливаются выше оси испытательного трубопровода , контролю по манометру подлежит следующее значение давления

 , где

 – испытательное  давление на участке трубопровода  с учётом того, что манометры  установлены выше трубопровода, Па;

 

3) Определение испытательного давления  при проверке трубопровода на  герметичность

 

При этом показание манометра принимает  следующее значение

 , где

 – испытательное  давление при проверке трубопровода  на герметичность с учётом  того, что манометр установлен  выше оси трубопровода на, Па;

 

4) Положительное (отрицательное)  заключение о результатах приёмочного  испытания трубопровода выносится  на основание следующей оценки

, где        (3.4)

 – утечка воды  из трубопровода во время испытания,  ;

 – допускаемая утечка  по данным таблица 6*[2], пересчитанным на .

 

По данным Т3 при испытании трубопровода на герметичность за время наблюдения Т=60минут падение составило  .

Для восстановления исходного значения испытательного давления в трубопровод добавляется объём воды

, где   (3.5)

 – коэффициент объёмного  сжатия, ;

 - внутренний диаметр трубы на участке i-j, м;

 – длинна, испытываемого участка трубопровода, м;

(3.6)

 

 

 

 

 

 

4. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ  И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ ДЛЯ  ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ  НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА ПОВОРОТАХ.

 

4.1. Назначение  и типовое конструктивное оформление  горизонтального упора.

 

На поворотах напорных трубопроводов  выполненных из раструбных труб во избежание их разгерметизации вследствие действия сдвигающих усилий предусматриваются  упоры (п. 8.62[1])

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 11. Расчётная схема  горизонтального упора.

1-горизонтальный упор (УГ)

2-опорная подушка

3-отвоз (НПВХ)

 , где     (4.1)

 – сдвигающее усилие, Н;

 – внутренний диаметр  отвода, м;

 – испытательное давление в точке установке упора, Па;

- центральный угол поворота, град;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Определение конструктивных размеров типового горизонтального упора.

 

Для принятия конкретных технических  решений типовой серии источник [8] предложено номенклатуру марок и размеров упоров УГ, разработанное расчёт упоров по предельным состояниям, пример по несущей способности упора против сдвига по основанию (см. методичку [4]).

Устойчивость упора против сдвига обеспечивается при выполнении условия 

, где        (4.2)

 – коэффициент  надёжности, ;

 – несущая способность  упора (с учётом состояния грунтовой  среды, в которой размещается  упор)

 – реакция упора, компенсирующая  усилие P, Н

Для УГ-1   , значит грунт сухой   

Для УГ-2   , значит грунт сухой   

 

Таблица 1.

Характеристики  упоров на горизонтальных поворотах напорного трубопровода.

NN УГ	Исходные данные							Внутр. давл. мПа		, кН	Марка упора	Размеры УП, мм			Z низа упора, м
	α,	, мм		Отм. изм., м			, м					h	l	b
У 1	30	400	357,4	122	120	106	1,6	0,3234	0,42	29,2	УГ-1	400	700	400	120
У 2	90	225	200,8	109	107	106	1,775	0,4508	0,586	50	УГ-2	500	800	400	106,9