Главное меню

Максимальный шаг забивных свай


Рассчет свайного поля для забивных свай - минимальный шаг

Вы хотите установить качественный фундамент для строительства загородного коттеджа? Первый вопрос, который интересует любого клиента – цена работ под ключ. Вы понимаете, что от количества забивных сваях будет зависеть общая стоимость проекта.

Строительные компании могут воспользоваться доверием заказчика и установить больше опор, чем требуется. В результате смета обойдется вам дороже на 30-35%. С другой стороны, если произвести неправильные расчеты и установить меньшее количество забивных свай – появляется риск неправильного распределения нагрузки на фундамент. Но как правильно поступить в такой ситуации?

 

Рекомендации от профессионалов по расчету железобетонных свай

 

Эксперты компании ООО «Эндбери» готовы поделиться с вами правилами и формулами при выборе количества опор. Информация поможет вам самостоятельно рассчитать минимальный шаг забивных свай. Вы будете уверенны, что не переплачиваете за работу и получите надежное основание при строительстве загородного дома.

Выбираем необходимое количество забивных свай.

 

Прежде чем определить минимальное расстояние между забивными сваями, следует определить их количество в зависимости от нагрузки и площади будущего сооружения.

Расчет площади подошвы основания дома происходит по формуле:

S=M/N

где

Для примера возьмем массу дома в 150 тн, а несущую способность грунта – 15 кг/см². Площадь основания подошвы составит 150 000 / 15 = 10 000 см².

Количество и расстояние между забивными сваями определяется на основе их типа и площади нижней части. Приведем примеры площади торца в зависимости от типа забивной сваи:

Для нашего примера используем ж/б сваи марки ТИСЭ. Соответственно для дома потребуется 10 000 / 1960 ≈ 5 штук. Для каждого индивидуального проекта полученное значение умножается на коэффициенты запаса. Среднее значение составляет х1.5. Поэтому вместо 5 опор распределяют нагрузку на 7-8 свай.

Расположение выбирается индивидуально в зависимости от особенностей конструкции и распределения нагрузки. На практике применяются схемы расположения в шахматном или симметричном порядке.

 

Как рассчитать свайное поле для забивного фундамента? Выбираем оптимальное расстояние

Минимальное расстояние зависит от толщины уплотнения грунта, которое образуется вследствие монтажа опоры. При забивании сваи в землю, пространство вокруг этой точки уплотняется.

Чтобы произвести надежную установку, в строительной практике принято брать минимальное расстояние между жб сваями как сумму трех диаметров выбранной опоры. В общепринятой классификации берется обозначение 3d (где d – диаметр опоры). Среднее значение для большинства типов забивных свай составляет 1.2 – 2.4 метра.

Максимально допустимое расстояние находится в интервале 5d-8d и зависит от условий при которых выполняется монтаж. Профессиональные компании обязательно учитывают устойчивость почвы и коэффициенты сопротивления.

Если вы решили строить дом на забивных сваях – получите бесплатные консультации у строительных экспертов компании Эндбери. Мы произведем инженерные расчеты и выполним комплекс работ «под ключ». Первым этапом станет перенос проекта в реальные масштабы. Как происходит разметка свайного поля:

как определить оптимальных шаг размещения винтовых свай

Монтаж свайных конструкций позволяет получить прочное основание для строительства на любом типе грунта. Надежность свайно-винтового фундамента напрямую зависит от шага винтовых свай. Чем больше вес постройки — тем больше опор потребуется и тем меньше шаг установки. Минимальное расстояние между сваями в винтовом фундаменте составляет 1 метр, максимальное — 3 метра. Правильный расчет количества опор, их плотности на свайном поле позволит построить крепкий фундамент для любого здания.

Для расчета интервала между свайными опорами нужно провести исследования грунта на участке застройки, определить его тип, глубину промерзания. На расстояние между винтовыми сваями влияют особенности климата. К обязательным расчетам относится определение общего веса конструкции и нагрузки на основание.

Большое значение имеет конструкция самого дома: наличие печей, каминов, количество и длина внутренних несущих стен. Поэтажные планы постройки позволяют увидеть наиболее нагруженные участки и правильно расставить опорные стержни с привязкой к проекту дома. С учетом всех параметров и проектируется свайный фундамент — подбираются сваи нужного диаметра и длины, определяется их количество, точки вкручивания в грунт.

как правильно рассчитать шаг в свайно-ленточной конструкции

Свайный фундамент — это решение, позволяющее получить надежную и эффективную опорную конструкцию на проблемных или слабонесущих грунтах.

На территории России таких регионов много, поэтому технологии создания свайных оснований являются популярными и хорошо изученными.

Одним из удачных конструкционных вариантов считаются винтовые сваи, позволяющие быстро и щадящими методами получить надежное основание без нежелательных воздействий на постройки, расположенные поблизости.

Возможности винтовых свай делают их популярными и распространенными, а возможность самостоятельного строительства только усиливает эти качества.

Рассмотрим один из важных рабочих моментов — выбор оптимального расстояния между опорами.

Содержание статьи

От каких факторов зависит шаг в фундаменте между винтовыми сваями?

Шаг винтовых свай напрямую зависит от их количества, которое рассчитывается по несущей способности единицы.

Основными факторами влияния в данном случае являются:

Расстояние между винтовыми сваями определяется во время создания проекта, поскольку это расчетная величина, от которой зависит большинство параметров конструкции всех элементов основания, расположенных на поверхности.

Допустимая нагрузка на сваю обычно бывает указана производителем в паспорте, но это значение нельзя использовать при подсчете.

Оно не учитывает геологических особенностей и условий эксплуатации, являясь чисто информационной величиной.

Особенности грунта на участке

От параметров грунта во многом зависит прочность и надежность контакта ствола и лопастей каждой сваи с прилегающими слоями. Согласно требованиям СНиП, для анализа грунта необходимо произвести пробное бурение, лабораторные исследования состава и свойств грунтовых слоев.

Кроме того, рекомендуется установка эталонных свай, способных на практике продемонстрировать несущую способность сваи и величину сопротивления нагрузкам. На практике большинство исследований ограничивают пробным бурением и визуальным определением качества грунта.

Глубина залегания плотных слоев и их состав определяются по сопротивлению грунта при бурении.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Опытный бурильщик способен оценить состояние грунта не хуже, чем специалист-геолог, однако, если есть возможность выполнить качественный анализ грунта, пренебрегать ей не следует.

Расчет нагрузки

Нагрузка на основание является суммарной величиной, сложенной из следующих значений:

Вес дома — расчетная величина, которую получают сложением веса стен, крыши, перекрытий и прочих элементов. Все необходимые данные можно взять из приложений СНиП, умножая удельные величины на площади или объемы существующих конструкций.

Эта стадия расчетов самая продолжительная, важно не пропустить никакие конструкции, учесть все элементы. Необходимо проявить максимальную внимательность и последовательно сложить вес всех частей дома.

Снеговая нагрузка определяется путем умножения общей площади кровли на величину удельного снегового давления (на м2). Эта величина имеется в приложениях СНиП, выбирается соответствующий регион и получаются нужные данные.

Тем же способом определяется ветровая нагрузка, весьма актуальный параметр для некоторых регионов.

Эксплуатационная нагрузка — это вес людей, мебели, бытовой техники и прочего имущества, находящегося в доме. Пренебрегать этими значениями не следует, поскольку они значительно изменяют общую величину нагрузок.

ВАЖНО!

Общую расчетную сумму нагрузок следует увеличить на 10-15 %, чтобы иметь некоторый запас несущей способности основания. Это может компенсировать возможную дополнительную нагрузку от веса обшивки или иных элементов, не учтенных ранее.

Основные схемы размещения на фундаменте

Существуют различные схемы размещения свай:

Выбор схемы определяется конфигурацией постройки и порядком распределения нагрузок. Отдельные сваи используются для создания точечных опор под столбы или иные элементы минимальной площади.

Свайные кусты используются при высоких нагрузках не единицу, что бывает при строительстве многоэтажных зданий, крупных ангаров и т.п. Свайное поле применяют для тяжелых построек с равномерным распределением нагрузки по всей площади основания.

Установка опор производится либо продольно-поперечными рядами, либо в шахматном порядке. Ленты необходимы при создании сооружений, имеющих протяженную структуру при малой ширине (набережные, подпорные стенки, ограждения и т.п.).

Необходимо учитывать, что расчетная конфигурация свайного поля не всегда полностью соответствует требованиям СНиП. Нередко возникают ситуации, когда количество опор не соответствует величине нагрузки из-за особенностей размещения.

В таких случаях необходимо увеличить количество свай или несколько скорректировать конфигурацию свайного поля с учетом специфики нагрузок.

Как правильно рассчитать расстояние

Существует много разных методик расчета винтовых свай. Большинство из них некорректно и не дают никакого полезного результата. Грамотный расчет можно сделать, руководствуясь СП 50-102-2003, где изложены все необходимые формулы и методики.

Проблема в том, что простых способов не существует, придется производить достаточно сложные вычисления с высокой вероятностью ошибки. Поэтому необходимо обращаться к специалистам или, как минимум, использовать онлайн-калькуляторы, позволяющие получить нужные значения буквально за пару минут и совершенно бесплатно.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!

Браться самостоятельно за расчет фундамента, не имея соответствующей подготовки и опыта, настоятельно не рекомендуется из-за высокой вероятности ошибок и неправильного употребления различных специальных значений.

Если все-таки необходимо рассчитать шаг опор, следует сначала начертить план свайного поля (или использовать план первого этажа). Сначала сваи расставляют по всем углам и точкам примыкания стен.

После этого по линиям размещения нагрузки (несущих стен) распределяют сваи, исходя из их количества.

Иногда, при равномерном распределении веса по всем опорам, поступают просто — вычисляют общую длину несущих стен и делят ее на расчетное количество свай.

Например:

Вес дома — 300 т. Номинальная нагрузка на сваю — 5 т (ВС-108).

Общее количество свай:

300 : 5 = 60 шт.

Общая длина опорных линий — 40 м.

Тогда расстояние между соседними сваями будет:

60 : 40 = 1,5 м.

Минимальное и максимальное значение между опорами

Согласно требованиям СНиП, минимальным расстоянием между двумя соседними винтовыми сваями является двойной диаметр лопастей. То есть, если имеются опоры с лопастями 30 см, минимальным расстоянием между ними будет 60 см.

Необходимо учесть, что это расстояние между лопастями, то есть при разметке, отмечая оси свай, следует считать не 2, а 3 диаметра. Максимальное расстояние определяется отношением веса дома к количеству свай.

Необходимо учитывать материал и сечение ростверка, чтобы не получить излишнюю подвижность балок в центральной части каждого пролета. По всем расчетам максимум всегда определяется как 3, в некоторых случаях — 3,5 м.

Выходить за пределы этих значение нельзя, это создаст угрозу конструкциям дома.

Оптимальное значение

Однозначно указать оптимальное расстояние между соседними сваями винтового фундамента очень сложно. Необходимо учитывать массу специфических факторов, свойственных только данному участку, постройке и прочим условиям строительства и эксплуатации.

Однако, существуют определенные пределы, ограничивающие минимум и максимум шага между винтовыми опорами. По логике, оптимальным расстоянием должно быть среднее значение, однако в реальности ситуация выглядит несколько иначе.

По результатам экспериментов и практических испытаний выявлено, что оптимальным расстоянием является 2 м. Это значение подходит практически ко всем видам и типоразмерам свай, используемых в индивидуальном строительстве.

Оптимальное значение не должно использоваться как некое универсальное число, подходящее в любом случае. Каждый проект должен рассчитываться в индивидуальном порядке.

Полезное видео

В данном видео вы узнаете, как произвести расчет расстояния между сваями в винтовом фундаменте:

Заключение

Параметры винтового фундамента — весьма сложный и спорный вопрос. Он усиленно обсуждается, но дискуссии редко бывают продуктивными, поскольку в каждом случае имеются свои условия, вес и материал дома, размеры, тип грунта и т.д.

Большое число факторов влияния затрудняет выработку общих правил, позволяющих всем желающим достаточно точно рассчитывать размеры основания, расстояния между опорами и прочие нюансы.

Решение этого вопроса правильнее всего поручать профессионалам, имеющим опыт и соответствующие навыки.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Одноклассники

Какое может быть максимальное расстояние между винтовыми сваями

В малоэтажном строительстве винтовые сваи часто используют в качестве фундамента. Технология их монтажа достаточно проста, земляные работы сведены к минимуму, установка возможна в грунт любого типа. Параметры такого основания рассчитывают на стадии проектирования. Учитывают результаты инженерно-геодезических изысканий, особенности строительной площадки. Обязательно выполняют расчет свайного поля с подбором шага. На основании этого определяют нужное число винтовых свай, расстояние между ними, несущую способность фундамента.

Особенности фундамента на сваях

Свайный фундамент подходит исключительно для зданий из легких материалов, к примеру, каркасников.

Монтаж осуществляют ручным, механизированным способом, а также с использованием специальной техники.

Алгоритм работ следующий:

1. Выбор строительной площадки. Удаление всей растительности. Важно, чтобы в этой зоне не проходили никакие коммуникации.
2. Выполнение разметки. Проводят ее в соответствии с проектом, где указано место под каждую сваю. Допустимая погрешность — максимум 2 см.
3. Собственно монтаж. Под каждую опору делают углубление 0,15-0,2 м. Это облегчит установку. В углубление помещают сваю и вкручивают.

Диаметр углубления должен быть меньше на 10 см, чем соответствующий параметр лопастей винтовой сваи.


Ручной способ вкручивания сваи

Перед началом монтажных работ опору собирают — в отверстие, имеющееся в верхней части сваи, вставляют лом. Впоследствии на него устанавливают рычаг с целью облегчить процесс вкручивания.

Опору легче вращать посредством длинного рычага. Роль последнего может играть 3 м труба. В землю столб должен входить ровно, поэтому процесс контролируют при помощи строительного уровня. Его прикладывают к свае при ввинчивании.

При непосредственном закручивании сваи два человека с противоположных сторон берутся за рычаг и начинают вращение против оси, передавая крутящий момент. Третий работник должен контролировать угол наклона. Полный оборот позволяет погрузить опору в землю на глубину около 0,2 м. 

В начале работы могут возникнуть сложности — винт не будет поворачиваться. Чтобы разрешить проблему, углубляют скважину под опору сантиметров на 15. На рычаги увеличивают вертикальную нагрузку, подвесив на них дополнительный груз. Как только вращение станет свободным, груз убирают.


Механизация процесса завинчивания

Винтовые сваи большого диаметра и длины закручивают при помощи механизированных приспособлений. Они имеются в продаже, но чаще их изготавливают своими руками.

Состоит приспособление из следующих элементов:

· электрического инструмента — мотобура, дрели с двигателем мощностью не менее 2 кВт;
· понижающего редуктора на 4,7 кНм;
· переходников (2 шт.) объединяющих последовательно дрель, стержень, вывод редуктора;
· рычага.

Переходники из болта и головки аналогичных размеров делают для связи редуктора и силовой установки. В патрон дрели устанавливают болт, на редукторе закрепляют головку. Роль свайного переходника играет монтажный оголовок. Его надевают на опору, наконечник по всем параметрам должен соответствовать размерам вала редуктора.


Спецтехника для монтажа свай

Современная техника автоматически закручивает сваи, строго контролирует их вертикальность. Посредством прижимных и подъемных домкратов сваи удерживаются в правильном положении.

Автоматические сваеверты, если у них нет полноприводного шасси, устанавливают в кузов грузовой машины. Питание установка получает от сети 380 V либо от генератора.


Факторы, влияющие на шаг свай

Шаг свай находится в прямо пропорциональной зависимости от их числа. Последний параметр рассчитывают, исходя из несущей способности одного стержня.


Учитывают такие факторы влияния:
· несущая способность почвы;
· размер лопасти, диаметр ствола;
· глубина завинчивания;
· присутствие непосредственного соприкосновения с плотными пластами грунта;
· степень нагрузки.
Дистанция между сваями — величина расчетная и определяется во время проектирования. Оптимальную нагрузку на сваю указывают производители в паспорте изделия, но при подсчете ее задействовать нельзя. Причина — она дана без учета условий эксплуатации и геологических особенностей участка.


Расчет шага свай

Надежность фундамента напрямую зависит от шага монтажа винтовых свай. На опоры переносится вес постройки, а они передают нагрузки на грунт. Дистанция между фундаментными сваями зависит от общего веса строения и характеристик грунта.

Полезную нагрузку определяют по ТУ или СНиП. Так, жилой одноэтажный дом создает нагрузку около 150 кг на 1 м² площади. Нагрузки, создаваемые ветром и снегом, берут из справочников, исходя из региона строительства. Коэффициент запаса принимают 1,1-1,25.

Сваи под дом из бруса или каркасный монтируют на максимальном расстоянии друг от друга 3 м. Часто дистанцию сокращают вплоть до 1 м. Точное расстояние можно определить только путем расчета. В случае строительства неответственных и временных зданий такой расчет допускается не делать.


При подсчете шага учитывают протяженность ростверковых балок, опорными точками для обоих концов которых является оголовок сваи. Это правило распространяется как на брусовый, так и на каркасный дом. Если предусмотрен бетонный ростверк, то оно не действует.


Винтовые сваи в плане


При условии правильно расставленных опор, нагрузка равномерно распределится под постройкой, что значительно снизит риск просадки. Отдельное внимание нужно уделить постройке со сложной геометрией в плане.

 

 

Располагают сваи на одинаковом расстоянии по длине стены. Они обязательно должны быть в зонах сочленения несущих стен, под ответственными узлами, по углам внутренним или внешним. Если это каркасное строение, то установка свай обязательна под столбами.
При расчете расстояния между металлическими опорами можно воспользоваться простым способом. На бумаге чертят прямоугольник, соответствующий плану дома.

Линии геометрической фигуры должны соответствовать стенам здания — внешним и несущим.
С целью равномерного распределения нагрузки на основание, линии следует разделить на одинаковые части длиной 1,5-3 м. Места, где должны находиться винтовые сваи — точки деления.


Схему с сохранением масштаба переносят на стройплощадку и при помощи нитей выполняют условную разметку стен. Места нахождения винтовых свай отмечают колышками.


Исходя из расположения в плане, выделяют 4 типа схем расположения свай:


1. Одиночная. Опоры расположены в углах, под несущими стенами.
2. Свайная лента. Расположение под несущими стенами с укороченным шагом вплоть до 0,5 м. Такой фундамент позволяет выдерживать и равномерно рассредоточивать большие нагрузки.
3. Свайный куст. Опоры находятся под групповыми, массивными индивидуальными конструкциями, под тяжелым оборудованием. Размер шага в этом случае не играет роли. Сваи могут быть установлены в каком угодно порядке. Важно, чтобы они присутствовали по всему периметру.
4. Свайное поле. Сваями заполнена площадь под плитой фундамента. Шаг составляет приблизительно 1 м. Этот вариант подходит для слабых грунтов и массивных объектов.

Первые две схемы наиболее часто используют для возведения частных домов и легких строений. Экспериментальным и практическим путем было определено оптимальное расстояние между сваями, оно равно 2 м. Подходит это для всех видов и размеров опорных конструкций, которые применяют в индивидуальном строительстве.


 

Такая величина не может быть универсальной для любого случая. Проекты должны рассчитываться применительно к индивидуальным обстоятельствам.


Расчет параметров винтового фундамента — процесс непростой. В каждом индивидуальном случае есть свои нюансы. Выработать общие правила сложно, поскольку существует множество факторов влияния. Решать эту проблему должны профессионалы. У них есть опыт, соответствующие навыки.

 

 

расстояние между сваями (максимальное и минимальное)

Технология сооружения фундамента на базе свайной конструкции считается одной из самых надежных и практичных. Ее можно отнести к универсальным, поскольку гибкость системы и разнообразие подходов к технической реализации основы удовлетворяют требованиям широкого спектра построек. Среди них жилые дома, промышленные здания, коммуникационные сооружения и другие объекты. Однако для достижения надежности свайной конструкции необходимо точно определить параметры закладки. В списке важнейших из них специалисты отмечают расстояние между сваями фундамента, которое может варьироваться в зависимости от целого ряда характеристик здания и условий строительства.

Как устроен свайный фундамент?

Свайную конструкцию можно представить как совокупность несущих элементов и ростверка. Элементы опоры могут отличаться по материалу и способу установки. Например, сегодня практикуется использование забивных и винтовых свай. Чтобы определить, какое расстояние между сваями в свайном фундаменте, необходимо учесть допустимую глубину залегания, материал изготовления и другие параметры несущих изделий – так выполняется расчет количества элементов и шага между ними. Не менее значима и функция ростверка, который обеспечивает связку отдельно стоящих опор. Он может реализовываться в разных видах и конструкциях, но, как правило, устройство данного компонента всецело зависит от техники внедрения и укрепления свай.

Общие принципы расчета

Обычно инженеры ориентируются на учет свойств грунта и предполагаемой массы будущего строения – в совокупности эти сведения позволяют закладывать оптимальный свайно-винтовой фундамент. Расстояние между сваями при этом можно рассчитать, исходя из их количества. Чтобы определить, сколько опорных элементов потребуется, следует знать уровень нагрузки и общую несущую способность конструкции. В частности, свая может выдерживать около 2 т, при этом вес конструкции дома может исчисляться десятками тонн. Далее следует планировка размещения свай по всей площади. В некоторых случаях нагрузка бывает неравномерной, поэтому и расположение свай не всегда правильно с геометрической точки зрения.

Шаг между винтовыми сваями

Практика строительства в российских условиях установила минимальное расстояние при закладке свайно-винтового фундамента: оно составляет 1,7 м на обычно грунте. При этом в каждой паре следует оставлять промежуток (не меньше 0,5 м) цельного слоя грунта, то есть участок, на котором не проводились земельные работы. Данная мера позволит предотвратить нежелательное влияние земельной основы на свайный фундамент.

Расстояние между сваями в максимальной величине для одноэтажных объектов составляет:

Как видно, легкие деревянные постройки требуют менее плотной расстановки свай, тем не менее, если планируется 2-этажное здание, то шаг может быть сокращен.

Шаг между забивными сваями

Расстояние между забивными опорными элементами предполагает универсальную формулу расчета. Главным параметром здесь выступает диаметр сваи. При этом важно разделить конструкции такого типа на две категории: висячие и стойки. В первом случае минимальное расстояние составит величину диаметра, помноженную на три. Максимум предполагает умножение диаметра сваи на шесть.

Стойки располагаются с минимальным шагом, величина которого в полтора раза превосходит ее диаметр. Примечательно, что свайный фундамент, расстояние между сваями которого сокращается к минимуму, не всегда выигрывает в надежности. Дело в том, что кустовой (частый) способ размещения опор создает и нежелательный эффект в виде увеличения осадка. Поэтому рекомендуется всегда учитывать возможность трансляции нагрузок на сваи в одиночной конфигурации.

Отклонения от «нормы»

Несмотря на выработку единых правил, на основе которых составляется метод расчета расстояния между сваями, каждый случай предполагает огромное количество нюансов. В связи с этим инженеры начинают руководствоваться простым правилом: обозначить максимальный предел допустимого количества свай и рационально их распределить по всей площади с учетом нагрузок.

В зависимости от проекта, для которого планируется свайный фундамент, расстояние между сваями может сокращаться или увеличиваться. К примеру, если план предусматривает внутреннюю несущую стенку с загрузкой перекрытия по сторонам, то есть смысл в 30-процентном сокращении шага между несущими элементами.

Увеличение расстояния также не является грубой ошибкой, если предусмотреть технические меры предосторожности. В таких случаях обычно требуется дополнительная установка фундаментных балок. Сложно сказать, что может оправдать увеличение дистанции, поскольку такая коррекция едва ли сделает надежнее свайно-ростверковый фундамент. Расстояние между сваями, которое увеличивается ввиду экономии, также не оправдывает себя. Хотя бы по той причине, что дополнительное укрепление обойдется дороже, чем «лишний», но конструктивно обоснованный ряд фундаментных свай.

Конфигурация расположения свай

Помимо дистанции между сваями, имеет значение и способ их организации. Выбор определенной конфигурации зависит от действующих нагрузок. Существует несколько вариантов расстановки опор на площадке фундамента: по отдельности, в ряд, в форме различных геометрических фигур и в виде сплошного поля, на котором формируется свайный фундамент. Расстояние между сваями в каждом случае ориентируется на общие правила расчета, но может корректироваться.

Наиболее распространены свайные ленты (рядная конфигурация), сплошные сваи и «кустовые» плотные способы расположения несущих. Техника установки элементов в ряд применяется для поддержки стен зданий – это обычный способ устройства фундамента для жилых зданий. Точечно для конструкций, предполагающих интенсивные нагрузки, рекомендуется метод свайных «кустов». Устройство сплошного поля рассчитано на поддержку наиболее тяжелых построек и конструкций. Сваи в данном случае рассредотачиваются равномерно и объединяются монолитным ростверком с крепкой подошвой.

анализ грунта и нагрузки, выбор шага и типы элементов

Содержание статьи:

Надёжность свайных и столбчатых оснований напрямую зависит от количества опорных элементов. При проектировании и разметке фундаментного поля необходимо определить расстояние между сваями таким образом, чтобы нагрузка от постройки распределялась равномерно между всеми опорами. Перед началом работ необходимо изучить требования и рекомендации нормативных документов.

Проектирование фундаментов

При проектировании нужно вычислить нагрузку со стороны постройки и определить тип грунта

Главным руководящим документом, регламентирующим проектирование фундаментов, является Свод Правил 24.13330.2011г. «Свайные фундаменты».

Раздел 4 документа обязывает при проектировании учитывать:

Основываясь на результатах анализа, выбирают проектные решения о необходимом количестве свай и способе их распределения.

Виды свай

Разновидности свай

Количество необходимых опор зависит от типа и размеров, способа установки, площади основания.

В промышленном и гражданском строительстве используют типы свай:

В качестве материала используют железобетон, металл, дерево.

Для оптимального распределения нагрузки сваи соединяют обвязкой или ростверком. Частный случай — объединение свайного поля и ленточного фундамента.

Сбор информации для проектирования

Несущая способность винтовой сваи

Критически важными показателями, влияющими на количество необходимых опорных элементов, являют несущая способность грунтов и действующие на фундамент нагрузки.

Теоретический расчёт свай по грунту

Для проведения анализа проводят разведочные выработки грунта в месте строительства. Согласно п.5.5. Свода Правил если нагрузка на куст свай будет превышать 3 Нм, то шурф бурят на глубину 5 метров ниже опорного конца.

На лёгких грунтах — насыпных, песчаных, слабоглинистых и набухающих — бурение проводят до подстилающих плотных пород, на которые будут опираться сваи.

Для самостоятельного расчёта количества опор «по грунту» произвести не всегда возможно, для этого надо обладать инженерными знаниями.

Формула выглядит так: F = Yc * (Ycr * R * A + U * ∑ Ycri * f * l).

Обозначения параметров:

Подставив требуемые значения в формулу, вычисляют, какую нагрузку способна выдержать одна опора.

Инструментальное измерение параметров грунта

Существуют способы опытным путём определить несущую способность грунтов.

Метод статических нагрузок заключается в проведении следующего комплекса работ:

  1. На стройплощадке устанавливают пробные стойки фундамента, выдерживают время для набора прочности, если свая буронабивная.
  2. Прикладывают к опоре нагрузку от ступенчатого домкрата.
  3. Точными измерительными приборами замеряют усадку после приложения нагрузки.
  4. По специальному алгоритму и таблицам вычисляют несущую способность.

По опыту строителей такой способ считается наиболее точным.

Метод динамических нагрузок предусматривает ударные нагрузки на контрольную сваю с одновременным замером усадки основания после каждого воздействия. По результатам получают искомую величину максимальной возможной нагрузки.

Зондирование с помощью пробной сваи и установленных к ней датчиков позволяет получить данные по сопротивлению каждого слоя грунта, если они неоднородные.

Вычисление нагрузки

Нагрузка стен и перекрытий на фундамент

Полную нагрузку на фундамент определяют расчётным путём.

Складывают:

Удельные веса строительных материалов можно получить из справочников и данных производителей.

Снеговая нагрузка принимается по результатам многолетних наблюдений в регионе постройки. Значения отражены в строительных справочниках.

Для регионов с сильными ветрами давление потоков воздуха составляют значительные величины. Пренебрегать ими при расчётах нельзя, особенно для крыш с крутыми скатами.

Под эксплуатационной нагрузкой понимают массу людей, проживающих или находящихся в доме временно. Добавляют вес предметов мебели и бытовых электрических и сантехнических приборов.

Полученную нагрузку при расчётах фундамента необходимо увеличить на 10–15%. Часто возникают плановые и непредвиденные ситуации, например, появилось желание обшить дом пластиковым или металлическим сайдингом, что увеличит нагрузку на фундамент.

Определения количества свай

После сбора данных по несущей способности грунта и общей массе нагрузки можно вычислить минимально необходимое количество свай.

Последовательность вычислений:

  1. Общую нагрузку в кг делят на несущую способность грунтов, измеряемую в кг/см2. В результате получают общую потребную площадь опор.
  2. Вычисляют площадь одной опоры.
  3. Разделив необходимую площадь фундамента на сечение одной опоры получают их необходимое количество.

Если получается большое количество свай, лучше использовать опоры с большей площадью основания.

Распределение по площади

Расставляя места установки упор, учитывают минимально и максимально допустимые дистанции.

Расстояние между забивными сваями не может быть меньше 3 диаметров опоры, в противном случае бывает отрицательное взаимное влияние.

При распределении опор по фундаментному полю учитывают требование равномерного распределения нагрузок.

Обязательно монтируют сваи в углах постройки и пересечении любых стен между собой. Большее количество опор монтируют под тяжёлыми капитальными стенами.

Нельзя допускать разницу весов между наиболее и наименее нагруженными сваями более 15%. Постоянные нагрузки на опоры не должны различаться более чем на 5% и кратковременных более чем на 20%. Это важно, например, для фундамента под встроенный в дом гараж.

Максимальный шаг свай обусловлен наличием или отсутствием ростверка. В большей части случаев сваи не должны располагаться более чем на 1,5 м друг от друга.

Выделяют способы установки:

Расположение свай зависит от нагрузки на ростверк

Выбор варианта зависит от ранее произведённых расчётов, конфигурации здания, мест максимальных и минимальных нагрузок.

Одиночные сваи предназначены для установки столбов освещения или небольших по площади сооружений.

Кусты монтируют при больших нагрузках на единицу площади, например, под стенами многоэтажных зданий.

Ленты в один ряд чаще всего применяют в строительстве подпорных стенок большой протяжённости.

Для частных двухэтажных домов и вообще построек большой площади проводят установку фундаментных полей, с шагом свай, рассчитанным исходя из нагрузки.

Постройки небольшой массы

Для строений небольшого веса, например, террас и сараев с животными, применяют упрощённый способ расчёта и монтажа. Достаточно установить сваи по углам здания и сделать обвязку брусом.

На таком фундаменте можно ставить каркасные сооружения с заполнением плитами ОСБ.

Правильный расчёт фундамента при отсутствии специального образования лучше доверить специализированной организации. От верного проекта зависит прочность всей конструкции и безопасность использования. Перед началом строительства желательно изучить основные требования, которые пригодятся для контроля подрядной организации.

% PDF-1.5 % 2466 0 obj> endobj xref 2466 55 0000000016 00000 н. 0000013188 00000 п. 0000013424 00000 п. 0000013469 00000 п. 0000013601 00000 п. 0000013635 00000 п. 0000013876 00000 п. 0000013904 00000 п. 0000014418 00000 п. 0000014822 00000 п. 0000015228 00000 п. 0000015266 00000 п. 0000015374 00000 п. 0000018044 00000 п. 0000122480 00000 н. 0000122559 00000 н. 0000122633 00000 н. 0000122714 00000 н. 0000122798 00000 н. 0000122843 00000 н. 0000122938 00000 н. 0000122983 00000 н. 0000123101 00000 п. 0000123146 00000 н. 0000123277 00000 н. 0000123322 00000 н. 0000123446 00000 н. 0000123491 00000 н. 0000123614 00000 н. 0000123659 00000 н. 0000123816 00000 н. 0000123861 00000 н. 0000124024 00000 н. 0000124069 00000 н. 0000124201 00000 н. 0000124245 00000 н. 0000124396 00000 н. 0000124440 00000 н. 0000124563 00000 н. 0000124607 00000 н. 0000124715 00000 н. 0000124759 00000 н. 0000124886 00000 н. 0000124930 00000 н. 0000125039 00000 н. 0000125083 00000 н. 0000125192 00000 н. 0000125236 00000 н. 0000125329 00000 н. 0000125372 00000 н. 0000125466 00000 н. 0000125508 00000 н. 0000125598 00000 п. 0000125640 00000 н. 0000001396 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 2520 0 obj> поток х | [S

.

Типы оборудования для забивки свай - применение, преимущества и детали

Есть несколько машин и оборудования, которые используются для забивки свай во время строительства. Эти машины и инструменты будут объяснены в следующих разделах.

Рис.1: Сваебойное оборудование

Рис.2: Оборудование для забивки сваи

Типы оборудования для забивки свай

Свайные установки

Он состоит из ряда поводков, которые состоят из табличного элемента или жесткого ящика, помещенных и закрепленных на основании крана, как это видно на Рисунке-3.Лидеры не только поддерживают молот и сваю, но и направляют их, когда свая вдавливается в землю.

Рис.3: Сваебойная установка

Поводок можно наклонять вперед и назад с помощью винтовой или гидравлической регулировки и крепления к основанию оборудования, как показано на Рисунок 4 и Рисунок 5. Можно установить серию свай без необходимости перемещать оборудование через разворот базовой машины и позиционирование лидеров.

Рис.4: Установка для забивки сваи с обратным гребнем

Рис.5: Свая с гребенкой вперед

Что касается установки свай в воде, то сваебойную установку можно использовать для установки свай в воде, поместив ее на понтон или поводок, закрепленный на скрепленных рамах, установленных на понтоне, как показано на рисунке 6.

Рис.6: Сваебойная машина, установленная на понтоне

Более того, очень важно уделять должное внимание положению и выравниванию лидера, так как любое его расположение приведет к ударным эксцентрическим ударам молотка, в конечном итоге свая будет либо повреждена, либо смещена из исходного положения.

Кроме того, были предприняты усилия по повышению эффективности забивной сваебойной машины, и Delmag MDT 0802, которая обладает широким диапазоном регулировок с большой способностью к перемещению, является убедительным примером.

Машина, на которой закреплен Delmag MDY 0801, представляет собой колесный гидравлический экскаватор, который имеет гидроцилиндры с боковым, передним и обратным наклоном, в дополнение к расположению установки по отношению к оборудованию.

Наконец, можно не только изменить рабочую высоту поводка с помощью телескопирования поводка, но и сложить его на основание, пока машина перемещается с и на строительную площадку.

Рис.7: Сваебойная установка Delmag

Рис.8: Сваебойная установка

Лебедки свайные

Основная цель свайных лебедок - оставить молот и сваи в дополнение к вспомогательным инструментам, которые отвечают за сгребание и вращение лидера. Работает с свайными каркасами и различными источниками энергии, такими как гидравлическая энергия, ручей; дизель; или бензиновые двигатели, а иногда и электродвигатели могут применяться для приведения в действие лебедок.

Существуют разные сваебойные лебедки с разной грузоподъемностью, например, лебедки с двойными или тройными барабанами обладают удовлетворительной скоростью управления и забивки сваи, тогда как одна барабанная лебедка не имеет этого преимущества. Таким образом, предпочтение отдается первому типу при условии, что требуется перемещение и забивка свай с большой скоростью.

Поводок подвесной

Подвесные поводки специально разработаны для подвешивания на стреле крана, как показано на Рисунке 9. Стальная стойка, которая его длина может изменяться в соответствии с требованиями строительной площадки, обеспечивает жесткое соединение от лидера стопы к раме станины.

Рис.9: Поводок для подвешивания

Кроме того, используются блоки лебедки крана или экскаватора, чтобы оставить молот и сваи с помощью отдельных барабанов. Что касается применения молота, рассматривается либо ударный молот с фрикционной лебедкой, либо он может работать с использованием потока, гидравлической энергии или сжатого воздуха, которые поставляются различными агрегатами.

Наконец, крайне важно соблюдать максимальные меры предосторожности в отношении жесткости подвесного поводка, особенно в случае забивки сваи с длинным уклоном, поскольку недопустимая деформация может привести к эксцентрическому удару молота и, возможно, вызвать разрушение сваи.

Направляющие молотка

Когда предполагается полностью удалить подвесные поводки или свайные рамы, следует рассмотреть подвесные канатные поводки, которые обычно направляются деревянной или стальной опалубкой.

В этой технике требуется независимый кран для управления сваей и установки направляющей и молотка. необходимо правильно установить и закрепить направляющую, чтобы избежать перемещений именно во время установки сваи сгребанием. Это связано с тем, что в случае неправильного центрирования тяги может возникнуть серьезное усталостное напряжение, и направляющая может выйти из строя.

Наконец, необходимо предотвратить развитие непропорционального напряжения изгиба в направляющей и сваях, поскольку это приводит к нежелательным результатам. например, когда тяжелый молоток прикреплен к верхнему концу длинной сваи, которая приводится в движении плоского угла рейки, чрезмерное напряжение изгиба может быть сформировано в точке опоры в направляющей. Эту проблему можно решить, обеспечив подходящую опору для сваи в правильном положении.

Рис.10: Поводок с направляемой и подвешенной на тросе поводкой для дизельного сваебойного молота Delmag

Отбойный молоток

Есть несколько факторов, которые сильно влияют на решение о выборе подходящего свайного молота.Например, размер и вес сваи, сопротивление грунта, которое необходимо преодолеть, чтобы получить заданное проникновение, доступность места на строительной площадке, ограничение шума, которое может быть наложено на определенных участках, и доступность кранов.

Раньше для выбора сваебойного молота использовалось сочетание результатов динамического уравнения и обширного опыта, но в настоящее время это изменилось, и результаты анализа ходовых качеств, которые проводятся с использованием компьютерной программы на основе волнового уравнения Смита, учитываются при определении сваебойного молота.

Что касается исходных данных, необходимых для анализа проходимости, производитель сваебойного молота предоставил необходимые данные об эффективности и энергетических характеристиках этого молота. Следует иметь в виду, что эффективность свайного молота не является постоянной величиной и зависит от ряда факторов, например, от механического состояния молота и рабочей температуры.

Следует знать, что механическое состояние не влияет на эффективность сваебойного молота. Поэтому проводится динамический анализ сваи, результаты которого будут использоваться для оценки влияния различных факторов на эффективность свайного молота.

Существуют различные типы свайных молотов с различными энергетическими характеристиками, каждый из которых подходит для конкретных условий строительства. различные распространенные типы свай вместе с их описанием, применением и преимуществами приведены в таблице 1:

Таблица-1: Различные типы ударных свай с их описанием, применением, преимуществами и недостатками

Отбойный молоток, рисунок 11

Описание свайного молотка Заявка Преимущества Недостатки
это кованая сталь с твердой массой от 1000 до 5000 кг, оснащенная подъемной проушиной и проушинами для скольжения в поводках Применяется для установки тестовых свай Его применение устраняет необходимость в использовании парового котла или воздушного компрессора для приведения в действие молота, поэтому это экономичный выбор. Невозможно должным образом контролировать высоту падения молота на строительной площадке, и можно использовать существенное падение, когда забивка становится жесткой и, следовательно, возможно повреждение сваи

Паровой или пневматический молот одностороннего действия, Рисунок 12

Описание Заявка Преимущества Недостатки
Состоит из массивных диапазонов веса от 2500 до 20000 кг, имеет форму цилиндра, а источник энергии поднимает молот на заданную высоту, после чего мощность снижается, чтобы уронить молот и поразить сваевой шлем.Максимальная высота молота составляет 1,37 м, в случае тяжелой сваи - не более 1,2 м Используется для размещения свай разного веса в разных типах грунтов и подходит для установки свай в морской среде Высота падения и частота каждого падения может регулироваться оператором, Возможен разрыв сваи при превышении указанной высоты ударником

Свайный молот двойного действия, рис.13

Описание Заявка Преимущества Недостатки
Свайный молот двойного действия приводится в действие паром или сжатым воздухом, а его масса составляет от 90 до 2300 кг.Молоток Vulcan является примером молота двойного действия. Свая опирается на деревянный каркас. Применяется для установки шпунтовых свай и обеспечивает быстрое чередование ударов. Может использоваться для сноса горных пород для извлечения свай Он специально разработан для нанесения множества ударов за короткое время. 300 ударов в минуту для легкого молота и 100 ударов в минуту для тяжелого молота Требуется обслуживание и смазка

Дизельный свайный молот, рисунок 14

Описание Заявка Преимущества Недостатки
Питается от самовоспламенения сжатой топливно-воздушной смеси.Существуют разные виды таких молотов с разной массой от 4500 до 15000 кг. Наконец, это достаточно надежный тип молота и различные типы свай, такие как шпунт, свая и двутавровые балки. Правильно забивает сваю в мягких грунтах Экономичный и автономный. Обеспечивает более продолжительный удар, чем обычные удары Может повредить сборную железобетонную сваю, когда прочный слой поднимется по мягкому грунту. Подходит не для всех условий грунта.

Гидравлический молот, рисунок 15

Описание Заявка Преимущества Недостатки
Гидромолот выпускается разных и больших размеров, от умеренных до тяжелых. Гидравлическая жидкость поднимает сваю, а затем отпускает ее, чтобы она могла свободно упасть на сваю в дополнение к включению силы хода вниз.Молотом можно управлять не только вручную, но и автоматически. Подходит для забивки свай на суше и в воде на глубину до 1000 м. Он создает меньше шума и вибрации по сравнению с дизельным молотом и не выделяет дымов

Рис.11: Работа с ударным молотком

Рис.12: Молоток одностороннего действия

Фиг.13: Молоток двустороннего действия

Рис.14: Дизель-молот

Рис.15: Гидравлический молот

Шлем, кепка, тележка и упаковка

Шлем представляет собой стальное литье, которое помещается поверх сваи, чтобы удерживать тележку, которая помещается между сваей и молотком, чтобы избежать повреждения головки сваи, которое может быть вызвано ударным молотком.

Долли, квадратная снизу и круглая вверху, помещается в квадратное углубление наверху шлема.Существуют различные типы тележек, например, тележки из вяза, лиственных пород, таких как дуб; greenheart и pyinkado, и их выбор зависит от движущей силы.

Что касается набивки, то ее помещают между вершиной сваи и шлемом, чтобы защитить его от удара молотком. Различные типы упаковки включают бумажные мешки, тонкие деревянные листы, кокосовые орехи и опилки в мешках.

Что касается забивного колпака, то он предназначен для защиты стальных несущих свай.Необходимо плотно установить заглушку, иначе заглушка будет повреждена. Вот почему он снабжен углублением для тележки из твердой древесины или пластмассы и стальными клиньями для плотной фиксации крышки на ее месте.

Наконец, нельзя избежать серьезного повреждения головки сваи и поломки молотка, если для тележек и набивки не будет выбран соответствующий материал и подходящая толщина.

Рис.16: Надетый шлем, кепка, тележка и упаковка

Фиг.17: Установленные шлем, тележка и упаковка

Подробнее:

Устройство свайного фундамента методом прямой циркуляции грязи

Типы свай по способу строительства

Выбор свайного фундамента в зависимости от грунтовых условий

Определение осадки свай испытанием под нагрузкой

Бетонирование свайных фундаментов - удобоукладываемость и качество бетона для свай

.

Моделирование динамики крена корабля и его связи с качающейся и креновой каскадой

Для изучения динамического поведения судов, плавающих в суровых условиях окружающей среды, необходимо разработать их управляющие уравнения движения с учетом нелинейности, присущей кораблю большой амплитуды. движение. Целью данной статьи является представление связанных нелинейных уравнений движения по вертикали, крену и тангажу на основе физических оснований. Ингредиенты препарата состоят из трех основных компонентов.Это силы и моменты инерции, восстанавливающие силы и моменты, а также силы и моменты демпфирования с упором на момент демпфирования крена. При формулировке восстанавливающих сил и моментов влияние движения корабля большой амплитуды будет учитываться вместе с волновыми нагрузками океана. Частные случаи связанных уравнений движения по крену-тангажу и чисто крену получаются из общей формулировки. Работа включает оценку стохастической устойчивости крена и вероятностные подходы, используемые для оценки вероятности опрокидывания и идентификации параметров.

1. Введение

Как правило, корабли могут испытывать три типа смещающих движений (качка, качание или дрейф и нагон) и три угловых движения (рыскание, тангаж и крен), как показано на рисунке 1. Общие уравнения движения были разработаны либо с помощью уравнения Лагранжа (см., например, [1–4]), либо с использованием второго закона Ньютона (см., например, [5–7]). Для получения гидростатических и гидродинамических сил и моментов, действующих на судно, в литературе использовались два подхода.Первый подход основан на математическом развитии, основанном на разложении Тейлора силовой функции (см., Например, [8–12]). Вторая группа использует интеграцию гидродинамического давления, действующего на смачиваемую поверхность корабля, для получения внешних сил и моментов (см., Например, [13–18]). Устойчивость к опрокидыванию при сильном волнении - одно из основных требований при проектировании судов. Опрокидывание связано с экстремальным движением корабля и волнами. Из шести движений корабля колебание крена является наиболее важным движением, которое может привести к опрокидыванию корабля.При малых углах крена реакцию судов можно описать линейным уравнением. Однако по мере увеличения амплитуды колебаний в игру вступают нелинейные эффекты. Нелинейность может увеличивать небольшие изменения возбуждения до точки, в которой возвращающая сила способствует опрокидыванию. Нелинейность обусловлена ​​характером восстанавливающего момента и демпфирования. Нагрузки окружающей среды нелинейны и не зависят от дизайнера. Нелинейность восстанавливающего момента зависит от формы диаграммы правого плеча.


Abkowitz [19] представил значительное развитие сил, действующих на корабль при колебаниях, колебаниях и рысканьях. Он использовал разложения гидродинамических сил серии Тейлора относительно крейсерской скорости движения вперед. Формулировка привела к неограниченному количеству параметров и может моделировать силы с произвольной степенью точности. Таким образом, его можно свести к линейным и распространить на нелинейные уравнения движения. Позже Абковиц [20, 21], Хванг [22], Келлстрё ِ м и Остром [23] предложили различные подходы к оценке коэффициентов этих моделей.Сон и Номото [24] расширили работу Абковица [19], включив движение крена корабля в расчет сил и моментов, действующих на корабль. Росс [25] разработал нелинейные уравнения движения корабля, маневрирующего на волнах, используя формулировку интеграла свертки Кирхгофа [26] для добавленной массы. Уравнения Кирхгофа [26] представляют собой набор соотношений, используемых для получения уравнений движения из производных кинетической энергии системы. Они являются частными случаями уравнений Эйлера-Лагранжа. Полученные уравнения также дают силы Кориолиса и центростремительные силы [27, 28].

Ронг [29] рассмотрел некоторые задачи о слабых и сильных нелинейных морских нагрузках на плавучие морские конструкции. Слабая нелинейная задача рассматривает гидродинамические нагрузки на морские конструкции из-за взаимодействия волны с потоком и телом. В сильной нелинейной задаче рассматриваются ударные нагрузки, действующие на обычные и быстроходные суда. Разработаны теоретические и численные методы анализа влияния волнового взаимодействия на структуру большого объема. Теория основана на согласовании локального решения с решением для дальней зоны.Известно, что движения корабля с большой амплитудой приводят к сильно нелинейному, даже хаотическому поведению [30]. Современные тенденции к созданию высокоскоростных судов с уникальным корпусом для коммерческого и военного применения увеличили потребность в надежных математических подходах для изучения динамики этих инновационных кораблей.

Различные модели качения, содержащие нелинейные члены в демпфирующих и восстанавливающих моментах, изучались многими исследователями [31–33]. Басс и Хаддара [34, 35] рассмотрели различные формы момента демпфирования крена и представили два метода для определения параметров различных моделей вместе с методологией их оценки.Тайлан [36] продемонстрировал, что различные формулировки нелинейного демпфирования и восстанавливающего момента, описанные в литературе, привели к совершенно разным амплитудам крена и, кроме того, к различным характеристикам остойчивости корабля. Поскольку опрокидывание корабля сильно зависит от величины крена, точная оценка демпфирования крена имеет решающее значение для прогнозирования реакции корабля. Кроме того, проектировщику следует учитывать влияние волн на гашение крена, особенно нелинейное гашение крена при крене большой амплитуды, и, следовательно, на остойчивость судна.

Различные модели демпфирующего момента, введенного в уравнение качения, были предложены Далзеллом [37], Кардо и др. [38], а также Матисен и Прайс [39]. Они содержат линейно-квадратичные или линейно-кубические члены для угловой скорости качения. Эль-Бассиуни [40] изучал динамическое поведение качки судов, рассматривая различные формы демпфирующих моментов, состоящих из линейного члена, связанного с излучением, вязким демпфированием, и кубического члена, обусловленного сопротивлением трения и завихрений за килями и твердыми углами трюма .

В данной статье представлен вывод уравнений движения на основе физических основ. Затем уравнения движения будут упрощены, чтобы учесть сцепление по валку и тангажу, которое очень важно при изучении проблемы опрокидывания судна. Он начинается с базовой истории и терминологии, обычно используемой в морской технике. Затем следует учитывать гидростатику судов в спокойной воде и соответствующий вклад морских волн. Учет нелинейного демпфирования при колебаниях крена судна будет сделан на основе основных результатов, представленных в литературе.Документ включает обзор динамической устойчивости судна по крену и ее стохастических режимов, вероятностные методы, используемые при оценке опрокидывания судна, и идентификацию параметров.

2. Предпосылки и терминология

Необходимо знать терминологию военно-морской архитектуры. Сюда входят ключевые термины по остойчивости, которые используются при проектировании и анализе навигационных судов и их структурных элементов. Список основных терминов приведен в приложении. Термины, описанные в этом разделе, выделены курсивом.Цель этого раздела - познакомить с фундаментальной концепцией гидростатической устойчивости судна при крене.

Плавучий корабль вытесняет объем воды, вес которого равен весу корабля. Корабль будет поддерживаться силой, равной весу вытесненной воды. Метацентр , показанный на рисунке 2 (а), является точкой, через которую плавучие силы действуют под небольшими углами к крену . Под этими небольшими углами центр плавучести имеет тенденцию следовать дуге, образуемой метацентрическим радиусом , который представляет собой расстояние между метацентром и центром плавучести .По мере изменения осадки судов метацентр перемещается вверх с центром плавучести , когда осадка увеличивается, и наоборот, когда осадка уменьшается. Для устойчивости при малых углах предполагается, что метацентр не перемещается.

Центр плавучести - это точка, через которую выталкивающие силы действуют на смачиваемую поверхность корпуса . Положение центра плавучести меняется в зависимости от положения судна в воде.Когда судно увеличивает или уменьшает свою осадку (вытягивание или вытягивание), его центр плавучести перемещается вверх или вниз, соответственно, вызванный изменением вытесняемой воды. Поскольку судно указывает , центр плавучести перемещается в направлении, управляемом изменяющейся формой подводной части корпуса , как показано на Фигуре 2 (b). Для малых углов центр плавучести перемещается в сторону того борта корабля, который становится все более погружаемым.Это верно для малоугловой остойчивости и для судов с достаточным надводным бортом . Когда ватерлиния достигает уровня главной палубы и перемещается над ней, относительно меньший объем корпуса погружается на нижнюю сторону на каждый сантиметр движения, когда вода поднимается по палубе. Центральная плавучесть теперь начнет возвращаться к центральной линии.

Когда судно катится, его центр плавучести смещается от средней линии. Однако центр тяжести остается на центральной линии.Для малых углов крена до , в зависимости от геометрии корпуса , правый рычаг подходит для Видно, что чем больше высота метацентра , тем больше правый рычаг и, следовательно, больше сила, восстанавливающая сосуд (восстанавливающий момент ) в вертикальное положение. Когда метацентр находится в центре тяжести или очень близко к нему, тогда у судна может быть постоянный крен из-за отсутствия адекватного переднего плеча.Обратите внимание, что это может произойти во время операций загрузки. Наихудший случай имеет место, когда метацентр расположен существенно ниже центра тяжести, как показано на рисунке 3. Эта ситуация приведет к опрокидыванию корабля . Пока метацентр расположен выше центра тяжести, правый рычаг имеет стабилизирующий эффект, возвращая корабль в его нормальное положение. Если, с другой стороны, правый рычаг сместится ниже центра тяжести, корабль потеряет устойчивость к качению и опрокинется на .


Гидростатические и гидродинамические характеристики судов претерпевают изменения из-за переменного подводного объема, центров плавучести и распределения силы тяжести и давления. Другим фактором является влияние поступательной скорости на устойчивость и движение судна, особенно на качение в синхронных волнах луча . Тайлан [41] исследовал влияние скорости движения, увеличивая ее значение и определяя реакцию на крен в каждом интервале скорости.Было обнаружено, что различные характеристики кривой для выбранного испытательного сосуда систематически меняются.

Устойчивость судна к опрокидыванию обычно измеряется с помощью диаграммы устойчивости, показанной на рисунке 4. На диаграмме показана зависимость правого рычага от угла крена (, список ), и она является важным руководством по конструкции для обеспечения устойчивости к качению.


Колебание судна по крену связано с восстанавливающим моментом для стабилизации судна относительно оси, определяемой выражением где - вес воды водоизмещающего объема корабля, равный весу корабля.Если корабль испытывает наклонное движение под углом, восстанавливающий рычаг будет подниматься с приращением. В случае, если момент рулона нетто становится равным Обратите внимание, что статическая устойчивость регулируется минимальным значением, которое должна иметь высота метацентра, и формой кривой статической устойчивости по отношению к углу крена. Этот подход до сих пор применяется при оценке критерия устойчивости. С другой стороны, подход к динамической устойчивости основан на уравнении качения.Это включает в себя создание модели корабля, плывущего в реалистичном море. Параметры линейного восстановления могут быть легко получены из судовой гидростатики.

Кривая для восстанавливающего плеча, известного также как восстанавливающий рычаг, была представлена ​​полиномом нечетного порядка с точностью до разной степени [42–45]. В литературе предлагались различные представления восстанавливающего момента. Например, Робертс [46, 47], Фальзарано и Чжан [48], Хуанг и др. [49], и Сеньянович и др. [50] представлен полиномом где `` и для поврежденного сосуда, но для целого.Мощук и др. [51] предложил следующее представление: где - угол опрокидывания, а функция учитывает разницу между точной функцией и.

3. Уравнения вертикальной качки-крена

Рассмотрим корабль, находящийся в состоянии статического равновесия с погруженным объемом. Во время движения его мгновенный погруженный объем равен, а разница погруженного объема составляет. Инерциальная система координат осей имеет единичные векторы, и вдоль -, - и -осей, соответственно.С другой стороны, каркас тела, который движется вместе с кораблем, имеет единичные векторы, и по осям -, - и, соответственно. На рис. 5 показан мгновенный центр плавучести, расположенный в точке, и соответствующая мгновенная сила равна. Вес корабля. В этом случае мгновенная восстанавливающая гидростатическая сила равна Момент восстановления - это результат между моментами веса и мгновенной плавучести. где - объем бесконечно малой призмы высоты,, - расположение центра масс от,,,, - вертикальная координата центра тяжести, и - вертикальная координата центра тяжести погруженного объема, и - координаты элементарной призмы в мгновенной плоскости относительно инерциальной системы отсчета.Подстановка этих параметров в (3.2) дает Высота элементарной призмы может быть записана в терминах вертикального смещения начала координат над уровнем воды, углов тангажа и крена, как Изменение громкости Вышеупомянутые суммы зависят от, и. Они представляют следующие геометрические свойства:

.Конструкция контроллера шага

ветряной турбины на основе нелинейного управления PI / PD

В этой статье проанализировано и обсуждено нелинейное управление шагом PI / PD для конструкции контроллера шага системы преобразования энергии ветра (WECS). Нелинейный контроллер PI / PD состоит из классического контроллера PI / PD и таблицы нелинейных коэффициентов усиления. В этой статье приведены подробные процедуры проектирования контроллера, включая не только выбор параметров управления, но и формулировку таблицы нелинейных коэффициентов усиления. Чтобы проверить эффективность и правильность алгоритма, была создана детальная испытательная платформа моделирования мощностью 2 МВт на основе среды MATLAB / SIMULINK.Между тем были получены и ценные выводы. Представленное содержание этой статьи имеет справочную ценность и руководящее значение для практического инженерного применения.

1. Введение

Поскольку глобальная климатическая проблема становится все более заметной, а невозобновляемые источники энергии потребляются в значительной степени, исследованиям и использованию возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнечная энергия, уделяется большое внимание. Как наиболее быстрорастущие возобновляемые источники энергии в последние годы [1–4], ветроэнергетика является наиболее распространенной в прибрежных регионах, охватывающих умеренный и бореальный климат.Такие страны, как Китай, США, Дания и Канада, обладают значительным потенциалом ветроэнергетики из-за высокой средней скорости ветра [5–8]. Следовательно, исследования и разработки в области ветроэнергетики в настоящее время имеют большое практическое значение. По сравнению с энергосистемой с постоянной скоростью и постоянной частотой, самым большим преимуществом широко используемой ветроэнергетической системы с переменной скоростью и постоянной частотой является возможность получить доступ к максимальному преобразованию энергии. Основные модели производства электроэнергии с переменной скоростью и постоянной частотой включают индукционный генератор с двойным питанием (DFIG) и синхронный генератор с постоянными магнитами (PMSG).По сравнению с DFIG, PMSG обладает многими превосходными характеристиками, такими как более эффективная работа, более высокая надежность и более широкий диапазон регулирования скорости, и постепенно становится лучшим выбором [9]. Поэтому для исследования в этой статье был выбран WECS на основе PMSG.

Как показано на рисунке 1, в зависимости от скорости ветра рабочую область WECS обычно можно разделить на две области, а именно: область частичной нагрузки, которая имеет скорость ветра ниже номинальной скорости ветра, и область полной нагрузки, которая имеет скорость ветра. скорость ветра выше номинальной.В области частичной нагрузки цель управления ветроэнергетической системой обычно состоит в том, чтобы улавливать максимум энергии ветра для достижения максимальной экономической выгоды. В это время область частичной нагрузки также может называться областью отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). В зоне полной нагрузки винт с регулируемым приводом особенно важен. В это время выходная мощность генератора ограничена на номинальном значении регулятором шага, так как мощность генератора и преобразователя ограничена [10, 11].Кроме того, регулировка шага также необходима в некоторых особых рабочих условиях, таких как ограниченное управление мощностью при номинальной скорости ветра, переход низкого напряжения в энергосистеме, энергосистему необходимо вводить в инерцию и снижать нагрузку на ветряную турбину. Между тем, отмечается, что регулировка высоты тона также может сглаживать мощность [12]. В этой статье основное внимание уделяется регулировке тангажа выше номинальной скорости ветра.


На рисунке 2 показана система с регулируемым шагом. Очевидно, что на рисунке 2 (a) показано действие лопастей при регулируемом шаге, а на рисунке 2 (b) показана система привода с регулируемым шагом в ступице ветряной турбины.Система привода с регулируемым шагом состоит из шкафа привода с регулируемым шагом, привода с регулируемым шагом, аварийного источника питания, подшипников и систем смазки с регулируемым шагом. Система управления шагом и система связи находятся в шкафу привода шага. Как правило, контроллер высоты тона и главный контроллер связаны оптоволоконной связью. В этой связи обычно используются протоколы PROFIBUS или CANopen. Обычно мастер-контроллер отправляет инструкции по высоте тона контроллеру высоты тона и одновременно получает от него важную информацию.Когда инструкции получены, контроллер шага начинает управлять операционной системой привода переменного шага.

В настоящее время исследования по управлению с переменным шагом в основном включают две основные категории: линейное управление и нелинейное управление. Исследование линейного регулятора в основном включает управление PI / PD, регулятор H ∞ с линейным матричным неравенством [13], линейно-квадратичное гауссовское управление LQR [14] и обобщенное прогнозирующее управление (GPC) [15]. Нелинейное управление в основном содержит LPV-управление [16] и некоторые интеллектуальные методы управления, такие как нечеткое управление [17].Поскольку ветряная турбина представляет собой систему с множеством входов и выходов, содержащую сильно нелинейную динамику, эффект нелинейного управления лучше, чем линейного управления. Принимая во внимание сложность алгоритма, наиболее часто применяемыми контроллерами в технике по-прежнему остается управление PI / PD. Таким образом, конструкция регулируемого воздушного винта с нелинейным PI / PD-регулятором с учетом нелинейных характеристик ветряной турбины стала ключевой. Итак, в данной статье это является предметом исследования и резюмируются некоторые ценные выводы.И это исследование также может предоставить необходимые справочные материалы и руководство для последующей инженерной практики.

Структура этого документа следующая: динамическая модель и структура WECS кратко представлены в Разделе 2. В Разделе 3 подробно описывается конструкция контроллера, включая настройку параметров контроллера и расчет нелинейного усиления. В Разделе 4 проверка нелинейного контроллера PI / PD исследуется с использованием симулятора MATLAB / Simulink. Наконец, в разделе 5 представлены некоторые полезные выводы.

2. Математическая модель WECS

WECS в основном состоит из ветряной турбины, цепи передачи, синхронного генератора с постоянными магнитами, преобразователя на стороне генератора, шины постоянного тока и инвертора на стороне сети. Его структура представлена ​​на рисунке 3.


2.1. Модель ветряной турбины

Основываясь на теории Баеза, аэродинамическая мощность и крутящий момент ветряной турбины равны [18–22], где - плотность воздуха, - радиус ветрового колеса, - скорость ветра, - угол тангажа, - скорость ветряной турбины, - это коэффициент конечной скорости (TSR), который определяется как коэффициент преобразования энергии ветра.Базовый коэффициент мощности ветровой турбины 2 МВт показан на рисунке 4. Очевидно, это функция и.


Передаточное отношение конечной скорости равно

2.2. Динамическая модель PMSG

Если PMSG должен был быть идеальным двигателем, он должен соответствовать следующим критериям: (1) трехфазные статоры симметричны. (2) индуцированная электродвижущая сила синусоидальна. (3) демпфирующая обмотка отсутствует. на роторе (4) магнитным насыщением железного сердечника, вихря и гистерезисными потерями можно пренебречь.(5) электронная проводимость материала постоянного магнита равна нулю.

При этом предположении математическая модель PMSG [23, 24] имеет вид

Электромагнитный крутящий момент задается где: d ось и q ось, сопротивление статора, сопротивление статора, постоянный поток , - пары полюсов, - скорость PMSG, и составляют токи d -оси и q -осные токи, соответственно, и и составляют напряжения d -оси и q -осные напряжения, соответственно.

Поскольку встречается несуществующий PMSG, математическая модель PMSG имеет условия связи, например, согласно уравнению (3).

Учитывая Математическую модель PMSG можно переписать как

Вышеупомянутая формула также может быть переписана в передаточную функцию.

На рисунке 5 показан внутренний контроль тока. Передаточная функция замкнутого контура тока или крутящего момента может быть получена на рисунке 5. И передаточная функция замкнутого контура также может быть принята как инерциальная система первого порядка.

.

Смотрите также