GP из труб уменьшенного диаметра

[Кукин Николай Николаевич]

Предлагаю вниманию любителей конструкцию вертикальной штыревой антенны, сконструированной по принципу струнной балки. Хотя подобные конструкции примняются в антенном строительстве достаточно давно, я не встречал описания таких антенн в любительской практике на КВ, поэтому решил восполнить этот пробел.
Предварительное напряжение ствола позволяет применить для штыревой антенны трубки несколько меньшего диаметра при сохранении требуемой жесткости и прочности антенны в целом.
В предлагаемой антенне на 7 мс несущий ствол разбит на 3 секции. Алюминиевая трубка нижней секции в расчете принята диаметром 25х2,5мм, средней секции – 20х2 мм, верхней секции 16х2 мм.
Предварительное напряжение каждой секции создается 4 стяжками из стальной проволоки диаметром 2 – 2,5 мм (биметалл).
Распорки (шпренгели) необходимо выполнять из металла сечением порядка диаметром 10 мм (трубка ) или уголок порядка 15х2. (алюминий).
Обязательные условия – шпренгели должны жестко ( хомутами) быть соединены со стволом мачты, а стяжки после натяжения должны быть жестко связаны с распорками зажимами.
Проволока для стяжек должна быть предварительно вытянута усилием порядка 70-100 кГ.
Контролируемое усилие натяжения каждой струны порядка 2,5-3 кГ.
Каждую секцию перед монтажом можно испытать в горизонтальном положении, оперев концами на упоры, подвешивая в центре (к распорке - шпренгелю) груз ступенями по 6-8 кГ.
Контрольная нагрузка, при которой ступень не должна потерять устойчивость для нижней ступени порядка 24 кГ, для средней ступени – 16 кГ.
Всего предусмотрено 2 яруса оттяжек. Конструкция расчитана на более тяжелое обледенение, чем было в прошлом году.
Здесь изложена основная идея создания достаточно прочной конструкции из тех материалов, примение которых ранее приводило к разрушению антенны аналогичных размеров.
Естественно я ее не прогонял в Мане, поэтому тот, кто захочет ее воплотить в жизнь, должен будет предварительно просчитать в Мане.
Николай.

[RW6BA]

Приветствую Вас Николай! А вот такой вариант не рассматривали? Мне кажется можно обойтись и без растяжек.

[R3DN]

В одном из номеров журнала "Радио", кажется в пятидесятые годы, была статья на эту тему. Там была опубликована мачта для телеантенны, без растяжек. Очень похожа на рисунок RW6BA.

[Кукин Николай Николаевич]

Всем GD!
С запозданием, но ладно.
Николай, то, что предложил RW6BA , безусловно способно стоять без растяжек, но при определенных условиях.
Это прежде всего жесткое (не допускающее поворотов) закрепление трубы в основании (защемление). Второе требование – это должна быть обеспечена прочность стержня на изгиб в нижнем сечении в точке защемления. При общей высоте антенны порядка 10-11 м сечение получается нехилое – порядка 50-60 мм в диаметре. И по кинематической схеме это сечение должно быть сохранено в пределах нижней преднапряженной секции, т.е. фактически 2/3 высоты всей антенны. То есть выгоды по уменьшению сечения труб практически только на 1/3 высоте антенны.
Именно поэтому в предлагаемой мной конструкции применяется вантовое раскрепление( растяжки), что позволяет прилично уменьшить диаметры труб.
Обращаю Ваше внимание на соблюдение следующих основных требований при разработке конструкций, имеющих сжатые и сжато-изогнутые элементы.
Когда возможные начальные выгибы сжатого элемента конструкции превышают размеры ядра сечения, то при приложении сжимающей силы вдоль оси стержня элемент будет изгибаться.
Размеры ядра сечения зависят от его геометрических размеров и формы. Для кольцевого сечения этот размер вычисляется по простой формуле: Rя=(D^2+d^2)/8D, где D,d наружный и внутренний диаметр кольцевого сечения. Легко увидеть, что максимальное значение его не может превышать D/4. К чему это приводит? А к тому , что при диаметре трубы порядка 20 мм трубка длиной 4-5 м всегда будет иметь выгиб (отклонение от прямой, соединяющей концы трубы), выходящий за пределы ядра сечения. Таким образом при попытках раскрепить вертикально поставленную трубку растяжками ее всегда будет изгибать.
Второй очень важный критерий – так называемая гибкость элемента – это безразмерная величина, равная отношению длины элемента с учетом его закрепления на концах к радиусу инерции сечения. Это понятие напрямую вытекает из формулы, определяющую величину критической силы перехода центрально сжатого стержня из сжатого состояния в сжато-изогнутое. Впервые получена Эйлером, поэтому и получила название эйлеровой силы.
Действующими строительными нормами величина гибкости стальных элементов ограничена значением порядка 400, алюминиевых – порядка 200. Кстати, при величинах гибкости, близких к этим значениям, формула Эйлера соблюдается практически точно для абсолютно прямых стержней. Радиус инерции кольцевого сечения вычисляется по следующей простой формуле: Rи=((D^2+d^2)^(1/2))/4.
Легко увидеть, что предельное максимальное значение радиуса инерции для кольца с очень тонкой стенкой имеет величину порядка D/2,8.
Сама формула Эйлера проста до безобразия и выглядит для потери устойчивости по первой форме (одна полуволна) Pкр= (4*pi^2*E*J)/L^2, где pi=3,1415926, E - модуль упругости (модуль Юнга)материала, J – момент инерции поперечного сечения стержня, L- расчетная длина стержня сжатого стержня.
Для стали E=2*10^6кГ/см2, для алюминия 700000кГ/см2.
Момент инерции кольцевого сечения J=(D^4-d^4)*(pi/64) (см4).
Расчетная длина определяется с учетом характера закрепления стержня. При шарнирном закреплении равна расстоянию между точками крепления.
Вот по этим формулам легко подсчитать критические силы для трубчатых элементов, применяемых при конструировании штыревых антенн и убедиться в том, что труба постоянного сечения по длине, раскрепленная оттяжками должна иметь сечение порядка 40-50 мм при длине до 10 м. Сравнивая с этим размером легко увидеть, что дало предварительное напряжение с устройством шпренгельной конструкции.
Фактически правила конструирования шыревых антенн можно свести к одному правилу, которое просто, но сурово: длительно способна стоять в вертикальном положении конструкция, которую удалось поднять из горизонтального положения в вертикальное, потянув только за одну точку. Легко убедиться простыми расчетами, что гибкость такой конструкции не превысит величины порядка 150. Превышение этой величины требует нескольких ярусов раскрепления и выполнение дополнительного ряда требований.
Другой вариант исполнения – труба с изменяющимся по длине сечением. Предельный вариант – это гибкая конструкция по поведению близкая к удочке. Если такую потребуется раскреплять растяжками, то крепить следует только в одной точке (один ярус) на высоте, где гибкость опять же будет близка или менее величины 150. Но болтаться она будет от ветра очень нехило.
Пока наверно все.
Николай.