Инженера Н. М. Чижикова.
Как известно, встречающиеся в настоящее время в радиотелеграфной практике постоянные железные мачты можно подрасделить на три различные между собою типа, а именно: a) башни типа Эйфеля, b) мачты типа Науен и c) стальные трубчатые мачты.
Наиболее надежным типом из них принято считать первый, как не требующий никакого надзора и ухода за собою, могущий быть установленным на сравнительно очень малой площади, не требующий применения оттяжек и других дополнительных обустройств для своей установки и т. д., но зато с отрицательной стороны — обладающий очень большой массой металла, огромным весом и требующий значительных затрат на свое сооружение.
Настоящая статья является шагом к тому, чтобы, оставляя в принципе общую форму конструкции и ее положительные данные, уменьшить по возможности последние из приведенных выше факторов, попутно выяснив условия для более легкой и быстрой сборки конструкции на месте, предоставляя всю предварительную работу в мастерских по готовым, заранее расчитанным шаблонам.
Посему, предлагаемые мною изменения в основную конструкцию сводятся в общих чертах к следующему: a) мачта состоит не из трех решеток, замыкающих в плане треугольник, как часто встречающийся тип башен Эйфеля, а только из двух пересекающихся, имеющих в плане вид креста; b) почти все заклепочные соединения заменены болтовыми; причем в тех местах, где возможна некоторая игра, против саморазбалчивания применены распорные шайбы Гровера, Тер-Ованесова или другие; c) широкое полосовое железо внутренних частей (поясов и раскосов) заменено круглым — незначительного диаметра. Ноги же мачты выполняются из обыкновенных швеллеров невысокого номера, последовательно наращиваемых и свариваемых между собою ацетиленово-кислородным способом (в крайнем случае, конечно, можно применить и соединение заклепками). Пояса и раскосы имеют на концах винтовую нарезку и помощью гаек наглухо свинчиваются с ногами. В пересечении обе фермы мачты соединяются помощью четырех уголков, стягиваемых также болтами, расположенных в направлении оси сооружения; подробно это будет показано ниже. Внизу все четыре ноги заливаются в бетонные подушки, соответствующего об'ема, играющие также роль противовеса для массы мачты; причем в одной из них должна быть допущена некоторая игра, в силу чего данная система уже может расчитываться, как система статически определимая, не взирая на общее закрепление основания.
Подобная конструкция, имеющая вид, представленный на черт. 1, освобожденная от целого ряда фасонных листов и накладок в узлах, серии заклепок в соединениях и т. д., конечно, уже будет иметь вес несравненно меньший, чем таковая же конструкция обычного типа. Сборка ее в силу характера, близко подходящего к разборному, также значительно упрощается. Обе эти причины естественно должны влиять в сторону уменьшения и на общую стоимость сооружения.
Теперь сделаем примерный приближенный расчет работы такой мачты при наличии нагрузок в виде ветра, гололеда, сети и других дополнительных обустройств.
Так как сечения нашей мачты по оси будут подобные в плане фигуры и так как мы будем считать, что нагрузка от ветра распределена равномерно по ее поверхности, то воспользуемся принципом балок равного сопротивления, закрепленных одним концом. Тогда очертание ног каждой фермы будет по полукубической параболе Нейля. Для построения этой фигуры величины ординат найдем из известных выражений:
где v, h, u, l, х — показаны на черт. 2, и v, h, u — суть функции от x.
Пусть далее длина мачты есть l, число панелей — n, причем ширина каждой панели может быть найдена из формулы:
Возьмем самый невыгодный случай нагрузки, когда вес сети (обледенелой) давление ветра, считая по 250 клгр на кв мт (как на одиноко стоящий предмет), направлены в одну сторону. Тогда, как известно, горизонтальная составляющая от веса сети определится из такой формулы:
где G - вес сети, состоящий из веса бронзового канатика, веса G1 гололеда и веса G2 обустройств, l — расстояние между точками подвеса и f — величина провеса проводов.
Нагрузку от ветра по данным опытов мы можем предполагать распределенной в узлах фермы. Причем пользуясь силовым и веревочным многоугольниками, таковую можно заменить одною равнодействующей, обычно проходящей в некотором расстоянии от площади закрепления мачты.
Узловые нагрузки от ветра по тем же данным могут быть найдены из выражения:
где полагаем M - 0,5 , W0 - 250 клгр на кв мт, F — площадь сечения, соответствующего данному узлу участка, передающего давление. Величина F площади определится по формуле:
где Kn — высота панели, a dn — диаметр горизонтального сечения.
Определивши W1, W2, W3, ........ Wn, из силового многоугольника (черт. 3), построенного в каком либо масштабе, найдем величину равнодействующей от ветра, а из веревочного — ее направление
Теперь, зная величины нагрузок, делаем примерный расчет ее частей и затем вычисляем общий вес G сооружения, что на погонный метр высоты мачт даст усилие равное G/l клгр. Нагрузки от веса распределяются, как было сказано выше, на n узлов и могут быть последовательно вычислены.
Далее, пользуясь графическим способом Кремона, можно определить усилия в частях решетки мачты (черт. 4). Хотя опоры заделаны в кладку, мачта все же статически определима — роль подвижной опоры выполняет стержень nh (черт. 1); а потому направление сопротивления опоры B и определится этим стержнем.
Сила ветра плюс горизонтальная составляющая от веса сети получится, как указано; остается только найти третью силу - сопротивление опоры A. Она легко может быть определена из условия, что силы В, W + H и A должны пересекаться в одной точке. По этим данным и строится диаграмма усилий в каком либо масштабе: m см p клгр. Усилия от собственного веса мачты на диаграмме представляются вертикальными проекциями прямых, параллельных стойкам; а в горизонтальных стержнях - горизонтальными проекциями параллельных им прямых. Раскосы же от собственного веса мачты не будут напряжены совсем, так как момент вертикальных сил, действующих на любую часть мачты, отсеченную соответствующим горизонтальным сечением относительно вертикальной оси, на которой пересекаются и стойки, равен нулю.
Зная сопротивление стержней, не трудно найти и сопротивление двух других опор мачты. Так сопротивление опоры B1, будет равно сопротивлению стержня nh, но с обратным знаком, т. е.:
где a — усилие стержня nh от ветра, Ge — от собственного веса.
Сопротивление опоры A1 берем из диаграммы, прибавляя или вычитая составляющую от ветра. Так что:
где b — усилие стержня.
Отсюда об'ем V кладки, необходимой как противовес, полагая вес 1 куб мт ее равным M клгр, на каждую из четырех опор основания будет равен:
где — ( — b — Ge) есть наибольшее значение сопротивления какой либо опоры на растяжение.
Теперь, зная из диаграммы работу (растяжение или сжатие) каждого элемента и действующее на него усилие, не трудно найти и его необходимые размеры.
Болтовые соединения в нашем примере, работающие большею частью на разрыв, придется проверять в такой последовательности. Самый стержень расчитывается на растяжение по формуле:
откуда:
где d — диаметр стержня в мм, P — величина нагрузки в клгр и S — коэффициент безопасной нагрузки = 7 клгр на кв мм (для железа).
Далее диаметр d нарезки болта по Витворту определится по одной из формул:
Наименьшая высота h гайки по диаметру d болта найдется так. Поверхность среза в гайке
= π × d × h, поэтому сопротивление срезу будет равно = π × d × h ×
S2. Сопротивление же болта разрыву = 
. Предполагая
прочность болта разрыву и прочность среза его нарезок одинаковыми имеем:
Если принять, что:
то:
На практике же, ввиду неплотного прилегания нарезок болта и гайки между собою, принимают:
Болты в пересечениях (черт. 5, стр. 310), сдерживающие скольжение одной фермы мачты по другой, расчитываются как балки, закрепленные двумя концами с сосредоточенным грузом посредине. Тогда диаметр d болта определится из формулы:
но в этом случае p × l = P; отсюда:
А затем эти болты должны быть поверены на срезывание по формуле:
откуда:
где S2 — (коэффициент безопасной нагрузки при сдвиге) равен от 4/5 до 1/2 S и P — сила, производящая сдвиг. На единицу площади сечения она не должна превосходить S данного материала. Обыкновенно принимают большее значение K из обоих найденных размеров.
Далее определяем толщину стенки швеллеров. Сила P, стремящаяся прорвать лист, в каждом отдельном случае нам будет известна, так как по величине она противоположна усилиями, действующим на пояса и раскосы, и легко определяется из построенной, диаграммы. Срезываемая площадь есть поверхность цилиндра = π × d2 × m, где d2 — внешний диаметр гайки, m — искомая толщина стенки швеллера. Таким образом:
откуда:
где S3 (при продыравливании) принимается равным 44 клгр на кв мт. Зная толщину m швеллера по таблицам нормального сортамента не трудно найти и потребный номер профили балок.
Этот расчет надлежит проделать главным образом для последней панели, как более других нагруженной.
Определив путем расчета все необходимые размеры частей сооружения, приступают к выполнению их в натуре. Как было уже сказано выше, вся предварительная работа должна быть исполнена в мастерских, куда и должны быть направлены части в виде шаблонов и рабочих чертежей.
Сюда войдут: серия раскосов, серия поясов, на концах которых должны быть сделаны винтовые нарезки и пригнаны гайки (черт. 6). Длины их легко определяются по выстроенной кривой очертания мачты. Затем направляют туда же швеллера для соответствующего выгиба и просверливания дыр; уголковое железо для пересечений (черт. 7) и чертеж головы мачты, о которой подробнее будет сказано ниже. Одновременно с этим можно также приступить к устройству оснований мачты и ее изоляции от земли.
При возведении оснований нужно руководствоваться такими практическими соображениями: 1) плотная скала может подвергаться любому усилию, какое сможет выдержать данное сооружение, 2) грунт из гравия и песка выдерживает нагрузку равную 4 клгр на кв см, или 1,57 пуд на кв д, 3) обыкновенный грунт, но без подпочвенной воды - нагрузку в 2 клгр на кв см, или 0,8 пуд на кв д, 4) в грунтах плывучих слабый грунт заменяется слоем бетона, или же укрепление его производится помощью забивки свай.
Общее число N свай под данное основание на одну пог саж определяется по формуле:
где Q — вес 1 пог саж основания, a R — величина прочного сопротивления одной сваи. Последнее, при величине отказа в 2—4½ д от последнего залога в 30 ударов бабы, принимается:
при условии, что длина сваи не превышает 24 диаметров ее.
Забивши нужное число свай, головы их обрезают под одну плоскость и затем выстраивают сверху так наз. ростверк, а на нем уже возводят основание, как это и показано (черт. 8).
Иногда в случае наличия слабого грунта, верхний слой его снимают и заменяют слоем песка. Глубина H песчаного слоя (черт. 9) от горизонта фундаментного рва определяется в аршинах при высоте сооружения h по такой эмпирической формуле:
Вообще же допустимую нагрузку на всякий грунт возможно определить по формуле Ранкина:
где P — нагрузка в клгр на кв мт поверхности грунта, H — глубина заложения основания в мт, d — вес 1 куб мт грунта в клгр и φ — угол трения грунта (естественного откоса). Для песка φ = 33°.
Как только будет готово основание и залиты в бетон четыре нижних швеллера, приступают к сборке самой мачты, которая производится сразу на все четыре стороны и заключается главным образом в свинчивании раскосов и поясов с ногами сооружения, и затем тотчас же закрепляются помощью уголкового железа места пересечений.
Конечно сборка такой конструкции должна производиться со специально устроенных для этой цели лесов. Причем для под'ема частей желательно иметь также некоторые приспособления в виде талей, лебедок или даже небольших кранов.
По окончании сборки на верх мачты насаживается голова, и сооружение закончено.
Голова мачты показана отдельно на черт. 10, и представляет собою квадратную плиту из толстого котельного железа с четырьмя лапами, которыми она и прикрепляется помощью болтов к швеллерам.
Блок для подвеса сети пристраивается к ногам мачты так, как показано на черт. 11.
Что касается изоляции мачты от земли, то особых приспособлений этого рода в подобных сооружениях не применяют, так как с одной стороны хорошим изоляционным материалом является бетонная кладка оснований, верхняя поверхность которых должна быть выше поверхности земли, а с другой — требуется осуществление хорошей изоляции самой сети от всех связанных с нею обустройств.
Этим я и заканчиваю свою статью, числовой же пример расчета такой мачты приведу в одном из последующих номеров.
29 августа 1919 года. г. Москва.
