Условия эксплуатации. 9 страница

32 Подкрановые конструкции. Расчет и конструирование подкрановых балок.

Подкрановые конструкции служат для передвижения кранов и передают на каркас здания нагрузки от подъемно-транспортного оборудования (мостовые опорные и подвесные краны). Кроме того, подкрановые конструкции обеспечивают горизонтальную развязку колонн из плоскости рамы, передачу на вертикальные связи между колоннами продольных усилий от тормозных сил, ветровых нагрузок на торцы здания, сейсмических и других воздействий, способствуют пространственной работе каркаса.

Основные несущие элементы подкрановых конструкций – подкрановые балки, имеющие конструктивную различную форму. Подкрановые балки бывают сплошные, как разрезные (рис.15.1,а), так и неразрезные. Разрезные подкрановые балки проще в монтаже и нечувствительны к осадке опор, но имеют повышенный расход стали.

Неразрезные балки на 12-15% экономичнее по расходу металла, но более трудоемки при монтаже; при осадке опор в них возникают дополнительные напряжения.

При легких кранах ( т) и больших шагах колонн целесообразны решетчатые подкрановые балки с жестким верхним поясом. Их применение на 15-20% снижает расход стали по сравнению со сплошными разрезными балками. К недостаткам решетчатых балок относятся повышенная трудоемкость изготовления и монтажа, низкая долговечность при кранах особого режима работы.

При кранах большой грузоподъемности применяют подкраново-подстропильные фермы. Применяются также подкрановые балки или фермы с ездой понизу.

Подвесные краны (кран - балки) имеют небольшую грузоподъемность (до 5 т) и перемещаются по нижним поясам балок путей.

В большепролетных зданиях (авиа сборочных, судостроительных и других заводах) применяют подвесные краны грузоподъемности 30 т и более. Пути таких кранов выполняют по разрезной или неразрезной схеме сплошного составного сечения.

Нагрузкиот крана передаются на подкрановую конструкцию через колеса крана, расположенные на концевой балке кранового моста. В зависимости от грузоподъемности кран имеет с каждой стороны два, четыре и более колес.

Подкрановые конструкции рассчитывают на нагрузки от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности с тележками приближенными к одному из рядов колонн, т.е. в положении, при котором действуют наибольшие вертикальные силы. Одновременно к балке прикладывают и максимальные поперечные горизонтальные усилия, которые определяют по формулам: ; , где - коэффициент динамичности, принимаемый в зависимости от режима работы крана; - коэффициент надежности по нагрузке; - максимальное усилие на катке крана; - определяют по формуле ; - вес тележки; - число колес с одной стороны крана.

При расчете подкрановых конструкций для кранов особого режима работы учитывается горизонтальная нагрузка, вызываемая переносом крана, поэтому силу определяют по формуле .

Усталостное разрушение возникает в результате действия не максимальной, а многократно повторяющейся нагрузки, поэтому при расчете конструкций на выносливость принимают наиболее часто повторяющиеся нагрузки, которые определяют умножением F_kⁿ на понижающий коэффициент, зависящий от режима работы кранов (0,5 при кранах режима работы 4К – 6К; 0,6 при кранах - 7К; 0,7 при кранах - 8К).

Проверку жесткости подкрановых балок выполняют на нагрузку от одного крана с коэффициентом надежности по нагрузке и без учета коэффициента динамичности.

Тормозные балки, используемые как площадки для обслуживания и ремонта крановых путей, рассчитывают на временную нагрузку по техническому заданию.

Собственный вес подкрановых балок принимают по справочным данным. Допускается учитывать влияние собственного веса подкрановых конструкций и временной нагрузки на тормозных балках, умножая расчетные усилия от вертикальной крановой нагрузки на коэффициент , равный для балок пролетом 6м – 1,03; 12м – 1,05; 18м – 1,08.

Сосредоточенная вертикальная крановая нагрузка, достигающая 600-800кН, прикладывается в любой точке по длине балки и приводит к появлению в стенке сложного напряженного состояния при высоком уровне напряжений.

Вследствие внецентренного приложения этой нагрузки и поперечных горизонтальных сил, приложенных в уровне головки рельса, в балке возникает дополнительный крутящий момент, вызывающий изгиб стенки. Вертикальные и боковые воздействия кранов носят динамический характер, так как сопровождаются рывками и ударами. Все это приводит к появлению в подкрановых конструкциях усталостных трещин, расстройства соединений, ослабления узлов и нарушает нормальную эксплуатацию.

Основные повреждения подкрановых балок – трещины в верхнем поясном шве и около шовной зоне, повреждения швов тормозных конструкций, повреждения узлов крепления балок к колоннам.

В наиболее тяжелых условиях работают балки, где эксплуатируются краны особого режима работы. Они испытывают высокие силовые воздействия с числом циклов нагружения и более.

Нормы проектирования относят подкрановые конструкции к первой группе конструкций и рекомендуют ряд требований, которые необходимо учитывать при проектировании:

- разработка конструктивных решений, отвечающих действительным условиям работы подкрановых конструкций;

- максимальное снижение концентрации напряжений;

- использование сталей, обладающих повышенной вибрационной прочностью;

- повышение качества изготовления и монтажа;

- обеспечение постоянного надзора за состоянием подкрановых конструкций и своевременное устранение повреждений.

Сплошные подкрановые балки.Типы сечений подкрановых балок зависят от нагрузки, пролета и режима работы кранов. При пролете 6м и кранах до 50т обычного режима работы применяют прокатные двутавры, усиленные для восприятия горизонтальных сил листом или уголками, либо сварные двутавры несимметричного сечения. При кранах грузоподъемностью до 50т рациональны балки составного сечения из широкополочных тавров с тонкой стенкой – вставной. Такое решение снижает трудоемкость на 20-30% и позволяет получить экономию стали до 3-4% за счет тонких стенок.

Для снижения расхода стали сварные балки иногда проектируют из двух марок стали, стенку - из низкоуглеродистой, пояса – из низколегированной

Интенсивная работа кранов приводит к появлению трещин в верхней зоне стенки балок. Поэтому под краны особого режима используют широкополочные тавры. Кроме того, применение подкрановых балок со сменной верхней частью из широкополочного двутавра повышает долговечность ее.

В заводах черной металлургии с кранами особо тяжелого режима применяют клепанные балки (в виде исключения), в которых заклепки заменяют высокопрочными болтами, постановка их проще.

При пролетах балок до 12м и кранах 1К – 6К грузоподъемностью до 50т для восприятия горизонтальных поперечных сил развивают сечение верхнего пояса. При больших пролетах балок и большей грузоподъемности устанавливают специальные тормозные конструкции – тормозные балки или фермы. Применяют тормозные балки со стенкой из рифленого листа δ = 6-8мм или из гнутого листа.

При пролетах балок 12м наружный пояс крепится к стойке фахверка, чтобы горизонтальные смещения балок не передавались на стену. По средним рядам, поясами тормозной балки являются верхние пояса балок смежных пролетов.

Листы тормозных балок приваривают к поясам подкрановых балок сплошным швом с подваркой с нижней стороны или крепят на высокопрочных болтах. Для обеспечения местной устойчивости и предотвращения случайных прогибов, снизу тормозные листы укрепляют ребрами жесткости, шаг ребер 1,5-2м.

В зданиях с кранами особого режима применяют тормозные балки, используемые как площадки для прохода и обслуживания путей и кранов. При пролете подкрановых балок 12м между нижними поясами балок устанавливают легкие связевые фермы, все элементы которых подбирают по предельной гибкости . При кранах особого режима работы гибкость поясов должна быть не более 150.

Расчет подкрановых балоканалогичен расчету обычных балок. Однако, есть особенности, обусловленные подвижной нагрузкой, вызывающей большие местные напряжения под колесами крана.

Расчетные усилия (наибольшие изгибающие моменты и поперечные силы) находят в подкрановых балках от нагрузок двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности. Так как нагрузка подвижна, то находят положение, при котором расчетные усилия в балке будут наибольшими.

Наибольший изгибающий момент в разрезной балке от заданной системы сил возникает, когда равнодействующая всех сил на балке, и ближайшая к ней сила равноудалены от середины пролета балки (рис.15.6,а); при этом наибольший изгибающий момент будет находиться под силой, ближайшей к середине пролета балки (правило Винклера), и значение можно определить, пользуясь линией влияние момента в середине пролета. Погрешность не превысит 1-2%.

Наибольшая поперечная сила в разрезной балке будет, когда одна из сил находится непосредственно у опоры, а остальные расположены как можно ближе к этой опоре.

В неразрезных подкрановых балках наибольшие усилия определяют загружением линий влияния, построенных для опорных и промежуточных сечений (ординаты линий влияния приведены в справочной литературе).

Балку разбивают на 8-10 равных частей. В каждом сечении путем наиболее невыгодного загружения линии влияния определяют максимальные значения моментов и поперечных сил и строят огибающие эпюры.

Расчетные значения изгибающего момента и поперечной силы от вертикальной нагрузки определяют по формулам: и где - коэффициент сочетания; - максимальное вертикальное давление колес крана; и - ординаты линий влияния момента и поперечной силы; - коэффициент, учитывающий влияние веса балки.

Расчетный изгибающий момент и поперечную силу от горизонтальной нагрузки находят при том же положении кранов. и

Так как линия действия усилий проходит вблизи центра изгиба, влияние кручения невелико, поэтому при расчете балок пользуются приближенными методами. Условие принимается, что вертикальная нагрузка воспринимается только сечением балки (без учета тормозной конструкции), а горизонтальная – только тормозной балкой, в состав которой входят верхний пояс подкрановой балки, тормозной лист и окаймляющий его элемент (или верхний пояс смежной подкрановой балки). Таким образом, верхний пояс балки работает как на вертикальную, так и на горизонтальную нагрузки, и максимальные напряжения можно определить по формуле:

Устойчивость верхнего пояса из плоскости балки можно проверить по приближенной формуле: где - момент сопротивления балки; - момент сопротивления пояса относительно вертикальной оси; - осевое усилие ; - высота тормозной конструкции; A_f – площадь сечения пояса.

Все геометрические характеристики принимают без учета ослабления сечения. Коэффициент “φ ” определяется по гибкости верхнего пояса относительно вертикальной оси балки при расчетной длине пояса “d”.

Если сечение пояса ослаблено отверстиями, то решающей будет проверка прочности, выполняемая по формуле, но при φ=1 и геометрических сечениях нетто.

Касательные напряжения в стенке балки определяются так же, как в обычной балке.

Действующая на балку сосредоточенная нагрузка от колеса крана распределяется рельсом и поясом на некоторые участки стенки, и в ней возникают местные нормальные напряжения. Действительная эпюра этих напряжений (пунктирная линия) заменяется равновеликой (сплошная линия) из условия равенства их максимальных значений. Прочность стенки на действия местных напряжений проверяют по формуле: где - расчетная нагрузка на колесе крана; - коэффициент увеличения нагрузки на колесе и принимается равным: 1,6 – при кранах режима 8К с жестким подвесом груза; 1,4 – при кранах 8К с гибким подвесом груза; 1,3 – при кранах 7К; 1,1 – при прочих кранах; - толщина стенки; - условная (расчетная) длина распределения усилия и определяется по формуле: где - коэффициент, учитывающий податливость стенки и пояса; для сварных балок ; для клепаных – ; - сумма собственных моментов инерции пояса и кранового рельса.

В балках с поясными соединениями на болтах напряжения проверяют на уровне нижней полки поясного уголка, а принимают равным 4,5.

Стенку сварной подкрановой балки проверяют также на совместное действие нормальных, касательных и местных напряжений на уровне верхних поясных швов по формуле: где - коэффициент, равный 1,15 – для разрезных балок и 1,3 – для неразрезных балок.

Расчет на выносливость выполняют для подкрановых балок при числе циклов загружения на нагрузку от одного крана с пониженным нормативным значением. В разрезных подкрановых балках из сталей обычной или повышенной прочности при коэффициенте ассиметрии цикла ρ усталостная прочность обеспечена. В неразрезных балках при (при использовании стали повышенной прочности) проверка на выносливость является решающей и требует увеличения сечения.

Расчет на выносливость выполняют по формуле: , где - напряжение в поясе от вертикальной крановой нагрузки; - расчетное сопротивление усталости, принимаемое в зависимости от временного сопротивления стали и конструктивного решения; - коэффициент, учитывающий число циклов загружения; - коэффициент, зависящий от вида напряженного состояния и коэффициента ассиметрии .

Значения , и берутся по нормам.

Для балок с кранами особого режима работы следует дополнительно проверять выносливость верхней зоны стенки с учетом местного напряженного состояния.

Методы расчета подкрановых балок на выносливость достаточно условны. Поэтому основным мероприятием по повышению усталостной прочности является снижение концентрации напряжения, за счет переноса шва в менее напряженную зону стенки.

Проверка прогиба подкрановых балок производится по правилам строительной механики или приближенным способом от одного крана без учета коэффициента динамичности. Прогиб разрезных балок определяют по формуле: , где - изгибающий момент в балке от нагрузки одного крана с .

Предельно допустимый прогиб подкрановых балок зависит от режима работы крана. Для режимов работы ; ; .

Горизонтальный прогиб не должен превышать - .

Общую устойчивость подкрановых балок проверяют так же, как обычны, наличие тормозных конструкций общая устойчивость балки обеспечена и не требует проверки.

Местная устойчивость подкрановых балок проверяется также как обыкновенных балок.

Устойчивость стенки подкрановой балки проверяется с учетом местных нормальных напряжений по формуле: где ; - краевое сжимающее и среднее касательное напряжения в стенке

Ребра жесткости, обеспечивающие местную устойчивость стенки, должны иметь ширину не менее 90 мм. Двусторонние ребра жесткости нормали запрещены. Торцы ребер плотно пригоняются к верхнему поясу; в балках под краны особого режима работы торцы необходимо строгать.

Подгонка ребер к верхнему поясу должна быть тщательно выполнена, в противном случае возможен поворот пояса и появление трещин. Рациональны ребра жесткости из уголков, привариваемых пером к стенке балки. Такие ребра жесткости улучшают условия опирания верхнего пояса и снижают угол его поворота.

Подбор сечения подкрановых балокПодбор сечений подкрановых балок выполняют в том же порядке, что и обычных балок. Сначала определяют требуемый момент сопротивления. Влияние горизонтальных поперечных нагрузок на напряжение в верхнем поясе учитывают коэффициентом “ ”, тогда

Ширина сечения тормозной конструкции “ ” принимается равной “ ”; высоту балки задают в пределах (большие значения – при большей грузоподъемности крана).

Из формулы вычисляют требуемый момент сопротивления: .

При определении минимальной высоты необходимо учесть, что жесткость балок проверяется на нагрузку от одного крана, поэтому сначала находят максимальный момент от загружения балки одним краном при коэффициенте .

Окончательную высоту балки устанавливают с учетом ширины листов и принимают кратной 100 мм. Определив требуемую площадь полки (см. пример 3 в гл.7), назначают ее размеры из условия местной устойчивости при упругой работе и возможности размещения рельса с креплениями.

33 Области применения конструкций из дерева и пластмасс. Преимущества и недостатки древесины, фанеры, пластмасс как конструкционных материалов

Ценные строительные свойства древесины определяют и области ее эффективного использования. Малая плотность сухой древесины при сравнительно большой прочности и жесткости ее делает целесообразным применение деревянных конструкций в следующих конструкциях:

1) несущие конструкции покрытия всех типов зданий по назначению (балки, фермы, рамы, арки);

2) деревянные колонны;

3) ограждающие конструкции покрытия и стеновые панели;

4) автомобильные и пешеходные мосты;

5) одноэтажные и двухэтажные жилые здания;

6) сборно-разборные щитовые здания каркасного типа;

7) радио и магнитнопроницаемые здания;

8) цеха хим. промышленных предприятий.

Древесина обладает следующими достоинствами:

1) небольшая плотность делает конструкции легкими;

2) достаточно высокая удельная прочность;

3) достаточно высокая удельная жесткость;

4) очень низкий коэффициент линейного температурного расширения (отсутствие температурных швов);

5) низкий коэффициент теплопроводности;

6) хорошая акустика;

7) высокая химическая стойкость во многих агрессивных средах;

8) долговечность конструкций при соблюдении режимов эксплуатации;

9) эстетичность, экологичность, легкость механической обработки;

10) имеет высокий предел огнестойкости (предел огнестойкости клееных деревянных конструкций выше жбк).

Наряду с достоинствами существуют недостатки;

1) анизотропность - неодинаковость физико-механических свойств в различных направлениях;

2) зависимость физико-механических свойств от большого количества факторов (угол между направлениями действующих усилий, температура, влажность, породы, наличие породы);

3) наличие пороков;

4) гигроскопичность и ее последствия (усушка, разбух, коробление);

5) подверженность загниванию – проектирование узлов проветриваемыми, если это невозможно, то пропитка антисептиками;

6) возможность горения, способ борьбы – пропитка антипиренами, снижающими потерю прочности.

Применение пластмасс в строительных конструкциях рационально с технической и экономических точек зрения в случаях, когда необходимо: уменьшить вес конструкций; сократить объем транспортных и монтажных работ; уменьшить мощность подъемно-транспортного оборудования; повысить надежность зданий и сооружений; применить безметальные конструкции (в условиях воздействия агрессивной среды, а также когда требуется исключить влияние магнитных свойств строительных конструкций и возможность искрообразования).

Фанера представляет собой слоеный листовой материал, состоящий, как правило, из нечетного числа слоев.

Фанере присущи высокие прочностные свойства, малая масса, низкая теплопроводность и звукопроводимость, большая стойкость к воздействию химически агрессивных сред и повышенная водостойкость при изготовлении на водостойких клеях.

Пластмассы – материал, который состоит хотя бы из одной компоненты – связующего.

Использование пластмасс в строительстве имеет немало технико-экономических преимуществ, благодаря которым они используются в строительстве в виде ограждающих конструкций (стеновые и кровельные панели), несущих строительных конструкций, архитектурно-строительных деталей и изделий, санитарно-технических изделий, декоративно-облицовочных материалов, арматуры и опалубки для бетонных конструкций.

34 Расчет деревянных элементов цельного сечения на центральное растяжение, центральное сжатие, изгиб

Центральное растяжение – это усилие приложенное растягивающее по его оси.

На центральное растяжение испытания проводят на стандартных образцах, выполненных из чистой древесины (древесина не содержащая пороков).

Характер разрушения мгновенный, хрупкий. В 70% образцов разрушение наступает на микроуровне из-за продергивания микрофибрил по матриксу, в 30% на микроуровне разрушение происходит из-за разрыва микрофибрил.

Древесина центрального растяжения работает упруго.

На центральное растяжение работают следующие элементы реальных конструкций: нижние пояса ферм, отдельные раскосы, затяжки арок и рам пространственных стержнеыве конструкции.

Деревянные элементы, работающие на центральное растяжение, рассчитывают по наиболее ослабленному сечению: где - нормальные напряжения, - сжимающие напряжения, - расчетное сопротивление древесины растяжению, - площадь опасного сечения, - коэффициент условия работы, учитывающий концентрацию напряжений, возникающих у отверстий элементов.

При определении площади ослабления надо учитывать расстояния между соседними ослаблениями. В СНиП II-25-80 в связи с этим устанавливается, что при определении все ослабления, расположенные на участке длиной не влияют друг на друга, опасное сечение там, где сечение наблюдается наибольшее ослабление,

Все ослабления, расположенные на участке длиной до следует принимать совмещенными в одном сечении. Опасное сечение – плоскость или сечение, на которые влияют оба ослабления, т.е. между ними.

На центральное сжатие испытания проводят на стандартных образцах, выполненных из чистой древесины (древесина не содержащая пороков).

Древесина до половины предела прочности на сжатие работает упруго, выше этого предела кроме упругих деформаций появляются пластические. Остаточные разрушения наступает на микроуровне в 70% реальных конструкций от потери устойчивости микрофибрил прозенхивных клеток, в 30% от потери прочности лигнина.