Подкрановые конструкции Выполнила студентка Гр.

Подкрановые конструкции Выполнила студентка Гр. 38 -1 Дудина Л. С.

Подкрановые конструкции обеспечивают: • передвижение кранов; • воспринимают и передают на каркас здания крановые нагрузки; • обеспечивают горизонтальную развязку колонн из плоскости рамы; • передачу на вертикальные связи между колоннами продольных усилий от торможения кранов, ветровых нагрузок на торцы здания, сейсмических и других воздействий; • также воспринимают нагрузки от опирающихся на них строительных и технологических конструкций (стропильные фермы, стойки фахверка, технологические и ремонтные площадки, промышленные коммуникации и т. д. ).

Состав подкрановых конструкций Подкрановые конструкции под мостовые опорные краны состоят из: • подкрановых балок или ферм 1 , воспринимающих вертикальные нагрузки от кранов; • тормозных балок 2 воспринимающих поперечные горизонтальные воздействия; • узлов крепления подкрановых конструкций, передающих крановые воздействия на колонны; • крановых рельсов 3 с элементами их крепления; • связей 4 , обеспечивающи обеспечивающ жесткость и неизменяемость подкрановых конструкций и упоров.

Типы подкрановых конструкций Основные несущие элементы подкрановых конструкций - подкрановые балки могут иметь различную конструктивную форму. Наиболее часто применяют сплошные подкрановые балки как разрезные, так и неразрезные. 1. Разрезные подкрановые балки проще в монтаже, нечувствительны к осадке опор, однако имеют повышенный расход стали.

2. Неразрезные балки на 12. . . 15% экономичнее по расходу металла, но более трудоемки при монтаже из-за устройства монтажных стыков. Кроме того, при осадке опор в них возникают дополнительные напряжения. Упругую осадку опор можно оценить коэффициентом с = ΔEI / l 3, где Δ - перемещение опоры от единичной силы (с учетом осадки фундамента); EI - жесткость подкрановой балки; l - пролет балки. При с > 0, 05 неразрезные балки применять не рекомендуется.

3. При легких кранах Q ≥ 30 т и больших шагах колонн целесообразны решетчатые подкрановые балки с жестким верхним поясом. Их применение позволяет на 15. . . 20 % снизить расход стали по сравнению с разрезными сплошными балками. Недостаток решетчатых балок - повышенная трудоемкость изготовления и монтажа и более низкая долговечность при кранах особого режима работы.

4. При больших пролетах (шаг колонн 24 м и более) и кранах большой грузоподъемности применяют подкраново-подстропильные фермы , объединяющие в себе подкрановую балку и подстропильную ферму. Экономичность таких конструкций возрастает с увеличением шага колонн и составляет 4. . . 6 % при шаге колонн 24 м и 12. . . 16 % при шаге 36 м. Однако такие фермы сложны в изготовлении и монтаже.

Подвесные краны (кран-балки) имеют, как правило, небольшую грузоподъемность (до 5 т) и перемещаются по путям, прикрепляемым к конструкциям покрытия или перекрытия. Для ремонта оборудования и для вспомогательных операций здания оборудуют вспомогательными тельферами (рис. а), перемещающимися по монорельсовым путям из прокатных двутавров. Применяют двух- (рис. б), трех- (рис. в) и многоопорные краны. Катки крана перемещаются непосредственно по нижним поясам балок путей.

Основным видом путей являются прокатные (из двутавров) и составные балки, устанавливаемые по разрезной или неразрезной схеме. При пролете путей 12 м возможно применение перфорированных балок. Для уменьшения изгибающих моментов в балках могут устанавливаться дополнительные подвески. 1. Прокатный 2. Составной двутавр 3. Перфорированная балка двутавр с ездовой полкой из тавра (слева) и из износостойкого тавра (справа) 4. Схема путей с подвесками: 1 - подвеска; 2 - распорка

Нагрузки от крана передаются на подкрановую конструкцию через колеса (катки) крана. В зависимости от грузоподъемности крана с каждой стороны моста могут быть два (рис. слева), четыре(рис. справа) катка и более.

Подкрановые конструкции рассчитывают, как правило, на нагрузки от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности с тележками, приближенными к одному из рядов колонн, т. е. в положении, при котором на подкрановые конструкции действуют наибольшие вертикальные силы. Одновременно на балки воздействуют максимальные поперечные горизонтальные усилия.

Расчетные значения вертикальных и горизонтальных сил определяются по формулам: Fk = k 1γf. Fkn ; Tk = k 2γf. Tkn , где k 1 - коэффициент динамичности, учитывающий ударный характер нагрузки при движении крана по неровностям пути и на стыках рельсов. Коэффициент динамичности k 1 и k 2 принимают в зависимости от режима работы крана; γf = 1, 1 - коэффициент надежности по нагрузке; Fkn - максимальное вертикальное усилие на катке крана; T kn горизонтальное поперечное усилие на колесе крана. Т kn определяем как усилие, возникающее от торможения тележки: Tkn = β(Q + GT)/no, где β = 0, 05 - для кранов с гибким подвесом груза и β = 0, 1 - с жестким подвесом груза, Q - грузоподъемность крана; G T - вес крановой тележки; no - число колес на одной стороне крана. При расчетах подкрановых конструкций под краны особого режима работы учитывают горизонтальную нагрузку, вызываемую перекосом крана, поэтому силу Тkn определяют по формуле: Tkn = 0, 1 Fkn.

• Поскольку усталостное разрушение возникает в результате действия не максимальной, а многократно повторяющейся нагрузки, при расчете конструкций на выносливость принимают наиболее часто действующие нагрузки, которые определяют умножением нормативных нагрузок на понижающий коэффициент, зависящий от режима работы кранов. • Проверку жесткости подкрановых балок выполняют на нагрузку от одного крана с коэффициентом надежности по нагрузке γ k = 1, 0 и без учета коэффициента динамичности. • Тормозные балки, используемые как площадки для обслуживания и ремонта крановых путей, рассчитывают на временную нагрузку, принимаемую по техническому заданию. • Собственный вес подкрановых конструкций принимают по справочным данным. Приближенно влияние собственного веса подкрановых конструкций и временной нагрузки на тормозных балках можно учесть умножением расчетных усилий от вертикальной крановой нагрузки на коэффициент α , равный: для балок пролетом 6 м - 1, 03; 12 м - 1, 05; 18 м - 1, 08.

Особенности работы подкрановых конструкций Работа подкрановых конструкций в условиях эксплуатации весьма сложна и существенно отличается от работы обычных балочных конструкций. Это обусловлено спецификой нагрузки, характером ее приложения и отличием реальной и расчетной схем конструкции. Сосредоточенная вертикальная крановая нагрузка, достигающая больших величин (600. . . 800 к. Н), прикладывается в любой точке по длине балки и приводит к появлению в стенке сложного напряженного состояния при высоком уровне напряжений. Вследствие внецентренного приложения вертикальной нагрузки и поперечных горизонтальных сил, приложенных в уровне головки рельса, на верхний пояс балки действует дополнительный крутящий момент, вызывающий изгиб стенки. Вертикальные и боковые воздействия кранов носят динамический характер и часто сопровождаются рывками и ударами. Этому способствуют неровности кранового пути и перепады в стыках рельсов. Все это приводит к появлению в подкрановых конструкциях повреждений в виде усталостных трещин, расстройства соединений, ослабления узлов и нарушает нормальную эксплуатацию.

Конструктивные решения подкрановых балок Типы сечения подкрановых балок зависят от нагрузки, пролета и режима работы кранов: • при пролете до 6 м и кранах малой грузоподъемности (до 10 т) для балок можно использовать прокатные двутавры; • при большей грузоподъемности (до 50 т) при кранах режима работы 1 К - 5 К также можно применять прокатные двутавры, но для восприятия горизонтальных поперечных нагрузок их необходимо усилить листом или уголками, либо принять несимметричное сварное сечение с усиленным верхним поясом.

Для больших пролетов и При кранах грузоподъемностей кранов грузоподъемностью до применяют сварные 50 т рациональны балки двутавровые балки с составного сечения из горизонтальной тормозной широкополочных тавров с конструкцией. тонкой стенкой – вставкой. • Для снижения расхода стали сварные балки иногда проектируют из двух марок стали: стенку - из низкоуглеродистой, пояса - из низколегированной.

Высокая интенсивность работы кранов особого режима работы часто приводит к появлению повреждении в верхней зоне стенки подкрановых балок. В таких балках для снижения уровня местных напряжении в стенке, возникающих от внецентренного приложения крановой нагрузки, целесообразно увеличить крутильную жесткость верхнего пояса путем постановки вертикальных или наклонных элементов (ламелей) (слева) или использовать двустенчатые сечения (справа).

• Клепаные балки тяжелее • Повышенной долговечностью сварных и более трудоемки отличается также решение в изготовлении. Однако подкрановых балок со сменной благодаря более высокой верхней частью из долговечности их широкополочного двутавра, применяют в зданиях прикрепляемой на заводов черной высокопрочных болтах. металлургии с кранами особого режима работы.

При больших пролетах балок и для кранов грузоподъемностью 50 т и более устанавливают специальные тормозные конструкции, тормозные балки или фермы. Применяют тормозные балки со стенкой из рифленого листа толщиной 6 - 8 мм, а также тормозные балки, выполненные из гнутого листа. • Для того чтобы горизонтальные • По средним рядам поясами смещения балок не передавались на тормозной балки являются стену здания, это крепление верхние пояса балок смежных выполняют с помощью листового пролетов. шарнира. Листы тормозных балок привают к поясам сплошным швом с подваркой с нижней стороны или крепят на высокопрочных болтах. Для обеспечения местной устойчивости и предотвращения случайных прогибов тормозные листы снизу укрепляют ребрами жесткости.

При ширине тормозных конструкций более 1, 25 м целесообразно применение тормозных ферм. Для обеспечения большей компактности узлов допускается центрировать элементы решетки на кромку пояса балки. • тормозная ферма по крайнему ряду • то же, по среднему ряду • связевая ферма по нижним поясам балок

Расчет подкрановых балок во многом аналогичен расчету обычных балок. Однако подвижная нагрузка, вызывающая большие местные напряжения под катками крана, воздействие не только вертикальных, но и горизонтальных боковых сил, динамичность нагрузки и многократность ее приложения приводят к тому, что расчет подкрановых балок имеет особенности. Рассмотрим особенности расчета подкрановых балок, связанные со спецификой их работы: Расчетные усилия (наибольшие изгибающие моменты и поперечные силы) в подкрановых балках находят от нагрузки двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности. Так как нагрузка подвижная, то сначала нужно найти такое положение ее, при котором расчетные усилия в балки будут наибольшими.

• Наибольший изгибающий момент в разрезной балке от заданной системы • Наибольшая поперечная сил возникает, когда сила Qmax в разрезной балке равнодействующая всех сил, будет при таком положении находящихся на балке, и ближайшая к нагрузки, когда одна из сил ней сила равно удалены от середины находится непосредственно пролета балки; при этом наибольший у опоры, а остальные изгибающий момент Мmах будет расположены как можно находиться под силой, ближайшей к ближе к этой же опоре середине пролета балки (правило Винклера).

• Расчетные значения изгибающего момента и поперечной силы от вертикальной нагрузки определяют по формулам: Mx = αψ ∑ Fki yi, M; Qx = αψ ∑ Fki yi, Q, где ψ - коэффициент сочетания нагрузок; y i, M и y i, Q - ординаты линий влияния момента и поперечной силы; а - коэффициент, учитывающий влияние веса балки. • Расчетный изгибающий момент Му и поперечную силу Qy от горизонтальной поперечной нагрузки находят при том же положении кранов My = ψ ∑ Tki yi, M; Qy = αψ ∑ Tki yi, Q. При расчете балок условно принимают, что вертикальная нагрузка воспринимается только сечением подкрановой 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 нагрузку, и максимальные напряжения в точке А можно определить по формуле: σA = Mx /Wx, A + My /Wy, A ≤ Ry γc соответственно в нижнем поясе: σ = Mx /Wx ≤ Ry γc, где W x, A - момент сопротивления верхнего пояса; W x - то же, нижнего пояса; W y, A = I y / x A - момент сопротивления тормозной балки для крайней точки верхнего пояса (точка А), при отсутствии тормозных конструкций момент сопротивления верхнего пояса относительно вертикальной оси.

Подбор сечений подкрановых балок выполняют в том же порядке, что и обычных балок. Из условия общей прочности определяют требуемый момент сопротивления. Влияние горизонтальных поперечных нагрузок на напряжение в верхнем поясе подкрановых балок можно учесть коэффициентом β: σx = Mxβ/Wx ≤ Ry γc ; (1) Коэффициент β: β = 1 + My. Wx /Mx. Wy ≈ 1 + 2 Myhb /Mxht. • ширину сечения тормозной конструкции ht при компоновке рамы принимают ht ≈ hn ; • высоту балки hb задают в пределах (1/6. . . 1/10)l (большие значения принимают при большей грузоподъемности крана). Из формулы (1) определяем требуемый момент сопротивления: Wx, req = Mxβ / Ryγc.

При определении минимальной высоты необходимо учесть, что жесткость подкрановых балок проверяют на нагрузку от одного крана, поэтому предварительно находят максимальный момент от загружения балки одним краном Мxn при коэффициенте γf = 1, 0. Из условия полного использования материала балки при загружении расчетной нагрузкой h min определяют по формуле: где f / l - максимальный относительный регламентируемый нормами прогиб подкрановых конструкций. Окончательно высоту балки принимают с учетом ширины листов или в целях унификации конструкций - кратно 100 мм. Определив требуемую площадь полки, назначают ее размеры из условий местной устойчивости при упругой работе и возможности размещения рельса с креплениями. После компоновки проводят все проверки принятого сечения.

Если тормозная конструкция выполнена в виде фермы, то верхний пояс балки помимо напряжения от изгиба в вертикальной плоскости воспринимает - осевое усилие от работы его в составе фермы : Nx = Му / hf (hf - высота тормозной фермы) - и местный момент от внеузлового приложения сил Tk Mloc, y = 0, 9 Tkd/4 (коэффициент 0, 9 учитывает неразрезность пояса в узлах) Устойчивость верхнего пояса из плоскости балки можно проверить по приближенной формуле: где W x, A - момент сопротивления балки; W y, A - момент сопротивлени пояса относительно вертикальной оси; A f - площадь сечения пояса. Все геометрические характеристики принимают без учета ослабления сечения. Значение коэффициента φ определяют по гибкости верхнего пояса относительно вертикальной оси балки при расчетной длине пояса, равной d.

• Если сечение пояса сильно ослаблено отверстиями, то решающей будет проверка прочности, выполняемая по предыдущей формуле, но при φ = 1 и геометрических характеристиках нетто. • Касательные напряжения в стенке подкрановых балок определяют так же, как и в обычных балках. • Действующая на балку сосредоточенная нагрузка от колеса крана распределяется рельсом и поясом на некоторый участок стенки, и в ней возникают местные нормальные напряжения σ loc, y (рис). Действительную эпюру распределения этих напряжений (пунктирная линия) можно заменить равновеликой (сплошная линия) из условия равенства их максимальных значений. Местные напряжения в стенке подкрановой балки под колесом крана: а - в сварной балке; б - в клепаной балке

Прочность стенки на действие максимальных местных напряжений проверяют по формуле: σloc, y = γf 1 Fk /(twlef) ≤ Ryγc, где F k - расчетная нагрузка на колесе крана без учета динамичности; γf 1 - коэффициент увеличения нагрузки на колесе, учитывающий возможное перераспределение усилий между колесами и динамический характер нагрузки, его принимают равным 1, 6 - при кранах режима 8 К с жестким подвесом груза; 1, 4 - при кранах 8 К с гибким подвесом груза; 1, 3 - при кранах 7 К; 1, 1 - при прочих кранах; tw - толщина стенки; lef - условная расчетная длина распределения усилия F, зависящая от жесткости пояса, рельса и сопряжения пояса со стенкой lef = c 3√(I 1 ftw), где с - коэффициент, учитывающий степень податливости сопряжения пояса и стенки, для сварных балок с = 3, 25, клепаных - 3, 75; I 1 f - сумма собственных моментов инерции пояса и кранового рельса или общий момент инерции в случае приварки рельса швами, обеспечивающими совместную работу рельса и пояса.

Внецентренное расположение рельса на балке, а также воздействие горизонтальной поперечной силы, приложенной к головке рельса (рис. ), приводит к возникновению местного крутящего момента M t , приложенного к верхнему поясу балки и вызывающего дополнительные напряжения от изгиба в стенке σfy: σfy = 2 Mttw /If, где If = It + bftf 3/3, Mt = γf γf 1 Fkne + 0, 75 Tkn γf hr, е = 15 мм - условный эксцентриситет рельса; h r - высота рельса; коэффициент 0, 75 учитывает большую длину распределения крутящего момента по длине балки от силы T k , чем от силы Fk.

Помимо напряжений σx, τxy, σloc, y и σfy, в стенке балки возникают дополнительные компоненты напряженного состояния: σloc, x = 0, 25σloc, y - напряжения от распорного воздействия сосредоточенной силы под колесом крана; τloc, xy = 0, 3σloc, y - местные касательные напряжения от силы Fk и τf, xy = 0, 25σfy - местные касательные напряжения от изгиба стенки. При проверке прочности стенок подкрановых балок под краны особого режима работы следует учитывать все компоненты напряженного состояния и проводить расчет по формулам: σx 0 = σx + σloc, x ≤ Ryγc; σy 0 = σloc, y + σfy ≤ Ryγc; τxy 0 = τxy + τloc, xy + τf, xy ≤ Ryγc; σef = √(σx 02 + σx 0 σloc, y + σloc, y 2 + 3(τxy + τloc, xy)2) ≤ Ryβ, где σx 0, σy 0, τxy 0 - суммарные напряжения.

Расчет подкрановых балок на выносливость выполняют при числе циклов загружения n = 10 5 на нагрузку от одного крана с коэффициентом надежности по нагрузке γf < 1 по формуле: σx ≤ αRvγv, где σ x = М х / W x - напряжение в поясе от вертикальной крановой нагрузки; Rv - расчетное сопротивление усталости, принимаемое в зависимости от временного сопротивления стали и конструктивного решения; α - коэффициент, учитывающий число циклов загружения; γ v - коэффициент, зависящий от вида напряженного состояния и коэффициента асимметрии ρ. Большое влияние на усталостную прочность балок оказывает конструктивное решение элементов и связанная с этим концентрация напряжений. Так, при наличии в растянутом поясе стыкового шва R v уменьшается на 20. . . 25 %, а в случае приварки ребер жесткости к поясу на 40. . . 45 %.

Важно! • С ростом прочности стали расчетное сопротивление усталости Rv почти не увеличивается, а при наличии концентраторов напряжений (необработанные стыковые швы, приварка к поясу дополнительных деталей и т. д. ) R v вообще не зависит от прочности стали. Поэтому, если несущая способность балок определяется расчетом на выносливость, то применение сталей повышенной прочности далеко не всегда рационально, так как не приводит к снижению расхода стали. • Для подкрановых балок с кранами особого режима работы следует дополнительно проверить на выносливость верхнюю зону стенки с учетом компонентов местного напряженного состояния. • Существующая методика расчета подкрановых балок на выносливость достаточно условна и не отражает всех особенностей действительной работы подкрановых конструкций. Поэтому основным мероприятием по повышению усталостной прочности является максимальное снижение концентрации напряжений.

Проверку прогиба подкрановых балок производят по правилам строительной механики или приближенным способом. С достаточной точностью прогиб разрезных подкрановых балок может быть определен по формуле: f = Mxnl 2/10 EIx где Мхп - изгибающий момент в балке от нагрузки одного крана с γf = 1, 0; в неразрезных балках где M 1 , М т и М r - соответственно моменты на левой опоре, в середине пролета и на правой опоре. Предельно допустимый прогиб подкрановых балок установлен из условия обеспечения нормальной эксплуатации кранов и зависит от режима их работы. Для режима работы 1 К - 6 К f = 1/400 l , 7 K = 1/500 l , 8 К - 1/600 l. Горизонтальный прогиб тормозных конструкций ограничивают только для кранов особого режима работы, он не должен превышать 1/2000 l.

Общая устойчивость подкрановых балок. Подкрановые балки работают на изгиб в двух плоскостях, при этом горизонтальная нагрузка приложена в уровне верхнего пояса. Проверку устойчивости таких балок можно выполнить по формуле Mx/φb. Wx, A + My/Wy, A ≤ Ryγc. Коэффициент φb определяют так же, как и для обычных балок. Приближенно, с некоторым запасом, устойчивость балки можно проверить, если рассмотреть верхний пояс как сжато-изогнутый стержень, нагруженный силой N = σ х А f , где σ х = М х напряжение в верхнем поясе от вертикальной нагрузки, и моментом М у. Тогда расчет балки на общую устойчивость сводится к проверке устойчивости верхнего пояса относительно вертикальной оси по формуле. При наличии тормозной конструкции, если h t ≥ l b устойчивость балки обеспечена и ее проверять не нужно.

Местную устойчивость элементов подкрановой балки проверяют так же, как и обычных балок. • Устойчивость поясного листа обеспечивается отношением свеса сжатого пояса к его толщине. Наибольшее отношение свеса к толщине принимается без учета пластических деформаций. • Устойчивость стенки подкрановой балки проверяют с учетом местных нормальных напряжений σloc, y. • Ребра жесткости, обеспечивающие местную устойчивость стенки, должны иметь ширину не менее 90 мм. Торцы ребер следует плотно пригнать к верхнему поясу без приварки; при этом в балках под краны особого режима работы торцы ребер необходимо строгать. Для подкрановых балок более рациональны ребра жесткости из уголков, приваемых пером к стенке балки. Такие ребра улучшают условия опирания верхнего пояса и снижают угол его поворота. Размеры ребер жесткости принимаются такими же, как и в обычных балках.

Опорные узлы подкрановых балок В узлах опирания подкрановых балок на колонны происходит передача вертикальных и горизонтальных усилий. Вертикальное давление разрезных подкрановых балок передается на колонну обычно через выступающий фрезерованный торец опорного ребра. Рассчитывают и конструируют опорное ребро так же, как и в обычных балках. В неразрезных балках вертикальное давление передается через опорные ребра, пристроганные к нижнему поясу, а между поясом и опорной плитой колонны ставят прокладку. На опоре смежного, незагруженного пролета возникает отрицательная реакция. Анкерные болты, прикрепляющие балку к колонне, должны быть рассчитаны на это усилие. Для восприятия горизонтальных поперечных воздействий кранов устанавливают дополнительные элементы крепления балок к колоннам (рис. ). Эти элементы рассчитывают на горизонтальное усилие Н: H = Ft (h 1 / h 2), где F t - опорное давление от поперечных горизонтальных усилий на колесах крана; h 1 , h 2 - расстояние от низа балки (точки поворота) до отметки головки рельса и места расположения элементов крепления (рис. ).

• При проходе крана балка прогибается и ее опорное сечение поворачивается на угол φ (рис. ). Под влиянием температурных воздействий подкрановые конструкции удлиняются (укорачиваются), что приводит к горизонтальным смещениям опорных сечений относительно колонн. В результате элементы крепления получают горизонтальные перемещения Δ H. • За счет обжатия опорного сечения балок и обмятая прокладок под опорными ребрами элементы крепления получают также вертикальное смещение ΔV.

Для того чтобы обеспечить свободу продольных и вертикальных перемещений элементов крепления, применяют два типа узлов. В узлах первого типа поперечные горизонтальные воздействия передаются через плотно пригнанные к полкам колонны элементы (упорные планки), допускающие за счет проскальзывания свободу перемещений опорных сечений

В узлах 2 -го типа балки крепятся к колоннам с помощью гибких элементов. При малой жесткости этих элементов дополнительные усилия, возникающие в них от перемещений Δ H и Δ V , невелики. В качестве гибких креплений используют листовые элементы или круглые стержни. Горизонтальные поперечные силы воспринимаются гибкими круглыми стержнями. При больших горизонтальных нагрузках каждая балка может крепиться двумя или тремя болтами, расположенными один над другим. Достоинством такого крепления являются возможность рихтовки балок и простота его замены.

Крановые рельсы и их крепление к подкрановым балкам Требуемый тип кранового рельса указывается в стандартах или каталогах на краны. Рис. Крепление рельсов к подкрановой балке: а - типа КР; б - железнодорожных; в, г - квадратных; 1 - пружинная шайба; 2 - болт