Характеристики мостового крана

Исходные данные

Данные для проектирования.

Место строительства: г. Москва;

здание: ремонтно-механический цех;

тип: отапливаемое;

пролет L = 30 м, длина l = 84 м;

высота отметки головки подкранового рельса: Н₁=14,0 м;

грузоподъемность крана: Q=800 кН;

сталь подкрановых конструкций: С255;

группа режимов работы кранов: 3К;

вид сечения элементов фермы: ШТ;

сталь фермы: С245;

вид кровли: по прогонам;

сталь колонны: С275.

 

Характеристики мостового крана

 

Для кранов с грузоподъемностью 80 тонн при пролете здания 30 м принимаем:

 

Рис.1. Схема мостового крана

- масса тележки крана;

- масса всего крана;

- нормативное давление колеса крана;

- нормативное давление колеса крана.

Размеры крана:

;

;

;

;

;

размеры кранового рельса Кр-100:

;

;

;

- статический момент поперечного

сечения рельса относительно вертикальной оси;

- масса погонного метра рельса.

Рис. 2. Поперечное сечение

подкранового рельса

Компоновка конструктивной схемы здания

Разбивка сетки колонн

В плане колонны промышленного здания расставляются по модульной сетке разбивочных осей. Размер пролета составляет 30 м. Шаг колонн принимается 12 м.

Колонны у торцов здания смещаются на 500 мм внутрь здания от разбивочной оси для возможности использования типовых ограждающих плит и панелей.

Для здания данной протяженности (l= 84 м) и категории (отапливаемое) температурный шов не требуется.

Выбор схемы связей

Связи по колоннам

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении (воспринимая при этом некоторые нагрузки), а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам. Для обеспечения этих целей необходимо два жестких диска, которые устраивают в центральной части пространственного каркаса. Диски состоят из:

· двух колонн;

· подкрановой балки;

· горизонтальных распорок;

· крестообразной решетки, обеспечивающей при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость.

Рис. 3. Связи по колоннам.

По торцам здания и в средней панели колонны соединяем верхними связями в виде крестов, что целесообразно с точки зрения монтажных условий и однотипности решений.

Связи по покрытию

Рис. 3. Связи по верхнему поясу ферм.

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают:

· устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм;

· перераспределение местных нагрузок (например, крановых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы;

· удобство монтажа;

· заданную геометрию каркаса;

· восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

Рис. 4. Связи по нижнему поясу ферм

Проектирование подкрановых конструкций

Проверка общей устойчивости

При наличии тормозной балки общая устойчивость обеспечена, поэтому производить проверку нет необходимости.

Расчет поясных швов

Верхние поясные швы испытывают одновременно усилия от сдвига и от местного давления колеса крана:

где n = 2 – при двусторонних швах;

Q_x= 1370.84 кН – максимальная поперечная сила в расчётном сечении;

– статический момент сечения пояса балки;

I_x = cм⁴ – момент инерции сечения относительно оси х;

- сварка автоматическая проволокой Св-10НМА под слоем флюса в положении

“в лодочку” по табл.34 [1];

R_wf= 240МПа – по табл.56 [1];

R_wz = 0,45×R_un = 0,45×380 = 171 МПа (по табл.51 [1]).

Находим расчётное сечение:

β_f × R_wf =1,1×240 = 264МПа;

β_z × R_wz = 1,15×171 =196,65МПа;

Расчётным будет сечение по металлу границы сплавления.

Окончательно принимаем катет углового шва по табл.38* [1] k_f= 5мм.

Нижние поясные швы испытывают только сдвигающие усилия:

Окончательно принимаем катет углового шва по табл.38* [1] k_f= 5мм.

Расчет поперечной рамы

Рис. 18. Конструктивная схема рамы.

Конструктивную схему рамы приводим к расчетной схеме, соблюдая следующее:

-оси колонн проходят через центры тяжестей сечений;

-заделка колонн принимается на уровне низа башмака;

-ригель проходит по оси нижнего пояса фермы и принимается горизонтальным, т.к. уклон фермы менее ¹/₈.

Рис. 19. Расчетная схема поперечной рамы.

Расстояние между центрами тяжести верхнего и нижнего участков колонн .

Сбор нагрузок

Постоянных

Постоянная нагрузка на ригель рамы принимается равномерно распределенной по длине.

Собираем нагрузки на перекрытие:

Таблица 1. Нагрузки на 1 м² перекрытия.

Состав кровли	Нормативная нагрузка	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка
Защитный слой гравия	0.4	1.3	0.52
4 слоя рубероида ;	0.2	1.3	0.26
Цементная стяжка ;	1.25	1.3	1.63
Пенополистирол ;	0.025	1.2	0.03
1 слой рубероида	0.05	1.3	0.065
Железобетонная плита	1.8	1.1	1.98
Стропильные фермы	0.3	1.05	0.315
Связи покрытия	0.05	1.05	0.053
	4.08		qпер= 4.85

 

Равномерно распределенная нагрузка на ригель:

, где – шаг ферм.

Рис.20. Постоянные нагрузки

Опорная реакция ригеля рамы:

.

Нагрузки от собственного веса колонны, от стен и оконных переплетов приложены к низу надкрановой и подкрановой частям колонны по оси сечения, вычисляются по формулам.

, где

– коэффициенты надежности по нагрузке;

– поверхностная масса навесных стен;

– поверхностная масса оконных переплетов с остеклением;

– ширина грузовой площади стен;

– суммарная высота стеновых панелей, нагрузка с которых передается на верхнюю часть колонны;

– суммарная высота оконных переплетов, нагрузка с которых передается на верхнюю часть колонны;

– суммарная высота стеновых панелей, нагрузка с которых передается на нижнюю часть колонны;

– суммарная высота оконных переплетов, нагрузка с которых передается на нижнюю часть колонны;

– расчетная нагрузка от веса верхней части колонны;

– расчетная нагрузка от веса нижней части колонны;

- вес всей колонны; (96)

– средний расход стали на колонны каркаса в расчете на 1 м² площади здания;

– грузовая площадь одной колонны.

Снеговой

Равномерно распределенная нагрузка на ригель рамы определяется:

, где (97)

– коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, зависит от конфигурации кровли;

– расчетное значение веса снегового покрова на 1 м² поверхности земли (III снеговой район).

Рис.21. Снеговая нагрузка.

Опорная реакция ригеля рамы:

.

Крановых

Вертикальная нагрузка на колонну от двух сближенных кранов определяется с коэффициентом сочетания (режим работы 3к).

Рис.22. Вид на каркас сбоку и линия влияния опорных реакция подкрановых балок

Рис.23. Крановые нагрузки.

Определяем расчетные давления на колонну D_max (колонна рядом с тележкой), D_min (противоположная от тележки колонна).

;

, где

– максимальное нормативное давление колеса крана;

– нормативное давление колеса крана с противоположной стороны;

– ординаты линии влияния;

- нормативный вес подкрановых конструкций;

– коэффициенты надежности по нагрузке;

– нормативная временная нагрузка;

– шаг колонн;

– ширина тормозной конструкции.

, где – грузоподъемность крана;

– масса крана с тележкой;

– число колес с одной стороны одного крана;

;

.

Расчетная горизонтальная сила Т, передаваемая на колонну:

, где

– нормативное значение горизонтального давления колеса мостового крана;

.

Изгибающие моменты, возникающие по оси колонны от сил D_max, D_min равны:

;

.

Ветровых

Здание находится во II ветровом районе, тип местности В.

Расчетная ветровая нагрузка на стойку рамы в любой точке по высоте определяется:

-с наветренной стороны:

-с подветренной стороны:

, где

- коэффициент надежности по нагрузке;

– нормативный скоростной напор, в зависимости от ветрового района (II ветровой район);

; – аэродинамические коэффициенты, зависящие от схемы здания;

– коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте.

 

Рис.24. Схема изменения ветровой нагрузки по высоте.

Тогда ветровая нагрузка на высотах 5; 10; 18; 20; 22 м равна:

Для удобства расчета фактическую линейную нагрузку заменяют эквивалентной, равномерно распределенной по высоте колонны.

Рис.25. Ветровые нагрузки.

Приближенно можно определить:

;

, где

- коэффициент, зависящий от высоты здания.

Ветровая нагрузка, которая действует на участке h' от низа ригеля до наиболее высокой точки здания, заменяется сосредоточенной силой, приложенной в уровне низа ригеля.

;

.

Постоянная нагрузка

Задаемся соотношениями между моментами инерции нижней части колонны I_н, верхней части колонны I_в, и моментом инерции ригеля I_р.

; .

Условно принимаем.

;

;

.

Условие выполняется – ригель абсолютно жесткий.

Сосредоточенный момент из-за смещения осей участков колонн: .

Каноническое уравнение для левого узла B:

.

Узлам ненагруженной рамы дается смещение на угол .

Коэффициенты для определения реакций:

;

.

Моменты от поворота узлов стойки на угол (рис.28, б):

, где

;

Момент в ригеле:

.

Моменты от нагрузки на стойках (рис. 28, в):

;

Моменты на опорах ригеля определяются как в защемленной балке: .

Определяем коэффициенты канонического уравнения:

(по эпюре М₁)

(по эпюре М_р)

Угол поворота

Строим эпюру моментов от постоянной нагрузки (рис. 28, г):

Строим эпюру Q (рис. 28, д):

Строим эпюру N (рис. 28, е):

Рис.27. К расчету рамы на постоянную нагрузку

Снеговая нагрузка

Находим сосредоточенный момент:

.

Каноническое уравнение:

.

Моменты от нагрузки на стойках:

.

Моменты на опорах ригеля определяются как в защемленной балке: .

Определяем коэффициенты канонического уравнения:

(по эпюре М₁);

(по эпюре М_p).

Угол поворота:

.

Строим эпюру моментов от постоянной нагрузки:

;

;

Строим эпюру Q:

;

Строим эпюру N:

.

Рис.28. Эпюры M, Q, N от действия снеговой нагрузки.

Ветровая нагрузка

Основная система и эпюра М₁ - как для крановых воздействий.

Моменты и реакции на левой стойке от нагрузки:

;

.

На правой стойке

.

Коэффициенты канонического уравнения:

;

.

Смещение рамы (ветровая нагрузка воздействует на всю раму, поэтому a_пр=1):

.

Строим эпюры моментов и поперечных сил от ветровой нагрузки: ;

-на левой стойке:

;

-на правой стойке:

.

а) левая стойка

б) правая стойка

При правильном решении сумма поперечных сил внизу должна быть равна сумме всех горизонтальных нагрузок:

;

Строим эпюры:

Рис.32. Эпюры M, Q, N от действия ветровой нагрузки.

Расчет ступенчатой колонны

Колонны производственного здания работают на внецентренное сжатие. Сечение ступенчатых колонн подбирают отдельно для каждого участка, поэтому расчетные длины вычисляют также для каждого участка.

Расчетные длины в плоскости рамы:

, где

- коэффициенты расчетной длины нижнего и верхнего участков колонны.

Т.к. , где

N₁ – наибольшее усилие в нижней части колонны (таблица 2, сеч. 3-3, 4-4);

N₂ – наибольшее усилие в верхней части колонны (таблица 2, сеч. 1-1, 2-2).

;

.

По табл. СНиП:

;

.

Расчетные длины отдельных участков из плоскости рамы равны наибольшим расстояниям между точками закрепления колонны от смещения вдоль здания.

Расчетная длина нижнего участка колонны равна расстоянию от низа подкрановой балки до башмака:

.

Расчетная длина верхнего участка колонны равна расстоянию от тормозной конструкции до распорки по колонне в уровне нижних поясов стропильной фермы:

,

Рис. 1 Нижняя часть колонны

Уточняем значение расчётных усилий в ветвях:

- в подкрановой ветви

- в наружной ветви

Проверяем устойчивость каждой ветви как центрально-сжатого стержня из плоскости рамы (относительно оси у):

- подкрановая ветвь

Устойчивость обеспечена.

- наружная ветвь

Устойчивость обеспечена.

Находим требуемое расстояние между узлами решётки из условия равноустойчивости каждой ветви:

- для подкрановой ветви

- для наружной ветви

Принимаем высоту траверсы h_tr=75 см.

На участке Н_реш должно уложиться равное количество панелей.

.

Принимаем: ; .

Угол наклона раскоса:

Подбираем сечение элементов решетки нижней части колонны:

Фактическая поперечная сила Q_max = 197,65кН. Схема колонны на рис.27.

Условная поперечная сила:

Т.к. , то расчёт ведём по Q_max.

Усилие сжатия в раскосе:

Требуемая площадь раскоса (при коэффициенте продольного изгиба равным 0,7):

где γ_с = 0,75 – сжатый уголок, прикреплённый одной полкой.

Принимаем равнополочный уголок 90 × 6: A_d = 10.61см²; i_min = 1,79см.

Геометрическая длина раскоса:

Максимальная гибкость раскоса:

Находим напряжение в раскосе:

Рис. 2 Схема расчёта решётки колонны

Проверяем устойчивость колонны как единого составного стержня в плоскости рамы.

Определяем геометрические характеристики всего сечения:

;

;

Приведенная гибкость

, где

- коэффициент, зависящий от угла наклона раскосов.

Условная приведенная гибкость:

.

Вычисляем относительные эксцентриситеты.

Для подкрановой ветви:

.

Для наружной ветви:

.

Определяем коэффициенты: .

.

Устойчивость сквозной колонны в плоскости рамы обеспечена.

Устойчивость сквозной колонны как единого стержня из плоскости действия момента проверять не нужно, так как она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей.

Расчет базы колонны

Сопряжение колонны с фундаментом жёсткое. Проектируем базу раздельного типа, т.к. ширина нижней части колонны больше 1м.

База колонны для наружной ветви (рис.28).

Расчётная комбинация усилий: М2 = 1259.86кН×м; N2 = 3042.8кН.

Находим требуемую площадь плиты из условия прочности бетона на смятие:

где R_b.loc – расчётное сопротивление бетона смятию, определяемое по формуле:

здесь α=1 - для бетона класса ниже В25;

φ= 1,2 – кубический корень из отношения площади верхнего обреза фундамента к площади плиты;

R_b = 8,5МПа – расчётное сопротивление осевому сжатию бетона класса В15.

Толщину траверсы принимаем конструктивно 14мм, вылет плиты с₂ = 6см.

Фактическая площадь плиты:

Давление под плитой считаем равномерно распределённым:

Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету:

Плиту рассматриваем, как пластину, нагруженную снизу равномерно распределённым давлением фундамента и опёртую на элементы сечения стержня и базы колонны (рис.28).

Рис. 3 К расчёту плиты

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках:

а) участок 1 – плита закреплена по трем сторонам:

Так как , то плита рассчитывается как консоль с вылетом, равным b₁.

б) участок 2 – плита закреплена одной стороной:

в) участок 3 – плита закреплена по четырем сторонам:

где α = 0,125 – при отношении b₁/a₁ = 51.9/20 = 2,36 по табл3.1 [4].

г) участок 4 – плита закреплена по четырем сторонам:

,

где α = 0,125 – при отношении b₁/a₁ = 51.9/20 = 2,36 по табл3.1 [4].

Определяем толщину плиты:

Из предположения, что вся нагрузка со стержня колонны передаётся на ветви траверсы через вертикальные швы, определяем высоту траверсы (сварку назначаем полуавтоматическую сварочной проволокой СВ-08Г2С, в среде углекислого газа, электродом Э-50, положение «нижнее»):

где b_f = 0,9 – коэффициент принимаются по табл. 34* [1];

b_z = 1,05 – коэффициент принимаются по табл. 34* [1];

g _wf = g _wz = 1 - коэффициенты условий работы шва, принятые для заданного климатического района.

R_wf = 21,5 кН/см² – расчётное сопротивление угловых швов условному срезу по металлу шва, принимается по таблице 56 [1];

R_wz = 0,45×R_un = 16,65 кН/см² – расчётное сопротивление угловых швов условному срезу по металлу границы сплавления;

R_un= 37 кН/см² – временное сопротивление стали настила разрыву, принимается по табл.51* [1].

Находим расчётное сечение:

β_f × R_wf = 0,9×215 = 193,5МПа;

β_z × R_wz = 1,05×166,5 = 174,8МПа;

Расчётным будет сечение по границе сплавления.

Для обеспечения прочности принимаем высоту траверсы 50см, что меньше 85×β_f×k_f = 85×0,9×1,4 = 107,1см.

Проверяем прочность траверсы. Траверсы работают как двухконсольные балки под действием отпора бетона фундамента. Погонная нагрузка на одну ветвь траверсы равна:

В опорном сечении траверсы:

Прочность траверсы проверяем по формулам:

В пролётном сечении траверсы:

Рассчитываем горизонтальные угловые швы, которыми траверсы приварены к опорной плите:

,

где ∑l_w^гор – суммарная расчётная длина горизонтальных швов.

Окончательно принимаем катет шва 17 мм.

Комбинация усилий для расчёта анкерных болтов: а) 1,5*:М = 732,74кН×м;N = -1074.98кН;

б) 1,5: М = -294.16кН×м; N = -1074.98кН.

Растягивающее усилие в анкерных болтах:

Определяем площадь одного болта:

,

где - расчетное сопротивление анкерного болта из стали 09Г2С (ГОСТ 19281-73*) растяжению;

n – количество болтов на одной ветви.

Принимаем болты М30 с площадью 5,6см².

Расчётное усилие в анкерном болте после его натяжения:

Диаметр отверстия в анкерной плите 33мм, расстояние от ветви траверсы до центра отверстия . Толщину анкерной плитки принимаем 40мм. Тогда ширина анкерной плитки составит:

Принимаем ширину анкерной плитки 14см.

Расчет стропильной фермы

Сбор нагрузок на ферму

Постоянная нагрузка на любой узел фермы равна

где q_кр – расчетная поверхностная нагрузка от покрытия (таблица 1);

b_ф=15 м – шаг ферм;

d₁=d₂=3 м. – длины примыкающих к узлу панелей.

Расчетная снеговая нагрузка в узел:

При жестком сопряжении фермы с колоннами на ферму передаются опорные изгибающие моменты. Определяем опорные изгибающие моменты по таблице расчетных усилий (таблица 2) в двух комбинациях.

Комбинация №1.

Максимальный отрицательный момент в сечении 1-1 (нагрузки 1,2,3,4-,5*):

Соответствующий момент в верхнем сечении правой стойки (нагрузки 1,2,3*,4*-,5):

Комбинация №2.

Моменты, аналогичные моментам первой комбинации, но без учета снеговой нагрузки:

,

Т.к. ферма входит в состав каркаса, то дополнительно учитываем передаваемый на нее распор рамы. Распор рамы определяем в двух комбинациях.

Комбинация №1.

Максимальный распор от действия всех нагрузок (по эпюрам продольных сил в ригелях):

- слева,

- справа.

Комбинация №2.

- слева,

- справа.

Распор без учета снеговой нагрузки.

Статический расчет фермы

Распор рамы считаем приложенным к нижнему поясу фермы. Расчетной принимаем вторую комбинацию распора.

Рис.32. Расчетная схема приложения распора.

Усилия в стержнях нижнего пояса фермы от распора равны

N_1-5 = - 83.84 N_5-8 = -56.93 N_8-11 = -30.02 N_11-14 = -3.1 кН

Для определения усилий от постоянной и снеговой нагрузок находим усилия в стержнях фермы от единичных сил, приложенных к верхнему поясу фермы (рис.40).

 

Рис.33. Расчетная схема для определения усилий от единичных сил.

Для определения усилий от опорных моментов находим усилия в стержнях фермы от единичного момента, приложенного сначала к левой опоре (рис.34), затем к правой (рис. 35).

Для удобства расчета единичный момент раскладываем на пару сил

,

где h_оп – расстояние между осями поясов фермы на опоре, по формуле

где h_ф=225 см – высота фермы;

z₀=5 см – задаемся.

Длина фермы L_ф=23,6 м. Углы наклона раскосов

Рис.34. Расчетная схема для определения усилий от единичного момента на левой опоре.

Рис.35. Расчетная схема для определения усилий от единичного момента на правой опоре.

Таблица 3. Усилия в стержнях фермы от различных видов нагрузки

Элемент	№ стержня	Усилия от постоянной. нагрузки	Усилия от снеговой нагрузки	Усилия от опорных моментов
Верхний пояс	2-3				-0,4651		321.5
3-4	-8,047	-1334.6	-495.4	-0,3508	-0,11432	242.5
4-6	-8,047	-1334.6	-495.4	-0,3508	-0,11432	242.5
6-7	-10,837	-1797.3	-667.1	-0,23256	-0,23256	160.8	99.8
Нижний пояс	1-5	4,558	755.9	280.6	0,41	0,0552		-18.6
5-8	10,14	1681.7	624.2	0,29168	0,17344		-58.6
Раскосы	1-3	-5,747	-953.1	-353.8	0,06957	-0,06957	-48.1	29.8
3-5	4,292	711.08	264.2	-0,07274	0,07274	50.3	-31.2
5-6	-2,575	-427.1	-158.5	0,07274	-0,07274	-50.3	31.2
6-8	0,858	142.3	52.8	-0,07274	0,07274	50.3	-31.2