Исследование совместной работы мостового крана и промышленного здания

УДК 621,873.83:006.354

В. В. Кизин, А. В. Синельщиков

ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ МОСТОВОГО КРАНА И ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ

V. V. Kizin, A. V. Sinelshchikov

STUDY OF JOINT WORK OF TRAVELLING CRANE AND INDUSTRIAL BUILDING

Обоснована необходимость дальнейшего исследования совместной работы мостовых кранов и промышленного здания. Указано на излишне обобщенный подход к формированию расчетного нагружения на промышленное здание при работе мостовых кранов, который основан на относительно малой дифференциации коэффициентов, предлагаемых нормативными документами. Исследовано напряженно-деформированное состояние крановых балок мостового крана (г/п 10 т) и деформаций колонн промышленного здания при различных положениях крана относительно промышленного здания и направления его движения. Показано, что фактические значения реакций значительно отличаются от допустимых в меньшую сторону.

Ключевые слова: мостовой кран, промышленное здание, крановые нагрузки, совместная работа, деформации колонн, крановые балки, напряжения.

The paper substantiates the need for further research of joint work of travelling cranes and industrial buildings. The ultimately generalized approach to the formation of the estimated load on the industrial building when working overhead travelling cranes, which is based on a relatively low differentiation of coefficients proposed by the regulations, is specified. The stress-strain state of the crane beams of the travelling crane (of capacity of 10 tons) and distortion of columns of the industrial building at different positions of the crane in relation to the industrial building and the direction of its movement. It is shown that the actual values of the reactions differ significantly from that specified to the smaller side.

Key words: travelling crane, industrial building, crane loads, joint work, distortion of columns, crane beams, tension.

Введение

Согласно требованиям строительных норм и правил [1], при проектировании производственных зданий и сооружений с крановыми нагрузками необходимо обеспечить безопасный уровень эксплуатационных качеств, надежности и долговечности строительных конструкций, их элементов и узлов, а также безопасную работу самих кранов.

Нагрузки от мостовых и подвесных кранов определяются в зависимости от групп режимов их работы, устанавливаемых ИСО 4301/1-86 [2], от вида привода и способа подвеса груза. При этом, как следует из регламентирующих документов, максимальная нагрузка от кранов в режиме штатной грузоподъемности, отвечающая наиболее неблагоприятному воздействию на поперечную раму, маловероятна. Согласно [1], вертикальные нагрузки на подкрановые балки и колонны определяются:

- в однопролетных зданиях: крановая нагрузка учитывается от двух сближенных для совместной работы кранов наибольшей грузоподъемности, наиболее невыгодных для рассматриваемой колонны;

- в многопролетных зданиях: вертикальная крановая нагрузка принимается от четырех кранов (по два крана наибольшей грузоподъемности в каких-либо пролетах, не обязательно соседних, при нагружении которых возникают наибольшие усилия в раме).

Горизонтальная сила при торможении, согласно [1], независимо от числа пролетов определяется от двух сближенных для совместной работы кранов в пролете или от двух кранов в разных пролетах, установленных на одном створе. Нормативное значение горизонтальной нагрузки, направленной вдоль кранового пути и вызываемой торможением моста крана, принимается равным 0,1 полного значения вертикальной нагрузки на тормозные колеса рассматриваемой стороны крана; направленной поперек кранового пути для кранов с гибким подвесом груза

и вызываемой торможением электрической тележки - равным 0,05 суммы грузоподъемности крана и веса тележки. Расчетным нагружением от мостовых кранов является такое, при котором на одну стойку из колонн действует наибольшее вертикальное давление кранов, а на другую - минимальное.

В соответствии с нормами [1], усилия от мостовых кранов определяются с помощью ряда коэффициентов, учитывающих особенности крановых нагрузок: надежности уь коэффициентов сочетаний у, динамичности и коэффициента, учитывающего местное увеличение давления колеса крана.

Учитывая многообразие факторов, влияющих на нагрузки от мостовых кранов, следует отметить относительно малую дифференциацию этих коэффициентов, например, в общем случае принимается равным 1,1 для всех кранов. Вместе с тем в нормах [1] указано, что при учете местного и динамического воздействия сосредоточенной вертикальной нагрузки от одного колеса крана полное нормативное значение нагрузки может быть скорректировано в зависимости от режима работы крана путем увеличения коэффициента надежности Однако понятие местного и динамического действия сосредоточенной вертикальной нагрузки в нормах [1] не детализируется. Таким образом, исследования совместной работы промышленного здания и мостового крана, их силового взаимовлияния остаются актуальной задачей.

Как показывают исследования крановых нагрузок, выполненные в условиях действующего производства [3], фактические значения нагрузок намного отличаются от нормативных, как правило в меньшую сторону, и имеют большой разброс. Вследствие этого при проектировании промышленных зданий следует использовать возможность индивидуального подхода к назначению расчетных нагрузок от мостовых кранов, что обычно позволяет выявить значительные резервы несущей способности. В то же время конкретные особенности производственного здания могут потребовать учета факторов, не учитываемых нормами [1] - неравномерное распределение вертикального давления колес мостовых кранов, динамический характер крановой нагрузки. В общем случае суммарные вертикальные нагрузки от колес мостовых кранов определяются изменением веса крана с грузом, приближением тележки к концевой балке; неравномерным распределением вертикального давления между колесами крана; динамическим характером нагрузки от мостовых кранов.

Нами проведено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) крановых балок мостового крана г/п 10 т и деформаций колонн окрасочного цеха ОАО «Антикор-маш» (Астрахань) (рис. 1).

Рис. 1. Пространственное положение крановых балок промышленного здания по строительной оси К

Расчётно-статическая модель (РСМ) промышленного здания окрасочного цеха ОАО «Ан-тикормаш» и мостового крана г/п 10 т состоит из 1080 конечных элементов (567 стержней,

193 пластин, 313 условных конечных элементов, 7 конечных элементов типа канат) и 762 узлов (рис. 2). При этом часть РСМ, относящаяся к промышленному зданию, состоит из 394 конечных элементов (166 стержней, 79 пластин, 149 условных конечных элементов) и 317 узлов.

Рис. 2. Расчётно-статическая модель промышленного здания окрасочного цеха ОАО «Антикормаш» и мостового крана г/п 10 т

Нагрузки от собственного веса промышленного здания и мостового крана г/п 10 т задавались для каждого конечного элемента в соответствии с плотностью бетона рбет = 2402 кг/м3 (колонны здания) и стали рст = 7850 кг/м3, для стержневых конечных элементов и канатов -площадью поперечного сечения, длиной; для пластин - площадью и толщиной. Линейная распределённая весовая нагрузка определялась для каждого конечного элемента. Полезная нагрузка рабочего состояния задана рабочим грузом, соответствующим максимальной грузоподъемности крана еном =10 т при высоте подвеса груза Н = 2,0 м. Вычисленная по рекомендациям СНиП 2.01.07-85 [1] горизонтальная нагрузка, направленная вдоль кранового пути и вызываемая торможением моста крана N = 16186,5 Н, горизонтальная нагрузка, направленная поперек кранового пути и вызываемая торможением грузовой тележки N. = 3507,075 Н.

Исследование НДС проведено для трех расчетных случаев, соответствующих трем положениям мостового крана внутри промышленного здания (рис. 3). Для каждого расчетного случая исследовались два случая нагружения, соответствующие двум противоположным направлениям движения мостового крана г/п 10 т по рельсовому пути. С целью анализа наиболее неблагоприятного силового воздействия грузовая тележка была расположена у внешней стены промышленного здания.

Рис. 3. Три расчетных положения мостового крана г/п 10 т относительно промышленного здания

Расчет реакции промышленного здания при работе мостового крана г/п 10 т для каждого расчетного случая производился путем сравнения пространственных перемещений колонн промышленного здания в месте их максимального смещения с допустимыми значениями по РД 10-138-97 [4]. Для подкрановых балок мостового крана вычислялись эквивалентные напряжения сэкв и сравнивались с пределом текучести стали Вст3пс5 ГОСТ 8731-74 ау = 220 МПа.

По результатам расчетного анализа максимальные перемещения колонн промышленного здания наблюдались при расположении крана около входа (рис. 3), движении крана в сторону (+Х). Для крайней (первой) колоны перемещения составляли (рис. 4): по оси Х = 0,11 мм < [11,96 мм]; по оси Y = |-0,59| мм < [11,96 мм]; по оси 2 = |-0,31| - |-0,27| = 0,04 мм < [16 мм].

Рис. 4. Перемещения колонн промышленного здания и расположение наиболее нагруженных элементов подкрановых балок мостового крана г/п 10 т при перемещении мостового крана в направлении

Максимальные эквивалентные напряжения в подкрановой балке возникали при расположении мостового крана в центре здания и его движении в направлении (+Х) (рис. 5): оэкв = 52,8 МПа.

Рис. 5. Перемещения колонн промышленного здания и расположение наиболее нагруженных элементов подкрановых балок мостового крана г/п 10 т при перемещении мостового крана в направлении

Заключение

Таким образом, максимальные перемещения колонн промышленного здания при расположении крана около входа и при движении крана в сторону (+Х) составляют для крайней (первой) колоны по оси Y = |-0,59| мм < [11,96 мм], что удовлетворяет требованиям РД 10-138-97. Напряжения, возникающие в крановых балках мостового крана г/п 10 т, меньше предела текучести стали Вст3пс5 ГОСТ 8731-74 ау = 220 МПа в 4,1 раза.

В целом расчеты показали, что промышленное здание окрасочного цеха ОАО «Антикор-маш» (Астрахань) удовлетворяет критериям прочности при статической нагрузке от мостового крана г/п 10 т.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М., 2003. 36 с.

2. ИСО 4301/1-86. Краны и подъемные устройства. Классификация. М.: Изд-во стандартов, 1986. 8 с.

3. Валь В. Н. Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции / В. Н. Валь, Е. В. Горохов, Б. Ю. Уваров. М.: Стройиздат, 1987. 220 с.

4. РД 10-138-97 (с изм. № 1 РДИ 10-349(138)-00). Комплексное обследование крановых рельсовых путей грузоподъемных машин. М., 1997. Ч. 1. 38 с.

REFERENCES

1. SNiP 2.01.07-85. Nagruzki i vozdeistviia [Loads and effects]. Moscow, 2003. 36 p.

2. ISO 4301/1-86. Krany i pod"emnye ustroistva. Klassifikatsiia [Cranes and lifting units. Classification]. Moscow, Izd-vo standartov, 1986. 8 p.

3. Val' V. N., Gorokhov E. V., Uvarov B. Iu. Usilenie stal'nykh karkasov odnoetazhnykh proizvodst-vennykh zdanii pri ikh rekonstruktsii [Enhancement of the steel structures of the single-storeyed industrial buildings while their reconstruction]. Moscow, Stroiizdat, 1987. 220 p.

4. RD 10-138-97 (s izmeneniiami № 1 RDI 10-349(138)-00). Kompleksnoe obsledovanie kranovykh rel's-ovykh putei gruzopod"emnykh mashin [Complex investigation of the crane rail ways of the lifting machines]. Moscow, 1997. Part 1. 38 p.

Статья поступила в редакцию 29.04.2014, в окончательном варианте - 28.05.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кизин Владимир Владимирович - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Техника и технологии наземного транспорта»; fobos.ad @yandex.ru.

Kizin Vladimir Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Master’s Degree Student of the Department 'Technique and Technology of Ground Transport"; fobos.ad@yandex.ru.

Синельщиков Алексей Владимирович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Техника и технологии наземного транспорта»; laex@bk.ru.

Sinelshchikov Aleksey Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technique and Technology of Land Transport"; laex@bk.ru.