Проектирование подкрановой конструкции

                                                             ВВЕДЕНИЕ

Сварная металлическая конструкция  в настоящей работе представляет собой подкрановую конструкцию: грузоподъемностью 150 кН, шаг колонны 12 м., длинной пролета 36 м. К подкрановым конструкциям относятся: подкрановые балки, тормозные балки (иногда и фермы), крепления балок к колоннам, крановые рельсы и детали их креплении к балке, крановые упоры на концевых участках балок. Основными несущими элементами подкрановых конструкций являются подкрановые балки, которые воспринимают нагрузки от мостовых кранов и передают их на колонны.

В соответствии с исходными данными  проекта и рекомендациями по технической  литературе была выбрана подкрановая  балка по конструктивной схеме сплошная, однопролётная (разрезная), а по способу изготовления - сварная. В качестве типовых разработаны сплошные сварные подкрановые балки двутаврового профиля способные выдерживать нагрузки от мостовых кранов грузоподъёмностью от 150 до 750т. Сварные балки легче клепанных и более просты в изготовлении. Верхний пояс балок при действии горизонтальных нагрузок усиливают постановкой в горизонтальной плоскости тормозных балок (иногда ферм), которые одновременно служат в качестве площадок для обслуживания подкрановых путей и кранов.

При назначении разрезной или неразрезной балки необходимо учитывать, что неразрезные балки экономичнее разрезных по расходу металла на 10-15%, но более трудоёмки по монтажу. Разрезные подкрановые балки благодаря простоте изготовления и монтажа, независимой работы от податливости опор широко распространены в строительстве промышленных зданий.

Работа подкрановых конструкций  происходит в очень тяжелых условиях: вертикальное давление катков мостовых кранов Р достигает весьма больших  значений (до 600-800 кН) и прикладываются в виде движущейся сосредоточенной силы, что требует обеспечения повышенной надежности  всей верхней части балки. При торможении тележки, а также из-за перекосов моста крана при движении, непараллельности крановых путей и других причин возникают существенные горизонтальные поперечные воздействия Т, для восприятия которых устраивают специальную горизонтальную тормозную балку. Приложение вертикальных и горизонтальных сил от катков носит динамический характер и часто сопровождается рывками и ударами. Всё это требует особого внимания к расчету и конструированию подкрановых конструкций, в противном случаев у них могут быстро появиться повреждения в виде усталостных трещин, расстройств соединений, расшатывания узлов, приводящие к разрушению при нормальной эксплуатации. Особенно в тяжёлых условиях работают подкрановые конструкции в зданиях, где эксплуатируются краны тяжелого и весьма тяжелого режима работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОДКРАНОВОЙ  КОНСТРУКЦИИ

 

1.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗДЕЛИЯ

 

Подкрановая конструкция состоит  из подкрановой балки, тормозной  балки, креплений балок к колоннам, крановых рельсов и деталей их крепления к балке, крановых упоров на концевых участках балок. Подкрановая конструкция является сварной конструкцией, работающей в нормальных условиях, подвергающаяся непосредственному воздействию динамических нагрузок, поэтому она принадлежит к первой группе конструкций. Конструкция испытывает знакопеременные нагрузки от передвигающихся по ней мостовых электрических кранов.

 Основными несущими элементами  подкрановых конструкций являются  подкрановые балки, которые воспринимают  нагрузки от мостовых кранов  и передают их на колонны.  Схема подкрановой конструкции  показана на рисунке1.1.

Рисунок 1.1. схема подкрановой конструкции:

1. верхний пояс, 2- стенка, 3- опорное ребро, 4- колонна, 5-нижний пояс, 6- ребро жесткости, 7- крановый рельс, 8- швеллер, 9- тормозной лист, 10- упор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПРОЕКТА

 

Исходные данные к  проекту

   - проект подкрановой конструкции.

   - шаг колонн 12000мм.

   - длина пролёта 36000м.

   - в цехе работают 2 крана  Q=150кН.

   - режим работы лёгкий.

Нагрузки и габарит мостового  крана:

Габаритные размеры крана определяем по ГОСТ 3332-54.

Основные габаритные размеры мостового крана показаны на рисунке 1.2

 

Рисунок 1.2 Схема основных габаритных размеров мостового крана.

 

   -грузоподъемность главного  крюка Q=150кН

  - H_k =2900мм.

   - B ₂=6300мм.

   - B₁ =260мм

   - база крана K=5000мм.

   - максимальное  давление колеса F_1max=220кН

   - вес тележки  G_т = 53кН

   - вес крана  с тележкой G_к = 450кН

               - тип кранового рельса: КР-70

Для подкрановой конструкции  принимаем марку стали ВСТ3сп5, σ=24,5 кН/см².

1.3 Определение расчетных сил

Давление колеса крана на рельс подкранового пути определяем по ГОСТ 3332-54.

Вертикальное давление колеса крана:

где 1.1 – коэффициент динамичности

1.2 – коэффициент перегрузки  для кранов.

Горизонтальное боковое давление колеса от поперечного торможения:

где Q - грузоподъемность крана

g – вес тележки

1/10 – коэффициент трения

2/4 – дробь, где в числителе  указано число тормозных колес,  в знаменателе общее число колес тележки

n – коэффициент перегрузки для кранов.

 

1.4 Определение расчетных усилий

Устанавливаем краны в невыгоднейшее  положение для определения наибольших изгибающих моментов в балке от вертикальных и горизонтальных тормозных сил.

Рис.1.2 Схема крановой нагрузки

Определение наибольшего  изгибающего момента:

Для определения наибольшего изгибающего момента следует установить грузы таким образом, чтобы середина балки находилась на одинаковом расстоянии от равнодействующей всех грузов и от ближайшего к ней груза, под которым и действует наибольший момент.

Положение равнодействующей R трех сил, действующих на балку:

Рисунок 1.3 Схема крановой нагрузки для определения наибольшего изгибающего момента.

Вертикальный момент:

где 0.95 – коэффициент сочетания  при воздействии двух кранов.

Горизонтальный момент:

где M_к – вертикальный момент

T – горизонтальное боковое давление колеса от поперечного торможения

P – вертикальное давление колеса.

Поперечная сила:

Определение наибольшей поперечной силы:

Устанавливаем один из грузов над  опорой, а остальные располагаем  как можно ближе как ней.

Рисунок 1.4 Схема крановой нагрузки для определения наибольшей поперечной силы.

Расчетные значения моментов и поперечных сил с учетом собственного веса и временной нагрузки:

в пролете:

на опоре:

где и - коэффициенты собственного веса и временной нагрузки.

 

1.5 Подбор сечения балки

Проектируем балку несимметричного  двутаврового сечения.

Определяем наименьшую допустимую высоту балки из условия жесткости  при относительном прогибе 1/n₀ = 1/600 и принимаем n_q=1.2

Относительный прогиб из приложения 3 [1 c. 548]

где l₀ – расстояние в свету

n_q – коэффициент перегрузки

1/n₀ – предельный прогиб.

Определяем ориентировочно оптимальную  высоту балки, для чего зададимся  гибкостью стенки k_ст = h₀/δ_ст = 125 [1,таблица VI.3] и определим требуемый момент сопротивления балки:

где M – вертикальный момент

R – расчетное сопротивление.

Предел прочности уменьшен с  учетом воздействия на верхний пояс балки горизонтальных сил торможения.

где k_ст – гибкость стенки

W_тр – момент инерции.

Принимаем высоту балки 1250 мм и назначаю высоту стенки h₀ = 1220 мм, оставляя по 15 мм на полки.

Определяем толщину стенки. Минимальная  толщина стенки при проверки ее прочности  на срез на опоре:

где R_ср – предел прочности материала на срез

Q⁰ – поперечная сила на опоре

h₀ – высота стенки.

Минимальная толщина стенки при  проверке ее прочности от местного давления:

 

где n₁ – коэффициент принимаемый при кранах с гибким подвесом

J_п – момент инерции кранового рельса КР 70

P₁ – вертикальное давление колеса с учетом коэффициента перегрузки

R – расчетное сопротивление.

Принимаем толщину стенки 10 мм.

Определение площади сечения поясов:

Где W_тр – момент инерции

h₀ – высота стенки.

Принимаем сечение балки: стенка – 1220*10 (F_ст = 12100мм²)

верхний пояс – 350*15 (F_в.п. = 5250мм²)

нижний пояс – 280*15 (F_н.п. = 4200мм²).

Состав сечения тормозной балки: швеллер №24 (F = 30.6см²), горизонтальный лист из рифленой стали δ = 6мм и верхний пояс балки 350*15.

 

1.6  Проверка прочности  балки

Предварительно вычисляем геометрические характеристики сечения балки (с  учетом ослабления верхнего пояса балки  отверстиями для крепления подкранового рельса).

Смещения центра тяжести сечения  балки относительно ее середины (ось х-х):

Моменты инерции:

Моменты сопротивления:

Статический момент полусечения:

Геометрические характеристики балки, относительно оси y-y:

Момент инерции тормозной балки:

Момент сопротивления:

 

 

 

Рисунок 1.5 Сечение балки

 

1.7 Проверка нормальных напряжений

Напряжение в верхнем поясе:

где М – вертикальный момент

M_т – горизонтальный момент

Напряжение в нижнем поясе:

1.8 Проверка касательных  напряжений на опоре

где Q⁰ – поперечная сила на опоре

S_x – статический момент полусечения

  - момент инерции

- толщина стенки.

1.9 Проверка жесткости  балки

Проверяем прогиб балки от вертикальных нагрузок:

где E – модуль упругости

Относительный прогиб:

1.10 Проверка прочности  стенки балки при местном давлении  колеса крана

Вычисляем геометрические характеристики верхнего пояса балки и подкранового рельса.

Сумма моментов инерции пояса и рельса КР 70:

Условная длина распределения  давления колеса крана:

где с – коэффициент для сварных и прокатных балок

J_п – момент инерции верхнего пояса

δ _ст – толщина стенки.

Местные напряжения в стенке балки:

 

1.11 Проверки местной  устойчивости стенки балки

Необходимость постановки поперечных ребер жесткости и проверки устойчивости стенки следует из соотношения:

Расстояние между ребрами жесткости  принимаю 1500мм.

Определяем сечение ребер жесткости:

 ширина ребра 

толщина ребра 

   

Рис. 1.6 Схема расстановки ребер  жесткости

Проверку местной устойчивости стенки балки производим для двух отсеков: среднего (наибольшие нормальные напряжения) и опорного (наибольшие касательные напряжения).

Проверка среднего отсека:

Для определения наибольшего изгибающего  момента в пределах отсека определяем значения изгибающего момента в  точках b, c, d пр установке крана по рис.1.3:

Находим напряжения в среднем отсеке:

где М_ср – среднее значение момента

y_c – смещение центра тяжести по оси y.

где Q_ср – среднее значение поперечной силы

h_ст – высота стенки

δ_ст – толщина стенки

Определяем критические напряжения для стенки среднего отсека.

Так как a/h₀=1500/1220 = 1.23>0.8, отношение / = 8.67/19.1 = 0.45 больше предельного при любом значении γ, то нормальное критическое напряжение находим по формуле:

где k₂ – коэффициент, который зависит от величины стенки.

где μ – отношение большей строный к меньшей d

μ = 156/150=0.86

Критическое напряжение от местного давления:

Где k₁ – коэффициент, зависящий от величины стенки и значения γ

а – расстояние между осями поперечных ребер жесткости.

Проверяем устойчивость стенки:

Стенка устойчива.

Аналогично производим проверку местной  устойчивости стенки балки для опорного отсека при установке крана по рис.1.4:

По всему отсеку:

Определим напряжения в опорном  отсеке:

Проверка устойчивости стенки:

Стенка устойчива.

1.12 Расчет поясных соединений.

Верхние поясные швы в подкрановых  балках выполняются с проваром на всю толщину стенки; так как эти швы равнопрочны основному металлу, расчет не требуется.

Проверяем нижние поясные швы на срез: