Сплошные подкрановые балки: проверка прочности и выносливости

Проверка прочности подкрановых балок. Под действием вертикаль­ных и горизонтальных крановых нагрузок подкрановая балка и тор­мозная конструкция работают как единый тонкостенный стержень на ко­сой изгиб с кручением (рис. 15.11, а), и нормальные напряжения в та­кой балке можно определить по формуле

Так как линия действия усилий проходит вблизи центра изгиба, влияние кручения невелико, поэтому при расчете балок используется приближенный подход. Условно принимается, что вертикальная нагруз­ка воспринимается только сечением подкрановой балки (без учета тор­мозной конструкции), а горизонтальная — только тормозной балкой, в состав сечения 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 навертикальную, так и на горизонтальную нагрузку, и максимальные напряжения в точке А (рис. 15.11,б) можно определить по формуле

Если тормозная конструкция выполнена в виде фермы, то верхний пояс балки помимо напряжения от изгиба в вертикальной плоскости воспринимает осевое усилие (h_T — высота тормозной фер­мы) от работы его в составе фермы и местный момент (d — расстояние между узлами тормозной фермы, см. рис. 15.9) от вне-узлового приложения силы Т_к (коэффициент 0,9 учитывает неразрезность пояса в узлах).

Устойчивость верхнего пояса из плоскости балки можно проверить по приближенной формуле

Если сечение пояса сильно ослаблено отверстиями, то решающей будет проверка прочности, выполняемая по формуле (15.8).

Прочность стенки на действие максимальных местных напряжений проверяют по формуле

Здесь - расчетная нагрузка на колесе без учета динамичности; - коэффициент увеличения нагрузки на колесе, учитывающий возможное перераспределение усилий между колесами и динамический характер нагрузки, принимается равным: 1,6 – при кранах с жестким подвесом груза, 1,4 – при кранах особого режима работы с гибким подвесом груза, 1,1 – при прочих кранах; - толщина стенки; - условная (расчетная) длина распределения усилий зависит от жесткости пояса, рельса и сопряжения пояса со стенкой и определяется по формуле: ,

где с- коэффициент, учитывающий степень податливости сопряжения пояса, для сварных балок с=3,25 , клепанных – 3,75; – сумма собственных моментов инерции пояса и кранового рельса или общий момент инерции в случае приварки рельса швами, обеспечивающими совместную работу рельса и пояса.

Стенку подкрановой балки следует проверить также на совместное действие нормальных, касательных и местных на­пряжений на уровне верхних поясных швов по формуле

(15.11)

где b - коэффициент, равный 1,15 при расчете разрезных балок и 1,3 – при расчете на опорах неразрезных балок.

Внецентренное расположение рельса на балке, а также воздействие горизонтальной поперечной силы, приложенной к головке рельса, приводит к возникновению местного крутящего момента, приложенного к верхнему поясу балки и вызывающего дополнительные напряжения от изгиба в стенке :

(15.12)

где

где е – условный эксцентриситет рельса, принимаемый равным 15мм; - высота рельса; коэффициент 0,75 учитывает большую длину распределения крутящего момента от силы по длине балки, чем от силы .

32. Сплошные подкрановые балки: особенности конструирования (опорные узлы, узлы крепления крановых рельсов).

В узлах опирания подкрановых балок на колонны происходит пере­дача больших вертикальных и горизонтальных усилий. Вертикальное давление разрезных подкрановых балок передается на колонну обыч­но через выступающий фрезерованный торец опорного ребра (рис. 15.17, а).

Для восприятия горизонтальных поперечных воздействий кранов устанавливают дополнительные элементы крепления балок к колоннам (рис. 15.18, а). Эти элементы рассчитывают на горизонтальное уси­лие

(15.31)

где - опорное давление балки от поперечных горизонтальных усилий на колесах крана; - расстояние от низа балки(точка поворота) до отметки головки рельса и места расположения элементов крепления(рис 15.18,а).

Конструкция крепления балок к колоннам в горизонтальном направлении должна обеспечивать передачу горизонтальных поперечных сил, допуская при этом свободу поворота и продольного смешения опорных сечений.

Рис. 15.18.К расчету узла крепления подкрановых балок к колонне.

а- схема передачи горизонтального поперечного усилия; б – перемещение узла; в – расчетная схема элемента крепления; г – передача усилий при перекосе опорного ребра

Для того чтобы обеспечить свободу продольных и вертикальных перемещений элементов крепления, применяют два типа узлов. В узлах 1-го типа поперечные горизон­тальные воздействия передаются через плотно пригнанные к полкам колонны элемен­ты (упорные планки), допускающие за счет проскальзывания свободу перемещений опорных сечений (рис. 15.19, а). Поскольку со временем контактные поверхности об­минаются и в соединении образуется люфт, упорные элементы целесообразно крепить (для возможности их замены) на высокопрочных болтах. 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 , невелики. В качестве гибких креплений используются листовые элементы или круглые стержни.

В узле, показанном на рис. 15.19,б, 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.

Для мостовых кранов применяются специальные крановые рельсы КР с усиленной шейкой и развитой подошвой (см. прил. 14).

Конструктивное решение крепления рельсов к подкрановым балкам зависит от типа рельсов (рис. 15.20).

В зданиях с кранами особого режима работы рекомендуется при­менять только специальные крановые рельсы КР. В железнодорожных рельсах у мест ослабления шейки отверстиями часто возникают трещи­ны; кроме того, отверстия для крючьев в тормозном листе являются концентраторами напряжения и около них также развиваются трещины. Квадратный рельс менее жесткий, чем КР, а простружка пазов для его крепления весьма трудоемка. Между рельсом и поясом балки це­лесообразно устанавливать упругие прокладки из низкомодульного материала. Прокладки улучшают условия контакта рельса и пояса, сглаживают и уменьшают местные напряжения под колесом крана, ликвидируют пики местных напряжений у контактирующих неровнос­тей рельса и пояса, уменьшают динамическое воздействие крана. При кранах небольшой грузоподъемности (Q<20 т) прокладки делают из прорезиненной ленты, при большой грузоподъемности — металлорезиновыми. Так как при прохождении крана прокладки сжимаются, то применяют различного типа пружинные крепления рельса к поясу (рис. 15.21).

33. Многоэтажные гражданские здания: конструктивные схемы многоэтажных зданий; каркасные, панельные, объемно-блочные, комбинированные здания.

Основные несущие элементы (фундаменты, стены, и т.д.) в совокупности образуют несущий каркас здания, который воспринимает все нагрузки, воздействующие на здание, и передаёт их на основание., а также обеспечивает пространственную неизменяемость(жёсткость ) и устойчивость здания.

По конструктивной схеме здания подразделяются на бескаркасные, каркасные и с неполным каркасом. В бескаркасных зданиях основными вертикальными несущими элементами служат стены, в каркасных- отдельные опоры (колонны), в зданиях с неполным каркасом- и стены , и отдельные опоры.

Бескаркасные крупноблочные здания со стенами из бетонных и других блоков имеют конструктивные схемы с поперечными и продольными несущими стенами. Общественные многоэтажные здания чаще возводят с продольными несущими стенами.

Пространственная жесткость каркасных зданий обеспечивается:

Совместной работой колонн, связанных между собой ригелями и перекрытиями и образуют жесткую систему.

Установкой между колоннами стенок жесткости или стальных вертикальных связей.

Сопряжением стен лестничных клеток с конструкциями каркаса

Укладкой в междуэтажных перекрытиях (между колоннами) панелей-распорок.

Объёмно-блочные здания возводят из крупноразмерных элементов – объёмных блоков, которые представляют собой готовую часть здания, например комнату, размеры объёмных блоков зависят от схемы разрезки на блоки – комнаты. Такие дома имеют две конструктивные схемы: блочную и блочно-панельную. Блочные здания возводят только из объёмных блоков, устанавливаемых вплотную друг к другу. А в блочно-панельных – объёмные блоки устанавливают на расстоянии один от другого так, что между ними образуется комната, которую перекрывают панелями. Стеновые панели – навесные, их монтируют вслед за установкой объёмных блоков дома.

34. Многоэтажные гражданские здания: конструктивные схемы каркасных зданий; рамные, рамно-связевые, связевые системы.

При строительстве общественных и частично жилых зданий широко применяют каркасные конструктивные схемы. Выбираемая сетка колонн при этом должна отвечать виду и размерам основных планировочных элементов.

Различают системы каркасов: рамные, рамно-связевые и связевые.
Рамная система (рис. 12.18) состоит из колонн, жестко соединенных с ними ригелей, перекрытий, располагаемых во взаимно перпендикулярных направлениях и образующих таким образом жесткую конструктивную систему. Колонны зданий с рамной системой имеют по высоте здания переменное сечение. Если каркас выполнен в монолитном варианте, то он более жесткий, чем сборный, но в то же время более трудоемок. Эта система имеет ограниченное применение в строительстве многоэтажных гражданских зданий.

Рис. 12.18. Схема здания с рамной системой:
1 — колонна, 2 — ригели

В рамно-связевых системах (рис. 12.19) совместная работа элементов каркаса достигается за счет перераспределения доли участия в ней рам и вертикальных стенок-связей (диафрагм). Стенки-диафрагмы располагают по всей высоте здания, жестко закрепляют в фундаменте и с примыкающими колоннами. Их размещают в направлении, перпендикулярном направлению рам, и в их плоскости. Расстояние между стенками-связями обычно принимают 24,,.30 м. Они бывают плоскими и пространственными. Поперечные связи-диафрагмы устраивают сквозными на всю ширину здания. По степени обеспечения пространственной жесткости, расходу металла и трудоемкости рамно-связевые каркасы занимают промежуточное место между рамными и связевыми. Эти системы применяют при проектировании общественных зданий высотой до 12 этажей с унифицированными конструктивно-планировочными сетками 6x6 и 6 х 3 м.

Для общественных зданий большей этажности применяют связевые системы каркасов с пространственными связевыми элементами в виде жестко соединенных между собой под углом стенок или пространственных элементов, проходящих по всей высоте здания, образующих так называемое «ядро жесткости» (рис. 12.20).

Эти пространственные связевые элементы жесткости закрепляют в фундаментах и соединяют с перекрытиями, образующими поэтажные горизонтальные связи — диафрагмы (диски), которые и воспринимают передаваемые на стены горизонтальные (ветровые) нагрузки. Расход стали и бетона в зданиях со связевыми системами на 20...30% меньше по сравнению с рамными и рамно-связевыми. Пространственные связевые элементы размешают обычно в центральной части высотных зданий и используют для образования ограждений лифтовых и коммуникационных шахт, лестничных клеток

Рис. 12.19. Схема зданий с рамно-связевыми каркасами:
а — с плоскими связями. б — с пространственными связями, I -связевые элементы

Более высокие показатели по расходу материалов имеют монолитные железобетонные ядра жесткости, устраиваемые раньше монтажа каркаса методом скользящей опалубки с последующим использованием для размещения на них монтажных кранов.
Для большепролетных общественных зданий используют плоские несущие конструкции (стоечно-балочные системы с балками или фермами, рамы, криволинейные системы, арки). Они работают в вертикальной плоскости и восприятие горизонтальных нагрузок, обеспечение пространственной жесткости и устойчивости покрытия достигаются жестким соединением конструктивных элементов между собой и специальными связевыми элементами. Пространственные конструкции большепролетных общественных зданий выполняют в виде перекрестных балочных систем, оболочек, складок, висячих систем и др. Выбор той или иной системы большепролетных зданий в каждом конкретном случае зависит от особенностей объёмно -и пространственного решения, природно-климатических условий и возможностей изготовления. Основными конструкциями каркасных зданий являются колонны и ригели, образующие ту или иную конструктивную схему. К этим конструкциям крепятся вертикальные ограждения-панели.

Рис. 12.20. Схемы зданий со связевыми элементами:
а — коробчатыми, б — Х-сбразными, в — круглыми, г — двутавровыми

35.Расчет многоэтажных каркасных зданий из сборных железобетонных элементов.

Расчет многоэтажного здания в целом н отдельных конструктивных элементов расчетной модели представляет собой большую оо объему задачу. Он состоит из ряда тем, связанных определенной технологической последователь­ностью. Каждая тема или каждый раздел расчета начина­ются с формирования исходных данных, получаемых из предыдущих разделов и из начальных условий решаемой задачи. После выполнения расчетов по теме их результаты используют в следующих темах или для формулирования окончательных выводов о рассматриваемой системе несу­щих конструкций.

Расчет здания представляет собой так называемую об­ратную задачу, характеризуемую последовательностью: конструкция — расчет — суждение о конструкция. Это значит, что вся система несущих конструкций и характе­ристики ее элементов должны быть заданы до начала рас­чета. Способы расчета здания решением с прямой задачи», позволяющие получить сечения всех элементов несущих конструкций, не задавая их предварительно, в настоящее время отсутствуют.

Укрупненная принципиальная схема расчета много­этажного здания со связей ым каркасом изображена на рис 10, откуда видны тесная взаимосвязи, а иногда и пе­реплетения отдельных разделов расчета.

Многие разделы расчета механизированы и успешно вы­полняются на ЭВМ.

36.Расчет центрально нагруженных фундаментов: подбор размеров подошвы, расчет на продавливание, расчет арматуры фундамента.

При центральном нагружении линия действия равнодействующих всех нагрузок проходит через центр тяжести подошвы фундамента. Рассмотрим в качестве примера расчёт центрально нагруженного отдельно стоящего фундамента (см. схему с основными принятыми обозначениями).

Расчётная схема для центрально нагруженного фундамента.

Подбор размеров подошвы

Составляем условие равновесия на вертикальную ось:

N₀ + N_ф+N_гр - P × A = 0

Отсюда: A = (N₀ + N_ф + N_гр) / P - площадь подошвы фундамента.

Принимаем:P_max = R

Для упрощения расчёта принимаем, что N_гр + N_ф = А ∙ d ∙ γ_ср,

γ_ср ≈ 20 кH/м³, тогда, подставляя в исходную формулу, получим:

A = N₀ / (R - d ∙ γ_ср),

где γ_ср ∙ d - средняя интенсивность давления от веса фундамента и грунта на его обрезах,
R - γ_ср ∙ d - дополнительная величина давления, которую мы можем передать на грунт основания.

Из найденной площади подошвы фундамента определяются его линейные размеры А = b ∙ ℓ.

Следует подчеркнуть, что данный расчёт выполняется при известной величине R – которая сама зависит от А, R = f(A). Следовательно, данную задачу можно решить методом последовательных приближений с проверкой условия P ≤ R.

Принципиальная блок–схема расчёта центрально нагруженного фундамента.

- вычисление расчётного сопротивления грунта основания при принятой в первом приближении величине b равной 1 м.

- определение площади подошвы фундамента А и его ширины b (меньшая сторона площади).

N_гр + N_ф = А ∙ d ∙ γ_ср - определение веса фундамента и грунта на его ступенях (см. схему), по найденной площади.

Проверка выполнения условия: P = (N₀ + N_ф + N_гр) / A ≤ R_b.

В случае выполнения условия п. 4, расчёт считается законченным. В противном случае необходимо увеличение размера стороны подошвы, пересчёт R при новой ширине подошвы, определение новых величин веса фундамента и грунта на его ступенях (п. 3 алгоритма) и повторение проверки (п. 4 алгоритма).

Подобный цикл расчётов следует выполнять несколько раз, до тех пор, пока не выполниться условие п. 4.

Расчет на продавливание

Минимальную высоту фундамента с квадратной подошвой определяют условным расчетом его прочности на продавливание в предположении, что оно может происходить по поверхности пирамиды, боковые стороны которой начинаются у колонн и наклонены под углом 45⁰. Это условие выражается формулой(для тяжелых бетонов) :

(12.3)

Где – расчетное сопротивление бетона при растяжении;

– среднее арифметическое между периметрами верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания в пределах полезной высоты фундамента .

Продавливающую силу принимают согласно расчету по первой группе предельных состояний на уровне верха фундамента за вычетом давления грунта по площади основания пирамиды продавливания:

P=N-A₁p, (12.4)

Где p= N/A₁ ,

A₁ = (h_c+2 h₀ )( b_c+2 h₀ ) ,

N - расчетная сила.

В формуле (12.4) нагрузка от веса фундамента и грунта на нем не учитывается, так как он в работе фундамента на продавливание не участвует. Полезная высота фундамента может быть вычислена по приближенной формуле, выведенной на основании выражений (12.3), (12.4):

(12.5)

Фундаменты с прямоугольной подошвой рассчитывают на продавливание также по условию (12.3), принимая ;

Где - площадь заштрихованной части подошвы на рис. 12.7; – соответственно верхняя и нижняя стороны одной грани пирамиды продавливания.

Полную высоту фундамента и размеры верхних ступеней назначают с учетом конструктивных требований.

Внешние части фундамента под действием реактивного давления грунта снизу работают подобно изгибаемым консолям, заделанным в массиве фундамента. Их рассчитывают в сечениях: I-I – по грани колонны, II-II – по грани верхней ступени, III-III – по грани пирамиды продавливания.

Расчет арматуры фундамента

Требуемое количество арматуры назначают в результате расчета нормальных сечений. на действие изгибающих моментов, которые при центральном действии нагрузки определяют по следующим формулам:

М=0,125р(l-li)^2*b

Сечение рабочей арматуры вычисляют по формулам:

A= M/0,9hRs

где Rs — расчетное сопротивление арматуры растяжению.

Процент армирования в сечении фундамента должен соответствовать минимальному Шаг рабочей арматуры обычно принимают равным 100...200 мм. Конструктивные стержни должны иметь сечение не менее 10 % площади рабочей арматуры и устанавливаться с шагом 150...350 мм. Высота защитного слоя бетона в монолитных фундаментах должна быть не менее 35 мм при наличии песчано-гравийной подготовки и 70 мм без нее, для сборных фундаментов высота защитного слоя — не менее 30 мм.

Расчет по второй группе (по раскрытию трещин) выполняют в соответствии с требованиями, предъявляемыми к изгибаемым железобетонным элементам.