Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса. статистические методы исследования нагрузок, действующих на каркас промышленных зданий
1.1. Кратная характеристика подвесных кранов и несущих конструкций покрытий 9
1.2. Обзор и анализ работ, посвященных изучению крановых нагрузок , 14
1.3. Исследования снеговых нагрузок, действующих на покрытие производственного здания 28
1.4. Методы оценки расчетных сочетаний 34
1.5. Краткие выводы по главе. Цели и задачи настоящего исследования 41
ГЛАВА 2. Методика экспериментального исследования нагрузок от подвесных кранов и снега в производственных зданиях заводов автомобильной промышленности
2.1. Анализ существующих методов экспериментального
исследования нагрузок 43
2.1.1. Первичные средства измерений 43
2.1.2. Усилители сигнала 48
2.1.3. Средства регистрации информации 49
2.2. Методика экспериментального исследования вертикальной нагрузки от подвесных кранов 51
2.3. Методика исследования нагрузки от снега 73
2.4. Выводы по главе 85
ГЛАВА 3. Анализ процесса нагружения конструкций покрытия подвесными кранами
3.1. Результаты статистического исследования вертикальной нагрузки от подвесных кранов 87
3.1.1. Распределения крановой нагрузки и усилий в элементах конструкций покрытия. Оценка статистических параметров распределений 87
3.1.2. Частотные характеристики работы кранов. Длительность загружения конструкций 94
3.2. Анализ статистических параметров распределений вертикальной крановой нагрузки 99
3.2.1. Вычисление расчетных уровней усилий от одного крана 99
3.2.2. Распределения усилий от двух и четырех кранов. Вычисление расчетных уровней 101
3.2.3. Методика оценки коэффициентов сочетания нагрузок от двух и четырех кранов 108
3.3. Математическая модель загружения конструкций двумя и четырьмя кранами 112
3.4. Оценка численных значений коэффициентов сочетания 123
3.5. Выводы по главе 132
ГЛАВА 4. Исследование процесса нагружения конструкций покрытия снеговой нагрузкой
4.1. Анализ изменчивости снеговой нагрузки по экспериментальным данным 134
4.2. Методика обработки данных по весу снежного покрова на территории СССР 148
4.3. Модель снеговой нагрузки, действующей на конструкции покрытия 162
4.4. Выводы по главе 172
ГЛАВА 5. Сочетания нагрузок от подвесных кранов и снега
5.1. Модель сочетания крановых и снеговых нагрузок 175
5.2. Определение коэффициентов сочетания 185
5.3. Влияние консгруктивной схемы покрытия на величину коэффициентов сочетания 203
5.4. Выводы по главе 208
Оценка технико-экономической эффективности результатов работы 210
Общие выводы и рекомендации 213
Литература
- Обзор и анализ работ, посвященных изучению крановых нагрузок
- Первичные средства измерений
- Распределения крановой нагрузки и усилий в элементах конструкций покрытия. Оценка статистических параметров распределений
- Методика обработки данных по весу снежного покрова на территории СССР
Введение к работе
Одной из основных задач одиннадцатой пятилетки является обеспечение снижения расхода проката черных металлов на единицу конечной продукции в строительстве и повышение экономичности строительных конструкций. Эта цель достигается как путем рационального использования металла, так и совершенствованием норм проектирования.
В настоящее время на предприятиях автомобильной и машиностроительной промышленностей широкое распространение получили подвесные краны, которые обслуживают как основной, так и вспомогательный технологические процессы. Ежегодное производство подвесных кранов составляет около 16 тыс.штук, причем большинство из них размещаются в зданиях с металлическими конструкциями покрытия. Несмотря на незначительную грузоподъемность подвесных кранов (1,0 * 5,0 тс), эквивалентная равномерно-распределенная нагрузка от них достигает 4- * 4,5 кН/м2 и совместно со снеговой нагрузкой решающим образом определяет металлоемкость конструкций покрытия.
В связи с большой значимостью этих нагрузок, особо важное значение приобретает обоснованное назначение коэффициентов сочетания нагрузок от нескольких кранов /б/, а также нагрузок от кранов и снега /33/. Несмотря на широкое распространение подвесных кранов, этот вопрос до сих пор не изучен, а установленные в нормах коэффициенты сочетания не имеют достаточного обоснования. Уточнение коэффициентов сочетания в ряде случаев позволит снизить расход металла на несущие конструкции покрытия.
Цель работы заключается в обосновании коэффициентов сочетания нагрузок от двух и четырех подвесных кранов, а также коэффициентов сочетания нагрузок от кранов и снега для несущих конструкций покры-
- б -
тий промышленных зданий.
Для решения этой задачи разработана методика и аппаратура экспериментального исследования нагрузок от кранов и снега, проведены натурные исследования в действующих цехах автомобильной промышленности и проведен анализ полученных результатов. Разработана модель процесса нагружения конструкций и, с учетом вероятности безотказной работы конструкции, а также расчетного срока эксплуатации, определены коэффициенты сочетания.
Задача по определению расчетных значений нагрузок от кранов решена с использованием методов теории случайных процессов и основана на представлении крановой нагрузки в виде максимумов за определенный промежуток времени. Частотные характеристики совместного загружения конструкций несколькими кранами получены с использованием теоретической модели совместной работы нескольких кранов, основанной на полученных экспериментальных данных. При анализе учтены особенности загружения ферм покрытия, как многоэлементных систем.
Предложены конструктивные мероприятия по снижению нагрузок от подвесных кранов (А.с. № І03І878).
Расчетные нагрузки от снега определены с учетом особенностей, разработанной на основе экспериментальных исследований, модели снеговой модели. Разработанная модель отвечает условиям нагружения конструкций покрытия отапливаемого здания снеговой нагрузкой и позволяет учесть корреляционные связи между величиной снеговой нагрузки и скоростью ее изменения, которые существенно влияют на величину расчетной снеговой нагрузки, а также учесть длительность загружения конструкций покрытия.
Задача по определению расчетных значений суммарных нагрузок от кранов и снега решена с использованием разработанной модели сочетания крановой и снеговой нагрузок, а также особенностей загруже-
_ 7 -
ния элементов конструкций покрытия. Предложена приближенная формула для вычисления расчетных значений суммарной нагрузки от кранов и снега, учитывающая корреляционные зависимости. Расчеты, выполненные на ЭВМ, позволили выявить основные параметры, необходимые для анализа, а также получить численные значения коэффициентов сочетания нагрузок от кранов и снега. Подчеркнута значительная роль соотношения усилий в исследуемом элементе конструкций при оценке коэффициентов сочетания. Проанализированы особенности статистических распределений максимумов нагрузок от одного и нескольких подвесных кранов и даны численные значения параметров, необходимых при определении коэффициентов сочетания.
В итоге проведенных с помощью разработанных аппаратуры.: и методики исследований, получены численные значения коэффициентов сочетания нагрузок от двух и четырех подвесных кранов, а также нагрузок от кранов и снега. Полученные коэффициенты сочетания в целом ниже регламентируемых нормами, что позволяет снизить расход металла на покрытия промышленных зданий, оборудованных подвесными кранами.
На защиту выносятся:
методика и аппаратура экспериментального исследования нагрузок от подвесных кранов и снега;
методика оценки статистических характеристик процесса нагру-жения конструкций нагрузкой от подвесных кранов;
теоретическая модель загружения конструкций покрытия несколькими кранами, методика оценки коэффициентов сочетания нагрузок от двух и четырех кранов и результаты расчетов по их определению;
результаты экспериментального исследования нагрузок от снега на конструкции покрытия промышленного здания, а также теоретическая модель снеговой нагрузки;
методика и результаты оценки коэффициентов сочетания нагру-
- 8 -зок от подвесных кранов и снега. Новизна исследования состоит:
в разработке универсальной методики и аппаратуры длительного экспериментального исследования нагрузок от подвесных кранов и снега в условиях действующих цехов (А.с. Ш 808832, 9834*1, І03І878);
в обосновании коэффициентов сочетания нагрузок от двух и четырех подвесных кранов;
в проведении длительных экспериментальных исследований фактического процесса нагрунения конструкций покрытия снеговой нагрузкой и в разработке модели снеговой нагрузки;
в разработке методики учета совместного воздействия нагрузок от подвесных кранов и снега.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Результаты исследований внедрены при подготовке рекомендаций по уточнению нагрузок от подвесных кранов и снега при реконструкции промышленных зданий (отраслевая проблема Госстроя СССР, шифр
055.01.121).
Разработанные методы и аппаратура экспериментальных исследований внедрены в работах кафедры Металлических конструкций МИСИ им. В.В.Куйбышева.
Обзор и анализ работ, посвященных изучению крановых нагрузок
Одним из основных видов силовых воздействий, воспринимаемых каркасом промышленного здания, является крановая нагрузка. Эта нагрузка в виде вертикальных и горизонтальных сил на колесах крана передается на подкрановые конструкции и далее на несущие элементы каркаса здания. Из всех видов воздействий крана: вертикальных уси лий, попзрзчных горизонтальных сил, продольных тормозных сил наиболзз существенной является вертикальная нагрузка /26/.
Первые исследования вертикальных крановых нагрузок были выполнены в ГПИ "Промсгройпроэкт" и касались только распрздзлзния весов поднимаемых грузов.
В работе А.И.Кикина /25/ были проанализированы схемы загружз-ния конструкций несколькими кранами. Автор указывал, что принимаемые при проектировании схемы загружения несколькими максимально загруженными кранами нереальны и учет фактических схем позволяет выявить существенные резервы несущей способности конструкций. Ра-бога базировалась на использовании чисто детерминистических методов, что не позволило в полной мере оценить реальные крановые нагрузки.
Первые исследования вертикальных крановых нагрузок с использованием статистических методов были выполнены в работах А.А.Бать и Б.Н.Кошутина Д, 5/. В середине 50-х годов А.А.Бать была проделана работа Д/ по изучению режимов эксплуатации подкрановых балок на основе статистического анализа данных, полученных экспериментальным путем. Обследования охватили двадцать пять металлургических цехов. В работе отмечено, что загруженность подкрановых конструкций, находящихся в разных цехах, неодинакова, а также то, что напряжения, вызываемые в подкрановых балках мостовыми кранами, в 2 5 раз меньше расчетных. Автор указывал, что основной причиной этого несоответствия являлась малая взроягносгь совместного загружения конструкций двумя кранами. Кроме того, А.А.Багь указал на необходимость учета технологических особенностей производства, существенно влияющих на распределение крановых нагрузок.
Работа Б.Н.Кошутина /5, 30, 31, 32/ явилась началом серии исследовательских работ по изучению нагрузок от мостовых кранов с применением математического аппарата теории вероятностей и математичзской статистики. Работа включала экспериментальную часть по
сбору статистической информации, ее обработку, анализ и получение практических результатов в виде коэффициентов перегрузки вертикальной крановой нагрузки. В качестве метода сбора статистической информации автором был предложен так называемый "способ визуальных наблюдений", который заключался в регистрации положения крана и тележки, величины поднимаемого груза, места его подъема и опускания. Положение тележки с грузом фиксировалось в журнале с использованием условной координатной сетки. Данный метод, несмотря на приближенность определения всех параметров, давал вполне достоверные результаты и в дальнейшем неоднократно использовался в других работах, преимущественно благодаря своей простоте. Б.Н.Кошутиным проведены наблюдения в 21-ом пролете грех цехов металлургического производства и 12-ти цехах заводов тяжелого машиностроения. В результате обработки информации были построены полигоны весов поднимаемых кранами грузов, полигоны вертикальных нагрузок на колонны и усилий в элементах крановых мостов. Полигоны строились для интервалов нагрузки, составляющих 0,1 нормативного значения. Этот прием позволил сравнивать разные объекты.
Первичные средства измерений
К первичным средствам измерения относятся любого рода датчики, силоизмерители, тензометры и т.п., т.е. элементы, непосредственно вырабатывающие сигнал, который зависит от состояния контролируемого объекта. Простейшим средством для контроля напряжений в конструкции является механический тензометр. В свое время наиболее широкое распространение получили тензометры Гугенбергера /42/, представляющие собой рычажную систему, опираниз которой на поверхность конструк-ции производилась посредством ножей. Достоинством всякой механической системы является ее автономность, однако в исследованиях силовых воздействий с целью получения статистического материала подобное устройчгво не нашло применения из-за необходимости в постоянном присутствии наблюдателя для съема отсчетов. С развитием методов статистического анализа и, в частности, методов исследования максимумов изменяющегося во времени процесса возникла необходимость в устройствах для контроля максимальных значений деформаций конструкций. Наиболее простым из разработанных для этой цели приборов является максимальный тензометр /44/, в котором использован принцип фиксации столбика ртути в капилляре, аналогичный принципу работы медицинского максимального гзрмомзтра. Этот гзнзомзтр также устанавливается на конструкцию при помощи ножей и может работать в течение длительного времени (рис. 2.1). Недостатком его является так же, как и у других механических тензометров, необходимость в ручном съеме отсчетов.
В работз Ю.С.Кунина /37/ в качзствз силоизмерителя использовались нижние пояса подкрановых балок. На пояс балки наклеивались тензометры сопротивления (тензорезисторы). Для исключения погрешностей, возникающих от некачественной зачистки поверхности, база тензорезисторов была выбрана равной 50 мм. Кроме того, каждый ген-зорззистор дублировался, что является в ряде случаев необходимым мероприятием.
Из работ многочисленных авторов /13, 42, 55, 80/, посвященных элзктротзнзометрии, слздузт, что наибольшее число ошибок в измерениях и различного рода отказов возникает из-за нзкачественной установки первичного тензопреобразователя. В условиях действующих цехов основным требованием к тензорезисторам является качественная наклейка их на предварительно подготовленное основание, надежная гидроизоляция и электрическая изоляция соединительной сети относительно конструкций. Тарировка установленных тзнзорэзисторов обычно производится параллельно двумя методами: грузовая тарировка, при которой определяются напряжения (деформации), соответствующие задаваемому силовому воздействию, и тарировка путем изменения активного сопротивления для определения цены деления регистрирующего устройства в единицах деформации. Использование двух методов позволяет определять конструктивную поправку. Для увеличения точности второго метода используют предварительную градуировку тензорезис-торов, при которой уточняется коэффициент тензочувствительности партии тензорезисторов /55/.
С.Ф.Пичугин в работе /50/ использовал универсальные индуктивные датчики перемещения (рис. 2.2), позволившие регистрировать сигнал без усиления на ленте осциллографа. Индуктивный датчик состоит из двух обмоток и расположенного между ними якоря так, что при наличии некоторого перемещения якоря, которое передается через шток, индуктивность катушек взаимно изменяется /73/. Подобный датчик включается в мостовую схему и питается переменным током промышленной частоты (50 Гц), т.е. не требует каких-либо преобразователей напряжения питания. С.Ф.Пичугин исследовал боковые силы, создаваемые мостовым краном, а также вертикальные опорные реакции балок. Б первом случае вместо тормозных элементов устанавливались специальные щелевые динамометры с использованием индуктивных датчиков в качестве первичных преобразователей, во втором - индуктивные датчики устанавливались на опорном ребре подкрановой балки через базовые пластины. Недостатком индуктивных датчиков является низкая помехоустойчивость, а достоинством - большой выходной сигнал и возможность индивидуального определения чувствительности.
В ряде исследований /83/, например в работе А.Т.Яковенко, регистрировалась величина поднимаемого краном груза. Для этого была сконструирована специальная гензометрическая скоба (рис. 2.3),
Распределения крановой нагрузки и усилий в элементах конструкций покрытия. Оценка статистических параметров распределений
При помощи комплекта аппаратуры, блок-схема которого приведена на рис. 2.15, была осуществлена запись параметров положения тележки подвесного крана и величины поднимаемого груза. Эксперимент проводился на Димитровградском автоагрегатном заводе (ДААЗ) в цехе алюминиевого литья (участок обрубки). Объектом исследования служил двухпролетный (9+9 м) подвесной кран грузоподъемностью 2,0 тс. Длина участка работы крана составляла 60 м. Работа крана - круглосуточная. В данном пролете осуществлялась транспортировка контейнеров с литьем к участку взвешивания и отгрузки.
Самопишущий прибор типа Н 327/3 располагался у одной из крайних концевых балок крана (рис. 2.16). Грузоизмерительная балка с дискретным датчиком (рис. 2.9) устанавливалась на глухом тросе тали между местом его аннеровки и ограничителем высоты подъема крюка. Связь грузоизмерительной балки с коммутирующим блоком осуществлялась при помощи кабеля, прикрепленного к подвижному шнуру питания электротали. Роликовый датчик перемещения был установлен на стенке балки моста крана.
Перед проведением эксперимента производилась грузовая тарировка канала регистрации величины поднимаемого груза, которая включала подъем грузов определенной массы (после взвешивания) и фиксацию соответствующего отклонения пера самописца.
Градуировка канала регистрации положения тележки производилась путем перемещения тележки на заданное расстояние и установление необходимой чувствительности усилителя. Запись обоих параметров осуществлялась в течение двух с половиной суток, за которые произошло 350 случаев подъема грузов. Самописец автоматически отключался при отсутствии на крюке крана груза. За счет этого скорость ленты была увеличена до I мм/с, что позволило с высокой точностью определять длительность работы крана с грузом. Фрагмент диаграммной ленты с записью процесса приведен на рис. 2.17.
Обработка ленты включала определение величины поднимаемого краном груза и соответствующего положения тележки по длине моста. По линиям влияния усилий в опорном раскосе, промежуточном элементе решетки и верхнем поясе стропильной фермы (рис. 3.1) определялись максимальные для каждого цикла работы крана (операции по транспортировки одного груза) усилия. При этом условно считалось, что кран постоянно расположен в неблагоприятном по отношению к ферме месте.
На рис. 3.2 показаны полученные полигоны распределения максимальных усилий в исследуемых элементах фермы, а также полигоны распределения усилий на колесе крана для трех путей крана. Для удобства обработки и анализа результатов исследования, все усилия выражались в долях от нормативной крановой нагрузки. На рис. 3.2 также показан общий полигон распределения максимумов из усилий (на колесах крана), действующих одновременно на три пути. Этот полигон несколько смещен вправо по отношению к остальным. Как видно из приведенных рисунков, все полигоны имеют несимметричный вид с более развитой правой ветвью.
Полигоны распределения наибольших приближений тележки крана к крайним и среднему путям показаны на рис. 3.3. Из рисунка видно, что вероятность попадания тележки с грузом в зону относитель но оси путей примерно одинакова в обоих случаях и равна 0,25 0,3.
Анализ показал, что положение тележки и величина поднимаемого краном груза могут рассматриваться, как независимые случайные величины. Коэффициент корреляции не превышает 0,12.
Сравнивая полученные полигоны распределения усилий в элементах фермы с приведенными в работе А.А.Пятницкого /53/ полигонами усилий на колесе крана, можно сделать вывод об их одинаковом характере (рис. ЗЛ).
Дополнительная оценка возможности использования распределений усилий на колесе крана при анализе распределений усилий в элементах фермы была осуществлена экспериментально на Лиепайском металлургическом заводе (гравильное отделение метизного цеха). Исследуемый однопролетный подвесной кран грузоподъемностью 3,2 тс и пролетом 15 м (рис. 3.5) обслуживал участок длиной 30 м. На участке производилась гальваническая обработка мотков проволоки, объединенных в связки. Подвесной кран работал в течение примерно 100 часов в неделю.
Эксперимент проводился при помощи комплекта аппаратуры, блок-схема которого показана на рис. 2.18. Самописец Н 327/3 располагался на земле, связь его с кранам осуществлялась при помощи гибкого кабеля, прикрепленного к шнуру питания крана. Тензодатчики (активный и компенсационный) располагались на концевой балке крана, как показано на рис. 3.5,6. Роликовый датчик фиксировал положение крана по длине участка.Параллельно, при помощи двух самописцев типа Н 373/1 со встроенными усилителями, фиксировались напряжения в двух элементах стропильной фермы. Общая продолжительность эксперимента составила б суток.
Методика обработки данных по весу снежного покрова на территории СССР
Основными источниками информации о весе снежного покрова на территории СССР являются Метеорологические ежегодники, в которых регистрируются данные снегомерных съемок. Снзгомзрные съемки даюг наиболее полную информацию о запасе воды в снежном покрове /29/, они проводятся по специальным маршрутам значительной протяженности как на открытых, гак и защищенных участках местности. Данные, полученные по съзмкам на защищенных участках, дают более точную информацию о максимальных запасах воды, так как исключают влияние переноса снега и воздействия солнечной радиации. Особенностью данных, полученных на открытых участках (поле, большие поляны в лесу), является изменение плотности снега в периоды март-апрель из-за подтаивания на солнце. Поэтому результаты снегомерных съемок, проводимых на открытых участках местности, являются более близкими к фактическому состоянию снега на кровлях зданий.
На некоторых метеостанциях и до настоящего времзни, помимо снзгомзрных съзмок, проводятся замзры по постоянным рзйкам. В этом случае ежедневно фиксируется высота снежного покрова и в среднем, один раз в десять днзй - его плотность.
Необходимо отметить, что снегомерные съемки проводятся в 5-ти и 10-ти суточные интервалы времени. Наиболее часто используется 5-ти суточный интервал, однако в период устойчивого залегания снежного покрова допускается увеличение его до 10-ги суток.
В работе /81, 82/ было произведено сравнение данных, полученных по осадкомзрам и дождемерам с максимальными запасами воды в снежном покрове по снегосъемкам. Сеть метеостанций и постов, проводящих замеры по осадкомерам и дождемерам, значительно шире, чем станций, проводящих снегомерные съемки, однако низкая точность данных по осадкомерам не позволила использовать их для оценки запасов воды в снежном покрове.
Наибольшее количество материалов в настоящее время имеется по декадным высотам снежного покрова. Эти данные потребовали анализа изменчивости снежного покрова /39, 40/ и были использованы при районировании территории СССР по взсу снежного покрова.
В работе /47/ авторами было предложено устройство для опре -деления взса снзкного покрова, конструктивно выполнзнное в видз динамомзтричзской платформы, снабженной защитным противовзтровым экраном. Было показано соотвзтсгвиз получзнных данных с данными ближайших мзгзостанций. Однако подобное устройство нз получило применения для наблюдений ввиду громоздкости и сложности.
В настоящей работе использовались данные снзгомзрных съзмок, проводимых преимущественно на защищенных участках местности. Характеристика объектов наблюдения приведена в табл. 4.1. Исключение составляют мзтаосганции Ш 1-3, 5, б, 15, расположенные в местностях со слабой растительностью, где затруднительно выбрать защищенный участок. Всего в работе анализируются данные 25-ти метеостанций, расположенных в I ІУ снеговых районах СССР (рис. 4.12), составляющих по площади более 99$ территории СССР.
Изменчивость снеговой нагрузки в течение ряда лег достаточно высока (рис. 4.13), причем распределения пятисуточных значений невозможно описать каким-либо определенным теоретическим законом. Исключение составляют годовые максимумы снеговой нагрузки, распределения которых достаточно хорошо аппроксимируются законом Гум-беля /59, бб/. Однако для решения задачи сочетания снеговой нагрузки с крановой информация о годовых максимумах является недостаточной.
Одним из приемов выявления статистических закономерностей нестационарных случайных процзссов являзтся цзнтрированиз. На рис. 4.13 показаны реализации пятисуточных значений снеговой нагрузки и кривая р. осрзднз нных пятисуточных значзний снеговой нагрузки за ряд лзг. Кривая имззт характерный участок накопления снега продолжительностью до конца января-февраля, участок небольшой изменчивости средней нагрузки: февраль-март и участок резкого уменьшения снеговой нагрузки за счет стаивания.
