2.2.2. Определение расчетных нагрузок

На каркас производственного здания могут действовать в различных сочетаниях постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки (см.п.3.2.1 [1]), правила определения и условия учета которых регламентированы в нормах проектирования [6].

Ввиду того, что расчетные усилия для различных элементов каркаса получаются при разных комбинациях воздействий (для каждого элемента существует своя опасная комбинация нагрузок), необходимо для выявления неблагоприятных сочетаний иметь полный набор расчетов по всем видам нагрузок и схемам загружений. Под видом здесь понимается тип нагрузки (собственный вес конструкций, снеговая нагрузка и т.п.), под схемой - один из возможных вариантов ее расположения. Некоторые виды нагрузок имеют лишь одну схему загружения, например, постоянная нагрузка, другие - две и более (например, ветер слева и ветер справа). Вследствие этого при рассмотрении видов загружений следует определять соответствующие им возможные схемы.

Постоянная нагрузка. При формировании схемы загружения от постоянной нагрузки необходимо определиться с конструкциями покрытия, стен с учетом их сопряжений с колоннами (осуществляется ли передача собственного веса стеновых ограждений на колонны, в каких местах, с какими эксцентриситетами). Нагрузки от конструкций, которые еще только предстоит запроектировать (фермы, колонны, подвесные пути, подкрановые балки, подкрановые рельсы), устанавливают по проектам-аналогам.

82

Рис. 2.10. К определению нагрузок от покрытия:
а, б - при отсутствии подстропильных ферм; в, г - при наличии подстропильных ферм

При отсутствии проектов-аналогов на стадии предварительных расчетов можно воспользоваться усредненными весовыми показателями, отнесенными к единице (1 м²) площади здания или площади стенового ограждения. Для основных типов конструкций они приведены в табл. П4.1, П4.2.

На расчетную раму передаются нагрузки от собственного веса всех конструкций, образующих расчетный блок. Вес конструкций покрытия с грузовой площади расчетного блока (заштрихованной на рис. 2.10) может быть передан на ригель в виде равномерно-распределенной погонной нагрузки полностью (рис. 2.10, а, б) с интенсивностью q

либо в схемах с подстропильными конструкциями частично (рис.2.10, в, г) с интенсивностью q₁

В последнем случае часть нагрузки будет передаваться в виде сосредоточенных сил на колонны (рис. 2.10, г)

83

В формулах (2.16)...(2.18): q_o = ∑ q_oiγ_fi - расчетная нагрузка от веса 1 м² конструкций покрытия; q_oi - нормативное значение веса i-й составляющей конструкции покрытия (стропильные фермы, прогоны, настил, утеплитель, гидроизоляционный ковер и др.), отнесенное к 1 м² площади здания; γ_fi - коэффициент надежности по нагрузке для i-й составляющей; В - шаг колонн; В₁ - шаг стропильных ферм; A_i - грузовые площади.

Нагрузку от веса конструкций пути подвесного транспорта задают в виде сосредоточенных сил в местах крепления путей к ферме.

Передачу нагрузок на колонну от веса подкрановых конструкций, стеновых панелей и других сосредоточенных воздействий осуществляют в местах их приложения с учетом эксцентриситетов, т.е. задают эти нагрузки в виде сосредоточенных сил по оси колонны и моментов. Для упрощения расчета вы можете передать нагрузки от стенового ограждения и собственного веса колонны в середине ее длины или участка постоянного сечения (для ступенчатых колонн). Нагрузку от веса подкрановых конструкций можно включать в состав вертикального давления крана.

В качестве примера на рис. 2.11 представлена схема загружения постоянной нагрузкой однопролетной поперечной рамы с колоннами ступенчато-переменной жесткости и навесными стеновыми панелями. На этом рисунке q - нагрузка от веса покрытия; сила G₁ включает нагрузку от собственного веса подкрановой части колонны (0,7...0,8 от веса всей колонны) и нагрузку от веса стен, примыкающих к колонне на этом участке (G₁^*). По ширине такой примыкающий участок при отсутствии стоек фахверка равен шагу колонн, при наличии стоек фахверка он равен расстоянию

Рис. 2.11. Схема загружения рамы постоянной нагрузкой

84

между колонной и стойкой фахверка. Сосредоточенные силы (G₁^*) передаются с моментами: M₁ = (G₁^*) e₁, где e₁ - эксцентриситет (расстояние между центрами тяжести сечения колонны и стеновой панели), равный e₁ = h_n / 2 + t_s / 2 + c, t_s - толщина стеновой панели, с - расстояние между внутренней поверхностью стены и наружной гранью колонны; G₂ и M_g2 - аналогичны G₁ и M_g1, но отнесены к верхнему участку; G₃ - вес подкрановых конструкций; M_g3 = G₃ · е₃ , е₃ - эксцентриситет приложения силы G₃, е₃ ≈ h_n / 2.

Снеговая нагрузка. Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия определяют по формуле

где s_o - вес снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, принимаемый по нормам [6] в зависимости от снегового района (табл. П4.3), μ - коэффициент, учитывающий профиль покрытия; для одно- и двускатной кровли при α ≤ 25° μ = 1.

Воздействие снеговой нагрузки через покрытие на поперечную раму аналогично воздействию нагрузки от веса покрытия. На ригель поперечной рамы здания без подстропильных конструкций и α ≤ 25° передается равномерно распределенная нагрузка с расчетной интенсивностью

где γ_f = 1,4 - коэффициент надежности по нагрузке.

Для некоторых типов зданий и покрытий в нормах предусмотрено снижение снеговой нагрузки, например, для неутепленных покрытий зданий с повышенным тепловыделением при уклонах кровли свыше 3% и обеспечением отвода талой воды допускается снижение коэффициента μ на 20%.

Ветровая нагрузка. В нормах [6] ветровую нагрузку представляют в виде двух составляющих - средней (статической, соответствующей установившемуся скоростному напору ветра) и пульсационной (динамической). При расчете одноэтажных производственных зданий высотой h ≤ 36 м при отношении высоты к пролету менее 1,5 динамическую составляющую можно не учитывать. Далее мы будем рассматривать лишь влияние статической составляющей. Она оказывает активное давление на здание с наветренной стороны и на отсос - с заветренной. Расчетное значение ветровой нагрузки на 1 м² поверхности

85

где w_o - нормативное значение ветрового давления (табл. П4.4); k - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте и тип местности; с - аэродинамический коэффициент, зависящий от конфигурации здания (табл. П4.5). При расчете рамы обычно учитывают только коэффициенты с для вертикальных стен, принимая их равными с = 0,8 с наветренной стороны и с = 0,6 для отсоса; γ_f = 1,4 - коэффициент надежности по ветровой нагрузке.

В практических расчетах неравномерную по высоте здания нагрузку на участках от уровня земли до отметки расчетной оси ригеля (рис. 2.12, а) заменяют эквивалентной равномерно распределенной (рис. 2.12, в). Интенсивность эквивалентной нагрузки можно найти из условия равенства изгибающих моментов М₀ в основании защемленной условной стойки от фактической эпюры ветрового давления и от равномерно распределенной нагрузки

Рис. 2.12. Схема загружения рамы ветровой нагрузкой:
а - по нормам проектирования; б - грузовая площадь; в - условная расчетная схема

86

где

Из равенства (2.22) будем иметь

Значения k_eq (при Н Н₀) для значений 5 ≤ Н ≤ 40 м приведены в табл. П4.6.

Интенсивность расчетной нагрузки на колонны поперечной рамы (рис.2.12)

где В - ширина грузовой площади, равная шагу рам для схем с одинаковым шагом колонн по наружным и внутренним рядам и отсутствием продольного фахверка. При наличии продольного фахверка нагрузку на колонны принимают в виде эквивалентной равномерно распределенной, собранной с участков шириной, равной расстоянию между основной колонной и соседней с ней стойкой фахверка (ФС),

и сосредоточенных, передаваемых опорно-связевыми элементами в местах их соединения с основной колонной. Величины сосредоточенных сил, передаваемых на колонны, равны реакциям опорно-связевых элементов

где A_i - грузовая площадь i-го участка.

Роль опорно-связевых элементов выполняют горизонтальные связевые фермы, расположенные вдоль здания в уровне нижних поясов стропильных ферм, к которым прикрепляют верхним концом стойки фахверка. Сила W₁ от активного давления ветра и W - от отсоса соответствуют верхним реакциям стоек фахверка, расчетные схемы которых приняты как для однопролетных шарнирно опертых по концам балок, загруженных распределенной нагрузкой

87

Также в виде горизонтальной сосредоточенной силы передают ветровую нагрузку с участков от оси ригеля до верхней отметки здания (парапета, конька кровли или фонаря). Ее можно определять по усредненным значениям интенсивности нагрузки w_m на этих участках (см. табл. П4.6 а)

Нагрузки от мостовых кранов определяют с учетом группы режимов работы крана, вида привода и способа подвески груза.

Крановые нагрузки по своей природе являются динамическими, так как могут сопровождаться рывками и ударами при перемещении крана, тележки, подъеме и опускании груза. Однако, ввиду демпфирующих свойств подкрановых конструкций, проявление динамических эффектов на элементы поперечной рамы несущественно. В связи с этим при расчетах поперечной рамы можно рассматривать нагрузки от кранов как статические.

На крановый рельс от колес крана передаются вертикальные силы F_k, которые зависят от веса крана, веса груза на крюке и положения тележки на крановом мосту; горизонтальные поперечные T_k, возникающие при торможении тележки; горизонтальная продольная Т_кр, возникающая при торможении крана за счет трения колес о рельсы. Первые две из названных нагрузок учитывают при расчете поперечной рамы, третью - при проектировании вертикальных связей по колоннам.

Многопролетные производственные здания, как правило, оборудуют несколькими крановыми путями, на каждом из которых могут одновременно работать по два и более кранов. Это обстоятельство обусловливает возможность появления целого ряда неблагоприятных сочетаний нагрузок от кранов, одновременно выполняющих подъемно-транспортные операции вблизи расчетной рамы. Соответствующие рекомендации вы можете найти в нормах проектирования [6].

Рассмотрим, как определяют нагрузки на раму от мостовых кранов. При совместной работе двух кранов (рис. 2.13, а), когда их тележки с грузом расположены в непосредственной близости от колонны К₁, наибольшее давление D_max будет передаваться на эту колонну (рис. 2.13 б, г), а на колонну К₂ в этот момент будет передаваться давление D_min. Эти давления определяют по линиям влияния опорных реакций (рис. 2.13, в):

88

В этих формулах F_{i, max} (F_{i, min}) - максимальное (минимальное) нормативное давление на колесо крана; y_i - ордината линии влияния опорной реакции колонн; п - число колес всех кранов, передающих нагрузку на рассматриваемую колонну; γ_f = 1,1.

Коэффициенты сочетаний равны: при учете двух кранов с режимами работы 1К...6К ψ = 0,85, с режимами работы 7К...8К ψ = 0,95; при учете четырех кранов с режимами работы 1К...6К ψ = 0,7, при режимах работы 7К...8К ψ = 0,8; при учете одного крана ψ = 1.

Наибольшее нормативное вертикальное давление одного колеса крана F_max на той стороне, к которой приближена тележка с грузом, обычно приводят в стандартах на краны (см. табл. П3.1...П3.3). При отсутствии таких данных, вы можете определить нормативное давление колеса крана по формуле

где Q - грузоподъемность крана; G_k - вес крана без крановой тележки; G_T - вес крановой тележки; L_cr - пролет крана; l_min - минимальное

Рис. 2.13. К определению D_max и D_min

89

расстояние от крюка крана до оси подкрановой балки; п_o - число колес на одной стороне крана.

С противоположной стороны крана на одно колесо будет передаваться давление F_min, которое нетрудно найти из условия равновесия Q + G = п₀ F_max + n₀ F_min, или

где G - вес крана с тележкой (см. табл. П3.3).

В кранах с Q > 80 т F_max для разных колес может быть различным (см. рис. 2.22). В этом случае обычно принимают среднее значение максимальных давлений колес Р_т,тах = (F₁ + F₂)/2 и вычисляют по формуле (2.31) среднее значение минимальных давлений F_m,min. При желании уточнить расчет, вы можете распределить минимальные давления пропорционально распределению максимальных, т.е.

F_1,min ≈ F_m,min(F_1,max / F_m,max); F_2,min ≈ F_m,min (F_2,max / F_m,max).

В рамах с колоннами ступенчато-переменного сечения силы D_max и D_min прикладывают по оси подкрановой ветви, т.е. с эксцентриситетом по отношению к геометрической оси сечений нижнего (подкранового) участка колонны. Вследствие этого в расчетную схему следует включить моменты (рис. 2.13, г)

где е_k - эксцентриситет приложения D_max или Dmin по отношению к центру тяжести сечения подкрановой части колонны, он примерно равен (0,5...0,55)h_n.

На колонны среднего ряда действуют вертикальные силы D_max (D_min) от кранов, расположенных соответственно в левом и правом пролетах. При переносе этих сил на ось колонны следует учитывать направления возникающих моментов (рис. 2.14).

Расчетную горизонтальную силу на колонну от поперечного торможения тележек кранов определяют по линии влияния опорной реакции тормозной балки, которая не будет отличаться от линии влияния опорной реакции подкрановой балки (см. рис. 2.13, в), но вместо вертикальных сил

90

F здесь будут приложены горизонтальные силы Т_kn, приходящиеся на одно колесо мостового крана

Рис. 2.14. Нагрузки на колонну от кранов, расположенных в соседних с колонной пролетах

Для определения T_kn нужно тормозную силу поделить на число колес мостового крана с одной его стороны, полагая, что эта сила целиком передается на одну сторону кранового пути и распределяется поровну между всеми колесами на этой стороне крана. Тормозная сила, возникающая при разгоне тележки с грузом или при ее торможении, зависит от их массы и ускорения. Но, поскольку эта сила не может превысить силу трения между тормозными колесами и рельсом, последнюю принимают за основу. Нагрузка может быть направлена как внутрь, так и наружу рассматриваемого пролета. Таким образом, нормативное значение горизонтальной силы, приходящейся на одно колесо с одной стороны крана, принимают равным

где β = 0,05 - для кранов с гибким подвесом груза и β = 0,1 - с жестким подвесом груза.

Горизонтальные силы можно учитывать только в совокупности с вертикальными, так как горизонтальные силы не могут возникать при отсутствии кранов.

От подвесных кранов нагрузка передается через подвесной крановый путь на ригель в виде сосредоточенных вертикальных и горизонтальных сил. Как правило, подвесной подкрановый путь выполняют по схеме неразрезной балки и поэтому для под счета D_max, D_min, Т ординаты y_i следует брать с линий влияния реакций для неразрезной балки. В практических расчетах можно использовать решения для пятипролетной балки (табл. П5.1). При этом в расчет следует включать ординаты тех линий влияния (R_o, R₁ или R₂) при которых получаются большие расчетные усилия D_max.

В качестве примеров на рис. 2.15 представлены схемы загружений для однопролетных зданий, оборудованных мостовыми опорными и подвесными кранами.

91

Рис. 2.15. Схемы загружений крановой нагрузкой:
а - опирание кранов на консоль колонны; б - то же, на подкрановую ветвь; в - подвеска кранов к стропильной конструкции

92