УДК 621.873.25

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ БАШЕННЫХ КРАНОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК

Тарасова Татьяна Владимировна
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Студент

Аннотация
Рассмотрены случаи влияния ветровых нагрузок на башенный кран и определение опасных положений крана в плане относительно направления ветра за счет коэффициента запаса устойчивости.

Ключевые слова: Башенный кран, ветровые нагрузки, коэффициент запаса устойчивости, опрокидывание, устойчивость


INVESTIGATION OF THE STABILITY OF TOWER CRANES UNDER THE INFLUENCE OF WIND LOADS

Tarasova Tatiana Vladimirovna
Perm National Research Polytechnic University
student

Abstract
The cases of the effect of wind loads on the tower crane and crane hazard provisions in the plan for the wind direction at the expense of the safety factor.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Тарасова Т.В. Исследование устойчивости башенных кранов при воздействии ветровых нагрузок // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/06/68604 (дата обращения: 20.11.2016).

Башенные краны уже на протяжении десятков лет являются неотъемлемой частью пейзажа больших городов и, конечно же, многоэтажного строительства. Однако, работа без аварий, работоспособность в любых условиях, безотказность и эксплуатационная безопасность башенных крана не так часто встречаются в нашей жизни. Из-за срока службы крана, влияния на него различных факторов и условий надежность снижается, и, таким образом, число аварий увеличивается. Так, на строительных площадках около 82% процентов аварий со смертельным исходом среди подъемных сооружений принадлежат кранам. Из года в год аварийность остается на высоком уровне.

Среди основных причин аварий кранов на строительных площадках называют нарушение техники безопасности, износ рабочего оборудования, допуск к работе неквалифицированных рабочих и другие. Однако есть причины, которые сложно прогнозировать: таким примером может стать воздействие штормовых порывов ветра, превышающих допустимый в несколько раз. В последнее время возросло число катастроф с участием башенных кранов по причине высокой скорости ветра. Наиболее опасны ветра, вызванные локальными метеорологическими процессами, спрогнозировать которые очень сложно. Так как безопасность грузоподъемного транспорта, в частности и грузоподъемных кранов, зависит от ветровых нагрузок, обязательно нужно улучшать способы уведомления крановщиков и индивидуальные меры – как защитить кран при усилении ветра. Например, при разрабатывании башенных кранов должно уделяться огромное внимание устойчивости. Необходимо учитывать ряд усилий, воспринимаемых краном: статическое и динамическое воздействия от груза, собственной массы металлической конструкции крана, так же ненормируемые воздействия, возникающие при резком изменении погодных условий и др.

Свободно стоящие башенные краны должны обладать определенной устойчивостью для того, чтобы обеспечить безопасность строительных процессов в любых погодных условиях, в частности и при ветровых нагружениях [1].

На всей территории России выделяют семь ветровых районов и при проектировании учитывают, какие в данных районах возможны скорости ветров [2]. При осуществлении расчета грузовых кранов следует  учитывать помимо статических составляющих ветра динамические, проявляющиеся в непредсказуемом возрастании скорости и силы ветров и, тем более, при резких порывистых ветрах.

Для того, чтобы обеспечить устойчивость крана, как правило, применяют утяжелители, применяя добавочные балласты, или же изменяют конструкцию. Однако, повышение веса конструкции ведет к увеличению ее стоимости, а так же времени, необходимому на монтаж и демонтаж конструкции. Но если уменьшать массу крана, возрастает вероятность опрокидывания, поэтому при расчете будем брать средние величины масс конструкции крана и коэффициента запаса устойчивости, который зависит от установочной обрасти [3].

В связи с совершенствованием технологий в строительстве на рынке России каждый год появляются современные конструкции башенных кранов, отличающихся легкостью и возможностью монтажа без использования дополнительных механизмов. В них главные несущие части конструкции связаны между собой шарнирами, и такие краны применяются, как правило, в малоэтажном строительстве.

С помощью современных методик подсчета получилось снизить вес и габаритные размеры крана, что облегчило работу при транспортировании и монтаже крана. И, даже, несмотря на возникновение мощных штормовых порывов ветра, кран остается устойчивым благодаря оптимизации конструкции.

В общем смысле устойчивость  определяется грузовой характеристикой крана. Грузовая характеристика состоит из трех областей: зона устойчивости – такое сочетание двух параметров крана (вылета стрелы и грузоподъемности), при которых коэффициент запаса устойчивости принимает значение больше 1,15 и соответствует безопасной эксплуатации крана. Второй зоной является зона опрокидывания – это такая зона, в которой коэффициент запаса устойчивости принимает значение меньше минимально допустимого коэффициента. И в этом случае  эксплуатация крана невозможна, а если она допускается, то это приводит к авариям. И третяя зона- это собственно граница устойчивости – граница между областями безопасной и небезопасной  эксплуатацией. Главной задачей машиниста и всех рабочих является недопустить ситуацию, соответствующую границе устойчивости, так как в это время кран может потерять устойчивость.

 

Возникающую задачу, основной проблемой которой является обеспечение безопасности и устойчивости кранов в присутствии ветровых нагрузок, рассмотрим на примере башенного крана КБ-235 Российского производства.

Ветровая нагрузка определяется по следующей формуле [6]:

Fc=Ai*qp*cx*k*n,                                                                  (1)

где Ai- наветренная площадь; qp- динамическое давление ветра; cx -коэффициент аэродинамической силы; k- коэффициент возрастания динамического давления по высоте; n – коэффициент перегрузки.

Рассмотрим КБ-235: здесь устройство состоит из профилей, находящихся на разных высотах квадратного и круглого сечения. Коэффициент возрастания динамическое давление и коэффициент аэродинамической силы отличаются, поэтому стоит выделять зоны по всему крану для расчета. Так, первая зона будет состоять из верхней части, включающую в себя стрелу, тележку, крюковую подвеску, стропила и оттяжки. Вторая зона будет представлять собой среднюю часть: стропила башни, гидроцилиндр и оттяжки. Третья зона- это основание, поворотная платформа и балласт [7].

В результате формула (1) преобразуется:

Fc=((A1*c1*k1)+(A2*c2*k2)+…+(Ai*ci*ki ))*qp *n                        (2)

Однако, формула (2) верна только ветра, направленного перпендикулярного наветренной поверхности крана. Рассчитаем действия ветра  относительно ребер опрокидывания под углами α = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° и 90° градусов на металлическую конструкцию крана и грузами 9,5 кН, 20 кН и 40 кН на вылетах стрелы 10,8 м, 19,3 м и 35 м.

     а)                                                                    б)

Рис. 2. Расчетная схема при повороте стрелы на угол а:

а) вид сверху; б) вид сбоку;

l1,2,3 - плечи от центра масс расчетной зоны до опорной поверхности,

l4- плечо от ребра опрокидывания до центра масс,

α – угол поворота стрелы крана в плане,

а – размер основания крана в плане.

 

Принимая, что скорость ветра действует на повернутую стрелу крана,  формула (2) приобретет следующий вид:

Fc=((A1*c1*k1)+(A2*c2*k2)+…+(Ai *ci*ki ))* cosα *qp *n,                               (3)

где cosα - коэффициент поворота стрелы.

Немаловажную роль в расчете играет коэффициент запаса устойчивости, который определяет непосредственно устойчивость крана. Именно определение этого коэффициента или недопущения его критического значения является важнейшей задачей. Коэффициент запаса устойчивости определяется как отношение восстанавливающего момента крана, пытающегося удержать кран в устойчивом состоянии  к опрокидывающему моменту, стремящемуся его опрокинуть.

k≥Mвос/Mопр                                                                                                       (4)

Согласно правилам безопасности он должен быть не меньше 1,15 [8].

На свободно стоящий кран действует опрокидывающий момент, действие которого ограниченного ребрами опорной плоскости. В нашем случае мы рассматриваем  две взаимно перпендикулярные оси опрокидывания 1-1 и 2-2.

В первом случае, когда α = 0°,  опрокидывающий момент возникает только от воздействия ветровых нагрузок.

Мопр=(F1 l1)+ (F2 l2)+ (F3 l3),                                                            (5)

где l1,2,3 - плечи от центра масс расчетной зоны до опорной поверхности.

При случаях, когда башня будет поворачиваться на углы α = 15°.. 90° и часть стрелы будет передвигаться за ребром опрокидывания, будет возникать дополнительный опрокидывающий момент, равный:

Мопр=(F1 l1)+ (F2 l2)+ (F3 l3)+(m l4)+(Qi li),                            (6)

где m – масса стрелы за ребром опрокидывания; l4- плечо от ребра опрокидывания до центра масс;  Qi - масса груза;  li- плечо от ребра опрокидывания до центра масс груза.

В первом положении стрелы, когда α = 0° градусов, восстанавливающий момент Mвос имеет  наибольшее значение относительно оси 1-1, потому что собственный вес крана и вес груза лежат в области, расположенной до ребра опрокидывания  1-1.

Mвос=(Q1*a/2)+ (Q2*a/2)+…+ (Qi*a/2),                                                     (7)

где Q1, Q2, Qi    -вес элементов конструкции и груза;   - расстояние до ребра опрокидывания 1-1.

Результаты всех вычислений относительно ребра 1-1 приведены в табл.1.

Из результатов, полученных из расчета можно увидеть, что появление  наибольшего коэффициента запаса устойчивости наблюдается в том случае, если угол поворота стрелы крана равен 0.

При рассмотрении линии опрокидывания 2-2 ситуация будет противоположной: при а = 0 максимальным будет опрокидывающий момент, и при этом момент, возникающий от ветровых нагрузок, будет оказывать влияние только вдоль ребра 1-1.

Ветровая нагрузка имеет следующий вид:

Fc=((A1*c1*k1)+(A2*c2*k2)+…+(Ai *ci*ki ))* sinα *qp *n

Все полученные результаты запишем в табл.1.

На всей территории России выделяют семь ветровых районов и при проектировании учитывают, какие в данных районах возможны скорости ветров [2]. При осуществлении расчета грузовых кранов следует  учитывать помимо статических составляющих ветра динамические, проявляющиеся в непредсказуемом возрастании скорости и силы ветров и, тем более, при резких порывистых ветрах.

Из-за того, что скорость ветра меняется и очень часто воздействует порывами, часто сменяет свое направление и силу за короткое время, постоянно существует опасность, что кран опрокинется в сторону линии опракидывания 1-1 или 2-2, где мы можем наблюдать самые маленькие коэффициенты запаса устойчивости. Это связано с динамикой ветровой нагрузки, воздействующей как на металлическую конструкцию крана, так и на подвешенный груз, который раскачивается от этого воздействия [8].

Свободно стоящие башенные краны должны обладать определенной устойчивостью для того, чтобы обеспечить безопасность строительных процессов в любых погодных условиях, в частности и при ветровых нагружениях. Скорость воздуха при ветре непостоянна и характеризуется пиковыми значениями, что предопределяет динамичность ветрового воздействия. Метод расчета ветровой нагрузки на объект заключается в учете кинетической энергии движущегося воздуха (скоростного напора), который определяет наибольшее возможное давление в движущемся с некоторой скоростью воздушном потоке в точках, где скорость обращается в нуль.

С помощью расчета мы получили те положения стрелы крана в зависимости от направления ветра, при котором опасность опрокидывания самая большая. Из таблицы 1 видно, что при рассмотрении ребра опрокидывания 1-1 опасным является положение, соответствующее α = 0°, а при рассмотрении ребра 2-2 поворот стрелы башенного крана при α = 90°. В этих случаях коэффициент запаса устойчивости принимает минимальное значение 1,25, что обеспечивает устойчивость крана при воздействии ветровых нагрузок.

Таблица 1-Результаты вычислений устойчивости крана 

Расчетные случаи

,

кНм

, м

Вес груза, кН

, кНм

, кНм

k

α= 0°*

α= 90°

113

-

-

885,6

113

7,80

10,8

40

933,6

113

8,20

19,3

20

909,5

113

8,13

35

9,5

887,7

113

7,84

α= 15°*

α= 75°

108

-

-

915,2

179,8

5,22

10,8

40

915,2

207,8

4,51

19,3

20

915,2

236,7

3,86

35

9,5

915,2

186,5

4,85

α= 30°*

α= 60°

99,5

-

-

1001,3

364,3

2,76

10,8

40

1001,3

496,1

2,02

19,3

20

1001,3

515,3

1,96

35

9,5

1001,3

378,5

2,66

α= 45°

 

80,5

-

-

1087

487,6

2,21

10,8

40

1087

708,8

1,53

19,3

20

1087

717,4

1,51

35

9,5

1087

508,7

2,32

α= 60°*

α= 30°

56,9

-

-

1152

560,7

2,01

10,8

40

1152

852,6

1,35

19,3

20

1152

852,6

1,26

35

9,5

1152

587,5

1,89

α= 75°*

α= 15°

44,6

-

-

1191

601,3

1,83

10,8

40

1191

935,4

1,31

19,3

20

1191

932,9

1,31

35

9,5

1191

631,6

1,79

α= 90°*

α= 0°

34,9

-

-

1196

607,1

1,89

10,8

40

1196

955,31

1,25

19,3

20

1196

951,5

1,25

35

9,5

1196

640,7

1,88

Знаком * отмечены вычисления относительно 2-2.

Обеспечение устойчивости крана является наиважнейшей задачей на строительной площадке, которую необходимо контролировать на всех этапах строительства. Особенно свободно стоящие башенные краны должны обладать необходимой устойчивостью для того, чтобы обеспечить безопасность строительных процессов в любых погодных условиях, в частности и при ветровых нагрузках. При контроле коэффициента запаса устойчивости он должен быть больше необходимого коэффициента, и на грузовой характеристике крана сочетание вылета стрелы и массы груза всегда должны находится в зоне устойчивости, иначе возрастает опасность возникновения аварийной ситуации.

Ветровые нагрузки не раз являлись причиной аварий, поэтому необходимо делать предварительный расчет крана на устойчивость от ветровых нагрузок в зависимости от конструктивных характеристик выбранного крана и условий строительной площадки, ветрового района строительства.


Библиографический список
  1. ГОСТ Р 54769-2011 Краны грузоподъемные. Общие требования к устойчивости. – 2011. – С. 18.
  2. РД 22-166-86. Руководящий нормативный документ. Краны башенные строительные. Нормы расчета. – 1987. – С. 40.
  3. Коган И.Я. Строительные башенные краны.- 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. – 1994. – С. 379.
  4. Невзоров Л. А., Зарецкий А. А., Волин Л. М. и др. Башенные краны. М. Машиностроение. - 7-е изд. - М.: ИЦ «Академия». – 2010. – С. 448.
  5. Барсов И.П., Станковский А.П. Строительные машины и их эксплуатация. – 3-е изд., перебаб. И доп. М Стройиздат. – 1993г. – С. 366.
  6. Справочник по кранам: В 2т. Т.1. Характеристика материалов и нагрузок. Основы расчета кранов. Их приводов и металлических конструкций/   В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др. Под общ. ред. М.М. Гохберга. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние. – 2001. –С. 536.
  7. Справочник Невзоров Л.А., Пазельский Г.Н., Романюха В.А. Строительные бешенные краны серии КБ. Справочник. – М.: Машиностроение. – 1991г. – С. 352.
  8. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов: ПБ 10-382-00 с имз. от 28.10.2008 М.: Госгортехнадзор России: изд-во «Деан». – 2009. – С. 272.
  9. Сидельщиков А.В.,Булатов Б.Л. Устойчивость башенных кранов при переменных эксплуатационных состояниях./ Сидельщиков А.В.,Булатов Б.Л. //Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2012. – С. 41-43.


Все статьи автора «TarasovaTV59»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация