Долговечность подкрановых конструкций во много раз ниже, чем других элементов каркаса здания, и не превышает 5–10 лет. В цехах с тяжелым режимом работы кранов (8К, 7К) усталостные трещины могут возникнуть через 1–3 года эксплуатации (0,7...0,75 млн циклов). Проблема усложняется еще и тем, что рост экономики ведёт к увеличению выпуска продукции и, как правило, вызывает ужесточение режима работы кранов и повышение их грузоподъемности. В результате этого – снижение долговечности подкрановых конструкций. На Череповецком металлургическом комбинате балки ремонтируют практически каждый год [1]. Отдельно стоит проблема ремонта и замены рельсовых путей и балок, т.к. они требуют полной или частичной остановки производственного процесса. За каждый день простоя предприятие терпит убытки, во много раз превышающие затраты на ремонт и замену подкрановых конструкций. К примеру, остановка мартеновской печи одного цеха Магнитогорского металлургического комбината приводит к убыткам, эквивалентным сумме, которой хватит на замену подкрановых путей во всех цехах.
В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства (ПГУАС) ведётся научная работа по предотвращению аварийных ситуаций в зданиях, эксплуатирующих мостовые краны с тяжёлым режимом работы [2…7]. В ходе научных исследований (по увеличению долговечности и выносливости подкрановых балок) было уставлено, что ряд методов расчётов при проектировании подкрановых рельсов устарели [4]. Более современные методы расчёта были предложены профессором каф. «Строительные конструкции» ПГУАС – К.К. Неждановым [8].
Однако по сегодняшний день (по мнению авторов) мало внимания уделяется разработке учебных и расчётных программ для расчёта подкрановых балок и крановых рельсов (например, по таким критериям, как ±τa – амплитуды колебаний локальных сдвигающих напряжений, 
– колебания локальных сдвигающих напряжений и ряду других). В рамках научно-студенческого сообщества «Строительные конструкции» (организованного на кафедре «Управление качеством и технология строительного производства» ПГУАС) ведётся разработка специальных расчётных программ (учебного и прикладного значения).
Рассмотрим расчётную программу для расчёта подкрановых балок и крановых рельсов «СО 2.0» (версия программы «СО 1.0» предназначалась лишь для расчёта крановых рельсов). Программа разработана на языке программирования Visual Basic 6.0 и проста в работе. Основные задачи, решаемые в ходе разработки программы, – облегчение методов расчёта подкрановых балок и крановых рельсов для разработки наиболее оптимальных сечений и внедрение программы в учебный процесс (при выполнении курсовых и дипломных проектов по дисциплинам «Металлические конструкции» и «Специальный курс по металлическим конструкциям»).
Приведём пример расчёта. При включении программы выбираем единицы измерения (гектоньютоны либо килоньютоны), в которых будут выполняться расчёты (рис. 1).
Выбираем (в качестве примера) – кН и переходим к шагу 2 (рис. 2). В появившемся окне необходимо выбрать тип конструкции балки. В настоящей версии программы для расчета доступны два типа балок: «Сварная симметричная балка» и «Балка из равнополочных уголков». В первом случае выбираем – «Балка из равнополочных уголков».
Рис. 1. Шаг 1
Рис. 2. Шаг 2
В появившемся окне (рис. 3) нужно ввести необходимые характеристики подкрановой балки для получения результата:
|
Необходимые характеристики |
Полученные результаты |
|
Мmax – максимальный изгибающий момент Ry – расчётное сопротивление металла Mн – нормативное значение изгибающего момента в вертикальной плоскости L – длина подкрановой балки Q – максимальная поперечная сила |
Wx – требуемый момент сопротивления сечения балки Imin – минимальный момент инерции сечения балки h – высота сечения балки Aпл – минимальная площадь сечения стенки tст – толщина стенки Sa – требуемая суммарная площадь сечения балки hопт – оптимальная высота стенки балки |
Рис. 3. Шаг 3
Рис. 4. Шаг 4
После введения значений нажимаем кнопку «Расчёт» и по полученным значениям подбираем из сортамента необходимый уголковый профиль (рис. 4).
В случае необходимости расчёта «Сварной симметричной балки» (нажав соответствующую кнопку) мы имеем Окно для расчёта «Сварной симметричной балки» (рис. 5).
Нажав кнопку «Далее», мы переходим непосредственно к расчёту крановых рельсов (рис. 6), независимо от того, рассчитывалась ли до этого сварная симметричная балка или же балка из уголковых профилей. Для расчёта требуется ввести лишь следующие параметры крановых рельсов: Ix – момент инерции, Iкр – момент инерции при кручении, Pn – нормативная нагрузка, режим работы крана (от 4К до 8К), режимы и виды кранов приведены в табл. 1 (согласно ГОСТ-25546-82); захват груза (при режиме работы кранов от 4К до 7К гибкий сцеп, у 8К гибкий, жесткий и клещами; вид захватки вводится русскими буквами в соответствующем поле).
Рис. 5. Окно для расчёта «Сварной симметричной балки»
Таблица 1
Группы режимов работы мостовых кранов (согласно ГОСТ-25546-82)
|
Вид крана, его наименование |
Группа режима работы |
Примерные объекты, условия использования и технологическое назначение кранов |
|
Краны с лебедочными грузовыми тележками, в т.ч. с навесными захватами |
5К |
Перегрузочные работы средней интенсивности, краны для технологических работ в механических цехах, нижние лесные склады, склады готовых изделий предприятий строительных материалов, склады металлосбыта |
|
7К |
Технические краны при круглосуточной работе |
|
|
Краны с грейферами двухканатного типа, магнитно-грейферные краны |
6К |
Смешанные склады, работа с разнообразными грузами, преимущественно сезонного использования |
|
7К |
Склады насыпных грузов и металлолома; работа с однородными грузами, некруглосуточная работа |
|
|
8К |
Склады насыпных грузов и металлолома с однородными грузами при круглосуточной круглогодичной работе |
|
|
Траверсные, копровые, ваграночные шихтовые, колодцевые краны |
8К |
Цеха металлургических предприятий |
|
Закалочные, ковочные и штыревые краны |
7К |
|
|
Литейные краны |
||
|
Контейнерные краны |
5К |
Железнодорожные станции, склады промышленных предприятий, перегрузка разных грузов, в том числе контейнеров |
|
Грейферные краны-перегружатели |
8К |
Склады насыпных грузов |
Введя все необходимые данные и нажав кнопку «Рассчитать», получим значения, представленные в табл. 2.
С помощью полученных значений можно наиболее полно рассмотреть влияние нагрузок на различные виды подкрановых рельсов, а значит, подобрать наиболее оптимальный тип рельса, тем самым получить экономический эффект при проектировании новых и реконструкции старых промышленных предприятий. Авторами предлагается использовать рельсы, разработанные в ПГУАС [5, 8]. В табл. 3 и 4 приводятся характеристики толстостенных двутавровых и прямоугольных рельсов, повышенные по сравнению со стандартными крановыми рельсами (сравнивая с ГОСТ 4121-96).
Таблица 2
|
Lef |
Эффективная длина волны локальных напряжений |
|
Mкр |
Циклические крутящие моменты |
|
|
Циклы экстремумов сжимающих напряжений |
|
δyкр |
Циклы колебаний напряжений от крутящих моментов |
|
|
Экстремумы отнулёвых циклов колебаний сжимающих напряжений |
|
|
Амплитуды колебаний симметричных циклов сдвигающих напряжений |
|
τ2max |
Экстремумы отнулёвых циклов колебаний сдвигающих напряжений |
|
τa |
Амплитуда отнулёвых циклов колебаний сдвигающих напряжений |
|
τxy |
Сдвигающие напряжения в зоне шва |
Таблица 3
Толстостенные двутавровые рельсы, эквивалентные стандартным фигурным рельсам по ГОСТ 4121-96
|
Тип рельса |
Площ. сеч. А, см2 |
Толщ. t, см |
h, см |
b, см |
JP, см4 |
Jкр, см4 |
Завышение |
|
КР 140 |
195,83 |
5 |
21,1064 |
13,9446 |
9910,62 |
894,6 |
2,38 |
|
КР 120 |
150,44 |
4,4 |
19,3585 |
12,2932 |
6618,62 |
538,8 |
2,45 |
|
КР 100 |
113,32 |
3,8 |
16,963 |
10,5289 |
3805,71 |
300 |
2,55 |
|
КР 80 |
81,13 |
3,2 |
14,6535 |
8,7657 |
2029,79 |
151 |
2,56 |
|
КР 70 |
67,3 |
2,8 |
13,3119 |
8,2288 |
1408,25 |
89,7 |
2,82 |
Таблица 4
Прямоугольные рельсы, равноценные по площади сечения толстостенным двутавровым рельсам
|
Тип рельса |
Площ. сеч. А, см2 |
JP, см4 |
h, см |
b, см |
К |
Jкр, см4 |
|
КР 140 |
195,83 |
9910,63 |
23,174 |
8,437 |
2,73 |
2445,3 |
|
КР 120 |
150,44 |
6618,62 |
21,929 |
6,86 |
3,15 |
1699,08 |
|
КР 100 |
113,32 |
3805,71 |
19,187 |
5,905 |
3,11 |
933,3 |
|
КР 80 |
81,13 |
2029,79 |
16,626 |
4,88 |
2,91 |
439,3 |
|
КР 70 |
67,3 |
1408,25 |
15,226 |
4,42 |
2,91 |
296,3 |
Рис. 6. Шаг 5
В настоящее время ведётся работа над усовершенствованием программы, а именно:
– возможность рассчитывать другие типы подкрановых балок (несимметричные балки, тавровые балки и т.д.);
– интерфейс программы предполагается доработать на более информативный, с добавлением возможности формирования отчёта в текстовый документ Word Office и графического изображения рассчитываемой подкрановой балки.
Тем не менее уже существующая версия программы применяется в учебном процессе при расчёте подкрановых балок в курсовых проектах и дипломных работах студентов, обучающихся по направлению «Строительство». Положительным моментом является тот факт, что в разработке программ участвуют студенты, зачастую сами проявляя инициативу по разработке той или иной темы.
Помимо программы «СО 2.0» ведутся работы по созданию следующих программ:
– обучающей программы по построению линий влияний;
– программы по построению линий регрессий, основанной на обработке экспериментальных данных (полученных при испытаниях подкрановых конструкций в лаборатории «Выносливость подкрановых балок» ПГУАС [8]) динамических воздействий на металлические подкрановые балки.