Pred NK uni 7 Nosilne konstrukcije divgal.pptlab.fs.uni-lj.si/lasok/index.html/gradivo_jerman_LASOK/NK_uni_Pred... · " statika in drugi izra uni;" vhodni materiali;" kupljene komponente;"

1

Univerza v Ljubljani - Fakulteta za strojništvoKKTS - LASOK

Nosilne konstrukcije

doc.dr. Boris Jerman, univ.dipl.inž.str.

Govorilne ure: • pisarna: FS - 414• telefon: 01/4771-414• [email protected]

(Tema/Subject: NK - ...)

7. del: Nosilne konstrukcije žerjavov (NKŽ)

1

NKŽ

Žerjavi so transportne naprave (stroji), namenjene transportu kosovnega blaga.

Vsak žerjav sestoji iz velike, na več načinov premične jeklene konstrukcije z ustreznimi mehanizmi, pogonskimi stroji in krmiljem.

NKŽ so zanimive, ker:• so obsežne konstrukcije;• so pestrih oblik;• imajo široko paleto obremenitev;• so zahtevne tudi s stališča varnosti;• zahtevajo kontrolo po mnogih različnih kriterijih dimenzioniranja.

2

2

NKŽ

Žerjavi so podvženi nizu predpisov (in standardov).Veliko jih obravnava NKŽ, ki zagotavlja velik del t.i. vgrajene varnosti.

Razlogi za to se skrivajo v veliki teži bremen, zaradi česar bi ob odpovedi NKŽ nastala:• velika navarnost za okolico (tveganje);• možnost velike škode.

Za strojne konstrukcije, ki nimajo lastnih predpisov se velikokrat uporabljajo kar predpisi za žerjave.

3

NKŽPredpisi za žerjave zajemajo sledeča področja:• snovanje;• izdelavo;• kontrolo izdelave;• predajo kupcu;• obratovanje;• vzdrževanje.

Za NKŽ je obvezna izdelava celotne tehnične dokumentacije, ki zajema:a) v fazi ponudbe:• projektni načrt• tehnični opis (delovanje, gradnja, materiali) b) ...

4

3

NKŽ

Za NKŽ je obvezna izdelava celotne tehnične dokumentacije, ki zajema:b) po pridobljenem poslu:• popolen statični izračun NKŽ:• drugi potrebni izračuni;• delavniška dokumentacija (se ne izroča kupcu*);• tehnolška dokumentacija (se ne izroča kupcu*);• atesti o uporabljenem materialu (ki atest potrebuje);• atesti varilcev;• atesti za vgrajeno opremo;• potrdila o strokovnem izpitu (odgovorne osebe, konstrukterji, ...);• ...

5

NKŽ

Za NKŽ je obvezna izdelava celotne tehnične dokumentacije, ki zajema:b) po pridobljenem poslu:• ...• navodila za uporabo žerjava;• navodila za vzdrževanje in pregledovanje;• spisek rezervnih delov;• izjava o skladnosti (CE);• primopredajni zapisnik in odločba o obratovanju.

Kopijo vse te dokumentacije (razen *) dobi tudi kupec. Vsa dokumentacija (vključno z *) mora biti arhivirana pri proizvajalcu.

Žerjav mora imeti Matično knjigo žerjava in Knjigo vzdrževanja. 6

4

NKŽ

Notranja kontrola pri proizvajalcu:a) procesa snovanja;b) proizvodnega procesa.

Kontrolira se:• statika in drugi izračuni;• vhodni materiali;• kupljene komponente;• električne komponente;• mehanizmi.

Notranja kontrola: zelo koristna; izvajati jo morajo izkušeni projektanti; zagotovljen mora biti čas in denar zanjo.

7

Nekateri predpisi in standardi o snovanju NKŽ

Predpisi:• Pravilnik o varnosti strojev, Uradni list RS, št. 25/06, Ur.l. RS, št.

75/2008;• Seznam standardov, katerih uporaba ustvari domnevo o

skladnosti strojev z zahtevami Pravilnika o varnosti strojev, Uradni list RS, št. 56/2009;

• Pravilnik o varnosti in zdravju pri uporabi delovne opreme, Ur.l. RS, št. 101/2004

8

5


Standardi:• F.E.M. 1.001 (10.1998). Rules for the design of hoisting

appliances, 8 booklets;

• SIST EN 13001-1:2005 Varnost dvigala (žerjava) – Konstrukcija, splošno – 1. del: Splošna načela in zahteve;

• SIST EN 13001-2:2005 Varnost dvigala (žerjava) – Konstrukcija, splošno – 2. del: Bremenski učinki;

• SIST EN 1993-1-1 do 1-12 (2005 do 2007): Projektiranje jeklenih konstrukcij;

• ...

9


Neveljavni standardi: • JUS M.D1.050 (1968) – Žerjavi (Kranovi)

• DIN 15018-1 - Cranes; steel structures; verification and analyses• DIN 15018-2 - Cranes; steel structures; principles of design and

construction • DIN 15018-3 - Cranes; principles relating to steel structures;

design of cranes on vehicles• DIN 15019-1 - Cranes; Stability for All Cranes Except Non-rail

Mounted Mobile Cranes and Except Floating Cranes • DIN 15019-2 - Cranes; Stability for Non Rail-mounted Mobile

Cranes; Test Loading and Calculation

10

6

Obremenitve žerjavov

Največje koristno breme:• izhaja iz deklarirane nosilnosti posameznega žerjava;• vse, kar visi na nosilni vrvi:

• kavelj à breme in pomožna bremenska sredstva;• prijemalo à breme in prijemalo;

• lahko je konstantno, ne glede na položaj obesišča bremena (za vse dvakrat podprte strukture);

• lahko je spremenljivo glede na položaj obesišča bremena (pri žerjavih z ročico.

11

Slika: Dopustno breme Q od iztega ročice r


Lastna teža vseh delov žerjava:• lastna teža vseh nepremičnih in premičnih delov žerjava;• premične mase potrebno upoštevati v vseh relevantnih položajih

(tako, kot pri bremenu): skrajne lege, lege z največjim upogibnim momentom, ... .

12

7


Vztrajnostne (inercialne) sile:• so posledica premikanja (pospeševanje) mas (lastna teža in breme);

• delijo se v več skupin:a) vertikalne vztrajnostne sile;b) horizontalne vztrajnostne sile;c) vztraj. sile zaradi bočnih udarcev koles ob tirnice;d) vztraj. sile zaradi udarcev ob končne omejilnike;e) vztraj. sile zaradi kolizije s sosdnjimi objekti.

13


a) Vertikalne vztrajnostne sile:• so posledica delovanja dvižnega mehanizama;• dvižni motorji in zavore.

14

Največja sumarna sila v dvižnih vrveh:

Slika: Breme Q na vrvi mačka

Slika: Sila v vrvi med dvigovanjem bremena

8


a) Vertikalne vztrajnostne sile:• so odvisne od:Ønatezne elastičnosti vrvi:Øelastičnosti NKŽ (okvir mačka in ogrodje žerjava oz. ročice in

stolpa, ...)Øna vrvi viseče mase;Ømase mačka, mostu, ...;Økarakteristike motorja/zavore;Øvtrajnostnih momentov rotirajočih mas;Ø izgub.

15

Obremenitve žerjavova) Vertikalne vztrajnostne sile:• faktor sunkov y se lahko določi s pomočjo gibalnih enačb;• faktor sunkov y se lahko določi s pomočjo meritev;• v standardu je diagram, pridobljen s pomočjo meritev:

Za stolpaste žerjave (brez mostu ali ročice) ni diagrama. Tam je togost NKŽ še večja, vaktor sunkov pa lahko doseže tudi vrednost 2 in več.

16

Slika: Faktor sunkov PSI od vd

9

Obremenitve žerjavova) Vertikalne vztrajnostne sile:• posebnost: naglo popuščanje sile v vrvi:Øče se vrv pretrga;Øče se odlomi kavelj, Øodpoved reduktorja, ... ;

• NKŽ deluje kot napet lok, ki je sproščen v trenutku;• NKŽ močno zaniha. V DIN standardih se upošteva sila, usmerjena

navpično navzgor v iznosu ¼ bremena na vrvi.

Dvižni mehanizem mora biti opremljen z zavoro, ki preprečuje nenadzorovan spust bremena v primeru izpada el. energije. Zahteva se:• EU: zavora ob dvižnem motorju;• ZDA: zavora na bobnu dvižnega mehanizma.

17

Obremenitve žerjavovb1) Horizontalne vztrajnostne sile (translatorna gibanja):

RAZDELITEV ŽERJAVOV PO VIŠINI POSPEŠKOV

18

Hitrost, ki naj se

doseže

1. SKUPINA:Nizke in zmerne hitr.

z dolgo vožnjo –NIZKI POSPEŠKI

2. SKUPINA:Zmerne in visoke

hitrosti –SREDNJI POSPEŠKI

3. SKUPINA:Visoke hitrosti –

VELIKI POSPEŠKI

v Tp a Tp a Tp a[m/s] [s] [m/s2] [s] [m/s2] [s] [m/s2]4,00 - - 8,0 0,50 6,0 0,673,15 - - 7,1 0,44 5,4 0,582,50 - - 6,3 0,40 4,8 0,522,00 9,1 0,22 5,6 0,36 4,2 0,481,60 8,3 0,19 5,0 0,32 3,7 0,431,00 6,6 0,15 4,0 0,25 3,0 0,330,63 5,2 0,12 3,2 0,20 - -0,40 4,1 0,10 2,5 0,16 - -0,25 3,2 0,08 - - - -0,16 2,5 0,06 - - - -

10


b1) Horizontalne vztrajnostne sile (translatorna gibanja):• pospešek je omejen:Øz močjo pogonskega agregata;Øz velikostjo sile trenja med tirnico in pogonskimi kolesi;Øvečji ko je željeni pospešek, večji % koles mora biti gnan;

• Pri žerjvaih z višjim težiščem je potrebno gnati kolesa na obeh konceh, saj bodo inercialne sile zmanjševale kolesni pritisk na eni strani ter povečevale njegovo vrednost na drugi strani.

19

Slika: žerjav z visokim težiščem

Obremenitve žerjavovb1) Horizontalne vztrajnostne sile (translatorna gibanja):• žerjavi in mački žerjavov imajo običajno s kolesi podprte 4 vogale;• v vsakem vogalu – oporni točki je lahko eno ali več koles;• v primeru večih koles so le-ta izvedena na način, ki zagotavlja

enakomerno obremenitev vsakega posameznega kolesa;• to se zagotovi z vozički - tehtnicami:

20

11


b1) Horizontalne vztrajnostne sile (translatorna gibanja):• velikost i-te sile, ki nastane zaradi pospeševanja i-te mase in

obremenjuje NKŽ (po standardu):

• rotirajoče mase, katerih hitrost vrtenja je neposredno mehansko povezana s hitrostjo gibanja, je potrebno reducirati:

21


b1) Horizontalne vztrajnostne sile (translatorna gibanja):

• POTREBNO ŠTEVILO GNANIH KOLES: Øizhaja se iz zahteve, da je vztrajnostna sila manjša od sile trenja:

22

12


ØPredpis pravi, da morajo biti horizontalne inercialne sile znotraj omejitve tako, da je izpolnjena neenačba:

23

1/4 ... največji možni koeficient trenja med tirnico in tekalnim kolesom. Ta meja pride v poštev predvsem med zaviranjem.

1/30...predstavlja pogoj, da je pospešek dovolj velik, da ne pride do pregrevanja motorja med pospeševanjem. (Zaviranje - primer zaviranja brez zavor.)


b1) Horizontalne vztrajnostne sile (translatorna gibanja):NA VRVI VISEČE BREME

K translatornim masam spada tudi breme.

Njegov vpliv se ne upošteva aritmetično linearno ampak interferentno in je lahko:• večji od vpliva togo vpete mase;• manjši od vpliva togo vpete mase.

24

13

Obremenitve žerjavovb1) Horizontalne vztrajnostne sile (translatorna gibanja):NA VRVI VISEČE BREME

25


26

14


b2) Horizontalne vztrajnostne sile (rotacijsko gibanje):VRTEČE SE IN NIHAJOČE MASE

Upoštevati masne vztrajnostne momente:• vseh mas na vrtljivi nadgradnji;• vseh rotirajočih delov pogona rotacije nadgradnje.

Čas pospeševanja: 5 s ≤ TP ≤ 15 s

α ... kotni pospešekω ... kotna hitrost

27



28

Tangencialna inercialna sila:

Centrifugalna inercialna sila:

15



29

Pri tem se kotni pospešek določi:

Obremenitve žerjavovb2) Horizontalne vztrajnostne sile (rotacijsko gibanje):NA VRVI VISEČE BREME

30

TANGENCIALNA KOMPONENTAIz rotacijskega pospeška in hitrosti se določi tangencialni pospešek in hitrost à in določi tangencialno inercialno silo.

16

Obremenitve žerjavovb2) Horizontalne vztrajnostne sile (rotacijsko gibanje):NA VRVI VISEČE BREME

31

RADIALNA KOMPONENTAJe lahko pomembna. Standard je ne določa posebej, zato se uporablje centrifugalna sila. Na FS razvit postopek za točnejše določevanje:

Obremenitve žerjavovb2) Horizontalne vztrajnostne sile (rotacijsko gibanje):

32

Dgr. za določitev koeficienta radialnih horizontalnih sil :

b=0,1 à y = 6,5632x-0,9808

b=5,0 à y = -0,1023x + 1,5264

17


c) Inercialne sile zaradi bočnih udarcev koles na tirnice:

33

Ob udarcu nakolka ob tirnico se pojavi kratkotrajna sila – impulz sile.

Predpis: če je potovalna hitrost žerjava v<0,7 m/s à učinkov teh udarcev ni potrebno upoštevati.



34

Impulz sile povzroči impulzni moment, ki usmeri žerjav drugam:

Zaradi kratkotrajnosti delovanja se upoštevajo le pri bližnjih elementih NKŽ (npr. čelni nosilec do spoja z glavnim nosilcem, če je le 1 kolo na vogalu ČN).

18



35

Velikost so merili v bližini koles in sklepali na velikost impulza sile. Izdelan je dgr. koeficienta bočnih udarcev l:


d) Inercialne sile zaradi udarca v končni omejilnik (blažilnik):

36

v ... potovalna hitrost;xk ... razdalja do omejilnika, ko se avtomatično izklopi pogon

žerjava à hitrost pada tudi, če zavore odpovedo.

19



37

Predpis: blažilnik mora obsorbirati vsaj ½ kinetične energije žerjava (bremena ni potrebno upoštevati):

xk dovolj velik, da se ob delovanju zavor žerjav ne dotakne blažilnika in da je hitrost ob morebitnem trku največ 70 % potovalne hitrosti žerjava à Ek.trk<Ek/2.



38

Elastični (vzmetni) blažilnik: Blažilnik z dušilko (oljni blažilnik):

Velja:

20



39

Za vzmetni blažilnik nadalje velja:


Sile, ki izvirajo iz klimatskih okoliščin

40

a) Veter;b) Potres;c) Sneg;d) Temperatura.

21


a) Veter (žerjavi, ki obratujejo na odprtem):

41

Zastojni tlak vetra (wind):

r ... gostota zraka (1,2928 kg/m3 pri 0 °C in 1013,25 mbar);

Sila na i-to ploskev konstrukcije:

ci ... količnik zračnega upora;Ai ... projekcija i-te ploskve na ravnino, pravokotno na

smer gibanja vetra.



42

Stavbe (gradbeništvo): • objekt mora, ne glede na trenutno obremenjenost, zdržati tudi

največje vetrove, predvidene za določeno pokrajino.

Žerjavi (stroji):• dogovorjena je mejna hitrost vetra (vw.mej), do katere je žerjav

sposoben obratovati (“Fw.mej + G + Qmax”);• nad to mejo se mora žerjav razbremeniti, konstrukcija pa mora

zdržati nejvečji predvideni (orkanski) veter (“Fw.max + G”).

22



43

Mejna obremenitev:

qw.mej ... mejni zastojni tlak pri mejni hitrosti vetra.

Gornjo obremenitev je potrebno upoštevati tudi, ko žerjav obratuje.

Vsak žerjav, ki obratuje na prostem, ima vgrajen aerometer, ki meri hitrost vetra.



44

Dogovorjene mejne hitrosti vetra in mejni zastojni tlaki:

Tip žerjava oz. dvogalne naprave Vw.mej[m/s]/[km/h]

qw.mej[N/m2]

Na veter zelo občutljivi žerjavi, ki niso namenjeni neprekinjenemu obratovanju.

14 / 50 125

Žerjavi, ki ne sodijo v 1. ali 3. skupino (večina žerjavov)

20 / 72 250

Žerjavi, ki morajo obratovati čim bolj nemoteno, tudi pri večjih vetrovih (npr. luški žerjavi)

28 / 100 500

23



45

Največja obremenitev:

qw.ork ... največji zastojni tlak pri orkanskem vetru.

Gornjo obremenitev je potrebno upoštevati, ko žerjav NE obratuje več in breme ni prisotno.

Rotacijski žerjavi morajo imeti, ko ne obratujejo, zavoro vrtenja nadgradnje SPROŠČENO.



46

Največja obremenitev: Tri vetrovne cone (I, II, III), določene za vsako državo po zemljepisni legi in po velikosti zastojnega tlaka:

III. cona: vsi celinski kraji z nadmorsko višino hnm ≥ 500 m in primorje.

I. in II. cona: ostali deli države.

24



47

Največja obremenitev:

Lega... zemljepisna in geografska lega;

Hi.nt ... višina i-tega elementa nad tlemi.



48

“Orkanski” zastojni tlaki (obrem.) v odvisnosti od Lege in Hi.nt:

Hi.nt [m] Qw.ork [N/m2]

I II III

<10 450 700 1100

10 – (30) 600 900 1300

30 – (60) 700 1050 1500

60 – 100 800 1200 1700

25



49

Količnik zračnega upora: Določen s pomočjo preizkusov v vetrovnikih.

III. cona: vsi celinski kraji z nadmorsko višino hnm ≥ 500 m in primorje;

I. cona: večina preostale Slovenije;

II. cona: ostali deli države.


50

Količnik zračnega upora po F.E.M- 1.001 (1/2):

26


51

Količnik zračnega upora po F.E.M- 1.001 (2/2):

Opomba: Koeficienti zračnega upora, definirani v JUS znatno odstopajo od zgoraj navedenih.


52

Aerodinamična vitkost:

Profil dolžine l ci odvisen od:

Škatlasti profil višine b in širine d (vetru izpostavljena ploskev = l * b)

l/b, b/d

Profili valjaste oblike, premera D ((vetru izpostavljena ploskev = l * D)

D*vw

Ostali profili l/b, vrsta profila

Primer: Pravokotnik, dolžine l in višine b (vetru izpostavljena ploskev = l * b):

27



53

Sila vetra na ploskev “v senci” druge ploskve:



54

Vrednosti koeficienta h:

koeficienta h

B ≥ 6 b 1

B = b 0,1

B = 2 b 0,2

B = 4 b 0,45

28



55

Vrednosti koeficienta h pri palčjih in drugih okvirnih konstrukcijah:



56

Vpliv vetra pri poševnem delovanju:

Pozor: Nosilci, ki so bili morda “v senci”, se lahko “razkrijejo”, zaradi česar se poveča površina, na katero deluje veter.

29


b) Potres (žerjavi, ki obratujejo v posebnih okoljih):

57

Sila na maso mi pri potresu:

Za posamezno državo obstaja zemljevid potresnih con. Glede na potresno cono lokacije žerjava in glede na namen oz. umestitev žerjava, se določi projektne pospeške:

Npr. za 9. potresno cono velja:• za običajne namene: apotres = 0,12 g; g ... težnostni pospešek• za posebne namene: apotres < g.

Projektne pospeške se lahko določa iz izmerjenih potresnih akcelerogramov in simulacij, ki upoštevajo ustrezno časovno periodo.


b) Potres (žerjavi, ki obratujejo v posebnih okoljih):

58

Opomba: 0,12 g je zelo majhen pospešek, zaradi česar se za potresna nosilnost za žerjave za običajne potrebe ne preverja.

Kontrola se izvaja za žerjave v jedrskih objektih (npr. polarni žerjav v zadrževalnem hramu jedrskega reaktorja) in včasih v kemijskih obratih.

Koeficient b popisuje odzivnost konstrukcije in je večji pri bolj elastičnih konstrukcijah:• stolpasti (nesidrani) žerjavi: b ≅ 1,6;• za mostne žerjave: b ≅ 1,0.

30


c) Sneg:

59

Vpliv snega na NKŽ se običajno ne upošteva, ker je obremenitev zanemarljiva glede na nosilnost elementov (npr. ročica žerjava, stebri in stolp žerjava).

Izjeme so večji ploski elementi, kot je npr. streha strojnice. V teh primerih se upošteva obremenitev iz gradbeniških predpisov in standardov.

Vrednosti za projektno obremenitev s snegom so spet odvisne od geografske lege, nadmorske višine itd. in se za Slovenijo običajno gibljejo od q=125 kg/m2 navzgor.


d) Temperaturne obremenitve:

60

Sprememba temperature jeklenih elementov povzroči spremembo njihove prostornine. Pri enoosnih nosilnih elementih se največ spremeni dolžina.

Če je raztezanje (krčenje) neovirano, se pojavijo deformacije, drugače pa tudi temperaturne napetosti.

31


d) Temperaturne obremenitve:

61

NKŽ so v večji meri konstruirane kot raznovrstni mehanizmi*, zaradi česar Dt povzroča pretežno deformacije.

Zaradi Dt se včasih pojavijo tudi napetosti. Primer so npr. nekatere izvedbe žerjavnih prog, ki so (zaradi zagotavljanja večje togosti) podprte statično nedoločeno.

Pri projektiranju NKŽ je potrebno upoštevati sezonsko nihanje temperatur ( za Slovenijo v mejah od -20 °C do +45°C (jeklo na soncu se lahko sicer segreje tudi bolj)):• deformacije à možna ovirana ali onemogočena

funkcionalnost;• napetosti: možne preobremenitve.


62

Kombinacije obremenitev, ki delujejo sočasno

a) 1. obremenitveni slučaj. Simbolna enačba:

b) 2. obremenitveni slučaj. Simbolna enačba:

c) 3. obremenitveni slučaj. Simbolne enačbe. Možne razne kombinacije. Npr.:

32


63

Normalne dopustne napetosti (deterministični pristop):

Upoštevanje obremenitev pri trujanju:Za preračun na utrujanje se običajno upošteva le kombinacije obremenitev I. obremenitvenega slučaja.

Veter in sneg se pojavita premalokrat, da bi jih bilo potrebno upoštevati. Običajno velja to tudi za temperaturne obremenitve.

Documents

Pred NK uni 7 Nosilne konstrukcije divgal.pptlab.fs.uni-lj.si/lasok/index.html/gradivo_jerman_LASOK/NK_uni_Pred... · " statika in drugi izra uni;" vhodni materiali;" kupljene komponente;"