Оптимизация строительных конструкций

1. Методы определения веса конструкции

В общем случае вес любого сооружения можно представить как сумму весов основных (несущих) и вспомогательных конструкций. К основным конструкциям относятся колонны, стропильные и подстропильные фермы, ригели, подкрановые балки, прогоны или другие несущие элементы. К вспомогательным конструкциям относятся связи покрытия, связи по колоннам, элементы фахверка, переплеты, фонарные конструкции, лестницы и площадки, рельсы с элементами крепления и т.д.

В соответствии с этим вес сооружения запишем в математической форме

G_o=?G_о.кn_о.к+?G_в.кn_в.к,

где G_о.к, G_в.к - вес основной и вспомогательной конструкции данного типа;

n_о.к., n_в.к. -количество основных и вспомогательных конструкций данного типа.

Вес одной несущей конструкции рассчитывается по такому же принципу с учётом строительных или конструктивных коэффициентов.

Приведём примеры определения веса несущих конструкций колонны и фермы.

1.1 Определение веса колонны

Требуется определить массу нетиповой крайней колонны промышленного здания, ступенчатого типа высотой Н_к (рис.1). Предположим, что подкрановая часть колонны сквозная, подкрановая ветвь состоит из составного сварного двутавра, шатровая - из составного швеллера, состоящего из универсальной полосы и двух уголков. Расчетное сопротивление определяется в зависимости от типа стали по табл. 1(прил.1): для подкрановой части колонны R¹; для надкрановой R¹¹. Отобразим нагрузки, действующие на колонну: W - давление ветра; Q -давление кранов на колонну; Р - давление ригеля.

Принимаем длину подкрановой части колонны равной h₁=0,7•Н_к(м), тогда длина надкрановой h₂= Н_к -0.7•Н_к (м), соответственно их ширина равна 0,1•h₁=с₁(м) и 0,1•h₂=е₂(м);

соотношение длины надкрановой части и всей колоны л=h₂/Н_к;

соотношение жёсткостей Ю=I₂/I₁;

ядровое расстояние:

подкрановой части с=0,5е (для нессиметричного двутавра и сквозного сечения из 2-х ветвей);

надкрановая части с=0,4е (для симметричного сварного двутавра

Рис.1. Расчетная схема колонны

эксцентриситеты: давления кранов для подкрановой части Z_k=0,4e₁;

давления ригеля для надкрановой части

Z_р = e₁-Z_k-

Коэффициент продольного изгиба ф₁ и ф₂ определяется по формуле:

ф =1-в(n•k•h)²/(10⁴с•z),(1)

где к - коэффициент приведения расчетной длины подкрановой или надкрановой части колонны, равный для рам с шарнирным опиранием ригеля соответственно 2,5 и 3; n =1,3 - коэффициент, учитывающий влияние решетки в сквозной колонне, для сплошной колонны n=1; Z -расстояние от центра тяжести сечения до наиболее сжатой ветви: для несимметричного сечения Z=0,5е₁; b- коэффициент, зависящий от класса прочности стали, определяемый по табл.2, (прил.1).

характеристики сечения для подкрановой части

от давления кранов x¹_кр=(k¹•z_к++n•k¹¹•Н)/(с₁•h₁);(2)

от давления ригеля x¹_р=(z_р+)/( с₁•h₁);(3)

от давления ветра x¹_w=k¹¹¹•Н/( с₁•h₁),(4)

где коэффициенты k¹,k¹¹,k¹¹¹ принимаем в зависимости от типа закрепления верхнего конца и соотношения жесткостей верхней и нижней части колонны по табл.З.(прил.1).

Масса подкрановой части без учета строительного коэффициента:

G¹ =(x^l_KP•P+X¹_с•Q +x¹_w•W)•(г•h₂/R¹)•с,(5)

где с - учитывает увеличение массы колонны за счет влияния собственной массы и равный в среднем 1,03; Р - давление ригеля; W - давление ветра; Q-давление кранов на колонну; г- удельный вес металла.

Характеристики сечения для надкрановой части:

от давления кранов x¹¹_кр=(k¹•z_k+ n•k¹¹•Н)/ (с₂•h₂);

от давления ригеля x¹¹_р=( с₂/ ф₂)/ (с₂/ h₂);

от давления ветра x¹¹= k¹¹¹•Н/(с₂•h₂).

Масса надкрановой части без учета строительного коэффициента:

G¹¹=( x¹¹_кр•P_кр+ x¹¹_р•Q+x¹¹_w•W)•( г•h₂²/R¹¹)•с

Полная масса колонны:

G=(G¹+G¹¹)•ш,(6)

где ш - строительный коэффициент, равный для колонны данного типа 1,7.

2. Методы определения трудоемкости изготовления при вариантном проектировании

Конструктивная форма металлических конструкций с точки зрения влияния ее на трудоемкость характеризуется производственными показателями.

Показатели проекта конструкций, характеризующие его качество с точки зрения трудоемкости, можно разбить на две группы.

К первой группе показателей принадлежат: количество конструкции; степень типизации и стандартизации, определяющая в свою очередь серийность; вес сооружения, отнесенный к геометрическому измерителю.

Ко второй группе показателей относят: количество деталей, сборочных марок, отверстий, сварных швов; показатели, характеризующие трудоемкость резки, строгания и т. д.

2.1 Определение трудоемкости изготовления колонны

Определить трудоемкость изготовления колонны крайнего ряда ступенчатого типа по следующим данным пункта 1.1: масса колонны G (т), в том числе масса основных деталей подкрановой части G¹(т), масса основных деталей надкрановой части G¹¹(т). Массу ветвей принимаем одинаковой. На основании опыта проектирования предполагаем, что масса полосы G¹ /2•1/3, масса уголка - G¹ /2•2/3.

Определим трудоемкость обработки основных деталей подкрановой части.

Основных деталей подкрановой ветви три, масса средней детали G¹ /(2-3).

Трудоемкость обработки деталей подкрановой ветви: Т^р6_п.в. = 3•1,1 =3,3 (чел.-ч),

где 1,1 чел. - ч -- трудоемкость обработки одной листовой детали (без отверстий) по табл. 7 (прил.1).

Трудоемкость обработки деталей шатровой ветви: Т^об_ш.в.= 1,1+2•0,28= 1,66 чел.-ч, где 0,28 чел.-ч -- трудоемкость обработки одного уголка (без отверстий) по табл. 8. (прил.1).

Трудоемкость обработки основных деталей подкрановой части:

Т¹_об. =3,3+ 1,66 ?5 чел.-ч.

Трудоемкость обработки основных деталей надкрановой части:

Т"_0б= 3•1,32? 4 чел.-ч,

где 1,32 чел.-ч --трудоемкость обработки одной листовой детали массой G¹¹ / 3 ( т) с пятью отверстиями (табл.7).

Трудоемкость обработки всех основных деталей колонны:

Т^об_о.=Т¹_об.+Т¹¹_об

Трудоемкость сборки и сварки определяем в предположении, что надкрановая часть и подкрановая ветвь подкрановой части собираются в кондукторе и свариваются автоматом; шатровая ветвь собирается по разметке и сваривается полуавтоматом (длина всех деталей менее 12 м)

T^об_о = 3•0,37 + 3•0,32 + 3•0,43=3,4 (чел.-ч),

где 0,37; 0,32 и 0,43 чел.-ч -- соответственно трудоемкость сборки одной детали надкрановой части, подкрановой и шатровых ветвей по табл. 8 .

Длина швов в надкрановой части ?l_шв^н.ч м, катет шва (конструктивно) 8 мм, длина швов в подкрановой и шатровой ветви ?l_шв^н.ч м.

Трудоемкость сварки

Т^св_о = ?l_шв^н.ч •0,08+?l_ш^ч_в^п•0,1?l_ш^ч_в^п •0,93 = 10,0 чел.-ч.

При строительном коэффициенте массы 1,7 найдем строительные коэффициенты операций по табл. 7 и 9. Число вспомогательных деталей при коэффициенте детальности 8 (см. табл. 9) равно: 9•8 = 72: ш^об_Т= 2,6; ш^об_Т=2,93; ш^об_Т=2,7 (сварка вспомогательных деталей производится полуавтоматом).

Тогда трудоемкость изготовления колонны определяется по формуле:

Т=k_Н.Р.( ш^об_Т•Т^об_о+ Т^об_о+ ш •Т+ ш•Т)