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.к>n_>о.к>+∑G_>в.к>n_>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 h_>1>=0,7∙Н_>к>(м), тогда длина надкрановой h_>2>= Н_>к> -0.7∙Н_>к> (м), соответственно их ширина равна 0,1∙h_>1>=с_>1>(м) и 0,1∙h_>2>=е_>2>(м);

соотношение длины надкрановой части и всей колоны л=h_>2>/Н_>к>;

соотношение жёсткостей Ю=I_>2>/I_>1>;

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>=0,4e_>1>;

давления ригеля для надкрановой части

Z_>р> = e_>1>-Z_>k>-

Коэффициент продольного изгиба ф_>1> и ф_>2> 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=0,5е_>1>; 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)/(с_>1>∙h_>1>);(2)

от давления ригеля x¹_>р>=(z_>р>+)/( с_>1>∙h_>1>);(3)

от давления ветра x¹_>w>=k¹¹¹∙Н/( с_>1>∙h_>1>),(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∙h_>2>/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)/ (с_>2>∙h_>2>);

от давления ригеля x¹¹_>р>=( с_>2>/ ф_>2>)/ (с_>2>/ h_>2>);

от давления ветра x¹¹= k¹¹¹∙Н/(с_>2>∙h_>2>).

Масса надкрановой части без учета строительного коэффициента:

G¹¹=( x¹¹_>кр>∙P_>кр>+ x¹¹_>р>∙Q+x¹¹_>w>∙W)∙( г∙h_>2>²/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.>_>=Т>¹_>об.>_>+Т>¹¹_>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)