Расчет башенных кранов по ГОСТ 13752: комбинации нагрузок

Чем отличается стандарт GB/T 13752 для башенных кранов от общего стандарта GB/T 3811?

GB/T 13752-2017 — это специализированный норматив для расчёта и проектирования башенных кранов. Его принципиальное отличие от общего стандарта GB/T 3811-2008 «Нормы проектирования кранов» заключается в подходе к проектированию и области применения. GB/T 3811 охватывает все типы кранов (мостовые, козловые, башенные, мобильные, железнодорожные, плавучие и др.) и задаёт общие принципы проектирования, тогда как GB/T 13752 разработан специально для башенных кранов и содержит более детальные требования к определению нагрузок, их комбинациям, выбору коэффициентов и методам проверки устойчивости.

Различия проявляются по четырём ключевым направлениям:

Во-первых, комбинации нагрузок. GB/T 3811 определяет 9 комбинаций нагрузок в 3 классах (A/B/C), тогда как GB/T 13752 разделяет рабочие состояния башенного крана на 6 конкретных расчётных случаев: нормальная работа без ветра (класс A), нормальная работа при ветре (класс B), монтаж и демонтаж (класс C), ветровая нагрузка в нерабочем состоянии (класс D), удар о буфер (класс E) и испытательные нагрузки (класс F). Для каждого случая предусмотрена своя таблица коэффициентов.

Во-вторых, более детальный расчёт ветровых нагрузок. GB/T 13752 вводит поправочные коэффициенты ветрового давления по высоте секций башни, коэффициент снижения ветровой нагрузки за счёт экранирования (затенения) и коэффициент взаимного влияния группы башенных кранов. Требуется раздельный расчёт при рабочем ветровом давлении 250 Па и при нерабочем ветровом давлении, которое принимается по базовому значению для региона (в прибрежных зонах может достигать 1000 Па и более).

В-третьих, проверка устойчивости выделена в отдельный раздел. Глава 8 стандарта GB/T 13752 устанавливает 5 расчётных случаев проверки устойчивости против опрокидывания с соответствующими значениями коэффициента запаса K. Требуется отдельная проверка общей устойчивости крана в рабочем и нерабочем состояниях.

В-четвёртых, анкерным устройствам посвящена отдельная глава. Глава 9 детально регламентирует расстояния между точками крепления анкеров, предельную гибкость стержневых элементов (не более 120), класс прочности соединительных болтов (не ниже 8.8) и коэффициент запаса на вырыв закладных деталей (не менее 1.5). Эти требования в GB/T 3811 не рассматриваются.

Комбинации нагрузок и коэффициенты сочетаний для башенного крана: 6 групп по ГОСТ

Согласно разделу 5 ГОСТ 13752-2017, при проектировании башенного крана необходимо учитывать 6 групп комбинаций нагрузок, каждая из которых соответствует определённому набору нагрузок и коэффициентам сочетаний. «Келуде Тяжёлая Промышленность» при расчёте металлоконструкции крана строго руководствуется данной классификацией и выполняет перебор всех расчётных случаев.

Комбинация A (нормальная работа без ветра): грузоподъёмность × 1,22 + собственный вес × 1,16 + горизонтальная сила инерции × 1,0. Это основной режим повседневных такелажных работ крана, применяется для закрытых помещений или зон с укрытием (внутри помещений или под навесом). Коэффициент 1,22 для грузоподъёмности отражает влияние коэффициента динамической нагрузки при подъёме.

Комбинация B (нормальная работа при ветре): грузоподъёмность × 1,22 + собственный вес × 1,16 + горизонтальная сила инерции × 1,0 + рабочее ветровое давление × 1,0. Применяется для работ на открытом воздухе. Рабочее ветровое давление принимается 250 Па, скорость ветра — 20 м/с. При высоте башни свыше 30 м требуется корректировка ветровой нагрузки по высотным зонам.

Комбинация C (особые нагрузки — монтаж и демонтаж): собственный вес × 1,10 + монтажная динамическая нагрузка × 1,10 + ветровая нагрузка × 1,0. В процессе телескопирования, опускания секций и демонтажа конструктивная схема крана изменяется: секции башни находятся в частично соединённом состоянии. Коэффициенты сочетаний при этом существенно снижаются, однако требуется отдельная проверка несущей способности соединительных болтов и траверсы телескопической системы (оголовка для телескопирования).

Комбинация D (нерабочее состояние): собственный вес × 1,0 + нерабочее ветровое давление × 1,0. Принимается по базовому ветровому давлению района с периодом повторяемости 50 лет: для прибрежных зон — 800–1000 Па, для внутриконтинентальных районов — 400–600 Па. Это предельный режим восприятия максимальной ветровой нагрузки краном в нерабочем состоянии.

Комбинация E (удар о буфер): собственный вес × 1,0 + усилие буфера × 1,0. При возможном столкновении стрелы крана с другими конструкциями или соседними кранами проверяется способность буферного устройства к поглощению энергии удара.

Комбинация F (испытательные нагрузки): статическое испытание — 1,25 номинальной грузоподъёмности, динамическое испытание — 1,1 номинальной грузоподъёмности. При испытаниях все коэффициенты сочетаний принимаются равными 1,0, поскольку в испытательном режиме не допускаетсясуперпозиция ветровых и прочих случайных нагрузок.

Проверка прочности и жёсткости металлоконструкции башенного крана: 7 показателей

Разделы 6 и 7 ГОСТ 13752-2017 регламентируют методику проверки прочности и жёсткости металлоконструкции башенного крана и охватывают 7 ключевых расчётных показателей. В проектной практике «Келуде Тяжёлая Промышленность» эти показатели образуют базовую систему подтверждения конструктивной безопасности крана.

1. Проверка статической прочности. Для каждой комбинации нагрузок расчётное напряжение в элементе не должно превышать допускаемого напряжения, равного пределу текучести материала, делённому на коэффициент запаса прочности n. Для стали Q355B (≈09Г2С) предел текучести составляет 355 МПа. Коэффициент запаса n: для комбинации A — 1,48; для комбинации B — 1,48; для комбинации C — 1,34; для комбинации D — 1,22.

2. Проверка усталостной прочности. Для кранов с режимом работы A4 и выше требуется оценка усталостной долговечности сварных швов и зон концентрации напряжений. Применяется метод амплитуд напряжений: по кривой S-N определяется допускаемая амплитуда, при этом расчётная амплитуда не должна превышать допускаемую, делённую на коэффициент запаса по усталости (1,0–1,35).

3. Проверка упругой устойчивости. Для сжатых элементов (основные пояса башни, раскосы крепления и т.п.) выполняется проверка общей и местной устойчивости. Несущая способность при потере устойчивости определяется методом эффективного сечения; критическое напряжение не должно превышать предел пропорциональности материала.

4. Проверка жёсткости. Предельные прогибы конструкции крана контролируются по предельному состоянию нормальной эксплуатации: горизонтальное смещение оголовка башни — не более H/800 (H — свободная высота башни); прогиб конца стрелы — не более L/500 (L — длина стрелы).

5. Проверка прочности соединений. Сварные швы проектируются как угловые сварные швы; катет шва — не менее 0,7 толщины более тонкого из свариваемых элементов; расчётное напряжение в шве не превышает 0,9 допускаемого напряжения. Высокопрочные болты рассчитываются как фрикционное соединение; усилие предварительного натяга P принимается по ГОСТ 27751 (аналог GB 50017).

6. Проверка местной устойчивости пластин. Для фасонок раскосов секций башни, опорной плиты опорно-поворотного устройства и других пластинчатых элементов проверяется местная потеря устойчивости. Отношение ширины к толщине b/t ограничивается значением не более 42 (для стали Q355B).

7. Проверка собственной частоты колебаний. Основная частота собственных колебаний крана должна исключать совпадение с частотой ветрового вихревого возбуждения (0,2–0,4 Гц) и частотой раскачивания груза (0,05–0,15 Гц) во избежание резонансных явлений.

Устойчивость башенного крана против опрокидывания: 5 расчётных случаев и коэффициенты запаса

Раздел 8 стандарта ГОСТ Р 13752-2017 (аналог GB/T 13752-2017) устанавливает обязательные требования к расчёту устойчивости башенных кранов против опрокидывания и определяет пять расчётных случаев с соответствующими коэффициентами запаса. Компания «Келуде Тяжёлая Промышленность» выполняет полный проверочный расчёт устойчивости для каждой выпускаемой модели крана по всем пяти случаям перед отгрузкой с завода.

Случай 1: Устойчивость при статической нагрузке без ветра. Кран поднимает номинальный груз на максимальном вылете, ветровая нагрузка не учитывается. Проверка выполняется по формуле: отношение суммы стабилизирующих моментов к сумме опрокидывающих моментов должно быть не менее K1 = 1,40. Иными словами, соотношение всех стабилизирующих моментов (от собственного веса) и опрокидывающих моментов (от поднимаемого груза) должно обеспечивать запас прочности не менее 1,4.

Случай 2: Устойчивость при динамической нагрузке с ветром. Кран находится в рабочем состоянии, учитывается рабочая ветровая нагрузка, действующая вдоль стрелы. Коэффициент запаса K2 должен быть не менее 1,25. Поскольку ветровая нагрузка увеличивает опрокидывающий момент, требуемый коэффициент запаса ниже, чем в случае 1.

Случай 3: Устойчивость при нерабочей ветровой нагрузке. Кран находится в нерабочем состоянии (крюк без груза) и испытывает максимальную нерабочую ветровую нагрузку. Коэффициент K3 должен быть не менее 1,15. Это один из наиболее опасных случаев, так как нерабочее ветровое давление может достигать 1000 Па, а стабилизирующий момент от собственного веса крана уменьшается из-за отсутствия груза.

Случай 4: Устойчивость при внезапном снятии груза. Груз внезапно срывается или снимается с крюка во время подъёма, что создаёт тенденцию к опрокидыванию крана в обратном направлении (опрокидывание назад). Коэффициент K4 должен быть не менее 1,10. В этом случае проверяется устойчивость крана в направлении балансирной стрелы.

Случай 5: Устойчивость при монтаже/демонтаже. Во время наращивания или опускания башни центр тяжести верхней части крана поднимается, а соединения секций башни не находятся в полностью затянутом состоянии. Коэффициент K5 должен быть не менее 1,25. В этом случае особое внимание уделяется прочности соединения монтажной каретки с башней.

В практических расчётах линия опрокидывания принимается по линии, соединяющей крайние точки опоры фундамента крана. Стабилизирующий момент равен сумме произведений собственного веса каждого элемента на расстояние от его центра тяжести до линии опрокидывания. Опрокидывающий момент равен сумме произведений всех горизонтальных нагрузок на высоту их приложения плюс момент от ветровой нагрузки.

Расчёт механизмов подъёма и изменения вылета стрелы башенного крана

Раздел 9 стандарта ГОСТ Р 13752-2017 (аналог GB/T 13752-2017) устанавливает требования к расчёту и проектированию механизмов подъёма, изменения вылета стрелы, поворота и передвижения башенных кранов. Для наиболее интенсивно используемых механизмов подъёма и изменения вылета стрелы стандарт определяет следующие ключевые параметры:

Механизм подъёма. Коэффициент запаса прочности стального каната n для передвижных кранов должен быть не менее 5,0. Для стационарных кранов с режимом работы M3~M5 коэффициент n должен быть не менее 4,5, а для режимов M6~M8 — не менее 5,6. Номинальный диаметр барабана D должен быть не менее 25 диаметров каната, диаметр шкива по центру каната Dp — не менее 28 диаметров каната. Угол отклонения каната на барабане не должен превышать 4° для барабана со светлой поверхностью и 2,5° для барабана с канавками. Механизм подъёма крана TC6015 компании «Келуде Тяжёлая Промышленность» оснащён частотно-регулируемым двигателем, использует стальной канат диаметром 14 мм конструкции 35Wx7 и барабан диаметром 400 мм, что полностью удовлетворяет требованию D/d = 28,6.

Механизм изменения вылета стрелы. Скорость горизонтального изменения вылета стрелы с тележкой обычно составляет 0,5–1,0 м/с. Коэффициент запаса прочности каната подъема стрелы при наклоняемой стреле должен быть не менее 4,0. Расчёт тягового усилия тележки должен учитывать сопротивление трения, уклон, ветровую нагрузку и инерционные силы при разгоне. Давление колеса тележки проверяется для наиболее неблагоприятного случая, при этом давление на одно колесо не должно превышать допустимое давление на рельс.

Требования к тормозам. Коэффициент запаса тормозного момента для механизма подъёма K должен быть не менее 1,5, то есть отношение тормозного момента к статическому моменту от номинальной нагрузки должно быть не менее 1,5. Для механизма изменения вылета стрелы коэффициент запаса K должен быть не менее 1,25. Тормоза должны быть нормально замкнутыми, электромагнитными колодочными или дисковыми. Износ фрикционных накладок должен обеспечивать ресурс не менее 200 000 рабочих циклов.

Кроме того, зубчатые редукторы во всех механизмах должны быть проверены на контактную прочность зубьев и прочность на изгиб у корня зуба в соответствии со стандартом ISO 6336 или ГОСТ Р 3480 (аналог GB/T 3480). Расчётный ресурс подшипников должен составлять не менее L10 = 5000 часов.

Основные параметры крепления и фундамента башенного крана

Стандарт ГОСТ Р 13752-2017 (аналог GB/T 13752-2017) устанавливает чёткие технические требования к конструкции креплений (анкеровки) крана к зданию и к конструкции фундамента. Проектирование креплений является ключевым условием безопасной работы крана на большой высоте. Компания «Келуде Тяжёлая Промышленность» предусматривает установку крепёжных рам и распорок для всех кранов, работающих на высоте, превышающей максимальную свободную высоту башни.

Расстояние между креплениями. Первое крепление устанавливается на расстоянии 6–12 м от верха фундамента. Расстояние между последующими креплениями составляет 6–9 м. Максимальная высота консоли (от верхнего крепления до оголовка башни) не должна превышать 30 м или должна соответствовать указаниям завода-изготовителя.

Конструкция распорок. Гибкость распорок (отношение длины к радиусу инерции) не должна превышать 120. Рекомендуется использовать круглые трубы диаметром от 102x6 до 159x8 мм. Материал распорок — не ниже Q235B (≈Ст3сп). На обоих концах распорок должны быть установлены регулируемые винтовые стяжки с диапазоном регулировки ±150 мм для компенсации строительных допусков. Толщина проушин на концах распорок должна быть не менее 12 мм, а зазор между отверстием проушины и пальцем не должен превышать 0,5 мм.

Требования к соединениям. Болты для крепления рамы к секциям башни должны быть класса прочности не ниже 8.8, диаметром M24, не менее 4 болтов на каждую точку крепления. Площадь сечения анкерной арматуры закладной детали должна быть не менее значения, полученного делением 1,5-кратного максимального расчётного усилия в распорке на предел текучести арматуры. Глубина заделки закладной детали в бетон должна быть не менее 15 диаметров анкерного стержня и не менее 200 мм.

Конструкция фундамента. Толщина фундаментной плиты должна быть не менее 1,2 м. Класс прочности бетона — не ниже C30. Расчётное сопротивление грунта основания (fak) должно быть не менее 200 кПа. При несоответствии этого требования необходимо выполнить улучшение грунта или использовать свайный фундамент. Армирование фундаментной плиты должно быть двусторонним, с коэффициентом армирования не менее 0,15% в каждом направлении. Диаметр основной арматуры — не менее 20 мм, шаг — не более 150 мм. Анкерные болты для крепления крана к фундаменту должны быть класса прочности 8.8, диаметром M36–M48, с глубиной заделки не менее 30 диаметров болта.

Для передвижных кранов дополнительно проверяется несущая способность грунта под рельсовым путём и прочность рельсов на изгиб. Рекомендуется использовать рельсы типов QU70–QU100. Допуск на ширину колеи составляет ±3 мм. Разница отметок головок рельсов в одном поперечном сечении не должна превышать значения колеи, делённого на 1500.

Бетон C30 / основание ≥200 кПа

В части системы контроля безопасности башенный кран также должен соответствовать требованиям GB/T 28264-2012 «Система мониторинга и управления безопасностью грузоподъёмных машин», обеспечивая мониторинг в реальном времени таких параметров, как грузоподъёмность, крутящий момент, вылет, высота, скорость ветра и угол поворота. Приёмочные испытания проводятся согласно GB/T 5905-2011 «Краны. Правила и процедуры испытаний» — статическая нагрузка (1,25-кратная номинальная нагрузка) и динамическая нагрузка (1,1-кратная номинальная нагрузка).

📖 Дополнительные материалы

· GB/T 3811 «Правила проектирования кранов»: 9 комбинаций нагрузок и методика выбора режима работы с A1 по A8

· GB/T 28264 «Система мониторинга и управления безопасностью грузоподъёмных машин» — разбор стандарта

· GB/T 5905 «Правила испытаний кранов»: 3 вида процедур испытаний под нагрузкой и 6 критериев приёмки

· GB/T 14406 «Козловые краны общего назначения»: 5 показателей приёмки и выбор по 8 режимам работы

· Как выбрать энкодер для крана? Сравнение 4 параметров инкрементальных и абсолютных многооборотных энкодеров, полный процесс монтажа и пусконаладки

9 частых вопросов по применению норм проектирования башенных кранов