ISO 21657:2017 Краны. Метод предельных состояний

Основные принципы метода предельных состояний

Компания Келуде Тяжёлая Промышленность строго соблюдает требования национальных стандартов при производстве. Метод предельных состояний (LSD), введённый стандартом ISO 21657:2017, отличается от метода допускаемых напряжений (ASD), принятого в норме проектирования кранов GB/T 3811. Метод ASD: максимальные расчётные напряжения от каждой комбинации нагрузок ограничиваются допускаемым напряжением материала. Допускаемое напряжение = предел текучести материала ÷ коэффициент запаса прочности. Коэффициент запаса прочности является фиксированным (например, 1,5). Различные типы нагрузок (постоянные/переменные) не различаются по степени влияния на безопасность. Метод LSD: расчётные воздействия от нагрузок (внутренние усилия в конструкции) для каждого предельного состояния ограничиваются несущей способностью конструкции. Различные типы нагрузок (собственный вес, подвешенный груз, ветровая нагрузка, сила инерции) умножаются на различные частные коэффициенты запаса (коэффициенты по нагрузке) — в зависимости от степени их влияния и важности для безопасности. Несущая способность (сопротивление) также умножается на частный коэффициент запаса по материалу (<1) — что более точно отражает фактическую надёжность материала и конструкции. Метод LSD разделяет предельные состояния на два класса: предельное состояние по несущей способности (ULS) — конструкция не разрушается, не теряет устойчивость и не опрокидывается при действии максимальных расчётных нагрузок — предъявляются самые высокие требования по уровню безопасности. Предельное состояние по пригодности к нормальной эксплуатации (SLS) — конструкция не получает чрезмерных деформаций, вибраций и трещин при нормальных эксплуатационных нагрузках — это влияет на нормальную работу оборудования, но не приводит к аварийным ситуациям. Требования стандарта: конструкция крана должна одновременно удовлетворять условиям ULS и SLS — оба расчёта выполняются раздельно, и за определяющее принимается более строгое условие.

Частные коэффициенты запаса и комбинации нагрузок

Стандарт устанавливает следующие частные коэффициенты запаса и комбинации нагрузок: постоянная нагрузка (G) — собственный вес крана, противовес и стационарные крепления (частный коэффициент запаса γG=1,2). Переменная нагрузка (Q) — грузоподъемность (подвешенный груз — включая спредер и массу материалов) — частный коэффициент запаса γQ=1,5 (для грузоподъемности) или γQ=1,35 (для ветровой нагрузки). Особая нагрузка (A) — например, ударные нагрузки, сейсмическая нагрузка (частный коэффициент запаса γA=1,0). Принцип комбинирования нагрузок — принимается наиболее неблагоприятная комбинация (обеспечивающая максимальные внутренние усилия в конструкции). Основная комбинация (рабочее состояние) — комбинация ULS = 1,2 × постоянная нагрузка + 1,5 × грузоподъемность + 1,35 × ветровая нагрузка × коэффициент сочетания — коэффициент сочетания Ψ (вероятность одновременного действия ветровой нагрузки и грузоподъемности × 0,6~0,7). Экстремальная комбинация (нерабочее состояние) — комбинация ULS = 1,0 × постоянная нагрузка + 1,25 × максимальная ветровая нагрузка (ветровое давление в нерабочем состоянии) — в нерабочем состоянии грузоподъемность не учитывается (крюк без нагрузки). Комбинация для усталостной нагрузки — используется для проверки на усталость — частный коэффициент запаса = 1,0 — применяется спектр нагрузок (наиболее часто встречающиеся уровни нагрузки, а не максимальная нагрузка). Стандарт также вводит «показатель надёжности» β — чем выше значение β, тем ниже вероятность отказа конструкции — целевой показатель надёжности β=3,0~4,5 (соответствует вероятности отказа примерно 0,001~0,00003). Значение β зависит от последствий разрушения конструкции (уровень безопасности) — уровень безопасности I (тяжёлые последствия — например, литейные краны для транспортировки расплавленного металла, крупные башенные краны) — β≥4,0 — уровень безопасности II (умеренно тяжёлые последствия — краны общего назначения) — β≥3,5 — уровень безопасности III (относительно лёгкие последствия — малые краны для ремонтных работ) — β≥3,0.

Проверка предельного состояния по несущей способности

Стандарт устанавливает следующие виды проверок для предельного состояния по несущей способности: проверка прочности — нормальное напряжение в поперечном сечении σ≤f_y/γM (f_y — предел текучести стали, γM — частный коэффициент запаса по материалу (1,0~1,15 — зависит от марки материала и типа разрушения) — касательное напряжение τ≤f_y/(√3·γM)). Проверка устойчивости — общая устойчивость (устойчивость сжато-изгибаемых элементов в плоскости и из плоскости действия изгибающего момента — рассчитывается по формуле Эйлера и с использованием коэффициента эквивалентного момента) — местная устойчивость (отношение ширины к толщине пластин должно удовлетворять предельным значениям — полка и стенка балки не должны терять местную устойчивость). Проверка на усталость — класс усталости деталей — классификация по типу сварного соединения (например, стыковой шов, угловой сварной шов, болтовые отверстия, основной металл и т.д. — каждому классу соответствует своя кривая усталости (кривая Вёлера)) — спектр усталостных нагрузок (амплитуды напряжений Δσ для каждого уровня усталостной нагрузки и соответствующее число циклов n — по линейному правилу накопления повреждений Пальмгрена-Майнера — суммарное повреждение D≤1,0). Проверка жёсткости (SLS) — максимальный прогиб главной балки в середине пролёта при номинальной нагрузке ≤L/700~L/1000 (в зависимости от режима работы крана и требований к точности позиционирования). Проверка механики разрушения — для кранов, находящихся в эксплуатации — при обнаружении трещин в ответственных зонах — методами механики разрушения рассчитывается скорость роста трещины и критическая длина трещины при конкретных нагрузках — определяется количество циклов или срок безопасной эксплуатации до следующего осмотра. Стандарт особо подчёркивает: точность расчёта по методу LSD зависит от точности оценки параметров нагрузок и характеристик материала — при проектировании необходимо учитывать неопределённость параметров — при необходимости следует применять более консервативные частные коэффициенты запаса.

Сравнение методов LSD и ASD

Стандарт приводит сравнительный анализ методов LSD и ASD: распределение запаса безопасности — метод ASD концентрирует общий коэффициент запаса прочности (1,5) полностью на стороне сопротивления (допускаемое напряжение = предел текучести / 1,5) — без разделения по типам нагрузок — все нагрузки рассматриваются одинаково. Метод LSD распределяет запас безопасности между стороной нагрузки (частные коэффициенты запаса по нагрузке >1) и стороной сопротивления (частный коэффициент запаса по материалу <1) — чем менее предсказуема нагрузка (например, ветровая нагрузка), тем выше коэффициент запаса — чем более контролируема (например, собственный вес), тем ниже коэффициент — это более научный подход. Метод LSD при одинаковом целевом показателе надёжности позволяет получить более экономичную конструкцию — поскольку вероятность одновременного достижения максимальных значений всех нагрузок в комбинации мала — это учитывается коэффициентом сочетания (Ψ) — расчётная нагрузка ближе к фактическому уровню нагрузок, чем в методе ASD — масса конструкции может быть снижена на 5%~15%. Методика проверки на усталость различается — метод ASD использует единый общий коэффициент запаса прочности при проверке на усталость — метод LSD использует метод накопления повреждений на основе кривой усталости (кривой Вёлера) — что позволяет более точно количественно оценить усталостное повреждение. Стандарт устанавливает: для крупных и ответственных кранов (большой грузоподъемности, высокого режима работы) метод LSD является более точным и безопасным, чем ASD — рекомендуется применять метод LSD при проектировании ответственных кранов. Для малых и средних кранов общего назначения метод ASD проще в расчётах и удовлетворяет требованиям эксплуатации. В заключение стандарт отмечает: в настоящее время международное проектирование кранов переходит от метода ASD к методу LSD — ISO 21657 обеспечивает техническую основу для обновления национальных стандартов.

Часто задаваемые вопросы