РАСЧЕТЫ МЕХАНИКИ И ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ


Примеры выполненных проектов

Расчет стеллажей

Назначение, типы и особенности компоновочной схемы стеллажных конструкций

Складские помещения имеют большое значение в современной логистике. Первостепенно — для перераспределения грузопотока. Именно склады дают возможность накапливать, концентрировать грузы, делая транспортировку целесообразной и эффективной. Они позволяют постоянно иметь под рукой нужные товары, отгружая их сразу же, как только от потребителей поступает заказ.

Складирование груза осуществляется на специальные устройства (стеллажи), предназначенные для хранения предметов и материалов, состоящие из многоярусных настилов, укрепленных на стойках. Современные стеллажи ориентированы для минимизации занимаемой площади и оптимизации доступа к хранимым предметам и материалам.

В зависимости от назначения стеллажи подразделяются на несколько типов:

Палетные стеллажи– это удобная и функциональная конструкция для размещения грузов на поддонах. Палетные стеллажные конструкции могут подразделяться на фронтальные (рисунок 1,а) и глубинные (рис. 1,д). Фронтальные считаются более универсальными и более удобными при работе с быстрооборачиваемой продукцией. Кроме того, фронтальные стеллажи для склада позволяют существенно повысить эффективность использования складских площадей. Глубинные стеллажи рассчитаны на оборот однородных грузов и позволяют максимально загрузить склад.

Полочные стеллажи– тип стеллажей (рис. 1,б), используемый для хранения штучного и ручной обработки на многономенклатурном складе штучной продукции: контейнеров, коробок и пр.

Передвижные стеллажи– конструкции, рассчитанные на помещения с ограниченным объемом, требующие организации системы с возможностью классификации ее содержимого. Такие стеллажные системы идеальны для различных архивов и библиотек.

Консольные стеллажиприменяются для хранения негабаритных длинномерных грузов. Размещаются подобные грузы при помощи специальной техники (рис. 1,в).

Гравитационные стеллажи- специальный тип палетных стеллажей, снабжённый специальными роликовыми дорожками, наклонёнными под небольшим углом к горизонту (3 — 5 градусов) для того, чтобы паллеты под действием силы тяжести скатывались из зоны загрузки в зону разгрузки (рис. 1,г).

Мезонины— оборудование, которое благодаря многоярусной структуре помогает максимально использовать всю площадь склада (рис. 1,е).

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рис. 1  – Типы стеллажей

 

Критерии расчета стеллажей

Актуальность расчетов на прочность сейчас ни у кого не вызывает сомнений и этот факт обусловлен потребностями современного рынка. Экономичный подход в использовании материалов при проектировании стеллажных конструкций с одной стороны и обеспечение безопасности и сохранности груза с другой стороны делают необходимыми проведения подобных расчетов.

Расчет стеллажей проводится cучетом следующих критериев:

а) Критерий прочности. При заданных расчетных нагрузках, эквивалентные напряжения, возникающие в элементах конструкции не должны превосходить расчетное сопротивление используемого материала.

σmax≤ [σ];

[σ] = σт /1.05,

где 1,05 – коэффициент надежности по материалу (СП 16.13330.2011, Таблица 3).

б) Критерий жесткости. Максимальные суммарные перемещения в конструкции не должны превосходить допускаемый предел. В п.3.5 ГОСТ 28766-90 сказано, что упругий прогиб ригеля полки от сил тяжести грузов в их нормативном значении не должен превышать 1/200 пролета этого ригеля.

fmax≤ [f];

в) Критерий устойчивости. Устойчивость идеализированной линейно упругой модели каркаса должна быть обеспечена (Куст ≥ 1.3 согласно СП 16.13330.2011, п. 4.3.2 с учетом п. 4.2.5, 4.2.6).

Также при расчете стеллажей необходимо учитывать влияние локальных эффектов, таких как местная потеря устойчивости или локальное смятие элемента конструкции.

 

Методики и подходы к расчету стеллажей

Европейская Федерация Технического Обслуживания (European Maintenance Federation, FEM) в сентябре 1995 г. завершила подготовку нормативного документа, описывающего расчет, испытания и конструкцию металлических складских стеллажей. В нем систематизированы методики расчета стеллажных конструкций и изложены требования к технологическим процессам, касающимся контроля материалов, производства, сборки и установки складских стеллажных систем, конкретизированы условия безопасности и качества, которые в обязательном порядке должны соблюдаться производителями и установщиками. Этот документ – норматив FEM 10.2.02 – все еще имеет характер предварительных рекомендаций, однако большинство европейских стран его уже одобрили и приняли в качестве действующего стандарта, который служит достижению максимального уровня безопасности работы складов.

В свою очередь в России в 1992 г. был принят ГОСТ 28766-90, устанавливающий основы расчета стальных конструкций стационарных стеллажей. Проверку прочности, устойчивости и жесткости элементов стеллажа выполняют по методике СНиП II-23-81 «Нормы проектирования. Стальные конструкции». Нормативные и расчетные нагрузки принимаются в соответствии с СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия».

Расчет по этим нормам должен включать в себя расчет НДС конструкции стеллажа. С одной стороны конструкцию стеллажа можно представить в виде упрощенной стержневой модели и провести расчет средствами «сопротивления материалов». Но для комплексного анализа конструкции, который включает в себя также расчет общей устойчивости, локальных эффектов смятия, потери устойчивости стенки или полки элемента, не обойтись без средств автоматизированного расчета с помощью программного продукта.

APMStructure3D- модуль расчета напряженно-деформированного состояния, устойчивости, собственных и вынужденных колебаний деталей и конструкций с использованием метода конечных элементов. Данный модуль входит в состав системы автоматизированного расчета и проектирования конструкций для промышленного и гражданского строительства APM Civil Engineering. Система позволяет проводить как проверочные расчеты стеллажных конструкций и оценку максимальной несущей способности, так и экспертизы обрушений стеллажей любых типов.

Расчет стеллажей может проводиться в соответствии с российскими нормами (ГОСТ 28766-90, СНиП II-23-81) и в соответствии с европейскими нормами (FEM10.2.02). Но между ними существуют несколько принципиальных отличий, заключающихся в подходах к расчету стеллажей на прочность. Эти отличия описаны ниже.

а) Задание нагрузок

Что касается нагрузок, отличия между нормами заключаются в коэффициентах надежности, которые представлены в таблице 1

Таблица 1 - коэффициенты надежности по отдельным нагрузкам

Сравниваемая величина

СНиПII-23-81

СНиП 2.01.07-85*

FEM10.2.02

EN15512

Собственный вес

1,05

1,3

Складируемый груз

1,2

1,4

Переменные нагрузки (ветер, снег)

1,4

1,5

Коэффициент для сочетания нагрузок

0,9 - 0,95

0,9

Коэффициент надежности по материалу

1,05

1,0

Как видно из таблицы 1 значения коэффициентов надежности по нагрузкам в евронормах выше, чем значения тех же коэффициентов в российских нормах. Следовательно, расчет по европейским нормам дает меньшие значения коэффициентов запаса прочности и устойчивости конструкции (рис.2).

 

а) по СНиП

б) по EN/FEM

Рис. 2 Карта распределения эквивалентных напряжений в металлоконструкции

 

б) Эффективная площадь поперечного сечения. Учет локальной потери устойчивости

 

Существенный  интерес  представляют  собой  изгибаемые тонкостенные перфорированные профили (рис. 3), в которых потеря местной устойчивости в полке или в стенке наступает до общей потери устойчивости в наиболее нагруженных элементах. Проверка прочности и устойчивости стоек и балок с подобным сечением производится с использованием геометрических характеристик эффективной  площади  поперечного  сечения (Aeff, Ieff, Weff) рассчитанных без учета сжатых участков пластин, для которых местная устойчивость  не  обеспечена. При  определении  эффективных площадей сечения сжатой и растянутой полок  балки  необходимо  также учитывать  эффект сдвигового запаздывания.

Учет эффективной площади сечения в российских нормах не предусмотрен. Учесть эффективную площадь сечения можно по еврокоду, однако данная методика представляет собой весьма трудоемкий ручной расчет и для некоторых типов сечений даже невозможна. Одной из альтернатив, позволяющей учесть явление локальной потери устойчивости, является моделирование  элементов стоек с помощью пластин (рис.4) и дальнейший анализ устойчивости. Согласно п. 9.2.4 EN15512 открытые тонкостенные профили под действием сжимающей нагрузки подвержены локальной (местной) потери устойчивости, а также потери устойчивости формы поперечного сечения (рис. 5).

Рис. 3 - Стойка стеллажа

Рис. 4 – Пластинчатая модель стойки стеллажа

Рис. 5 - Формы потери устойчивости элемента стойки

в) Расчет прогибов палетной балки

Расчет согласно СНиП II-23-81 проводится для балки с шарнирным опиранием. Коэффициент надежности по нагрузке равен 1,2.

Согласно EN15512/ FEM10.2.02 расчет проводится с учетом полушарнирного опирания (в этом случае задается жесткость соединения балки). Коэффициент надежности по нагрузке в этом случае равен 1,4. Расчетные схемы представлены на рис. 6.

Расчет палетных балок в соответствии с евронормами показывает более высокие значения коэффициентов запаса прочности и меньшие суммарные перемещения (рис.8).

а)

б)

Рис. 6 Расчетные схемы: а) по СНиП; б) по EN/FEM

Рис.  7 Эпюра изгибающего момента в балке: а) по СНиП; б) по EN/FEM

а)

б)

Рис. 8 - Карта распределения перемещений в полке USUM, мм а) по СНиП; б) по EN/FEM

Экспертиза обрушения - возможные причины

Обрушение стеллажей – явление нередкое. Обычно владельцы складов такие ЧП стараются не афишировать. Причиной обрушения, как правило, является несоблюдение требований по безопасной эксплуатации стеллажного оборудования.

В большинстве случаев обрушения складских стеллажей причиной является неправильная работа операторов напольной техники. 

Менее распространенной причиной обрушения является перегруз стеллажа. Здесь существует два варианта, либо перегруз произошел случайно (неправильно указан вес груза, ошибка оператора или диспетчера и т.д.), либо заявленная несущая способность не соответствует фактической. В таких случаях требуется квалифицированная независимая экспертиза, которая позволит выявить причину произошедшего.

Выполняя требования по своевременной идентификации поврежденных элементов стеллажного оборудования и их замены,а такжетребования по контрольной затяжке болтовых соединений, можно уменьшить риск возникновения обрушений. Также особое внимание следует уделять проверке наличия аттестаций стеллажного оборудования во время эксплуатации и наличия протоколов испытаний стеллажной системы (протоколов проверки несущей способности в соответствии с документацией поставщика стеллажной системы).

В последнее время случаи обрушения стеллажей значительно участились. Это связано как просто с существенным увеличением складских мощностей и, как следствие, объемов стеллажного оборудования, так и с устареванием оборудования (в России эксплуатация стеллажей происходит в среднем 3 – 8 лет, как правило, даже без минимального технического обслуживания).

Рис. 9 - Примеры потери работоспособности стеллажных конструкций

Рис. 10 - Примеры потери работоспособности стеллажных конструкций

Определение причины обрушения стеллажей осуществляется путем проведения экспертизы. Система APMCivil Engineering – инструмент, позволяющий проводить экспертизы подобных обрушений и устанавливать их причины.

© ООО НТЦ "АПМ" 2017. Все права защищены
Создание сайтов
Студия дизайна «Веб-Арена»