Момент опрокидывания. Фундамент: расчет возможного опрокидывания

Представить себе опрокинутый фундамент частного дома достаточно сложно. Естественной причиной, по которой возможно опрокидывание небольшого дома, является ветер огромной силы, способный за счет парусности строения опрокинуть его набок. Например, как одиноко стоящую сосну, у которой нет фундамента, но вместо него есть корни.

Рис. 1. Варианты возможных поворотов и смещений фундамента: а — осадка с поворотом, б — осадка с поворотом и смещением, в — сдвиг по подошве.

Какой расчет необходим для основания дома?

Исходя из прямого назначения, которое состоит в равномерной передаче нагрузки сооружения на грунт, необходимо выполнить расчет ширины его опорной части и ее прочность.

Для этого необходимо определить вес сооружения, включая и собственный вес основания.

В расчет на прочность фундамента должны войти и снеговые нагрузки, передающиеся на него от кровли в зимнее время, и вес всего, что будет смонтировано и внесено внутрь помещения (отопительная система, водоснабжение, канализация, мебель и т. п.).

Ветровые нагрузки на невысокое здание в на прочность не включают. Эти нагрузки учитывают, когда выполняют расчет на прочность такого элемента кровли, как мауэрлат, с помощью которого через стены они передаются на основание дома.

На рис. 1 показаны варианты возможных поворотов и смещений фундамента: а) осадка с поворотом, б) осадка с поворотом и смещением, в) сдвиг по подошве.

Рис. 2. Неправильный расчет прочности фундамента может привести к опрокидыванию всего сооружения.

На мелкозаглубленное основание в зимний период действуют выталкивающие силы, возникающие в результате пучения грунта. Неравномерное распределение этих сил и может привести к потере устойчивости фундамента, показанное на изображении, особенно в том случае, если по каким-либо причинам на основание не было возведено строение. Чтобы в этом случае исключить потерю устойчивости, грунт необходимо защитить от промерзания.

Если произошла потеря устойчивости, когда строительство дома было закончено, следует искать ошибки при расчете требуемой прочности. Но это все же не должно было привести к опрокидыванию всего сооружения, как это показано на рис. 2. Изображен небольшой дом, опрокидывание которого произошло не потому, что не был выполнен соответствующий расчет фундамента. При определении размеров основания и его заглубления, не были учтены физические свойства грунта (на изображении видно, что это песчаный грунт).

Вернуться к оглавлению

Нужен ли расчет основания частного дома на устойчивость?

Фундамент, который под действием внешних сил не опрокинется, не сдвинется в горизонтальной плоскости вместе с грунтом, считают устойчивым. На устойчивость рассчитывают фундаменты таких ответственных элементов, как опоры мостов, заводских труб и т. п.

В отличие от заводских труб расчет фундамента частных домов на опрокидывание можно не выполнять. И причина в том, что эти дома имеют сравнительно небольшую высоту. Если у заводской трубы центр тяжести и равнодействующая силы ветра находятся на значительной высоте от фундамента, в результате чего может образоваться момент достаточный для нарушения устойчивости, то для низкого строения, расчет по этому фактору просто не нужен.

В частном секторе в настоящее время также появляются отдельные строения, которые требуют расчетов их оснований на такое воздействие. Например, ветровые генераторы. На рис. 3 представлен 1 из вариантов основания для такого генератора. Следует обратить внимание на глубину заложения основания. Она явно превышает глубину промерзания грунта. Остальные же размеры на изображении 3 могут служить только для ориентирования и могут отличаться от фактических размеров. Высота вышки — Н В, для надежной работы генератора, зависит от местности, но в среднем ее можно считать равной 20 м.

Вернуться к оглавлению

Определение опрокидывающего момента

Рис. 3. Схема основания ветрового генератора.

На рис. 4 приведена расчетная схема с указанием сил, действующих на фундамент. Основным фактором, создающим опрокидывание, является момент M U , а основным препятствием этому является сила F U . Именно эта составляющая препятствует потере устойчивости.

Равномерно распределенная нагрузка Р представляет собой реакцию грунта на действие силы F U . Сила Q r оказывает влияние на сдвиг в горизонтальной плоскости. При расчете на сдвиг большое значение имеет коэффициент трения кладки по грунту. Для расчета на опрокидывание эту силу не учитывают

Для определения опрокидывающего момента M U необходимо знать скорость ветра и площадь сооружения, на которую он воздействует (парусность). Чтобы обеспечить работу ветрового генератора, необходима минимальная скорость, равная примерно 6-8 м/с. Однако, необходимо учесть, что скорости ветра могут быть значительно больше, поэтому следует рассчитывать на максимально возможную в данном районе скорость. Например, при скорости ветра 10 м/с давление составляет 60 Н/м 2 , а при скорости 50 м/с это давление составит 1500 Н/м 2 . В таблице № 1 приведены значения, по которым, зная максимальные скорости ветра, можно определить его давление.

Таблица № 1.

Зная скорость ветра V и площадь лопастей S Л, по таблице 1 определяем соответствующее давление и по этой площади вычисляем силу Р Л, приложенную к краю вышки, то есть на расстоянии Н В от поверхности земли. С учетом глубины h, на которой расположена подошва основания, плечо составит:

Ветер будет действовать и на вышку по всей ее длине. Для определения площади, вначале определим среднее значение ширины вышки, L СР

Рис. 4. Схема сил, действующих на фундамент.

L СР = (L В +L Н)/2, где

L В -ширина вышки в верхней ее части;
L Н — ширина вышки у основания.

Определим площадь вышки, нормальную к направлению ветра:

S В = Н В × L СР,

и теперь определим общую нагрузку Р В как произведение площади S В на значение давления из таблицы 1. Эта сила будет приложена посредине высоты вышки.

Теперь можно определить опрокидывающий момент.

М U = Р Л ×H+ Р В ×(Н В /2+h)

Несмотря на большое разнообразие конструкций электродвигателей, совершенно ясно, что принцип их работы всегда один и тот же. Переменное электромагнитное поле, создаваемое статорной обмоткой или обмоткой возбуждения, вступает во взаимодействие с электрическим током, проходящим в цепи ротора или в якорной цепи.

Взаимодействие поля и тока формирует электромагнитный момент, который и приводит во вращение рабочий вал двигателя. Чтобы убедиться в общности принципов работы, достаточно взглянуть на рабочие участки механических характеристик асинхронного двигателя (АД) и двигателя постоянного тока (ДПТ) параллельного или независимого возбуждения.

Это совсем разные электрические машины, но сходство характеристик может показаться удивительным. Есть лишь несколько «но». Например, в характеристике АД имеется точка, соответствующая «моменту опрокидывания». Эта точка соответствует пределу нагрузочных способностей двигателя – больше этого момента он развить не может.

В то же время, характеристика ДПТ не имеет никаких критических точек. Скорость вращения его вала просто линейно уменьшается по мере увеличения нагрузки вплоть до полной остановки при «запредельном» значении момента сопротивления.

Кстати, именно для того, чтобы исключить работу ДПТ при таких больших нагрузках, для них часто формируется так называемая «экскаваторная» искусственная характеристика, предполагающая отсечку по току якоря.

Но почему же у АД отсечка по моменту фактически имеется уже в естественной характеристике? Почему наперекор общим принципам работы, в характеристике этого двигателя имеется такой странный провал?

Все дело в особенностях работы в цепи переменного тока. Ведь электромагнитный момент создается не просто при взаимодействии поля статора и тока ротора.

В процессе участвует не весь ток, а только его активная составляющая, то есть та, которая совпадает по фазе с ЭДС ротора. Реактивная же составляющая не создает никакого момента, попусту нагружая роторную цепь.

Интересно то, что взаимное соотношение величин этих составляющих непостоянно по мере пуска двигателя . Величина реактивной составляющей зависит от реактивного (индуктивного) сопротивления ротора. Чем больше индуктивное сопротивление, тем более реактивным является ток, тем больше сдвиг фаз между ним и ЭДС.

Соотношение, позволяющее определить индуктивное сопротивление, известно давно:

X=2πfL;

Параметр L (индуктивность цепи) здесь является неизменным. Иное дело – частота f . В роторной цепи она достигает максимальной величины в первый момент пуска, когда ротор неподвижен. Это 50 герц, частота сети.

При этом, поскольку частота максимальна, то и реактивная составляющая тока достигает своего максимума. При этом момент, конечно, не особенно велик по причинам, о которых мы говорили выше. Таким образом, получается, что при больших пусковых токах любой АД обеспечивает посредственный пусковой момент.

По мере разгона ротора частота тока в нем снижается из-за того, что снижается относительная скорость вращения электромагнитного поля. Снижается и реактивная составляющая тока ротора, а это приводит к тому, что при относительно малом токе двигатель может развить больший момент.

По достижении током частоты в несколько герц двигатель выходит на рабочую характеристику и достигает подсинхронной скорости вращения. Но при увеличении нагрузки до момента опрокидывания скорость снова снизится до такой степени, что реактивная составляющая тока ротора начнет преобладать.

Это приведет к тому, что при растущем токе момент двигателя уже не сможет повышаться и двигатель встанет в режиме короткого замыкания.

Наличие реактивной составляющей в токе роторной цепи – это причина главного отличия между характеристиками ДПТ параллельного возбуждения и АД.

При решении задач на опрокидывание рассматривается та предельное положение, в котором тело находится в состоянии неустойчивого равновесия, т. е. когда оно готово перейти из состояния покоя в движение. Всякое незначительное изменение элементов конструкции или сил, действующих на эту конструкцию, ведет к опрокидыванию (вращению) конструкции вокруг некоторой оси, называемой осью опрокидывания, перпендикулярной плоскости чертежа. Условием равновесия такого тела (конструкции) является равенство нулю суммы моментов относительно точки пересечения оси опрокидывания с плоскостью чертежа всех заданных (активных) сил, действующих на тело:

При составлении уравнения следует помнить, что реакции опор в это уравнение не входят, так как при предельном положении конструкция опирается только на те опоры, через которые проходит ось опрокидывания. Величины, которые при этом определяются из уравнения имеют критические (максимальные или минимальные) значения и для обеспечения запаса устойчивости должны быть при конструировании соответственно уменьшены (те, для которых найдено максимально возможное при равновесии значение) или увеличены (те, для которых найдено минимально возможное при равновесии значение).

Часть активных сил, действующих на тело, создает пары, которые стремятся опрокинуть тело. Сумма моментов таких сил, относительно оси опрокидывания называется моментом опрокидывания:

Другая часть активных сил создает пары, которые стремятся возвратить тело в первоначальное положение.

Сумма моментов таких сил относительно оси опрокидывания называется моментом устойчивости:

Отношение абсолютного значения момента устойчивости к абсолютному значению момента опрокидывания называется коэффициентом устойчивости:

Задача 15. Водонапорная башня состоит из цилиндрического резервуара высотой диаметром укрепленного на четырех симметрично расположенных столбах, наклонных к горизонту (рис. 48). Дно резервуара находится на высоте над уровнем опор; вес башни давление ветра рассчитывается на площадь проекции поверхности резервуара на плоскость, перпендикулярную к направлению ветра, причем удельное давление ветра принимается равным Определить необходимое расстояние между основаниями столбов.

Решение. 1. Рассматриваем равновесие водонапорной башни (рис. 49). Так как требуется определить критическое значение расстояния между основаниями столбов, а именно то считаем, что башня находится в состоянии неустойчивого равновесия, т. е. при малейшем уменьшении этого расстояния башня опрокинется под действием ветра, вращаясь вокруг шарнира А против направления движения часовой стрелки.

Следовательно, в положении неустойчивого равновесия нужно считать, что башня опорами В только касается земли, но не давит на землю,

2. Изображаем активные силы, действующие на башню. Сила вес башни и сила давление ветра на резервуар.

Нанесение плёнки на материал заказчика

Бейсболка

МАГНИТЫ и брелоки

КЕРАМИЧЕСКАЯ И МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОСУДА

Футболки

· В стоимость входит футболка.

· Цены приведены за 1 прижатие пресса, каждое последующее прижатие 100 рублей.

· Цены приведены за 1 прижатие пресса, каждое последующее прижатие 100 рублей.

· На материале обязательно должен быть ярлычок с составом ткани (для лучшего нанесения подходит 100% х/б ткань)

Для того, чтобы определить силы, действующие на элементы зубного ряда, нижняя челюсть рассматривалась в предыдущем разделе, как рычаг. Одиночный зуб с биомеханической точки зрения тоже можно рассматривать как рычаг с осью вращения (точкой опоры), расположенной, примерно, в средней трети корня. Нагрузка, возникающая при обработке пищи, обычно действует вдоль или под углом к вертикальной оси зуба. Она может при­вести к вертикальному смещению зуба или оказать опрокидывающее дейс­твие на него. Рассмотрим последнюю ситуацию. Сила F (рис.4) создает вращающий момент М=F×H 1 относительно оси, проходящей через точку О перпендикулярно плоскости рисунка. Именно этот момент может оказать "опрокидывающее" действие на зуб, то есть при повороте вокруг оси вы­вернуть зуб из альвеолярной лунки, если ткани периодонта не смогут его удержать. Зуб не меняет своего положения, если момент силы реакции этих тканей будет равен моменту силы F .

Рис. 4 Формирование опрокидывающего момента при действии вертикальной нагрузки на зуб

В практической стоматологии принято различать анатомическую и клиническую коронки зуба. Анатомическая коронка - это часть зуба, пок­рытая эмалью, клиническая - часть зуба, выступающая над десной, она мо­жет включать в себя анатомическую коронку и часть корня (рис.4, правая часть). С возрастом, вследствие атрофии десны, обнажается часть ко­рня, увеличивается клиническая коронка, ось вращения располагается ни­же, чем у нормального зуба (теперь она проходит через точку О 1 .), уве­личивается плечо действующей на зуб силы (вместо Н 1 −Н 2 на рис.4). Это приводит к росту "опрокидывающего" момента (здесь М=FН 2) и увеличению вероятности травмирования и потери зуба.

Общие сведения об устойчивости крана

Устойчивость – это способность крана противодействовать опрокидывающим его моментам от силы тяжести поднимаемого груза, ветровой нагрузки, собственного веса элементов крана, динамических нагрузок и уклона.

Устойчивость крана определяют для наиболее неблагоприятных условий его работы.

Ребро опрокидывания – линия, относительно которой может произойти потеря устойчивости.

При проверке устойчивости определяют коэффициент устойчивости машины и сравнивают его с допустимым значением.

М в – восстанавливающий момент

М опр – опрокидывающий момент.

Для кранов определяют грузовую и собственную устойчивость машины и сравнивают ее с допустимыми значениями при подъеме максимального груза с учетом всех допустимых воздействий (уклон, ветер, инерция).

К у 1,15 (с учетом всех нагрузок)

К у 1,4 (с учетом основных нагрузок)

Расчет устойчивости производится для следующих случаев: при работе крана с грузом (грузовая устойчивость), нерабочего состояния (собственная устойчивость), внезапного снятия нагрузки с крана (обрыв груза), монтажа (демонтажа) крана.

Грузовая устойчивость – способность крана при работе противостоять действию всех внешних нагрузок, стремящих опрокинуть его в сторону стрелы.

Собственная устойчивость – способность крана в нерабочем состоянии противостоять действию нагрузок с учетом наклона пути и силы ветра, стремящегося опрокинуть кран в сторону, противоположную стреле.

Для характеристики устойчивости крана применяют коэффициенты грузовой К гр и собственной К соб устойчивости, определяемые по правилам и формулам.

Грузовую устойчивость проверяют как для максимального, так и для минимального вылета.

Собственную устойчивость кранов с маневровым изменением вылета контролируют при положении стрелы на максимальном вылете.

Устойчивость кранов с установочным изменением вылета устанавливают для положения, когда стрела поднята до минимального вылета.

Правилами Госгортехнадзора предписывается по окончании работы закрепить краны противоугонными устройствами за рельсы. При этом усилие от закрепления за рельсы при расчете собственной устойчивости не учитывается. Оно идет в запас устойчивости крана.

1. Ознакомиться с общими сведениями об устойчивости машин.

2. Определить удерживающий (восстанавливающий) момент крана.

3. Определить опрокидывающие моменты:

От груза

От сил инерции, возникающих при подъеме груза

От силы ветра, действующей на кран

От силы ветра, действующей на груз

От сил инерции, возникающих при движении крана с грузом.

4. Определить устойчивость крана, работающего на горизонтальной площадке при участии только основных нагрузок.

5. Определить грузовую и собственную устойчивость крана

6. Сделать выводы.

7. Ответить на вопросы теста.

Методика расчета:

Определение удерживающего момента, Нм

М в = G кр ((b+c) cos a – h 1 sina ),

где G кр – вес крана, Н. (G = m g)

b – расстояние от оси вращения крана до ребра опрокидывания, м

с – расстояние от оси вращения до центра тяжести крана, м

h 1 – высота центра тяжести, м

α – угол наклона крана, град

2. Определение опрокидывающих моментов, Нм

Момент от груза:

М гр = G гр (а – b),

где G гр – вес максимального рабочего груза, Н

а – расстояние от точки подвеса до оси вращения, м

М гр =

Момент от сил инерции, возникающих при подъеме груза:

М гр ин = G гр (а – b) ,

Где V – скорость подъема (опускания) груза, м/с

t – время неустановившегося режима работы, с

М гр ин =

Момент от силы ветра, действующей:

на кран: М в кр = F в кр Н,

М в кр =

на груз:М в гр = F в гр Н 1 ,

М в гр =

Где F в – сила ветра, действующая на кран (груз), Н

F в = p K a K p S,

р – давление ветра, Н/м 2

К а – коэффициент аэродинамического сопротивления

К а = 1,4 - для решетчатого тела (кран)

К а = 1,2 – для сплошного тела (груз)

Н и Н 1 – плечи ветровой нагрузки на кран и груз, м

К р – коэффициент решетчатости

К р = 1 – для сплошного тела (груз)

К р = 0,3 – 0,4 – для решетчатого тела (кран)

S – подветренная площадь крана (груза), м 2

F в кр = р К а К р S кp =

F в гр = р К а К р S гр =

F´ в кр = р´ K a K p S кp =

Момент от сил инерции, возникающий при движении крана с грузом:

М гк = h + h 1 ,

где V 1 – скорость передвижения крана, м/с

t 1 – время неустановившегося режима работы крана, с

h 1 – высота центра тяжести крана, м

h – расстояние от опорной поверхности до точки подвеса груза, м

М гк =

Момент от центробежных сил, возникающих при вращении поворотной части. М ц – пренебрегаем.

3. Определяем устойчивость крана, работающего на горизонтальной площадке при участии только основных нагрузок:

К у1 = ≥ 1,4

K y 1 = ≥ 1,4

4. Определяем грузовую устойчивость крана:

≥ 1,15

М опр = М гр + М гр ин + М гк + М в кр + М в гр =

K y 2 = ≥ 1,15

Условие выполняется (не выполняется)

5. Определяем собственную устойчивость:

К у3 = ≥ 1,15

K y 3 = ≥ 1,15

Условие выполняется (не выполняется)

Вывод: (отразить возможные пути повышения устойчивости крана, особенно в случае, когда не выполняется хотя бы одна проверка).

Исходные данные для расчёта

Параметры	Номер варианта
Марка крана	КБ-100.32	КБ-200.40	КБ-260.60	КБ-400.50	КБ-125.40	КБ-160.40	КБ-630.80	КБ-1	КБ-2	КБ-3	КБ-4	КБ-5	КБ-6	КБ-7	КБ-8
Масса груза, т
Масса крана, т
Угол наклона площадки, α ˚			1,5	1,5							1,5	1,5	1,5
Высота центра тяжести, h 1 ,м
Расстояние от оси вращения крана до ребра опрокидывания, b, м	1,2	1,5	1,65	1,9	1,2	1,3			1,2	1,2	1,4	1,7	1,8
Расстояние от оси вращения до центра тяжести крана, с,м	0,08	0,1	0,13	0,15	0,09	0,1	0,15	0,05	0,07	0,07	0,09	0,12	0,14	0,15	0,15
с´, м	0,4	0,45	0,6	0,8	0,4	0,43	0,8	0,3	0,4	0,4	0,5	0,7	0,8	0,8	0,95
Расстояние от оси вращения крана до точки подвеса груза, а, м
Плечи ветровых нагрузок, действующих: – на груз, Н 1 , м
– на кран, Н=Н 2 , м
Скорость подъёма груза, V, м / мин
Время неустановившегося режима работы, t = t 1 , c
Подветренная площадь: – крана, S кр, м 2
– груза, S гр, м 2
Давление ветра, р, Па: – для схемы «а» - р
– для схемы «б» - р΄
Расстояние от опорной площадки до головных блоков стрелы,h, м								21ё
Скорость передвижения крана, V 1 , м / мин

Методика расчёта