Deflection Limits For Crane [PDF]

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8. Deflection Limits Limits are imposed in AS 1418.18 on vertical and lateral deflections of the runways for the purpose of obtaining satisfactory service performance of the crane. The following deflection limits for runways and monorails under serviceability loads, using dynamic factors of 1.0: Vertical deflection due to the maximum wheel loads and level supports: ∆ z = L∕500

but not more than 60 mm (L/300 for cantilevers)

Vertical settlement plus axial shortening of a support column: ∆ z = L∕1000

but not more than 10 mm

Lateral deflection of the top flange of a top running crane, measured from the chord: ∆ ty = L∕600

but not more than 20 mm

Lateral deflection of the bottom flange of a monorail beam (author’s additional recommendation): ∆ by = L∕500

but ≤ 20 mm

Differential lateral deflection between two neighbouring frames (authors recommendation) *: ∆ fy = L∕600 * this is necessary to prevent damage to crane from raking. L∕600

Lc

L∕500

L c∕300∕60 max

(a) Vertical deflection limits L/1000 but < 10 mm

Plan View

L c∕300

(c) Horizontal deflection on crane runway

L/500 but < 20 mm Axial shortening

Settlement

(b) Column top displacement limit

43

(d) Horizontal deflection of a monorail beam

Crane Runway Girders -- Limit States Design

L Lb /1000 Lb

L / 600

(f) Frame raking deflection

(e) Cross slope

Fig 28.

Deflection limits

It should be borne in mind that, while the above deflection limits may appear quite stringent, the deflections and constructive deviations can be, and often are cummulative. For example if the lateral deflection of the top flange were +10 mm, and if the construction sweep tolerance were +6 mm and crane rail eccentricity were +5 mm, the differential displacement could amount to 42 mm. The crane wheel flange clearance provided by the crane manufacturer may be only 10 mm and thus it is easy to see why crane wheel flanges and threads are can bind. Excessive lateral meandering of the crane rail is a reality in many installations. Rigby, ref 71, and Wilyman, ref 87 provide results of an alignment survey showing alignment deviations of up to 40 mm.

∆r

=

eccentricity of rail head

Rail misalignment

∆r Lb + 2 ∆r ∆r

Section of One Beam and Rail

Fig 29.

44

Plan of two crane runway girders Rail meandering in practice

Crane Runway Girders -- Limit States Design

Crane Runway Girders Limit States Design Second Edition 2003

AUSTRALIAN STEEL INSTITUTE (ABN)/ACN (94) 000 973 839

Branko Gorenc

Contents

1.

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

2.

Runway & Crane System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 3.

Crane types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Crane runway girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monorail beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Building columns and frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 5 7 8

Classification of Cranes and Runways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 4.

Reason for crane classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Utilisation Class – Global design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Local Utilization class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiple Cranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Structural Class v/s Group Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Duty Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 9 10 10 11 11

Crane Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 5.

Load determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Load combinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamic factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Long travel acceleration forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wind on crane and hoisted load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Buffer impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oblique travelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Approximate load determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 12 14 14 15 16 16 17

Structural Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 6.

Global load effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analysis for global loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Curved monorail beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Girder cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 19 22 22

Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7. 6.8. 6.9. 6.10. 6.11.

Design for strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Torsion Capacity by rigorous method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lateral stability of the runway girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Box Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Design for fatigue resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Local load effects in the top flange region . . . . . . . . . . . . . . . . . . Web stiffeners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lateral restraints at columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . End stops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monorail beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Crane Runway Girders - Limit States Design

24 25 25 26 26 27 27 33 34 35 36 iii

7.

Design for Fatigue Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. 7.2. 7.3. 7.4.

40

General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stress analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Number of stress cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fatigue Verification by AS 4100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40 40 41 42

8.

Deflection Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

9.

Detail Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7. 9.8. 9.9.

Detailing practices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bolted connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welded joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Splices in simply supported runways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Avoidance of lamellar tearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Web stiffeners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . End bearing stiffeners and bearing details . . . . . . . . . . . . . . . . . Crane columns and corbels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Longitudinal Bracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45 45 45 46 46 47 48 50 51

10. Rails and Accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

10.1. 10.2. 10.3. 10.4.

Rail splices and expansion joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rail fixings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resilient bedding strips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Painting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52 53 54 54

11. Materials, Fabrication, Workmanship and Tolerances . . . . . . . . . . .

55

11.1. 11.2. 11.3. 11.4.

Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Workmanship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welding top hat sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55 55 56 56

12. Inspection and Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

13. Numerical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

14. Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

15. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

Crane Runway Girders - Limit States Design

iv

List of Figures

Fig 1. Fig 2. Fig 3. Fig 4. Fig 5. Fig 6. Fig 7. Fig 8. Fig 9. Fig 10. Fig 11. Fig 12. Fig 13. Fig 14. Fig 15. Fig 16. Fig 17. Fig 18. Fig 19. Fig 20. Fig 21. Fig 22. Fig 23. Fig 24. Fig 25. Fig 26. Fig 27. Fig 28. Fig 29. Fig 30. Fig 31. Fig 32. Fig 33. Fig 34. Fig 35. Fig 36. Fig 37. Fig 38. Fig 39. Fig 40. Fig 41. Fig 42. Fig 43. Fig 44.

Types of overhead running cranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Types of crane drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Runway Static System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monorail beam and cranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relation between building frame and the runway . . . . . . . . . . . . . . . . . Inertial forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Buffers and Buffer impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oblique travel forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Crane wheel loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frame / runway relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bending moment envelope and influence lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Global analysis for vertical and torsional loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Curved monorail beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Types of cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ’Top Hat’ (a) and lipped sections (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Localized effects in the top flange area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Web crushing (AS4100 method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Buckling of the web panel due to patch load acting in the plane of the web (AS 4100 method) . . . . . . . . . . . . . . . . . Transverse bending of web due to torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transverse bending of top flange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastomeric strips reduce transverse bending of flange . . . . . . . . . . . Web stiffeners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lateral movement and rotation at girder bearing . . . . . . . . . . . . . . . . . Forces on end stops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monorail bottom flange stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparison of Becker(15) vs BHP plots for Cz under the wheel load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stress range vs number of stress cycles for normal stress and shear stresses (excerpt from AS4100) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deflection limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rail meandering in practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bolted intermediate web stiffeners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welded girder splices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Web stiffener details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . End bearing stiffeners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unsatisfactory bearing details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Types of supporting columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Longitudinal Expansion due to temperature and bracing of crane columns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . More bearings and crane rail splice details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Common rail fixings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Soft bedding of rails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Welding access to ’top hat’ welds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Applied Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Section and Girder Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forces from trolley acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Crane Runway Girders - Limit States Design

3 4 6 7 8 15 16 17 18 19 20 21 22 23 23 27 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 42 44 44 45 46 47 48 49 49 50 51 53 54 54 56 58 58 59 v