在设计货架里最重要的一环, 仓储货架安全结构,怎样保证货架在使用安全呢?
安全系数(factor of safety)是工程结构设计方法中用以反映结构安全程度的系数。 安全系数的确定需要考虑荷载、材料的力学性能、试验值和设计值与实际值的差别、计算模式和施工质量等各种不定性。 安全系数涉及工程的经济效益及结构破坏可能产生的后果,如生命财产和社会影响等诸因素。
要说清楚这个还真不简单。 首先我们先来看看安全系数的两大体系:分项系数法和安全系数法。
分项系数法
分项系数法是指把货架自重、托盘重以及各种活荷载分别都乘以一个加载系数,如货架自重加载系数1.2、托盘重加载系数1.4等,然后把这些加过系数的重量加载到货架上,计算出一个构件的实际应力,最后用材料的许用应力与算得的实际应力进行对比,只要实际应力小于许用应力,即可符合设计要求。 举例说明,一个货架,5层横梁,每层2吨,每个立柱片受到的实际荷载是:5*2=10吨,再考虑货架自重,假设单个立柱片+横梁的重量为500kg,则每个立柱片受到的实际最大荷载是10.5吨。但使用分项系数法时,不是按照10.5吨来计算货架,而是要按照1.2*0.5+1.4*10=14.6吨来计算,如果有一种立柱片最大临界荷载为16吨,那么14.6<16,这个设计是合格的。
安全系数法
安全系数法相当于所有的单项荷载系数全部取1.0甚至是更低的系数,然后把这些的无系数的荷载加载到货架上,计算出一个构件的实际应力,最后材料的许用应力与实际应力的比值,需要大于某个值,比如1.4,这个就是安全系数。
举例说明,还是上面的那个货架,5层横梁,每层2吨,每个立柱片受到的实际最大荷载是10.5吨。使用安全系数法时,立柱片就按照实际荷载10.5吨来设计,如果有一种立柱片最大临界荷载为16吨,那么这个立柱片不能直接使用16,而是要按照16/1.4=11.4吨来使用,10.5<11.4,这个设计是合格的。
两者区别
看到这里,感觉这两种方法就像文字游戏,不过是一个把系数加在前面,一个把系数加在后面,没太大区别。其实这两者之间最大的区别并不在系数加在前还是后,上面的例子由于荷载种类少且过于简单所以感觉不到太大区别,实质上其本质区别在于到底是1个单一的系数还是一组系数。
安全系数法采用了一个单一的安全系数来确定结构的可靠程度,而分项系数法,是把结构中各种分项荷载划分得更细更清楚,不同的单项荷载加载不同的系数,更为合理一些。
安全系数取多少
当采用分项系数法时,是没有单一安全系数这个概念的,如果业主问了这个问题,你们的货架安全系数多少啊?我们只能以权重最大的货物托盘荷载的分项系数1.4作为静态安全系数,但如果业主又要问地震时或风力下的安全系数,这个就比较难估算了。我们以地震工况为例,货架自重、货物重和地震作用的分项系数分别是1.2、1.2和1.3,第一个1.2是货架自重的系数,考虑到货架自重较小,可忽略,但是第二个1.2是货物重的系数,第三个1.3是地震作用的系数,都是重要的不可省略的,那么安全系数到底是1.2还是1.3呢?提1.2不安全,提1.3就保守了,至于1.2和1.3之间的某个值,由于货物重和地震作用没有直接比例关系,无法插值,所以难以提供准确的安全系数值。而且抗震设计还有强度及稳定性修正系数,实际安全系数应该在1.0左右,更是不好解释。
那么为什么我们非要用分项系数法呢?不是有安全系数法可以用么?
那么回答就是:我们国家的结构荷载规范只有分项系数法,建筑结构荷载规范GB50009使用的是分项系数法,所以我们货架领域GB/T28576,CECS23:90等也采用分项系数法,此外欧洲也是使用分项系数法。因为没有安全系数可以用,所以才使用了分项系数法。
因此再碰到问货架安全系数的问题,如果说静态安全系数,可以勉强的用货物重的系数1.4来答复。为什么是1.4,目前世界上主流货架设计规范来自中国、欧洲、美国三地,这三种规范对货架的各种荷载安全系数要求有相同之处,也有不同之处,但对货物重这一静态最高权重的分项系数来说,中国、欧洲、美国均为1.4,故取1.4。但这仍是不准确的回复方式,最完美的回答还是给业主讲清楚分项系数法及安全系数法的区别,否则用一个体系的内容去解释另一个体系,是无法得到准确的回答的。
注:结构领域的安全系数法(许用应力法)主要是美国在采用,称之为ASD法,同时美国也同样使用分项系数法,称之为LRFD法。
美国建筑荷载规范ASCE7-10
总的来说,在美国建筑荷载规范中,有安全系数及分项系数两种体系,安全系数法比分项系数法略偏保守一点。
安全(分项)系数到底是什么
虽然说前面介绍了两种方法来解释安全系数和分项系数的区别,但我们自己经常也会有疑问,为什么要加这个系数?这个问题与业主经常问的另一个问题本质是一样的,这个问题是:如果说货架静态安全系数是1.4,是不是说可以放1.4倍重的货物?
先说结论,不可以。
现有标准的结构设计都是采用以概率理论为基础的极限状态设计法,这个概率计算,就是以结构的失效概率来确定结构的可靠度。安全系数也好,分项系数也好,都是根据工程实践由统计概率进行确定的,比较拗口,通俗的来理解就是可靠度的概念,是系统不出现问题的几率。再通俗一点,打个不太准确但是好理解的比方,货架如果有1.4系数,系统不出问题的概率可能是99.9%,如果1.2系数可能就只有99%,而1.0系数可能就只有90%了,结构出问题的几率大大增加,这在工程设计中是不允许的。
为什么会出现这样的情况?安全系数、分项系数是综合考虑了计算荷载及应力准确性、构件工作重要性、材料的可靠性以及必要的生产安装缺陷等因素,其中每一项都可能出现理论与实际不符合的情况,影响构件的实际强度,为了给货架安全使用留出安全裕度,这个系数是不可折减的,一旦折减,整个系统出现问题的几率就会大大增加,注意是出问题的几率大大增加,而不是一定会出问题,但是经过工程界多年的实践经验,一旦出现事故,后果都是不可承受的,系统的可靠度要求需要保持在一个很高的位置上。
以前有个货架界非常流行的视频,一排货架被叉车撞击了一下,结果造成连锁倒塌反应,整个库区的货架都毁于一旦,这样的货架就是安全系数不够导致的,立柱受力已经处于接近临界的状态,或者安全系数较低的状态,受到外力时,立柱受损,承载力下降,一旦下降到了低于临界状态,则会发生崩塌,如果该货架的安全系数较高,则不会存在损坏一根立柱导致整个货架连锁倒塌的状态。
总结安全系数或分项系数是保证货架安全所必不可少的,两者目标一致,但实现方式不同,最好不要混为一谈,否则会存在一些理解上的偏差。在国内, 通常采用分项系数法。
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