Đồ án Thiết kế cửa van phẳng bằng thép theo phương pháp phân tích kết cấu thành những hệ phẳng

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG Yêu cầu: Thiết kế cửa van phẳng bằng thép theo phương pháp phân tích kết cấu thành những hệ phẳng. I/ Tài liệu thiết kế: Chiều rộng lỗ cống Lo=6.5m Chiều cao lỗ cống H=7.5m Vật liệu dùng để chế tạo cửa van là thép CT3. Kết cấu dùng liên kết hàn. Hệ số điều kiện làm việc: m=0,75 Hệ số vượt tải: np=1,1 Cường độ tính toán của thép chế tạo van: R= 0,72.2100=1512(daN/cm2) Rk=Rn=1490(daN/cm2) Ru=1565(daN/cm2) II/ Vị trí và bố trí chi tiết các kết cấu: 1.Dầm chính: - Tính lực tác dụng lên dầm chính: Lấy H=7.5(m) Lực tác dụng lên dầm chính: Ta có Vậy - Tính nhịp dầm: Chọn c= 280mm= 0,28m L=Lo+2c= 6.5+ 2.0,28= 7,06 (m) Đây là dầm tổ hợp hàn, tiết diện chữ I có: Nhịp tính toán L=7,06(m) Tải trọng tác dụng q=154,688(KN/m) Sơ đồ tính toán dầm chính: 2. Xác định sơ bộ vị trí, kích thước dàn ngang: Chọn số lượng dàn ngang là 5 Nên khoảng cách giữa các dàn ngang B=1,265(m) (Thỏa mãn B<4m) 3. Xác định sơ bộ vị trí dầm phụ: Dầm phụ được hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các dàn ngang, nó được tính toán như một dầm đơn, gối tựa là hai dàn ngang và đỡ tải trọng của bản mặt truyền đến, tại một độ sâu nhất định được coi là phân bố đều. Bố trí dầm phụ ở phía trên thưa, càng xuống sâu sẽ dầy dần vì áp lực nước tăng lên. Dầm phụ chọn loại dầm tiết diện chữ C đặt úp tránh đọng nước. Chọn và bố trí vị trí dầm chính, dầm phụ và các dàn ngang như hình vẽ sau: Vậy bố trí như trên là hợp lý. III/ Tính toán các bộ phận kết cấu: 1.Tính toán bản mặt: Trong một hàng ngang nằm giữa hai dầm phụ (i, i+1), chỉ cần tính cho một ô rồi lấy tương tự cho ô khác. Trường hợp bản mặt hàn lên dầm phụ và thanh trên của dàn ngang thì bản mặt có sơ đồ tính là bản tựa bốn cạnh. Chiều dày bản mặt xác định theo công thức sau: a là cạnh ngắn của ô k=0,75 là hệ số phụ thuộc vào liên kết P là cường độ áp lực nước tĩnh tại tâm ô đang xét R=0,72. 2100=1512(daN/cm2) n là tỷ số giữa cạnh ngắn và cạnh dài Kết quả tính toán lập thành bảng như sau: Ký hiệu ô ai (cm) bi(cm) n Pi(daN/cm2) (cm) 1 111,1 126,5 0,878 0,056 0,3 2 111,1 126,5 0,878 0,167 0,5 3 111,1 126,5 0,878 0,278 0,7 4 83,35 126,5 0,659 0,375 0,7 5 83,35 126,5 0,659 0,458 0,7 6 83,35 126,5 0,659 0,542 0,8 7 83,35 126,5 0,659 0,625 0,9 8 41,65 126,5 0,329 0,688 0,5 9 41,65 126,5 0,329 0,729 0,5 Dựa vào bảng trên đã tính được, chọn chiều dày bản mặt 2. Tính toán dầm phụ: Dầm đơn, gối tựa là hai dàn ngang, nhịp tính toán B, tải trọng tác dụng phân bố đều trên toàn chiều dài dầm là: Trong đó: pi là áp lực nước tác dụng lên dầm phụ bi là bề rộng của tải trọng tác dụng lên dầm phụ thứ i atr là khoảng cách từ dầm phụ thứ i đến dầm trên nó (i-1) ad là khoảng cách từ dâm phụ thứ i đến dầm dưới (i+1) Kết quả tính toán lập thành bảng sau: Tên dầm Pi (KN/m2) atr (m) ad(m) Mmax (daNcm) 1 11,11 1,111 1,111 1,111 12,34 13,574 27151,8 2 22,22 1,111 1,111 1,111 24,69 27,159 54325,6 3 41,665 0,8335 0,8335 0,8335 34,73 38,203 76416,7 4 50 0,8335 0,8335 0,8335 41,68 45,848 91708,9 5 58,335 0,8335 0,8335 0,8335 48,62 53,482 106979 6 70,835 0,4165 0,4165 0,4165 29,5 32,45 64909,1 Mmax= 106979(daNcm) Suy ra Wx=114,3(cm3) Vậy ta chọn dầm phụ là thép chữ C N0 18 với các đặc trưng hình học như sau: h(mm) b(mm) d(mm) t(mm) R(mm) F(cm2) 180 70 5.1 8.7 9 20.7 Jx(cm4) Jy(cm4) Wx(cm3) Wy(cm3) rx(cm) ry(cm) Sx Zo(cm) 1090 86 121 17 7.24 2.04 68.8 1.94 Kiểm tra: khả năng chịu lực của dầm đã chọn kể cả bản mặt: = .= .= 0,2.10-3 < Vậy dầm phụ đảm bảo về cường độ và độ cứng. 3. Tính toán dầm chính: a. Tính toán chọn kích thước dầm chính kể cả bản mặt tham gia chịu lực: Tính Trong đó: R=1512(daN/cm2) no=600 L=7,06m E=2,65.106 daN/cm2 qTC=140,625 KN/m q=154,688 KN/m nP=1,1 Ptc=0 P=0 Thế số liệu vào ta được: Tính Trong đó: Thế số vào ta được Chọn chiều cao bản bụng hb=100(cm) Tính Ta có biểu đồ momen M và lực cắt Q sau: Ta được Q=39136,16(daN) Rc=0,72.1300=936(daN/cm2) Vậy chọn chiều dày bản bụng δb=1cm Chọn δc =20mm=2cm Chiều cao chính xác của dầm là h=hb+2 δc =100+2.2=104(cm) hc=hb+ δc=100+2=102(cm) Vậy chiều rộng cánh là: b. Kiểm tra lại tiết diện dầm chính đã chọn: Kiểm tra cường độ: Ứng suất pháp lớn nhất xác định được: Trong đó: F=0,9.69+2.24+1.100+2.24=258,1(cm2) Thế số vào ta được: Ứng suất tiếp lớn nhất xác định theo: Trong đó: Thế số vào ta được: Kết luận: Dầm ổn định về cường độ. Kiểm tra về độ cứng (độ võng): Trong đó: qTC=140,625(daN/cm2) L=706(cm) E=2,65.106(daN/cm2) Jx=462799(cm4) α =0,8 Thế số vào ta được: Kết luận: Dầm ổn định về độ cứng Tính liên kết hàn góc giữa bản cánh và bản bụng: Trong đó: Thế số vào ta được: Vậy lấy hh=0,6(cm) Kiểm tra ổn định: Không cần kiểm tra ổn định tổng thể của dầm. Kiểm tra ổn định cục bộ của các ô dầm: Trong đó: Kiểm tra ô thứ nhất: Q=39136(daN) M=3110700(daNcm) Thế số vào ta tính ra được Kiểm tra ô thứ 2: Q=29350(daN) M=7228000(daNcm) Thế số vào ta được: Kiểm tra ô thứ 3: Q=9784(daN) M=9444400(daNcm) Thế số vào ta được: Kết luận: các ô dầm ổn định. Kết luận chung: dầm ổn định. 4. Tính toán dàn ngang: a. Xác định kích thước hình học của dàn ngang: Kí hiệu thanh dàn 01 08 12 18 82 87 72 73 32 34 36 67 64 65 45 Chiều dài (cm) 166,65 180,75 166,65 50 180,75 180,75 100 194,39 166,7 166,7 194,39 333,4 100 130,15 83,3 b. Đưa tải trọng phân bố về mắt dàn: Đây là dàn hình thang chịu lực tác dụng của tải trọng phân bố theo quy luật tam giác của áp lực nước, bề rộng tác dụng của tải trọng là B. Gọi các điểm nút là 0,1,2,3,4,5 ứng với các tải trọng tập trung tại các mắt dàn Pi (i=0,1,2,3,4,5) và cường độ áp lực thủy tĩnh tại các mắt dàn qi (i=0,1,2,3,4,5). Tính áp lực thủy tĩnh tại mắt dàn theo công thức: Tính hợp lực của các lực phân bố tác dụng lên các thanh: Wi= diện tích của lực phân bố. Tọa độ trọng tâm của hình thang Zi tra theo bảng 7.4 trang 198 giáo trình kết cấu thép. Tải trọng phân bố tác dụng lên mỗi thanh giàn được đưa về các mắt dàn theo quy tắc phân lực song song. Chẳng hạn như: Áp dụng các công thức trên ta lập được bảng sau: Mắt dàn 0 1 2 3 4 5 Tổng hi(m) 0 1,6665 3,333 5 6,667 7,5 B (m) 1,265 1,265 1,265 1,265 1,265 1,265 0 21,08 42,16 63,25 84,34 94,875 17,56 52,69 87,86 123,02 74,64 Zi(m) 0,5555 0,74 0,778 0,794 0,41 5,85 35,103 70,298 105,45 101,16 37,9 6,435 38,61 77,33 116 111,276 41,69 391,341 Tổng áp lực tác dụng: Xác định sai số: c. Xác định nội lực các thanh dàn: Sử dụng phương pháp tách nút để tính toán nội lực trong thanh. Tên thanh Nội lực (KN) Trạng thái nội lực Chiều dài thanh (cm) 01 21,04 Chịu kéo 166,65 12 21,04 Chịu kéo 166,65 23 84,18 Chịu kéo 166,7 34 33,22 Chịu kéo 166,7 45 33,22 Chịu kéo 83,3 08 22,01 Chịu nén 173,99 87 88,04 Chịu nén 173,99 76 37,8 Chịu kéo 333,4 65 53,92 Chịu nén 130,15 18 38,61 Chịu nén 50 28 66,03 Chịu kéo 173,8 27 96,63 Chịu nén 104 37 142,32 Chịu nén 194,39 36 82,91 Chịu nén 194,39 46 111,276 Chịu nén 104 d. Chọn tiết diện thanh dàn: - Chọn tiết diện cho thanh cánh thượng: Thanh cánh trên thường dùng thép chữ I. Thanh cánh thượng của dàn ngang ngoài chịu lực dọc còn chịu uốn do tải trọng ngang trực tiếp của áp lực nước cho nên ta tính thanh cánh thượng như thanh chịu lực lệch tâm có kể cả phần bản mặt cùng tham gia chịu lực. Chọn thanh 23 để tính toán vì thanh có lực dọc N=84,18(KN) lớn nhất thanh cánh thượng và chiều dài l23= 166,7(cm) Momen uốn là Chọn tiết diện thanh cánh thượng là INo18 Kiểm tra tiết diện đã chọn khi có sự tham gia chịu lực của bản mặt: Thõa mãn điều kiện về cường độ. Vậy ta chọn thép là INo18 cho tất cả các thanh cánh thượng. - Chọn tiết diện cho thanh cánh hạ: Thanh 78 là thanh bất lợi nhất vì thanh này có nội lực lớn nhất trong các thanh cánh hạ N=88,04(KN) và chiều dài l78= 173,99(cm) Xuất phát từ điều kiện ổn định ta có: Đối với thanh cánh ta giả thiết: Chọn tiết diện thanh cánh hạ tiết diện chữ T được ghép bởi hai thép góc không đều cạnh nối với nhau ở cạnh dài (vì rx=ry) là 2L80x50x6 có F1=7,55(cm2), rx1=2,55(cm), ry1=1,4(cm) với δ=6mm Kiểm tra cho tiết diện vừa chọn: Độ mảnh thực của thép: Vậy ta chọn thép góc 2L80x50x6 cho tất cả các thanh cánh hạ. - Chọn tiết diện cho thanh bụng: Tính cho thanh bụng 73 là thanh có lực nén lớn nhất N73=142,32(KN), l73=194,39(cm) Xuất phát từ điều kiện ổn định ta có: Giả thiết đối với thanh bụng Chọn tiết diện thanh bụng tiết diện chữ T được ghép bởi hai thép góc đều cạnh nối với nhau là 2L70x6 có F1=8,15(cm2), rx=2,71(cm), ry=3,18(cm) với δ=8mm Kiểm tra cho tiết diện vừa chọn: Độ mảnh thực của thép: Vậy ta chọn thép góc đều cạnh 2L70x6 cho tất cả các thanh bụng. Tổng hợp các thép được dùng trong dàn như trong bảng sau: BẢNG TỔNG HỢP THÉP: Tên thanh Trạng thái nội lực Loại thép 01 Chịu kéo INo18 12 Chịu kéo INo18 23 Chịu kéo INo18 34 Chịu kéo INo18 45 Chịu kéo INo18 08 Chịu nén 2L80x50x6 87 Chịu nén 2L80x50x6 76 Chịu kéo 2L80x50x6 65 Chịu nén 2L80x50x6 18 Chịu nén 2L70x6 28 Chịu kéo 2L70x6 27 Chịu nén Dầm chính 37 Chịu nén 2L70x6 36 Chịu nén 2L70x6 46 Chịu nén Dầm chính 5. Tính toán dàn chịu trọng lượng: Vì dầm chính có chiều cao thay đổi nên dàn chịu trọng lượng là một dàn gãy khúc, nhưng để đơn giản cho việc tính toán ta coi là dàn phẳng có nhịp tính toán = nhịp tính toán của dầm chính. a.Xác định trọng lượng cửa van: Xác định trọng lượng cửa van theo công thức gần đúng sau: Trong đó: F là diện tích chịu áp lực nước của cửa van tính bằng m2 F=L.H=7,06.7,5=52,95(m2) G là trọng lượng cửa van được phân bố lên bản mặt và dàn chịu trọng lượng (KN) Gọi G1 là trọng lượng bản thân cửa van phân cho phần dàn chịu trọng lượng. Để an toàn coi atr=aph nên G1=0,5G Trong đó: atr, aph là chiều dài khoảng mắt dàn ở phía trái và phía phải mắt đang xét G1= 0,5.219,91=109,955(KN) b. Sơ đồ tính toán: Dàn chịu trọng lượng thực tế không phải là dàn phẳng vì tiết diện dầm chính có thay đổi từ đầu dầm ra giữa dầm, để đơn giản ta có thể coi là dàn phẳng, gối tựa của dàn tại vị trí cột biên, nhịp dàn là L=7,06(m) Tải trọng tính toán: trọng lượng G1 được đưa về các mắt dàn, trong đó: c. Xác định nội lực trong dàn: Dùng phương pháp tách nút để tìm nội lực trong thanh. Ta tính được bảng sau: Ký hiệu thanh dàn Chiều dài thanh (m) Nội lực (KN) Trạng thái nối lực 0-1 1 6,92 Chịu nén 1-2 1,265 12,13 Chịu nén 2-3 1,265 13,87 Chịu nén 3-4 1,265 13,87 Chịu nén 4-5 1,265 12,13 Chịu nén 5-6 1 6,92 Chịu nén 7-8 1 0 0 8-9 1,265 6,92 Chịu kéo 9-10 1,265 12,13 Chịu kéo 10-11 1,265 12,13 Chịu kéo 11-12 1,265 6,92 Chịu kéo 12-13 1 0 0 0-13 7,5 59,1 Chịu nén 1-12 7,5 49,25 Chịu nén 2-11 7,5 29,55 Chịu nén 3-10 7,5 19,7 Chịu nén 4-9 7,5 29,55 Chịu nén 5-8 7,5 49,25 Chịu nén 6-7 7,5 59,1 Chịu nén 0-12 7,57 49,73 Chịu kéo 1-11 7,61 30,01 Chịu kéo 2-10 7,61 10 Chịu kéo 4-10 7,61 10 Chịu kéo 5-9 7,61 30,01 Chịu kéo 6-8 7,57 49,73 Chịu kéo d. Chọn tiết diện và kiểm tra lại tiết diện đã chọn: Thực tế chỉ cần tính thanh bụng đứng và xiên vì hệ thanh cánh trên và dưới là bản cánh của dầm chính. Chọn tiết diện thanh bụng xiên của dàn chịu trọng lượng: Thanh xiên có nội lực lớn nhất là thanh 0-12 có N=49,73 (KN) và l0-12=7,57(m) Xuất phát từ điều kiện ổn định ta có: Giả thiết đối với thanh bụng Chọn tiết diện thanh bụng tiết diện chữ T được ghép bởi hai thép góc L đều cạnh nối với nhau là 2L80x6 có F1=10,6(cm2), rx=3,5(cm), ry=3,96(cm) với δ=8mm Kiểm tra cho tiết diện vừa chọn: Độ mảnh thực của thép: Vậy ta chọn thép góc đều cạnh 2L80x6 cho tất cả các thanh bụng. Chọn tiết diện cho thanh bụng đứng cho dàn chịu trọng lượng: Thanh đứng của dàn chịu trọng lượng bản thân cũng là thanh cánh hạ của dàn ngang nên ứng suất trong thanh bằng tổng ứng suất do áp lực thủy tĩnh và do trọng lượng bản thân sinh ra. Trong phần tính dàn ngang ta chọn thanh cánh hạ là 2L80x50x6 với F=15,1(cm2) 4. Tính trụ biên: Trụ biên chịu kéo đồng thời chịu uốn nên được tính như thanh kéo lệch tâm. Chọn tiết diện chữ I, chiều cao bản bụng trụ biên lấy bằng chiều cao bản bụng dầm chính tại đầu dầm, lấy chiều dày bản bụng bằng chiều dày bản bụng dầm chính. Bề rộng bản cánh chọn đủ để bố trí bánh xe chịu lực, thường chọn bc=400mm. Chiều dày bản cánh bằng chiều dày bản cánh dầm chính. Đường hàn liên kết bản cánh và bản bụng lấy bằng 6mm. Kích thước tiết diện đã chọn: Các đặc trưng hình học của tiết diện: Xác định tải trọng tác dụng lên trụ biên: Pi là áp lực do dầm phụ truyền tới B=1,265(m) i at (m) ad (m) hi (m) Pi (KN) 0 0 1,111 0 0 1 1,111 1,111 1,111 7,81 2 1,111 1,111 2,222 15,61 3 0,8335 0,8335 4,1665 21,97 4 0,8335 0,8335 5 26,36 5 0,8335 0,8335 5,8335 30,75 6 0,4165 0,4165 7,0835 18,66 7 0,4165 0 7,5 9,88 Xác định trọng lượng cửa van theo công thức gần đúng sau: Trong đó: F là diện tích chịu áp lực nước của cửa van tính bằng m2 F=L.H=7,06.7,5=52,95(m2) Ta có lực dọc trong mỗi trụ biên là N=0,5G=0,5.219,91=109,955(KN) Momen lớn nhất tại gối 0: Kiểm tra điều kiện cường độ: Thay vào điều kiện cường độ ta có: Vậy tiết diện đã chọn thõa mãn điều kiện.