đồ án môn học kết cấu thép

Kết Cấu Thép I. Mở đầu 1.1 Giới thiệu chung Nhìn chung thiết bị xếp dỡ hiện nay khá đa dạng ,nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của đất nước nó đa dạng về chủng loại phục vụ công tác xếp dỡ hàng hóa ở cảng trong các công trình xây dựng trong đóng mới và sửa chữa tàu Máy trục nói chung bao gồm các bộ phận chủ yếu như hệ thống động lực ,hệ thống truyền động và thiêt bị công tác các cơ cấu điều khiển và kết cấu thép trong đó kết cấu thép máy trục có vai tro to lớn hàng đầu quyết định đến tính năng độ tin cậy làm việc và giá thành của máy

Kết Cấu Thép

I Mở đầu

1.1 Giới thiệu chung

Nhìn chung thiết bị xếp dỡ hiện nay khá đa dạng ,nó đóng vai trò to lớn trong

sự phát triển của đất nước nó đa dạng về chủng loại phục vụ công tác xếp dỡ hàng hóa ở cảng trong các công trình xây dựng trong đóng mới và sửa chữa tàu Máy trục nói chung bao gồm các bộ phận chủ yếu như hệ thống động lực ,hệ thống truyền động và thiêt bị công tác các cơ cấu điều khiển và kết cấu thép trong đó kết cấu thép máy trục có vai tro to lớn hàng đầu quyết định đến tính năng độ tin cậy làm việc và giá thành của máy

Nó là hệ thống giá đỡ đỡ toàn bộ cơ cấu thiết bị của máy đồng thời là chi tiết cơ sở gắn các chi tiết bị của máy tạo thành một hệ thống máy hoàn chỉnh thực hiện các chức năng xếp dỡ hàng hóa

Hình dạng kết cấu của kết cấu thép quyết định hình dạng kết cấu kích thước tính công nghệ cũng như mỹ thuật của cần trục

Đảm bảo độ tin cậy làm việc của máy

Kết cấu thép có vai tro quyết định đến đến giá thành của cần trục so vói các bộ phận khác của kết cấu thép chiếm khối lượng lớn

1.2 Giới thiệu về cổng trục thiết kế

Cổng trục là một loại cần trục kiểu cần có dầm cầu đặt trên các chân cổng với các bánh xe di chuyển trên ray đặt ở trên mặt đât

Cổng trục có công dụng chung có sức nâng từ 3,2 đến 10T ,khẩu độ dầm cầu 10 đến 40m ,chiều cao nâng 7 đến 10m

Cổng trục dùng để lắp rắp trong xây dựng có sức nâng từ 50 đên 100T,khẩu độ dầm đến 80m và chiều cao nâng lên tới 30m ,cổng trục dùng để lắp ráp có tốc nâng di chuyển xe con di chuyển cổng trục nhỏ hơn so vơi cổng trục có công dụng để lắp rắp có tốc độ nâng hạ 0,05 đến 0,1m/ph và tốc độ di chuyển xe con và cổng 0,15m/ph cổng trục có công dụng chung dùng để xếp dỡ hàng thể khối vật thể rời trong các kho bãi bến cảng hoặc nhà ga đường sắt cổng

trục dựng để lắp rắp thiết bị mỏy múc và nhiều lĩnh vực khỏc đặc biệt trong cỏc cụng trỡnh năng lượng và lắp rắp trong cỏc cụng trỡnh giao thụng thiết bị mang hàng thường sử dụng là múc treo hoặc gầu ngoạm hoặc nam chõm điện cổng trục chuyờn dựng thường được sử dụng trong cỏc cụng trỡnh thủy điện luyện kim khai khoỏng

Thờng cổng trục dạng kết cấu hộp không có công son,một dầm Ray di chuyển thờng đăt ỏ phía trên và phía dới Chân cổng trục thờng có một chân cứng và một chân mềm Chân mên có liên kết khới vói dầm cầu để đảm bảo cho kết cấu là một hệ siêu tĩnh định ,nó có thể lắc quanh trục thẳng đứng để bù trừ các sai lệch của kết cấu và đờng ray do chế tạo và lắp ráp và do ảnh hởng của biến dạng do nhiệt độ nh vậy chân mềm của cổng trục có tác dụng giảm masat ,giảm lực xô ngang tranh khả ngăng kẹt bánh xe di chuyển

*Đặc biệt do đặc trng của nghành Đóng Tàu mà một số Nhà Máy còn bố trí thêm một cần trục quay cột cố định trên cầu có tác dụng nâng chuyển những thiết bị dùng cho đó mới hoặc sủa chữa một con tàu nh vậy không phải sử dụng thêm một số cần trục khác nh cần trục chân đế chiếm nhiều diện tích mà khó thao tác trong qua trình lắp ráp hoặc xếp dỡ Dạng cần trục đặt cố định trên càu thờng tì thay đổi tàm voi bằng cơ cấu di chuyển xe con trên xe con có đặt cơ cấu nâng hạ hàng

II Nội dung

2.1 Phương phỏp tớnh toỏn kết cấu thộp

Hiện nay kết cấu thộp được tớnh bằng hai phương phỏp là trạng thỏi giới hạn và tớnh theo ứng suất cho phộp Ngoài ra cũn cú phương phỏp tớnh theo xỏc xuất hư hỏng của kết cấu

- Phương phỏp tớnh theo trạng thỏi giới hạn : là phương phỏp tớnh toỏn đảm bảo cho kết cấu khụng vượt quỏ trạng thỏi giới hạn khiến cho kết cấu khụng sử dụng được nữa

- Phương phỏp tớnh theo ứng suất cho phộp: dựa trờn cơ sở xỏc định hệ số

dự trữ độ bền của kết cấu

- Phương pháp tính theo xác suất hư hỏng: dựa trên cơ sở xác suất hư hỏng của kết cấu phương pháp này cho phép tính tuổi thọ, độ tin cậy và khả năng làm việc của kết cấu, tuy nhiên phương pháp này chưa được sử dụng rộng rãi.

2.1.1 Tính theo phương pháp trạng thái giới hạn.

- Trạng thái tới hạn là trạng thái mà kết cấu không thỏa mãn các điều kiện khai thác theo qiy định nhưng không đủ khả năng chịu lực hoặc biến dạng quá mức Tính theo phương pháp này nhằm đảm bảo cho kết cấu không tiến tới trạng thái tới hạn trong suốt thời gian làm việc Kết quả tính của phương pháp khá chính xác , tiết kiệm vật liệu, nâng cao chất lượng thiết kế, hạ giá thành chế tạo

Cần xét tới hai trạng thái giới hạn

- Trạng thái mất khả năng chịu lực của kết cấu

- Kết cấu không thỏa mãn điều kiện làm việc bình thường, rung, biến dạng quá mức

Trạng thái giới hạn I là trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực giới hạn

Nhiệt độ môi trường thực tế hệ số quá tải về trọng lượng hàng khi nâng

hệ số quá tải do khởi động hoặc hãm đột ngột cơ cấu máy trục

2.1.2 Phương pháp ứng suất cho phép

Dựa trên cơ sở xác định hệ số dự trữ độ bền của kết cấu Phương pháp này chỉ được sử dụng khi chưa có số liệu thống kê đầy đủ các tải trọng tác dụng lên kết cấu Phương pháp này đã phát triển khá hoàn chỉnh, tuy nhiên phương pháp này khi tính toán không xét đến sự chảy dẻo có thể có của kết cấu và coi kết cấu mất khả năng chịu lực khi chỉ có 1 điểm của kết cấu ở trạng thái nguy hiểm, trong khi các kết cấu vẫn còn khả năng chịu lực thêm, vì vậy độ chính xác không cao gây lãng phí vật liệu.

2.1.2 Phương pháp ứng suất cho phép

Điều kiện bền phương pháp tính toán kết cấu thép dựa trên cơ sở qui định dự trữ độ bền của vật liệu thông qua hệ số an toàn

* Điều kiện giới hạn độ bền

Khi tính toán theo phương pháp ứng suất cho phép

σ ≤ [ σ ] =

n

0 σ

[ σ ]: ứng suất cho phép n của vật liệu chế tạo kết cấu

[f] độ cứng cho phép của kết cấu

Vậy từ hai phương pháp tính trên ta chọn phương pháp ứng suất cho phép để tính kết cấu thép cổng trục lí do là ta không thống kê các hệ số quá tải của cổng trục đang thiết kế để có thể tính theo trạng thái giới hạn

2.2 Xác định kích thước và dạng liên kết của kết cấu thép

2.2.1 Khoảng cách giữa hai bánh xe trên cùng một ray B

Cơ sở B được chọn xuất phát từ điều kiện để trách hiện tượng kẹt bánh xe di chuyển trên ray đảm bảo ổn định cho cổng trục 1 dầm làm việc ở trạng thái gió bão

z3 u3

x3

z2

x2

z4 x4

Mặt cắt ngang dầm trên có cấu tạo như hình vẽ

Thanh thép chữ I có các đặc trưng hình học sau

Xác định đặc trưng hình học mặt cắt của dầm trên

Vì mặt cắt có 1 trục đối xứng do vậy XC=0(C là trọng tâm mặt cắt dầm trên )

∑ SO4ix4 : Tổng mômen tĩnh các mặt cắt 1 D 4 đối với trục O4X4

+ Chọn hệ trục tọa độ ban đầu là X4O4X4(trọng tâm mặt cắt I)

+Xác định mômen tĩnh của mặt cắt số 1 đối với trục O4X4

SO4X1x4 = F1.O1O4 = 595,5.8.289,5 =1379178(mm3)

+Xác định mômen tĩnh của mặt cắt số 2 đối với trục O4X4

SO4X2x4=F2.O2O4 =6008.546=2620800(mm3)

+Xác định moomen tĩnh của mặt cắt số 3 đối với trục O4X4

JXC = JXC1 + JXC2 + JXC3 + JXC4

JZC = JZC1 + JZC2 + JZC3 + JZC4

JXC,JZC : mômen quán tính của mặt cắt dầm chính đối với trục CXC và CZC

JXC1, JZC1 :mômen quán tính của mặt cắt số 1 đối với trục CXC và CZC

JXC2, JZC2:mômen quán tính của mặt cắt số 2 đối với trục CXC và CZC

JXC3, JZC3:mômen quán tính của mặt cắt số 3 đối với trục CXC và CZC

JXC4, JZC4:mômen quán tính của mặt cắt số 4 đối với trục CXC và CZC

Xét mặt cắt số 1 trong hệ trục tọa độ u1o1v1

Jo1u1 =

12

5 , 595

595 3

= 25408(mm4)

Ju1v1 = 0 (mômen quán tính ly tâm của mặt cắt 1 đối với trục u1o1v1)

Xoay hệ trục tọa độ u1o1v1 đi 1 góc 3300theo chiều ngược kim đồng hồ ta được

hệ trục tọa độ mới x101z1

Jo1x1 =

2

1 1 1

.

= 140784329,3( mm4)

Jo3v3 =

12

5 , 595

.

8 3

= 25408(mm4)

Ju3o3=0 Mômen quán tính ly tâm của mặt cắt 3 với hệ trục u3o3v3 đi một góc 300

theo chiều kim đồng hồ ta được hệ trục tọa độ mới x3o3z3

Jo3x3 =

2

3 3 3

Hệ tọa độ quán tính chính trung tâm là xoy

Mômen quán tính của mặt cắt

130 3

= 18386666,67(mm4)Khoảng cách giữa các vách ngăn để tăng khả năng chống uốn và xoắn cục bộ dầm trên ta bố trí them các vách ngăn trên suốt chiều dài của dầm

Ta chọn khoảng cách giữa các vách ngăn của dầm là

- Thép cácbon trung bình :%C=0,25 ÷ 0,6%

Ngoài ra trong thép còn có các nguyên tố sau Cu,Ni,Mn,S,P

Thép hợp kim là thép trong đó các thành phần hợp kim như Al,Mn,Cu,Cr

Ưu điểm : khối lượng nhỏ tính chống gỉ tốt

Nhược điểm : giá thành cao

Kêt luận : ta chọn vật liệu thép cácbon trung bình cụ thể là thép CT3 có các thông số sau

2.4.1 Bảng tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép cổng

Ib,IIb: Là cổng trục di chuyển cơ cấu đứng yên ở vị trí giữa dầm

Ib : Khi khởi động (hãm) cα dc’ nửa tốc độ

IIb: Khi khởi động (hãm) cα dc’ cả tốc độ dùng để tính toán dầm trên

IIb là tổ hợp cổng trục đứng yên cơ cấu di chuyển xe con di chuyển đến vị trí cuối hành trình và tiến hành phanh đột ngột

2.4.2 Xác định trị số phương chiều ,điểm đặt quy luật các lực tác dụng trong bảng tổ hợp

+ Chiều: Hướng từ trên xuống dưới

+ Điểm đặt : Phân bố suốt đều trên chiều dài dầm trên

Gc = 2,25T = 22072,5(N)

Chọn Gc = GcJmax + GcJmin = 22072,50 (N)

qcJmin = 134097357,,52 = 0,2N/mm

+ Phương thẳng đứng

+ Chiều từ trên xuống

+ Điểm đặt : phân bố đều trên suốt chiều dài chân 36000mm trọng lương dầm đỡ chân cổng

Trị số Gdc = 2943(N) cả cơ cấu di chuyển cổng trục

Quy luật tác dụng : ở mọi thời điểm

+ Chiều: từ trên xuống

+ Điểm đặt :tại trong tâm di chuyển xe con

+ Quy luật tác dụng :tại mọi thời điểm

+ Điểm đặt : tại trọng tâm của hàng

+ Quy luật tác dụng :khi nâng hạ hàng di chuyển xe con có mang hàng

2.4.2.5 Lực quán tính khi hãm cổng trục pqt xe khi hãm xe con

Pqt = pqt đ.chân + pqt Jmax + pqtJmin + pqt dầm +pqtccdc

Pqt đ.chân = Gđ.ah

ah = 0,5 m/s2 gia tốc khi hãm cổng

pqt đ.chân = 2400.0,5 = 1200N

+Phương : dọc đường ray di chuyển cổng

+Chiều: ngược chiều chuyển đôngk khi phanh

+ Điểm đặt : trọng tâm trên của cầu

Lực quán tính của chân GcJmax

pqtJmax = Gc Jmax.ah= 0,5 147159,81 = 750(N)

Phương: dọc đương ray di chuyển cổng

Chiều:ngược chiều chuyển đông khi phanh

Điểm đặt:tại trọng tâm của chân có GcJmax

Lực quán tính dầm đỡ chân

pqt đ.chân = Gđ đ.chân.ah = 0,5 156969,81 = 800N

Phương: dọc theo đương ray

Chiều: ngược chiều chuyển động khi phanh

Điểm đặt : Trọng tâm của dầm đỡ chân

* Lực quán tính cơ cấu di chuyển

pqt = Gdc.ah = 29439,81 0,5 = 150 (N)

+ Phương :Dọc theo đương ray

+ Chiều : Ngược chiều chuyển động khi phanh

+ Điểm đặt : Trọng tâm của cơ cấu di chuyển

* Lực quán tính của chân : GcJmin

PqtJmin = GcJmin ah = 0,5.73579,81,5= 375(N)

+ pqtmax : Lực quán tính max khi di chuyển cơ cấu

ah xe = 0,15 m/s2 : gia tốc khi hãm xe con

2.4.2.6 Lực sườn khi có sự di chuyển lệch R

Giả sử có WA > WB khi đó có sự di chuyển lệch

10 6 , 20 24

14000 20500 15 , 1 2

= 0,189N/mmPhương : song song mặt nước

Chiều :hướng bất lợi nhất đối với trạng thái làm việc của cần trục.

Điểm đặt : phân bố đều trên bề mặt chắn gió của dầm

3 Xác định nội lực

Kiểm tra dầm trên

Xác định nội lực trong kết cấu thép dầm trên

Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thép cổng trục ứng với tổ hợp IIb cầu di chuyển cơ cấu đứng yên ở vị trí giũa dầm

Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thép cổng trục ứng với tổ hợp IIb

Trọng lượng bản thân cổng trục

Trọng lượng dầm trên qd trên = 1,22N/mm

Trọng lượng chân : Jmax = qc Jmax = 0,448N/mm

Jmin = qc Jmin = 0,204N/mm

Trọng lượng dầm đỡ chân : qd đỡ chân = 1,54N/mm

Trọng lượng di chuyển cổng : Gdc = 3001,86(cả 2 bên)

400 PB = 4502,79N PA= 8004,96N

Ngoài ra còn T = 4174665,5(Nmm) mô men xoắn

Kêt luận : Mặt cắt có các trị số là mặt cắt nguy hiểm nhất trên dầm chính

K1

K2 K3

7 , 65 2 + 420 , 36 2 = 0,5458(N/mm2)Theo lý thuyết bền 3 ta có :

σtd3k2 = 0 , 63 2 + 4 0 , 5458 2 = 1,65N/mm2 ≤ [σ ] = 160N/mm2

Vậy phân tố 2 thỏa mãn điều kiện bền

Tương tự như vậy ta kiểm tra phân tố k3

5 , 41746665

Khi đó ứng suất kéo max ở tấm biên dưới xuất hiện tại các phân tố

- Phân tố 1 tiếp giáp giữa tấm biên và tấm thành

- Phân tố 2 ở thớ dưới và đầu tự do của bản cánh

+ Ứng suất tại phân tố của tiết diện tiếp giáp giữa bản cánh và bản thành bị uốn trong mặt phẳng xoz

σyt = k1 2

t

p

công thức 3.12 +Tiết diện đầu tự do của bản cánh trong mặt phẳng yoz

σ y = k3 2

t

p

công thức 3.13 k1,k2,k3 là hệ số phụ thuộc vào tỷ số

t = 10 mm chiều dày của bản cánh

ttb = 0,85t = 8,5mm chiều dày trung bình của bản cánh

⇒ P = 8004,96 N áp lực của bánh xe tác dụng lên bản cánh dưới của dầm chữ I

τxt = 1,41 2

10

96 , 8004

σ yt = 0,74 2

10

96 , 8004

σ y = 0,52 2

5 , 8

96 , 8004

Vây dầm chữ I thỏa mãn điều kiện làm việc

Kiểm tra ổn định của dầm khi chịu uốn :

Vậy dầm chữ I thỏa mãn điều kiện ổn định

KL: Dầm trên của cổng trục đảm bảo khả năng làm việc

5 Xác định nội lực trong kết cấu thép chân cổng

Kết cấu thép chân cổng được tính theo tổ hợp IIc ,cổng đứng yên xe con di chuyển đến cuối dầm và tiến hành phanh đột ngột

5.1 Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thép chân cổng ứng với tổ hợp IIc

Trong lượng bản thân cổng

= 0,2 N/mm

5.2 Sơ đồ tính kết cấu thép chân cổng

Áp lực do trọng lượng hàng và xe con tác dụng lên dầm trên là :

270

270 19620

130

130 19620

= 4414,5 N

qg = 0,2N/mm

pqt = 375N 2

5.3 Kiểm tra chân đỡ

- Kiểm tra chân đỡ về điều kiện bền :

ứng suất pháp trên mặt cắt ngang do P gây ra:

= 4,04 N/mm2

Với F = 5600 mm2 diện tích mặt cắt ngang chân cổng

Ứng suất pháp trên mặt cắt ngang do T gây ra tại điểm K là:

Vậy chân cổng thỏa mãn điều kiện bền :

Kiểm tra chân về điều kiện ổn định khi chân cổng chịu nén

Độ mảnh của chân được xác định theo CT

λ =

min

j ML

Mặt cắt ngang chân đỡ

150

10P

Sơ đồ tính toán ổn định của chân đỡ

L = 13490(mm) chiều cao chân cổng

jmin : Bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện chân cổng

= 57,3(mm)

⇒ λ =

3

= 4,04(N/mm2) ≤ 0,4[σ ]

= 0,4.160 = 64 (N/mm2)

⇒ chân cổng thỏa mãn điều kiện ổn định

5.4 Tính toán mối hàn

Mối hàn dầm trên của cổng trục là loại mối hàn giáp mối chịu đồng thời mômen uốn và mômen xoắn

Ta lấy nội lực lớn nhất ở dầm trên để tính mối hàn

Mối hàn được xác định theo công thức

ứng suất cho phép của mối hàn

[σ ] = 160 N/mm2 - ứng suất cho phép của mối hàn

τ x : ứng suât do mômen xoắn gây ra

τ x =

kl

Tx

7 , 0 2

Tx = 4174665,5 Nmm

k = 8(mm) chiều cao mối hàn

l = 22390 mm – chiều dài mối hàn

τ x =

22390

150

10

qg = 0,2N/mm

pqt = 375N2