Bài giảng Kết cấu thép máy và thiết bị công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN KỸ THUẬT HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP Bài giảng KẾT CẤU THÉP MÁY VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP Hà nội – 2020 Giảng viên TS Bùi Văn Tuyển Điện thoại 0988 083 792 Mail Tuyen[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN KỸ THUẬT HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP

Bài giảng KẾT CẤU THÉP MÁY

VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP

Hà nội – 2020

Giảng viên : TS Bùi Văn Tuyển Điện thoại : 0988.083.792

NỘI DUNG

www.khoacokhi.tlu.edu.vn

Click to add Title

2 3 Tính toán các kết cấu điển hình

Click to add Title

1 4 Tính toán thiết kế KCT MÁY VÀ TBCN

Click to add Title

1 1 Cơ sở tính toán kết cấu thép

Click to add Title

1 2 Tính toán các liên kết cơ bản

 YÊU CẦU TRONG GIỜ HỌC

CƠ SỞ TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP

CHƯƠNG 1

Kết cấu chịu lực làm bằng THÉP

KẾT CẤU THÉP LÀ GÌ?

I Ưu khuyết điểm của KCT

II Phạm vi ứng dụng

III Yêu cầu đối với KCT

IV Vật liệu thép

V Sự làm việc của thép khi chịu tải trọng

VI Quy cách cán thép dùng trong xây dựng

VII Phương pháp tính toán KCT

NỘI DUNG

3

 Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao

• Thép có cường độ cao: fy = 220 – 400 MPa

• Cấu trúc đồng nhất của vật liệu

 Công nghiệp hóa cao

• Vật liệu, kết cấu thực hiện trong nhà máy

Ưu

Cấu trúc vi mô thép (µm)

Cấu trúc bê tông [cm]

I ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP

 Tính cơ động trong vận chuyển

Bể chứa xăng dầu

I ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP

Ưu

 Chịu gỉ kém

 Bảo vệ bằng: sơn, mạ kẽm, mạ nhôm, …

Khuyết

I ƯU KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU THÉP

 Chịu lửa kém

• Vật liệu không cháy

• Vật liệu chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực từ t=500-600 o C

 Bảo vệ bằng : sơn chống lửa, bê tông, …

2 NHÀ NHỊP LỚN

Kết cấu vòm, L=100m

 Nhà thi đấu TDTT, nhà triển lãm, kết cấu đỡ mái SVĐ, …

SVĐ San siro - Kết cấu dầm dàn

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

2 NHÀ NHỊP LỚN

 Kết cấu dàn không gian

• Phần tử kết cấu chịu lực theo 3 phương, các phân tử dàn dựa

theo cấu trúc phân tử hóa học

• Phù hợp kết cấu nhịp lớn

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

3 NHÀ CAO TẦNG

Vách cứng

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

3 NHÀ CAO TẦNG

 kết cấu liên hợp thép-bê tông (composite)

Millennium Tower (Vienna - Austria) – 51 tầng

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

4 KẾT CẤU TRỤ THÁP TRỤ

Tháp Eiffel - Paris

Tháp Eiffel:

• Chiều cao lầu 1: 57,63m

• Chiều cao lầu 2: 115,73m

• Chiều cao lầu 3: 276,13m

• Chiều cao tổng cộng bao gồm anten: 324m

• Xây dựng 1887 – 1889

• Khối lượng : 10100T

• Liên kết: 2 500 000 đinh tán

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

5 BỂ CHỨA – ĐƯỜNG ỐNG

Bể chứa chất lỏng

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

6 CẦU

Viaduc Gabarit (Pháp) xây dựng bởi Gustave Eiffel- 1884

KC vòm: L=165m

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

6 CẦU

- Viaduc de Mileau (Pháp), 2001-2003 :

cầu cao nhất thế giới

- 320M euros, xây dựng công ty Eiffage

cáp

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

7 DÀN KHOAN

Kết cấu dàn khoan

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

8 KẾT CẤU KHÁC MÁI DÂY

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

KẾT CẤU THÉP TRONG MÁY XÂY DỰNG

KẾT CẤU THÉP

TRONG MÁY XÂY DỰNG

KẾT CẤU THÉP

TRONG MÁY XÂY DỰNG

CỬA VAN

KẾT CẤU THÉP

TRONG MÁY XÂY DỰNG

KẾT CẤU THÉP

TRONG MÁY XÂY DỰNG

MÁY VẬN

CHUYỂN LIÊN

TỤC

KẾT CẤU THÉP

TRONG MÁY XÂY DỰNG

KẾT CẤU THÉP

TRONG MÁY XÂY DỰNG

MÁY LÀM

ĐẤT

1 Yêu cầu về sử dụng:

- Đảm bảo yêu cầu về chịu lực

- Đảm bảo về độ bền vững, khả năng bảo dưỡng

- Đẹp

2 Yêu cầu về kinh tế

- Tiết kiệm vật liệu

- Công nghiệp khi chế tạo

- Lắp ghép nhanh

 Điển hình hóa kết cấu

II PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KCT

Biểu đồ kéo thép – quan hệ -

1 Định nghĩa

- Luyện quặng sắt (Fe2O3, Fe3O4…)

 Gang (hợp kim của Fe và C) với C ≥ 1,7%

a Theo thành phần hóa học

- Thép cacbon: %C < 2,0%, không có hợp kim khác

+ Thép cacbon đặc biệt cao (C=1,0-2,0%): độ cứng rất cao,dùng làm các dụng cụ như dao cắt, búa, …

+ Thép cacbon cao (C=0,6-1,0%): độ bền cao, dùng làm lò xo,nhíp xe …

+ Thép cacbon vừa (C=0,3-0,6%): chống bào mòn tốt, dùnglàm thép định hình và các ứng dụng trong cơ khí

+ Thép cacbon thấp (0,05-0,3%): thép mềm, dễ cán, rèn,được dùng nhiều trong xây dựng: thép tấm cán nguội, …

26

2 Phân loại thép

a Theo thành phần hóa học

bền)…  nâng cao chất lượng thép, cứng hơn thép carbon

+ Thép hợp kim cao (tổng hàm lượng > 10%)

Vd: thép Mn cao 13%  dùng cho môi trường chịu ănmòn cao như răng gầu xúc, xích xe tăng, …

+ Thép hợp kim vừa : tổng hàm lượng các hợp kim 2,5-10%+ Thép hợp kim thấp

27

2 Phân loại thép

b Theo phương pháp luyện thép

- Luyện bằng lò quay

- Luyện thép bằng lò bằng (lò Martin)

c Theo mức độ khử oxy

Thép lỏng rót vào khuôn  để nguội cho kết tinh lại

Tùy phương pháp để lắng nguội:

- Thép sôi: chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại dòn và lão hóa

- Thép tĩnh: đắt hơn thép sôi, dùng trong các công trình chịu tảitrọng động, những công trình quan trọng

- Thép nửa tĩnh: là trung gian của hai thép trên

28

2 Phân loại thép

a Cấu trúc thép

- Cấu trúc vi mô của thép bao gồm 2 thành phần chính sau:

 Ferit (99% thể tích): các hạt màu sáng, có tính mềm, dẻo

b Thành phần hóa học thép

- Thép cacbon ngoài 2 thành phần chính là Fe và C, còn có:

 Mn: tăng cường độ, độ giai của thép, > 1,5%  thép giòn

 Si: chất khử oxy, cho vào thép tĩnh làm tăng cường độ, giảmtính chống gỉ, tính dễ hàn  < 0,3% với thép cacbon thấp

 P: giảm tính dẻo, độ dai va đập, thép giòn ở nhiệt độ thấp

 S: làm thép giòn nóng ở to cao  dễ bị nứt khi hàn, rèn

 N, O2: làm thép bị giòn, giảm cường độ

- Thép hợp kim: thêm vào thép cacbon Cu, Ni, Cr, Ti, … làmtăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ, …

30

3 Cấu trúc và thành phần hóa học thép

a Thép cacbon thấp cường độ thường

- Thép xây dựng: 3 nhóm (TCVN 338:2005): thép cacbon thấpcường độ thường, khá cao và cao

 Có 3 loại: sôi, tĩnh, nửa tĩnh

 Chia thành 3 nhóm

 Nhóm A: đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học

 Nhóm B: đảm bảo chặt chẽ về thành phần hóa học

 Nhóm C: đảm bảo đặc tính cơ học và thành phần hóa học

 Chỉ dùng loại này cho các kết cấu chịu lực

 Chia thành 6 hạng theo yêu cầu về độ dai xung kích

4 Thép xây dựng

31

a Thép cacbon thấp cường độ thường

Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fu (N/mm 2 ) không phụ thuộc

bề dày t (mm)

t ≤ 20 20< t ≤ 40 40< t ≤ 100

fy f fy f fy f CCT34

CCT38

CCT42

220 240 260

210 230 245

210 230 250

200 220 240

200 220 240

190 210 230

340 380 420

33

4 Thép xây dựng

b Thép cacbon cường độ khá cao

bề dày tối đa là 40mm

34

4 Thép xây dựng

c Thép cacbon cường độ khá cao

- Giới hạn chảy > 440MPa,

- Giới hạn bền > 590MPa

- Dùng thép cường độ cao  tiết kiệm vật liệu 25-30%

35

4 Thép xây dựng

V SỰ LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU THÉP

1 Sự làm việc chịu kéo

2 Sự phá hoại giòn của thép

36

 OA: giai đoạn tỉ lệ  tl

 A’B: gđ đàn hồi dẻo

 BC: gđ chảy dẻo

 CD: gđ củng cố

Biểu đồ kéo của thép các bon thấp

1 Sự làm việc chịu kéo

a Biểu đồ ứng suất – biến dạng khi kéo

37

 Thép cac bon cao:

b Các đặc trưng cơ học chủ yếu

 Các đặc trưng cơ học chủ yếu:

 Giới hạn tỉ lệ: tl

 Giới hạn chảy: c  fy

 Giới hạn bền: b  fu : vùng dự trữ giữa trạng thái làm

việc và trạng thái phá hoại

 Biến dạng khi đứt: o: đặc trưng độ dẻo và độ dai của thép

 Lý thuyết tính toán:

   tl : lý thuyết đàn hồi với E = constant

 tl <  < c : lý thuyết đàn hồi dẻo với E  constant

  = c : lý thuyết dẻo, vật liệu làm việc trong vùng chảy dẻo

39

1 Sự làm việc chịu kéo

Sự cứng nguội của thép

a Hiện tượng cứng nguội

Hiện tượng tăng tính dòn của thép sau khi bị biến dạng dẻo

 Thép trở nên cứng hơn

 Giới hạn đàn hồi cao hơn

 Biến dạng khi phá hoại nhỏ hơn

40

2 Sự phá hoại giòn của thép

1- 1, 2 cùng dấu 2- 1, 2 khác dấu 3- biểu đồ chuẩn khi kéo 1 hướng

1- không có tập trung ứng suất 2- có tập trung ứng suất 3- tập trung ứng suất do rãnh cắt

d Ảnh hưởng của nhiệt độ

a Hiện tượng cứng nguội

b Trạng thái ứng suất phức tạp

c Chịu tải trọng lặp

d Ảnh hưởng của nhiệt độ

2 Sự phá hoại giòn của thép

45

 Số hiệu từ I10 - I60

 Từ I18 – I30 có thêm tiết diện cánh rộng, vd : I22a

1 Thép hình

48

 Dầm chịu uốn, đặc biệt xà gồ

mái, cột – tiết diện tổ hợp

1 Thép hình

49

nước ngoài  eurocode 3

Thép tấm cán nguội

3 Thép hình dập, cán nguội

52

VII PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KCT

1 Phương pháp tính KCT theo ứng suất cho phép

2 Phương pháp tính KCT theo trạng thái giới hạn

3 Phương pháp tính KCT theo giới hạn mỏi

53

1 Phương pháp tính KCT theo ứng suất cho phép

1 Phương pháp tính KCT theo ứng suất cho phép

b Điều kiện độ cứng

+ Độ cứng tĩnh: f ≤[ f]

- f: Độ võng của KC cho tải trọng tiêu chuẩn

-[ f]: Độ võng cho phép: Tra bảng theo tiêu chuẩn

+ Độ cứng động: Đánh giá qua chu kỳ dao động T hay thời gian dập tắt dao động t.

mc- Khối lượng quy đổi

2 Phương pháp tính KCT theo trạng thái tới hạn

56

a, Theo Trạng thái tới hạn thứ nhất( Khả năng chịu lực)

N≤ Φ N: Nội lực tính toán trong cấu kiện

Ni: Tải trọng thứ i tác dụng lên kết cấu

Ai: Nội lực trong kc do Ni= 1 gây ra

ni: Hệ số vượt tải của tải trọng Ni

Ai.Ni.ni: Nội lực do tải trọng thứ i gây ra

2 Phương pháp tính KCT theo trạng thái tới hạn

a, Theo trạng thái tới hạn thứ nhất (Khả năng chịu lực)

Φ: Giới hạn cường độ chịu lực, phản ánh khả năng chịu lực của k/c

F- Đặc trưng hình học của td(F,W…)

R- Cường độ tính toán của VL

ky- Hệ số điều kiện làm việc

R = c.K ( VL dẻo)

Kiểm tra ứng suất

Điều kiện bền:  ≤ R.ky()

Điều kiện ổn định  ≤ BH R.ky

58

2 Phương pháp tính KCT theo trạng thái tới hạn

2 Phương pháp tính KCT theo trạng thái tới hạn

ky1: mức độ quan trọng của kết cấu

ky2: hệ số kể đến biến dạng kết cấu khi lắp dựng, vận chuyển

ky3: Kể đến ứng suất phụ trong kết cấu

b Theo trạng thái tới hạn thứ 2 (Điều kiện độ cứng)

+ Độ cứng tĩnh: f ≤[ f]

- f: Độ võng của KC cho tải trọng tiêu chuẩn

-[ f]: Độ võng cho phép: Tra bảng theo tiêu chuẩn

+ Độ cứng động: Đánh giá qua chu kỳ dao động T hay thời gian dập tắt dao động t.

mc- Khối lượng quy đổi

CÁC LOẠI TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG

TRONG MÁY NÂNG

61

Các tải trọng xét đến trong thiết kế kết cấu thép Máy nâng

a) Các tải trọng chính tác dụng lên kết cấu của thiết bị nâng, được giả định là tĩnh ở trạng thái chịu tải bất lợi nhất;

b) Các tải trọng gây ra bởi các chuyển động thẳng đứng;

c) Các tải trọng gây ra bởi các chuyển động ngang;

d) Các tải trọng gây ra bởi ảnh hưởng của thời tiết

Các tải trọng chính

- Các tải trọng gây ra bởi trọng lượng bản thân của các bộ phận: SG

- Các tải trọng gây ra bởi tải trọng làm việc: SL

 Tất cả các bộ phận chuyển động được giả định là đang ở vị tríbất lợi nhất

 Mỗi một bộ phận kết cấu sẽ được thiết kế đối với vị trí của thiết

bị nâng và độ lớn của tải trọng làm việc (giữa 0 và tải trọng làmviệc an toàn), mà với vị trí và tải trọng đó sẽ gây ra ứng suất lớnnhất trong bộ phận kết cấu đang xét

Lưu ý: Trong một số trường hợp nhất định, ứng suất lớn nhất cóthể phát sinh khi thiết bị nâng không nâng tải trọng làm việc

Các tải trọng gây ra bở các tải trọng thẳng đứng

a Các tải trọng gây ra bởi nâng tải trọng làm việc

Phải xét đến các dao động gây ra khi nâng tải bằng cách nhân tảitrọng do tải trọng làm việc gây ra với một hệ số gọi là “hệ số độnglực ”

 = 1 +  VLTrong đó:

Các tải trọng gây ra bởi nâng tải trọng làm việc

Giá trị áp dụng đối với hệ số  trong các tính toán sẽ không đượclấy nhỏ hơn 1,15 và không lớn hơn 1,6 trong mọi trường hợp

Các giá trị của hệ số động lực 

Các tải trọng gây ra bởi nâng tải trọng làm việc

- Theo cách tương tự, sử dụng hệ số động lực  như đã chỉ ra đối với các cần trục có cần cũng có thể áp dụng đối với các thiết bị khác, thí dụ như các băng tải đổi với trường hợp thiết kế tương ứng với tải trên thanh cần; Giá trị hệ số động lực  đã chỉ ra đối với các cầu trục sẽ được sử dụng cho các trường hợp thiết kế

mà ở đó tải trọng được đặt giữa các chân máy, vì độ cứng của kết cấu tại điểm

đó thì tương ứng với độ cứng của dầm chính của cầu trục.

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang SH

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang sau:

1 Các tác động quán tính gây ra do tăng tốc hoặc giảm tốc củachuyển động ngang, dọc, quay hoặc thay đổi tầm với Các lực quántính này có thể được tính toán theo giá trị của tăng tốc hoặc giảmtốc

2 Các tác động của lực ly tâm

3 Các phản lực ngang do chuyển động lăn

4 Các tác động của giảm chấn

1 Các tác động ngang gây ra do tăng tốc hoặc giảm tốc

a Chuyển động ngang và dọc

Đối với các chuyển động này việc tính toán được thực hiện bằngviệc khảo sát lực nằm ngang tác động lên các bánh xe được dẫnđộng (bánh xe chủ động) song song với đường ray

Các tải trọng sẽ được tính toán theo thời gian tăng tốc hoặc giảmtốc theo các điều kiện làm việc và tốc độ hoạt động

Từ đó suy ra giá trị của gia tốc (m/s2) được dùng để tính toán lựcnằm ngang theo các khối lượng tham gia vào chuyển động

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang SH

Thời gian gia tốc và giá trị gia tốc

Thời gian gia tốc Giá trị gia tốc Thời gian gia tốc Giá trị gia tốc Thời gian gia tốc Giá trị gia tốc

trình di chuyển dài

(b) Tốc độ trung bình và tốc độ cao (sử

dụng thông thường)

(c) Tốc độ cao với gia tốc lớn

a Chuyển động ngang và dọc

Lưu ý:

Lực ngang tính toán sẽ không được nhỏ hơn 1/30 vàkhông được lớn hơn 1/4 tải trọng tác dụng lên cácbánh xe được dẫn động hoặc các bánh xe có bố tríphanh

a Chuyển động ngang và dọc

1 Các tác động ngang gây ra do tăng tốc hoặc giảm tốc

b Chuyển động quay và thay đổi tầm với

Đối với chuyển động quay và thay đổi tầm với các tính toán sẽdựa trên mô men gia tốc hoặc giảm tốc đặt tại trục động cơ của cơcấu thiết bị nâng

Mức độ gia tốc sẽ phụ thuộc vào thiết bị; đối với cần trục thông thường, theo tốc độ và tầm với giá trị gia tốc nằm giữa 0,1 m/s2 và 0,6 m/s2 có thể được chọn để tính toán đối với gia tốc tại đầu cần sao cho thời gian gia tốc trong khoảng từ 5 tới 10 giây

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang SH

Tác động của lực ly tâm

Trong trường hợp cần trục có cần, cần phải tính đến lực ly tâm

do chuyển động quay Trong thực tế, có thể xác định được lực nằmngang tác dụng vào đầu cần nhờ độ nghiêng của cáp treo tải vàthông thường bỏ qua các tác động của lực ly tâm lên các bộ phậnkhác của cần trục

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang SH

Các phản lực ngang do chuyển động lăn

Khi hai bánh xe hoặc hai cụm bánh xe lăn dọc trên một đườngray, một ngẫu lực được tạo bởi các lực nằm ngang vuông góc vớiđường ray sẽ phải được xét đến Các lực thành phần của ngẫu lựcnày được xác định bằng cách nhân tải trọng thẳng đứng tác dụnglên các bánh xe (hoặc cụm bánh xe) với một hệ số , hệ số này phụthuộc vào tỷ số của khẩu độ p với cơ sở bánh xe a

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang SH

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang SH

a Tác động của giảm chấn lên kết cấu

 Trường hợp tải treo có thể lắc

Đối với tốc độ ngang nhỏ hơn 0,7 m/s, không xét đến tác động của giảm chấn

Đối với tốc độ lớn hơn 0,7 m/s, phải xét đến các phản lực tác dụng lên kết cấu do va chạm với đệm giảm chấn

Các tải trọng gây ra do các chuyển động ngang SH

Áp lực động của gió được tính theo công thức:

Các tải trọng gây ra bởi thời tiết

Các tải trọng gây ra bởi thời tiết là tác động của gió và sự thay đổinhiệt độ

2

0,613 s

b Trạng thái gió thiết kế

 Trạng thái gió cho phép thiết bị nâng làm việc

Các tải trọng gây ra bởi thời tiết

Kiểu thiết bị nâng Áp lực gió cho phép thiết bị nâng làm việc

N/m2

Tốc độ gió cho phép thiết bị nâng làm việc

m/s Thiết bị nâng dễ dàng được bảo vệ để

chống lại tác động của gió hoặc được

thiết kế dành riêng cho sử dụng trong

gió nhẹ

Thiết bị nâng dùng trong lắp dựng

Tất cả các kiểu thiết bị nâng thông

Các thiết bị nâng phải liên tục hoạt