Tính toán lựa chọn phương pháp thiết kế cửa van phẳng

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(daNcm2) Rk=Rn=1490(daNcm2) Ru=1565(daNcm2) 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)

Yêu cầu: Tính toán lựa chọn phương pháp thiết kế cửa van phẳng

I/ Tài liệu thiết kế:

=

γ

H=7.5(m)

Lực tác dụng lên dầm chính:

) / ( 625 , 140 5

7 10 4

1 4

1 2

q n

2 Xác định sơ bộ vị trí, kích thước dàn ngang:

) ( 1 06

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:

375 , 3 5 , 7 45 , 0

45 , 0 333

H a

α

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:

) 1

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:

0 cm

bm = δ

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: i i i

b p

q =

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:

a a

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:

) / ( 1512 2100

72 , 0 )

/ ( 21 , 699 153

106979

) ( 153 552 , 15 2375

) ( 2375 7

, 20 552 , 6 1090 52

9 , 0 898 , 2 12

max

max

3 max

4 2

2 3

cm daN mR

cm daN W

M

cm y

J

W

cm J

cm y

+ +

=

= +

6 3

E

RLn h

TC TC

o

∑ +

∑

∑ +

qTC=140,625 KN/mq=154,688 KN/m

nP=1,1

Ptc=0P=0

Thế số liệu vào ta được:

) ( 77 , 45 688 , 154

625 , 140 10

65 , 2

600 706 1512 24

5 , 9637758 )

( 963,77585 8

06 , 7 688 , 154 8

2 2

) ( 1789 , 6374 1512

5 ,

) ( 516 , 98

h

h kt > ⇒ =

) ( 5902 , 93 516 , 98 95 , 0

100

cm h

2

)

) ( 63 , 0 936 100

16 , 39136

100 1 2

104 1789 , 6374 12

2

4 3

3

cm h

2

248124

2 2

Xo 1000

10

20

20 240

X 126

-Kiểm tra cường độ:

Ứng suất pháp lớn nhất xác định được:

R y

5 , 9637758 )

( 963,77585 8

06 , 7 688 , 154 8

2 2

) (

6

,

64

) ( 462799 24

2 6 , 63 12

2 24 100 1 6 , 12 12

100 1 24 2 4 , 38 12

2 24 9 , 0 69 85 , 39 12

,

258

45 , 52

3 2

3 2

3 2

3

cm

y

cm J

cm y

x

c

=

= +

+ +

+ +

+ +

/ ( 3 , 1345 6

, 64 462799

5 ,

, 38 24 2 6 , 18

24 2 , 38 12

2 24 60 1 2 , 7 12

60 1 2 24 8 , 23 12

2 24 9 , 0 69 25 , 25 12

,

218

45 , 32

06 , 7 688 , 154

2

3 0

4 2

3 2

3 2

3 2

3

'

2 '

max

cm S

cm J

cm y

cm F

=

= +

+ +

+ +

+ +

=

=

=

= + + +

/ ( 873 1

157972

52 , 2525 9 ,

τ

3

10 7 , 16 10 6 , 6 8 , 0 462799 10

65

,

2

706 625 , 140

24 2 , 38 12

2 24 60 1 2 , 7 12

60 1 2 24 8 , 23 12

2 24 9 , 0 69 25 , 25 12

06 , 7 688 , 154

2

4 2

3 2

3 2

3 2

3

max

cm J

, 38 24 2 8

R

cm S

=

β

Thế số vào ta được:

) ( 5 , 0 1500 7 , 0 2

.

157972

2976 9 , 54604

Không cần kiểm tra ổn định tổng thể của dầm.

Kiểm tra ổn định cục bộ của các ô dầm:

m

th

b th

7 ,

) / ( 10 08 , 8 462799

4 , 37

) / ( 2110 )

/ ( 211 ) 8 , 74

1 100 )(

7 , 1

95 125 ( )

100 )(

95

125

(

) / ( 13333 )

/ ( 3 , 1333 4

, 37 2

1 100 746 2

100 100

2

2 5

2 2

2 2

2 2

2 2

2

cm daN Q Q

h

Q

cm daN M

M y

J

M

cm daN m

MN d

cm daN m

MN y

K h

b

b o

b

b o

= +

τ

δ δ

σ

c=280 c=280

2 2

Thế số vào ta được:

72 , 0 19 , 0

2 2

2 2

a Xác định kích thước hình học của dàn ngang:

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)

7 8

0

1

2

4 5

6

7 8

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:

45

5 45

5

5

45

5 5 34

4 34

4

4

34

4 4 23

3 23

3

3

23

3 3 12

2 12

2

2

12

2 2 01

1 01

l

Z l

W

P

l

Z W l

Z l

W

P

l

Z W l

Z l

W

P

l

Z W l

Z l

W

P

l

Z W l

Z l

Tổng áp lực tác dụng:

∑ = = 10 7 , 5 1 , 265 1 , 1 = 355 , 78 1 , 1 = 391 , 358 ( )

2

1 1 , 1 2

KN B

H

P i γ

Xác định sai số:

% 5

% 0 100 358

,

391

341 , 391

27 96,63 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

) ( 7 , 128 1565

201400

) ( 14 , 20 8

667 , 1 98 , 57

) / ( 98 , 57 705 , 52 1 , 1

) / ( 705 , 52 2

25 , 63 16 , 42 2

) / (

16

,

42

) / (

2 max

3 2

2

3

2 23

max

cm R

M

W

KNm M

m KN q

n

q

m KN q

q

q

m KN

q

m KN

X 53,8

90

) / ( 1565 )

/ ( 1263 8

, 175

201400 72

8418

) ( 8 , 175 38 , 15

8 , 2703

) ( 8 , 2703 12

9 , 0 54 9 , 0 54 07 , 3 4 , 23 38 , 6

1290

) ( 38 , 6 72

) 9 45 , 0

4

,

23

) ( 54 9 , 0 50 9 50

2 2

2

2

cm daN R

cm daN W

M F

N

cm y

J

W

cm J

cm y

cm F

cm b

b

u x

= +

+ +

=

= +

= +

=

+ σ

δ

Thõa mãn điều kiện về cường độ

Vậy ta chọn thép là IN

o

18 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:

R m

N F

ϕ

) ( 17 , 2 80

99 , 173

) ( 88 , 7 1490

r

cm F

gt

x yc

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(cm

/ ( 1360 2

55 , 7 4286 , 0

8804

4286 , 0 28

, 124

28 , 124 4

,

1

99 , 173

23 , 68 55

,

2

99 , 173

2 2

min

min 1 5 max

cm daN R

cm daN F

λ

λ

λ

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:

n yc n

R

N F

R

F

N

ϕ ϕ

Giả thiết đối với thanh bụng

) ( 94 , 1 100

39 , 194

) ( 56 , 1 100

39 , 194 8 ,

0

) ( 92 , 15 1490 6 , 0

14232

6 , 0 100

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(cm

2

), rx=2,71(cm), ry=3,18(cm) với δ=8mm

Kiểm tra cho tiết diện vừa chọn:

) / ( 1490 )

/ ( 1022 2

15 , 8 85435 , 0

14232

85435 , 0 13

, 61

13 , 61 18

,

3

39 , 194

39 , 57 71

, 2

39 , 194 8

,

0

2 2

min

min 1 5 max

0

cm daN R

cm daN F

λ

λ

λ

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:

0,5P m P m

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:

) (

2

)

) ( 91 , 219 95 , 52 95

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:

) ( 1 , 59 7 , 19

.

3

3

) ( 85 , 9 2

7 , 19

2

1

) ( 7 , 19 265 , 1 06 , 7

91 , 219 5 , 0 5

,

0

1

KN P

R

KN P

P

KN B

c Xác định nội lực trong dàn:

Dùng phương pháp tách nút để tìm nội lực trong thanh

1112

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:

n yc

N F

R

F

N

ϕ ϕ

Giả thiết đối với thanh bụng

) ( 57 , 7 100

757

) ( 056 , 6 100

757 8 ,

0

) ( 56 , 5 1490 6 , 0

4973

6 , 0 100

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(cm

2

), rx=3,5(cm), ry=3,96(cm) với δ=8mm

Kiểm tra cho tiết diện vừa chọn:

Độ mảnh thực của thép:

150 16

,

191

) / ( 1490 )

/ ( 5 , 1129 2

6 , 10 20768 , 0

4973

20768 , 0 16

, 191

16 , 191 96

,

3

757

03 , 173 5

, 3

757 8

,

0

max

2 2

min

min 1 5 max

cm daN F

ϕ

σ

ϕ λ

λ

λ

λ

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

) / ( 39 , 391 1 , 15

max

cm daN F

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

Xo

1000 20

20 10

Các đặc trưng hình học của tiết diện:

) ( 5369 32

171813

) ( 171813 12

60 1 2 ) 2 40 31 12

4

3 2

3

2

cm y

J

W

cm J

cm F

+

=

= +

=

Xác định tải trọng tác dụng lên trụ biên:

Pi là áp lực do dầm phụ truyền tới

2 2

2

B h a a

Momen lớn nhất tại gối 0:

) ( 36 , 43 222 , 2 61 , 15 111 , 1 81 , 7 222 , 2 111

Kiểm tra điều kiện cường độ:

Thay vào điều kiện cường độ ta có:

) / ( 1512 2100

72 , 0 ) / ( 74 , 130 5369

10 36 , 43 220

10 955 ,

= +

=

σ

Vậy tiết diện đã chọn thõa mãn điều kiện