Lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế cửa van phẳng cho công trình thủy lợi

• Bề rộng lỗ cống: Lo= 11.0 m • Cột nước thượng lưu: Ho= 5.5 m • Cột nước hạ lưu: Hh= 0 • Cao trình ngưỡng: = 0 • Vật chắn nước đáy bằng gỗ, vật chắn nước bên bằng cao su hình chữ P • Vật liệu chế tạo van: Phần kết cấu cửa: Thép CT3 Trục bánh xe: Thép CT5. Bánh xe chịu lực: Thép đúc CT35└ Ống bọc trục bằng đồng. • Hệ số vượt tải của áp lực thủy tĩnh: nq= 1.1 và của trọng lượng bản thân: ng= 1.1 • Độ võng giới hạn của dầm chính: ; của dầm phụ .(Tra bảng 41 trang 61 GT Kết cấu thép ĐHTL

A TÀI LIỆU THIẾT KẾ :

 Bề rộng lỗ cống: Lo= 11.0 m

 Cột nước thượng lưu: Ho= 5.5 m

 Cột nước hạ lưu: Hh= 0

 Cao trình ngưỡng: = 0

 Vật chắn nước đáy bằng gỗ, vật chắn nước bên bằng cao su hình chữ P

 Vật liệu chế tạo van:

- Ứng suất pháp khi kéo nén dọc trục: Rk,n= 1490 daN/cm2

- Ứng suất pháp khi uốn: Ru= 1565 daN/cm2

- Ứng suất cắt: Rc= 895 daN/cm2

- Ứng suất ép mặt đầu: Remđ=2230daN/cm2

 Hệ số điều kiện làm việc: Đối với cửa van chính thuộc nhóm 1-4 m=0.72m

B NỘI DUNG THIẾT KẾ:

B

c c

G

Nh×n theo G

1 Thiết kế sơ bộ dầm chính :

Thiết kế cửa van phẳng trên mặt 2 dầm chính

* Xác định nhịp tính toán của cửa van:

wn

2 H 3

3 H

- Chọn khoảng cách từ mép cống tới tâm bánh xe: c = 0.25 m.

Nhịp tính toán cửa van là: L = Lo+ 2c = 11 + 20.25 = 11.5 m

* Chiều cao toàn bộ cửa van: H0 = 5.5 m

* Vị trí hợp lực của áp lực thủy tĩnh đặt cách đáy van một đoạn:

Z = H3 = 53.5= 1.83 m

* Chọn đoạn công xôn phía trên a1

- Theo yêu cầu thiết kế: a1  0,45 hv = 0.45 5 5= 2.475 m, chọn a1= 2.4 m

- Để hai dầm chính chịu lực như nhau thì phải đặt cách đều tổng áp lực nước

→ Vậy khoảng cách hai dầm chính là: a = 2(H0 - a1 - Z) = 2(5.5 – 2.4 – 1.83) = 2.54 m

* Đoạn công xôn phía dưới a2

Hình 2 Sơ đồ tính toán dầm chính

 Xác định nội lực dầm chính: Mômen uốn tính toán lớn nhất:

Mmax =

2 2

L q

tc tc

q n p n

q p

1 10

1 2

600 10

5 11 1565 24

5

6

2 min

Do hkt > hmin → Chọn h = hkt = 124 cm → hb=0.95 x 124 = 118.37 cm

- Giàn ngang nằm trong phạm vi dầm chính không thay đổi tiết diện

- Số giàn ngang nên chọn lẻ để các kết cấu như dầm chính, giàn chịu trọng lượng có dạng đối xứng Ở đây bố trí 3 giàn ngang và 2 trụ biên

3 Bố trí dầm phụ dọc (3)

Dầm phụ dọc hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các giàn ngang có thể tính như dầm đơn, gối tựa là 2 giàn ngang và đỡ tải trọng của bản mặt truyền đến Dầm phụ được bố trí song song với dầm chính, càng xuống sâu dầm càng dầy vì áp lực nước tăng.Khoảng cách giữa các dầm phụ 0.7÷0.9 m Dầm phụ chọn tiết diện chữ C đặt úp để tránh đọng nước Bố trí các dầm phụ dọc như hình 3

Hình 3 : Bố trí các dầm dọc phụ

Nguyễn Đức Anh

4 Trụ biên (6)

Trụ biên ở hai đầu cửa van, chịu lực từ dầm chính, dầm phụ và lực đóng mở van Trụ biên gắn với gối tựa kiểu trượt hoặc bánh xe truyền lực lên trụ pin Các thiết bị treo, chốt giữ vàmóc treo cũng được nối với trụ biên

Tiết diện trụ biên của cửa van trên mặt thường có dạng chữ I Để đơn giản cấu tạo chiều cao trụ biên thường chọn bằng chiều cao dầm chính

5 Giàn chịu trọng lượng (5)

Giàn chịu trọng lượng bao gồm cánh hạ của dầm chính, cánh hạ của dàn ngang, được bổsung thêm các thanh bụng xiên có tiết diện là các thép góc đơn hoặc ghép

6 Bánh xe chịu lực

Để đóng mở cửa van cần bố trí kết cấu di chuyển cửa van bằng thanh trượt hoặc bánh xechịu lực Bánh xe được bố trí ở mặt sau trụ biên, bánh xe bên và bánh xe ngược hướng nên dùng bánh xe cao su để giảm chấn động.:

7 Bánh xe bên

Để khống chế cửa van không bị dao động theo phương ngang và đẩy về phía trước, người ta thường bố trí các bánh xe bên Đôi khi người ta kết hợp sử dụng bánh xe chịu lực đồng thời làm bánh xe bên.

8 Vật chắn nước

Vật chắn nước hai bên và vật chắn nước được sử dụng vật liệu bằng cao su bố trí ở hai bên và dưới đáy cống dạng củ tỏi

II Tính toán các bộ phận kết cấu van.

Tính toán bản mặt: Bản mặt được bố trí thành 4 cột giống nhau nên chỉ cần tính cho một dãy

cột Các ô dầm được tính toán như tấm hình chữ nhật chịu tải trọng phân bố.Có hai trường hợp xảy ra:

* Khi ô có cạnh dài > 2 lần cạnh ngắn: Ô được tính như tấm tựa trên 2 cạnh Trường hợp này chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

Trong đó:

- a: Cạnh ngắn của ô bản mặt (cm)

- b: Cạnh dài của ô bản mặt (cm)

- pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (daN/cm2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (daN/cm2)

* Khi ô có cạnh dài < 2 lần cạnh ngắn: Ô được tính như tấm tựa trên 4 cạnh Trường hợp này chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

Nguyễn Đức Anh

Trong đó:

- a: Cạnh ngắn của ô bản mặt (cm)

- pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (daN/cm2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (daN/cm2)

-  : Hệ số phụ thuộc vào tỷ số b/a

 Để tính toán ta lập bảng tính như sau:

R

p

 1

I 4 0.8 2.875 3.59375 0.0530236 2.58755142

II 12 0.8 2.875 3.59375 0.0918396 4.48177053III 16 0.8 2.875 3.59375 0.1060472 5.17510285

IV 27.25 0.65 2.875 4.423077 0.1383956 6.75370749

V 33.75 0.65 2.875 4.423077 0.1540196 7.51615768

VI 40.25 0.65 2.875 4.423077 0.1681985 8.20808672VII 46.45 0.59 2.875 4.872881 0.1806891 8.81762963VIII 52.2 0.56 2.875 5.133929 0.1915466 9.34747355

Từ bảng kết quả trên và xét đến điều kiện ăn mòn ta chọn chiều dày bản mặt:

bm

 = 10 mm

Hình 4

2 Tính toán dầm phụ dọc

Dầm phụ truyền lực lên dàn ngang Dầm phụ dọc được tính như dầm liên tục hoặc dầm đơn tùy thuộc cách bố trí dầm phụ Với cách bố trí dầm phụ dọc bằng mặt với cánh thượng của dàn ngang, dầm phụ dọc được tính như dầm đơn, nhịp là khoảng cách giữa hai giàn ngang và chịu tải trọng phân bố đều có cường độ là:

- ad: Khoảng cách từ dầm đang xét đến dầm dưới nó.

- pi: Áp lực thủy tĩnh tại trục dầm thứ i (daN/cm2)

5 287 97 26 1 1 8

2 2

R M

Hình 6

+/ F = Fc + Fbm = 26.7+ 58 x1= 84.7 cm2

7 84 2

) 1 22 ( 1 58 2

) (

1 58

809 4532

1 809 4532 10

1 2

5 287 97 26 384

5 384

5

0 6

3 3

B q B

f

x tc

KL: Tiết diện dầm phụ [N022 đã chọn ở trên là hợp lý

86 0 140

100 534 457 5 1 5

1

Chiều dầy bản cánh lấy theo kinh nghiệm:

124 02 0 02

c

→ Như vậy chọn c  2 6cm là hợp lý (Bội số của 2 mm)

→ Chiều cao của dầm chính: h = hb + 2c= 120 + 2× 2.6 = 125 cm

Khoảng cách trung tâm giữa hai bản cánh: hc = hb + c= 120 + 2.6 = 124.6 cm

12

3 3

b b c

c x

h b

h b

12

120 ) 1 25 ( 12

Vì dầm chính hàn vào bản mặt nên phải xét tới bản mặt cùng tham gia chịu uốn với dầm chính

Bề rộng b của bản mặt cùng tham gia chịu lực với dầm chính phải thỏa mãn các điều kiện sau:

b≤ 0.5(at + ad) = 0.5× (59 + 56) = 57.5 cm

b≤ bc + 50bm= 25 +50×1 = 75 cmb≤ 0.3L = 0.3×11.5 = 3.45 m = 345 cmVậy chọn b = 57 cm

* Kiểm tra lại tiết diện đã chọn xét đến phần bản mặt

cùng tham gia chịu lực với dầm chính :

a/ Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện ghép

Gọi yc là khoảng cách từ trục x (Trục quán tính chính trung tâm của tiết diện tính toán) đến trục x0 (Trục quán tính chính trung tâm của dầm I đối xứng)

yc=

bm

bm bm

xo

F F

h F F

1 57 250

5 0 ) 1 125 ( 1 57

1 57

10 602

M

Ta thấy:  max= 1277.50 daN/cm2 < 0.85Ru = 0.85×1565 = 1330.25 daN/cm2

Vậy tiết diện dầm chính vừa chọn thỏa mãn điều kiện về ứng suất pháp Trong thiết kế ta để

dư ra khoảng 15% ứng suất để xét tới bản cánh của dầm chính còn phải chịu trọng lượng bản thân của cửa van khi nó là thanh cánh trên và cánh dưới của giàn chịu trọng lượng

yc

y

xox

- Góc thoát nước:

25 1

25 0 5 0 5 0 5 0

 = 0.30→  = 16041’ < 300

Vậy bản bụng của dầm chính cần phải khoét lỗ Diện tích lỗ khoét ≥ 20% diện tích bề mặt bản bụng

b/ Thay đổi tiết diện dầm chính:

Để tiết kiệm thép và để giảm bớt bề rộng rãnh van nên dùng dầm chính có chiều cao thay đổi (Hình 8) Trong cửa van vì yêu cầu giàn ngang không thay đổi nên điểm đổi tiết diện phải bắt đầu từ vị trí giàn ngang ngoài cùng ở hai bên

Hình 8

Chiều cao tiết diện dầm chính tại gối dầm lấy bằng:

ho = 0.6h = 0.5×125 = 62.5 cm(Thường được lấy bằng (0,4 0,5)h, trong đó h là chiều cao dầm chính giữa nhịp)

→ Chọn h0 = 62 cm

c/ Kiểm tra ứng suất tiếp:

Kiểm tra ứng suất tiếp tại tiết diện đầu dầm chính tính như sau:

Nguyễn Đức Anh

b x

J

S Q

S : Mô men tĩnh của tiết diện đầu dầm

Tính toán các đặc trưng hình học của tiết diện tại gối dầm (hình 9)

Hình 9

Ta có:

06 8 5 2 25 2 1 62 1 57

5 0 ) 1 5 2 2 62 ( 1 57 0

62

6 2 25 ) 06 8 2

1 2

62 ( 12

6 2

62 ( 12

6 2

3383 4

45753

L q L

384 5

→

8 0 42 613010 10

1 2

10 5 11 625 75 384

5

6

6 3

c dh

R J

S Q h







2

1

0

0 max

≥ b

2 1

2 67

h g x

c dh

R J

S Q h







4 1

1

0

0 max

2

) (

42

.

0

cm h

f/ Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng dầm:

h

 > 100→ bản bụng dầm chính cần được gia

cố bằng các sườn chống đứng với khoảng cách a ≤ 2h b( hình 11)

- Vì khoảng cách giữa các dàn ngang là : 287.5 cm > 2h b= 2× 120 = 240 cm → Phải đặt thêm các sườn đứng vào giữa các dàn ngang Như vậy khoảng cách giữa các sườn đứng là : 1.4375 m

- Kiểm tra ổn định cục bộ của mỗi ô bản bụng dầm tính theo công thức sau:

y J M

Hình 11

M: Mô men lấy tại tâm của hình vuông có cạnh là hb lệch về phía mô men lớn

Đối với ô hình thang số 1,2 (Hình 11) ta coi như là hình chữ nhật có chiều cao bằng chiều cao trung bình ở giữa ô

Nguyễn Đức Anh

62 cm

43

Trường hợp tiết diện không đối xứng, h0lấy bằng 2 lần chiều cao vùng nén

+/ th: Ứng suất tiếp tới hạn

 ( 1 25 0.952 )( 100 )2 103

d

b th

y

x



yb(-) yb

th = 746( ) 10

60 96

1

100 2

daN/cm2 = 7994.38daN/cm2+Tính th :

10 ) 100 (

95 + 125

(

d

b th

δ μ

120

1 100 ( 1.198

95 125

y J

Nguyễn Đức Anh

11502

15 5 2

-11 188 83 2

) - ( - 2

2 2

4 4

M tt

= 1357.63 (KN.m)

b = ( )

b x

y

J

= 4 48 03 817 90 / 2

0 797244

10 63 1357

cm daN







+ Tính b : b =

b

b h

( q -

10 812 59

cm daN

84 49 ( ) 38 7994

90 817

hb = 2 (  )

y b = - 11 70 ) 96 60cm

2

120 (

th = 746( ) 10

60 96

1

100 2

daN/cm2 = 7994.38daN/cm2+ Tính th:

10 ) 100 (

95 + 125

(

d

b th

δ μ

τ

Nguyễn Đức Anh

1 100 ( 1.198

95 125

287,5 - 2

120 - 2

1150 2

B - 2

713 3 2

-11 188 83 2

) - ( - 2

2 2

3 3

M tt

= 1200 KN.m

b = ( )

b x

y

J

= 4 48 30 725 19 / 2

0 799244

10 1200

cm daN

5 287 - 2

( q -

tt

10 353 179

cm daN

46 149 ( ) 38 7994

19 725 (  = 0.14 < 0,72Vậy ô số 3 không bị mất ổn định

 Kiểm tra ổn định cục bộ cho ô số 2 :

x

Theo talet ta có:

cm x

x

14 27 25

5 287

-2

5 287 - 25 -

2

) 5 , 0 2

107 ( 1 57

3 2

2 3

2 3

00 575629 1

57 ) 5 , 0 66 10 2

107 ( 12

1 57 25 6 2 ) 66 10 2

6 2 2

8 101 ( 12

6 2 25 2 1 8 101 66

10 12

th = 746( ) 10

48 80

1

100  2

daN/cm2 = 11517.62 daN/cm2+ Tính th :

10 ) 100 (

95 + 125

(

d

b th

δ μ

τ

8

8 101

1 100 ( 1.412

95 125

y

8.101-5.2872

366 2 2

-11 188 83 2

) - ( - 2

2 2

2 2

M tt

= 896.29 KN.m

b = ( )

b x

y

J

= 4 40 24 626 56 / 2

0 575629

10 29 896

cm daN

11 83.188 C)

( q -

10 96 298

cm daN

67 293 ( ) 62 11517

56 626 (  = 0.18 < 0.72Vậy ô số 2 không bị mất ổn định

3

78

Hình 12

- Giàn ngang truyền lực lên dầm chính nên dầm chính là gối tựa của giàn ngang

- Tải trọng: Giàn ngang chịu tác dụng của áp lực nước phân bố theo quy luật tam giác

- Gọi cácđiểm nút là 0,1,2,3,4,5, ứng với các Pi (i=0, 5)

- Xác định Pi theo nguyên tắc phân phối đòn bẩy, áp lực nước phân bố giữa hai mắt dàn được đưa về mắt giàn ( Ở đây áp lực nước phải nhân thêm bề rộng B- khoảng cách giữa hai dàn ngang)

- Nếu phân các biểu đồ áp lực nước hình tam giác có thể tiến hành như sau:

1 3

2

W W

3

1 400 41 2

1 700 20 3

1 + 3

3 3

' ,

2 1

043 86 185 23 3

1 630 87 2

1 700

1 + ' 3

2 +

2

1

4 4

3

W

000 134 185 23 3

1 000 134 2

1 185 23 3

2 630

1 + ' 3

2 +

2

1

5 5

4

W

) ( 726 123 508 4 3

1 534 79 2

1 185 23 3

2 000

H 10 5 5 2 875 434 844

2

1

941 427 844

= 1.6 % < 5% → Chấp nhận được

 Xác định nội lực trong các thanh dàn bằng phương pháp đồ giải Cremona.(cơ

kết cấu tập I), sau đó kiểm tra lại nội lực một thanh bằng phương pháp giải tích (mặt cắt, tách mắt )

+ Xác định phản lực ở 2 gối tựa 6 và 7

M7 = R6 x 2.54+ P0 x 2.4 + P1 x 1,2-P3 x 1.27 - P4 x 2.54 - P5 x 3.1 =0

R6 = 216.849 kN.()

R7 = 434.844 - 216.849 = 217.995 kN()

+/ Xác định nội lực trong các thanh dàn:

Tính chiều dài các thanh dàn và các góc

m

m m

m m

56

,

0

25

1

27

1

625 0 2

25 1 2

625 0

1 01

27 1

2 27

25 1

3 45

Nội lực(kN)

Trạng tháinội lực0-1 13.246 Chịu kéo1-2 13.246 Chịu kéo0-8 14.935 Chịu nén

1-8 41.40 Chịu nén

8-2 44.805 Chịu nén

8-7 59.741 Chịu kéo2-7 48.155 Chịu nén2-3 26.492 Chịu nén7-3 281.466 Chịu nén7-6 253.583 Chịu kéo3-4 291.548 Chịu nén3-6 90.439 Chịu kéo4-5 291.548 Chịu nén4-6 127.726 Chịu nén5-6 46.808 Chịu nén

 Chọn tiết diện thanh dàn và kiểm tra lại tiết diện chọn:

+/ Chọn tiết diện cho thanh cánh thượng:

Thanh cánh trên thường dùng tiết diện chữ I Thanh cánh thượng của dàn ngang ngoài lực chịu lực dọc (thường là chịu kéo) 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 lưc

Chọn thanh 3-4 để tính toán vì thanh có lực dọc N= 291.548 kN lớn nhất thanh cánhthượng.vµ chiÒu dµi lín: l34 = 127 cm

M«men uèn lµ:

8

2 23 max

l q

M  tb

) / ( 05 43 2

⇒

) / ( 4 49 γ

) / 7 36 γ

4 3

2 4

1 3

m kN q

q q

m kN B

H q

m kN B

H q

l q

 =9.547 kN.m

Nguyễn Đức Anh

MkN.m

1565

10 547 9

R

M u

I N 16

x

ss

Kiểm tra tiết diện đã chọn khi có sự tham gia chịu lực của bản mặt:

) / ( 1565

) / (

1310

75 103

10 547 9 8

74

10 548 291 σ

⇒

) ( 75 103

≈ 8 12

0 1328

) ( 0 1328 12

1 4 57 4 57 7 1 572 4 17 8

.

5

) ( 8 5

≈ 8

74

) 5 0 7 ( 4

.

57

) ( 8 74 1 4 57 4

.

17

4 57 1 50 3 7 δ 50

2 2

4 2

) (

3

max max

4 3

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

x x

x

c

bm c

 Chän thÐp IN014 cho tÊt c¶ c¸c thanh c¸nh thîng.

 Chän tiÕt diÖn thanh c¸nh h¹: thanh 7-6 lµ thanh bÊt lîi nhÊt.v× thanh nµy cã nộilực lín nhÊt trong c¸c thanh c¸nh h¹

N

.



- Gi¶ thiÕt: gt  80    0 , 75 b¶ng 5-1

) ( 175 3 80

254 λ

⇒

) ( 69 22 75

, 0 1490

10 583 253

⇒

/ /

2 2

/

cm l

r r

cm R

N F

gt

x c y y c y x

k c y

- F1 = 15.5 cm2; rx1 = 3.15 cm; ry1 = 2.71 cm víi   10mm

- KiÓm cho tiÕt diÖn võa chän:

§é m¶nh thùc cña thÐp:

7 93 λ

λ

⇒ 7 93 71 2 254 λ

6 80 15 3 254 λ

r l r l

Tra b¶ng 5-1 ta được min= 0,675

) / ( 1490 )

/ ( 1212 2

5 15 675 0

10 583 253

σ

min

cm daN R

cm daN F

 Chän tiÕt diÖn thanh bông:

- TÝnh cho thanh bông 7-3 thanh nµy cã lùc nÐn lín nhÊt

- Giả thiết λgt  100 ⇒   0 , 6

1490 6 , 0

10 466 281

2 2

2 /

r

gt

c y y c y x

⇒ 3 43 11 4 178 λ

45 51 46 3 178 λ

max 0

r l r l

Tra bảng ⇒ min  0 886

⇒ ) / ( 1490 )

/ ( 1045

≈ 2 2 15 886 0

10 466 281 σ

Tổng hợp các thanh thép đợc dùng trong giàn nh bảng sau

Ký hiệuthanh giàn lọai thép

Trạng tháinội lực

a Xác định trọng lượng cửa van:

Xác định trọng lượng cửa van theo công thức gần đúng sau:

a G G

 Tải trọng tính toán : trọng lượng G1 được đưa về các mắt dàn, trong đó:

) ( 352 32 875 2 5

11

819 258 5 0

5 ,

 Xác định nội lực trong thanh dàn:

Dùng phương pháp đồ giải sau đó kiểm tra lại một thanh bằng phương pháp giải tích

Nguyễn Đức Anh

A0

Ký hiệuthanh giàn

Chiều dàithanh (m)

Nội lực(kN)

Trạng thái nội

 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 (miềm kéo)

Nguyễn Đức Anh

Tính thanh bụng đứng phải kể đến ứng suất khi thanh đồng thời nằm trong dàn ngang đã tính

ở phần trên sau đó tổng hợp lại để nằm trong dàn ngang đã tính ở phần trên, sau đó tổng hợp lại để xác định ứng suất trong thanh

- Chọn tiết diện cho thanh bụng xiên:

+ Chọn tiết diện thanh xiên :

+ Tính toán với thanh 1-8:

,

0

10 53

10 374 ,

10 374 ,

2 29756

,

0

10 53 ,

cm daN

 Vậy tiết diện đã chọn là hợp lý

+Kiểm tra thanh đứng: thanh 7-6 thép 2L56x36x5 có F=4,98cm2