Do an thep

cấu tạo chungTheo phơng dòng chảy, cửa van sẽ chịu tác dụng của áp lực nớc lên bản mặt, áp lực này từ bản mặt truyền lên hệ dầm phụ gồm: dầm phụ đỉnh, dầm phụ đáy và các dầm phụ nằm ngan

I Tài liệu thiết kế:

1 Cửa van trên mặt thuộc nhóm 4,

2 Chiều rộng của cống: L0 = 13,0 m,

3 Chiều cao cửa van: H0 = 5,7 m,

4 Chiều cao cột nớc tính toán: H = 5,55 m,

5 Hạ lu không có nớc,

6 Vật liệu thép CT3, các bộ phận đúc bằng thép CT35đ, trục bánh xe bằng thép CT5, ống bọc trục bằng đồng,

II Yêu cầu:

Thiết kế van phẳng bằng thép theo phơng pháp phân tích kết cấu thành các hệ phẳng, cần đi sâu về mặt kỹ thuật bao gồm:

1 Một bản thuyết minh tính toán các bộ phận chính của cửa van,

2 Một bản vẽ kết cấu van và các chi tiết kết cấu van trên khổ giấy A1,

I cấu tạo chung

Theo phơng dòng chảy, cửa van sẽ chịu tác dụng của áp lực nớc lên

bản mặt, áp lực này từ bản mặt truyền lên hệ dầm phụ gồm: dầm phụ

đỉnh, dầm phụ đáy và các dầm phụ nằm ngang, Hệ dầm phụ sẽ truyền áp

lực lên giàn ngang (đặt vuông góc với các dầm phụ), Các giàn ngang này

tựa lên 2 dầm chính trên và dới, truyền tải trọng lên 2 dầm chính, Tải

trọng sẽ đợc hai dầm chính truyền lên 2 cột biên và truyền tiếp qua các

bánh xe, có vai trò nh gối tựa di động, lên hai trụ pin của công trình tại vị

trí khe van,

Theo phơng thẳng đứng, cửa van chịu trọng lợng bản thân, kết cấu

chịu trọng lợng bản thân van thờng dùng giàn có hệ thanh bụng xiên và

đợc cấu tạo bởi các thép góc đơn,

Các bánh xe ngợc hớng, bánh xe bên giúp cho cửa van chuyển động

dễ dàng dọc theo khe van, làm cho cửa van không rung động và lệch khỏi

đờng ray

chính diện hạ lưu chính diện thượng lưu

chiếu bằng

II vị trí và bố trí chi tiết các kết cấu

II.1 Xác định sơ bộ kích thớc dầm chính:

áp lực nớc tác dụng lên bản mặt là:

) ( 154 55

, 5 10 2

1

2

KN H

• Hai dầm có kích thớc nh nhau, tải trọng tác dụng lên bằng nhau, chọn sơ bộ: at =

ad ⇒ lực tác dụng lên mỗi dầm chính là:

) ( 77 2

Chọn: λb =130+ Wy c: mômen chống uốn yêu cầu,

) ( 22 , 1968 8

3 , 14 77 8

2 2

max

max

KNm

qL M

22 ,

)(35,10126,0.130.5,1

q p

E

n L R h

tc tc

24

)(35,1

)(33,11.10

.1,2

600.3,14.10.1565.245

min

8

2 min

m h

h

m h

Chọn sơ bộ chiều cao dầm chính: h = max(hmin;h KT) =1,42(m)

• Chiều cao bản bụng dầm chính:

hb = 0,95,h = 0,95.1,42 ~ 1,35 ⇒ chọn hb = 1,35(m) = 135 (cm)

• Chiều dày bản bụng dầm chính:

+ Từ độ mảnh giả thiết:

)(04,1130

135

cm h

b

b

λδ

+ Từ điều kiện chống cắt:

)(68,0895.135.2

10.3,14.77.5,1 2

5,1 5,1

2

cm R

h

L q R

h

Q

c b c

b

δ

(Rc: tra bảng 1 thép CT3)

⇒ chọn: δb =1 cm,6( )

• Xác định kích thớc bản cánh:

+ Chiều dày bản cánh:

) ( 3

7 , 2 135 02 , 0 02 , 0

δchọn

⇒ Chiều cao chính xác của dầm: h = h b +2.δc =135+ 2.3=141(cm)

.2

c c

c c

c

h

J c

F b

141.10.26,112

.2

W

c y

)(26)

(92,23138

.3

75,683268

30

δ

δ ≥ − (Thép CT3: R = 1490 daN/cm2)

989,01490

210030

126

• Vị trí dầm chính đợc bố trí sao cho thoả mãn các điều kiện:

+ Khoảng cách từ dầm chính trên tới đỉnh van phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,45H0

(H0: chiều cao cửa van),

+ Khoảng cách từ dầm chính dới tới đáy van phải thoả mãn điều kiện: α ≥300

• Từ điều kiện (1), ta có:

)(55,2

)(565,27,5.45,0

45,

1

m

m H

• Vị trí hợp lực của áp lực thủy tĩnh là:

)(85,13

55,5

55,5.215,03

.2)

, 0 141

13 100 185

c d

Vậy ta có vị trí của hai dầm chính là:

m1a

m

1,3a

m

2,55a

2 d t 1

II.3 Bố trí giàn ngang:

Để đảm bảo độ cứng ngang của cửa van, khoảng cách giữa các giàn ngang không nên lớn hơn 4m, Bố trí giàn ngang cần phải tuân theo 3 điều kiện sau đây:

+ Các giàn ngang cách đều nhau và bằng nhau khoảng cách giữa giàn ngang với trụ biên:

m m

L

b 3,58( ) 4

4

3,14

=

+ Giàn ngang nằm trong đoạn đầu dầm chính không thay đổi tiết diện,

+ Đặt một giàn ngang ở giữa van để giàn chịu trọng lợng có dạng đối xứng,

Ta bố trí 3 giàn ngang với một giàn ngang ở chính giữa,

II.4 Bố trí dầm phụ dọc:

Dầm phụ đợc hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các giàn ngang có thể tính nh các dầm đơn, Dầm phụ chọn loại tiết diện chữ C đặt úp

Trong khoảng từ dầm chính trên với dầm đỉnh và giữa hai dầm chính, ta bố trí mỗi khoảng 2 dầm phụ cách đều nhau:

+ Khoảng cách giữa hai dầm phụ, giữa dầm phụ với dầm đỉnh, giữa dầm phụ với dầm chính trên, bố trí trong khoảng từ dầm chính trên với dầm đỉnh là:

)(85)(85,03

55,23

3,11

a a

.2

n R

p k

a i

i

+

=δ

• Khi tỷ số giữa cạnh lớn và cạnh nhỏ của ô bản mặt lớn hơn 2 (b a >2) thì bản

mặt đợc coi nh tựa trên hai cạnh và chiều dày bản mặt đợc xác định theo công thức:

u

i i

R

p a.

.61,0

=δ

+ pi: cờng độ áp lực thủy tĩnh ở tâm của ô bản mặt thứ i (daN/cm2)

• Khi tính toán, dầm phụ dọc coi nh

dầm đơn, nhịp là khoảng cách giữa hai

giàn ngang và chịu tải trọng phân bố đều

có cờng độ là:

)/(2

p

i i i

Trong đó:

+ pi : áp lực thuỷ tĩnh tại trục dầm thứ i (daN/cm2)

+ an, an+1: khoảng cách từ dầm đang xét tới dầm trên nó và dầm dới nó (cm)+ bi : bề rộng của tải trọng tác dụng lên dầm phụ thứ i,

• Lập bảng tính tải trọng tác dụng lên dầm phụ:

Các dầm phụ phải xét đến là: dầm phụ 2,3,5,6; dầm 1 và 8 là dầm biên trên và dới; dầm 4 và 7 là 2 dầm chính,

Bảng 2: Xác định tải trọng tác dụng lên dầm phụ

R

M

W = ; Ru = 1565.102 (KN/m2)

Từ bảng trên ⇒ Wy/c = Wimax = 32,239.10-5 (m3) = 322,39 (cm3)

Để đảm bảo an toàn, ta chọn Wy/c trên để tính toán cho tất cả các dầm phụ còn lại

Từ Wy/c đã tính, ta chọn dầm phụ là thép định hình chữ C có số hiệu thép: CN027, có các đặc trng hình học là:

6 , 0

308

cm W

cm W

47 , 2

cm F

cm Z

, 0 27

141

13 100 185

h h

b a Z tg

• Vì dầm phụ đợc hàn với bản mặt nên bản mặt cũng tham gia chịu lực với dầm phụ:+ Bề rộng bản mặt tham gia chịu lực là:

yc

y

xo x

b b c

δ

h

b

B= c + δbm = + =

+ Kiểm tra dầm phụ đã chọn:

Dầm phụ đã chọn phải thoả mãn yêu cầu về độ võng:

250

11

384

E

b p B

cm F

F y y

c

i

i i c

8,8

)(8,85

,5925,35

2

127.1.5,592,35.0

=

⇒

≈+

( 726 , 8499

5 , 59 ) 8 , 8 14 ( 12

1 5 , 59 ) 2 , 35 8 , 8 4160 (

2

.

4 8 4

2

3 2

2

2 1

2

m cm

F y

h J

F y J J

J

x c

I x

II x

I x x

+

= +

=

δ

- Kiểm tra độ võng:

250

1730

110

.726,8499.10.1,2

58,3.9,40

384

5

8 8

Vậy dầm phụ đã chọn thoả mãn điều kiện về độ võng

3.3 Tính toán dầm chính:

3.3.1 Xác định tải trọng tác dụng lên dầm chính:

Vị trí của dầm chính nếu xét tới các yêu cầu khác mà phải điều chỉnh nhiều, làm cho vị trí hai dầm chính không còn đối xứng qua phơng tác dụng của hợp lực của áp lực thủy tĩnh W nữa, thì dầm chính sẽ chịu tải trọng khác nhau Nh vậy, cần phải tìm tải trọng thực tế tác dụng lên mỗi dầm và lấy dầm chịu tải trọng lớn nhất để thiết kế

Tải trọng tác dụng lên mỗi mét dài dầm chính trên và dới đợc xác định theo công thức sau:

87,1(KN/m)2,3

1,3154

1,3154

)66,96(KN/m2,3

1154

+

=+

=

≈

=+

=+

=

3,11

3,11

1.154

d t t

d t

d t

a a

a W q

a a

a W q

Trong đó:

at: là khoảng cách từ dầm chính trên đến phơng của hợp lực W

ad: là khoảng cách từ dầm chính dới đến phơng của hợp lực W

Vậy tải trọng tác dụng lên dầm chính trên và dới là: q = 87,1 (KN/m)

chịu uốn với dầm chính phải thoả mãn các điều kiện sau đây:

b b

a a b

bm c

n n

.3,0

.50

).(

5,

h

α≥ 30

O

= +

≤

⇒

) ( 29 , 4 3 , 14 3 , 0

) ( 76 1 50 26

) ( 81 ) 77 85 (

5 , 0

m b

cm b

cm b

⇒ Chọn: b = 76(cm).

• Kiểm tra lại tiết diện đã chọn kể cả phần

bản mặt tham gia chịu lực:

- Xác định đặc trng hình học của tiết diện:

) ( 12 6 , 1 135 26 3 2 1 76

71 1 76

cm F

F y y

i

i i

+ +

y =

IV x

III x

II x

I x

J = + + +

)(3,1389013

)(3,26456259

.2.7612

1.76

)(5,25348057

.3.2612

3.26

)(5,51181681

.3.2612

3.26

)(35915412

.135.6,112

135.6,1

4

4 2

3 4

2 4 ) 4 (

4 2

3 3

2 3 ) 3 (

4 2

3 2

2 2 ) 2 (

4 2

3 1

2 ) 1 (

cm J

J

cm F

y J

J

cm F

y J

J

cm F

y J

J

cm F

y J

J

i x x

=+

=

=+

=+

=

=+

=+

=

=+

=+

=

∑

- Kiểm tra về cờng độ:

)/(

8

13.1,874

3,14.13.1,878

.4

0 0

)/(43,13115

,823,1389013

10

Vì dầm còn làm nhiệm vụ là thanh cánh thợng của giàn chịu trọng lợng bản thân van nên về mặt cờng độ cần phải có một lợng dự trữ nhất định Vì vậy, điều kiện bền là:

)/(25,13301565

.82,0

85,

σ

)/(25,1330

85,043,

⇒ Tiết diện dầm chính đã chọn là hợp lý.

3.3.3 Thay đổi tiết diện dầm chính:

Để tiết kiệm thép và để giảm bớt bề rộng rãnh van ta dùng dầm chính có chiều cao thay đổi Về nguyên tắc, điểm đổi tiết diện cách gối dầm một đoạn l6 là lợi nhất nhng trong cửa van vì yêu cầu giàn ngang nằm trong phần dầm chính không thay đổi tiết diện nên điểm đổi tiết diện phải bắt đầu từ vị trí giàn ngang (đầu dầm)

Chiều cao tiết diện dầm chính tại gối dầm thờng lấy bằng: h0 =(0,4ữ0,65)h

ở đây ta lấy: h0 = 0,57.h = 0,57.135 = 77 (cm)

3.3.4 Kiểm tra ứng suất tiếp:

• Ta có công thức sau:

c x

R b

J

S Q

Trong đó: - Jx0: mômen quán tính của tiết diện đầu dầm

- S0 : mômen tĩnh của tiết diện đầu dầm

• Tính toán các đặc trng hình học của tiết diện tại gối dầm:

- Toạ độ trọng tâm tiết diện:

)(5,826.3.270.6,11.76

76.5,38

cm F

F y y

i

i i

++

to CN

J = − +

( )

)(7,1131245

,82

781.7612

1.76

)(8,75913470

.2

6,126.5,812

70.6,126

)(3,113379977

.26.5,812

77.26

4

4 2

3

4 2

3

4 2

3

cm J

cm J

cm J

con to

bm

con CN

to CN

=+

−

=

=+

=

( ) 26 3 45 5023 , 8 ( )

2

5 , 43 6 , 1 5 ,

13.1,872

0

) / ( 895 )

/ ( 4 , 364 6

, 1 2 , 487789

8 , 5023 10 15 , 566

0

0 max

b J

S Q

c x

⇒ Dầm chính thoả mãn điều kiện về cờng độ.

3.3.5 Kiểm tra về độ võng:

600

11

709

13,1389013

10.1,2.8,0

10.3,14.10.2208

48

5

48

5

0 6

2 4

=

n J

E

L M l

f

x

tc

α

⇒ Dầm chính thoả mãn điều kiện về độ võng.

3.3.6 Tính liên kết giữa bản cánh và bản bụng dầm:

h g x

c dh

h

R J

S Q h

δ

β

21

2

1

0

0 max

6,1

21

3,01045.4,1

1.2,487789

3510.10.15,

cm h

h

b dh

dh

δ

Chọn: hdh = 0,8 (cm)

3.3.7 Kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng:

Thanh cánh của giàn ngang đợc liên kết với bản bụng của dầm chính nên nó truyền lực tập trung vào bản bụng dầm Vì thế, ở vị trí nối tiếp giữa bản bụng dầm chính và thanh cánh của giàn ngang, bản bụng dầm chính cần đợc gia cờng bằng

các sờn gia cố đứng (hình dới) Vì khoảng cách giữa các sờn ngang B=3,58(m) > 2.hb ⇒ ta phải bố trí thêm các sờn đứng vào khoảng giữa 2 giàn ngang.

Do bản bụng dầm chính chỉ đợc gia cờng bằng sờn đứng và tiết diện hai trục

đối xứng nên ta có thể kiểm tra ổn định cục bộ của mỗi ô bản bụng dầm chính theo công thức sau:

th

b th

( 2

2

; 6 ,

n b

)/(1550010

.111

6,1.100.46,

2

cm daN

,025,1

h

δ à

135

6 , 1 100 23

, 1

95 , 0 25 ,

Với: Jx = 1389013,3(cm4); z4 = 6,45

) ( 2624 2

) 65 , 0 45 , 6 ( 1 , 87 45 , 6 2

13 1 , 87 2 , 1 2

) (

2

.

2 2

4 4

) / ( 5 , 1048 5

, 55 3 , 1389013

10

cm daN

⇒σ

+

)(2,73)15,045,6(1,872

13.1,87.2,1)(

10 2 , 73

2

2

cm daN h

Q

b b

δ τ

+ Thay vào (1), ta có:

th

b th

,2637

9,3315500

5,

2 2

τ

τσ

σ

Thoả mãn điều kiện ổn định

Kiểm tra tơng tự với các ô còn lại ta có:

Bảng 3: Kiểm tra ổn định cục bộ của các ô bản bụng dầm chính

STT

ô

d (m)

M (kNm)

Q (kN)

) ( −

• Sơ đồ giàn ngang:

• Tổng áp lực thủy tĩnh tác dụng lên dầm là:

)(365,55155

,5.58,3.10.2

1

2

3.4.2 Xác định cờng độ áp lực thủy tĩnh lên các mắt giàn:

Bề rộng tải trọng trên giàn ngang là: B = 3,58m

) ( 93 , 12

1

) ( 02 , 143

.

) ( 67 , 23

2 1

) ( 15 , 146

.

) ( 67 , 23

2 1

) ( 81 , 98 15 , 0

.

) ( 1 , 29

2 1

) ( 35 , 51 15 , 0

.

) ( 65 , 22

) 15 , 0 (

2

1

2

"

04 45

2 34

"

4

03 34

2 23

"

3

12 01 23

2 12

"

2

01 12

2 01

1

kN l

B W

kN l

l B W

W W

W

kN l

B W

kN l

l B W

W W

W

kN l

B W

kN l

l l B W

W W

W

kN l

B W

kN l

l B W

W W

W

kN B

l W

γγ

γγ

γγ

W ” 2

3.4.3 C¸c lùc t¸c dông lªn m¾t giµn:

) ( 13 , 80 3

2 2

1

) ( 68 , 164 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 15 , 146 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 37 , 102 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 36 , 55 3

1 2

1 15 , 0

) ( 66 , 6

3

15 , 0

"

5

' 5 5

"

5

' 5

"

4

' 4 4

"

4

' 4

"

3

' 3 3

"

3

' 3

"

2

' 2 2

"

2

' 2 01

01 1 1

01

01 1 0

kN W

W

P

kN W

W W

W

P

kN W

W W

W

P

kN W

W W

W

P

kN W

W l

l W

P

kN l

l W

P

= +

=

= +

+ +

=

= +

+ +

=

= +

+ +

=

= +

% 72 , 0

%

) ( 35 , 555

P

P P

kN P

∑ ∑ (2)

(1) 0

35 , 555

A

B A

M

P R

R

) ( 92 , 245

) ( 43 , 309

0 3 , 2 15 , 3 3 , 2

.

15 , 1 275 , 1 55 , 2 )

2

(

5 4

3 1

0

kN R

kN R

R P

P

P P

−

−

−

− +

⇒

• T¸ch nót 0:

) ( 58 , 12

0

) ( 94 , 16

0

01

01 08

02 08 08

07

27 08 0

kN N

N l

l N Y

kN N

l

l N P X

Bảng 5: Bảng tính nội lực trong các thanh giàn

Ký hiệu thanh giàn

Nội lực(kN)

Trạng thái nội lực

Chiều dài thanh (cm)

3.4.5 Chọn tiết diện thanh giàn:

• Chọn tiết diện thanh cánh thợng: là thanh vừa chịu lực dọc vừa chịu uốn Ta chỉ chọn 1 loại thanh cho tất cả các thanh cánh thợng Vì vậy, ta chọn thanh bất lợi nhất để tính toán

Xét thanh 2-3 có lực dọc N23 = 64,84(kN) lớn nhất trong các thanh cánh thợng

và có chiều dài khá lớn: l23 = 115cm

Mômen uốn là:

8

2 23 max

l q

M = tb

)/(505,1062

)/(09,129

)/(92,8558,3)

15,055,2.(

10

max min

2 max

1 min

m kN q

q q

m kN B

H q

m kN B

H q

) ( 52 , 112 1565

10 61 , 17

) ( 61 , 17 8

15 , 1 505 , 106 8

.

3

4 max

/

2 2

23 max

cm R

M W

kNm l

q M

u c

cm mm

x

17,4cmF

73mm

b

J

δδ

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

) / ( 1595 )

/ ( 3 , 385 590

10 61 , 17 7

, 74

10 84 , 64

) ( 590 25

, 2

544 , 1327

) ( 216 , 4

) ( 544 , 1327 12

1 3 , 57 1 3 , 57 75 , 1 572 4 , 17 75 , 5

) ( 75 , 5 7 , 74

5 , 7 3 , 57

) ( 7 , 74 1 3 , 57 4 , 17

3 , 57 1 50 3 , 7

50

2 2

4 2

) (

3 min

max

4

3 2

2

2

cm daN R

cm daN W

M F N

cm y

J W

cm F

J r

cm J

cm y

cm F

cm b

b

u x

x x

x x

x

c

bm c

=

<

≈ +

= +

+ +

=

≈

=

= +

=

= +

= +

=

−

σ

δ

⇒ Chọn thép IN014 cho tất cả các thanh cánh thợng

• Chọn tiết diện thanh cánh hạ: thanh 56 là thanh bất lợi nhất

l56 = 1,6 m

N56 = 94,97(kN)

- Giả thiết: λgt =120⇒ϕ =045

)(33,1120160

)(164,1445,0.1490

10.97,94

/ /

2 2

/

cm

l r

r

cm R

N F

gt

x c y y c y x

c y

- Chọn tiết diện gồm 2 thép góc: Γ 75 * 50 * 6

F1 = 7,25 cm2; rx1 = 2,38cm; ry1 = 2,22cm với δ = 10 mm

- Kiểm cho tiết diện vừa chọn:

Độ mảnh thực của thép:

07 , 72 07

, 72 22 , 2 160

22 , 67 38 , 2 160

x x

r l r

l

λ

λλ

λ

Tra Phô lôc 6 ⇒ϕmin = 0,798

) / ( 1490 )

/ ( 76 , 820 2

25 , 7 798 , 0

10 97 , 94

2 2

2

min

cm daN R

cm daN F

VËy ta chän thÐp gãc Γ 75 x 50 x 6 cho tÊt c¶ c¸c thanh c¸nh h¹

• Chän tiÕt diÖn thanh bông:

- TÝnh thanh bông bÊt lîi nhÊt lµ thanh 7-3:

10 08 , 107

2 2

, 54 25 , 3

3 , 177

465 , 82 15 , 2

3 , 177

max 0

x x

r l r

l

λ

λ λ

10 08 ,

của dầm chịu trọng lợng, thanh cánh dới của giàn ngang là thanh đứng của giàn chịu trọng lợng, do đó ở đây chỉ cần thêm thanh xiên là tạo thành giàn chịu trọng lợng.Dầm chính có chiều cao thay đổi nên giàn phải là một giàn gãy khúc Nhng để cho việc tính toán đợc đơn giản, ta coi là giàn phẳng có nhịp bằng nhịp tính toán của giàn chính.

Trình tự tính toán:

• Xác định trọng lợng bản thân cửa van theo công thức gần đúng:

F F

G =0,55 .Trong đó: F = 5,55 13 = 72,15 (cm2)

)(07,33715

,72.15,72.55,

⇒

• Giàn chịu trọng lợng đặt ở phía hạ lu van và chịu một tải trọng bằng 0,5.G

Đem 0,5.G phân phối lên các mắt giàn (hình trên), mỗi mắt chịu một lực tập trung

là:

458,3

3,14

)(134,424

07,337.5,0.5,0

5,0

kN n

G B

20

0

61

67

kN P

N Y

N X

B¶ng 6: B¶ng tÝnh néi lùc trong c¸c thanh giµn chÞu träng lîng

KÝ hiÖu thanh

ChiÒu dµi thanh (m)

Néi lùc (kN)

Tr¹ng th¸i néi lùc

• Chän tiÕt diÖn thanh xiªn:

+ TÝnh to¸n víi thanh 2-8:

N28 = 116,922 (kN)

L = 4,255 (m)Chän λgt =150⇒ϕ =0,32

( ) 24,52( )

1490.32,0

10.922,

691

,6

5,425

9834

,4

10.255,4

min max

λ

y

y y x

x x

r l r l

1490966

7.24.618,0

10.922,

1490 1