bài giảng kết cấu thép bản

ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠOĐiều kiện làm việc của kết cấu bản rất khác nhau: kết cấu có thể đặt ngầm hoặc nổi trên mặt đất, chịu tải trọng tĩnh hoặc động, chịu áp lực bên trong hoặc ch

BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP BẢN

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II: BỂ CHỨA CHẤT LỎNG

CHƯƠNG III: BỂ CHỨA TRỤ NGANG

CHƯƠNG IV: VÍ DỤ TÍNH TOÁN

1

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 TCVN 5575-2012: Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.

2 TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động Tiêu chuẩn thiết kế.

3 Phạm Văn Hội (chủ biên) Kết cấu thép 2: Công trình dân dụng và công nghiệp Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 1998.

4 Đoàn Định Kiến (chủ biên) Kết cấu thép Nhà xuất bản Khoa học và kỹ

thuật Hà Nội, 1998

5 Tuyển tập TCVN: Thép kết cấu và thép dùng cho xây dựng Nhà xuất

bản Xây dựng Hà Nội, 2001

2

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG

I KHÁI NIỆM

II ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO

III LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỎ MỎNG TRÒN XOAY

3

I KHÁI NIỆM

1 Khái niệm

Kết cấu thép bản là những kết cấu được chế tạo chủ yếu từ thép tấm Kết cấu thép bản thường dùng để chứa, vận chuyển hoặc chế biến chất lỏng, chất khí hoặc vật liệu hạt

2 Phạm vi sử dụng (phân loại)

Bể chứa chất lỏng (nước, sản phẩm hoá dầu, )

Bể chứa khí

Bunke và xilô: chứa các vật liệu hạt (than, cát, ximăng, )

Đường ống dẫn chất lỏng, chất khí (đường kính trên 0,6m)

Lò cao, lò hơi, lò hút bụi, ống khói

4

Hình 1: Bể chứa chất lỏng 5

Hình 2: Bể chứa khí 6

Hình 3: Bể chứa khí 7

Hình 4: Si lô 8

Hình 5: Đường ống dẫn dầu 9

Hình 6: Đường ống dẫn khí 10

Hình 7: Lò cao trong nhà máy luyện kim (Tổ hợp luyện kim Cherepôvets CHLB Nga - Xây năm 1986 - Dung tích lò luyện 5580

Hình 8: Nhà máy luyện thép ở Bô ca rô (Ấn Độ) 12

II ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO

Điều kiện làm việc của kết cấu bản rất khác nhau: kết cấu có thể đặt ngầm hoặc

nổi trên mặt đất, chịu tải trọng tĩnh hoặc động, chịu áp lực bên trong hoặc chân không, chịu tác động của nhiệt độ, của các chất ăn mòn

Kết cấu bản thường vừa là kết cấu chịu lực vừa là kết cấu bao che Do đó kết cấu

bản vừa phải có đủ khả năng chịu lực vừa cần có tính kín (không thấm nước, không thấm khí) Liên kết trong kết cấu bản chủ yếu là liên kết hàn Kết cấu bản thường xuyên làm việc ở trạng thái ứng suất lớn (xấp xỉ cường độ

tính toán của vật liệu thép) Ngoài ra ở chỗ nối giữa thành và đáy còn chịu ứng suất cục bộ lớn nhưng lại giảm rất nhanh ra xa vị trí nối (hiện tượng hiệu ứng biên) Vì vậy hệ số điều kiện làm việc của kết cấu bản lấy bằng 0,8 Kết cấu bản thường được chế tạo từ thép tấm mỏng dạng cuộn cán nguội khi t ≤

4 mm và dạng cuộn cán nóng khi t = 4 ~ 10 mm Riêng bể chứa các chất lỏng ăn mòn thường được làm từ hợp kim nhôm hoặc từ thép thường có phủ kim loại không gỉ ở mặt tiếp xúc với chất lỏng.

13

III LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỎ MỎNG TRÒN XOAY

1 Khái niệm

Vỏ là vật thể giới hạn bởi 2 mặt với khoảng cách giữa chúng (bề dày

của vỏ) rất nhỏ so với các kích thước khác.

Thông thường các vỏ có bề dày không đổi nên các thông số hình học

của vỏ lấy theo mặt trung bình Vỏ mỏng là những vỏ có t / r < 1/30.

Kết cấu bản thường là vỏ mỏng tròn xoay Vỏ tròn xoay có 1 trục đối

xứng (riêng vỏ cầu có 2 trục đối xứng) và 2 bán kính cong r1 và r2(r1 - bán kính kinh tuyến, tạo nên đường sinh cong của vỏ; r2 - bán kính tròn, có tâm nằm trên trục).

14

Hình 9: Sơ đồ tính vỏ tròn xoay

a) Dạng chung; b) Nội lực ở mặt trung bình; c) Trạng thái ứng suất mô men; d) Trạng thái

cân bằng của phân tố vỏ; e) Hiệu ứng biên 15

Khi chịu tải trọng bất kỳ, trong vỏ xuất hiện 2 nhóm nội lực:

Các lực pháp tuyến (N1, N2) và lực trượt (S1, S2) tác dụng trong mặt phẳng tiếp tuyến với mặt trung bình của vỏ

Các mômen uốn (M1, M2), mômen xoắn (M12, M21), lực cắt (Q1, Q2)

Vỏ khác tấm ở chỗ trong vỏ ngoại lực tác dụng cân bằng chủ yếu với nội lực pháp tuyến và nội lực trượt Do đó vỏ chủ yếu làm việc chịu kéo hoặc nén nên vật liệu được tận dụng cao hơn

Nếu ứng suất không đổi trong bề dày vỏ thì trạng thái ứng suất trong vỏ gọi

là phi mômen Ngược lại, nếu ứng suất thay đổi trong bề dày vỏ thì gọi là trạng thái ứng suất có mômen Do đó có 2 lý thuyết tính toán vỏ: lý thuyết phi mômen và lý thuyết có mômen

Theo các nghiên cứu lý thuyết, trạng thái ứng suất trong các vỏ mỏng ở tại những vị trí cách xa mép vỏ coi là phi mômen Do đó các vỏ mỏng được tính toán theo lý thuyết phi mômen

16

2 Lý thuyết phi mômen

 Vỏ nón:

1

r = ∞

i 1

pr

σ =

2t.cosβ

i 2

CHƯƠNG II: BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG

IV TÍNH TOÁN BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

20

I PHÂN LOẠI BỂ CHỨA CHẤT LỎNG

Bể dùng để chứa các chất lỏng như sản phẩm hoá dầu (xăng, madút), nước, axít, cồn,

Phân loại:

 Theo hình dạng: bể chứa hình trụ (đứng, ngang), hình cầu, hình giọt nước Trong đó các bể chứa hình trụ là loại thông dụng nhất do dễ chế tạo và dựng lắp, tương đối tiết kiệm vật liệu

 Theo vị trí đặt: bể đặt trên cao, đặt trên mặt đất, bể ngầm, nửa ngầm, dưới nước.

 Theo thể tích: bể có thể tích không đổi và bể có thể tích thay đổi.

 Theo áp lực dư (do chất lỏng bay hơi):

Bể áp lực thấp: và áp lực chân không khi xả hết chất lỏng

Bể áp lực cao:

2 d

2 0

p ≤ 0,00025 MPa (0,0025 kG/cm )

d

p > 0,002 MPa

21

 Theo cách chế tạo: bể có ứng suất trước, bể không gây ứng suất trước Với những bể có dung tích lớn, thường gây ứng suất trước trong thành bể nhằm giảm bề dày của thành bể từ đó tiết kiệm thép.

 Theo vật liệu làm bể: bể BTCT, bể thép, bể liên hợp (thành bể dùng hỗn hợp vật liệu BTCT và thép).

→ Loại bể được lựa chọn căn cứ vào đặc điểm của chất lỏng chứa trong bể, điều kiện sử dụng, điều kiện khí hậu

22

Hình 11: Bể chứa hình trụ a) Trụ đứng b) Trụ ngang

1 – Đáy; 2 – Thân; 3 – Mái; 4 – Cột trung tâm; 5 – Cầu thang

23

Hình 12: Bể chứa hình cầu (a), hình giọt nước (b)

1 – Đáy; 2 – Thân; 3 – Cầu thang; 4 – Chỗ đặt thiết bị; 5 – Vành gối 25

Hình 13: Một góc kho B Nhà Bè

26

Hình 14: Tổng kho xăng dầu Miền Tây 27

Hình 15: Bể 2000 m3 ở kho xăng dầu Đức Giang – Gia Lâm, Hà Nội 28

Hình 16: Thi công bể chứa 15000 m3 năm 2005 (Kho xăng Đức Giang) 29

II BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG ÁP LỰC THẤP

1 Cấu tạo

Bể chứa trụ đứng thường dùng để chứa các sản phẩm dầu mỏ Dung tích bể

100 ÷ 20000 m 3 hoặc hơn nữa

Ưu điểm: dễ chế tạo và dễ thi công

Các bộ phận chính: thân (thành), đáy, mái.

a) Đáy bể

Đáy bể đặt trực tiếp trên nền cát đầm chặt và chịu áp lực chất lỏng chứa

trong bể Bề dày đáy bể lấy theo cấu tạo của liên kết hàn và yêu cầu chống ăn mòn (do lực tác dụng vào đáy bể không đáng kể) Bề dày đáy

 Bể dung tích V ≥ 2000 m3 (D > 25 m): Tấm biên 1500 x 6000 x 6

Tấm giữa 1500 x 6000 x 4

2000 x 8000 x 6

2000 x 8000 x 4

Để nối các tấm thép đáy bể dùng đường hàn đối đầu để liên kết cạnh ngắn và

dùng đường hàn góc để liên kết cạnh dài Đường kính đáy bể lớn hơn đường kính thân bể khoảng 10 cm

A A

B B

b) Thân bể (thành bể)

Thân bể được chế tạo thành các đoạn ở nhà máy và chở đến công trường ở dạng cuộn Trong cùng một đoạn thân dùng đường hàn đối đầu Các đoạn thân bể được liên kết với nhau tại công trường bằng đường hàn đối đầu (khi bể dày thành bể không đổi) hoặc đường hàn góc (liên kết chồng)

Neo: bộ phận neo bể có tác dụng chống nhổ cho thân và đáy bể khi chịu tải trọng gió (nhất là khi chất lỏng trong bể còn ít) Khoảng cách các neo 2 đến 2,5

m theo chu vi Đối xứng với vị trí đặt thép neo đặt một vòng cứng bằng thép góc

để tăng độ cứng cho bể

Vµnh cøng Bul«ng neo

Hình 18: Cấu tạo thành bể

32

c) Mái bể

33

Hình 19: Các dạng mái bể a) Mái nón; b) Mái treo; c) Mái cầu; d) Mái trụ cầu

Hình dạng mái bể phụ thuộc vào thể tích bể và phương của tải trọng tác dụng lên mái bể (đặc điểm của chất lỏng trong bể)

Phân loại: mái nón, mái treo, mái trụ cầu.

trên xuống Mái được lắp ghép từ các tấm chế tạo sẵn; độ dốc mái i = 1/20;

bề dày thép tấm 2,5 – 3 mm; một đầu tấm mái tựa trên cột trung tâm, đầu kia tựa lên thành bể;

trên xuống Mái được cấu tạo từ các dải thép tấm, một đầu liên kết với mũ cột trung tâm, đầu kia tựa lên vành thân bể tiết diện hộp Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng thì tấm mái chỉ chịu kéo nên nhẹ hơn mái nón;

Mái cầu, mái trụ cầu: dùng cho bể có thể tích lớn, mái chịu tải trọng

tác dụng từ dưới lên (bể có áp lực dư lớn) Mái cầu có dạng cupôn sườn vòng, ghép từ các tấm định hình dày 2,5 – 4 mm Một đầu tấm mái tựa lên vành biên thân bể, đầu kia tựa lên vành trong.

2 Tính toán

a) Mái bể

 Mái bể được tính toán với 2 tổ hợp tải trọng:

– Tổ hợp 1: gồm các tải trọng tác dụng từ trên xuống (trọng lượng mái bể,

hoạt tải mái) Thường dùng tổ hợp 1 để tính toán mái bể

– Tổ hợp 2: gồm các tải trọng tác dụng từ dưới lên (trọng lượng mái bể, áp

lực dư, gió hút) Thường dùng để kiểm tra phần tính toán ở trên

 Mái nón không có cột trung tâm: Tấm mái tính toán như các ô sàn, các dầm

hướng tâm tựa khớp lên thành bể và cột trung tâm

Mái treo tính như vỏ mỏng phi mô men, phương trình mặt trung bình có dạng:

Trong đó: r – bán kính mái,

h – độ cao giữa mái;

P – tải trọng đơn vị do Gm, Gcn và P0 gây ra

3 3

Lực kéo theo phương kinh tuyến ở biên dưới của mái:

Trong đó ϕ là góc tiếp tuyến với đường cong kinh tuyết ở điểm biên dưới với phương ngang (thường dùng ϕ = 50)

Lực kéo theo phương kinh tuyến ở tọa độ x:

Lực dọc lên cột trung tâm : A = πr2p

3 x

pr

N = (h - rtg )

2 0

pr

N =

3(h - rtg ) ϕ

Mái cầu lắp ghép: Tính toán như cupôn sườn

Hình 21: Sơ đồ tính mái treo, mái cầu a)Mái treo; b) Vòm hai khớp với thanh căng quy ước;

b)c) Vòm để xác định diện tích thanh căng

t

2πA

A =

n

b) Thân bể

Thân bể là bộ phận chịu lực chính,

được tính toán theo phương pháp

TTGH, dùng lý thuyết phi mômen

 Kiểm tra bền

Thân bể chịu kéo do áp lực thuỷ tĩnh (do chất lỏng chứa trong bể) và áp lực

dư trong không gian hơi (theo nhiệm vụ thiết kế) Các áp lực này gây ra các ứng suất kéo theo phương kinh tuyến σ1 và ứng suất kéo vòng σ2

trong thân bể.

Áp lực thuỷ tĩnh ở độ sâu x kể từ mặt thoáng chất lỏng:

(8) Với: ρ1 - trọng lượng riêng của chất lỏng chứa trong bể, kG/cm 3 ;

h - chiều cao tối đa của chất lỏng, cm;

γ 1 , γ 2 - hệ số độ tin cậy của áp lực thuỷ tĩnh và áp lực dư, γ 1 = 1,1; γ 2 = 1,2;

p d - áp lực dư trong không gian hơi , lấy theo nhiệm vụ thiết kế.

Công thức kiểm tra bền thành bể:

Từ (2) xác định được bề dày thành bể:

(10) Với: σ2 - ứng suất kéo theo phương vòng;

f wt - cường độ tính toán chịu kéo của đường hàn đối đầu;

γ c = 0,8 - hệ số điều kiện làm việc;

r = r 2 - bán kính thân bể.

Chú ý: Cần tính chiều dày cho từng đoạn thân Khoảng cách lấy vượt

quá đường hàn vòng là 30 cm (vì ở gần đường hàn vòng thì ứng suất kéo vòng giảm do ảnh hưởng của hiệu ứng biên).

Kiểm tra độ võng của thành bể theo phương đường kính

Công thức kiểm tra:

 Kiểm tra chỗ nối thân với đáy bể

Tại chỗ nối, biến dạng của thân bị đáy cản trở nên phát sinh mômen uốn và

lực cắt cục bộ (việc tính toán chính xác rất phức tạp) Mômen uốn cục

bộ lớn nhất do hiệu ứng biên, tính cho dải rộng 1 cm, xác định theo công thức gần đúng:

(12) Với: α = 0,1 - khi coi liên kết giữa thân và đáy là ngàm đàn hồi,

α = 0,3 - khi coi liên kết giữa thân và đáy là ngàm cứng;

P - áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên thành bể ở độ sâu đáy bể,

(13) Đường hàn liên kết giữa thân và đáy bể được kiểm tra theo công thức:

M = αPrt

P = γρh + γp

42

Với: W f - mômen chống uốn của 1 cm dài của 2 đường hàn góc liên kết;

f wf - cường độ tính toán của đường hàn góc.

Ứng suất lớn nhất theo phương đường sinh ở phía dưới thân bể kể tới hiệu ứng biên:

(15) Với: g - trọng lượng bể trên 1 đơn vị dài theo phương vòng;

γ c = 1,6 - hệ số điều kiện làm việc (cho phép có biến dạng dẻo).

Kiểm tra ổn định

Thân bể có thể bị mất ổn định do tác dụng của ứng suất nén theo phương đường sinh σ1 hoặc ứng suất nén theo phương vòng σ2 hoặc do tác dụng đồng thời của chúng.

wf c f

 Kiểm tra ổn định của thành bể chịu σ1:

Công thức kiểm tra:

(16)Với: γc = 1,1 - hệ số điều kiện làm việc khi xét ổn định;

Ứng suất nén theo phương đường sinh gây ra bởi các tải trọng sau:

–Trọng lượng của mái và các thiết bị trên mái:

trong đó: γ m = 1,1- hệ số độ tin cậy của tải trọng;

- trọng lượng của mái và các thiết bị trên mái, có thể lấy ở phần tính mái bể hoặc lấy theo kinh nghiệm phụ thuộc vào thể tích bể (theo bảng 4.2):

Bảng 4.2: Trọng lượng mái g m tc

–Trọng lượng lớp cách nhiệt trên mái:

trong đó: γ cn = 1,2 - hệ số độ tin cậy của tải trọng;

g

45

– Áp lực chân không:

trong đó: γ 0 = 1,2 - hệ số độ tin cậy của tải trọng;

- áp lực chân không tiêu chuẩn.

– Gió hút:

trong đó: w 0 - áp lực gió tiêu chuẩn, lấy theo TCVN 2737 -1995;

γ w = 1,2 - hệ số độ tin cậy của tải trọng;

c 2 = 0,8 - hệ số khí động.

– Trọng lượng thân bể và lớp cách nhiệt quanh thân, nằm trên mức khảo

sát:

trong đó: ρt - trọng lượng riêng của thép;

i - số đoạn thân bể nằm trên mức khảo sát;

h i , t i - chiều cao và bề dày của mỗi đoạn thân nằm trên mức khảo sát.

tc

0 0 0

P = γp

tc -5 0

 Kiểm tra ổn định của thành bể chịu σ2 :

Công thức kiểm tra:

(17) với: σcr2 - ứng suất nén tới hạn theo phương vòng, xác định như sau:

Nếu 0,5 ≤ l/r ≤ 10: ;

Nếu l/r ≥ 20 : ;

Nếu 10 < l/r < 20 : σcr2 = nội suy.

l - chiều dài vỏ trụ khảo sát (chiều cao thân bể hoặc khoảng cách giữa các

σ = 0,55E(r/l)(t/r)

2 cr2

σ = 0,17E(t/r)

47

Ứng suất nén theo phương vòng gây ra bởi các tải trọng sau:

−Tải trọng gió quy đổi thành áp lực chân không quy ước:

với k là hệ số kể tới sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao

−Tải trọng chân không, tính theo công thức:

Kiểm tra ổn định của thành bể chịu tác dụng đồng thời của σ1 và σ2 : Công thức kiểm tra:

(18)

Nếu (16), (17) hoặc (18) không thoả mãn phải tăng bề dày thành bể hoặc gia cường cho thành bể bằng các vành cứng trung gian là các thép góc (từ 1 đến 3 vành) nhằm giảm l (tăng σcr2 ).

48

III KÍCH THƯỚC TỐI ƯU CỦA BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG

1 Trường hợp thân bể có bề dày không đổi

Thể tích thép của bể:

(19) với: t - bề dày của thân bể;

∆ - tổng bề dày quy đổi của đáy và mái bể, có thể lấy theo bảng sau (tuỳ

thuộc vào thể tích bể).

2 thep

Thể tích của bể: (20) Thay trị số của D vào (19) ta có:

V t

D = 2.

π Δ

50

Thay vào (22) thu được:

(25) Tức là trọng lượng bể chứa trụ đứng có bề dày thân không đổi là tối thiểu nếu thoả mãn điều kiện trọng lượng của mái và đáy bằng hai lần trọng lượng thân bể.

2.Trường hợp thân bể có bề dày thay đổi

Cách chứng minh tương tự trên Trong công thức (23) thay

và , thu được chiều cao tối ưu về chi phí vật liệu của bể:

(26) với: ρ1 - trọng lượng riêng của chất lỏng chứa trong bể;

γ 1 - hệ số độ tin cậy của tải trọng.

Trọng lượng bể chứa trụ đứng có bề dày thân thay đổi là tối thiểu nếu thoả mãn điều kiện:

Trong thực tế, do điều kiện chế tạo và thi công chiều cao của bể chọn như sau:

IV TÍNH TOÁN BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

Áp dụng với những bể chứa có dung tích lớn, bể có dung tích trên 30000 m 3

thì chỉ gây ứng suất trước ở phần dưới.

Giải pháp gây ứng suất trước bằng cách quấn quanh thành bể các vòng dây

thép cường độ cao bằng máy cuốn chuyên dụng

Ứng suất trước làm giảm chi phí vật liệu, giảm giá thành kết cấu, trong một

số trường hợp còn giảm được công chế tạo (do bề dày thành bể giảm sẽ giảm được chi phí gia công và hàn liên kết).

53