ĐỒ ÁN MÔN HỌC KẾT CẤU THÉP-THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HÀ NỘI

BỘ MÔN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

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

 Vật liệu chế tạo van:

 Cường độ tính toán của thép chế tạo van lấy theo thép CT3 Bảng 1-5m trang 10 Giáo trình Kết cấu thép:

- Ứng suất pháp khi kéo nén dọc trục: Rk,n= 2140 daN/cm2

- Ứng suất pháp khi uốn: Ru= 25m5m0 daN/cm2

- Ứng suất cắt: Rc= 1290 daN/cm2

- Ứng suất ép mặt đầu: Remđ= 3220 daN/cm2

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

B NỘI DUNG THIẾT KẾ:

-Là tấm phẳng tiếp xúc với nước có kích thước : L x Hv x δbm

+ Chọn khoảng cách từ mép cống tới tâm bánh xe: c = 0.3 (m).

Nhịp tính toán cửa van là: L = Lo+ 2c = 12 + 2 ¿ 0.3 = 12.6 (m)

+ Chọn khoảng chiều cao an toàn Δ = 0.5m (m)

at

rad

Chiều cao cửa van là: Hv = Ht + Δ = 7 + 0.5m = 7.5m (m)

* Chọn đoạn công xôn phía trên a1

- Theo yêu cầu thiết kế: a1 ¿ 0,45m hv = 0.45m x 7.5m = 3.375m (m), chọn a1= 3.3 (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 ¿ (Ht - a1 - Z) = 2 ¿ (7.5m – 3.3 – 2.33) =3.74 (m)

* Đoạn công xôn phía dưới a2

a2 = Hv – (a1 + a) = 7.5m – (3.3 + 3.74) = 0.46 (m)

* Khoảng cách từ dầm chính trên, dầm chính dưới đến tâm hợp lực: atr ; ad

- Sơ bộ chọn : atr = ad = a/2 = 3.74/2 = 1.87 (m)

Để đảm bảo độ cứng ngang của cửa van, khoảng cách giữa các giàn ngang

(B) không nên lớn hơn 4 m Bố trí giàn ngang tuân theo điều kiện:

- Các giàn ngang cách đều nhau

- 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 ba giàn ngang và hai trụ biên

4 Bố trí dầm phụ dọc

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 dày vì áp lực nước tăng.Khoảng cách giữa các dầm phụ 0.5m÷1 m Dầm phụ chọn tiết diện chữ C đặt úp để tránh đọng

nước Bố trí các dầm phụ dọc như hình 4

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

6 Giàn chịu trọng lượng

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

7 Bánh xe chịu lực

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

8 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 xechịu lực đồng thời làm bánh xe bên

9 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.

1.Tính toán bản mặt:

Bản mặt được bố trí thành 4 cột, chỉ cần tính cho một dãy cột có bề rộng lớn nhất là B

= 3.3m Các ô dầm được tính toán như tấm hình chữ nhật chịu tải trọng phân bố, như hình 5m:

I

III IV VVI VII VIII IXX

II

= 0.5mm

7,75m 16

32

40 24

Hình 5: Sơ đồ tính chiều dày bản mặt

Chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

δ bm = √6×α×a2×p tb

Trong đó:

- a: Cạnh ngắn của ô bản mặt (m)

- b: Cạnh dài của ô bản mặt (m)

- ptb : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (kN/m2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt, Ru = 225m000 (kN/m2)

- ma: Hệ số điều kiện làm việc của thép làm bản mặt, ma = 1.25m

- α: Hệ số phụ thuộc tỷ số b/a, tra bảng 7.1 Giáo trình kết cấu thép,

+ Chẵn: 8,10,12,14,… mm

Từ điều kiện trên ta chọn được bề dày bản mặt δbm = 8 mm

2 Tính toán dầm phụ dọc

a/ Nguyên tắc tính toán dầm phụ dọc

- Dầm phải thỏa mãn điều kiện cường độ và độ võng

- Tính theo sơ đồ dầm đơn chịu tải trọng hình thang hoặc dầm liên tục chịu tải trọng phân bố đều

- Các dầm phụ ngang có cùng kích thước mặt cắt, tính toán với dầm phụ chịu tải trọng lớn nhất

b/ Lựa chọn sơ đồ kết cấu: Dầm liên tục chịu tải trọng phân bố đều

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:

qi = pi

2 daN/cm 2

Trong đó:

- at: Khoảng cách từ dầm đang xét đến dầm trên nó

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

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

Chiều dài dầm phụ: Lf = 12.6 m

5m 6 7 8 1

9

= 0.5mm 3.5m

12 20

36 44 5m1.5m 5m8.5m

Từ biểu đồ moomen ta được Mmax=44,47 kN.m

- M«®un chèng uèn yªu cÇu cña dÇm phô däc:

lùc (h×nh 7), bÒ réng cña b¶n mÆt tham gia chÞu lùc víi dÇm phô lÊy b»ng gi¸ trÞ

nhá nhÊt trong c¸c gi¸ trÞ sau ®©y

b thỏa mãn 3 điều kiện sau:

Như vậy tiết diện dầm phụ [ No22a đã chọn trên là hợp lý.

4 Tính toán giàn ngang

a Sơ đồ tính toán

- Dàn 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 Biểu đồ áp lực thủy tĩnh

cú dạng hình tam giác

Để xác định nội lực trong các thanh giàn ta phải đưa tải trọng về tác

dụng vào mắt giàn Gọi các điểm nút là 1; 2; 3; 4; 5m ; 6 ứng với các lực Pi

Xác định Pi theo nguyên tắc phân phối đòn bẩy, áp lực nước phân bố

giữa hai mắt giàn được chuyển thành lực tập trung Pi đặt tại mắt giàn Để đơn

giản, biểu đồ áp lực nước được phân thành các hình tam giác và hình chữ nhật

(ở đây áp lực nước phải nhân với bề rộng B = 3.3 m - khoảng cách giữa hai

giàn ngang )

2 3

4 5m

6 7

8 9

Kiểm tra lại:

Sử dụng phần mềm Sap2000 để tính nội lực cho các mắt giàn ta được bảng 5m

Néi lùc(KN)

Tr¹ng th¸ichÞu lùc

ChiÒu dµithanh (cm)

Ta chọn hai thanh đại diện: 1 thanh có nội lực lớn nhất, 1 thanh có chiềudài tính toán lớn nhất

* Chọn tiết diện cho thanh chịu kéo lớn nhất.

Thanh 89 có nội lực lớn nhất và dài nhất: N89 = 130,4 KN ; l = 375m cm

- Diện tích yêu cầu của thanh chịu kéo:

2 13040

oy y y

l r



Kiểm tra tiết diện chọn:

- Theo điều kiện bền

76 còn là thanh đứng của dàn chịu trọng lượng nên cần kiểm tra bổ sung

* Chọn tiết diện cho thanh chịu nén lớn nhất.

Tính cho thanh chịu nén lớn nhất đồng thời có chiều dài tính toán lớn nhất làthanh 48, có: N48 = 25m2,72 KN ; l = 281 cm

- Giả thiết gt 100  0,6

- Diện tích yêu cầu:

225m272

19,68 0,6.2140

x

Hình 7.13

- Bán kính quán tính yêu cầu:

0,8.281

2, 25m100

2812,81

100 100

x gt y yc y

- Kiểm tra tiết diện chọn:

l r

l r

Vậy đối với các thanh chịu nén ta chọn tiết diện 2L75x7.

Ta có bảng lựa chọn tiết diện thanh dàn:

Lựa chọn kích thước mặt cắt ngang dầm

δ b=1,5 Q

h b×R c=1,5×

80850

145 × 1290=0.65(cm).

Chọn

Xác định kích thước bản cánh (Hình 6)

Chiều dày bản cánh lấy theo kinh nghiệm:

δ c=0,025×h=0,02.154=3.85 (cm)

Như vậy ở trên chọn δ c=4.0cm là hợp lý

 Chiều cao của dầm chính: h=h b+2 δ c=145+2×4=153 (cm)

Khoảng cách trung tâm giữa hai bản cánh: h c=h b+δ c=145+4=149(cm )

- Vì dầm chính hàn vào bản mặt nên tiết diện tính toán phải có bản mặt

cùng tham gia chịu uốn với dầm chính Bề rộng b của bản mặt cùng tham gia

chịu lực với dầm chính, chọn kích thước như sau:

b bc

hb

c

bm

c c

c c

h

J b





Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm theo

tiết diện tính toán (hình 6).

a/ Xác định các đặc trưng hình học

Gọi yc là khoảng cách từ trục x (trục quán tính

chính trung tâm của tiết diện tính toán) đến

trục xo (trục quán tính chính trung tâm của dầm I đối xứng)

2 3

2

2 3

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 7) 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

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

h b o=0 6×hb=0 6×145=87 (cm)

c Kiểm tra ứng suất tiếp.

- Kiểm tra ứng suất tiếp tại tiết diện đầu dầm chính theo công thức sau:

Trong đó:

+ - Mômen quán tính của tiết diện tính toán đầu dầm

+ - Mômen tĩnh của tiết diện tính toán đầu dầm

- Tính toán các đặc trưng hình học của tiết diện tính toán tại gối dầm

F I

Hình 8

Xyc

x0 640

o

J

S Q

J

o x

S

d Kiểm tra độ võng.

- Khi kiểm tra độ võng cần xét tới dầm chính thay đổi tiết diện.

- Điều kiện kiểm tra độ võng:

(hình 9) Khoảng cách giữa các sườn đứng ở phần tiết diện không đổi là 1.5m m,

còn ở phần tiết diện thay đổi ta lấy là 1.65m m

b

h

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

Trong đó:

+ b: ứng suất pháp tại mép nén của bản bụng dầm.

.M: là mômen lấy tại tâm của hình vuông có cạnh là hb lệch về phía mômen lớn

Đối với ô hình thang số 1; 2 (Hình 9) ta coi như là hình chữ nhật có chiều caobằng chiều cao trung bình ở giữa ô

Xác định các giá trị ứng suất:

+ b: ứng suất pháp trung bình trong bản bụng dầm.

với Q là lực cắt tại giữa ô kiểm tra

2 2

Cánh nén hàn với bản mặt nên , tra bảng 4.7, trang

3

);

c o

h

b c f

Ghi chú: xem hình 6

Từ bảng kết quả bảng trên ta thấy:

+ Ô bản bụng số 3 và 4 có K<0.72, vậy hai ô thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ

+ Ô bản bụng số 1 và 2 có K>0.72, nên hai ô mất ổn định cục bộ

Biện pháp xử lý: gia cố thêm một sườn đứng tại vị trí giữa mỗi ô bản bụng

6 Tính toán giàn chịu trọng lượng.

Sơ đồ hình học của giàn chịu trọng lượng xem hình 15m Vì dầm chính cóchiều cao thay đổi nên giàn chịu trọng lượng là một giàn gãy khúc Để đơn giản

cho việc tính toán ta coi là giàn phẳng có nhịp tính toán bằng nhịp tính toán của

dầm chính

a) Xác định trọng lượng cửa van:

Giàn chịu trọng lượng cửa van chịu ½ trọng lượng bản thân cửa van và được

đưa về các mắt dàn, gối tựa dàn tại vị trí cột biên

Sơ đồ tính toán như hình vẽ sau:

SVTH : Vũ Kim Chung 52C-TL1 Trang : 25

78

Ta có:

trong đó:

F – diện tích chịu áp lực nước của cửa van (m 2 )

n – số khoảng mắt dàn

- Hai mắt giàn ở ngoài cùng mỗi mắt chịu lực Pm/2 =26.465m (kN)

- Các mắt giàn trong chịu lực Pm = 5m3.93 (kN)

b Tìm nội lực trong các thanh giàn

Sử dụng phần mềm Sap2000 để tính toán nội lực trong các thanh giàn:

- Kết quả được thể hiện ở bảng sau, do tính đối xứng của kết cấu và lực nên ta chỉ xét nửa giàn:

c Chọn tiết diện thanh xiên có nội lực lớn nhất.

- Từ bảng tính nội lực trên ta thấy thanh xiên 08 chịu kéo lớn nhất

N

cm mR

l r

 max391.2gh 400Vậy tiết diện chọn đảm bảo điều kiện chịu lực

d Kiểm tra đọ bền thanh bụng đứng

Thanh 18 và thanh 27 vừa là thanh đứng của dàn chịu trọng lượng vừa làthanh cánh hạ của giàn ngang Nhưng dấu nội lực có dấu ngược nhau nên

không cần kiểm tra tiếp

6 Tính trụ biên.

Trụ biên chịu kéo đồng thời chịu uốn nên được tính như thanh kéo lệchtâm (Hình 7.16) Chọn tiết diện chữ I Chiều cao bản bụng trụ biên lấy bằngchiều cao bản bụng dầm chính tại đầu dầm Bề rộng bản cánh chọn đủ để bố tríbánh xe chịu lực, chọn Chiều dày bản cánh bằng chiều dày bản cánhcủa dầm chính Đường hàn liên kết bản cánh và bản bụng dày 6 mm

Kích thước tiết diện chọn:

x

x x

n- hệ số vượt tải lấy bằng 1,1.

hi - khoảng cách từ mặt thoáng tới dầm đang xét

atr , ad - Khoảng cách từ dầm đang xét tới dầm trên và dầm dưới

B- nhịp dầm phụ (Khoảng cách từ trụ biên tới giàn ngang)

Kết quả tính toán ghi trong bảng 7.9

i i





Ta có lực dọc trong mỗi trụ biên là: N  0,5m G  211.715m kN (chưa xét đến

63.94

70.01

76.78

30.19

Mômen lớn nhất là tại gối 1: Mmax 67,39KNm

Kiểm tra điều kiện cường độ

max 21171.5m 673900

72.3 / 2140 /389.6 375m23.4

Bánh xe chịu lực được bố trí phía sau trụ biên, mỗi trụ biên lắp hai bánh

xe chịu lực; do hai dầm chính được bố trí cách đều tổng áp lực nước nên ta bố

trí bánh xe nằm ngay sau dầm chính, như vậy hai bánh xe chịu lực đều nhau,

max



x x

x

D L P

2 2

2

/15m00/

85m,5m5m10

.600.160

10.197,5m36

cm daN cm





b Tính toán kích thước của trục và ống bọc trục: Hình 7 19

- ống bọc trục làm bằng đồng có [ ]cbt = 25m0 daN/cm 2 Khoảng cáchgiữa hai đoạn của ống bọc trục cách nhau = 20 mm, chiều dài củaống bọc trục c = 25m0 mm

- Trục bánh xe làm bằng thép CT5m có đường kính d = 15m0 mm ứng

suất cho phép của thép CT5m:

[ ] = 1200 daN/cm2

[ ] = 75m0 daN/cm2[ ]cbt = 95m0 daN/cm2

- Kiểm tra ứng suất cục bộ do tiếp xúc giữa trục và ống bọc trục:

.25m0.15m0

10.197,5m36

2 2

2

2

cm daN cm

daN c

d

P

obt x

- Kiểm tra ứng suất ép cục bộ do tiếp xúc giữa trục và các bản thép gốitựa của trục ở hai đầu trục.

Bề dày của 2 bản thép cố định đầu trục = 10 mm

- Kiểm tra ứng suất của trục :

+ ứng suất pháp:

+ ứng suất tiếp:

c Bánh xe ngược hướng và bánh xe bên (Hình 7.20).

Bánh xe ngược hướng và bánh xe bên làm bằng cao su đúc (đôi khi làm bằng thép) có đường kính 200mm và trục bánh xe có đường kính d = 40 mm

8 Vật chắn nước và bộ phận cố định.

- Vật chắn nước hai bên làm bằng cao su đúc.(Hình 7.21)

- Vật chắn nước dưới đáy làm bằng gỗ, kích thước thanh gỗ có chiều

rộng bằng chiều cao thép chữ C của dầm đáy và dùng bulong cóđường kính 18 mm liên kết chặt với dầm đáy, khoảng cách giữa các

bu lông dọc theo dầm đáy là 5m00 mm

Hình 12



/66,89310

.10.2.15m0

10.197,5m36.5m,0

daN d

/1185m15m

.1,0

10.40

1,0

2 2

.785m4,0

10.1,268.3

4.785m4