Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn (Luận văn thạc sĩ file word)
TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN VÀTHIẾT BỊ ĐÓNG MỞ
Các nghiên cứu và sử dụng cửa van có khẩu độ lớn trên thế giới
Nhiều quốc gia, đặc biệt là những nước có sông tiếp giáp với biển, đã nghiên cứu và thiết kế nhiều loại cửa van để ngăn ngừa tình trạng úng ngập và bão lớn do triều dâng Một số loại cửa van điển hình đã được phát triển để ứng phó hiệu quả với những thách thức này.
1.Cửa van cung trục đứng mở ngang (Vertical axis sector gates):
Cửa van cung trục đứng có thiết kế phần động với mặt cắt ngang hình cung, cho phép cửa quay quanh trục thẳng đứng đi qua tâm cối quay Nhờ vào cấu trúc này, lực được tập trung vào cối trục, giúp cửa van có khả năng chịu lực lớn.
Cửa van loại này đã được áp dụng ở c ng trình như cống Maeslant thuộc dự án Delta – Hà Lan (2 cửa van cung trục đứng có bán kính cửa van 240m)
Sự kỳ diệu của trí tuệ con người trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy được thể hiện rõ qua kết cấu động lớn nhất hành tinh, theo thông tin từ WIKIPEDIA.
Công trình Maeslant Barrier tại cảng Rotterdam, Hà Lan, được thiết kế như một lá chắn bảo vệ vùng ven biển khỏi bão mạnh Hai cánh cửa hình quạt có chiều dài gần 300m, rộng 210m và cao 22m, với trọng lượng gần 5500 tấn, chắn trọn tuyến luồng tàu rộng 360m và sâu 17m Kể từ năm 1997, khu vực này chưa từng bị đe dọa bởi ngập nước Cửa van hoạt động theo nguyên lý tàu ngầm và nằm trong khoang hầm khô ráo trong điều kiện yên bình.
Trước khi ngăn sông khoảng 8 giờ, khoang hầm sẽ được mở ra để nạp đầy nước, và sau 15 phút, cửa van sẽ ở tình trạng ngập nước 4 giờ trước khi ngăn sông, Trung tâm điều hành cảng sẽ ra lệnh dừng lưu thông tàu thuyền, và 2 giờ trước khi đóng cửa, tín hiệu giao thông thủy sẽ được bật Công trình Maeslandt kering sẽ hoàn toàn sáng màu đỏ khi mở và đóng, và cửa van sẽ bắt đầu di chuyển đến vị trí giữa sông Thời gian đưa cửa van từ khoang hầm ra giữa sông mất khoảng 15 phút, và sau khi hai cửa van khít lại, các khoang sẽ được nạp đầy nước và hạ xuống đáy sông nhờ trọng lượng bản thân.
Mở cửa van diễn ra theo quy trình ngược lại sau khi bão qua đi, khi nước trong các khoang được đẩy ra, cửa van nổi lên và trở về vị trí ban đầu Toàn bộ quá trình này được giám sát và điều khiển bởi hệ thống B.O.S, hệ thống trợ giúp và ra quyết định tự động thu thập dữ liệu, mô phỏng tình huống trên máy tính và đưa ra quyết định.
Tuy cửa van có nhiều ưu điểm, nhưng trong điều kiện Việt Nam về k thuật, kinh tế, quy mô khó có thể áp dụng được.
Cửa van cổng hay lưỡi trai (Visor gate) là loại cửa van có thiết kế hình dạng bán trụ, với cánh cửa được liên kết và gối bản lề lên hai trụ pin của công trình.
Cửa van hoạt động bằng cách quay quanh gối bản lề, giúp mở ra để không ngăn nước, đảm bảo giao thông thủy thuận lợi Khi cần ngăn giữ nước, cửa van sẽ hạ xuống ngưỡng để thực hiện chức năng của nó.
Cửa van này được ứng dụng trong các công trình tiêu biểu như ngăn sông Rhine ở Hà Lan với hai khoang cửa rộng 54m, cũng như tại đập Aji ở Nhật Bản, nơi được xây dựng nhằm phòng chống lũ cho thành phố.
OSAKA, cửa van được thiết kế với khẩu độ rộng 57m).
Cửa van cổng có kết cấu chịu lực lớn và ổn định, cho phép tàu thuyền di chuyển qua khi mở Lực nâng hạ cửa tương đối nhỏ nhờ vào cơ chế quay quanh bản lề, làm giảm lực kéo khi cửa hoàn toàn mở Quá trình bảo dưỡng trở nên dễ dàng khi cửa quay lên trên mặt nước và độ tĩnh khi mở không lớn, phù hợp cho giao thông thủy Một ưu điểm nổi bật là khả năng điều chỉnh vị trí cối quay để thay đổi độ tĩnh kh ng Tuy nhiên, loại cửa này cần không gian trụ pin lớn cho khung đỡ, và phần ngưỡng tiếp xúc của cửa với công trình có hình dạng cung tròn, làm cho việc bố trí kết cấu bản đáy trở nên phức tạp.
3.Cửa van dạng thấu kính kéo thẳng đứng
Cửa van này có thiết kế tương tự như cửa van phẳng kéo đứng, nhưng khác biệt ở mặt chắn nước có hình cong ngang, gần giống cửa van cổng Loại cửa này đã được ứng dụng thành công tại công trình ngăn sông Hartel ở Hà Lan, với một khoang cửa rộng 49,3m và một khoang cửa rộng 98m, chiều cao là 9,3m, được điều khiển mở đóng bằng xi lanh thủy lực.
Loại cửa van có dạng thấu kính nằm ngang, cân bằng, có độ ổn định cao
Hình 1.5 Công trình Hartel Canal – Hà Lan
Cửa van phẳng trên công trình EMS có kết cấu giàn nhẹ và chắc chắn, cho phép khẩu độ đạt 98m Thiết bị đóng mở đơn giản và quá trình bảo dưỡng dễ dàng khi cửa van được kéo lên khỏi mặt nước.
Khi k o đứng đòi hỏi hành trình thiết bị đóng mở lớn, chịu gió lớn khi neo giữ trên cao.
4.Cửa van phẳng kéo đứng
Các loại cửa van phng có mặt chắn nước giống như các cửa van tại các công trình đầu mối Cửa van phng với khẩu độ lớn và kết cấu đứng được ứng dụng rộng rãi tại nhiều công trình, chẳng hạn như công trình Shinanogawa ở Nhật Bản, được điều khiển bằng tời cáp Tại công trình trên sông EMS ở Cộng hòa Liên bang Đức, có 5 cửa van phng kéo thẳng đứng với khẩu độ lên đến 63,5m và chiều cao 10,5m, được vận hành bằng hệ thống xi lanh thủy lực.
Cửa van loại phẳng có thiết kế đơn giản, dễ chế tạo và không yêu cầu độ chính xác cao Để khắc phục nhược điểm của cửa van phẳng trượt kéo đứng, các kỹ sư đã cải tiến kết cấu bằng cách sử dụng dầm rộng và bố trí dầm phụ đứng, ngang, cùng với dầm chính kiểu dàn bằng ống thép rộng Cải tiến này giúp giảm trọng lượng, tăng khả năng chịu tải, cải thiện ổn định, ngăn ngừa lắng đọng rác và chống ăn mòn do nước biển.
Cửa van loại này được ưa chuộng trong các công trình ngăn s ng, đặc biệt là cho những khoang cửa không yêu cầu giao thông thủy Thiết bị đóng mở của cửa van có thể sử dụng xi lanh thủy lực hoặc tời cáp.
Hình 1.7 Cống Haringvliet – Hà Lan
Thiết bị đóng mở cửa van [1]
Cửa van khẩu độ lớn hoạt động nhờ vào thiết bị đóng mở cưỡng bức, sử dụng năng lượng điện hoặc động cơ đốt trong Trong khi đó, cửa van vùng triều nhỏ có thể tận dụng dòng triều thay đổi để tự động đóng mở, được gọi là cửa van thủy lực tự động vùng triều.
Thiết bị đóng mở cửa van chủ yếu hoạt động bằng cách sử dụng lực vận hành lớn từ nguồn năng lượng bên ngoài Lực này cần thiết để vượt qua trọng lượng của các bộ phận chuyển động, lực ma sát do áp lực nước tác động lên cửa van, cũng như áp lực thủy động và tải trọng bất thường hoặc thường xuyên.
Vận hành cửa van là yếu tố quyết định hiệu quả của công trình khai thác và khả năng đạt được mục tiêu thiết kế Thiết bị mở và đóng cửa van cần phải phù hợp với cấu trúc cửa, quỹ đạo chuyển động, khả năng chịu tải, cũng như các điều kiện môi trường khắc nghiệt Hiện nay, máy đóng mở cửa van trên thế giới và trong nước chủ yếu bao gồm các loại như thiết bị kiểu vít me - đai ốc, thanh răng bánh răng, dây mềm và hệ thống đóng mở bằng xy lanh thủy lực.
1.4.1 Thiết bị đóng mở cửa vít me
Vít me là cơ cấu trục vít kết hợp với đai ốc, giúp chuyển động tịnh tiến khi đai ốc quay, kéo theo cửa van gắn liền Đai ốc được hỗ trợ bởi các ổ bi, truyền tải trọng vào hộp chịu lực và xuống nền Trục vít me thường dài hơn nhiều so với đường kính, với ren hình thang hoặc hình chữ nhật, giúp chịu được áp lực cao.
Thiết bị đóng mở cửa van kiểu vít me - đai ốc có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm cấu trúc cứng cáp giúp tăng lực ấn khi đóng cửa, khả năng nâng hạ hiệu quả cho các loại cửa van ph ng kéo th ng đứng Ngoài ra, thiết bị này dễ chế tạo, có giá thành rẻ, bền bỉ và thuận tiện trong việc thay thế.
Máy nâng vít có nhược điểm là hiệu suất thấp do vít me và đai ốc không chính xác, gây ra ma sát và lực kẹt lớn Ngay cả khi chế tạo chính xác, lắp đặt không cân bằng cũng dẫn đến lực kẹt Do đó, cần thiết kế các bộ phận ổ đỡ tự lựa Khi nâng cao, vít me dễ bị cong trục dưới lực tác động ngang Ngoài ra, khi tải trọng lớn, cấu trúc máy trở nên nặng nề và yêu cầu công suất động cơ lớn.
1.4.2 Thiết bị đóng mở kiểu thanh răng bánh răng
Hình 1.18 Thiết bị đóng mở kiểu thanh răng bánh răng
Máy nâng bánh răng thanh răng là thiết bị quan trọng trong việc đóng mở các loại cửa van phẳng, cửa van hình quạt và cửa van chữ nhân tại các cửa âu thuyền.
Khi sử dụng thiết bị đóng mở cửa van thủy lợi, quãng đường nâng có thể thay đổi do góc quay khi ăn khớp Để đảm bảo bánh răng cuối ăn khớp với thanh răng, cần có kết cấu cụm bánh xe hoặc bạc đỡ xoay quanh trục bánh răng cuối trên đường tròn ăn khớp Ưu điểm của máy nâng này là hiệu suất cao và truyền động êm, đặc biệt khi bánh răng cuối ăn khớp với thanh răng có số răng nhỏ, giúp kết cấu trở nên gọn nhẹ.
Nhược điểm của hệ thống truyền động bánh răng thanh răng bao gồm khó khăn trong việc chế tạo, yêu cầu vật liệu chất lượng tốt và xử lý bề mặt tinh xảo Lực nén thường không được phân bổ đúng tâm, và trong trường hợp chiều cao nâng lớn, thanh răng có thể không ổn định Việc nối dài thanh răng cũng gặp nhiều khó khăn Hệ thống này không có khả năng tự hãm, do đó thường được sử dụng để nâng cửa van trong các công trình thủy có chiều cao nâng không lớn, kết hợp với bộ truyền bánh vít trục vít.
1.4.3 Thiết bị đóng mở cửa van kiểu dây mềm (cáp, xích)
Thiết bị đóng mở cửa van kiểu dây mềm là dùng dây cáp hoặc xích cuốn lên
Thiết bị kiểu dây mềm di động và cố định được sử dụng để đóng mở cửa van, với tang hoặc ròng rọc xích Động cơ điện truyền động qua các cặp bánh răng giúp cuốn và nhả cáp Có hai loại thiết bị này: di động và cố định.
Thiết bị kiểu di động bao gồm cầu trục, cổng trục và cần trục, được sử dụng để đóng mở nhiều cửa van cũng như lắp ráp và sửa chữa các thiết bị cơ điện tại công trình Trên máy trục, cơ cấu tời cáp kết nối với một cơ cấu chuyên dụng, giúp thực hiện hiệu quả việc đóng mở cửa van.
Thiết bị kiểu cố định là tời cáp, bao gồm tời điện và tời tay, được lắp đặt cố định trên đỉnh cửa van để thực hiện việc đóng mở cửa Ưu điểm của thiết bị này bao gồm dễ lắp đặt và điều chỉnh, khả năng tăng bội suất pa lăng giúp giảm lực trong dây cáp, không bị hạn chế tốc độ nâng, hiệu suất truyền động cao, tiết kiệm công suất máy Ngoài ra, thiết bị còn hỗ trợ tự động hóa, thời gian đóng mở cửa van nhanh, an toàn khi hạ cửa, lắp đặt gọn gàng và có giá thành rẻ, không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách từ đỉnh cửa đến cao trình đặt máy.
Hình 1.20 Máy đónmở kiểu xilanh thuỷ l c.
Thiết bị đóng mở này được sử dụng hiệu quả cho cửa van cung trên tràn, đặc biệt là trong các khoang cửa lớn Nó hỗ trợ nâng hạ cửa van phục vụ cho công tác sửa chữa trong các công trình thủy điện.
Hệ thống van có nhược điểm là khó sử dụng khi cửa van không tự đóng do trọng lượng bản thân Sơ đồ bố trí hệ thống dây cáp phức tạp, đặc biệt là với các cửa van có tải trọng lớn cần tăng bội suất pa lăng Khi trọng lượng cửa không đủ để tự đóng, cần phải thêm gia trọng hoặc sử dụng cáp phức tạp.
1.4.4 Thiết bị đóng mở kiểu xi lanh thuỷ lực
Thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý thuỷ lực thể tích, trong đó chất lỏng là môi trường truyền lực Áp lực chất lỏng được bơm vào xi lanh, đẩy pít tông di chuyển qua lại Cán pít tông kết nối với pít tông và cửa van, cho phép cửa van đóng mở theo chuyển động của pít tông Xi lanh có các tai hoặc ổ cầu để lắp đặt cố định bằng bu lông, giúp xi lanh thực hiện hai chuyển động: chuyển động tịnh tiến của pít tông và chuyển động quay khi có cánh tay đòn, trong khi cửa van chỉ thực hiện chuyển động tịnh tiến.
LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỬA VAN CỔNG
Xây dựng phương pháp tính
Sau khi xác định hình thức kết cấu cửa van và kích thước bao, cũng như áp lực cột nước tác động, chúng ta tiến hành tính toán độ bền của kết cấu Dựa vào các thông số đã có, phương pháp tính sẽ được xây dựng để xác định các kích thước còn lại của cửa van theo hình thức kết cấu đã chọn.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là cửa van cổng, một loại cửa van đặc biệt với tấm tháp bưng có mặt uốn cong theo viền ngoài hình tròn bán kính R Áp lực nước tác động lên cửa van này phân bố đều theo mặt ngoài và vuông góc với từng tiếp điểm của mặt cong tròn, tùy thuộc vào từng mực nước.
Do đặc điểm của cửa cong, các áp lực trên bề mặt cửa van thay đổi phương, dẫn đến việc xác định lực cần tách thành hai thành phần: phương đứng và phương ngang Phương pháp tính toán cho cửa van cong không thể áp dụng giống như cửa van phẳng thông thường, mà cần phát triển các công thức tính mới Tác giả đã sử dụng hai phương pháp để xây dựng công thức tính toán: phân tích kết cấu hệ phẳng bằng giải tích và phân tích kết cấu hệ không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn qua phần mềm SAP 2000.
2.2.1 Phương pháp phân tích kết cấu hệ phẳng
Cửa van cổng có cấu trúc không gian ba chiều, nhưng để đơn giản hóa việc phân tích tính toán, ta áp dụng phương pháp phân tích kết cấu phẳng Phân tích này chia cửa van thành nhiều kết cấu phẳng độc lập, cho phép thực hiện tính toán riêng biệt cho từng phần.
Vị trí tính toán cửa van được xác định khi cửa đang đóng, với toàn bộ cửa van nằm trên ngưỡng bê tông cốt thép hình nửa tròn Ngưỡng này có khe van bằng th p để hỗ trợ cửa và tựa gioăng chắn nước.
Tải trọng tác động lên cửa van bao gồm áp lực thủy tĩnh của nước ở cả hai bên cửa và trọng lượng của chính cửa.
Hình 2.6 Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa van
B: Bề rộng cửa r : bán kính cửa
HTL: Chiều cao cột nước thượng lưu
HHL: Chiều cao cột nước hạ lưu
Chiều cao được tính từ ngưỡng đáy đến trọng tâm của cửa, trong khi áp lực phân bố phía trên cửa van có dạng tam giác, còn áp lực phân bố phía dưới cửa van có dạng chữ nhật.
1 Áp lực nước thủy tĩnh tác dụng lên cạnh đứng của cửa van:
Tại tiết diện đứng của cửa van cổng, áp suất nước phân bố tương tự như ở cửa van phẳng Do đó, công thức tính áp lực nước tác động lên cửa van phẳng vẫn được áp dụng, với điều kiện là cả thượng lưu và hạ lưu đều có nước.
Trên tiết diện đứng của cửa van, áp lực thủy tĩnh P tác động lên cạnh đứng và đi qua trọng tâm của áp lực bề mặt Công thức tính áp lực này được xác định như sau:
2 N/m (2.1) γ - trọng lượng riêng của nước = 9,81 kN/m 3 ;
Xác định trọng tâm cửa khi bị áp lực cột nước tác dụng:
Hc – khoảng cách từ ngưỡng đến tâm áp lực nước tác dụng lên cửa từ hai phía, m.
2 Xây dựng công thức xác định nội lực trong khung dầm [2]
Trong khảo sát một đoạn v cùng b dS, áp lực nước tĩnh dQ tác động lên cửa van cổng, gây ra lực nén N và N+dN Áp lực này được ký hiệu là q và được tính theo mặt ngang đi qua trọng tâm cửa.
Trong đó N có giá trị kh ng đổi, và q là áp lực nước lên đường trọng tâm theo phương ngang là đều nhau cũng có giá trị không đổi.
Hình 2.7 Phân tích áp lực lên cửa van
Lực nước tác dụng lên 1 phân tố dφ là dQ dQ = - q.dS (2.3)
Trong đó: q: lực phân bố trên chiều dài cung; dS: chiều dài cung, ta có: dS = r.dφ; (φ(rad)) r: bán kính của cửa van
Chia dQ thành hai thành phần:
+ Thành phần theo phương đứng dQy dQy = - dQ.sinφ = - q.r.sinφ.dφ + Thành phần theo phương ngang dQx dQx = - dQ.cosφ = - q.r.cosφ.dφ
Do cửa van đối xứng ta xét một nửa cửa van
•Tổng lực tác dụng theo phương đứng lên nửa cửa van: π 2
Qy = qr.cos(π/2) - qr.cos(0) = - q.r (2.5)
•Tổng áp lực tác dụng theo phương ngang lên nửa cửa van: π π
Áp lực nước tĩnh tác động lên bề mặt cong của cửa, dẫn đến sự xuất hiện của phản lực R x3 và Rx1 tại gối đỡ nhằm chống lại lực xô ngang Qx Cụ thể, Qx được tính theo công thức Qx = - q.r.sin(π/2) + q.r.sin(0) = - q.r.
- Phản lực lên gối quay:
Xác định phản lực ở hai gối
Chiếu các lực tác dụng lên phương ngang:
∑Rx = Rx1+ Rx3 + Qx – Qx = 0
Rx1 = Rx3 = 0 ( do cửa van đối xứng) Chiếu các lực tác dụng lên phương đứng:
∑Ry = Ry1 + Ry3 – Qy – Qy= 0
Vậy thay vào ta có:
Hình 2.8 Áp dụng nước tĩnh tác dụng lên cửa van theo đường trọng tâm
Vậy phản lực tại hai gối 1 và
4 Xác định phản lực tại khớp giữa cửa van Để thuận lợi cho việc chế tạo, vận chuyển, lắp ráp thì cửa van cổng được chia thành hai mảnh Hai mảnh này nối với nhau bằng khớp bản lề 2 Tách khớp 2, Xác định phản lực giữa hai nửa Rx2, Ry2
Xét cân bằng một nửa khung
Chiếu các lực tác dụng lên phương ngang:
Hình 2.9 Phản lực tại các gối tựa
Lấy mô men với gốc tọa độ 1:
∑M1= Rx2.r + Ry2.r - Qy.(r/2) – Qx.(r/2) = 0 r(Rx2 + Ry2 – q.(r/2) – q.(r/2) = 0
Do đó: Ry2=0 Vậy phản lực tại khớp giữa cửa van: Rx2 = q.r
5 Xác định nội lực trong khung. a) Xác định mômen tại mặt cắt bất kì
Mômen uốn tại mặt cắt φ0:
MPL: Mômen do phản lực tại gối gây ra
Mq: Mômen do lực phân bố q gây ra
Mômen do phản lực gây ra với trục đi qua trọng tâm mặt cắt (MPL)Mômen do phản lực tại gối 1:
MPL = q.r².(1-cos φ0) là công thức tính mômen do áp lực nước gây ra với trục đi qua trọng tâm mặt cắt Mômen do phân tố được tính bằng dMq = l².dQ, trong đó l² = r.sin(φ-φ0) và dQ = q.r.dφ Kết quả là dMq = q.r².sin(φ-φ0).dφ, cho thấy tổng mômen do áp lực nước gây ra trên phần đang xem xét từ ϕ 0 đến ϕ 0.
M0 = MPL + Mq = qr 2 (1-cos φ0) + (- qr 2 + qr 2 cosφ0) = 0 (2.10) b) Lực dọc, lực cắt trong khung:
Xét cân bằng một phần của khung
Hình 2.10 Sơ đồ xác định các lực N,Q
Xác định Qu, Qv dQ = q.dS = q.r.dφ ϕ 0 ϕ 0
Chiếu lên hai phương u0,v0 dQu = q.r.dφ sin(φ0 – φ)
Tổng áp lực nước tác dụng theo phương u: ϕ 0 ϕ 0
Qu= qr.cos(0) - qr.cosφ0 = qr.(1-cos φ0) Tổng lực áp lực nước tác dụng theo phương v: ϕ 0
Qv = - qr.sin(0) + qr.sin φ0 = qr sin φ0 (2.12) Phản lực: Chiếu phản lực lên hai phương u,v
Chiếu tất các lực lên phương u0
N =Ru + Qu = q.r.cosφ0 + qr.(1- cos φ0) = q.r (2.12) Chiếu các lực lên phương v0
Q = Rv + Qv = - q.r.sinφ0 + qr sin φ0 = 0 (2.13) Vậy tại mặt cắt bất kì trong khung ta có các giá trị nội lực :
Kết quả cho thấy kết cấu vòm ba khớp có trục hợp lý với đường tròn làm việc trong môi trường chất lỏng mang lại hiệu quả tối ưu Trong trường hợp này, mô men và lực cắt đều bằng không, chỉ còn lại lực nén trong khung Điều này chứng tỏ cửa van cổng vượt trội hơn so với các cửa van phẳng có cùng khẩu độ.
Như vậy để lựa chọn kết cấu cửa van ta xác định tiết diện đứng của cửa:
Chiều cao của cửa đã được xác định, và các hình dạng kết cấu cửa được lựa chọn là dạng kín hoặc hở Từ đó, kích thước tiết diện kết cấu thép của cửa được chọn và xác định tiết diện cần thiết.