Thiết kế tàu hút bùn 5

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế tàu hút bùn

Trang 1

Chương 4: Tính Toán Thiết Kế Kết Cấu Thép 4.1 Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép:

Kết cấu thép là phần chịu lực chính của toàn bộ cầu chuyển tải, đây là phần có tỉ trọng về khối lượng lớn nhất, khoảng 60÷80% tổng khối lượng cầu chuyển tải Cho nên việc tính toán kết cấu thép có ý nghĩa rất quan trọng, nó quyết định đến sự an toàn khi làm việc của bản thân cầu chuyển tải và các cơ cấu khác Kết cấu thép cầu chuyển tải có dạng hộp được cấu tạo từ các tấm thép và các đoạn dầm liên kết với nhau bằng mối ghép bulông hay hàn

4.1.1 Các thông số kích thước:

- Chiều dài toàn dầm: Ltoàn dầm=69 (m) - Khẩu độ ray: L=24 (m)

- Khoảng cách giữa hai chân: 16,5 (m)

- Tầm với làm việc max tính từ tâm ray phía biển: 50 (m) - Tầm với làm việc max tính từ tâm ray phía bờ: 15 (m) 4.1.2 Các thông số về khối lượng:

- Khối lượng toàn bộ cầu chuyển tải: Gc (T)

- Khối lượng xe con và cụm tời nâng hàng: Gx=30,1 (T) - Khối lượng nhà tời nâng cần: 5,54 (T)

- Khối lượng dầm chính phía biển: 86,530 (T) - Khối lượng dầm chính phía bờ: 67,4 (T) 4.1.3 Các thông số về vật liệu:

Vật liệu kết cấu thép cầu chuyển tải là thép CT3 có các đặc trưng cơ tính sau: - Môđun đàn hồi khi kéo: E = 2,1.106 kG/cm2

- Môđun đàn hồi trượt: G = 0,81 106 kG/cm2

- Độ dai va đập: ak = 50 – 100 J/ cm2

- Khối lượng riêng: γ = 7,83 T/ m3

- Độ dãn dài khi đứt: ε0 = 21% - Ứng suất cho phép lớn nhất:

===

Trang 2

4.2 Các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép: 4.2.1 Trường hợp tải trọng:

Khi cầu trục làm việc, nó chịu nhiều loại tải trọng khác nhau tác dụng lên kết cấu Các tải trọng có thể tác động thường xuyên hoặc không thường xuyên, theo qui luật hoặc không theo qui luật, tải trọng tĩnh hoặc động, tải trọng tác động theo phương thẳng đứng hoặc phương ngang… Từ sự phối hợp đa dạng của các loại tải trọng, người ta chia ra các trường hợp tải trọng tính toán như sau:

a Trường hợp tải trọng I:

Tải trọng bình thường ở trạng thái làm việc, phát sinh khi máy làm việc ở điều kiện bình thường Trường hợp này dùng để tính bền các chi tiết theo mỏi Các tải trọng thay đổi được qui đổi thành tải trọng tương đương

b Trường hợp tải trọng II:

Tải trọng lớn nhất ở trạng thái làm việc, phát sinh khi cầu trục làm việc ở điều kiện nặng nhất Các tải trọng này gồm các lực cản tĩnh cực đại, tải trọng động cực đại khi mở (hoặc phanh) máy (hoặc cơ cấu) đột ngột… Trường hợp này dùng để tính các chi tiết theo điều kiện bền tĩnh

c Trường hợp tải trọng III:

Tải trọng cực đại ở trạng thái không làm việc Các tải trọng tác dụng lên cầu chuyển tải gồm có: trọng lượng bản thân cầu chuyển tải, gió bão tác dụng lên cầu chuyển tải ở trạng thái không làm Trường hợp này dùng để tiến hành kiểm tra độ bền kết cấu và tính ổn định cần trục ở trạng thái không làm việc

4.2.2 Bảng tổ hợp các trường hợp tải trọng:

Ở trạng thái làm việc của máy trục, người ta tổ hợp các tải trọng tác dụng lên kết cấu và chia thành các tổ hợp tải trọng sau:

- Tổ hợp Ia, IIa: hai tổ hợp này tương ứng với trường hợp cầu chuyển tải và xe con đứng yên, chỉ có cơ cấu nâng làm việc, tính toán khi khởi động (hoặc hãm) cơ cấu nâng một cách từ từ (Ia) hoặc đột ngột (IIa)

- Tổ hợp Ib, IIb: hai tổ hợp này ứng với trường hợp cầu chuyển tải đứng yên, xe con mang hàng di chuyển, khởi động (hoặc phanh) từ từ (Ib), hoặc đột ngột (IIb) Trong trường hợp này, cơ cấu nâng không làm việc hoặc làm việc với gia tốc ổn định

- Tổ hợp III: cầu chuyển tải không làm việc, chịu tác dụng của tải trọng gió bão

Trang 3

Các trường hợp tải trọng

Trọng lượng xe tời Gx có tính đến hệ số kđ

Trọng lượng hàng nâng Q (cả thiết bị mang hàng) có tính đến hệ sô kđ, ψ

4.3 Xác định các thành phần trong bảng tổ hợp tải trọng: 4.3.1 Trọng lượng bản thân cần trục, xe con và hàng: a Trọng lượng bản thân cần trục:

Trọng lượng bản thân cầu chuyển tải bao gồm trọng lượng phần kết cấu thép, nhà tời nâng hạ dầm biển, thiết bị điện, cabin điều khiển… Dựa vào hồ sơ kỹ thuật của các loại cầu chuyển tải thông dụng có cùng sức nâng và hồ sơ mời thầu, ta ước tính sơ bộ trọng lượng của cầu chuyển tải: Gc (T)

- Trọng lượng chân phía trước: - Số lượng thanh giằng:

Trang 4

+ 6 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 7710 mm + 6 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 30628 mm + 6 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 38524 mm

- Theo bảng báo giá thép định hình của Công ty TNHH Thương Mại Thép Nam Việt, loại thép L125x75x7 có khối lượng 11 kg/m

=> Tổng trọng lượng các thanh giằng: Qg=7055,93 kG - Diện tích mặt cắt trung bình của thanh: Ftb=138190 ( 2

mm ) - Chiều dài tổng thể của chân phía trước: Ltt=38524 (mm) - Trọng lượng riêng của thép CT3: γt=7,83 T/ m3

=> Tổng trọng lượng của chân phía trước:

Q =kQ.(Qg+Ftb.Ltt.γt)=53613,96 (kG) Trong đó:

+ kQ=1,1: hệ số tăng trọng lượng do các mối hàn, các tai chịu lực khi lắp ráp, các tấm ốp gia cường khi lắp ráp với các bộ phận của khác

- Trọng lượng chân phía sau: - Số lượng thanh giằng:

+ 4 thanh giằng số hiệu L100x75x7, chiều dài 38385 mm + 2 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 38385 mm + 1 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 20000 mm

- Theo bảng báo giá thép định hình của Công ty TNHH Thương Mại Thép Nam Việt, loại thép L100x75x7 có khối lượng 7,53 kg/m

=> Tổng trọng lượng các thanh giằng: Qg=3292,353 kG - Diện tích mặt cắt trung bình của thanh: Ftb=133542 ( 2

mm ) - Chiều dài tổng thể của chân phía sau: Ltt=38385 (mm) - Trọng lượng riêng của thép CT3: γt=7,83 T/ m3

=> Tổng trọng lượng của chân phía sau:

Q =kQ.(Qg+Ftb.Ltt.γt)=47772 (kG) - Trọng lượng dầm ngang trên phía trước:

- Số lượng thanh giằng:

+ 5 thanh giằng số hiệu L100x75x7, chiều dài 20520 mm => Tổng trọng lượng các thanh giằng: Qg=772,578 kG

- Diện tích mặt cắt trung bình của thanh: Ftb=112800 ( 2

mm )

- Chiều dài tổng thể của dầm ngang trên phía trước: Ltt=20520 (mm)

Trang 5

=> Tổng trọng lượng của dầm ngang trên phía trước:

Q =kQ.(Qg+Ftb.Ltt.γt)=20785,97 (kG) - Trọng lượng dầm ngang trên phía sau:

+ 2 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 7800 mm + 2 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 15000 mm + 6 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 20310 mm + 1 thanh giằng số hiệu L125x75x7, chiều dài 20460 mm => Tổng trọng lượng các thanh giằng: Qg=2067,12 kG

+ 7 thanh giằng số hiệu L100x75x7, chiều dài 20750 mm => Tổng trọng lượng các thanh giằng: Qg=1093,73 kG

mm ) - Chiều dài tổng thể của dầm ngang dưới: Ltt=20750 (mm) => Tổng trọng lượng của dầm ngang dưới phía sau:

Q =kQ.(Qg+Ftb.Ltt.γt)=38305,323 (kG) b Trọng lượng xe con:

Đây là loại cầu chuyển tải có kết cấu xe con khác hẳn so với những cần trục trước đây Cụm tời nâng hàng của cầu chuyển tải không được đặt cố định lên kết cấu thép mà đặt thẳng lên xe con làm cho trọng lượng của xe con tăng lên đáng kể: Gx=30,1 (T)

4.3.2 Trọng lượng hàng nâng và bộ phận mang hàng:

- Tổng trọng lượng hàng nâng và bộ phận mang hàng: Q=80 (T) - Trọng lượng hàng tương đương:

Qtd =ϕ. = 0,8.80=64 (T) (4.1)[05] Trong đó:

+ Qtd: trọng lượng hàng tương đương khi tính kết cấu thép

Trang 6

+ ϕ=0,8: số tương đương phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy trục, tra bảng (4.1)[05]

- Hệ số động khi nâng (hạ) hàng ψII:

+ v: vận tốc nâng hàng của cơ cấu nâng

4.3.3 Lực quán tính ngang khi hãm cơ cấu di chuyển xe con:

Trong đó:

+ mx=30,1 (T): khối lượng xe con

+ mh=80 (T): khối lượng hàng và bộ phận mang + j=1,63 ( 2

+ pg: áp lực gió tác dụng lên máy trục, kG

+ FH=Fv+FC=610 (m2): diện tích chắn gió tính toán của kết cấu và vật nâng (trong trạng thái làm việc), m2

- Diện tích chắn gió của vật nâng Fv=30 m2, tra theo bảng (4.2)[05] - Diện tích chắn gió của kết cấu:

Trong đó:

+ kc=1: hệ số độ kín đối với thép hộp

+ Fb= 580 m2: diện tích bao của kết cấu được tính gần đúng thông qua các mặt cắt giả định trước và kích thước hình học của cầu chuyển tải

- Aùp lực gió tác dụng lên máy trục:

γβ 0 ncq

Trang 7

+ n=1,0÷1,9: hệ số hiệu chỉnh áp lực gió tính đến sự tăng áp lực gió theo chiều cao, tra bảng (4.5)[05]

+ c=1,2: hệ số khí động học của kết cấu, tra bảng (4.6)[05]

+β=1,25: hệ số kể đến tác dụng động của gió lên kết cấu, tra bảng đối với cần trục có độ cứng vững cao

+ γ =1: hệ số vượt tải, lấy đối với phương pháp ứng suất cho phép Thay vào (4.6):

4.4 Tính toán các đặt trưng hình học của tiết diện chân cầu chuyển tải:

Dùng phần mềm Sap2000, giải bài toán tải trọng để xác định đường ảnh hưởng của xe con khi di chuyển trên dầm chính, ta nhận thấy: vị trí xe con đỗ ngay trên chân phía trước của cầu chuyển tải là bất lợi nhất Đồng thời lúc này hướng gió cũng được giả định là thổi theo phương ngang, có chiều từ sau ra trước để gây bất lợi nhất cho khả năng làm việc của kết cấu

Hình 4.1: Sơ Đồ Tổng Thể Của Cầu Chuyển Tải

Trang 8

Dựa vào hồ sơ kỹ thuật của nhà chế tạo, sơ bộ ta lựa chọn các tiết diện chân như sau (chi tiết xem phần bản vẽ Kết Cấu Thép):

a Chân phía nước: - Mặt cắt A-A:

Hình 4.2: Mặt Cắt Chân Trước

- Diện tích tiết diện:

+ Tấm biên trên: F1 =B0.δ1 =1780.20=35600 ( 2

mm ) + Tấm biên dưới: F3 =B0.δ3 =1780.20=35600 ( 2

mm ) + Tấm thành: F2 =2.Ht.δ2 =2.1425.20=57000 ( 2

mm ) - Tổng diện tích: F = F1 +F2 +F3= 128200 ( 2

mm ) - Momen tĩnh của tiết diện đối với trục x1 – x1:

+ Tấm biên trên:

mm ) + Tấm biên dưới:

mm ) + Tấm thành:

21425.570002

Trang 9

- Tổng momen tĩnh: S = S1+S2 +S3= 92482500 ( 3

mm ) - Tọa độ trọng tâm của tiết diện đối với trục x1 – x1:

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục x – x: + Tấm biên trên:

mm )

- Tổng momen quán tính: Jx =Jx1+Jx2+Jx3=4,477.1010 ( 4

mm ) - Momen chống uốn của tiết diện đối với trục x-x:

mm ) - Momen quán tính đối với trục y – y:

+ Tấm biên trên:

301= B δ=

3303= B δ=

102=5,5815.10

Trang 10

mm ) - Mặt cắt B-B:

- Mặt cắt tiết diện: F=134120 ( 2

mm )

- Tổng momen tĩnh của tiết diện đối với trục x1 – x1: S=106727650 ( 3

mm ) - Tọa độ trọng tâm của tiết diện đối với trục x1 – x1: Z0=795,76 (mm) - Momen quán tính của tiết diện đối với trục x – x: Jx=9,589.1010 ( 4

mm ) - Momen chống uốn của tiết diện đối với trục x-x: Wx=243873602,2 ( 3

mm ) - Momen quán tính đối với trục y – y: Jy=8,2722.1010 ( 4

mm ) - Momen chống uốn đối với trục y-y: Wy=92,946.106 ( 3

mm ) - Mặt cắt C-C:

mm )

- Tổng momen tĩnh của tiết diện đối với trục x1 – x1: S=129986480( 3

mm ) - Mặt cắt D-D:

mm )

- Tổng momen tĩnh của tiết diện đối với trục x1 – x1: S=134688000( 3

mm ) - Mặt cắt E-E:

mm )

Trang 11

- Momen quán tính đối với trục y – y: Jy=9,6474.1010 ( 4

mm ) - Mặt cắt F-F:

mm )

mm ) - Mặt cắt J-J:

mm )

mm ) - Mặt cắt K-K:

mm )

mm ) - Mặt cắt L-L:

mm )

Trang 12

- Momen chống uốn của tiết diện đối với trục x-x: Wx=9121058,25 ( 3

mm ) - Mặt cắt M-M:

mm )

mm ) - Momen chống uốn của tiết diện đối với trục x-x: Wx=88,817.106 ( 3

mm ) - Mặt cắt N-N:

mm )

mm ) - Mặt cắt O-O:

mm )

mm ) - Mặt cắt P-P:

mm )

mm ) - Tọa độ trọng tâm của tiết diện đối với trục x1 – x1: Z0=761,66 (mm)

Trang 13

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục x – x: Jx=3,0521.1010 ( 4

mm ) - Mặt cắt Q-Q:

mm )

mm ) - Momen quán tính đối với trục y – y: Jy=7,4615 10

10 ( 4

mm ) - Mặt cắt R-R:

mm )

mm ) - Mặt cắt S-S:

mm )

Trang 14

b Chân phía bờ: - Mặt cắt A-A:

Hình 4.3: Mặt Cắt Chân Sau

mm )

mm ) - Mặt cắt B-B:

mm )

Trang 15

mm ) - Mặt cắt D-D:

mm )

mm ) - Mặt cắt E-E:

mm )

mm ) - Mặt cắt F-F:

mm )

Trang 16

- Momen chống uốn đối với trục y-y: Wy=77,203.106 ( 3

mm ) - Mặt cắt G-G:

mm )

mm ) - Mặt cắt H-H:

mm )

mm ) - Mặt cắt I-I:

mm )

mm ) - Mặt cắt J-J:

mm )

Trang 17

- Momen quán tính đối với trục y – y: Jy=6,672.1010 ( 4

mm ) - Mặt cắt K-K:

mm )

mm ) - Mặt cắt L-L:

mm )

mm ) - Mặt cắt M-M:

mm )

mm ) - Mặt cắt N-N:

mm )

Trang 18

- Momen chống uốn của tiết diện đối với trục x-x: Wx=88,426.106 ( 3

mm ) - Mặt cắt O-O:

- Mặt cắt tiết diện: F=129800( 2

mm )

mm ) c Dầm ngang dưới:

Dầm ngang dưới được chế tạo với tiết diện đều nên ta chỉ cần xác định đặc trưng hình học của một mặt cắt Các mặt cắt còn lại chỉ khác nhau ở các gần tăng cứng và các tai chịu lực:

Hình 4.4: Mặt Cắt Dầm Ngang Dưới

mm )

mm ) - Tọa độ trọng tâm của tiết diện đối với trục x1 – x1: Z0=693,7 (mm)

Trang 19

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục x – x: Jx=13,64.1010 ( 4

mm ) - Momen chống uốn của tiết diện đối với trục x-x: Wx=150.106 ( 3

mm ) d Dầm ngang trên:

Dầm ngang trên chịu tác dụng chủ yếu của momen uốn nên tiết diện dầm được chế tạo có xu hướng to dần về phía giữa dầm, do đó đối với dầm này ta sẽ quan tâm chủ yếu đến tiết diện giữa dầm là chỗ có momen uốn lớn, tiết diện đầu dầm là chỗ có momen uốn nhỏ nhưng tiết diện dầm cũng nhỏ

- Mặt cắt đầu dầm:

mm )

- Mặt cắt giữa dầm:

Hình 4.5: Mặt Cắt Dầm Ngang Trên ở Giữa Dầm

Trang 20

mm )

mm ) 4.5 Xác định nội lực trong kết cấu:

Dùng phần mềm Sap2000 để xác định nội lực trong kết cấu với dữ liệu được xác định ở các phần trước Các giả thiết cơ bản trong bài toán như sau:

- Các thanh giằng trong kết cấu thép cầu chuyển tải được xem là các thanh dàn, chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục

- Các cụm chân cầu chuyển tải được xem như các gối cố định chỉ xoay được theo trục x (trục đối xứng ngang của cầu chuyển tải) do khi thực hiện gấp hàng cầu chuyển tải được cố định trên cầu cảng

- Sơ đồ tính của cầu chuyển tải được xây dựng với các phần tử thanh được đặt tại đường tâm của kết cấu thực

Hình 4.6: Chuyển Vị Của Cầu Chuyển Tải (tl:1:3000)

Trang 21

4.5.1 Chân phía trước: - Mặt cắt A-A:

- Các thông số hình học và nội lực của tiết diện:

mm ) + Qy=117012 (N) + δ=20 (mm)

+ Mux=472086142 (Nmm) + Wx=62060742,84 ( 3

mm ) + Muy=735298381 (N.mm) + Wy=83,837.106 ( 3

mm ) + N=2424840 (N) + Jx=4,477.1010 ( 4

mm ) + F=128200 ( 2

10 ( 4

mm ) - Xác định ứng suất tương đương trong tiết diện: