Tính toán thiết kế kết cấu thép

Tài liệu tham khảo Tính toán thiết kế kết cấu thép

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

I Các thông số cơ bản để tính toán kết cấu thép:

_ Thông số kích thước:

- Chiều dài toàn dầm: 83 (m)

- Khẩu độ ray: 15,55 (m)

- Khoảng cách giữa hai chân: 18 (m)

- Tầm với làm việc max tính từ tâm ray phía biển: 35 (m)

- Tầm với làm việc max tính từ tâm ray phía bờ: 16 (m)

_ Thông số về khối lượng:

- Khối lượng toàn bộ dầm cầu chuyển tải: Gc = 26,3 (T)

- Khối lượng xe con và cụm tời nâng hàng: Gx= 22 (T)

- Khối lượng nhà tời nâng cần: 5,54 (T)

_ Thông số về vật liệu kết cấu thép cầu chuyển tải, thép CT3 có các đặc trưng cơ tính :

- Môđun đàn hồi khi kéo: E = 2,1.106 kG/cm2

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

- Giới hạn chảy: σc= 2400 – 2800 kG/cm2

- Giới hạn bền: σb= 3800 – 4200 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:

5 , 1

270 =

=

=

n c

σ

σ (N / mm2)

II Các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng tính toán kết cấu thép:

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 luậthoặc không theo qui luật, tải trọng tĩnh hoặc động, tải trọng tác động theo phương thẳngđứng hoặc phương ngang… Từ sự phối hợp đa dạng của các loại tải trọng, người ta chia racác 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 kiệnbình thường Trường hợp này dùng để tính bền các chi tiết theo mỏi Các tải trọng thayđổi 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 kiệnnặng 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 tiếttheo 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 chuyểntải gồm có: trọng lượng bản thân cầu chuyển tải, gió bão tác dụng lên cầu chuyển tải ởtrạng thái không làm Trường hợp này dùng để tiến hành kiểm tra độ bền kết cấu và tínhổn định cần trục ở trạng thái không làm việc

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 kếtcấu 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 conđứng yên, chỉ có cơ cấu nâng làm việc, tính toán khi khởi động (hoặc hãm) cơ cấu nângmột 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 conmang hàng di chuyển, khởi động (hoặc phanh) từ từ (Ib), hoặc đột ngột (IIb) Trongtrường 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

Loại tải trọng

Các trường hợp tải trọng

[ ]σ = σrk /n I [ ]σ = σc/n II [ ]σ = σc/n III

Tổ hợp tải trọng

Trọng lượng xe tời Gx có tính

Trọng lượng hàng nâng Q (cả

thiết bị mang hàng) có tính đến

hệ sô kđ, ψ

td

I.Q

ψ Kđ Qtd ψII.Q Kđ.Q _

Lực quán tính khi hãm cơ cấu di

Tải trọng gió _ _ PII

g

3 Xác định các thành phần trong bảng tổ hợp tải trọng:

a Trọng lượng bản thân:

Trọng lượng bản thân dầm cầu chuyển tải bao gồm trọng lượng phần kết cấu thép,nhà tời nâng hạ dầm, thiết bị điện, cabin điều khiển… Dựa vào tải trọng và khẩu độ[tr215,KCT], ta ước tính sơ bộ trọng lượng của cầu chuyển tải: Gc = 26,3 (T)

b Trọng lượng xe con:

Đây là loại cầu chuyển tải có kết cấu xe con khác hẳn so với những cần trục trướcđây Cụm tời nâng hàng của cầu chuyển tải không được đặt cố định lên kết cấu thép màđặt thẳng lên xe con làm cho trọng lượng của xe con tăng lên đáng kể:

Gx = 0,4Q + 6 = 22 (T)

c Trọng lượng hàng nâng và bộ phận mang hàng:

- Tổng trọng lượng hàng nâng và bộ phận mang hàng:

Q= Q0 +G m= 50 (T)

- Trọng lượng hàng tương đương:

Q td = ϕ Q= 0,8.50 = 40 (T) + Q td: trọng lượng hàng tương đương khi tính kết cấu thép

+ ϕ=0,8: số tương đương phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy [tr88, KCT]

- Hệ số động khi nâng (hạ) hàng:

ψI = 1 + 0 , 025 v= 2 , 25

ψII = 1 + 0 , 04 v= 3

+ v = 50 m/ph : vận tốc nâng hàng của cơ cấu nâng

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

P qt = (m x +m h).j

+ m x= 22 (T): khối lượng xe con

+ m h= 50 (T): khối lượng hàng và bộ phận mang

+ j =1,63 (m / s2): gia tốc khi khởi động (hãm) xe con

- Diện tích chắn gió của kết cấu: F C =k c.F b=1 580=580 (m2)

+ k c=1: hệ số độ kín đối với thép hộp+ F b= 580 m2: diện tích bao của kết cấu được tính gần đúng thông quacác mặt cắt giả định trước và kích thước hình học của dầm cầu chuyển tải

 Aùp lực gió tác dụng lên máy trục:

γ

β

0 n c q

+ γ=1: hệ số vượt tải, lấy đối với phương pháp ứng suất cho phép

Thay vào: p g = 25 1 , 7 1 , 2 1 , 25 1 =63,75 (KG / m2)

=> II = 56 , 25 610

g

4 Xác định nội lực trong kết cấu:

_ Hệ cần của cầu truyền tải là một hệ ghép tĩnh dịnh gồm một dầm chính và một dầmphụ congxon nên việc tính nội lực theo hệ ghép

_ Kết cấu dầm quy về hệ ghép:

_ Xét nội lực dầm khi chịu tải trọng bản thân, trọng lượng xe con, và trọng lượng hàngnâng.tải trọng gió, lực quán tính theo phương ngang của cần trục:

Trọng lượng của buồng máy: 5,54 T , lực phân bố của buồng máy là:

q1 = 5540 / 10 = 554 ( KG/ m)

Tổng trọng lượng của dầm: G = 10Q(L – 5)+ 700 = 400.64 + 700 = 26300 KG

=> lực phân bố trên dầm:

q=G/L= 26300 83 = 316 , 87 (KG/m)

• Trường hợp tải trọng IIa: (Gc , Gx , Q td , PII

g)

Xe tời ở tầm với ngoài xa nhất

Trọng lượng hàng tương đương:

Q td = ψII. = 1,2.50 = 60 (T) (ψII=1,2 hệ số động khi nâng hàng)

Sơ đồ chịu lực dầm congxon :

q g =436,15 KG/m

Nội lực của dầm phụ

19667,8 KG

64436,2 2376,5

* 07 , 19

* 2

117600000

* 10

* 3 , 7551

2

J

S Q

(N / mm2)+ 2. .. 196672*6,8,617*10**10117610*25*10

d J

S Q

* 8 , 104

10

* 7 , 42742 10

* 1 , 177

10

* 3 , 421053

6

=> σtd = σ 2 + 3 τ 2 = 0 , 753 2 + 3 7 , 92 2 =13,74 (N / mm2)

Vậy mặt cắt đảm bảo điều kiện bền do σtd ≤[ ]σ .

Sơ đồ chịu lực dầm chính:

Phản lực tại gối theo phương thẳng đứng

Mc = 10.21.q1 + q.23 2/2 - q.2,5 2/2 + R B2,5 - R D.16 = 0

16

5 , 2 10954 2

/ 5 , 2 87 , 316 2 / 23 545 21 10 87 ,

= +

Ta thấy mặt cắt nguy hiểm nhất của dầm chính trong trường hợp này là mặt cắt tại gối C

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

+ S x=129360000 (mm3)

+ δ=25 (mm)+ W x =290,3 106 (mm3)+ W y=136,6.106 (mm3)+ J x=43,31.1010 (mm4)+ F =251500 (mm2)+ J y=8,159.10 10 (mm4)

- Xác định ứng suất tương đương trong tiết diện:

J

S Q

=0,033 (N / mm2)+ =2. .. =1016202.8,159.12930000.1010.25

δ

τ

y

x y d J

S Q

=3,22 (N / mm2)

=> τ = τn+ τd=3,255 (N / mm2)+ = + + = 290766180,3.106 +136315860,6.106 +2373530251500

F

N W

M W

M

y

uy x

ux

=> σtd = σ 2 + 3 τ 2 =11 (N / mm2)Vậy mặt cắt đảm bảo điều kiện bền do σtd ≤[ ]σ

• Trường hợp tải trọng IIb :

TH xe tời ở tầm với trong xa nhất

Lực tác dụng lên hệ chính không ảnh hưởng đến dầm phụ Cho nên trường hợp này ta chỉxét biểu đồ nội lực trên dầm chính:

Sơ đồ chịu lực của dầm chính:

Tính phản lực các gối đỡ: (RC, RD)

kg

q q

q Ry

R

Ry q

q q

Q RD

M

D

n C

207466 24

39

* 11280 2

39

* 48 , 568 290

* 545 2

5 , 3

* 48 , 568 5 , 3

39

* 290

* 2

5 , 3

* 5 , 3

*

0 5 , 3

* 2

5 , 3

* 29

* 10

* 2

39

* 39

* 16

*

2 2

2 2 3

2 2

2 2 3

2 2

=

−

−

− +

+ +

=

∑

Kg Rc

Rc q

q Q RB RY

63078 10

* 545 5 , 42

* 48 , 568 112800 207466

1978

0 10

* 5 , 42

−

= +

+ +

+ + +

=

∑

Vậy cả RA và RB điều trái chiều qui ước trên hình

Xét mặt cắt (1-1)cách m một khoảng Z1 (0< Z1< 2,5)

kg Mx

Z

Mux

Z

Z Ry

z z

q

M

Kg Q

Z

KG R

Q

Z

q Z

Rx

Q

kg Qy

Z

kg Ry

g x

y

y

10405 5

, 3

* 1978 2

5 , 3

* 48 , 568 5

,

3

0 0

* 2

*

*

17702 5

, 3

* 278 18675 5

,

3

18675 0

*

3968 1978

48 , 568

* 5 , 3 5

,

3

1978 0

2 1

1

1 1

Z

kg Mux

Z

Z Rx

z z

q

M uy g

999 5

, 3

* 772 2

5 , 3

* 278 5

,

3

0 0

* 2

*

*

2 1

1

1

1 1

Z

z z q Ry Z R Z

Mx

kg Q

Z

KG Q

Z

q Z

R

Q

kg Qy

Z

kg Q

Z

q Z Ry

R

Q

A X X

II g X

5 , 3

* 48 , 568 1978

* 5 , 3 5

5 , 3

(

6873 278

* 5 , 27 772 5

,

27

201 278

* 5 , 3 772 5

,

3

97913 48

, 568

* 5 , 27 1978 115524 5

,

27

111556 48

, 568

* 5 , 3 1978 115524 5

,

3

2 2

2 2 2 2

2

2

2

2 2

2

2 2

= +

=

⇒

=

+ +

−

−

=

= +

−

=

kg Muy

Z

KG M

Z

Z R

, 27

* 772 2

5 , 27

* 278 5

,

27

999 5

, 3

* 772 2

5 , 3

* 278 5

5 , 27

* 48 , 568 1978

* 5 , 27 115524

*

24

2

5 , 27

*

* 5 , 27 24

5

,

27

2 2

2 2

2

2 2

2

2 2

+

−

=

+ +

Z

KG M

Z

Z q

Muy

kgm q

Mx

Z

kg Mx

Z

z z

q

Mx

kg Q

Z

kg Q

5

* 278 5

0 0

2

*

7106 2

5

* 48 , 568 2

5

* 5

0 0

2

*

*

1390 278

* 5 5

0 0

4 , 2842 48

, 568

* 5 5

0 0

2 2

2

2 2

2 2

2 2

2

3 3

kg Q

Z

z q q

Z

Q

*

15114 545

* 10 48 , 568

* 17 17

0 0

) 7 (

Z

KG Q

Z

X

X

4726 278

* 17 17

0 0

Z

Mux

Z

z z

q

z z

q

M ux

1149625 5

, 12

* 10

* 545 2

17

* 48 , 568 17

0 0

) 7 2

7 (

* ) 7 (

* 2

*

*

2 3

3

3 3

3

3 3

2

−

= +

=

kg Mx

Z

kg Mux

Z

z z

q

M uy g

40171 2

17

* 278 17

0 0

2

*

*

2 3

3

3 3

Mặt cắt nguy hiểm nhất của dầm chính trong trường hợp này là mặt cắt 2-2:

ứng xuất nguy hiểm của mặt cắt này nằm ngoài về bên phải nên chỗ cần kiểm tra là tại Z1=15,5:

+ Q x=3537*10 (N )

+ Q y=104735*10 (N )

+ M uy=21429*104 (Nmm)

+ M ux=1287340*104 (Nmm)

Mặt cắt trên dầm chính :

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

J

S Q

= =0,26 (N / mm2)

2

.

y

x y d J

S Q

= =41,5 (N / mm2)

=> τ = τn+ τd=41,76 (N / mm2)+

y

uy x

ux W

M W

TH xe tời ở giữa khẩu độ

Lực tác dụng lên hệ chính không ảnh hưởng đến dầm phụ Cho nên trường hợp này ta chỉxét sơ đồ chụi lực của dầm chính:

R D

R C

Q n

N B

R B

q=316,87kg/m

D C

q 1 =545kg/m

Tính phản lực các gối đỡ:

kg R

R q

q q

Q R

M

D

D n

B

C

28864

0 5 , 2

* 2

5 , 2

* 2 / 39

* 21

* 10

* 8

* 5 , 2

+ +

=

∑

Kg R

R R R q

115524

0 ) (

10

* 5 , 41

=

⇒

= + +

− +

y

y

q Z

Rx

Q

kg Qy

Z

kg Ry

48 , 568

* 5 , 3 5

,

3

1978 0

kg Mx

Z

Mux

Z

Z Ry z z

q

M

Kg Q

Z

KG R

10405 5

, 3

* 1978 2

5 , 3

* 48 , 568 5

,

3

0 0

* 2

*

*

17702 5

, 3

* 278 18675 5

,

3

18675 0

2 1

1

1 1

1

1

1

= +

Z

kg Mux

Z

Z Rx z z

q

M uy g

63660 5

, 3

* 18675 2

5 , 3

* 278 5

,

3

0 0

* 2

*

*

2 1

1

1

1 1

5 , 3

(

3537 278

* 5 , 15 772 5

,

15

201 278

* 5 , 3 772 5

,

3

104735 48

, 568

* 5 , 15 1978 115524

5

,

15

111556 48

, 568

* 5 , 3 1978 115524

5

,

3

2 2 2 2

2

2

2

2 2

2

2 2

z z q Ry Z R Z

Mx

kg Q

Z

KG Q

Z

q Z

R

Q

kg Qy

Z

kg Q

Z

q Z Ry

R

Q

A X X

II g X

−

−

=

= +

−

=

kg Muy

Z

KG M

Z

Z R Z

q

Muy

KG

q Ry R

Mx

Z

kg Mx

, 15

* 18675 2

5 , 15

* 278 5

,

15

63660 5

, 3

* 18675 2

5 , 3

* 278 5

5 , 15

* 48 , 568 1978

* 5 , 15 115524

*

12

2

5 , 15

*

* 5 , 15 12

5

,

15

10405 2

5 , 3

* 48 , 568 1978

* 5 , 3 5

,

3

2 2

2 2

2

2 2

2

2 2

2

2 2

+

−

=

+ +

5 , 3

(

6873 278

* 5 , 27 772 5

,

27

3537 278

* 5 , 15 772 5

,

15

14887 48

, 568

* 5 , 27 112800 1978

115524 5

,

27

8065 48

, 568

* 5 , 15 112800 1978

115524 5

,

15

2 2 2 2

2

2

2

2 2

2

2 2

z z q Z

Qn Ry Z R Z

Mx

kg Q

Z

KG Q

Z

q Z

R

Q

kg Qy

Z

kg Q

Z

q Z Qn Ry

R

Q

A X X

II g X

+ +

+ +

−

=

KG

Z Qn q

Ry R

Mx

Z

kg Mx

Z

A

1149625 12

* 112800 2

5 , 27

* 48 , 568 1978

* 5 , 27 115524

*

24

) 5 , 15 3 (

* 2

5 , 27

*

* 5 , 15 24

5

,

27

1287340 2

5 , 15

* 48 , 568 1978

* 5 , 15 115524

* 12 5

,

15

2

2 2

2

2 2

−

= +

+ +

−

=

− +

+ +

Z

KG M

Z

Z R

, 27

* 772 2

5 , 27

* 278 5

,

27

21429 5

, 15

* 772 2

5 , 15

* 278 5

2 2

2

2 2

Xét mặt cắt 4-4 cách n một khoảng z4( 0 < Z4 < 23 ):

kgm Mx

Z

Mux

Z

z z

q

z z

q

M

Kg Q

Z

KG Q

Z

kg Q

Z

z q q

, 12

* 10

* 545 2

17

* 48 , 568 17

0 0

) 7 2

7 (

* ) 7 (

* 2

*

*

4726 278

* 17 17

0 0

*

15114 545

* 10 48 , 568

* 17 17

0 0

) 7 (

*

2 3

3

3 3

3 3 3

3

−

= +

Z

kg Mux

Z

z z

q

M uy g

40171 2

17

* 278 17

0 0

2

*

*

2 3

3

3 3

Ta thấy mặt cắt nguy hiểm nhất của dầm chính trong trường hợp này là mặt cắt 2-2:ứng xuất nguy hiểm của mặt cắt tại z=10,5

.

x

x x n

J

S Q

= =0,26 (N / mm2)

2

.

y

x y

d J

S Q

= =41,5 (N / mm2)

=> τ = τn+ τd=41,76 (N / mm2)

+

y

uy x

ux W

M W

5 Phương pháp bố trí gân tăng cứng thành dầm:

Đối với dầm hai thành (tiết diện hình hộp) để tăng cứng cho tấm thành và các tấmbiên, đồng thời tăng độ cứng chống xoắn tiết diện ngang của dầm: gân tăng cứng đượcbố trí là các vách ngăn Các vách ngăn là các tấm thép được bố trí trong lòng của dầmhàn với các tấm thành và tấm biên

Các gân tăng cứng thành dầm sẽ chia tấm thành dầm thành các khoang nhỏ Khi mấtổn định cục bộ, các khoang không ảnh hưởng lẫn nhau Vì vậy cần tiến hành kiểm tra ổnđịnh cục bộ của các khoang nhỏ được giới hạn bởi các gân tăng cứng và tấm biên: cáckhoang có hình chữ nhật, có kích thước tùy thuộc vào việc bố trí các gân tăng cứng thànhdầm gọi là các tấm kiểm tra.Tấm kiểm tra được giới hạn bởi các gân đứng và hai tấmbiên của dầm

Để tăng khả năng chống uốn theo phương ngang ta bố trí thêm các gân dọc Tùy vàochiều cao của thành dầm mà ta chọn bố trí một gân dọc hay nhiều gân

gân dọc

vách ngăn

6 Tính toán kiểm tra bền mối ghép bulông:

Liên kết các kết cấu thép của cần trục chịu tải trọng động và dao động hay dùng bulôngtinh và bulông có độ bền cao, đảm bảo cho mối nối có độ tin cậy lớn

Để đảm bảo khả năng chịu lực và độ tin cậy cao trong suốt quá trình làm việc, ta sửdụng loại bulông có cường độ cao Loại bulông này được làm từ thép hợp kim 40X, sauđó được gia công nhiệt Giống như các loại buông thường (bulông thô), độ chính xác củabulông có cường độ cao không cao, nhưng do bulông được làm từ thép có cường độ caonên ta có thể vặn đai ốc rất chặt (bằng clê lực) làm cho thân bulông chịu kéo và gây lựcép rất lớn lên các chi tiết ghép

Mối ghép bulông được sử dụng để liên kết các chân với các dầm ngang của cần trục.Mối ghép chịu các lực N, Mx, My Do đó, ứng suất trong các bulông lắp ráp được xác địnhnhư sau:

1

1 1

.

y x

x

x M J

y M F n

N

+ +

= σ+ M ux=472086142 (Nmm) + M uy=735298381 (N / mm)+ N =2424840 (N / mm) + J x=4,477.1010 (mm4)+ F =128200 (mm2) + J y=7,4615.10 10 (mm4)+ n=56 bulông

Lấy tọa độ của bulông xa nhất (960,780) để kiểm tra bền:

2

10 7 , 4615 10

960 735298381 10

477 , 4

780 472086142 128200

56

2424840

+ +

Vậy mối ghép đảm bảo điều kiện bền

7 Tính toán và kiểm tra mối hàn:

_ Hiện nay, trong ngành Cơ khí chế tạo máy có nhiều phương pháp liên kết các kếtcấu thép lại với nhau, nhưng trong đó phương pháp hàn là ưu việt nhất và được sử dụngphổ biến nhất vì nó có rất nhiều ưu điểm: dễ dàng trong việc gia công chế tạo, giá thànhrẻ hơn rất nhiều so với các phương pháp khác, có thể nối ghép hầu hết các chi tiết lại vớinhau (chỉ trừ một số chi tiết có kích thước quá bé, chi tiết có bề mặt ghép quá phức tạp,chi tiết được làm bằng loại vật liệu không thể hàn), khả năng chịu lực của mối ghép hàngần như tương đương với khả năng chịu lực của vật liệu chế tạo chi tiết ghép …

_ Như vậy mối ghép hàn cần phải được thực hiện tại một số vị trí sau đây:

Tại vị trí liên kết giữa tấm biên (biên trên, biên dưới) với tấm thành: mối hàn được thựchiện là mối hàn góc (hàn 2 tấm thép vuông góc nhau)

Mối Hàn Góc

Tại vị trí liên kết nối giữa các tấm thép với nhau : mối hàn được thực hiện là mối hàngiáp mối, chịu đồng thời lực cắt và mômen uốn

Mối Hàn Giáp Mối

_ Mối hàn liên kết giữa hai đoạn chân với nhau chịu tác dụng của ứng suất tiếp do lựccắt và lực dọc gây ra, chịu tác dụng của ứng suất pháp do mômen uốn gây ra (Phươngpháp tính tham khảo trang 66-67 tài liệu [05])

_ Ứng suất tiếp do lực dọc gây ra: