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: G c = 26,3 (T) - Khối lượng xe con và cụm tời nâng hàng: G x = 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 = 2,1.10 6 kG/cm 2 - Môđun đàn hồi trượt: G = 0,81. 10 6 kG/cm 2 - Giới hạn chảy: c σ = 2400 – 2800 kG/cm 2 - Giới hạn bền: b σ = 3800 – 4200 kG/cm 2 - Độ dai va đập: a k = 50 – 100 J/ cm 2 - Khối lượng riêng: γ = 7,83 T/ m 3 - Độ dãn dài khi đứt: 0 ε = 21% - Ứng suất cho phép lớn nhất: [ ] 180 5,1 270 === n c σ σ ( 2 / mmN ) 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 chòu 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 tónh 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 tónh 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 tónh. 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 đònh 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 kết cấu và chia thành các tổ hợp tải trọng sau: - Tổ hợp I a , II a : 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 (I a ) hoặc đột ngột (II a ). - Tổ hợp I b , II b : 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 (I b ), hoặc đột ngột (II b ). Trong trường hợp này, cơ cấu nâng không làm việc hoặc làm việc với gia tốc ổn đònh. - Tổ hợp III: cầu chuyển tải không làm việc, chòu tác dụng của tải trọng gió bão. Loại tải trọng Các trường hợp tải trọng I II III [ ] Irk n/ σσ = [ ] IIc n/ σσ = [ ] IIIc n/ σσ = Tổ hợp tải trọng I a I b II a II b III Trọng lượng cầu G c G c G c G c G c G c Trọng lượng xe tời G x có tính đến hệ số k đ G x K đ .G x G x K đ .G x G x Trọng lượng hàng nâng Q (cả thiết bò mang hàng) có tính đến hệ sô k đ , ψ tdI Q. ψ K đ . Q td Q II . ψ K đ .Q _ Lực quán tính khi hãm cơ cấu di chuyển xe con P qt – P qt – P max qt _ Tải trọng gió _ _ P II g P II g P III g 3. Xác đònh 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 bò điện, cabin điều khiển… Dựa vào tải trọng và khẩu độ [tr215,KCT], ta ước tính sơ bộ trọng lượng của cầu chuyển tải: G c = 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 trước đây. Cụm tời nâng hàng của cầu chuyển tải không được đặt cố đònh lên kết cấu thép mà đặt thẳng lên xe con làm cho trọng lượng của xe con tăng lên đáng kể: G x = 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= m GQ + 0 = 50 (T) - Trọng lượng hàng tương đương: QQ td . ϕ = = 0,8.50 = 40 (T) + td Q : 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: 25,2.025,01 =+= v I ψ 3.04,01 =+= v II ψ + 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: jmmP hxqt ).( += + x m = 22 (T): khối lượng xe con + h m = 50 (T): khối lượng hàng và bộ phận mang + j =1,63 ( 2 / sm ): gia tốc khi khởi động (hãm) xe con Thay vào: qt P =(22 + 50).10 3 .1,63 =117360 (N)=11736 (KG) P max qt = 2P qt = 23472 KG e. Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu: ( ) Hg II g FpP . ∑= Trong đó:  F H =F v + C F =603 (m 2 ): diện tích chắn gió tính toán của kết cấu và vật nâng (trong trạng thái làm việc), m 2 - Diện tích chắn gió của vật nâng: F v = 23 m 2 [tr 89,KCT] - Diện tích chắn gió của kết cấu: bcC FkF . = =1 . 580=580 (m 2 ) + c k =1: hệ số độ kín đối với thép hộp + b F = 580 m 2 : diện tích bao của kết cấu được tính gần đúng thông qua các mặt cắt giả đònh trước và kích thước hình học của dầm cầu chuyển tải  p lực gió tác dụng lên máy trục: γβ 0 cnqp g = + 0 q =25 ( ) 2 / mKG : áp lực gió trung bình ở trạng thái TB đối với cần trục cảng + n = 1,7: hs hiệu chỉnh áp lực gió tính đến sự tăng áp lực gió theo chiều cao, tra bảng 4.5 [tr 91,KCT] + c = 1,2: hệ số khí động học của kết cấu, tra bảng 4.6 + 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: == 1.25,1.2,1.7,1.25 g p 63,75 ( ) 2 / mKG => 610.25,56 = II g P =38441,25 (KG) 4. Xác đònh nội lực trong kết cấu: _ Hệ cần của cầu truyền tải là một hệ ghép tónh dònh gồm một dầm chính và một dầm phụ congxon nên việc tính nội lực theo hệ ghép. _ Kết cấu dầm quy về hệ ghép: _ Xét nội lực dầm khi chòu tải trọng bản thân, trọng lượng xe con, và trọng lượng hàng nâng.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: )/(87,3168326300/ mKGLGq === • Trường hợp tải trọng IIa: (G c , G x , td Q , P II g ) Xe tời ở tầm với ngoài xa nhất Trọng lượng hàng tương đương: QQ IItd . ψ = = 1,2.50 = 60 (T) ( II ψ =1,2 hệ số động khi nâng hàng) Sơ đồ chòu lực dầm congxon : R y R B q=316,87kg/m R x Q td Phản lực tại gối MA = R B. 27,5 + q.27,5 2 /2 - q.14 2 /2 –6,5.Q td = 0 => B R = 10954 KG B R + td Q + q.41,5 - y R = 0 => y R = 84104 KG x R = y R /tg30= 145672,6 KG Tải trọng tác dụng theo phương ngang: qg = P II g /83 = 463,15 KG/m B=4442,8 A= 13657,4 KG q g =436,15 KG/m Nội lực của dầm phụ N 145672,6 KG M Y Q X Q Y M X 42742,7 7551,3 19667,8 KG 64436,2 2376,5 421053,3 KG.m R y R B q=316,87kg/m R x Q td Các thông số hình học thiết diên mặt cắt dầm công son + x W =177,1. 10 6 ( 3 mm ) + y W =104,8.10 6 ( 3 mm ) + x J =19,07.10 10 ( 4 mm ) + F =200900 ( 2 mm ) + δ =25 ( mm ) + y J =6,167. 10 10 ( 4 mm ) + x S =117600000 ( 3 mm ) Mặt cắt tại điểm dặt giằng là mặt cắt nguy hiểm nhất của dầm phụ ta kiểm tra ứng suất tại mặt cắt này + 93,0 25*10*07,19*2 117600000*10*3,7551 2 . 10 === δ τ x xx n J SQ ( 2 / mmN ) + 25*10*617,6*2 10*1176*10*8,19667 2 . 10 5 == δ τ y xy d J SQ =6,99 ( 2 / mmN ) => dn τττ += =0,93 + 6,99 = 7,92 ( 2 / mmN ) + F N W M W M y uy x ux ++= σ = 753,0 200900 6,145672 10*8,104 10*7,42742 10*1,177 10*3,421053 66 =++ ( 2 / mmN ) => =+=+= 2222 92,7.3753,0.3 τσσ td 13,74 ( 2 / mmN ) Vậy mặt cắt đảm bảo điều kiện bền do [ ] σσ ≤ td . Sơ đồ chòu lực dầm chính: Phản lực tại gối theo phương thẳng đứng Mc = 10.21.q1 + q. 2 23 /2 - q. 2 2,5 /2 + B R 2,5 - D R .16 = 0 => D R = 14818 16 5,2.109542/5,2.87,3162/23.54521.10.87,316 22 = +−+ KG D R + B R - C R + q.41,5 + q1.10 = 0 => C R = 7172 KG Phản lực tại gối theo phương thẳng ngang C D B Mc= B.2,5 + qg. 2 2,5 /2 + D.16 - qg. 2 39 /2 => D = 16 2/436,15.2,55,2.8,44422/436,15.39 22 −− = 11423 KG => C = 11120 KG Nội lực tác dụng lên dầm chính 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: + x S =129360000 ( 3 mm ) + δ =25 ( mm ) + x W =290,3. 10 6 ( 3 mm ) + y W =136,6.10 6 ( 3 mm ) + x J =43,31.10 10 ( 4 mm ) + F =251500 ( 2 mm ) + y J =8,159. 10 10 ( 4 mm ) - Xác đònh ứng suất tương đương trong tiết diện: + 25.10.31,43.2 129360000.10.8,5586 2 . 10 == δ τ x xx n J SQ =0,033 ( 2 / mmN ) + 25.10.159,8.2 12930000.101620 2 . 10 == δ τ y xy d J SQ =3,22 ( 2 / mmN ) => dn τττ += =3,255 ( 2 / mmN ) + 251500 2373530 10.6,136 315860 10.3,290 766180 66 ++=++= F N W M W M y uy x ux σ =9,44 ( 2 / mmN ) => 22 .3 τσσ += td =11 ( 2 / mmN ) Vậy mặt cắt đảm bảo điều kiện bền do [ ] σσ ≤ td • 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 chỉ xét biểu đồ nội lực trên dầm chính: Sơ đồ chòu lực của dầm chính: Tính phản lực các gối đỡ: (RC, RD) kg qqqRy R RyqqqQRDM D nC 207466 24 39*11280 2 39 *48,568290*545 2 5,3 *48,5685,3*1987 24 39*112800 2 39 *290* 2 5,3 *5,3* 05,3* 2 5,3 *29*10* 2 39 *39*16* 22 2 23 2 2 2 23 2 2 −= −−−+ = −−−+ =⇒ =−−+++= ∑ KgRc RcqqQRBRYY n 6307810*5455,42*48,5681128002074661978 010*5,42* 1 −=+++−=⇒ =−++++= ∑ 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) kgMxZ MuxZ ZRy z zqM KgQZ KGRQZ qZRxQ kgQyZ kgRyQZ RyqZQ ux X XX gx y y 104055,3*1978 2 5,3 *48,5685,3 00 * 2 ** 177025,3*278186755,3 186750 * 3968197848,568*5,35,3 19780 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 =+=⇒= =⇒= += −=+−=⇒= −=−=⇒= +−= =+=⇒= ==⇒= −−= kgMxZ kgMuxZ ZRx z zqM guy 9995,3*772 2 5,3 *2785,3 00 * 2 ** 2 1 1 1 1 1 −=−=⇒= =⇒= −= Xét mặt cắt (2-2)cách m mọt khoảng Z2 (2,5 < Z2 < 18,5) kgMxZ z zqRyZRZMx kgQZ KGQZ qZRQ kgQyZ kgQZ qZRyRQ A X X II gXx y Ay 10405 2 5,3 *48,5681978*5,35,3 2 **)5,3( 6873278*5,277725,27 201278*5,37725,3 9791348,568*5,2719781155245,27 11155648,568*5,319781155245,3 2 2 2 2222 2 2 2 2 2 22 =+=⇒= ++−−= =+−=⇒= =+−=⇒= +−= −=++−=⇒= −=++−=⇒= ++−= [...]... ) 2 = 45,812 + 3(111,333 + 6,09) 2 =128,47 (N/mm2) _ Độ bền tính toán của mối hàn: [σ ] h = 0,9.[σ ] =0,9.180=162 (N/mm2) Vậy mối hàn đảm bảo điều kiện bền MỤC LỤC … I CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐỂ TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP II CÁC TRƯỜNG HP TẢI TRỌNG VÀ TỔ HP TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP: 1_ Trường hợp tải trọng 2_ Bảng tổ hợp tải trọng 3_ Tính toán các thành phần trong bảng tổ hợp tải trọng 3_ Xác đònh... trọng tính toán của bulông: σ tt = ( k 0 + k1 ).σ bl = (1,5 + 1,5).18,02 = 54,06 (N/mm2) ≤ [σ] Trong đó: + k0=1,3 ÷ 1,5: hệ số dự trữ để mối nối không bò tách do tải trọng động + k1=1,4 ÷ 1,5: hệ số tính đến sự phân bố ứng suất không đều trên các bulông 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 kết cấu. .. nhiều gân vách ngăn gân dọc 6 Tính toán kiểm tra bền mối ghép bulông: Liên kết các kết cấu thép của cần trục chòu tải trọng động và dao động hay dùng bulông tinh và bulông có độ bền cao, đảm bảo cho mối nối có độ tin cậy lớn Để đảm bảo khả năng chòu lực và độ tin cậy cao trong suốt quá trình làm việc, ta sử dụng loại bulông có cường độ cao Loại bulông này được làm từ thép hợp kim 40X, sau đó được gia... hiện tại một số vò trí sau đây: Tại vò trí liên kết giữa tấm biên (biên trên, biên dưới) với tấm thành: mối hàn được thực hiện là mối hàn góc (hàn 2 tấm thép vuông góc nhau) Mối Hàn Góc Tại vò trí liên kết nối giữa các tấm thép với nhau : mối hàn được thực hiện là mối hàn giáp mối, chòu đồng thời lực cắt và mômen uốn Mối Hàn Giáp Mối _ Mối hàn liên kết giữa hai đoạn chân với nhau chòu tác dụng của... Bảng tổ hợp tải trọng 3_ Tính toán các thành phần trong bảng tổ hợp tải trọng 3_ Xác đònh nội lực của dầm theo các TH tải trọng 4_Phương pháp bố trí gân tăng cứng cho thành dầm 5 Tính toán và kiểm tra mối ghép bulông 6 Tính toán và kiểm tra mối hàn _ HẾT _ ... loại buông thường (bulông thô), độ chính xác của bulông có cường độ cao không cao, nhưng do bulông được làm từ thép có cường độ cao nên ta có thể vặn đai ốc rất chặt (bằng clê lực) làm cho thân bulông chòu kéo và gây lực ép 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 chòu các lực N, Mx, My Do đó, ứng suất trong các bulông lắp... hai thành (tiết diện hình hộp) để tăng cứng cho tấm thành và các tấm biên, đồng thời tăng độ cứng chống xoắn tiết diện ngang của dầm: gân tăng cứng được bố trí là các vách ngăn Các vách ngăn là các tấm thép được bố trí trong lòng của dầm hàn với các tấm thành và tấm biên Các gân tăng cứng thành dầm sẽ chia tấm thành dầm thành các khoang nhỏ Khi mất ổn đònh cục bộ, các khoang không ảnh hưởng lẫn nhau... mômen uốn Mối Hàn Giáp Mối _ Mối hàn liên kết giữa hai đoạn chân với nhau chòu tác dụng của ứng suất tiếp do lực cắt và lực dọc gây ra, chòu tác dụng của ứng suất pháp do mômen uốn gây ra (Phương pháp tính tham khảo trang 66-67 tài liệu [05]) _ Ứng suất tiếp do lực dọc gây ra: τ1 = N hh ∑l h = 2424840 = 111,333 (N/mm2) 3.7260 _ Ứng suất tiếp do lực cắt gây ra: Qx + Q y τ2 = hh ∑ l h = 15620 + 117012... do σ td ≤ [σ ] 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 chỉ xét sơ đồ chụi lực của dầm chính: q=316,87kg/m Qn q1=545kg/m N C B RB RC D RD Tính phản lực các gối đỡ: ∑ M C = RB * 2,5 + Qn * 8 + q1 *10 * 21 + q * 392 / 2 − q * ⇒ RD = −28864kg ∑Y = Qn + q * 41,5 + q1 *10 − ( RB + RC + RD ) = 0 ⇒ RC = 115524 Kg Trong đó Qn = Kđ.Q = 1.3.40= 52... đến sự phân bố ứng suất không đều trên các bulông 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 kết cấu thép lại với nhau, nhưng trong đó phương pháp hàn là ưu việt nhất và được sử dụng phổ biến nhất vì nó có rất nhiều ưu điểm: dễ dàng trong việc gia công chế tạo, giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các phương . hạ dầm, thiết bò điện, cabin điều khiển… Dựa vào tải trọng và khẩu độ [tr215 ,KCT] , ta ước tính sơ bộ trọng lượng của cầu chuyển tải: G c = 26,3 (T). b.. + ϕ =0,8: số tương đương phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy [tr88, KCT] - Hệ số động khi nâng (hạ) hàng: