Tính toán và thiết kế dầm cầu trục

Môn học kết cấu hàn đợc đa vào giảng dạy ở bộ môn Công nghệ hàn vàcàng ngày không ngừng đợc cải tiến dới sự nghiên cứu của các thầy với kiến thứcsâu rộng và chuyên gia hàng đầu trong ngà

Lời nói đầu

Hiện nay, cùng với sự đi lên của ngành công nghệ hàn môn học kết cấu hànthực sự là hành trang để mỗi một kĩ s, một công nhân có thể dựa vào làm cơ sởthiết kế Môn học kết cấu hàn đợc đa vào giảng dạy ở bộ môn Công nghệ hàn vàcàng ngày không ngừng đợc cải tiến dới sự nghiên cứu của các thầy với kiến thứcsâu rộng và chuyên gia hàng đầu trong ngành Công nghệ hàn Đối với mỗi sinhviên ngành hàn, đồ án môn học Kết cấu hàn là môn học giúp làm quen với việcgiải quyết các vấn đề tổng hợp của kết cấu hàn đã đợc học ở trờng qua các giáotrình cơ bản về kết cấu hàn Khi làm đồ án này ta phải làm quen với cách sử dụngtài liệu, cách tra sổ tay cũng nh so sánh lý thuyết đã học với thực tiễn sản xuất cụthể một sản phẩm điển hình

Để hoàn thành đợc đồ án môn học này, em xin chân thành cảm ơn sự hớng

dẫn của thầy Nguyễn Thúc Hà cùng các thầy thuộc bộ môn Công Nghệ Hàn trờng

Đại Học Bách Khoa Hà Nội Do là lần đầu đợc hoàn thành môn học này, tất nhiênkhông thể tránh khỏi có sai sót Em rất mong có đợc sự chỉ bảo giúp đỡ của cácthầy và các bạn

 Đề bài : Tính toán và thiết kế dầm cầu trục với các số liệu sau:

1 Xác đinh nội lực xuất hiện trong các tiết diện của dầm từ đó xây dựng biểu

đồ nội lực Mu, Q trên tất cả các tiết diện, tìm ra Mumax, Qmax

2 Xác định tiết diện ngang của dầm (dầm chữ I)

 Xác định chiều cao dầm h1, h2, h3 và chiều dày v Lựa chọn chiều cao chungcủa dầm hdầm, hgt, gân gối tựa

 Xác định các kích thớc còn lại: b, b

 Các kiểm tra cơ bản: ứng suất pháp, ứng suất tiếp, lớn nhất, phân bố vật liệu

3 Bố trí sơ bộ hệ thống gân cứng vững (theo quy phạm)

4 Kiểm tra ổn định tổng thể và ổn định cục bộ (sử dụng phần mềm ANSYS)

5 Kiểm tra độ cứng vững thực tế của dầm (sử dụng phần mềm ANSYS)

6 Tính toán các liên kết hàn cơ bản (Liên kết vách và biên, liên kết gân cứngvững)

- Do kết cấu dầm là đối xứng, nên ta chỉ cần xét trên nửa chiều dài của dầm

- Để đơn giản cho việc tính toán ta chia dầm thành 5 đoạn, mỗi đoạn cách nhau0,1.l

 Xét mô men uốn do lực phân bố q gây ra

- Mô men uốn do lực phân bố gây ra trên chiều dài dầm đợc thể hiện trên hình

2 2

2

 Trong đó: xi là khoảng cách từ tiết diện i đến gối tựa

 Ta có bảng giá trị mô men do lực phân bố đều q gây ra tại các tiết diện đ ợcthể hiện trong bảng sau:

 Mô men uốn do lực tập trung gây ra

- Mômen do lực tập trung P gây ra tại tiết diện cách gối một đoạn x:

- Ta xét mô men uốn lớn nhất tại các tiết diện là khi vị trí lực tập trung trùng vớitiết diện khảo sát

- Mô men do lực tập trung P gây ra đợc xác định theo công thức sau:

) (

20 )

i i i

 Lực cắt do lực phân bố đều gây ra

- Biểu đồ do lực phân bố gây ra:

- Lực cắt do lực phân bố đều trên các tiết diện đợc xác định theo công thức sau:

) 2 28 (

4 , 1 2

) 2 28 (

8 , 2 2

) 2 (

i i

i q

 Lực cắt lớn nhất do tải trọng di động gây ra tại các tiết diện

- Biểu đồ do lực phân bố gây ra tại một tiết diện x nhất định nh sau:

- Lực cắt lớn nhất do tải trọng di động gây ra tại các tiết diện đợc xác định theocông thức dới đây:

) (

20 )

i i i

x l y

i i

278.10 3

454,4.10

3 3 3

Tiết diện max( . )

1.1 Xác định chiều cao dầm theo điều kiện cứng – h h 1

- Ta coi độ võng của dầm tại tiết diện trung điểm dầm là lớn nhất khi tải trọng di

động

- Chiều cao h1 đợc xác định theo công thức sau đây:

] / [

].

[

a M

24

5

3

4 1

4

1

2 2

5 28

3

12 4 1 4544

1800 4

l

h    =

700 / 1 10 20

28 160000

2 ,

 Chọn: h1 = 3 (m)

1.2 Xác định chiều cao dầm theo điều kiện khối lợng bé nhất – h h 2

- h2 đợc xác định theo công thức:

] [



] [

160000

10 14

4544

1 ,

 h1 > h2  Chọn hd = h1=3 (m)

1.3 Xác định chiều cao dầm theo điều kiện bền gối tựa - h 3

- Chiều cao dầm tại gối tựa đợc xác định theo công thức sau:

] [

2

2

014 , 0 2

57 , 670 3

Chọn h3 = 0,75 (m)

- Vì h3<h1 nên để tiết kiệm vật liệu ta thực hiện việc thay đổi tiết diện dầm nh sau:

 Chiều cao dầm tại gối tựa: h3 = 0,75 (m)

 Chiều cao dầm tại bụng dầm: hb = h1=3 (m), trên đoạn chiều dài:

1 Các đặc trng hình học tại các tiết diện đã chia nh ở phần trên.

a) Diện tích tại các tiết diện

- Diện tích các tiết diện đợc xác định theo công thức sau:

Fi = 2.Fbi + Fvi = 2.33+hvi vi= 66 + hvi.1,4(cm2)

- Diện tích các tiết diện đợc xác định theo bảng sau:

Bảng diện tích các tiết diện tiêu biểu

Tiết diện Chiều cao vách (Tính gần bằng chiều

cao của dầm do b<< v) (cm)

Diện tích tiếtdiện (cm2)

b) Mô men quán tính và mô men chống uốn tại các tiết diện

- Mô men chống xoắn tại các tiết diện đợc xác định theo công thức sau đây:

2

3

) 2 (

2 2 12

bi bi

vi vi xi

h F J

2 12

bi vi

vi xi

h F

12

4 , 1 ( ) 2 (

33 2 12

4 , 1

vi vi

vi vi

- Mô men chống uốn tại các tiết diện đợc xác định theo công thức sau đây:

Wi = 2.Jxi/hvi = 2.(1,4/12 hvi + 16,5).hvi (cm3)

- Dựa vào bảng trên, ta đã xác định đợc giá trị chiều cao dầm tại các tiết diện Do

đó, giá trị mô men chống xoắn và mô men chống uốn tại các tiết diện đợc xác định

nh bảng cho dới đây:

Đặc trng hình học của các tiết diện tiêu biểu

Tiết diện Mô men quán tính (cm4) Mô men chống uốn (cm3)

2 4635000 30900

2 Kiểm tra theo ứng suất pháp

- ứng suất pháp lớn nhất xuất hiện trên dầm là tại tiết diện có max



M , chính là tiếtdiện giữa dầm, đợc xác định theo công thức sau:

) / ( 16000 ]

[ 5 , 14705 30900

10

 Điều kiện bền của dầm theo ứng suất pháp đợc thoả mãn

3 Kiểm tra bền theo ứng suất tiếp.

- ứng suất tiếp lớn nhất xuất hiện trên dầm là tại tiết diện có max



Q , chính là tiếtdiện gối tựa, đợc xác định theo công thức sau:

] [

'

 Trong đó:

) / ( 9600 16000

6 , 0 ] [

6 , 0 ]

).

( 875 , 2221 4

75 2

75 4 , 1 2

75 33 4

2 2

, 1 25 , 142031

875 , 2221 10 57 , 670



] [

max 



 Điều kiện bền của dầm theo ứng suất tiếp đợc thoả mãn

4 Kiểm tra điều kiện bền theo ứng suất tơng đơng.

- Ta xét ứng suất tơng đơng tại tiết diện nguy hiểm là tiết diện số 2 và số 4, ta đãxét các giá trị ứng suất lớn nhất tại tiết diện 0 và 5, trên mỗi tiết diện ta xét tại

điểm có đờng hàn là điểm 1 nh hình vẽ

4.1 Xét tại tiết diện số 2.

- ứng suất tiếp lớn nhất tại điểm 1 đợc xác định theo công thức sau đây:Biểu đồ ứng suất tại mặt cắt giuã dầm

1

v x

J

S Q

) 1 (

max ) 1 ( max ) 1 ( 

 Trong đó:

).

( 4950 2

300 33 2

) 1

, 1 4635000

4950 10 670,57

) 1 (

) 1 (

max ) 1 ( max ) 1

J

S Q

v x

2 / 300 )

2 / (

2 /

max 1

max ) 1 (

10

1

max 1 max

max ) 1

- ứng suất tơng đơng lớn nhất tại điểm 1, đợc xác định theo công thức sau đây:

2 max ) 1 ( 2 max ) 1 ( max

), 1

) / ( 3 , 9040 6

, 511 3 76 ,

max ), 1

4.2 Xét tại tiết diện số 4.

- ứng suất tiếp lớn nhất tại điểm 1 đợc xác định theo công thức sau đây:

v x

J

S Q

) 1 (

max ) 1 ( max ) 1 ( 

 Trong đó:

).

( 4950 2

300 33 2

) 1 (

, 1 4635000

4950 10 650,57

) 1 (

) 1 (

max ) 1 ( max ) 1

J

S Q

v x

2 / 300 )

2 / (

2 /

max 1

max ) 1 (

10 024 ,

4

max 4 max

max ) 1

- ứng suất tơng đơng lớn nhất tại điểm 1, đợc xác định theo công thức sau đây:

2 max ) 1 ( 2 max ) 1 ( max

), 1

) / ( 54 , 13912 6

, 511 3 3 ,

max ), 1

Điều kiện bền theo ứng suất tơng đơng tại tiết diện 4 đợc thoả mãn

 Điều kiện bền theo ứng suất tơng đơng của dầm đợc thoả mãn

4.3 Kiểm tra sự phân bố vật liệu.

- Sự phân bố vật liệu phải thoả mãn điều kiện sau đây:

% 30

2

2

33 2

33 2

2

2

) 280 2 , 1 (

3 , 0 4 , 1

3 , 0

cm b

5.1 Xác định chiều dài gối tựa.

- Có chiều dài của cả dầm: ld=lgt+l

- Xác định chiều dài gân gối tựa:

+ Đã biết lực cắt tại gối tựa: RA=Qmax= 650,57(KN)

+Từ điều kiện bền: [ ]

A gt

gt

R F

 bgt là chiều rộng gối tựa

 lgt là chiều dài gối tựa

Vậy gt gt

gt

F l

Q R

F

gt gt

1 , 935

cm b

F l

gt

gt

- Chọn chiều dài gối tựa: lgt=32 (cm)

 Khi đó tổng chiều dài dầm ld=lgt+l=2800 + 32 =2832 (cm) = 28,32 (m)

5.2 Tính toán kích thớc gân gối tựa.

- Coi phần kết cấu của dầm nằm trên gối tựa là một cột tởng tợng.

- Nh vậy đa về sơ đồ tính toán là một cột bị khớp hai đầu Chịu nén đúng tâm, cótiết diện là (2.F gt  30 b2)

- Tơng quan về kích thớc giữa chiều rộng gân và chiều dầy gân phải thoả mãn điềukiện ổn định cục bộ: b g  15 g

2 3

3 1

 : Là độ mảnh

 : Là hệ số phụ thuộc vào dạng liên kết (Với dạng liên kết nhtrên thì   1)

 rmin: Bán kính quán tính của mặt cắt ngang

 l: Là chiều cao tính toán của cột ( l=h3)

 Tính diện tích gân(Fg):

) ( 96 , 17 ) 2 , 1 25 93 , 71 (

2

1 ) 25 (

2

cm F

Vậy Fg=17,96 (cm2)

 Mặt khác có F g b g g và b g  15 g

) ( 09 , 1 15

96 , 17

lgt 2

) ( 15 1 15

2

1 15 (

15 1 2 12

15 1 2

) 2 (

2 12

30 12

2

4 2

3

2 3

3

cm

b b

5 , 2277

min

F

J r

90 1

2 3

3 2

2

cm F

2

86 , 0 5 , 13 (

5 , 13 86 , 0 2 12

5 , 13 86 , 0 2

) 2 (

2 12

30 12

2

4 2

3

2 3

3

cm

b b

90 1

 Tra b¶ng cã: 2  0 , 945, gi¸ trÞ héi tô

( 40

5600 9500

1.2 Độ võng theo phơng y : (Phơng thẳng đứng)

1.3 Độ võng theo phơng z :(phơng ngang)

1.5 Phân bố ứng suất trên bề mặt dầm:

1.4 Các dạng mất ổn định của dầm:

 Mode 1:

 Mode 2:

 Mode 3:

 Mode 4:

 Mode 5:

 Mode 6:

 Mode 7:

 Mode 8:

 Mode 9:

 Mode 10:

Với kết quả nh trên trên, ta thấy dầm bị mất ổn định tông thể Ta có thể khắc phụcbằng cách dựa dầm vào tờng hay dùng các thanh giằng Còn các mode kiểm tra ổn

định cục bộ đều đạt yêu cầu Vì vậy ta không cần thêm gân dọc

V Tính toán kích thớc mối hàn.

1 Lựa chọn quá trình hàn và vật liệu hàn.

- Vì tất cả các mối hàn đều là mối hàn góc nên ta chọn phơng pháp hàn bán tự

động trong môi trờng khí bảo vệ (GMAW)

- Vật liệu hàn: Chọn dây hàn đặc MIX – h 50S của hãng KOBELCO (Tiêu chuẩnAWS/ASME: A518 – h ER70S – h G)

- Khí bảo vệ: 80% Ar + 20%CO2

- Dòng hàn: DC – h EP

- Đờng kính dây hàn: 1,4; 1,6 (mm)

2 Kích thớc mối hàn giữa vách và biên.

- Kích thớc mối hàn góc đợc tính theo tiêu chuẩn, dựa vào chiều dày chi tiết hàn:+ Chiều dày của vách: v = 12 (mm)

+ Chiều dày của biên: b = 20 (mm)

0-5 45° -0°+10°

12

Tµi liÖu tham kh¶o:

1 KÕt cÊu hµn T¸c gi¶: Vò C«ng LuËn

2 ANSYS vµ M« pháng sè trong c«ng nghiÖp b»ng phÇn tö h÷u h¹n

T¸c gi¶: PGS.TS NguyÔn ViÖt Hïng

PGS.TS NguyÔn Träng Gi¶ng

3 Mét sè tµi liÖu kh¸c

Mục lục

IV Kiểm tra ổn định của dầm (sử dụng ANSYS) 16

1 Lựa chọn quá trình hàn và vật liệu hàn 30

Các tài liệu tham khảo

Mục lục