Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục

Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục Đồ án môn học kết cấu hàn: Tính toán dầm cầu trục

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ

hàn cũng phát triển không ngừng, đóng góp tích cực vào quá trình công nghiệp hóa –hiện đại hóa đất nước Với hơn 130 phương pháp hàn khác nhau, công nghệ hàn chophép kết nối nhiều loại vật liệu từ đơn giản đến phức tạp, các vật liệu cùng bản chấtđến các kim loại có bản chất khác nhau Việc ứng dụng hàn đã trở nên phổ biếntrong nhiều mặt của đời sống, đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao Cũng chính vìvậy, công việc của các kỹ sư hàn ngày càng trở nên quan trọng hơn, đòi hỏi các sảnphẩm không những đủ yêu cầu về mặt kỹ thuật như độ cứng vững, độ bền mà cònđòi hỏi cao về mặt kinh tế, thẩm mỹ như: kết cấu đơn giản nhỏ gọn, lắp đặt nhanhchóng, chất lượng cao và giá thành hạ nhất

Nhằm giúp sinh viên có thể vận dụng các kiến thức đã học vào trong thực tế,

đồ án môn học “kết cấu hàn” ban đầu cho sinh viên có được những cái nhìn cơ bản vềcông việc tính toán, thiết kế, có khả năng làm chủ tư duy đã góp phần phục vụ đắc lựccho công việc sau này

Với đề tài: “Tính toán dầm cầu trục” đã giúp ích cho em rất nhiều Sau một

thời gian tìm hiểu, em đã hoàn thành đồ án này Do bước đầu thiết kế còn bỡ ngỡ đồ

án chắc sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo củacác thầy để bản đồ án được hoàn chỉnh hơn, em xin chân thành cảm ơn!

Hưng Yên, tháng 09 năm 2010Sinh viên thực hiện:

PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1 Dầm

1.1.1 KHÁI NIỆM:

Dầm là kết cấu chịu uốn có bản bung đặc, là kết cấu cơ bản trong xây dựng vàcông nghiệp Được dùng làm sàn nhà, dầm cầu, kết cấu chịu lực của các loại máy vậnchuyển

1.1.2 PHÂN LOẠI:

a Theo cấu tạo ta có:

* Dầm định hình:

- Dầm chữ I: Dùng trog uốn phẳng như sàn nhà, dầm cầu, dầm máy nâng chuyển.

- Dầm chữ U: Tiết diện không đối xứng được dùng trong uốn xiên như xà gồ,dầm sườn tường, có 1 má phẳng nên dễ lien kết với các chi tiết khác

Vì phải khoét lỗ nên tốn công chế tạo và hao phí vật liệu nhưng chịu lực tốt Chúngđược dùng khi chịu tải trọng lớn hoặc chịu tải trọng động

Đặc điểm dầm tổ hợp:

- Dùng dầm tỏ hợp khi không thể dùng dầm hình như tải trọng lớn hoặc nhịp lớn.

b Theo sơ đồ kết cấu

*Dầm đơn giản: Tốn vật liệu, chế tạo và dựng lắp đơn giản, chịu lực chính xác, không

ảnh hưởng do nhiệt hay lún lệch Được dùng nhiều trong xây dựng

*Dầm liên tục: Độ cứng lớn, tiết kiệm vật liệu, dựng lắp khó, nội lực thay đổi do nhiệt

hay lún lệch Được dùng khi dầm cần độ cứng lớn

*Dầm mút thừa: Tiết kiệm vật liệu.

1.1.3 CÁCH LIÊN KẾT DẦM.

a Liên kết chồng: Dầm nọ gác lên dầm kia.

-Đơn giản, dễ lắp ghép

-Làm tăng chiều cao công trình

-Độ cứng vững và khả năng chịu lực không cao Sàn làm việc như bản kê 2 cạnh

b Liên kết cùng bản mặt:

- Bố trí sao cho cánh trên của dầm có cùng độ cao.

-Làm giảm được chiều cao xây dựng của hệ dầm Có thể tăng chiểu cao dầmchính

Có ưu điểm như lien kết bằng mặt nhưng phức tạp hơn nhiều chỉ dùng cho hệ phứctạp.

1.2 CƠ CẤU NÂNG:

1.2.1 Khái niệm:

Cầu trục là một loại máy nâng dùng sử dụng chủ yếu để nâng và di chuyển cácvật nặng, xếp dỡ hàng hóa Trong công nghiệp nó được sử dụng ở các nhà máy lắpráp chế tạo, trong các lò luyện kim

1.2.2 Phân loại:

Cầu trục được phân làm hai loại chính: cầu trục 1 dầm và cầu trục hai dầm:

+ Cầu trục 1 dầm: bao gồm có kiểu treo và kiểu tựa

Cầu trục kiểu treo

+ Cầu trục hai dầm cũng có kiểu tựa và treo:

Cầu trục hai dầm kiểu tựa.

1.2.3 Cấu tạo chung của cầu trục:

Cầu trục có nhiều dạng khác nhau nhưng nhìn chung có các bộ phận chính sau:

- Động cơ: Trong máy trục sử dụng ba loại động cơ như động cơ đốt trong,động cơ khí nén, động cơ điện

+ Đông cơ đốt trong thích hợp với những máy di động nhiều, hoạt độngđộc lập, không theo quy luật nhất định và xa nguồn điện

+ Động cơ khí nén thường được sử dụng trong những máy cố định haymáy công cụ như máy đóng cọc, máy khoan, máy phun vôi

+ Động cơ điện là loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong cầu trục

vì phù hợp với tính chất làm việc của cầu trục (cố định, di chuyển ngắn theo một quỹđạo nhất định) và có công suất cao, gọn nhẹ, chịu tải tốt, thay đổi tốc độ nhanh và dễ

tự động hóa

- Hệ thống truyền động; Có rất nhiều kiểu chuyển động như truyền động dầu épkhí nén, truyền động điện, truyền động hỗn hợp, truyền động cơ khí Tuy nhiên trongcầu trục thường sử dụng cầu trục cơ khí vì dễ chế tạo và an toàn cao

- Cơ cấu công tác

- Cơ cấu quay

- Cơ cấu di chuyển: Thường di chuyển bằng bánh xe và ray

- Hệ thống điều khiển: Sử dụng để tắt mở hoạt động của các cơ cấu

- Khung bệ

- Các thiết bị phụ

Để dễ dàng trong thiết kế, người ta chia cầu trục ra làm ba cơ cấu chính: Cơ cấu nângvật, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển cầu

PHẦN II: PHÂN TÍCH DẠNG KẾT CẤU 2.1 Chọn vật liệu

- Kết cấu hàn là tổ hợp của nhiều chi tiết mà trong đó mỗi chi tiết có chức năng

và điều kiện làm việc không giống nhau Do đó phải căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật củatừng chi tiết để lựa chọn vật liệu chế tạo cơ bản sao cho hợp lý Vừa phải đảm bảochất lượng năng suất và giá thành chế tạo kết cấu Nói cách khác là vật liệu phải đảmbảo đồng thời 2 chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật

- Mặc dù các chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau song đều được chế tạo

từ vật liệu kim loại thanh thép Qua gia công cơ khí sau đó đem hàn lại thành “Kếtcấu cầu dẫn” Là kết cấu tấm được chết tạo sao cho đảm bảo chỉ tiêu về cơ tính , độtin cậy cao khi làm việc

- Vì vậy để vừa đảm bảo độ bền vừa đảm bảo tính hàn , giá thành lại phù hợp tachọn vật liệu là thép CT38 (TCVN 1695-75) tương đương với thép CT3 (TC NgaГOG380-71) Bởi vì loại vật liệu này được sử dụng phổ biến trên thị trường , nó vừađảm bảo tính kính tế cũng như đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi làmviệc

- Thép CT38 là loại thép cacbon chất lượng thường Là loại thép mềm dẻo, độcứng thấp , hiệu quả tôi và ram không cao Được dùng để chế tạo các chi tiết trongkết cấu nhưng qua gia công nóng Do đó nó tính hàn tốt Khi hàn không cần phảidùng các công nghệ đặc biệt

- Thành phần hoá học của thép CT38 theo bảng (1-III) trang 219 sách (HDTKĐA)

/240

/10.1,2

mm N

mm N E

2.3 Chọn xe con và cơ cấu nâng:

Chọn cơ cấu này theo tiêu chuẩn

Trọng lượng xe và cơ cấu = 3000 kg

Xe con và chứa cơ cấu nâng được đặt trên dầm chính (gồm hai dầm hộp)

PHẦN III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 Tính toán thiết kế dầm cầu trục

3.1.1 Chọn dạng tiết diện dầm

- Dầm là loại cấu kiện cơ bản chịu uốn lớn nhất ở giữa dầm và chịu cắt lớn nhất

ở đầu dầm, ngoài ra dầm còn có thể chịu momel xoắn Do dầm có nhịp l=12 mnên ta chọn dầm là dầm hộp tổ hợp hàn vì nó có khả năng chống uốn và khảnăng chống xoắn tương đối tốt Chọn vật liệu chế tạo dầm là thép CT38

- Chọn hệ số an toàn n=1.4

- Sơ lược tải trọng tác dụng lên dầm:

- Khối lượng vật nâng: 18 tấn = 18000 kg

- Khối lượng cơ cấu nâng: giả sử là 3000 kg

- Hệ số tin cậy của tải trọng: γp = 1.2

 Xác định chiều cao tiết diện dầm

- Chiều cao tiết diện dầm là thông số cơ bản khi thiết kế dầm chiều cao tiết diệnvừa phải bảo đảm yêu cầu sử dụng, vừa phải đủ cứng để không võng quá độvõng giới hạn, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới sàn lại không bị khống chế bởiyêu cầu công nghệ, đồng thời thỏa mãn về yêu cầu kinh tế gọi h là chiều caotiết diện dầm, cần chọn h thỏa mãn điều kiện sau:

- Chiều cao của dầm ở tiết diện gối tựa :

b’ =

240 300 12000

* 50

1 40

1 50

1 40

Kích thước tiết diện dầm chính: tiết diện giữa dầm (a), đầu dầm (b)

- Gọi thể tích của dầm cầu trục là V thì : V = 2V1 + 2V2 + V3

V1 = (8+6).400.320+400.6.2.386=3644800 mm3

Vậy thể tích của dầm cầu trục là :

V = 116860800+2.17082123 +2.3644800 = 158314646 mm3 =158315 cm3

- Khối lượng của dầm : Qdc = 7,85.10-3.158315 = 1243 kg

- Lực phân bố đều trên dầm: (để thuận tiện cho việc tính toán, ta giả thiết rằngtrọng lượng dầm phân bố đều trên toàn bộ chiều dài dầm)

= 187200 kg.cm

- Momel lớn nhất tại tiết diện giữa dầm (chỉ xét đến tải trọng vật nâng và cơ cấunâng, với giả thiết rằng trọng lượng vật nâng và cơ cấu nâng chia đều cho haidầm và không xét đến khoảng cách giữa các bánh xe trên xe con)

MQ = = 4

1200 6600

= 1980000 kg.cmTrong đó: Q = (Qvn + Qxe)*γp/2 = (8000 + 3000)*1.2/2 = 6600 kg

γp – hệ số vượt tải, lấy γp = 1.2

 Momel uốn tổng hợp tại tiết diện giữa dầm

Mx = Mq + MQ= 187200 + 1980000 = 2167200 kg.cm

3.1.2 Kiểm tra tiết diện dầm

a, Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ

- Ứng suất cho phép trong kết cấu là:

[σ] = = = 171.4 N/mm2 = 1714 kg/cm2

[τ c] = 0.6[σc] = 0.6*240=144 N/mm2 = 1440 kg/cm2

Sơ đồ tải trọng tác dụng trên dầm chínhΣFy= 0  YA + YB – Q - Qd = 0

 Chọn lại kích thước tiết diện dầm:

- Chiều cao tiết diện dầm, h:

h = (÷ )*l = (÷ )*10000 = 550 ÷ 714 mm

 Ta chọn h = 550 mm

- Chiều dài đoạn vát nghiêng và đầu dầm:

C = (0.1÷0.2)*l = (0.1÷0.2)*10000 = 1000 ÷ 2000 mm Lấy C = 1500 mm;Khi đó :

- Chiều cao của dầm ở tiết diện gối tựa :

* 50

1 40

1 50

1 40

- Thanh biên trên của dầm dùng thép tấm dày δ1=8mm, thanh biên dướiδ2=6mm, chiều dày thành đứng δ3=6mm

 Từ các kích thước trên ta có thể xác định được sơ bộ kích thước các đoạn vàtiết diện ngang của dầm cầu trục như hình vẽ:

Kích thước các đoạn dầm theo chiều dài

Kích thước tiết diện dầm chính: tiết diện giữa dầm (a), đầu dầm (b)

- Gọi thể tích của dầm cầu trục là V thì : V = 2V1 + 2V2 + V3

- Khối lượng của dầm : Qdc = 7,85.10-3.92920 = 730 kg- Lực phân bố đều trêndầm: (để thuận tiện cho việc tính toán, ta giả thiết rằng trọng lượng dầm phân

bố đều trên toàn bộ chiều dài dầm)

MQ = = = 1650000 kg.cmTrong đó: + Q = (Qvn + Qxe)*γp/2 = (8000 + 3000)*1.2/2 = 6600 kg

+ γp – hệ số vượt tải, lấy γp = 1.2

 Momel uốn tổng hợp tại tiết diện giữa dầm

Mx = Mq + MQ= 91250 + 1650000 = 1714250 kg.cm

3.1.3 Kiểm tra tiết diện dầm

a, Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ

- Ứng suất cho phép trong kết cấu là:

[σ] = = = 171.4 N/mm2 = 1714 kg/cm2

[τ c] = 0.6[σc] = 0.6*240=144 N/mm 2 = 1440 kg/cm2

• Tính toán lại các đặc trưng hình học của tiết diện dầm

- Ix – momel quán tính của tiết diện dầm,

Sơ đồ tải trọng tác dụng trên dầm chínhΣFy= 0  YA + YB – Q - Qd = 0

- Ứng suất tương đương tại mặt cắt giữa dầm:

Kiểm nghiệm theo thuyết bền thế năng biến dạng đàn hồi (thuyết bền 3)

σtđ = ≤ [σ]

 σtđ == 1270 kg/cm 2 ≤ [σ] = 1714 kg/cm2

Do đó, điều kiện bền uốn tại tiết diện giữa dầm được thỏa mãn

- Tại tiết diện đầu dầm: τ c =

Trong đó: - Vmax – lực cắt tại tiết diện đầu dầm, Vmax = 3665 kg;

- I1-momel quán tính của tiết diện đầu dầm đối với trục trung hòa.Tính toán một cách tương tự như với tiết diện giữa dầm ta có: I1 = 6400 cm4

- S1-momel tĩnh của tiết diện đầu dầm đối với trục trung hòa;

Tính toán một cách tương tự như với tiết diện giữa dầm ta có: S1=295 cm3

 τ c = = 140 kg/cm2

- Nhận thấy τ c =140 kg/cm2 << [τ c]= 1440 kg/cm2

 Do đó, điều kiện bền cắt tại tiết diện đầu dầm thỏa mãn

- Trên thực tế, trường hợp này là thừa bền khá nhiều, nhưng do chiều cao h củadầm bị khống chế bởi điều kiện h = (÷)*l, do đó không thể giảm chiều cao hđược nữa chính vì vậy ta có thể chọn h = 550 mm.

b, Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện độ võng

- Độ võng tương đối cho phép =

+ E – module đàn hồi của vật liệu, E = 2.1*105 N/mm2 = 2.1*106 kg/cm2

- J–momel quán tính của tiết diện nguyên lấy đối với trục trung hòa, J=Ix= 40900 cm4

Do đó, dầm với các kích thước đã chọn thỏa mãn điều kiện độ võng

c, Xác định kích thước gân tăng cứng cho dầm hộp.

- Qua kiểm nghiệm độ bền và kiểm nghiệm độ võng của dầm, ta thấy các điều kiện trên đềuthỏa mãn Song, nhằm tránh khả năng mất ổn định cục bộ bản bụng dầm, ta sử dụng cácgân tăng cứng được hàn vào bản bụng dầm theo chiều cao bản bụng

- Sử dụng gân tăng cứng làm từ vật liệu thép CT38 Với các kích thước tương ứng vớicác đoạn dầm có các tiết diện có kích thước khác nhau

- Với tiết diện giữa dầm, dùng gân tăng cứng M1 có chiều cao bằng chiều cao bản bụngdầm, chiều rộng bằng khoảng cách b’ giữa hai bản bụng Lấy chiều dày tấm bằngchiều dày bản bụng để quá trình hàn gân vào bản bụng được thuận lợi Khoảng cáchgiữa các gân được bố trí đều trên chiều dài 7m của phần có tiết diện lớn nhất với giátrị a thỏa mãn điều kiện a ≤ 2h0 Tức là các gân cách nhau một khoảng 70cm Do đótrên chiều dài 7m của phần có tiết diện lớn nhất sẽ có 11 gân

- Ngoài các gân tăng cứng chính (có chiều cao bằng chiều cao bản bụng) thì còn bố trícác gân tăng cứng phụ M2 (chiều cao xác định là b1 ≥ 0.3h0 Các gân phụ cách nhaumột khoảng a1 lấy bằng 35 cm

- Với tiết diện đầu dầm, dùng gân tăng cứng M3 có chiều cao bằng chiều cao bản bụngtại tiết diện đầu dầm, chiều rộng bằng khoảng cách b’ giữa hai bản bụng Lấy chiềudày tấm bằng chiều dày bản bụng.

- Tóm lại, ta có bảng thông số kích thước gân tăng cứng như sau:

Bảng 3: Thông số kích thước gân tăng cứng.

Gân /thông số Chiều cao

(mm)

Chiều rộng(mm)

Chiều dày(mm)

Vát mép(mm)

Hình dạng và kích thước gân tăng cứng

Từ các tính toán trên, ta xây dựng được biểu đồ lực cắt và biểu đồ momel uốn như sau:

Biểu đồ lực cắt và biểu đồ momel uốn của dầm chính

`

- Sơ lược tải trọng tác dụng lên dầm:

+ Áp lực bánh xe trên dầm chính tác dụng lên dầm nhịp dọc (được tính toán sau).+ Khoảng cách giữa các bánh xe trên dầm cuối lấy bằng 1.5m (a=1.5m)

+ Hệ số tin cậy của tải trọng: γp = 1.2

 Xác định chiều cao tiết diện dầm

- Chiều cao tiết diện dầm là thông số cơ bản khi thiết kế dầm Chiều cao tiết diện vừaphải bảo đảm yêu cầu sử dụng, vừa phải đủ cứng để không võng quá độ võng giớihạn, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới sàn lại không bị khống chế bởi yêu cầu côngnghệ, đồng thời thỏa mãn về yêu cầu kinh tế Gọi h là chiều cao tiết diện dầm, cầnchọn h thỏa mãn điều kiện sau:

hmin ≤ h ≤ hmaxTrong đó: hmin – chiều cao đảm bảo cho dầm đủ cứng trong suốt quá trình sử dụng

hmax – chiều cao lớn nhất có thể của dầm, được quy định trong nhiệm vụthiết kế, chính là khoảng cách cho phép đủ để bố trí hệ dầm và bản sàn

- Theo công thức (3.13), [1], ta có:

hmin = Trong đó: + f – Cường độ tính toán chịu kéo của thép làm bản sàn

Tra trong bảng (I.1 và I.2 – phụ lục), [1]: f = 230 N/mm2 = 2300 kg/cm2 ;

- Momel lớn nhất tại tiết diện giữa dầm (chỉ xét đến áp lực từ bánh xe đỡ dầmchính tác động lên) khi hai bánh xe của dầm cuối ở vị trí đối xứng qua tiết diệngiữa dầm dọc nhịp và xe con ở vị trí đầu dầm chính).

QΣ = (Qvn + Qxe)*γp +2* +Qc =

= (8000 + 3000)*1.2 + 2*+2000 = 15930 kGTrong đó:

- QΣ - tải trọng do hai bánh xe trên dầm cuối tác dụng lên dầm dọc nhịp;

- Qvn – tải trọng vật nâng, Qvn= 8000 kG;

- Qxe- trọng lượng xe con và cơ cấu nâng, Qxe = 3000 kG;

- Qc – trọng lượng dầm cuối và cơ cấu di chuyển dầm chính

- γp – hệ số tin cậy của tải trọng, γp = 1.2;

- Khi thiết kế, có thể lấy chiều cao dầm h sai khác so với chiều cao hkt tính được trong

công thức trên khoảng 20% vẫn đảm bảo yêu cầu kinh tế trong thiết kế dầm

Do đó, ta chọn h = 45 cm;

- Gần đúng coi rằng, tại tiết diện đầu dầm chỉ có riêng bản bụng dầm chịu lực cắt Vmax

- Xác định lực cắt lớn nhất tại tiết diện đầu dầm