đồ án thiết kế cửa van phẳng

Néi dung I. Tµi liÖu thiÕt kÕ: 1. Cöa van trªn mÆt thuéc nhãm 4, 2. ChiÒu réng cña cèng: L0 = 13,0 m, 3. ChiÒu cao cöa van: H0 = 5,7 m, 4. ChiÒu cao cét n­íc tÝnh to¸n: H = 5,55 m, 5. H¹ l­u kh«ng cã n­íc, 6. VËt liÖu thÐp CT3, c¸c bé phËn ®óc b»ng thÐp CT35®, trôc b¸nh xe b»ng thÐp CT5, èng bäc trôc b»ng ®ång, II. Yªu cÇu: ThiÕt kÕ van ph¼ng b»ng thÐp theo ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch kÕt cÊu thµnh c¸c hÖ ph¼ng, cÇn ®i s©u vÒ mÆt kü thuËt bao gåm: 1. Mét b¶n thuyÕt minh tÝnh to¸n c¸c bé phËn chÝnh cña cöa van, 2. Mét b¶n vÏ kÕt cÊu van vµ c¸c chi tiÕt kÕt cÊu van trªn khæ giÊy A1,

đồ án môn học kết cấu thép

Giáo viên hớng dẫn : Vũ Thành Hải

I Tài liệu thiết kế:

1 Cửa van trên mặt thuộc nhóm 4,

4 Chiều cao cột nớc tính toán: H = 5,55 m,

5 Hạ lu không có nớc,

6.Vật liệu thép CT3, các bộ phận đúc bằng thép CT35đ, trụcbánh xe bằng thép CT5, ống bọc trục bằng đồng,

II Yêu cầu:

Thiết kế van phẳng bằng thép theo phơng pháp phân tích kếtcấu thành các hệ phẳng, cần đi sâu về mặt kỹ thuật bao gồm:1.Một bản thuyết minh tính toán các bộ phận chính của cửa van,

2.Một bản vẽ kết cấu van và các chi tiết kết cấu van trên khổ

I cấu tạo chung

Theo phơng dòng chảy, cửa van sẽ chịu tác dụng của

áp lực nớc lên bản mặt, áp lực này từ bản mặt truyền lên

hệ dầm phụ gồm: dầm phụ đỉnh, dầm phụ đáy và các

dầm phụ nằm ngang, Hệ dầm phụ sẽ truyền áp lực lên

giàn ngang (đặt vuông góc với các dầm phụ), Các giàn

ngang này tựa lên 2 dầm chính trên và dới, truyền tải

trọng lên 2 dầm chính, Tải trọng sẽ đợc hai dầm chính

truyền lên 2 cột biên và truyền tiếp qua các bánh xe, có

vai trò nh gối tựa di động, lên hai trụ pin của công trình

tại vị trí khe van,

Theo phơng thẳng đứng, cửa van chịu trọng lợng bản

thân, kết cấu chịu trọng lợng bản thân van thờng dùng

giàn có hệ thanh bụng xiên và đợc cấu tạo bởi các thép góc đơn,

chính diện hạ l u chính diện th ợng l u

chiếu bằng

Các bánh xe ngợc hớng, bánh xe bên giúp cho cửa van chuyển

động dễ dàng dọc theo khe van, làm cho cửa van không rung

động và lệch khỏi đờng ray

II vị trí và bố trí chi tiết các kết cấu

II.1 Xác định sơ bộ kích thớc dầm chính:

áp lực nớc tác dụng lên bản mặt là:

) ( 154 55

, 5 10 2

1

2

KN H

) ( 77 2

b b

3 , 14 77 8

2 2

max

max

KNm

qL M

22 ,

)(35,10126,0.130.5,1

q p

E

n L R h

tc tc

24

)(33,11.10

.1,2

600.3,14.10.1565.245

min

8

2 min

m h

h

m h

10.3,14.77.5,1 2

5,1 5,1

2

cm R

h

L q R

h

Q

c b c

7 , 2 135 02 , 0 02 , 0

)(1413

.2135

c c

c c

c

h

J c

F b

δ

δ =

=Trong đó:

141.10.26,112

.2

W

c y

)(26)

(92,23138

.3

75,683268

30

δ

989,01490

210030

126

• Vị trí dầm chính đợc bố trí sao cho thoả mãn các điều kiện:+ Khoảng cách từ dầm chính trên tới đỉnh van phải nhỏ hơn

+ Khoảng cách từ dầm chính dới tới đáy van phải thoả mãn điều

)(55,2

)(565,27,5.45,0

45,

1

m

m H

)(85,13

55,5

55,5.215,03

.2)

, 0 141

13 100 185

c d

Vậy ta có vị trí của hai dầm chính là:

m1a

m

1,3a

m

2,55a

2 d t 1

II.3 Bố trí giàn ngang:

Để đảm bảo độ cứng ngang của cửa van, khoảng cách giữa các giàn ngang không nên lớn hơn 4m, Bố trí giàn ngang cần phải tuântheo 3 điều kiện sau đây:

+ Các giàn ngang cách đều nhau và bằng nhau khoảng cách giữa giàn ngang với trụ biên:

m m

L

b = =14,3 =3,58( )<4

+ Đặt một giàn ngang ở giữa van để giàn chịu trọng lợng có dạng đối xứng,

Ta bố trí 3 giàn ngang với một giàn ngang ở chính giữa,

II.4 Bố trí dầm phụ dọc:

Dầm phụ đợc hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các giàn ngang

có thể tính nh các dầm đơn, Dầm phụ chọn loại tiết diện chữ C

55,23

3,11

a a

d = t + d = + ≈ =

III tính toán các bộ phận kết cấu van

3.1 , Tính toán bản mặt:

chính, ta tính nh một bản tựa trên 4 mặt, Chiều dày bản mặt đợcxác định:

)1.(

.2

n R

p k

a i

i

+

=δ

mặt đợc xác định theo công thức:

i i

R

p a.

.61,0

+ k: hÖ sè phô thuéc vµo liªn kÕt (k = 0,75)

khoảng cách giữa hai giàn ngang

và chịu tải trọng phân bố đều

có cờng độ là:

)/(2

p

i i i

Trong đó:

dầm dới nó (cm)

Các dầm phụ phải xét đến là: dầm phụ 2,3,5,6; dầm 1 và 8 làdầm biên trên và dới; dầm 4 và 7 là 2 dầm chính,

Bảng 2: Xác định tải trọng tác dụng lên dầm phụ

6 , 0

308

cm W

cm W

47 , 2

cm F

cm Z

δ

h

0 30 32 63

, 0 27

141

13 100 185

h h

b a Z

tg

chịu lực với dầm phụ:

+ Bề rộng bản mặt tham gia chịu lực là:

)(5,591.505,9

b

B= c + δbm = + =

+ Kiểm tra dầm phụ đã chọn:

Dầm phụ đã chọn phải thoả mãn yêu cầu về độ võng:

250

11

384

E

b p B

cm F

F y y

c

i

i i c

8,8

)(8,85

,5925,35

2

127.1.5,592,35.0

=

⇒

≈+

( 726 , 8499

5 , 59 ) 8 , 8 14 ( 12

1 5 , 59 ) 2 , 35 8 , 8 4160 (

2

.

4 8 4

2

3 2

2

2 1

2

m cm

F y

h J

F y J J

J

x c

I x

II x

I x x

+ +

= +

=

δ

- Kiểm tra độ võng:

250

1730

110

.726,8499.10.1,2

58,3.9,40

384

5

8 8

Vậy dầm phụ đã chọn thoả mãn điều kiện về độ võng

3.3.1 Xác định tải trọng tác dụng lên dầm chính:

Vị trí của dầm chính nếu xét tới các yêu cầu khác mà phải

điều chỉnh nhiều, làm cho vị trí hai dầm chính không còn

đối xứng qua phơng tác dụng của hợp lực của áp lực thủy tĩnh Wnữa, thì dầm chính sẽ chịu tải trọng khác nhau Nh vậy, cầnphải tìm tải trọng thực tế tác dụng lên mỗi dầm và lấy dầmchịu tải trọng lớn nhất để thiết kế

Tải trọng tác dụng lên mỗi mét dài dầm chính trên và dới đợcxác định theo công thức sau:

87,1(KN/m)2,3

1,3154

1,3154

)66,96(KN/m2,3

1154

+

=+

=

≈

=+

=+

=

3,11

3,11

1.154

d t t

d t

d t

a a

a W q

a a

a W q

h

α≥

• Vì dầm chính đợc hàn vào bản mặt nên bản mặt cũngtham gia chịu lực với dầm chính Bề rộng b của bản mặt thamgia chịu uốn với dầm chính phải thoả mãn các điều kiện sau

b b

a a b

bm c

n n

.3,0

.50

).(

5,

δ

Trong đó:

phụ liền kề trên và dới nó

≤

= +

≤

⇒

) ( 29 , 4 3 , 14 3 , 0

) ( 76 1 50 26

) ( 81 ) 77 85 (

5 , 0

m b

cm b

cm b

cả phần bản mặt tham gia chịu lực:

- Xác định đặc trng hình học

của tiết diện:

) ( 12 6 , 1 135 26 3 2 1 76

71 1 76

cm F

F y y

i

i i

+ +

y =

IV x

III x

II x

I x

b b c

h

b

δcδ

h

)(3,26456259

.2.7612

1.76

)(5,25348057

.3.2612

3.26

)(5,51181681

.3.2612

3.26

)(35915412

.135.6,112

135.6,1

4

4 2

3 4

2 4 ) 4 (

4 2

3 3

2 3 ) 3 (

4 2

3 2

2 2 ) 2 (

4 2

3 1

2 ) 1 (

cm J

J

cm F

y J

J

cm F

y J

J

cm F

y J

J

cm F

y J

J

i x x

=+

=

=+

=+

=

=+

=+

=

=+

=+

=

∑

- Kiểm tra về cờng độ:

)/(

=σ

8

13.1,874

3,14.13.1,878

.4

0 0

)/(43,13115

,823,1389013

10

)/(25,13301565

.82,0

85,

σ

)/(25,1330

85,043,

3.3.3 Thay đổi tiết diện dầm chính:

Để tiết kiệm thép và để giảm bớt bề rộng rãnh van ta dùngdầm chính có chiều cao thay đổi Về nguyên tắc, điểm đổi

van vì yêu cầu giàn ngang nằm trong phần dầm chính khôngthay đổi tiết diện nên điểm đổi tiết diện phải bắt đầu từ vịtrí giàn ngang (đầu dầm)

Chiều cao tiết diện dầm chính tại gối dầm thờng lấy bằng:

R b

J

S Q

dầm

- Toạ độ trọng tâm tiết diện:

)(5,826.3.270.6,11.76

76.5,38

cm F

F y y

i

i i

++

to CN

J = − +

141 cm

77 cm

( )

)(2,487789

)(7,1131245

,82

781.7612

1.76

)(8,75913470

.2

6,126.5,812

70.6,126

)(3,113379977

.26.5,812

77.26

4

4 2

3

4 2

3

4 2

3

cm J

J J

J

cm J

cm J

cm J

bm

con CN

to CN x

bm

con CN

to CN

=+

−

=

=+

=

( ) 26 3 45 5023 , 8 ( )

2

5 , 43 6 , 1 5 ,

13.1,872

0

) / ( 895 )

/ ( 4 , 364 6

, 1 2 , 487789

8 , 5023 10 15 , 566

0

0 max

b J

S Q

c x

3.3.5 Kiểm tra về độ võng:

600

11

709

13,1389013

10.1,2.8,0

10.3,14.10.2208

48

5

48

5

0 6

2 4

=

n J

E

L M l

f

x

tc

α

3.3.6 Tính liên kết giữa bản cánh và bản bụng dầm:

h g x

c dh

h

R J

S Q h

δ

β

.21

2

1

0

0 max

21

3,01045.4,1

1.2,487789

3510.10.15,

cm h

h

b dh

dh

δ

3.3.7 Kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng:

Thanh cánh của giàn ngang đợc liên kết với bản bụng của dầmchính nên nó truyền lực tập trung vào bản bụng dầm Vì thế, ở

vị trí nối tiếp giữa bản bụng dầm chính và thanh cánh củagiàn ngang, bản bụng dầm chính cần đợc gia cờng bằng các sờngia cố đứng (hình dới) Vì khoảng cách giữa các sờn ngang

khoảng giữa 2 giàn ngang

Do bản bụng dầm chính chỉ đợc gia cờng bằng sờn đứng vàtiết diện hai trục đối xứng nên ta có thể kiểm tra ổn định cục

bộ của mỗi ô bản bụng dầm chính theo công thức sau:

th

b th

( 2

2

; 6 ,

n b





+ 3

2

2 100. 1095

,025,1

h

δ à

135

6 , 1 100 23

, 1

95 , 0 25 ,

) 65 , 0 45 , 6 ( 1 , 87 45 , 6 2

13 1 , 87 2 , 1 2

) (

2

.

2 2

4 4

, 55 3 , 1389013

10

cm daN

⇒σ

+

)(2,73)

15,045,6(1,872

13.1,87.2,1)(

10 2 , 73

2

2

cm daN h

Q

b b

δ τ

,2637

9,3315500

5,

2 2

τ

τσ

σ

Thoả mãn điều kiện ổn định

Kiểm tra tơng tự với các ô còn lại ta có:

Bảng 3: Kiểm tra ổn định cục bộ của các ô bản bụng dầm

Q (kN )

) ( −

b

y

(c m)

1048

1,23

2637,9

0,069

3 13

5

2335,9

256,1

55,5

933,34

118,

1,23

2637,9

0,075

3

1705,6

444,

908,3

269,6

28402,1

1,64

3868,6

0,077

4

608,8

33,5

559,9

442,4

42543,1

1,92

5214,3

0,086

Từ bản kết quả trên ta nhận thấy tất cả các ô bản bụng của dầmchính đều thoả mãn điều kiện ổn định cục bộ

127,

5 67,5

11 5

13 5

144, 3

11 5

177, 3

177, 3

8 5

13 5

16 0

23 0

144, 3

,5.58,3.10.2

1

2

kN H

B

3.4.2 Xác định cờng độ áp lực thủy tĩnh lên các mắt giàn:

Bề rộng tải trọng trên giàn ngang là: B = 3,58m

) ( 93 , 12

2 1

) ( 02 , 143

.

) ( 67 , 23

2 1

) ( 15 , 146

.

) ( 67 , 23

2 1

) ( 81 , 98 15 , 0

.

) ( 1 , 29

2 1

) ( 35 , 51 15 , 0

.

) ( 65 , 22

) 15 , 0 (

2

1

2 45

"

5

04 45

2 34

"

4

03 34

2 23

"

3

12 01 23

2 12

"

2

01 12

2 01

1

kN l

B W

kN l

l B W

W W

W

kN l

B W

kN l

l B W

W W

W

kN l

B W

kN l

l l B W

W W

W

kN l

B W

kN l

l B W

W W

W

kN B

l W

γγ

γγ

γγ

γ

3.4.3 Các lực tác dụng lên mắt giàn:

) ( 13 , 80 3

2 2

1

) ( 68 , 164 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 15 , 146 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 37 , 102 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 36 , 55 3

1 2

1 15 , 0

) ( 66 , 6

3

15 , 0

"

5

' 5 5

"

5

' 5

"

4

' 4 4

"

4

' 4

"

3

' 3 3

"

3

' 3

"

2

' 2 2

"

2

' 2 01

01 1 1

01

01 1 0

kN W

W

P

kN W

W W

W

P

kN W

W W

W

P

kN W

W W

W

P

kN W

W l

l W

P

kN l

l W

P

= +

=

= +

+ +

=

= +

+ +

=

= +

+ +

=

= +

KiÓm tra tÝnh to¸n:

% 5

% 72 , 0

%

) ( 35 , 555

P

P P

kN P

∑ ∑ (2)

(1) 0

35 , 555

A

B A

M

P R

R

) ( 92 , 245

) ( 43 , 309

0 3 , 2 15 , 3 3 , 2

.

15 , 1 275 , 1 55 , 2 )

2

(

5 4

3 1

0

kN R

kN R

R P

P

P P

−

−

−

− +

⇒

) ( 58 , 12

0

) ( 94 , 16

0

01

01 08

02 08 08

07

27 08 0

kN N

N l

l N Y

kN N

l

l N P X

thanh giµn b»ng ph¬ng ph¸p t¸ch nót Ta cã b¶ng sè liÖu sau:

B¶ng 5: B¶ng tÝnh néi lùc trong c¸c thanh giµn

Ký hiÖuthanhgiµn

Néi lùc(kN)

Tr¹ng th¸inéi lùc

ChiÒudµithanh(cm)

3.4.5 Chọn tiết diện thanh giàn:

vừa chịu uốn Ta chỉ chọn 1 loại thanh cho tất cả các thanh cánhthợng Vì vậy, ta chọn thanh bất lợi nhất để tính toán

Mômen uốn là:

8

23 max

l q

M = tb

)/(505,1062

)/(09,129

)/(92,8558,3)

15,055,2.(

10

max min

2 max

1 min

m kN q

q q

m kN B

H q

m kN B

H q

) ( 52 , 112 1565

10 61 , 17

) ( 61 , 17 8

15 , 1 505 , 106 8

.

3

4 max

/

2 2

23 max

cm R

M W

kNm l

q M

u c

cm mm

x

17,4cmF

73mm

b

J

δδ

Kiểm tra tiết diện đã chọn khi có sự tham gia chịu lực củabản mặt:

) / ( 1595 )

/ ( 3 , 385 590

10 61 , 17 7

, 74

10 84 , 64

) ( 590 25

, 2

544 , 1327

) ( 216 , 4

) ( 544 , 1327 12

1 3 , 57 1 3 , 57 75 , 1 572 4 , 17 75 , 5

) ( 75 , 5 7 , 74

5 , 7 3 , 57

) ( 7 , 74 1 3 , 57 4 , 17

3 , 57 1 50 3 , 7

50

2 2

4 2

) (

3 min

max

4

3 2

2

2

cm daN R

cm daN W

M F N

cm y

J W

cm F

J r

cm J

cm y

cm F

cm b

b

u x

x x

x x

x

c

bm c

=

<

≈ +

= +

+ +

=

≈

=

= +

=

= +

= +

=

−

σ

δ

)(33,1120160

)(164,1445,0.1490

10.97,94

/ /

2 2

/

cm

l r

r

cm R

N F

gt

x c y y c y x

c y

, 72 22 , 2 160

22 , 67 38 , 2 160

x x

r l r

l

λ

λλ

λ

) / ( 1490 )

/ ( 76 , 820 2

25 , 7 798 , 0

10 97 , 94

2 2

2

cm daN R

cm daN F

- TÝnh thanh bông bÊt lîi nhÊt lµ thanh 7-3:

10 08 , 107

2 2

, 54 25 , 3

3 , 177

465 , 82 15 , 2

3 , 177

max 0

x x

r l r

l

λ

λ λ

10 08 ,

Dầm chính có chiều cao thay đổi nên giàn phải là một giàn gãykhúc Nhng để cho việc tính toán đợc đơn giản, ta coi là giànphẳng có nhịp bằng nhịp tính toán của giàn chính.

Trình tự tính toán:

đúng:

F F

G =0,55

)(07,33715

,72.15,72.55,

⇒

trọng bằng 0,5.G Đem 0,5.G phân phối lên các mắt giàn (hình

trên), mỗi mắt chịu một lực tập trung là:

458,3

3,14

)(134,424

07,337.5,0.5,0

5,0

kN n

G B

20

0 67

kN P

N Y

N X

B¶ng 6: B¶ng tÝnh néi lùc trong c¸c thanh giµn chÞu träng

l-îng

KÝ hiÖu thanh

ChiÒu dµi thanh (m)

Néi lùc (kN)

Tr¹ng th¸i néi lùc

+ TÝnh to¸n víi thanh 2-8:

10.922,

691

,6

5,425

9834

,4

10.255,4

min max

λ

y

y y x

x x

r l r l

1490966

7.24.618,0

10.922,



) / (

1490 1

m c bt

= σ σ σ

) / ( 1490 93

, 783 )

/ ( 66 , 55 2 25 , 7 571 ,

0

10 61 , 4

) / ( 27 , 728 2 25 , 7 571 , 0

10 268 , 84

2 2

2

2 2

cm daN cm

daN

cm daN

bt n n

bt

<

= +

σσ

b»ng chiÒu dµy b¶n c¸nh dÇm chÝnh §êng hµn liªn kÕt b¶n c¸nh

vµ b¶n bông lÊy b»ng 6 mm

M«men lín nhÊt lµ: Mmax = 333,333 (kNm)

mm h

cm cm

b

cm cm

h

h

c c

b b

6

3

; 40

6 , 1

; 70

§Æc trng h×nh häc cña tiÕt diÖn:

)/(895)

/(56,3636

,1.33,365653

5360.10.825,96

)/(4,3462

76.33,365653

10.333,3332

)(53602

35.6,1.355,36.3.40

)(33,36565312

4,38.7012

40.76

2 2

2 max

2

4 max

3

4 3

3

cm daN cm

daN J

S Q

R cm

daN

h J M

cm S

cm J

b x x

u x

x

D l

/(8380

.16

10.64,

cm daN cm

[ ]

[ ]

[ ]cbt

cbt x

x x cbt

D l P

mm d

mm c

cm daN

σσ

σσ

.10

10.64,1063

100220

)/(250

2 2

Thay đổi d, c:

Chọn: d = 180 mm; c = 250 mm

) / ( 250 36

, 236 25

18

10 64 ,

cm daN

) / ( 750 ) / ( 66 , 278 18

7854 , 0

10 82 , 531 3

4

7854 ,

/ ( 45 , 843 18

1 , 0

10 19 , 19

1

,

0

) ( 82 , 531 2

64 , 1063 2

) ( 19 , 49

10 2

145 125 56 , 4254 10

165 2

64 , 1063 2

10 145 10 125 10 165

2

) / ( 56 , 4254 25

, 0

64 , 1063

) / ( 950 ) / ( 64 , 738 4

18 2

10 64 , 1063

.

2

2 2

2

2 2

2 2

3

4 3

max

max

6 3

3 3

3 max

2 2

2

cm daN cm

daN d

Q

cm daN cm

daN d

q

P

M

m kN c

P

q

cm daN cm

daN d

đáy là 500mm

Đờng ray của bánh xe chịu lực chế tạo bằng thép đúc CT35đ, bềrộng của mặt ray = 180 mm, bề rộng của đế đờng b = 230 mm;

110mm ( khoảng cách từ mép trên đờng ray đến phần bản bụnghết lợn cong)

ứng suất cục bộ trong bản bụng đờng ray:

[ ] 2250( / ))

/(2,5376

.11.3

10.64,1063

.3

2 2

2 1

cm daN cm

daN h

ứng suất nén bê tông dới đáy đờng ray:

[ ] 1500( / ))

/(05,5523

.28.3

10.64,1063

.3

2 2

2

cm daN cm

daN b

600mm hàn vào cánh thép chữ I và chôn trong bê tông Khoảngcách giữa các cốt thép neo này là 700mm Trên mặt của bộ phận

cố định hàn thêm vào một lớp thép không rỉ dày 5mm