thiết kế cửa van phẳng

I: Tài liệu thiết kế; Bề rộng lỗ cống; L0 = 10 m Cột nước thượng lưu; Ht = 5,5 m Cột nước hạ lưu; Hh = 0 Cao trình ngưỡng; = 0 Vật chắn nước đáy bằng gỗ, vật chắn nước bên bằng cao su hình chữ P Vật liệu chế tạo van; o Vật liệu chế tạo cửa; Thép 10 2C o Trục bánh xe thép CT5, bánh xe chịu lực thép đúc CT35 o Ống bọc trục bằng đồng o Liên kết hàn, que hàn E42 Hệ số vượt tải của áp lực thủy tĩnh và trọng lượng bản thân n = 1,1 Độ võng giới hạn của dầm chính = và của dầm phụ = Cường độ tính toán của thép chế tạo cửa van: Rk,n = 2140 daNcm2, Ru = 2250 daNcm2; Rc = 1290 daNcm2 II: Nội dung và yêu cầu tính toán; 1. Một bản thuyết minh bố trí tổng thể (khổ A4) 2. Tính toán các kết cấu cửa van được phân công 3. Một bản vẽ mô tả các bộ phận chủ yếu (khổ A1) 4. ĐAMH làm theo nhóm không quá 5 sinh viên. Mỗi sinh viên phải hiểu bố trí chung và chịu trách nhiệm thiết kế một cấu kiện, đọc hiểu các phần còn lại

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG THỦY LỢI

- Vật liệu chế tạo van;

o Vật liệu chế tạo cửa; Thép 10 2C

o Trục bánh xe thép CT5, bánh xe chịu lực thép đúc CT35

o Ống bọc trục bằng đồng

o Liên kết hàn, que hàn E42

- Hệ số vượt tải của áp lực thủy tĩnh và trọng lượng bản thân n

II: Nội dung và yêu cầu tính toán;

1. Một bản thuyết minh bố trí tổng thể (khổ A4)

2. Tính toán các kết cấu cửa van được phân công

3. Một bản vẽ mô tả các bộ phận chủ yếu (khổ A1)

4. ĐAMH làm theo nhóm không quá 5 sinh viên Mỗi sinh viên phải hiểu bố trí chung và chịu trách nhiệm thiết kế một cấu kiện, đọc hiểucác phần còn lại

III:Trình tự thiết kế;

1. Phương án bố trí chung: Sơ bộ xác định các kích thước cơ bản

- Sơ bộ chọn chiều dày bản mặt: = 10 (mm)

- Nhịp tính toán của cửa van: Chọn khoảng cách từ mép cửa van đến tâm bánh xe là c = 0,25 0,3 m, chon c = 0,3 m

nhịp tính toán của cửa van là: L = L0 + 2c = 10 + 0,6 = 10,6(m)

- Chiều cao của cửa van là: hv = Ht + Trong đó; Ht – chiều cao cột nước thượng lưu, Ht = 5,5 m

- độ gia cao an toàn, = 0,3 0,5 m, chọn 0,5m

- Khoảng cách từ dầm chính dưới đến tâm hợp lực là: ad

=75,6 (kN/m)

Các dầm phụ dự kiến dùng thép I22, có bề rộng bản cánh bề rộng bf = 110 mm

Giữa hai dầm chính đặt 4 dầm phụ ngang, khoảng cách giữa các dầm phụ là:

680 mm (đảm bảo điều kiện 70 = 700 mm)

Đoạn công xôn phía trên đặt 3 dầm phụ: vì áp lực nước tăng theo chiều sâu của cửa van cho nên khoảng cánh các dầm phụ càng xuống sâu thì càng ngắn hơn; chọn khoảng cách từ mép cửa van đến dầm phụ gần nhất là 700 mm; khoảng cách các dầm phụ còn lại là 600 mm

Sơ bộ bố trí 3 giàn ngang và 2 dầm biên: khoảng cách giữa các gian ngang là;

2. Tính toán bản mặt:

Tính toán dựa trên cơ sở trong một hàng ngang giữa hai dầm phụdọc chỉ cần tính cho một ô, các ô khác có cùng kích thước, chịu lực như nhau lên tính tương tự:

Vì tỷ số cạch dài cạnh ngắn của các ô bản nên ta tính

như một bản tựa lên hai cạnh

Bản mặt được tính như sau: (xét một dải có bề rộng là 1m);

Ta có:

Suy ra

Trong đó:

- m – hệ số điều kiện làm việc; m = 1

- pi – là cường độ áp lực tại trọng tâm mỗi ô

- b – cạnh ngắn của ô bản mặt

- a – cạnh dài ô bản mặt

- Ru – cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt; Ru = 2250 daN/cm2

Trong đó : Chọn k = 1,4 do ghép bằng liên kếthàn.

chọn λb = b =

b h

δ 130;

n – hệ số vượt tải; n = 1,1

Ru = 2250 daN/cm2 Wyc = R u

M

n. max.

với

=

= 1058,4 (KN.m) =1058,4.104(daN.cm)

- Chọn chiều cao dầm chớnh theo điều kiện độ cứng:

2

.

24

5

K

K p n q n

p q n

E

n L R

tc p

tc q

tc tc o

u

+ +

trong đú: n0 = 600; E = 2,1 daN/cm2; ptc=qtc = 75,6

KN/m; chọn np=nq=1K1 = 1,1 – hệ số tớnh đến ảnh hưởng của trọng lượng bản thõn

K2 = 1,08 – hệ số tớnh đến sự tăng độ vừng do việc thay đổi chiều cao ở gối tựa

Chọn chiều cao dầm chính: h = max(hkt;hmin) = 126,7 (cm)

chọn chiều cao bản bụng dầm chính: hb = 130 (cm)Chiều cao của dầm chính là:

Trong đó: = 20 (mm) – chiều dày bản cách

o Theo điều kiện chống cắt:

y c

y

x o x

bản bụng của dầm chính dưới phải khoét lỗ

Vì bản chính được hàn trực tiếp với bản mặt nên cần xét đến bản mặt cùng tham gia chịu lực Bề rộng bản bụng tham gia chịu lực được xác định từ các điều kiện sau:

- b bc + 50 = 90 + 50×10 = 590 (mm)

- b (atr+ad)/2 = 850 (mm)

- b 0,3L = 0,3 10600 = 3180 (mm)

vậy chọn b = 590 (mm)

b,Kiểm tra tiết diện chọn;

Xác định chính xác các đặc trưng hình học của thiết diện chọn theo hình vẽ ta có: F = FI+FII = (2*200*20+10*1300)+590*10=26900 (mm2)=269 (cm2)

135

20 3

-2 12

130 5 ,

= 622041,67 (cm4)

⇒ Jx = 622041,67 + 210.14,82 + 12 +

1 59

59.52,72 = 831905,1 (cm4)

⇒ Wxanhất = 135 / 2 14 , 8 10108,2

1 , 831905 1

, 24 2 /

max

= +

= +

=

h

J y

đổi tiết diện phải bắt đầu từ vị trí giàn ngang (đầudầm)

Chiều cao tiết diện dầm chính tại gối dầm thờng lấybằng: h0 =(0,4ữ0,65)h

+ R: cờng độ khi uốn, Ru = 1565 (dan/cm2),

- Kiểm tra kích thớc dầm đã chọn theo điều kiện ứng suấttiếp:

- Kiểm tra ứng suất tiếp:

• Ta có công thức sau:

c b x

R J

S Q

≤

= δ

Trong đó: - Jx0: mômen quán tính của tiết diện

đầu dầm

- S0 : mômen tĩnh của tiết diện đầu dầm

6,10.6,752

0

1290 8

, 191 1

1 , 831905

5 , 3982 100 68 , 400

τ

- Kiểm tra điều kiện độ võng:

Phải xét tới dầm chính thay đổi tiết diện: hệ số thay đổitiết diện α = 0,8

600

1 1 9 , 1195

1 1 , 831905

10 1 , 2 8 , 0

10 6 , 10 10 4 , 1058 48

5

.

48

5

0 6

2 4

=

n J

E

L M L

f

x

tc

⇒ Dầm chính thoả mãn điều kiện về độ võng.

- Kiểm tra độ ổn định cục bộ của dầm:

λb

70 130 1

130 = >

=

=

b b h

cánh của giàn ngang, bản bụng dầm chính cần đợc tăng cờngbằng sờn gia cố đứng

Kiểm tra ổn định cục bộ của mỗi ô bản bụng dầm chínhtheo công thức sau:

2 th b 2

τ+

h J M

M- Mômen lấy tại tâm của hình vuông(cách gối tựa một

đoạn Z) có cạnh là hb, đối với các ô số 1, số 2 không phải làhình chữ nhật thì coi nh hình chữ nhật có chiều cao trungbình giữa ô

b

b h

δ

(daN/cm2)

c h

1 100

4414,2(daN/cm2)

3 2

2 100. 1095

,025,1

h

δ à

Từ kết quả bảng trên ta thấy tất cả ô bản bụng của dầm

chính đều thoả mãn điều kiện ổn định cục bộ

c/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

Trong đó:

21

43,01045.4,1

1.1,831905

3232.10.68,

cm h

h

b dh

dh

δChọn: hdh = 0,5 (cm)

L < 20(m) ta chọn cột biên kiểu 1 bản bụng(đối với van gốitựa bánh xe) Chiều cao cột biên bằng chiều rộng đầu dầmchính hcb = h0 = 850(mm), chiều rộng cánh cột biên bcb =300(mm), chiều dày cánh cột biên lấy bằng chiều dày cánhdầm chính δcb = 20(mm).

at : khoảng cách từ dầm đang xét tới dầm trên nó

ad : khoảng cách từ dầm đang xét tới dầm dới nó

pi : áp lực thuỷ tĩnh tại trục dầm thứ i (daN/cm2)

Ta lập đợc bảng tính toán sau:

xác định tải trọng tác dụng lên dầm phụ

10 65 , 2 336 , 27 8

M

(cm3)

Vì trong tiết diện tính toán của dầm phụ còn có phầnbản mặt cùng tham gia chịu lực nên có thể tiếp nhận dầmphụ bằng thép I22 có các đặc trng hình học:

Wx =232 cm3; J x =2550 cm4; F = 30,6 cm2; b = 11cm;

Phần bản mặt trong tiết diện tính toán của dầm phụ đợcchọn giá trị nhỏ nhất trong 3 điều kiện sau:

+ 2

d

tr l l

68 (cm)

• a ≤ 50.δbm + b = 50.1 + 11 = 65(cm).

• a ≤ 0,3.lf = 0,3.265 = 79,5(cm)

Tiếp nhận a = 65(cm) để tính toán

W1 W’2 W”2

4 5

6 7 8

Tính toán các đặc trng hình học của mặt cắt ghép:

F = Ff + Fbm = 30,6 + 65= 95,6(cm2)

yc =

8 , 7 6

, 95

) 5 , 0 11 (

1

65.1.3,72 = 5307(cm4)

3 , 282 8 , 7 11

, 282

239959

max

x W

1 5307 10 1 , 2

265 336 , 27 384

5

384

5

0 6

3 3

E

l q l

f

x f

tc f

Vậy dầm phụ đã chọn thoả mãn điều kiện về cờng độ và

biến dạng

6/Tính dàn ngang:

a.Vẽ sơ đồ dàn ngang và xác định chiều dài của

b.Đ

a tải trọng phân bố về tải trọng tập trung trên

mắt giàn:

Tại các mắt dàn tơng ứng ta có các tải trọng tậptrung;P0 , P1,…, P7

Xác định cờng độ áp lực thuỷ tĩnh tại các mắt giàn :

q1, q2,

Tính hợp lực của áp lực thuỷ tĩnh tại các mắt dàn(qi).Nếu biểu đồ áp lực nớc trong phạm vi mỗi thanh giàn là hình

thang thì ta phân biểu đồ thành 1 tam giác và một hình

chữ nhật Từ đó ta tính đợc tải trọng tập trung tác dụng lên

các mắt giàn(Pi)

3 4

5 6

) ( 635 , 15

.

) ( 293 , 38

2 1

) ( 21 , 189

.

) ( 293 , 38

2 1

) ( 1 , 90 5 , 0

.

) ( 7 , 20

2 1

) ( 84 , 24 5 , 0

.

) ( 45 , 7 ) 5 , 0 (

2 1

2 45

"

5

04 45

' 5

"

5

' 5 5

2 34

"

4

03 34

' 4

"

4

' 4 4

2 23

"

3

12 01 23

' 3

"

3

' 3 3

2 12

"

2

01 12

' 2

"

2

' 2 2

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

γγγ

C¸c lùc t¸c dông lªn m¾t giµn:

) ( 91 , 7 3

2 2

1

) ( 128 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 948 , 177 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 03 , 84 3

1 2

1 3

2 2

1

) ( 79 , 23 3

1 2

1 5 , 0

) ( 49 , 1

3

5 , 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

= +

=

= +

+ +

=

= +

+ +

=

= +

+ +

=

= +

,5.65,2.10.2

1

2

kN H

B

% 5

% 5 , 4

%

) ( 168 , 423

P

P P

kN P

P

Thoả mãn sai số cho phép < 5%

c.Tính nội lực trong thanh giàn ngang:

• Giả thiết các thanh giàn liên kết khớp với nhau, ta dùngphơng pháp tách mắt để xác định nội lực trong cácthanh giàn

∑ 0 ∑ (2)

(1) 168 , 423

A

B A

M

P R

R

• Tách nút 0:

) ( 6 , 3

0

) ( 21 , 3

0

01

01 01

08 08 08

07

27 08 0

kN N

N l N Y

kN N

l

l N P X

Chiều dài thanh (cm)

d.Chọn tiết diện thanh giàn:

Thanh cánh thợng ngoài chịu lực dọc còn chịu uốn cục bộ,tiến hành tính toán nh một thanh chịu kéo (nén) lệch tâm,tiết diện dùng là tiết diện chữ I

Thanh cánh thợng nên dùng thống nhất một loại số hiệu, cácthanh còn lại ta chọn 2 thanh đại diện, một thanh có nội lựclớn nhất và một thanh có chiều dài tính toán lớn nhất

*Chọn tiết diện của thanh chịu kéo trung tâm:

- Ta tính cho thanh chịu kéo lớn nhất là thanh 65 ,N65 =124,18(kN), l65 = 130,4 cm

Diện tích yêu cầu của thanh chịu kéo: Fyc = R.

N

β

β: hệ số giảm yếu tiết diện do liên kết, lấy β = 1

y x

R: cờng độ giới hạn, R = 1490 daN/cm2

=> Fyc = 1 1490 8,3

10 18 ,

124 2

=

=

th F

N

(daN/cm2) < R = 1490(daN/cm2)

λmax = 2,18 ) 76,15

4 , 130

; 37 , 1

32 , 104 max(

ox r

l r

l

< λgh = 400

- Vậy với thanh chịu kéo trung tâm ta thống nhất dùng tiếtdiện : 2L 45ì5

*Chọn tiết diện thanh chịu nén trung tâm:

- Ta tính cho thanh chịu nén lớn nhất đồng thời có chiều dàitính toán lớn nhất là thanh 27 : N = 84,23(kN) , l = 130(cm)

Giả thiết λgt = 100 => ϕ = 0,60

Diện tích yêu cầu : Fyc = 0,60.1490 9,42

10 23 , 84

2

=

=

R N

, 9

100 23 ,

=

=

th F

130

) = max(84,97; 54,6) =85

Tra bảng đợc ϕmin = 0,72

=> 0,72.9,6 1219

100 23 , 84

*Chọn tiết diện thanh chịu kéo lệch tâm:

Đối với thanh chịu kéo lệch tâm đều là thanh cánh sát bảnmặt, ta chỉ chọn một loại tiết diện

Giả thiết chọn tiết diện chữ I gồm 2 thanh thép góc C ghéplại : 2C No =18.

Từ bảng trên ta thấy tiết diện chọn đã phù hợp

Ta lập bảng tổng hợp chọn tiết diện các thanh giàn sau

Vì dầm chính có chiều cao thay đổi nên giàn chịu trọnglợng là một giàn gãy khúc, nhng để tiện cho việc tính toán tacoi là giàn phẳng có nhịp tính toán bằng nhịp tính toán củadầm chính

7 §å ¸n m«n häc kÕt cÊu thÐp

R=2.Pm L=10,6m R=2.Pm

a.Xác định trọng l ợng cửa van theo công thức gần

đúng sau:

G = 0,55.F F (kN)F: diện tích chịu áp lực nớc của cửa van tính bằng

m2

F = L.H = 13,5.6 = 81 m2

=> G = 0,55.81 81 = 400,95 (kN)

a Xác định tải trọng tác dụng lên giàn ngang:

Giàn chịu trọng lợng ở phía hạ lu cửa van và chịu một tảitrong bằng 0,5G

Chia 0,5G cho các mắt giàn , mỗi mắt chịu một lực tậptrung là :

95 , 400 5 , 0 4

5 , 0 5 ,

Tách mắt 6, thu đợc:

)(24,100

20

0

98

98

kN P

N Y

N X

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

träng lîng

cña

Ký hiÖu thanh giµn

ChiÒu dµi thanh (cm)

Néi lùc (kN)

Tr¹ng th¸i néi lùc

d hän tiÕt diÖn thanh xiªn cã néi lùc lín nhÊt:

C¸c thanh xiªn chän cïng mét lo¹i sè hiÖu (dïng thÐp gãc

=

=

th F

N

σ

daN/cm2 < R= 1490 daN/cm2

• λmax = max(λx ; λy) = max( 4,01

256

; 76 , 2

∗ λmax= 92,75 ≤ λgh = 150Vậy tiết diện chọn là hợp lý

c Chọn tiết diện cho thanh đứng của giàn chịu trọng l ợng:

-d Thanh đứng của giàn chịu trọng lợng bản thân cũng

là thanh cánh hạ của giàn ngang nên ứng suất trongthanh bằng tổng ứng suất do áp lực thuỷ tĩnh và dotrọng lợng bản thân sinh ra

σ = σn + σbt ≤ RTrong phần tính giàn ngang, ta chọn tiết diện thanh là 2L 63ì6: F = 14,56 cm2

σn =

351,6556

,14

10.2,51F

,14

10.42,110F

đầu dầm, chiều lấy bằng chiều dày bản bụng dầm chính

Bề rộng bản cánh chọn đủ để bố trí bánh xe chịu lực, thờngchọn bc = 400 cm Chiều dày bản cánh bằng chiều dày bản cánh dầm chính Đờng hàn liên kết bản cánh và bản bụng lấy bằng 6 mm

80.4012

h)

b(12

h

b b c

a Tính bề rộng và đ ờng kính bánh xe:

Tỷ số giữa bề rộng và đờng kính bánh xe vào khoảng từ

3ữ5 Bánh xe đợc chế tạo từ thép đúc CT35d ứng suất cho phép : [σ] = 1500 daN/cm2

Px x

max

x ≤ σ

Px : lực tác dụng vào bánh xe chính bằng phản lực tại hai gối tựa của trụ biên

b Tính toán kích th ớc của trục và ống bọc trục:

ống bọc trục làm bằng đồng có [σ]cbt = 250 daN/cm2 Khoảng cách giữa hai đoạn của ống bọc trục cách nhau δ =

20 mm, chiều dài của ống bọc trục c = 250 mm

Trục bánh xe làm bằng thép CT5 có đờng kính d = 150 mm.ứng suất cho phép của thép CT5: [σ] = 1200 daN/cm2

[σ]cbt = 950 daN/cm2 [τ] = 750 daN/cmc/ Bánh xe ng ợc h ớng và bánh xe bên:

100 280

8 Vật chắn nớc và bộ phận cố định:

Vật chắn nớc hai bên làm bằng cao su đúc

Vật chắn nớc dới đáy làm bằng gỗ, kích thớc thanh gỗ có chiều rộng bằng chiều cao thép chữ C của dầm đáy và dùng bulong có đờng kính 18 mm liên kết chặt với dầm đáy,

khoảng cách giữa các bu long dọc theo dầm đáy là 500 mm

Đờng ray của bánh xe chịu lực chế tạo bằng thép đúc CT35d, bề rộng mặt ray 180mm, bề rộng đế đờng ray b =

230 mm, độ dày bản bụng đờng ray δ = 60 mm, chiều cao

đờng ray h = 280 mm, đờng ray chôn trong bê

tông có số hiệu M170#