Hướng dẫn đồ án môn học kết cấu thép (thiết kế cửa van phẳng bằng thép)

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN MƠN HỌC KẾT CẤU THÉP (THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG BẰNG THÉP) HÀ NỘI – 2014 MỤC LỤC TT Nội dung Trang I KẾT CẤU CỬA VAN PHẲNG II TÍNH TỐN KẾT CẤU CỦA VAN THEO HỆ PHẲNG 2.1 Nội dung u cầu tính tốn 2.2 Phương pháp tính tốn 2.3 Bố trí tổng thể kết cấu van 2.4 Tính tốn phận kết cấu van theo hệ phẳng 2.5 Ví dụ tính tốn 15 III TÍNH TỐN KẾT CẤU CỦA VAN THEO BÀI TỐN KHƠNG GIAN 41 3.1 Khái qt tốn khơng gian 41 3.2 Thiết lập mơ hình tính 41 IV SỐ LIỆU BÀI TẬP LỚN CỬA VAN PHẲNG 51 PHỤ LỤC 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 CỬA VAN PHẲNG I KẾT CẤU CỬA VAN PHẲNG Cửa van có mặt trực tiếp chịu áp lực nước mặt phẳng hay mặt cong đóng mở chuyển động thẳng mặt phẳng rãnh van gọi cửa van phẳng Của van phẳng chia thành hai loại cửa van mặt cửa van sâu Cửa van phẳng có hai phận phận động phận cố định Bộ phận động cửa van gồm có cấu kiện sau: Bản mặt, Dầm chính, Dầm phụ dọc, Giàn ngang, Giàn chịu trọng lượng, Trụ biên, Bánh xe chịu lực, bánh xe bên bánh xe ngược hướng, Vật chắn nước, thể hình hình Hình – Kết cấu cửa van phẳng Hình - Hinh vẽ phối cảnh cửa van phẳng II TÍNH TỐN KẾT CẤU VAN THEO HỆ PHẲNG 2.1 Nội dung u cầu tính tốn Tính tốn sâu mặt thiết kế kỹ thuật Yêu cầu thiết kế sau: - Một thuyết minh phương án bố trí chung kết cấu van, phận chủ yếu mặt, dầm phụ, giàn ngang, dầm chính, giàn chịu trọng lượng, trụ biên, gối đỡ vật chắn nước - Một vẽ gồm phận kết cấu chủ yếu chi tiết kết cấu 2.2 Phương pháp tính tốn Thiết kế theo phương pháp phân tích kết cấu van thành phận phẳng riêng biệt để tính, phân tố thuộc hai phận (phân tố nằm giao tuyến hai hệ phẳng) có ứng suất tổng ứng suất hai hệ phẳng Các phân tố phần động tính theo phương pháp trạng thái giới hạn, phận cố định chi tiết máy (bánh xe, đường ray) tính theo phương pháp ứng suất cho phép Cường độ tính tốn R thép phân tố phận động kiểm tra cường độ ổn định tính theo cơng thức sau: R = ccf đó: f – ứng suất chảy vật liệu c – hệ số độ tin cậy c - hệ số chuyển từ cường độ chịu kéo dọc trục sang cường độ Cường độ tính tốn R thép CT3 dùng để chế tạo kết cấu phận động cửa van cho bảng PL.1 phụ lục Ứng suất cho phép thép rèn thép cán dùng để chế tạo chi tiết máy cửa van cho bảng PL.2 phụ lục Ứng suất cho phép thép đúc để chế tạo bánh xe, đường ray cho bảng PL.3 phụ lục Ứng suất cho phép bê tông chịu nén cho bảng PL.4 phụ lục 2.3 Bố trí tổng thể kết cấu van Trong phần bố trí tổng thể cần xác định sơ kích thước vị trí phận sau xem xét kết cấu van cách tồn diện Sau trình bày vấn đề cần ý bố trí tổng thể: 1) Xác định sơ vị trí kích thước dầm - Bố trí dầm theo nguyên tắc hai dầm chịu tải trọng nhau, nghĩa vị trí dầm dầm phải cách phương hợp lực áp lực thủy tĩnh W hình 3, đồng thời phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Khoảng cách từ dầm tới đỉnh van phải nhỏ 0,45h v, hv chiều cao cửa van - Khoảng cách từ dầm tới đáy van phải thỏa mãn điều kiện   30o Nếu khơng thỏa mãn điều kiện điều chỉnh, sau điều chỉnh tải trọng tác dụng lên dầm khơng chênh lớn Hình – Bố trí dầm Nhịp tính tốn dầm chính: L = Lo + 2c đó: Lo – bề rộng lỗ cống c – khoảng cách từ mép cống tới trung tâm bánh xe chịu lực, thường lấy c=0,025Lo Chọn chiều cao tiết diện dầm dựa vào điều kiện kinh tế điều kiện độ cứng: h kt  k b Wyc h c c RLn o  p   q    24 E p  q đó: k – hệ số phụ thuộc liên kết, với dầm hàn k =1,3 ÷ 1,5 b  q hb  120  160 ; b nH 2t ; Wyc  M max qL2 ;  R 8R 1 ;  n o 600 E=2,1×108kN/m2 n – hệ số tải trọng áp lực thủy tĩnh 2) Bố trí giàn ngang - Để đảm bảo độ cứng ngang cửa van, khoảng cách giàn ngang không nên chọn lớn 4m Bố trí giàn ngang cần phải tuân theo điều kiện sau đây: - Bố trí khoảng cách (cách nhau) - Giàn ngang nằm đoạn dầm khơng thay đổi tiết diện - Để tiện cho việc bố trí giàn chịu trọng lượng nên đặt giàn ngang van 3) Bố trí dầm phụ dọc (ngang) - Dầm phụ dọc bố trí song song với dầm chính, xuống sâu bố trí dày áp lực nước tăng Tùy theo khoảng cách hai dầm chính, khoảng cách dầm dầm đỉnh, dầm dầm đáy mà bố trí hay hai dầm phụ dọc Dầm phụ dọc hàn chặt vào mặt đặt chồng lên cánh thượng giàn ngang tính dầm liên tục có gối tựa giàn ngang, dầm phụ dọc đặt mặt với cánh thường giàn ngang thí tính dầm đơn có nhịp khoảng cách hai giàn ngang Dầm phụ thường dùng tiết diện chữ I hay chữ C đặt úp xuống để tránh đọng nước bùn cát 4) Trụ biên - Trụ biên cửa van mặt chịu tải trọng không lớn, nên dùng tiết diện chữ I, cấu tạo đơn giản 5) Giàn chịu trọng lượng –Thường dùng giàn có hệ bụng xiên cấu tạo thép góc đơn 6) Gối đỡ – Bánh xe chịu lực bố trí mặt sau trụ biên, bánh xe bên bánh xe ngược hướng dùng bánh xe thép bọc cao su để giảm chấn động 7) Vật chắn nước – Vật chắn nước hai bên cao su bố trí độ cống để tiện cho việc kiểm tra, cịn vật chắn nước đáy làm cao su hay gỗ Khi thiết kế tham khảo cách bố trí kết cấu van trình bày hình 2.4 Tính tốn phận kết cấu van theo hệ phẳng 1) Tính toán mặt - Nếu mặt hàn vào dầm phụ, giàn ngang, dầm tính tựa lên bốn cạnh Chiều dày mặt xác định theo công thức: bm  2,45a  pi Ru (*) đó: a - cạnh ngắn ô mặt (m) b - cạnh dài ô mặt (m) pi - cường độ áp lực thủy tĩnh tớnh toỏn tâm ô mặt xét (kN/m2) Ru - cường độ chịu uốn thép làm mặt (kN/m2) - hệ số phụ thuộc vào tỷ sè b/a cho bảng Giá trị hệ số  Bảng b/a 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 >2  0,0388 0,0460 0,0535 0,0587 0,0616 0,0622 0,0625 Khi ô có cạnh dài b > lần cạnh ngắn a, ô tính tựa cạnh vi =0,0625 Vy trường hợp t cụng thc (*) ta suy chiu dy bn mặt xác định theo công thức: bm 0,61.a pi Ru Để dự phòng ăn mòn chiều dày mặt chọn bm  mm lấy tròn mm, chiều dày mặt ô chênh lớn chọn hai loại chiều dày khác nhau, chỗ nối tiếp hai mặt phải đặt vị trí dầm dầm phụ 2) Tính dầm phụ dọc - Dầm phụ dọc bố trí song song với dầm chính, truyền lực từ mặt lên giàn ngang, dầm phụ dọc tính dầm liên tục dầm đơn tùy thuộc cách bố trí dầm phụ, nhịp khoảng cách B hai giàn ngang chịu tải trọng phân bố có cường độ: q i  p i b i  p i at  ad (daN / cm ) đó: at - khoảng cách từ dầm xét đến dầm ad - khoảng cách từ dầm xét đến dầm pi – áp lực thủy tĩnh tính tốn trục dầm thứ i (daN/cm2) Xác định mômen uốn lớn Mmax, lực cắt lớn Qmax dầm phụ dọc xác định môđun chống uốn yêu cầu: Wyc  M max Ru (m ) Dựa vào Wyc chọn tiết diện dầm phụ, thường dùng diện chữ mặt tham gia chịu lực có xét tới Kiểm tra độ võng dầm phụ theo công thức sau: f M cmax B 1     B 48 EJ n o 600 3) Tính tốn dầm - Xác định tải trọng tác dụng lên dầm Vị trí dầm xét tới u cầu khác mà phải điều chỉnh nhiều, làm cho vị trí hai dầm khơng cịn đối xứng qua phương tác dụng hợp lực áp lực thủy tĩnh W, dầm chịu tải trọng khác Như cần phải tìm tải trọng thực tế dầm lấy dầm chịu tải trọng lớn để thiết kế Gọi W tổng áp lực thủy tĩnh đơn vị chiều dài van, tải trọng tác dụng lên mét dài dầm xác định theo công thức sau: q ct  W  dd dt  dd q cd  W  dt dt  dd đó: dt – khoảng cách từ dầm tới phương hợp lực W dd – khoảng cách từ dầm tới phương hợp lực W Hình – Sơ đồ tính tốn dầm Sau xác định tải trọng tính tốn tác dụng lên dầm chính, vào sơ đồ tính tốn cho hình xác định nội lực Mmax Qmax - Xác định kích thước tiết diện dầm Kích thước tiết diện dầm nhịp tiến hành tính tốn theo trình tự trình bày giáo trình Kết cấu thép Nếu dầm đặt sát mặt hàn vào mặt phải xét tới mặt tham gia chịu lực với dầm Hình – Tiết diện tính tốn dầm Bề rộng mặt tham gia chịu uốn với dầm phải thỏa mãn điều kiện sau đây: b at  ad ; b  b c  50 ; b  0,3L đó: at ad – khoảng cách từ dầm xét tới hai dầm phụ bc – bề rộng cánh dầm  – chiều dày mặt L – nhịp tính tốn dầm Lúc tiết diện dầm có trục đối xứng (hình 5) Cần xác định vị trí trục trung hòa x-x khoảng cách từ trục trung hòa tới mép tiết diện ymax ymin Xác định mơmen qn tính Jx tiết diện trục quán tính trung tâm x-x xác định ứng suất pháp lớn nhất:  max  M max y max  0,85R u Jx Nếu  max  0,85R u thích hợp cánh hạ dầm (cánh khơng trực tiếp đỡ mặt) làm nhiệm vụ cánh giàn chịu trọng lượng Cho nên mặt cường độ cần phải có độ dự trữ định Do chọn kích thước dầm chính, ta coi chưa có mặt tham gia chịu lực tiến hành tính tốn bình thường dầm có hai trục đối xứng Sau ghép thêm mặt kiểm tra lại cường độ vừa trình bày thỏa mãn yêu cầu  max  0,85R u - Thay đổi tiết diện dầm – Để tiết kiệm thép để giảm bớt bề rộng rãnh van, đề nghị dùng dầm có chiều cao thay đổi Nói chung điểm đổi tiết diện cách gối dầm đoạn L/6 lợi nhất, cửa van yêu cầu giàn ngang nằm phần dầm khơng thay đổi tiết diện, nên điểm đổi tiết diện vị trí giàn ngang hai đầu hình Hình – Dầm thay đổi tiết diện theo nhịp Chiều cao tiết diện gối dầm thường lấy ho=(0,5 ÷ 0,6)h, h chiều cao tiết diện dầm nhịp - Kiểm tra ứng suất tiếp – Kiểm tra ứng suất tiếp tiết diện đầu dầm theo công thức:  max  Q max S ox  Rc J ox  b đó: J ox - mơmen qn tính tiết diện đầu dầm S ox - mômen tĩnh tiết diện đầu dầm - Kiểm tra độ võng – Khi kiểm tra độ võng cần xét tới dầm thay đổi tiết diện:   f L3 1  q c  p c   L 384 EJ n o 600 đó: = 0,8 - Tính liên kết cánh bụng dầm – Chiều cao đường hàn xác định theo công thức sau: hh  Q max Soc 1   h  b h o h Jx 1,4R g đó: J ox - mơmen qn tính tiết diện đầu dầm S oc - mômen tĩnh cánh tiết diện đầu dầm trục trung hòa R gh - cường độ đường hàn góc b – chiều dày bụng dầm - Kiểm tra ổn định cục bụng dầm – Thanh cánh thượng giàn ngang nối với bụng dầm chính, nên truyền lực tập trung vào bụng dầm chính, vị trí nối tiếp bụng dầm cánh thượng giàn ngang, bụng dầm cần tăng cường sườn đứng hình Nếu khoảng cách sườn lớn 2hb cần đặt thêm sườn vào khoảng sườn đứng Sau đặt sườn đứng bụng dầm khơng có lực tập trung, ta tiến hành kiểm tra ổn định cục ô bụng dầm theo công thức sau:  b    th   b       th     c  đó: b - ứng suất nén vị trí tiếp giáp bụng cánh b - ứng suất tiếp trung bình bụng dầm  th - ứng suất pháp tới hạn tính theo công thức sau:  100 b  th  k o   ho   10  (daN/cm2) trường hợp cánh dầm hàn chặt vào mặt nên giá trị k o lấy 7,46 trường hợp lấy ho hai lần khoảng cách từ trục trung hòa tới mép chịu nén bụng dầm th - ứng suất tiếp tới hạn tính theo cơng thức sau:  0,95  100 b   th  1,25    10   d   (daN/cm2) Đối với ô bụng thứ thứ hai (kể từ đầu dầm) xem hình có dạng hình thang, kiểm tra coi chữ nhật có chiều cao chiều cao hình thang 4) Tính tốn giàn ngang Hình thức giàn ngang xem hình 7, giàn ngang chịu áp lực nước dầm phụ ngang mặt truyền tới truyền lên dầm Vậy dầm gối tựa giàn ngang Bề rộng tải trọng mà giàn ngang phải chịu khoảng cách B hai giàn ngang Tổng áp lực nước mà giàn ngang phải chịu tích số hợp lực biểu đồ áp lực nước hình tam giác với bề rộng tải trọng B (hình 7a) Hình – Sơ đồ tính tốn giàn ngang Tính giàn ngang theo bước sau đây: - Vẽ sơ đồ giàn ngang xác định chiều dài hình học chúng h1, h2, h3, 39 2) Tính nội lực giàn chịu trọng lương - Mơ hình hóa giàn chịu trọng lượng thân van mặt phẳng XZ với Y=0 gán tải trọng vào nút giàn với nút Pm= 22,03kN hai nút hai đầu giàn 0,5Pm=11,03kN hình 35a - Giả thiết nối khớp với tính nội lực giàn giải tích, cần gán liên kết khớp đầu giàn từ menu Assign > Frames > Releases > Chọn độ cứng xoay đầu i j (M3i=M3j=0) - Cho chạy chương trình hiển thị kết tính tốn lực dọc cho hình 35b bảng 11 Mã phần tử giàn cho hình 35a Hình 35 – Sơ đồ tính tốn biểu đồ lực dọc giàn chịu trọng lượng - Từ bảng 11 hình 35b cho thấy xiên 13 đầu giàn trọng lượng chịu lực kéo lớn có giá trị N13= 49,46kN, cánh hạ 10 chịu kéo N10=35,299kN, bụng đứng 14 chịu nén N14= -34,65kN Bảng 11 Nội lực giàn trọng lượng thân van 3) Tính nội lực trụ biên - Mơ hình hóa trụ biên cửa van mặt phẳng XZ với Y=0 hình 36a - Tải trọng tác dụng vào trụ biên gồm hai phần, phần thứ mặt dầm phụ ngang đầu van trực tiếp truyền lên trụ bên dạng lực phân bố có bề rộng tải trọng 0,5B=1,375m sinh uốn cục trụ biên biểu diễn hình 36b, phần thứ hai hai dầm truyền đến trụ biên dạng lực tập trung với bề rộng tải trọng lại 1,5B=4,125m áp lực nước Trường hợp bánh xe chịu lực đặt sau vị trí dầm tải trọng không sinh uốn trụ biên 40 - Sơ đồ tính tốn uốn cục trụ biên áp lực nước từ dầm phụ mặt truyền đến có cường độ đáy trụ q=nHtB/2 =1,2×10×5,5×2,75/2=90,75kN/m thể hình 36a Mơmen uốn cục cánh thượng trụ biên cho bảng 12, biểu đồ mômen uốn phản lực gối tựa tương ứng cho hình 36b, c d, mơmen uốn lớn vị trí bánh xe Mmax= 33,459kNm, a) Hình 36 - Sơ đồ tính tốn trụ biên Tải trọng tập trung tính tốn tác dụng lên bánh xe chịu lực cho hình 36d bảng 13, bánh xe chịu lực lớn bánh xe chút Bánh xe chịu lực nén PA  492,96kN bánh xe chịu lực nén PB  505,29kN Bảng 12 Mômen uốn cục trụ biên Kết tính tốn lực tác dụng lên bánh xe chịu lực trùng khớp với lời giải giải tích, tải trọng tiêu chuẩn lớn tác dụng lên bánh xe chịu lực: Pxc  Px 505,29   421,07 kN n 1,2 Khi dùng phần mềm SAP2000 để tính tốn kết cấu giàn khơng cần chuyển tải trọng phân bố tải trọng tập trung mắt giàn, không cần đưa vào giả thiết đơn giản hóa coi giàn nối với khớp đưa toán siêu tĩnh toán tĩnh định, nên kết tính tốn phản ánh trạng thái chịu lực tế phận cửa van 41 Bảng 13 Lực tác dụng lên bánh xe chịu lực Chú thích: Trong bảng 13 cột nút ứng với bánh xe dưới, nút ứng với bánh xe trên, cột ghi 0,5B, 1,5B, 2B bề rộng áp lực nước tính tốn III TÍNH TỐN KẾT CẤU VAN THEO BÀI TỐN KHƠNG GIAN 3.1 Khái qt tốn khơng gian Kết cấu cửa van phẳng kết cấu không gian chịu áp lực nước, trọng lượng thân nhiều tải khác Khi phân tích nội lực biến dạng cửa van theo hệ phẳng không phản ảnh tác dụng tương hỗ cấu kiện toàn kết cấu cửa van, nên kết thu khơng phản ánh tình trạng làm việc thực tế kết cấu, độ tin cậy bị hạn chế Vì việc phân tích cửa van phẳng theo tốn khơng gian cần thiết, đảm bảo tính làm việc thực tế kết tính tốn có độ xác cao Hai trạng thái cửa van cần xem xét, trường hợp cửa van nằm ngưỡng trường hợp vừa rời khỏi ngưỡng Hiện có nhiều phần mềm tính tốn kết cấu SAP (Structural Analysis Program), ANSYS,…Với cửa van, kết cấu chủ yếu nên sử dụng phần mềm SAP phù hợp Việc xác định trọng lương thân cửa van vị trí trọng tâm khơng cịn khó khăn Dưới trình bày cách tính tốn kết cấu cửa van theo tốn khơng gian phần mềm SAP2000 Version 14 3.2 Thiết lập mơ hình tính a) Số liệu tính tốn Xác định nội lực, ứng suất chuyển vị phận cửa van phẳng Ví dụ theo tốn khơng gian phần mềm SAP2000 Version 14 b/ Mơ hình hóa kết cấu cửa van phẳng - Bản mặt, dầm chính, trụ biên mơ hình hóa phần tử Shell, dầm phụ dọc , giàn ngang giàn chịu trọng lượng mơ hình hóa phần tử Frame Chọn hệ đơn vị: kN, m - Tạo hệ lưới: Trong măt phẳng XZ với Y=0 tao hệ lưới có X1=0, X2=1,12, Z1=0 Z2=5.8 - Định nghĩa vật liệu Các cấu kiện van dùng thép CT38 có trọng ương riêng 78kN/m3, mơđun đan hồi E=2,1×108kN/m2, hệ số Poisson 0,3 42 - Định nghĩa mặt: Bản mặt BM mơ hình hóa phần tử Shell có chiều dày 0,008m - Định nghĩa dầm phụ: Dầm phụ dọc DF tiết diện chữ CNo18 đặt úp có kích thước h=0,18m, b=0,07m, t=0,0051m, d=0,0087m mơ hình hóa phần tử Frame Bản mắt giàn có chiều dày 8mm - Định nghĩa tiết diện giàn ngang: Cánh thượng giàn ngang GN-T có tiết diện chữ I ghép thép CNo18 , cánh hạ bụng GN-G tiết diện chữ T ghép hai théo góc cạnh 2L63×6 mơ hình hóa phần tử Frame - Định nghĩa tiết diện giàn chịu trọng lượng: Thanh xiên GTL-TX giàn chịu trọng lượng thép góc đơn L63×6 mơ hình hóa phần tử Frame - Mơ hình hóa dầm chính: Dầm mơ hình hóa phần tử Shell, mặt phẳng XZ với Y=0, cao trình Z=0.5, dùng chức Draw Special Joint vẽ điểm đầu điểm cuối bụng Dùng chức Draw Frame vẽ tiết diện ngang bụng dầm chia thành phần tử 0,28×4=1.12m Chọn bụng dùng chức Edit > Extrude Lines to Areas với dy=0.6875, number =16 gán DC-B, ta có bụng dầm Vào mặt phẳng XY với Z=0.5 sửa bụng cho phù hợp với dầm có tiết diện thay đổi hình 37 Thực tương tự gán DC-T ta có cánh thượng dầm Hình 37 – Mơ hình hóa bụng dầm Dùng chức Draw Frame vẽ đường biên cánh hạ dầm chính, dùng chức Extrude Line to Areas theo phương Z với dz=0,125 gán DC-H, number = 1, ta có nửa cánh hạ dầm chính, sau dùng chức nhân với dz=-0.125 ta có nửa cánh hạ dầm Nhân thêm dầm với dz=2,7m - Mơ hình hóa dầm phụ dọc: Trong mặt phẳng XZ với Y= -0.20 dùng chức Draw Special Joint vẽ điểm định vị vị trí dầm phụ, sau sử dụng chức Edit > Extrude > Extrude Points to Frames với dy= 0,2m, number=1 gán DF cho phần tử dầm đầu tiên, tiếp tục thực hiên cho 16 phần tử dầm với dy=0.6875, phần tử dầm cuối với dy=0.2 Theo mặc định SAP2000 tiết diện dầm phụ có vị trí hình 38a, thực tế dầm phụ kết cấu cửa van có vị trí hình 38c Vì phải sử dụng chức Assign > Frame > Local Axes > Angle in Degrees -900 > OK để xoay tiết diện vị trí hình 38b Sau chọn tồn dầm phụ dọc dùng tiếp chức Assign > Frame > Insertion Point, chọn Cardinal Point (Top Center) để đưa tiết diện nằm sát mặt vị thực hình 38c - Mơ hình hóa giàn ngang: Trong mặt phẳng XZ với Y=2.75, tạo thêm nút hai 43 dầm chính, nút dầm dầm đỉnh, sau dùng chức Draw Frame vẽ gán GN-T cho cánh thượng, dùng chức Insertion Point với Cardinal Point (Bottom Center) đưa cánh dầm chữ I tiếp giáp với mặt dầm phụ dọc Tiếp tục vẽ gán GN-B cho cánh hạ bụng giàn ngang Nhân thêm hai giàn ngang theo phương Y với dy=2.75 Hình 38 – Mơ hình hóa dầm phụ dọc - Mơ hình hóa mặt: Trong mặt phẳng XZ với Y=0, dùng chức Draw Frame vẽ mặt cắt ngang từ lên trên, sau dùng chức Extrude Frames to Areas theo phương Y với dy=0,6875, number=16 gán BM - Mơ hình hóa trụ biên: Trước hết mơ hình hóa cánh thượng trụ biên, mặt phẳng YZ với X=0, chọn vừa tạo mặt dùng chức Extrude Lines to Areas theo phương Y với dy=-0.2, number=2 gán TB-T, ta có cánh thượng trụ biên Vào mặt phẳng XZ với Y=-0.2, dựa vào điểm nút cánh thượng tạo thêm nút cánh hạ, dùng chức Draw Area vẽ phần tử bụng trụ biên TB-B chia thành phần tử theo phương X hình 39b Tiếp theo mơ hình hóa cánh hạ trụ biên TB-H tương tự mơ hình hóa cánh hạ dầm Chọn nhân thêm trụ biên theo phương Y với dy=11.4 - Mơ hình hóa giàn chịu trọng lương: Giàn trọng lượng có dạng gấp khúc theo mặt phẳng cánh hạ dầm nên cần vẽ xiên 3D gán tiết diện GTL-TX Cửa van mơ hình hóa theo tốn khơng gian biểu diễn hình 39a Hình 39 – Mơ hình hóa van phẳng theo mơ hình khơng gian 44 c/ Gán tải trọng áp lực nước Sử dụng menu Asign > Area Loads > Surface Pressure để gán trực tiếp áp lực nước lên phần tử mặt thông qua Joint Patterns Cột nước trước cửa van cao 5,5m áp lực nước truyền vào mặt thông qua nút Tải trọng nút gán với giá trị: P=CZ+D với C=-10, D=55 Phổ mầu áp lực nước thể hình 40 Hình 40 - Biểu đồ áp lực thủy tĩnh Tổ hợp tải trọng: Tải trọng tác dụng lên cửa van có áp lực nước (ALN) trọng lượng thân van (DEAD), ta xét tổ hợp tải trọng sau: - Khi tính tốn biến dạng: TH1=DEAD + ALN - Khi tính tốn cường độ: TH2=1.1DEAD+1,2ALN d/ Trường hợp cửa van nằm ngưỡng Gán điều kiện biên cho trường hợp van nằm ngưỡng Cho chạy chương trình Analyze > Set Load Cases to Run > Run Now - Kiểm tra mô hình tính tốn Phản lực liên kết ngang vị trí bốn bánh xe chịu lực áp lực nước sinh cho bảng 14 Bảng 14 Phản lực bánh xe chịu lưc áp lực nước Từ bảng cho thấy phản lực bốn gối tựa hai bên trụ biên hoàn toàn đối xứng tổng phản lực gối tựa P=1663,75kN tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van: 45 P 10  5,5  11 H t B   1663,75kN 2 Trọng lượng thân van (DEAD) sinh phản lực thẳng đứng gối tựa tiếp giáp với ngưỡng cho bảng 15 Tổng phản lực trọng lượng phần động cửa van chưa kể tới cụm bánh xe, vật chắn nước thiết bị treo, từ bảng cho thấy phản lực đối xứng Qua kết tính tốn phản lực liên kết đứng ngang áp nước trọng lượng thân cho thấy phản lực liên kết đối xứng, nên mơ hình tính tốn có độ xác đủ tin cậy Bảng 15 Phản lực gối tựa đứng đáy van trọng lượng thân - Kết tính toán mặt Phổ mầu chuyển vị mặt tổ hợp tải trọng TH1 biểu diễn hình 41 bảng 16 cho giá trị chuyển vị số điểm nút mặt cắt A-A mặt Từ bảng hình 41 cho thấy chuyển vị theo phương dòng chảy lớn nút 349 có U1= 0,013097m Nút 349 mặt cắt A-A định vị hình 41 Hình 41 – Phổ mầu chuyển vị mặt tổ hợp lực TH1 Phổ mầu ứng suất S22 mặt tổ hợp tải trọng TH2 sinh cho hình 42 bảng 17 Từ bảng cho thấy ứng suất theo phương dọc theo phương đứng có giá trị lớn phần tử 588 572, nút 770 phần tử 588 572 có ứng suất trung bình 46 lớn S22=7077,69 kN/m2 Phần tử 572, phần tử 588 phần tử 572 định vị hình 42 Bảng 16 Chuyển vị số nút mặt cắt A-A mặt Hình 42 - Phổ ứng suất S22 mặt tổ hợp tải trọng TH2 Bảng 17 Ứng suất số phần tử mặt (TH2) - Kết tính tốn dầm Phổ mầu chuyển vị dầm dầm tổ hợp tải trọng TH1 sinh cho hình 43a b Ứng suất S22 bụng dầm chinh tổ 47 hợp tải trọng TH2 sinh cho hình 43c d Chuyển vị nhịp dầm cho bảng 18 Từ hình 43 bảng 18 cho thấy dầm chịu tải trọng lớn dầm Hình 43 – Phổ mầu chuyển vị ứng suất S22 bụng dầm Bảng 18 Chuyển vị nhịp dầm (nút 112) (nút 272) Phổ mầu ứng suất S11 cánh hạ dầm cho hình 44a, b bảng 19 Hình 44 – Phổ mầu ứng suất S11 cánh dầm (TH2) 48 Bảng 19 Ứng suất cánh hạ dầm dứoi Chú thích: Phần tử 257 273 thuộc dầm dưới, phần tử 125, 141 thuộc dầm - Kết tính tốn giàn ngang (G2) Chuyển vị giàn ngang G2 cho bảng 20 hình 45a, từ bảng hình cho biết chuyển vị nút 424 đỉnh giàn ngng tổ hợp tải trọng TH1 có chuyển vị theo phương dòng chảy U1 = 0077m, chuyển vị ngang lớn nút 360 có U1=0,00967m Vị trí nút định vị hình 45d Bảng 20 Chuyển vị nút giàn ngang G2 Hình 45 – Biểu đồ chuyển vị TH1 nội lực giàn ngang (G2) TH2 49 Biểu đồ lực dọc mômen uốn giàn tổ hợp tải trọng TH2 cho hình 46b, c bảng 21 Nội lực xiên hai dầm có lực dọc lớn P=-150,980kN, mơmen uốn lớn cánh thượng có M3 = -17,28kNm Mã nút mã giàn định vị hình 36d Bảng 21 Nội lực số giàn ngang G2 d/ Trường hợp cửa van vừa rời khỏi ngưỡng cống Gán điều kiện biên cho trường hợp van vừa rời khỏi ngưỡng, liên kết ngang vị trí bánh xe chịu lực, cịn hai liên kết đứng vị trí xy lanh kéo van Ngồi áp lực nước trọng lượng thân, cịn có lực hút chân không vật chắn nước đáy, lực ma sát vật chắn nước hai bên lực ma sát bốn bánh xe chịu lực Lực hút vật chắn nước đáy: Phc = phb=6×0,18 = 1,08kN/m Lực ma sát vật chắn nước bên: Fcc =fcbcHtb= 0,5×0.05×10×5,5/2=0.688kN/m Lực ma sát trượt bánh xe: Fxc = 78,1/(1,2×2)=32,54kN (xem trang 33 – Tính trụ biên) Gán Phc vào dầm đáy, gán Fcc thông qua truyền lực có kích thước nhỏ hai đầu mặt gán Fxc vào điểm đặt gối tựa ngang Cho chạy chương trình Analyze > Set Load Cases to Run > Run Now > OK Hiển thị kết qủa tính tốn: - Lực nâng van Lực nâng cần thiết để kéo cửa van rời khỏi ngưỡng cho bảng 22 ứng với tổ hợp tải TH3  1,1G c  1,2(Txc  Tcc )  Phc : T=338,68kN Bảng 22 Lực kéo can 50 - Nội lực trụ biên Nội lực trụ biên mặt cắt MC1 MC2 cho bảng 23, mặt cắt MC1 MC2 định vị hình 46a Ứng suất S22 cánh thượng, bụng cánh hạ trụ biên tổ hợp tải tronhj TH3 cho hình 47b, c d Bảng 23 Nội lực trụ biên mặt cắt MC1 MC2 Hình 46 – Phổ mầu ứng suất S22 trụ biên TH3 51 IV SỐ LIỆU BÀI TẬP LỚN CỬA VAN PHẲNG - Cửa van phẳng thuộc nhóm - Chiều rộng lỗ cống Lo(m) - Chiều cao cửa van h(m) - Cao trình đáy cống + 0.00 - Chiều cao cột nước thượng lưu: Số liệu A: H=h – 0,20m; Số liệu B: H=h; Số liệu C: H=h – 0,30m; Số liệu D: H=h – 0,10m - Hạ lưu khơng có nước - Cửa van hai dầm loại dầm - Giàn ngang kiểu giàn - Vật chắn nước gỗ, vật chắn nước hai bên băng cao su dạng chữ P - Vật liệu chế tạo phận động thép CT3, bánh xe chịu lực thép đúc CT35đ, trục bánh xe thép CT5, ống bọc trụ đồng - Liên kết hàn - Cống bê tông số hiệu 170 Đề số (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) Lo(m) 10 10 10 10,5 10,5 10,5 11 11 11 11,5 h(m) 5,5 5,5 5,5 5 10 Sinh viên 21 41 61 Đề số (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) Lo(m) 11,5 11,5 12 12 12 12 12,5 12,5 12,5 12,5 h(m) 5,5 5,5 5,2 5,5 5,7 6,2 Sinh viên 11 Nam 31 Hà 51 Hương 71 Lan Chú thích: - Mỗi sinh viên đề số liệu, tên sinh viên hàng bảng số liệu làm đề A, đề B, C, D (sinh viên Nam đề 15A, sinh viên Hà đề 15B, sinh viên Hương đề 15C, sinh viên Lan đề 15D) - Sinh viên tự chọn phương pháp giải theo toán phẳng hay theo toán khơng gian, tính theo tốn phẳng tính tay hay dùng phần mềm SAP2000 - Khi giải theo toán phẳng dùng phần mềm SAP2000 khơng cần đưa vào giả thiết giàn nối với khớp, tính tay 52 PHỤ LỤC Bảng PL.1 Cường độ tính tốn R (daN/cm2) dùng để chế tạo kết cấu phận động cửa van ứng với tổ hợp tải trọng nhân với hệ số độ tin Ký hiệu cường độ tính tốn Loại ứng suất Thép Liên kết hàn Ứng suất pháp kéo, nén R Ứng suất pháp uốn Thép CT3 chiều dày thép cán định hình  20mm thép  40mm cửa van thuộc Nhóm ÷ Nhóm Rh 1490 1680 Ru R hu 1565 1760 Ứng suất pháp uốn Rc R ch 895 1010 Ứng suất ép cục Rcb - 2230 2510 - R gh 1045 1175 Cường độ đường hàn góc Bảng PL.2 Ứng suất cho phép chi tiết máy cửa van làm thép rèn hay thép cán (daN/cm2) Số hiệu thép Loại ứng suất CT3 Ký hiệu CT5 Cơ Cơ phụ Cơ Cơ phụ Ứng suất pháp kéo, nén, uốn [] 1000 1100 1200 1350 Ứng suất tiếp [] 650 700 750 850 Ứng suất ép cục []cb 1500 1650 1300 2000 Ứng suất kéo lỗ nhỏ []l 1200 1400 1450 1700 []cbt 800 900 950 110 Ứng suất ép cục tiếp súc khít Bảng PL.4 Ứng suất nén cho phép bê tông (daN/cm2) Số hiệu bê tông 170 300 Cơ Cơ phụ Cơ Cơ phụ 55 60 87 95 53 Bảng PL.3 Ứng suất cho phép chi tiết khí làm thép đúc ứng với tổ hợp tải trọng (daN/cm2) Loại ứng suất Ký hiệu Số hiệu thép CT35đ CT45đ Ứng suất pháp kéo, nén, uốn [] 1200 1500 Ứng suất tiếp [] 900 1150 Ứng suất ép cục []cb 1800 2200 Ứng suất ép cục tiếp súc khít []cbt 950 1200 []ncl 50 60 Ứng suất nén theo đường kính lăn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Thành Hải, Trương Quốc Bình, Vũ Hồng Hưng Giáo trình Kết cấu thép, NXB Xây dựng, 2006 [2] Đỗ Văn Hứa, Vũ Hoàng Hưng Cửa van thiết bị đóng mở cơng trình thủy lợi thủy điện, NXB KHKT, 2014 [3] Vũ Hồng Hưng (chủ biên) nnk SAP2000 – Phân tích kết cấu cơng trình thủy lợi thủy điện, NXB Xây dựng, 2012 Ngày tháng năm 2014 Người biên soạn TS Vũ Hồng Hưng Bộ mơn Kết cấu cơng trình ... I KẾT CẤU CỬA VAN PHẲNG II TÍNH TỐN KẾT CẤU CỦA VAN THEO HỆ PHẲNG 2.1 Nội dung yêu cầu tính tốn 2.2 Phương pháp tính tốn 2.3 Bố trí tổng thể kết cấu van 2.4 Tính tốn phận kết cấu van theo hệ phẳng. .. I KẾT CẤU CỬA VAN PHẲNG Cửa van có mặt trực tiếp chịu áp lực nước mặt phẳng hay mặt cong đóng mở chuyển động thẳng mặt phẳng rãnh van gọi cửa van phẳng Của van phẳng chia thành hai loại cửa van. .. Bánh xe chịu lực, bánh xe bên bánh xe ngược hướng, Vật chắn nước, thể hình hình Hình – Kết cấu cửa van phẳng Hình - Hinh vẽ phối cảnh cửa van phẳng II TÍNH TỐN KẾT CẤU VAN THEO HỆ PHẲNG 2.1 Nội dung