Kiểm tra cường độ: Cần tiến hành kiểm tra ứng suất uốn, ứng suất cắt đối với các cấu kiện chịu tải và liên kết của các cấu kiện. Nơi chịu ứng suất pháp và ứng suất
tiếp khá lớn cần phải kiểm tra ứng suất tương đương. Giá trị ứng suất lớn nhất tính toán không được vượt quá cường độ tính toán của vật liệu.
Kiểm tra độ cứng: Tính độ võng theo trạng thái giới hạn sử dụng lấy tất cả các hệ số tải trọng bằng 1.0, độ võng tương đối của cấu kiện chịu uốn không được vượt quá giới hạn giới đây:
Dầm chính của cửa van dưới sâu gồm cửa van công tác và cửa van sự cố: f/L 1/1.000
Dầm chính cửa van công tác và cửa van sự cố trên mặt: f/L 1/600 Dầm chính cửa van kiểm tra: f/L 1/500
Dầm phụ: f/l L/250
Kiểm tra ổn định: Đối với cấu kiện chịu uốn, chịu nén và chịu nén lệch tâm cần kiểm tra ổn định tổng thể và ổn định cục bộ.
Độ mảnh: Độ mảnh của cấu kiện chịu lực dọc không được vượt quá giá trị giới đây:
Độ mảnh của cấu kiện chịu nén:
Cấu kiện chủ yếu 120
Cấu kiện phụ 200
Cấu kiện thứ yếu 150
Độ mảnh của cấu kiện chịu kéo:
Cấu kiện chủ yếu 200
Cấu kiện thứ yếu 250
3.6. Tính toán cửa van cung hai khung chính càng thẳng.
3.6.1. Số liệu tính toán.
Kết cấu cửa van cung cho ở hình
Vật liệu thép CT38 có E = 2,1 108 kN/m2, = 0,3, trọng lượng riêng = 78 kN/m3.
Cao trình tâm quay 7,9m.
Cao trình mực nước thượng lưu 15,12m. Nhịp tải trọng Lt = 15m.
Khoảng cách giữa hai gối bản lề L = 13,8m. Bán kính bản mặt van R = 16m.
Chiều dày bản mặt 20mm.
Dầm phụ dọc tiết diện chữ: h = 30cm, bc = 10cm, tc = 1,1cm, tb = 0,65cm, các dầm phụ dọc đặt úp và có bản bụng theo phương bán kính của bản mặt.
Dầm đứng trong nhịp van tiết diện chữ T cánh phía hạ lưu, có chiều cao thay đổi, tại đỉnh và đáy bằng chiều cao dầm phụ ngang, tại vị trí dầm chính bằng chiều cao dầm chính, bản bụng bằng thép bản dày 20mm, bản cánh rộng 300mm, dày 30mm, các dầm đứng ở giữa cách nhau 2,5m.
Dầm đứng hai đầu van dung tiết diện chữ C có h = 600mm, bc = 300mm, tc = 20mm, tb = 10mm, không thay đổi theo chiều cao, đặt quay về phía trong nhịp.
Dầm chính tiết diện chữ I có h = 600mm, bc = 500mm, tc = 30mm, tb = 20mm, phần công xon của dầm chính dài 2,5mm, chiều cao dầm đoạn công xon biến đổi tuyến tính, tiết diện đầu công xon có kích thước h = 600mm, bc = 500mm, tc = 30mm, tb = 20mm.
Chân khung chính tiết diện chữ I có h = 600mm, bc = 500mm, tc = 30mm, tb = 20mm.
Thanh giằng của càng van và các thanh giàn biên dùng có h = 400mm, bc = 155mm, tc = 13mm, tb = 8mm.
Hình 3.1. Sơ đồ kết cấu van
3.6.2. Tính toán khung chính và càng van cung theo hệ phẳng bằng phƣơng pháp giải tích. giải tích.
3.6.2.1. Tính toán áp lực nƣớc tác dụng lên cửa van trên mặt.
Thành phần ngang của áp lực nước Png của cửa van trên mặt: Png = = = 17146,08 kN/m
Thành phần đứng của áp lực nước Pđ của cửa van: ( ( )) = ( ( )) = 3324,21 kN/m Trong đó: sin = = = -0,45125 = -0,4682radian = -26o49’ ; sin 2 = -0,8054 sin = = 0,49375 = 0,5164radian = 29o35’ cos = 0,8696 sin 2 = 0,8587 = = 0,5164r + 0,4682r = 0,9846r Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van cung:
P = √ √ = 17465,35 kN/m
Góc giữa phương của hợp lực P và đường nằm ngang:
3.6.2.2. Tính toán áp lực nƣớc tác dụng lên khung chính.
Sơ đồ tính toán lực tác dụng lên khung chính cho như hình, lực tác dụng lên khung chính trên được xác định theo công thức.
Hình 3.2. Sơ đồ tính toán lực tác dụng lên khung chính
Góc giữa phương của khung chính trên và đường nằm ngang: = 2,06o
Góc giữa phương của khung chính dưới và đường nằm ngang: = -21,21o
Góc giữa phương của khung chính trên và phương hợp lực P: = 10o58’ + 2,06o = 13o2’
Cos = 0,974 2 sin = 0,2255
Góc giữa phương của khung chính dưới và phương hợp lực P:
Cos = 0,984 sin = 0,1779
Tổng áp lực nước tác dụng lên khung chính trên qt và lên khung chính dưới qd:
qt = ( ) = 7862 kN/m qd = = 9965 kN/m
3.6.2.3. Tính toán nội lực khung chính
Tiết diện dầm chính có xét tới bản mặt cùng tham gia chịu lực có bề rộng bằng: b = bc +50 = 50 + 50.3 = 200cm
Đặc trưng hình học của tiết diện dầm chính: Io = = 270144 cm4 So = = 405216 cm3 Ao = 50.60 – 54.48 = 408 cm2
Đặc trưng hình học của tiết diện tính toán của dầm chính: A = 408 + (50 +50.1).1 = 508 cm2 Sxo = 200.1.30,5 = 6100 cm3 yC = = 14,95 cm y1 = 30 + 14,95 = 44,95 cm y2 = 61 – 44,95 = 16,05 cm Ix = 270144 + 408.14,953 + 200. + 200.( 16,05 – 1)2 = 1637951,566 cm3
= 36439,41 cm3
= 102053,06 cm3
Sx = = 8277,30 cm3 Đặc trưng hình học của tiết diện cột:
Ix = = 270144 cm4 Wx = = 9004,8 cm3 Iy = = 62536 cm4 A = 2.3.50 + 54.2 = 408 cm2 rx = √ √ = 25,73 cm ry = √ √ = 12,38 cm
Sơ đồ tính toán khung chính được biểu diễn trên hình, chiều cao tính toán của khung bằng khoảng cách từ trọng tâm tiết diện dầm chính tới gối bản lề:
Lt b a a H H N N q(kN/m) c c B Jd c Jc Jc M Md MBA MC MBC MCB(kNm) MC MCD c h A D
Hình 3.3. Sơ đồ tính toán và biểu đồ moment uốn
Nội lực khung chính được tính theo công thức:
MBA = MCD = - ( ) ( ) = - ( ) ( ) = - 467,3 kNm Trong đó: k = = = 9,6 MBC = MCB = MBA - = -467,3 - = -2542,3 kNm Md = + MBC = – 2542,3 = 2991 kNm Phản lực gối tựa của khung chính được tính theo công thức:
H = =
= 626,9 kN
3.6.2.4. Tính toán nội lực càng van cung.
Sơ đồ tính toán nội lực càng van do trọng lượng bản thân van cho như hình. Tọa độ điểm đặt pis tong vào van A (-12,9; -8,6), góc tọa độ tại tâm gối bản lề. Lực kéo T có phương nghiêng với đường thẳng đứng một góc = 25o. Giá trị các góc = 65o; = 26,30o; = = 38,7o; = 2,06o; = 21,21o. Trọng lượng phần động cửa van cung G = 1143,602 kN.
Nd Nt Ry Rx Rx Ry o(0;0) A(-12,9;-8,6) G/4 G/4 65° 25°
Hình 3.4. Sơ đồ tính toán nội lực càng van Lực kéo van và lực dọc trong thanh cánh càng van
Lực kéo van T: T = ( ) = ( ) = 354,37 kN Trong đó: a = R - ho = 15 – 2,1 = 12,9 m ̅̅̅̅ = 15,5.0,6252 = 9,69 m Thành phần phản lực ngang Rx và đứng Ry của gối bản lề:
Ry = = = 250,74 kN
Lực dọc trong cánh trên Nt và thanh cánh dưới Nd của càng van:
Nt =
= -877,9 kN
Nd =
= -780,28 kN
Kiểm tra về cƣờng độ và độ cứng của dầm chính
Ứng suất pháp tại mặt cắt giữa dầm:
= 820,8 daN/cm2 = 1565 daN/cm2 Ứng suất tiếp tại mặt cắt gối dầm:
= 838,9 daN/cm2 = 895 daN/cm2 Độ võng tương đối tại mặt cắt giữa dầm:
( )
( )
Kiểm tra ổn định của chân khung chính.
Tổng lực nén trong chân khung dưới do áp lực nước và do trọng lượng bản thân van:
N* = N*kc + N*cv = 4980 + 780,28 = 5760,28 kN
Hệ số chiều dài tính toán của chân khung đối với trục x tra bảng có = 2,0 Chiều dài tính của chân khung đối với trục x:
Độ mảnh của chân khung đối với trục x:
Độ lệch tâm tương đối với trục x:
mx = ( )
Độ lệch tâm tính đổi đối với trục x: m1 = = 1,14.0,367 = 0,4
Trong đó: = 1,45 – 0,003.103,12 = 1,14
Hệ số giảm khả năng chịu lực của cột chịu nén lệch tâm đối với trục x:
( ) = 0,648 ứng với m1 = 0,4 và = 103,12 (tra bảng 5.8 Tài Liệu Kết Cấu Thép).
Kiểm tra độ ổn định của chân khung đối với trục x ( trong mặt phẳng của khung):
= 2178 daN/cm2 < f = 2300 daN/cm2
Chiều dài tính toán của chân khung đối với trục y ( trục y thẳng góc với trục x ): Loy = 3,26m
Độ mảnh của chân khung đối với trục y:
( ) = 0,959 ứng với = 26,3 Hệ số ảnh hưởng của mômen uốn:
( )
Trong đó: có và .
Kiểm tra độ ổn định của chân khung đối với trục y (ngoài mặt phẳng của khung):
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG CỬA VAN CUNG
4.1. Các bộ phận chính của cửa van
Cửa van hình cung có hai bộ phận chính là bộ phận cố định. Bộ phận đông gồm các bộ phận sau.
Bản mặt trực tiếp đỡ áp lực nước và truyền tải trọng lên ô dầm.
Ô dầm được tạo bởi các dầm phụ đứng và dọc, có tác dụng đỡ bản mặt và truyền tải trọng lên dầm đứng.
Dầm đứng đỡ tải trọng từ ô dầm và truyền tải trọng lên dầm chính.
Khung chính hợp bởi dầm chính và chân van, đỡ toàn bộ áp lực nước tác dụng vào cửa van, rồi chuyển lên bộ phận cố định của công trình qua gối bản lề. Các chân khung chính thường được liên kết lại với nhau thành hệ giàn để tăng độ ổn định của chân khung chính, bộ phận này gọi là càng van.
Giàn chịu trọng lượng đặt ở phía sau dầm chính, chịu trọng lượng bản thân van và các tải trọng thẳng đứng khác, chuyền tải trọng dần đứng ở hai bên cửa van, thông qua càng van chuển lên gối bản lề.
Càng van được tạo bởi cá nhánh của chan khung chính, nó có tác dụng liên kết với các chân khung chính, chuyền áp lực nước và trọng lượng bản thân van qua gối bản lề vào bộ phận cố định của công trình.
Hình4.1 Kết cấu van cung
4.2. Phân tích nội lực kết cấu van cung theo bài toán không gian bằng SAP2000
Kết cấu van hình cung là một kết cấu không gian chịu áp lực nước và trọng lượng bản thân. Khi phân tích nội lực và biến dạng cửa van hình cung theo hệ phẳng không phản ánh được tác dụng qua lại giũa các bộ phận với nhau, nên kết quả tính toán thường thiên về lớn. Để phản ánh được trạng thái làm việc thực của cửa van, cần tính toán kết cấu cửa van theo bà toán không gian.
Bản mặt van có dạng mặt trụ tròn mỏng nên được mô hình hóa bằng các phần tử vỏ phảng mỏng. Dầm phụ dọc thường dùng mặt cắt chữ C, chữ I hoặc mặt cắt chữ nhật được mô hình hóa bằng phần tử Frames và sử dụng chức năng Insertion Point để dầm phụ dọc khi hiển thị dưới dạng Extrude View nằm ở phía trong hoặc ngoài bản mặt. Dammf đứng có thể dùng kiểu dầm hoặc kiểu giàn, do dầm đứng có mặt cắt thay đổi theo chiều cao nên thường mô hình hóa bảng bụng và bảng cánh dầm bằng các phần tử
Shell. Dầm chính thường dùng kiểu dầm, trong các cửa van lớn dầm định hình không đủ khả năng chịu lực, nên thường dùng dầm ghép được mô hình từ Frames hoặc được mô hình hóa bằng phần twr Shell. Chân khung chính van cung thường có mặt cắt chũ i và có hai mặt đối xứng, đối với cửa van nhỏ thường dùng thép chữ I định hình, đối với cửa van lớn thường dùng thép chữ I ghép dược mô hình hóa bằng phần tử Frames, trong trường hợp này cũng cần sử dụng chức năng Insertion Point. Các chân khung chính được liên kết với nhau bằng các thanh bụng dùng thép chữ C hoặc chữ I tạo thành càng van, để tăng khả năng chịu lực chân khung chính theo phương ngang của khung và cũng được mô hình hóa bằng các phần tử Frames.
Để các phần tử đồng quy tại các nút khi hiểm thị Extrude View không chồng lên nhau, cần ùng chức năng Insertion point thu ngắng phần chồng lên nhau của một số phần tử thanh và chọn chức năng không thay đổi độ cứng của các doạn này.
4.3. Số liệu tính toán
Vật liệu thép CT38 có E = 2.1*108, = 78KN/m3.
Nhịp tải trọng Lt = 15m, khoảng cách giũa hai gối bản lề L0=13.8m. Bán kính mặt van R= 16m, chiều dày bản mặt 20mm.
Dầm phụ dọc tiết diện chữ C:h= 30cm, bc =10cm, tc =1.1cm, tb =0.65cm.
Dầm đứng trong nhịp van tiết diện chữ T có đỉnh thay đổi có đỉnh và đáy bằng chiều cao dầm phụ ngang, tại vị trí dầm chính bằng độ cao dầm chính, bảng bụng bằng thép bảng dày 20mm, bảng cánh rộng 300mm, dày 30mm, các dầm đứng ở giữa cách nhau 2.5m.
Dầm đứng hai đầu van dùng tiết diện chữ C có H =600mm bc =300mm, tc =20mm, tb =10mm, không thay đổi theo chiều cao, đặt quay vào trong nhịp.
Dầm chính tiết diện chữ I có h =1400mm, bc =500mm, tc =30mm, tb =20mm, phần côn xon của dầm chính dài 2.5m, chiều cao đoạn côn xon biến đổi tuyến tính, tiết diện côn xon có kích thước h =600mm, bc=500mm, tc=30mm, tb=20mm.
Thanh giằng của càng van và các thanh giàn biên dùng I: có h=400mm, bc=155mm, tc=13mm, tb=8mm.
Hình 4.2 Vị trí dầm phụ dọc và dầm chính 4.4. Mô hình hóa kết cấu van và khai thác kết quả.
4.4.1. Mô hình hóa kết cấu van.
Chọn đơn vị kN,m.
Tạo hệ lưới: trong mặt phẳng XZ với y=0 tạo hệ lưới có A=0, B=15 và Z1=0, Z2=7.9, tạo điểm A từ menu Draw >Specion Point có X=0, Y=0, Z=7.9.
Định nghĩa vật liệu: Define >Materials >chọn Add New Material >nhập các số liệu thép CT38 có trọng lượng riêng 78kN/m3, môđun đàn hồi 2.1*108
kN/m2, hệ số Poisson=0.3 > OK.
Định nghĩa tiết diện dầm dọc và dầm đứng đầu van: Define >Section Properties Frames sections >Add New Property > chọn vật liệu Steel > chọn tiết diện chữ C (channal) >channal Section >Section Name: C30 >Material CT38 >
Demensions: Outside Depth: 0.3 Flange Thickness: 0.011 Outside Width: 0.1
Wep Thickness: 0.0065 >OK.
Xuất hiện bảng Frame Property >Add Copy of Property >Channal Section >nhập Section Name: C60 >Material: CT38 >
Demensions: Outside Depth: 0.6 Flange Thickness: 0.03 Outside Width: 0.3
Wep Thickness: 0.02 >OK.
Định nghĩa tiết diện thanh giằng và càng van: Add New Property > xuất hiện bảng Add Frames Section Property > chọn chi tiecs chữ I (I/Wide Flange) >xuất hiện bảng I/Wide flange section > nhập Section Name: TG > materrial: CT38 >
Demensions: Outside Height: 0.4
Bottom Flames Width: 0.155 Top Flames Width: 0.155 Wep Thickness: 0.008
Top Flange thickness: 0.013 >OK.
Xuất hiện bảng Frames Property > Add Copy of Property >I/Wide Flange Section >nhập Section Name: CV >Materion: CT38 >
Demensions: Outside Height: 0.6
Top Flange Thickness: 0.03 Bottom Flames Width: 0.5 Top Flames Width: 0.5 Wep Thickness: 0.02
Top Flange thickness: 0.03 >OK.
Định nghĩa tiếc diện dầm chính: Add New Property > xuất hiện bảng Add Frames Section Property > chọn chi tiecs chữ I (I/Wide Flange) >xuất hiện bảng I/Wide flange section > nhập Section Name: F1 > Materrial: CT38 >
Demensions: Outside Height: 1.4
Top Flange Thickness: 0.03 Bottom Flames Width: 0.5 Top Flames Width: 0.4 Wep Thickness: 0.02
Top Flange thickness: 0.03 >OK.
Xuất hiện bảng Frames Property > Add Copy of Property >I/Wide Flange Section >nhập Section Name: F2 >Materion: CT38 >
Demensions: Outside Height: 1
Top Flange Thickness: 0.03 Bottom Flames Width: 0.5 Top Flames Width: 0.4 Wep Thickness: 0.02
Top Flange thickness: 0.03 >OK.
Xuất hiện bảng Frames Property > Add Copy of Property >I/Wide Flange Section >nhập Section Name: F3 >Materion: CT38 >
Demensions: Outside Height: 0.6
Top Flange Thickness: 0.03 Bottom Flames Width: 0.5 Top Flames Width: 0.4 Wep Thickness: 0.02
Top Flange thickness: 0.03 >OK.
Định nghĩa tiếc diệng không lăng trụ của dầm chính: Define >Section Property >Flames Section >Flames Properties > Add New Property > chọn orther trong Flames Section Property Type (thay cho Steel) xuất hiện bảng Add Flame Section Property >