IV. Kết quả đạt được của luận văn:
3.3.3.2. Cỏc bước tớnh toỏn cửa van phẳng:
a. Lựa chọn vật liệu chế tạo:
- Kết cấu cửa van:
Đối với cụng trỡnh nằm trong vựng nước ngọt thỡ tớnh ụxy húa của thộp trong mụi trường sẽ chậm, đồng thời kết cấu cửa van cú sơn phủ kẽm và chống rỉ nờn dựng thộp CT3 hoặc loại tương đương để chế tạo cửa sẽ tiết kiệm được giỏ thành gia cụng.
Đối với cụng trỡnh nằm trong vựng biển hoặc vựng cú độ chua phốn lớn thỡ nờn dựng thộp inox loại SUS304 để chế tạo cửa vỡ đối với loại thộp này về húa học thỡ trơ trong mụi trường nước mặn và mụi trường cú độ phốn chua lớn.
Với cụng trỡnh điều tiết trờn Sụng Hồng, là vựng cú độ ngọt húa cao thỡ nờn kết cấu cửa van nờn dựng thộp CT3, cũn một số chi tiết kớn nước và chi tiết cố định như khe van thỡ dựng thộp SUS304.
- Đối với liờn kết hàn
Cỏc chi tiết quan trọng dựng mỏy hàn tự động và bỏn tự động, cỏc chi tiết khỏc cú thể hàn bằng hàn bằng tay. Đối với cỏc bộ phận dung thộp CT3 thỡ dựng que hàn N46 hoặc loại tương đương, với cỏc bộ phận dựng thộp SUS304 thỡ dựng que hàn thộp Inox. - Chắn nước cửa van
Dựng loại cao su Cloropren dạng tấm, dạng củ tỏi cú cỏc chỉ tiờu cơ như sau: + Độ bền kộo đứt (TCVN - 4509 - 95): 170 - 185 kg/cm2
+ Độ gión dài (TCVN - 4509 - 95): 480 - 510% + Độ cứng (TCVN - 4509 - 95): 55 - 60
+ Chống xộ (ASTM - D - 4833): 150 - 170 N
+ Khỏng ozon (ASTM - D - 1149 - 91): 55 giờ (mặt ngoài) + Hệ số lóo hoỏ UV (ASTM - G - 53): 90 giờ (mặt ngoài) + Bền uốn gập (TSO 133 - 1983): > 200.000 lần
- Ứng suất cho phộp của thộp và kết cấu hàn:
Bảng 3: Ứng suất cho phộp của kết cấu thộp
TT Loại ứng suất Vật liệu (Kg/cm2) Ký hiệu CT3 SUS304 1 Kộo, nộn 1490 2900 []K 2 Uốn 1565 []U 3 Cắt 895 1700 [] 4 ộp mặt 2330 4300 []em
Bảng 4: ứng suất cho phộp đối với liờn kết hàn
TT Loại ứng suất
Loại thộp (Kg/cm2)
Ký hiệu
CT3 SUS304
I Mối hàn đối đầu
1 Kộo, nộn 1490 2410 [RKh]
2 Uốn 1565 2540 [Rgh]
3 Cắt 895 1450 [Rch]
Kộo, nộn, uốn, cắt 1045 1685 [Rgh]
b. Độ vừng cho phộp của kết cấu:
Cửa van là loại cửa chớnh làm việc trong dũng chảy. Độ vừng tương đối của cỏc dầm lấy như sau (theo sổ tay KTTL):
+ Dầm chớnh ngang: [f] = 1/1000. + Dầm cụng son: [f] = 1/300.
+ Cỏc bộ phận phụ của ụ dầm: [f] = 1/250.
c. Bố trớ kết cấu và xỏc định kớch thước chủ yếu của cửa van: - Chọn số lượng dầm chớnh:
Đõy là cửa van trờn mặt, bề rộng mỗi khoang là L, chiều cao cửa van là H, so sỏnh tỉ số L/H >1. Cột ỏp cửa van cú thể chịu từ H = 0,5 ữ 6,5m, yờu cầu đúng mở cửa van khi cú lũ về hoặc tớch nước về mựa kiệt với độ chờnh cột ỏp cao. Mặt khỏc ngoài ỏp lực nước tỏc dụng lờn cửa van cũn cú ỏp lực mạch động, lực ma sỏt xuất hiện khi kộo cửa lờn, lực rung động, ỏp lực giú, lực kẹt khi đúng mở…, nờn yờu cầu về cửa van chịu lực tổ hợp trờn nú cũn đảm bảo độ vừng, ổn định cục bộ, ổn định tổng thể. Để đỏp ứng những yờu cầu đú thỡ cửa van phẳng sẽ đỏp ứng được cỏc yờu cầu trờn.
Đối với cụng trỡnh điều tiết Sụng Hồng ngoài nhiệm vụ tớch trữ nước về mựa khụ cũn cú thờm nhiệm vụ thỏo lũ khi mựa lũ về. Theo phõn tớch cỏc dạng giàn mà cửa van phẳng cú thể ỏp dụng ở trờn thỡ loại cửa van phẳng hỡnh cong hai chiều là loại tối ưu nhất về kết cấu, đảm bảo chịu lực và đẹp về thẩm mỹ cụng trỡnh.
- Bố trớ dầm chớnh cửa van:
Trong cửa van trờn mặt cỏc dầm chớnh thường được bố trớ theo điều kiện cỏc dầm chịu tải trọng bằng nhau, như vậy cỏc kớch thước mặt cắt ngang của dầm chớnh giống nhau, do đú dễ dàng cho việc gia cụng chế tạo.
Vị trớ cỏc dầm chớnh được xỏc định theo phương phỏp đồ giải. Trước hết phải phõn biểu đồ ỏp lực thủy lực (hỡnh tam giỏc hoặc hỡnh thang) tỏc dụng lờn cửa van
thành cỏc diện tớch bằng nhau, sau đú bố trớ trục dầm chớnh tại trọng tõm mỗi diện tớch. CTĐI CTĐA MN mntl max MNmin H A B a b c a b c 1 1 1 a2 b2 c2 1 mnHL 2 3 4
Hỡnh 76: Sơ đồ xỏc định vị trớ dầm chớnh ngang theo ỏp lực nước
- Nhịp tớnh toỏn của dầm chớnh: Nhịp tớnh toỏn của dầm chớnh được xỏc định theo cụng thức: L = lo + 2.c; Hỡnh 77: Nhịp tớnh toỏn của dầm chớnh - Hỡnh thức dầm chớnh:
Dầm chớnh được bố trớ là thộp hỡnh chữ I, C, L thụng thường hay dựng là thộp chữ I ghộp liờn kết với cỏc thanh ngang và xiờn dưới dạng mắt giàn. Vỡ vậy dầm chớnh chịu mụmen uốn lớn hơn nhiều so với mặt cắt.
- Bố trớ ụ dầm:
+ ễ dầm chịu tải trọng do bản mặt truyền tới, hay núi cỏch khỏc ụ dầm là gối tựa của bản mặt.
+ Ở đõy ụ dầm bố trớ cựng chiều cao với dầm chớnh cú ưu điểm: bản mặt ụ dầm và dầm chớnh tạo thành khối vững
chắc, giảm được chiều cao của giàn phớa sau bản mặt.
Hỡnh 78: Bố trớ ụ dầm cửa van
d. Tớnh toỏn cỏc cấu kiện của bộ phận động cửa van: - Bản mặt:
Cụng trỡnh điều tiết nước trờn hệ thống sụng Hồng mựa kiệt nhiệm vụ chủ yếu giữ nước phục vụ chống hạn, phỏt triển kinh tế vựng đồng bằng Bắc Bộ, nờn chỉ cần bố trớ bản mặt một phớa, ở đõy bố trớ bản mặt phớa thượng lưu.
Theo cỏch bố trớ ụ dầm thỡ bản mặt coi như tựa lờn bốn cạnh. Vỡ ụ dầm cú thể cú biến dạng nờn liờn kết của bản mặt là ngàm đàn hồi theo bốn cạnh.
1 2 3 4 5
Hỡnh 79: Bố trớ ụ bản mặt liờn kết giàn chịu lực
Chọn ụ bản mặt chịu lực nguy hiểm nhất để tớnh toỏn. Khi đú giỏ trị mụmen lớn nhất trong trường hợp này tại cạnh này của ụ bản mặt được xỏc định theo cụng thức:
Mmax = n..P.a2
Trong đú: a- cạnh ngang của ụ bản mặt;
p- cường độ ỏp lực thủy tĩnh tại tõm ụ bản đang xột;
- hệ số thuộc vào tỷ lệ giữa cỏc cạnh của ụ dầm: = 0,0625; n- hệ số tải trọng: n = 1,32;
Từ điều kiện về cường độ của bản mặt ta cú: u b R m M . . 6 2 max
mb- hệ số điều kiện làm việc của bản mặt;
Ru- cường độ tớnh toỏn của vật liệu CT3 khi chịu uốn; Từ đú ta suy ra chiều dày cần thiết của bản mặt:
; 6 2 u bR m Pa
Tớnh toỏn kiểm tra chịu uốn của bản mặt theo cụng thức kinh nghiệm: Tớnh toỏn theo cụng thức: ; . 375 , 0 2 2 a p
So sỏnh nếu: < [] . Vậy bản mặt đó chọn đảm bảo chịu lực;
> [] . Thỡ chiều dày bản mặt tớnh toỏn lựa chọn khụng đảm bảo, lựa chọn kiểm tra lại;
- Tớnh toỏn ụ dầm:
+ ễ dầm cú dầm phụ đứng bố trớ cựng chiều cao, khi đú bản mặt được tựa lờn bốn cạnh, do đú dầm phụ đứng và dầm phụ ngang đồng thời chịu ỏp lực nước do bản mặt truyền tới. + Dầm phụ đứng thường làm bằng thộp định hỡnh, hỡnh dạng tiết diện dầm cần đảm bảo trỏnh đọng nước và H Ô d ầ m a a a a b c d e f D ầ m n g a n g c h ín h Dầm đứng phụ Dầm đứng chính 1 2 3 4 l1
bựn cỏt.
Sau khi lựa chọn chủng loại và tiết diện dầm phụ đứng, thỡ cần kiểm tra khả năng chịu lực của dầm đó chọn.
Hỡnh 80: Vị trớ tớnh toỏn dầm phụ đứng
Dầm phụ ngoài chịu ỏp lực nước cũn chịu cả ỏp lực bựn cỏt lắng đọng phớa dưới đỏy cửa van.
Ở phần trờn đó lựa chọn ụ bản mặt chịu lực nguy hiểm nhất để tớnh toỏn, từ ụ dầm đú sẽ xỏc định được mụmen lớn nhất Mx max(Kg.cm);
Từ đú xỏc định được: ; ] [ max M Wycdp ; . 48 . . 250 . 5 max 2 E L M J t tc ycdp
Sau khi cú giỏ trị Wycdp, Jycdp ta sẽ xỏc định được đặc trưng hỡnh học của dầm phụ đứng, và dầm phụ đứng phải thỏa món điều kiện:
Wdp < Wycdp; Jdf < Jycdp;
- Tớnh toỏn giàn ngang, dầm chớnh, và cỏc thanh chống của hệ giàn:
Giàn ngang là một trong những bộ phận chủ yếu của cửa van. Nú cú tỏc dụng chuyển ỏp lực nước từ ụ dầm tới dầm chớnh. Ngoài ra, nú cũn chịu cỏc lực khụng nằm trong mặt phẳng của dầm chớnh và mụmen xoắn trong kết cấu khụng gian. Giàn ngang cú tỏc dụng phõn đều tải trọng lờn dầm chớnh, khi cú một dầm chịu tải lớn hơn. Giàn ngang giữ một vai trũ rất quan trọng trong việc bảo đảm cỏc cấu kiện cơ bản của cửa van làm việc đồng thời, tỏc dụng này biểu hiện rừ rệt khi giàn ngang càng cứng.
Đối với cụng trỡnh này do khẩu độ cửa van lớn, cột ỏp cao, nếu dựng giàn ngang đặc thỡ khối lượng cửa rất lớn, kết cấu nặng nề phức tạp, do đú tối ưu nhất là dựng giàn
ngang rỗng dạng giàn.
Kết cấu giàn ngang được bố trớ theo vị trớ đặt dầm chớnh, với vị trớ đặt dầm chớnh như vậy thỡ giàn được bố trớ như hỡnh dưới đõy:
E D C B e d c b F G H f g h phía thượng lưu
phía hạ lưu A
a
K
k
Hỡnh 81: Sơ đồ tớnh toỏn kiểm tra giàn
Trong đú AK là dầm ngang chớnh ở vị trớ thượng lưu cú gắn bản mặt, ak là dầm ngang chớnh ở vị trớ hạ lưu; Aa, Bb,…, Ee là cỏc thanh chống đứng; Ed, Dc,…, Hk là cỏc thanh chống xiờn.
Như lỳc đầu đó phõn tớch thỡ cỏc dầm chớnh ngang thượng lưu và hạ lưu đặt ở cỏc vị trớ cú ỏp lực nước bằng nhau, chớnh vỡ vậy chỉ cần tớnh toỏn cho một tầng giàn ngang ở vị trớ chịu lực nguy hiểm nhất.
Thụng thường thỡ ở vị trớ gần đỏy cửa van là ụ dầm chịu lực nguy hiểm nhất bởi vỡ ở ụ dầm đú vừa chịu ỏp lực nước lớn nhất cũn cú ỏp lực bựn cỏt, lực hỳt đỏy cửa, ỏp lực mạch động khi kộo cửa.
Mặt khỏc để xem ụ dầm chịu lực nguy hiểm nhất thỡ tớnh toỏn trạng thỏi ứng suất của bản mặt cửa khi chịu tỏc dụng của tổ hợp lực tớnh toỏn. Bao gồm ứng suất chớnh lớn nhất, ứng suất tiếp lớn nhất theo phương ỏp lực nước.
Để xỏc định được trạng thỏi ứng suất của bản mặt, ta dựng phương phỏp phần tử hữu hạn để xỏc định. Ngày nay phương phỏp phần tử hữu hạn được ứng dụng rộng rói để phõn tớch tớnh toỏn kết cấu. Phương phỏp này phản ỏnh một cỏch tương đối chớnh xỏc và chõn thực về tỡnh trạng làm việc của kết cấu, đồng thời cũn xử lý một cỏch tự động, nhanh chúng và tiờu chuẩn húa rất tốt.
Phần mềm Sap2000 là phần mềm ứng dụng phương phỏp phần tử hữu hạn để xỏc định nội lực, ứng suất của kết cấu.
Đối với sơ đồ cửa van phẳng dạng cong hai chiều này sẽ dựng phần mềm Sap2000 để xỏc định nội lực của kết cấu giàn, trạng thỏi ứng suất của bản mặt để từ đú sẽ chọn được ụ dầm chịu lực nguy hiểm nhất để tớnh toỏn giàn ngang, từ nội lực của giàn ngang ta sẽ tiến hành lựa chọn tiết diện của giàn ngang phự hợp tổ hợp tải trọng tớnh toỏn cửa.
Một số kết quả tớnh toỏn xỏc định trạng thỏi ứng suất của bản mặt và nội lực giàn cửa van cụng trỡnh điều tiết nước trờn sụng Hồng bằng phần mềm Sap2000
Hỡnh 82: Trạng thỏi ứng suất chớnh lớn nhất của bản mặt khi chịu lực
Trong hỡnh trờn thỡ cửa van cong hai chiều chịu tổ hợp lực gồm ỏp lực nước, ỏp lực bựn cỏt, tĩnh tải khi cửa ở vị trớ giữ nước.
Hỡnh 83: Trạng thỏi ứng suất tiếp lớn nhất của bản mặt khi chịu lực
Hỡnh 85: Biểu đồ mụmen uốn theo phương ỏp lực nước
Qua kết quả tớnh toỏn ở trờn ta thấy nội lực, ứng suất của cửa van phẳng dạng giàn được thể hiện rừ ràng qua cỏc biểu đồ nội lực và ứng suất bằng phần mềm Sap2000.
Khi chạy phần mềm sap lưu ý mụ hỡnh húa sơ đồ tớnh toỏn của bài toỏn chớnh xỏc, gắn điều kiện biờn của sơ đồ khi làm việc, tổ hợp lực tớnh toỏn, cỏc liờn kết mặc định trong sơ đồ, gỏn tải trọng, đặc trưng hỡnh học của phần tử thanh, bản, hệ tọa dộ chớnh, địa phương thỡ kết quả của bài toỏn càng chớnh xỏc.
Để xỏc định tiết diện của giàn ngang thỡ phải xỏc định trạng thỏi chịu lực của cỏc dầm, thanh trong liờn kết giàn.
Dầm ngang chớnh ở trạng thỏi chịu lực phức tạp bao gồm: Lực dọc trục dầm Nz, Mụmen uốn Mx, My (Hệ trục tọa độ chớnh trục z theo phương dọc trục dầm chớnh, trục x theo chiều cao cột nước, trục y theo phương tỏc dụng của ỏp lực).
Như vậy dầm ngang chớnh chịu lực dạng khụng gian.
Cỏc thanh chống đứng, chống xiờn của giàn ngang chủ yếu chịu lực dọc trục của thanh cũn cỏc thành phần mụmen trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng rất nhỏ nờn cú thể bỏ qua. Như x y My Mx z N z N z N z
Hỡnh 86: Trạng thỏi chịu lực của
vậy trạng thỏi chịu lực của thanh là chịu kộo hoặc nộn.
Sơ đồ tớnh toỏn qua phầm mềm Sap2000 sẽ cho kết quả nội lực giàn ngang của cỏc dầm và thanh chống.
Từ kết quả nội lực tiến hành lựa chọn tiết diện của dầm, thanh qua cỏc cụng thức kiểm nghiệm bền theo cỏc trạng thỏi chịu lực của dầm, thanh.
Qua đú xỏc định được Fdầm, Jdầm, Wdầm, Fthanh.
Sau khi xỏc định được đặc trưng hỡnh học của dầm, thanh thỡ kiểm tra lại điều kiện bền của dầm, thanh và kiểm tra ổn định cục bộ, ổn định tổng thể của kết cấu giàn.
- Thiết kế mắt giàn:
Trong giàn cỏc đường trục của thanh phải hội tụ tại một điểm. Nếu dựng liờn kết hàn thỡ đường trục là đường trọng tõm của tiết diện. Nhưng trong thực tế thỡ người ta thường chọn khoảng cỏch từ lưng thộp gúc tới đường trục lấy trũn số của 5mm để tiện cho việc thi cụng. Khi tiết diện thanh cỏnh thay đổi, theo yờu cầu về cấu tạo, nếu mộp ngoài của thanh thộp gúc phải cựng nằm trờn một mặt phẳng, thỡ trong trường hợp này đường trục là đường trung bỡnh giữa hai đường trục của hai thanh cạnh đú.
Thụng thường thỡ khi liờn kết cỏc thanh giàn thường dựng bản tỏp, nhưng đối với kết cấu giàn cửa van loại này thỡ cỏc thanh chống, thanh tăng cứng được hàn trực tiếp lờn dầm chớnh ngang. Do vậy khi tớnh toỏn mắt giàn cần kiểm tra cường độ kớch thước đường hàn của mắt giàn.
Khả năng chịu lực của mối hàn tốt hay khụng phụ thuộc vào que hàn, kỹ thuật hàn, trỡnh độ người hàn. Sau khi hàn xong cần tiến hành kiểm tra đường hàn bằng nhiều phương phỏp, hiện nay hay dựng phương phỏp siờu õm đường hàn để kiểm tra.