4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.3.2. Phân tích cửa van theo bài toán không gian
1.3.2.1. Khái quát về bài toán không gian
Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian chịu áp lực nước, trọng lượng bản thân van và nhiều tải trọng khác. Khi phân tích nội lực và biến dạng cửa van hình cung theo hệ phẳng không phản ảnh được tác
dụng qua lại giữa các bộ phận với nhau, nên kết quả tính toán không phản ánh đúng trạng thái làm việc thực của cửa van. Mặt khác khi phân tích van theo bài toán phẳng không xét được tác dụng đồng thời của nhiều loại tải trọng cùng một lúc, ngay cả khi cửa van chỉ chịu áp lực nước và trọng lượng bản thân. Như trên đã trình bày khi phân tích nội lực càng van do trọng lượng bản thân van, cũng như khi tính lực kéo của van, cần tính trọng lượng bản thân cũng như điểm đặt của nó theo công thức kinh nghiệm, nên kết quả tính toán có thể khác với giá trị thực. Nếu phân tích van cung theo bài toán không gian những vấn đề nêu trên sẽ được giải quyết không có khó khăn gì.
1.3.2.2. Điều kiện biên của bài toán
Trường hợp cửa van đóng (nằm trên ngưỡng) - Đối với cửa van dùng thiết bị đóng mở bằng tời cũng như dùng xy lanh thủy lực ta có điều kiện biên của bài toán cho ở hình 1.19.
Hình 1.19 - Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng
Với gối bản lề có một trục quay, gối bản lề kiểu nón cụt thì tại gối bản lề các chuyển vị thẳng và chuyển vị góc bị ràng buộc, chỉ cho chuyển vị xoay tự do đối với trục quay nằm ngang. Với gối bản lề có hai trục quay vuông góc với nhau cũng tương tự, gối bản lề chỉ cho chuyển vị xoay tự do đối với hai trục quay. Tại các điểm tựa ở đáy cửa van vào ngưỡng hoặc vào đế trụ pin cần gán liên kết đơn thẳng đứng, ngoài ra với máy đóng mở bằng xi lanh thủy lực còn có lực nén Q hoăc Q như ở hình
Trường hợp cửa van rời khỏi ngưỡng: Khi hai thiết bị đóng mở hoạt
động bình thường. Với gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay gán ràng buộc liên kết như trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng. Đối với cửa van đóng mở bằng xy lanh thủy lực thì gán 2 liên kết đơn theo phương của xy lanh thủy lực tại điểm nối xi lanh với cửa van, đồng thời gán lực ma sát FT tại gối bản lề và lực ma sát FS tại vật chắn nước bên như ở hình 1.20.
Hình 1.20 - Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực Đối với cửa van đóng mở bằng tời, phần dây cáp hoặc dây xích tiếp xúc với bản mặt, sinh lực ép cục bộ vào bản mặt với giả thiết tải trọng phân bố đều hướng vào tâm bản mặt và có cường độ w=T/R, gán liên kết đơn theo phương dây cáp kéo van, ngoài ra còn có lực ma sát FT và FS giống như trường hợp dùng xi lanh thủy lực, vậy điều kiện biên của bài toán được thể hiện ở hình 1.21c đối với trường hợp phương dây kéo tiếp tuyến với bản mặt và ở hình 1.22c khi dây kéo không tiếp tuyến với bản mặt.
Hình 1.22 - Điều kiện biên khi nâng bằng tời phương dây kéo không tiếp tuyến với bản mặt
Áp lực dây w phụ thuộc vào lực kéo van T, lực kéo T phụ thuộc vào ma sát gối bản lề, lực ma sát gối bản lề phụ thuộc vào phản lực gối bản lề, phản lực gối bản lề lại phụ thuộc vào áp lực dây w, nên trong trường hợp này cần tiến hành giải lặp cho đến khi phản lực gối bản lề xấp xỉ bằng nhau sau hai lần lặp liên tiếp.
1.3.2.3. Xác định nội lực và lực kéo cửa van
Xác định nội lực và lực kéo van trong trường hợp cửa van vận hành với hai thiết bị đóng mở.và được tính toán với tổ hợp tải trọng sau:
1.4 H1 + 1.2D + 14FS+ 1.0 FT (theo EM 1110-2-2702-1997) Trình tự tính toán như sau: Mô hình hóa cửa van theo bài toán không gian, gán các tải trọng nói trên gồm áp lực nước (H1), trọng lượng bản thân van (D), lực ma sát do vật chắn nước bên FS, lực ma sát gối bản lề FT vào mô hình và gán điều kiện biên vào gối bản lề khống chế chuyển vị thẳng và chuyển vị góc của gối đỡ, chỉ cho chuyển vị quay quanh trục nằm ngang, còn theo phương của xi lanh gán liên kết đơn, ta có sơ đồ tính như ở hình 1.23.
Hình 1.23 - Sơ đồ kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở Giải bài toán trên ta có nội lực, ứng suất của các bộ phận kết cấu van, cũng như phản lực liên kết tại gối bản lề và lực kéo van T. Sau khi có phản lực gối bản lề tính lực ma sát FT (có thể gán FT vào kết cấu van thông qua mômen uốn do FT sinh ra đối với tâm O) và tiến hành giải lại, do ảnh hưởng của FT không lớn, nên không cần thiết phải giải lặp nhiều lần.
Do hiện nay có nhiều phần mềm rất mạnh tính toán kết cấu, nên việc xác định trọng lượng bản thân cửa van cũng như vị trí trọng tâm của nó không gặp khó khăn gì, do đó tính toán lực kéo van T*
theo công thức (1.14) không thích hợp nữa, vì trong công thức này mômen cản do trọng lượng bản thân van đối với tâm quay O phải dùng các công thức tính toán gần đúng để tính trọng lượng bản thân van, cũng như vị trí trọng tâm van, nên hiện nay tính toán lực kéo van theo công thức (1.14) được coi là phương pháp tính toán truyền thống, không sử dụng để tính toán lực kéo van trong các cửa van lớn, mà chỉ được dùng để xác định sơ bộ lực kéo trong các cửa van lớn hoặc trong các cửa van nhỏ được tính toán theo sơ đồ phẳng.
* Mc
T = ρ
∑ (1.14)
trong đó:
ΣMc - tổng mômen của các lực cản đối với tâm quay của cửa van.
∑Mc =1,1G.g 1, 2(T R+ c +T R ) P ag g + h (1.15) G - trọng lượng bản thân van.
g - cánh tay đòn của lực G đối với tâm quay.
Tc - tổng lực ma sát do vật chắn nước ở đỉnh và hai bên van sinh ra: Tc = ΣγHcbcLcfc (1.16) γ - trọng lượng riêng của nước.
Hc - chiều cao cột nước tính đến tâm vật chắn nước.
bc - bề rộng chịu áp lực nước của vật chắn, với vật chắn chữ P lấy bằng đường kính đầu tròn, với vật chắn chữ L lấy bằng bề rộng cánh của nó. Lc - chiều dài vật chắn nước.
fc - hệ số ma sát giữa vật chắn nước và bộ phận cố định.. Tg , Mg - lực ma sát và mômen cản do ma sát trọng gối bản lề:
Tg = R*f Mg =Tg Rg (1.17) R* - lực tác dụng thẳng góc với trục gối bản lề.
fg - hệ số ma sát giữa trục và ống lót trục (bạc) của gối bản lề. Rg - bán kính trục của gối bản lề.
Ph - lực hút tác dụng lên vật chắn nước ngang khi van vừa rời khỏi ngưỡng được xác định theo công thức sau:
Ph = pbcLc (1.18) trong đó:
p = 60kN/m2 - cường độ áp lực chân không. bc - bề rộng vật chắn nước tiếp xúc với ngưỡng.
Khi vật chắn nước mỏng thì có thể bỏ qua lực hút. 1.3.2.4.Tính toán kiểm tra khung chính và càng van
Kiểm tra cường độ và độ võng của đầm chính
Ứng suất pháp tại mặt cắt giữa dầm: max max n x M R W σ = ≤ (1.19) Ứng suất tiếp tại mặt cắt gối dầm:
max x max c x b Q S R J t τ = ≤ (1.20) Độ võng tương đối tại mặt cắt giữa dầm:
o BC x o f (5M 6M )L 1 1 L 48EJ n 1000 + = ≤ = (1.21)
Kiểm tra về cường độ và ổn định của chân khung chính
- Kiểm tra ổn định trong mặt phẳng uốn (đối với trục x): * lt x N R F σ = ≤ ϕ (1.22) trong đó: * * * kc cv
N =N +N - tổng lực nén trong chân khung do áp lực nước khi nó là chân của khung chính và do trọng lượng bản thân khi nó là thanh cánh của càng van
F - diện tích tiết diện của chân khung.
) ; m ( f 1 x lt x λ
ϕ = - hệ số giảm khả năng chịu lực của chân khung khi chịu nén lệch tâm đối với trục x.
1 x
m = ηm - độ lệch tâm tính đổi đối với trục x, trong đó
x 1.45 0.003 η = − λ . x * ( ) x M F m N W −
= × - độ lệch tâm tương đối đối với trục x.
x Lox / rx
λ = - độ mảnh của chân khung đối với trục x.
Lox = µxs - chiều dài tính toán của chân khung đối với trục x. µx = f(k) - hệ số chiều dài tính toán của chân khung đối với trục x. M - mômen uốn của chân khung đối với trục x.
Wx
(-) - môđun chống uốn đối với trục x của tiết diện chân cột ở thớ chịu nén lớn nhất.
- Kiểm tra ổn định ngoài mặt phẳng uốn(đối với trục y): * y N R c F σ = ≤ ϕ (1.23) trong đó:
ϕ = λy f ( y)- hệ số uốn dọc của chân khung đối với trục y. λ =y Loy / ry- độ mảnh của chân khung đối với trục y.
Loy - chiều dài tính toán đối với trục y lấy bằng khoảng cách giữa hai mắt giàn của càng van.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
1. Cửa van hình cung là một kết cấu không gian có hình dạng khá
phức tạp, là một kết cấu hỗn hợp của các phần tử thanh và phần tử vỏ, đồng thời chịu nhiều tải trọng cùng một lúc, nên phân tích kết cấu van theo hệ phẳng không thể phản ánh trạng thái ứng suất và biến dạng thực của cửa van, mà cần phân tích kết cấu van theo bài toán không gian.
2. Tải trọng cơ bản tác dụng lên cửa van là áp lực nước và trọng lượng bản thân van, khi tính theo hệ phẳng thường phải xác định trọng lượng bản và điểm đặt của nó theo công thức kinh nghiệm, nên kết quả tính toán nội lức, chuyển vị van, cũng như lực kéo cần thiết của mỗi xy lanh thủy lực chỉ cho giá trị gần đúng, cần được tính toán theo bài toán không gian.
CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM SAP2000