Thiết kế kỹ thuật công trình đà bán ụ trọng tải 5.000 tấn - Chương 3 potx

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Thông số của tàu:
Tổng tải trọng: 5000 tấn
Tự trọng tàu hạ thuỷ: 2000 tấn
Chiều dài lớn nhất của tàu: L
max
= 120 m
Chiều rộng lớn nhất của tàu: B
max
= 18 m
Mớn nước hạ thuỷ: T
min
= 1,5 m
Kết cấu đà bán ụ 5000T bao gồm những hạng mục sau:
A. Cửa phao: phao cửa ụ kết cấu thép, dạng tự nổi. Kích thước phao cửa ụ, dài x
rộng x cao = 21,4m x 2,2m x 6,65m. Khi đóng phao cửa ụ, phao tựa vào ngưỡng
và tường mố cửa ụ, toàn bộ thân phao tựa lên hai đầu mố tường ụ bởi vai đỡ của
cửa phao.
B. Xe triền: kích thước xe = dài x rộng x cao = 7mx3mx430mm (tính từ tâm trục
bánh xe).
C. Đầu ụ.
1. Móng cọc đầu ụ.
2. Bản đáy cửa ụ.
3. Tường mố cửa ụ.
4. Tường đất sét chống thấm.
5. Thiết bị công nghệ.
D. Ray và dầm ray.
E. Bệ đà.
F. Kè hai bên bệ đà.
G. Bệ puly (hố thế).
Do thời gian hoàn thành đề tài ngắn cũng như kiến thức còn hạn chế và

thông qua quá trình thực tế tại nhà máy đóng tàu Nha Trang nên trong đề tài này
em xin trình bày hai hạng mục quan trọng nhất trong đà bán ụ 5000T đó là: Xe
triền và Phao cửa ụ.
3.1 TÍNH TOÁN XE TRIỀN

Sơ đồ khung xe triền
3.1.1 Đặc tính kỹ thuật của xe triền:
 Sức chở tối đa: Q = 250T/1xe
 Kích thước xe = dài x rộng x cao = 7mx3mx430mm (tính từ tâm trục bánh
xe)
 Khoảng cách giữa hai tâm bánh xe trong theo phương dọc: L
xt
= 3000mm
 Khoảng cách giữa hai tâm bánh xe ngoài theo phương dọc: L
xn
= 6600mm
 Chiều cao của xe tính từ mặt đường ray đến sàn đỡ tàu: H = 600mm
 Kích thước của sàn xe đỡ tàu: 6960 x 3000mm
 Xe tự cân bằng khi leo và xuống dốc với độ nghiêng 1/10
 Đường kính bánh xe D
x
= 400mm ( bánh xe có 2 gờ định hướng và chống
trượt )
 Tổng số bánh xe: 16
 Số ray mà xe tựa lên: 4 cái
 Tải trọng cho phép của một bánh xe: 70 tấn/cái
 Kết cấu hệ bánh xe di chuyển có các khớp xoay để tàu nằm trên xe được ổn
định và bánh xe luôn tiếp xúc với các đường ray
 Khung xe triền kết cấu theo hệ khung chịu lực, tiết diện hình hộp chữ nhật
để tăng sức chịu tải, giảm khối lượng vật liệu đồng thời có độ ổn định cao

 Khung xe có cấu tạo 3 nhịp dầm gồm 4 hàng bánh xe chạy trên 4 đường ray
đảm bảo ổn định cho tàu khi hạ thuỷ
 Khung ngoài thân xe có kết cấu U450x12/120x14 bằng thép hàn. Các thanh
cơ cấu này được liên kết với nhau bằng liên kết hàn và gia cường mã
 Dầm đỡ cụm bánh xe có kết cấu U450x12/120x14, mỗi dầm được liên kết
bởi các cơ cấu tạo khung hợp vững chắc và được nâng đỡ bằng 2 cụm bánh
xe ( mỗi cụm 2 bánh ). Toàn bộ thân xe gồm có 4 dầm song song liên kết
khung ngoài bằng liên kết hàn và gia cường mã
 Khung cơ cấu bên trong bao gồm cơ cấu dọc ngang, chéo bằng thép hàn
dạng 1450x12/150x14 được hàn với nhau và liên kết với khung
 Trên hai đầu trước và sau của thân xe lắp 3 móc dùng để liên kết giữa các
xe với nhau, vị trí móc giữa có thể dùng để liên kết cứng
 Cụm bánh xe: bao gồm 1 khung dầm đỡ bằng thép chiều dày s = 20mm, 2
bánh xe với D
x
= 400mm, 1 cụm gối đỡ xoay liên kết với khung xe giúp
cho bánh xe luôn tì vào ray khi di chuyển
3.1.2 Tính toán kiểm tra bền bánh xe triền:
Áp dụng định luật Hooke:


c

= N/F ( 3-1 )
Trong đó:


2
/250 mMN
c



_là giới hạn chảy vật liệu thép các bon, tra bảng
F_mặt cắt chịu lực của vật liệu, chọn mặt cắt nhỏ nhất
N_lực nén lớn nhất mà bánh xe chịu được trước khi bị biến dạng chảy
Mặt cắt chịu lực nhỏ nhất chính là mặt cắt di qua tâm bánh xe hướng dọc theo
hướng chịu lực của bánh xe như trên hình vẽ sau

Hình 3.1 Mặt cắt chịu lực bánh xe triền
F = 14075 mm
2

F = 0,01408 m
2

Vậy:
N =


F
c
.

= 0,01408.250 = 352 T
Như vậy với tổng lực tác dụng lên bánh xe là 255 T thì bánh xe đủ bền.

3.1.3 Tính toán kiểm tra bền trục bánh xe:
Tải trọng của xe triền: 250T
Tự trọng của xe triền: 5T
Mô hình tải trọng tác dụng lên trục xe được thể hiện như sau:

D
Qy (N)
q=593(N/mm)
270
135
135
-
+
Mx (N/mm)

Hình 3.2 Mô hình tải trọng tác dụng lên trục xe
Trục xe triền được chọn có dạng hình tròn với đường kính D ( mm )
Như vậy tải trọng tác dụng lên một trục là:
p = 16
16
5250


T
Lực phân bố đều trên một trục là:
q = 593
270
160000

l
p
( N/mm )
Dựa vào sơ đồ mô men lực ta thấy: tại mặt cắt giữa thì trục nguy hiểm nhất
Mô men cực đại là: M
max

= 5403713
8
270.593
8
2

ql
(N/mm
2
)
Lực cắt lớn nhất của trục là: Q
max
= 055,80
1000
.
2
270.593
2

ql
(N)
Mặt khác vì chọn trục hình tròn nên ta có:
Mô men chống uốn của mặt cắt là: W
x
= 0,1.D
3

Vậy ứng suất gây ra tại giữa trục là:

 



max
max
W
M




=235 (N/mm
2
)_ứng suất cho phép của vật liệu làm trục
Thế vào ta được:
0,1D
3


22995
Vậy D

61,3 (mm)
Như vậy khi tính chọn đường kính trục ta thường nhân với hệ số an toàn là:
n = 1,5
Vậy đường kính trục thực tế phải chọn là:
D = 61,3.1,5 = 91,95 (mm)
Để dễ thi công và đảm bảo độ bền của trục ta chọn đường kính trục xe là:
D = 100 (mm)
3.1.4 Tính toán kiểm tra bền sàn xe triền:

Hình 3.3 Sơ đồ sàn xe triền
Quá trình kiểm tra bền được thực hiện theo quy trình sau:
 Kiểm tra tại vị trí nguy hiểm nhất của sàn chịu lực
 Lựa chọn từ việc kiểm tra để có được phương án tối ưu
Vị trí nguy hiểm nhất của sàn là tại dầm giữa sàn có kết cấu như hình vẽ:
3.1.4.1 Đối với dầm đỡ dọc:
Sơ đồ tải trọng tác dụng.
450
h
t
d
Mx (N/mm)
Qy
q=104,64(N/mm)
3000
1500
1500
-
+

Hình 3.4 Mô hình tải trọng tác dụng lên trục xe
Về mặt kết cấu của dầm như sau:
Chiều dài chịu tác dụng trên gối: 3000 mm
Dầm có kết cấu chữ I: d = 150 mm
b = 450 mm
h = 12 mm
t = 14 mm
Tải trọng sàn làm việc: Q = 250 T
Tải trọng bản thân sàn và các thiết bị trên sàn: T = 5 (T)
Số dầm đỡ dọc trên sàn xe triền là: 8 dầm

Ta coi tải trọng phân bố đều trên sàn xe triền, như vậy ta tính được tải trọng phân
bố trên một dầm của sàn là: p = 32
8
255
 T
Khi đó lực phân bố đều trêm một dầm là: q = 64,104
3000
1000.81,9.32
 N/mm
Ứng suất bền cho phép của vật liều làm dầm là:


235

N/mm
2

Ứng suất tiếp cho phép của vật liệu làm dầm là:


5,117

N/mm
2

Dầm đặt trên gối di động
Mô men uốn tại mặt cắt giữa dầm là:
M = 117720000
8
3000.64,104

8
22

ql
N/mm
2

Lực cắt cực đại của dầm:
Q = 156960
2
3000.64,104
2

ql
N
Mô men quán tính:
Với dầm chữ I thì
Mô men quán tính: J
x
= 14.150.211.2
12
422.12
2
3
 = 262139648 mm
4

Mô men chống uốn của mặt cắt: W
x
=

225
x
J


1165065 mm
3

Ứng suất tiếp lớn nhất:

 
7,1
5,117.262139648
)2/211.12218.2.150.(156960
.
.
2
Fc
max





x
y
J
SQ
N/mm
2

<





Ứng suất pháp lớn nhất: 04,101
1165065
117720000
max

x
W
M

N/mm
2
<




Theo thuyết bền 3 ta có:

2
max
2
max
4



td



22
7,1.404,101 
td



101,1 N/mm
2
<



= 235 N/mm
2
.
Vậy kết cấu trên đủ bền.
3.1.4.2 Đối với dầm đỡ ngang:
M x (N /m m )
+
-
1500
1500
3000
q=210(N /m m )
Q y

Hình 3.5 Mô hình tải trọng tác dụng lên dầm đỡ ngang
Kết cấu dầm theo hình vẽ:
Thép chữ I hàn, có chiều dài max là: 3000 mm
Thép chư I có các kích thước: d = 150 mm
B = 450 mm
H = 12 mm
T = 14 mm
Tải trọng sàn làm việc: Q = 250 T
Tải trọng bản thân sàn: Q
s
= 5 T
Số dầm đỡ ngang trên sàn xe triền là: 4 dầm
Tải trọng tác dụng trên một dầm là: p = 64 T.
Ta coi tải trọng tác dụng lên sàn xe triền là phân bố đều, như vậy ta có thể tính
được tải trọng phân bố đều trên dầm là: q = 
3000
1000.81,9.64
l
p
210 N/mm
Trong đó: Ứng suất bền cho phép của vật liệu làm dầm là:


235

N/mm
2

Ứng suất tiếp cho phép của vật liệu:



5,117

N/mm
2

Dầm đặt trên gối di động
Tính bền tại mặt cắt giữa
Mô men uốn tại mặt cắt giữa dầm là: M = 236250000
8
3000.210
8
22

ql
N/mm
2

Lực cắt cực đại của dầm: Q = 315000
2
3000.210
2

ql
N/mm
2

Mô men quán tính: J
x

= 14.150.211.2
12
422.12
2
3
 = 262139648 mm
4

Mô men chống uốn của mặt cắt: W
x
=
225
x
J


1165065 mm
3

Ứng suất tiếp lớn nhất:

 
4,3
5,117.262139648
)2/211.12218.2.150.(315000
.
.
2
Fc
max






x
y
J
SQ
N/mm
2
<




Ứng suất pháp lớn nhất: 203
1165065
236250000
W
x
max

M

N/mm
2
<





Theo thuyết bền 3 ta có:
03,2034,3.42034
222
max
2
max


td
N/mm
2
<




Vậy kết cấu trên là đủ bền
3.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHAO CỬA Ụ
3.2.1 Các thông số phao cửa ụ:
Chiều dài: L = 21,4 m
Chiều rộng: B = 2,2 m
Chiều cao: H = 6,65 m
Chiều chìm: T = 1,8 m
Lượng chiếm nước: D = 70 tấn
Dung tích toàn phần: V = 255 m
3

3.2.2 Kết cấu phao:

Phao cửa ụ được đóng bằng thép đóng tàu có giới hạn bền 2400KG/cm
2

Phao cửa ụ được đóng theo hệ thống kết cấu ngang với các cơ cấu dầm dọc,
khoảng sườn thực là a = 500 mm
Qui cách các cơ cấu chính
 Tôn boong S = 10mm
 Tôn mạn vùng đáy S = 10mm
 Tôn vùng cạnh S = 10mm
 Tôn mạn giữa S = 8mm
 Tôn đáy S = 10mm
 Tôn vách dọc S = 8mm
 Sống dọc boong L65x65x8
 Sống dọc mạn T150x8/50x10
 Sống dọc đáy L65x65x8
 Sườn thường L65x65x8
 Sườn khoẻ T150x8/50x10
 Sườn đặt S = 8mm
 Nẹp sườn đặt 10x8
3.2.3 Tính tốn bền cho phao cửa ụ:
KHOANG CHỨA NƯỚC
KHOANG KHÔ ĐỂ MÁY BƠM CẤP VÀ XẢ NƯỚC CỦA PHAO
Mố đỡ đỉnh phao
Hình 3.6 Sơ đồ mặt đứng cửa phao
Tính bền cho cửa nổi dựa trên mơ men uốn tại điểm giữa của phao và lực
cắt tại hai đầu mố kê
Cửa phao tựa lên trên hai mố đầu ụ chịu tải của tồn bộ khối lượng phao và
lượng nước dằn trong phao tai vị trí đáy phao chịu phản lực của cao su làm kín
nước nhưng khơng đáng kể nên bỏ qua.
Vậy tổng tải trọng tính tốn là 70 tấn và phân bố như sau:

BA
1836934 ,8 N .m
R B = 343352 N
R A = 343352 N
Q x N
M x (N /m m )
+
-
3433 52
343352
21,4 m
q=32089(N /m )

Hình 3.7 Mô hình tải trọng tác dụng lên phao cửa ụ
Mô men uốn lớn nhất tại điểm giữa cửa: x = 10,7m
M
xmax
= 1836934,8 (N.m) = 1836934800 (N.mm)
Mặt cắt ngang tại điểm giữ của cửa:
Z = 0,2423 (m
3
) = 242300000 (mm
3
)
Ứng suất tại điểm giữa của cửa là:
58,7
242300000
1836934800
max


Z
M
x

(N/mm
2
) <


235

(N/mm
2
)


235

(N/mm
2
)_Ứng suất cho phép của vật liệu
Vậy phao cửa ụ thoả mạn yêu cầu độ uốn dọc.
Tại vị trí 2 đầu mố kê (2 đầu vai đỡ phao cửa ụ).
A
kết cấu gia cường
= 1450x6650 = 9642500 mm
2

Áp lực tác dụng lên 2 đầu vai đỡ cửa ụ là:
P = R

A
= R
B
= 343352 (N)
Với A là diện tích cho phép
P là áp lực


235

(N/mm
2
)_Ứng suất cho phép của vật liệu

A =
 
07,1461
235
343352


P
(mm
2
) < (9642500 mm
2
) tại 2 đầu mố kê của phao

A
cho phép

< A
kết cấu gia cường

Như vậy trong trường hợp phao cửa ụ đóng thì tại vị trí vai đỡ 2 đầu chịu
khối lượng của bản thân và thể tích nước chênh với mức nước của thuỷ triều là 70
tấn. Theo tính toán như trên thì kết cấu vai đỡ 2 đầu đủ bền.
* Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên thành cửa ụ:
Tính bền cho phao nổi dựa trên mô men uốn tại điểm giữa của phao và lực
cắt tại vị trí đầu tựa lên gờ chắn phao cửa ụ.
Đáy cửa tựa lên gờ chắn phao cửa ụ và chịu áp lực thuỷ tĩnh lớn nhất là 5,4
tấn/m theo sơ đồ phân bố tải trọng. Phao cửa ụ là một cấu kiện liên kết bằng cách
hàn các chi tiết với nhau, vì thế phao cửa ụ là một cấu kiện vững. Khi áp lực thuỷ
tĩnh tác dụng lên thành ngoài phao cửa ụ thì cấu kiện sẽ chịu toàn bộ áp lực thuỷ
tĩnh. Để đơn giản hoá trong quá trình tính toán ta mô hình sơ đồ phân bố trên
thành sơ đồ phân bố lực như sau:
q=52974(N /m )
158922
158922
-
+
M x
(N /m m )
Q x N
R A = 1 58922 N
R
B
= 158922 N
23838 3 N .m
A B
6 m

Hình 3.8 Sơ đồ phân bố lực
Mô men uốn lớn nhất tại điểm giữa phao: x = 10,7 m
M
xmax
= 238383 (N. m) = 238383000 (N.mm)
Mặt cắt ngang tại giữa phao:
Z = 0,165 (m
3
) = 165000000 (mm
3
)

Ứng suất tại điểm giữa phao:
445,1
165000000
238383000
max

Z
M
x

(N/mm
2
) <


235


(N/mm
2
)


235

(N/mm
2
)_Ứng suất cho phép của vật liệu
Vậy cửa phao thoả mãn yêu cầu của áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên
Tại vị trí cửa ụ tựa lên gờ chắn phao cửa ụ.
A
kết cấu gia cường
= 700 x 6650 = 4655000 mm
2

Áp lực tác dụng lên gờ chắn phao cửa ụ là: P = R
A
= R
B
= 158922 (N)
Với A là diện tích cho phép
P là áp lực


235

(N/mm
2

)_Ứng suất cho phép của vật liệu


 
26,676
235
158922


P
A
(mm
2
) < 4655000 (mm
2
) tại 2 đầu mố kê cửa phao

A
cho phép
< A
kết cấu gia cường

Như vậy trong trường hợp cửa ụ đóng thì tại vị trí phao cửa ụ tựa lên gờ chắn tại
đáy phao tính toán theo điều kiện cắt không ảnh hưởng đến kết cấu.
TÍNH SỨC BỀN DỌC PHAO CỬA Ụ
635491)(


Ay (mm
2

.m) 179175)(


Ai (mm
2
)
2914146)(
2
 Ay (mm
2
.m
2
) 94128)(


i
y
2
=
547,3
179175
635491
)(
)(



Ai
Ay
(m) y

1
= 6,65 – y
2
= 6,65 – 3,547 = 3,113 (m)
I
0
= 3008274941282914146)(
2
 iAy (mm
2
.m
2
)
2254086).().(
2
2
2
 AyyAy (mm
2
.m
2
)
I
NA
= I
0
- 754188)()(
20
2
2

 AyyIAy (mm
2
.m
2
)
Z
1
= 2423,0
1

y
I
NA
(m
3
)_mô đun chống uốn tại mặt trên

trên, dưới
= 58,7
10.2423,0
1836934800
9
1
max

Z
M
x
(N/mm
2

) < 235)( A
y

(N/mm
2
)
Z
2
= 213,0
2

y
I
NA
(m
3
)_mô đun chống uốn tại mặt đáy
TÍNH SỨC BỀN DỌC TẠI ĐIỂM GIỮA PHAO CỬA Ụ
159525)(


Ay (mm
2
.m) 152475)(


Ai (mm
2
)
286427)(

2
 Ay (mm
2
.m
2
) 14830)(


i
y
2
=
05,1
152475
159525
)(
)(



Ai
Ay
(m) y
1
= 2,2 – y
2
= 2,2 – 1,05 = 0,95 (m)
I
0
= 30125714830286427)(

2
 iAy (mm
2
.m
2
)
144851152475.95,0).().(
2
2
2
 AyyAy (mm
2
.m
2
)
I
NA
= I
0
- 156405144851301257)()(
20
2
2
 AyyIAy (mm
2
.m
2
)
Z
1

= 165,0
10.95,0
156405
6
1

y
I
NA
(m
3
)_mô đun chống uốn tại mặt trên

trên, dưới
= 445,1
10.165,0
238383000
9
1
max

Z
M
x
(N/mm
2
) < 235)( A
y

(N/mm

2
)
Z
2
= 149,0
10.05,1
156405
6
2

y
I
NA
(m
3
)_mô đun chống uốn tại mặt đáy
574 2
48 40
750 750 750
388
FR .24
vũ trớ tử ùa leõn g ụứ chaộn
700
700
6 8
8
45
481
162
1065

750
520 0
65x65x8 EA
10
8
86
8
610
150x8+50x10F.B(T)
1650
1100
550
2200

3.2.4 Tớnh nghim n nh cho phao.
Vic tớnh n nh cho phao ta coi nh tớnh toỏn n nh cho mt con tu v
c tớnh theo quy phm phõn cp v úng tu Sụng TCVN: 5801 2001.
Phao iu kin n nh khi: Mcf/Mng

1
Trong ú: Mcf_mụ men nghiờng cho phộp, c xỏc dnh theo cụng thc
Mcf = D * Lcf (tm)
Lcf_cỏnh tay ũn n nh cho phộp (m)
Mng_mụ men nghiờng do giú tỏc dng v c xỏc nh theo cụng
thc. Mng = 0,001* APZ (tm)
A_din tớch hng giú ca Phao (m
2
)
P_ỏp lc giú (KG/m
2

)
Z_tay đòn hứng gió (m)
Các thông số của phao:
Chiều dài lớn nhất: L
max
= 21,4 m
Chiều dài thiết kế: L
tk
= 21,4 m
Chiều rộng lớn nhất: B = 2,2 m
Chiều rộng thiết kế: B
tk
= 2,2 m
Chiều cao: H = 6,65 m
Chiều chìm: T = 1,8 m
Lượng chiếm nước: D = 70 tấn
Hệ số beo thể tích: Cb = 0,59
Hệ số beo đường nước: Cw = 0,93
Vùng hoạt động Sông - Vịnh kín
Bảng toạ độ tuyến hình và đường hình của phao như sau:
BẢNG TOẠ ĐỘ TUYẾN HÌNH
NỬA CHIỀU RỘNG CAO ĐỘ
STT ĐN0 ĐN1 ĐN2 ĐN3 ĐN4 ĐN5 ĐN6 MB DT MB
0 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 1,80 6,65
0,5 0,35 0,35 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 1,80 6,65
1 0,35 0,35 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 1,80 6,65
2 0,35 0,35 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 1,80 6,65
2,5 0,35 0,35 0,95 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,80 6,65
3 0,35 0,35 0,95 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,80 6,65
4 0,35 0,35 0,95 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,80 6,65

5 0,35 0,35 0,95 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,80 6,65
6 0,35 0,35 0,95 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,80 6,65
7 0,35 0,35 0,95 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,80 6,65
8 0,35 0,35 0,95 1,10 1,10 1,10 1,10 1,10 1,80 6,65
8,5 0,35 0,35 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 1,80 6,65
9 0,35 0,35 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 1,80 6,65
9,5 0,35 0,35 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 1,80 6,65
10 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 1,80 6,65