Tính toán lựa chọn phương pháp thiết kế cửa van phẳng

1
Yêu cầu: Tính toán lựa chọn phương pháp thiết kế cửa van phẳng
I/ Tài liệu thiết kế:
Chiều rộng lỗ cống L
o
=6.5m
Chiều cao lỗ cống H=7.5m
Vật liệu dùng để chế tạo cửa van là thép CT3.
Kết cấu dùng liên kết hàn.
Hệ số điều kiện làm việc: m=0,75
Hệ số vượt tải: n
p
=1,1
Cường độ tính toán của thép chế tạo van: R= 0,72.2100=1512(daN/cm
2
)
R
k
=R
n
=1490(daN/cm
2
)
R
u
=1565(daN/cm
2
)
II/ Vị trí và bố trí chi tiết các kết cấu:
1.Dầm chính:
- Tính lực tác dụng lên dầm chính:

Lấy
)/(10
3
mKN
=
γ

H=7.5(m)
Phạm Thị Thu Hằng
2
Lực tác dụng lên dầm chính:
)/(625,1405.7.10
4
1
4
1
2
22
mKNH
W
q
n
====
γ
Ta có
1.1
=
p
n
Vậy

)/(688,154625.140.1,1 mKNqnq
TC
p
===
- Tính nhịp dầm:
Chọn c= 280mm= 0,28m
L=L
o
+2c= 6.5+ 2.0,28= 7,06 (m)
Đây là dầm tổ hợp hàn, tiết diện chữ I có: Nhịp tính toán L=7,06(m)
Tải trọng tác dụng q=154,688(KN/m)
Sơ đồ tính toán dầm chính:
7060
q=154,688(KN/m2)
Phạm Thị Thu Hằng
3
Lo=6500
c=280
c=280
2. Xác định sơ bộ vị trí, kích thước dàn ngang:
)(106.7
7
1
7
1
mL
==
Chọn số lượng dàn ngang là 5
Nên khoảng cách giữa các dàn ngang B=1,265(m) (Thỏa mãn B<4m)
3. Xác định sơ bộ vị trí dầm phụ:

Dầm phụ được hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các dàn ngang, nó được tính
toán như một dầm đơn, gối tựa là hai dàn ngang và đỡ tải trọng của bản mặt
truyền đến, tại một độ sâu nhất định được coi là phân bố đều.
Bố trí dầm phụ ở phía trên thưa, càng xuống sâu sẽ dầy dần vì áp lực nước tăng
lên.
Dầm phụ chọn loại dầm tiết diện chữ C đặt úp tránh đọng nước.
Phạm Thị Thu Hằng
4
Chọn và bố trí vị trí dầm chính, dầm phụ và các dàn ngang như hình vẽ sau:
Phạm Thị Thu Hằng
5
1100
11001100833
833
417
833
833
417
1000 1250 1250 1250 1250 1000

Phạm Thị Thu Hằng
6

375,35,7.45,0.45,0333,3
3040
1
==<=
>=
o
oo

Ha
α
Vậy bố trí như trên là hợp lý.
III/ Tính toán các bộ phận kết cấu:
1.Tính toán bản mặt:
Trong một hàng ngang nằm giữa hai dầm phụ (i, i+1), chỉ cần tính cho một ô rồi
lấy tương tự cho ô khác. Trường hợp bản mặt hàn lên dầm phụ và thanh trên của
dàn ngang thì bản mặt có sơ đồ tính là bản tựa bốn cạnh. Chiều dày bản mặt xác
định theo công thức sau:
)1(2
2
nR
kP
a
+
=
δ
a là cạnh ngắn của ô
k=0,75 là hệ số phụ thuộc vào liên kết
P là cường độ áp lực nước tĩnh tại tâm ô đang xét
R=0,72. 2100=1512(daN/cm
2
)
n là tỷ số giữa cạnh ngắn và cạnh dài
Kết quả tính toán lập thành bảng như sau:
Phạm Thị Thu Hằng
7
Ký hiệu ô a
i
(cm) b

i
(cm) n P
i
(daN/cm
2
)
δ
(cm)
1 111,1 126,5 0,878 0,056 0,3
2 111,1 126,5 0,878 0,167 0,5
3 111,1 126,5 0,878 0,278 0,7
4 83,35 126,5 0,659 0,375 0,7
5 83,35 126,5 0,659 0,458 0,7
6 83,35 126,5 0,659 0,542 0,8
7 83,35 126,5 0,659 0,625 0,9
8 41,65 126,5 0,329 0,688 0,5
9 41,65 126,5 0,329 0,729 0,5
Dựa vào bảng trên đã tính được, chọn chiều dày bản mặt
)(9,0 cm
bm
=
δ
2. Tính toán dầm phụ:
Dầm đơn, gối tựa là hai dàn ngang, nhịp tính toán B, tải trọng tác dụng phân bố
đều trên toàn chiều dài dầm là:
iii
bpq
=
Trong đó: p
i

là áp lực nước tác dụng lên dầm phụ
b
i
là bề rộng của tải trọng tác dụng lên dầm phụ thứ i
2
dtr
i
aa
b
+
=
a
tr
là khoảng cách từ dầm phụ thứ i đến dầm trên nó (i-1)
a
d
là khoảng cách từ dâm phụ thứ i đến dầm dưới (i+1)
Kết quả tính toán lập thành bảng sau:
Phạm Thị Thu Hằng
8
Tên
dầm
P
i
(KN/m
2
)
a
tr
(m) a

d
(m)
2
dtr
i
aa
b
+
=
iii
bpq
=
iptt
qnq
=
M
max
(daNcm)
1 11,11 1,111 1,111 1,111 12,34 13,574 27151,8
2 22,22 1,111 1,111 1,111 24,69 27,159 54325,6
3 41,665 0,8335 0,8335 0,8335 34,73 38,203 76416,7
4 50 0,8335 0,8335 0,8335 41,68 45,848 91708,9
5 58,335 0,8335 0,8335 0,8335 48,62 53,482 106979
6 70,835 0,4165 0,4165 0,4165 29,5 32,45 64909,1
M
max
= 106979(daNcm) Suy ra W
x
=114,3(cm
3

)
Vậy ta chọn dầm phụ là thép chữ C N
0
18 với các đặc trưng hình học như sau:
h(mm) b(mm) d(mm) t(mm)
R(mm
)
F
180 70 5.1 8.7 9
J
x
(cm
4
)
J
y
(cm
4
)
W
x
(c
m
3
)
W
y
(c
m
3

)
r
x
(cm
)
r
y
(cm
) S
x
Z
o
(c
m)
1090 86 121 17 7.24 2.04 68.8 1.94
Kiểm tra: khả năng chịu lực của dầm đã chọn kể cả bản mặt:
Phạm Thị Thu Hằng
9
)/(15122100.72,0)/(21,699
153
106979
)(153
552,15
2375
)(23757,20.552,6109052.9,0.898,2
12
9,0.52
)(552,6
7,2052.9,0
45,9.52.9,0

22
max
max
3
max
422
3
cmdaNmRcmdaN
W
M
cm
y
J
W
cmJ
cmy
x
x
x
x
c
==<===
===
=+++=
=
+
=
σ
L
f

=
384
5
.
EJ
lq
3
.
=
384
5
.
2375.10.65,2
5,126.62,48
6
3
= 0,2.10
-3
<
250
1
Vậy dầm phụ đảm bảo về cường độ và độ cứng.
3. Tính toán dầm chính:
a. Tính toán chọn kích thước dầm chính kể cả bản mặt tham gia chịu lực:
Tính
qP
qP
E
RLn
h

TCTC
o
∑+∑
∑+∑
=
24
5
min
Trong đó:
R=1512(daN/cm
2
)
n
o
=600
L=7,06m
E=2,65.10
6
daN/cm
2
Phạm Thị Thu Hằng
10
q
TC
=140,625 KN/m
q=154,688 KN/m
n
P
=1,1
P

tc
=0
P=0
Thế số liệu vào ta được:
)(77,45
688,154
625,140
10.65,2
600.706.1512
24
5
6
min
cmh
==
Tính
3
5,1
ycbkt
Wh
λ
=
Trong đó:

100
=
b
λ

)(5,9637758)(963,77585

8
06,7.688,154
8
2
2
max
daNcmKNm
qL
M ====

)(1789,6374
1512
5,9637758
3
max
cm
R
M
W
yc
===

Thế số vào ta được
)(516,981789,6374.100.5,1
3
cmh
kt
==
Phạm Thị Thu Hằng
11

)(516,98
min
cmhhh
kt
=⇒>
)(5902,93516,98.95,095,0 cmhh
b
===
Chọn chiều cao bản bụng h
b
=100(cm)
Tính
)(1
100
100
cm
h
b
b
b
===
λ
δ
cb
b
Rh
Q
5,1=
δ
Ta có biểu đồ momen M và lực cắt Q sau:

Q (KN)
M (KNm)
546,049
546,049
963,776
Ta được Q=39136,16(daN)
Phạm Thị Thu Hằng
12
R
c
=0,72.1300=936(daN/cm
2
)
)(63,0
936.100
16,39136
5,1 cm
b
==⇒
δ
Vậy chọn chiều dày bản bụng δ
b
=1cm
Chọn δ
c
=20mm=2cm
Chiều cao chính xác của dầm là h=h
b
+2 δ
c

=100+2.2=104(cm)
h
c
=h
b
+ δ
c
=100+2=102(cm)
)(248124
12
100.1
2
104
1789,6374
122
4
3
3
cm
h
h
WJ
bb
ycc
=−=−=
δ
Vậy chiều rộng cánh là:

)(24)(9,23
102.2

248124.2
2
22
cmcm
h
J
b
cc
c
c
≈===
δ
b. Kiểm tra lại tiết diện dầm chính đã chọn:
Phạm Thị Thu Hằng
13
690
Xo
1000
10
20
20
240
X
126
-
Kiểm tra cường độ:
Ứng suất pháp lớn nhất xác định được:
Ry
J
M

x
≤=
max
max
max
σ
Trong đó:
)(5,9637758)(963,77585
8
06,7.688,154
8
2
2
max
daNcmKNm
qL
M
====
F=0,9.69+2.24+1.100+2.24=258,1(cm
2
)
Phạm Thị Thu Hằng
14
)(6,64
)(46279924.2.6,63
12
2.24
100.1.6,12
12
100.1

24.2.4,38
12
2.24
9,0.69.85,39
12
9,0.69
)(6,12
1,258
45,52.9,0.69
max
42
3
2
3
2
3
2
3
cmy
cmJ
cmy
x
c
=
=+++++++=
==
Thế số vào ta được:
)/(1512)/(3,13456,64
462799
5,9637758

22
max
cmdaNRcmdaN =<==
σ
Ứng suất tiếp lớn nhất xác định theo:
c
bo
o
R
J
SQ
≤=
δ
τ
max
max
max
Trong đó:
)(52,25252,38.24.26,18.2,37.1
)(1579722.24.2,38
12
2.24
60.1.2,7
12
60.1
2.24.8,23
12
2.24
9,0.69.25,25
12

9,0.69
)(2,7
1,218
45,32.9,0.69
)(1,21824.260.124.269.9,0
)(049,546
2
06,7.688,154
2
3
0
42
3
2
3
2
3
2
3
'
2'
max
cmS
cmJ
cmy
cmF
KN
qL
Q
o

c
=+=
=+++++++=
==
=+++=
===
Thế số vào ta được:
)/(936)/(873
1.157972
52,2525.9,54604
22
max
cmdaNRcmdaN
c
=<==
τ
Phạm Thị Thu Hằng
15
Kết luận: Dầm ổn định về cường độ.
-
Kiểm tra về độ cứng (độ võng):
α
x
TC
JE
Lq
l
f
.384
5

3
=
Trong đó:
q
TC
=140,625(daN/cm
2
)
L=706(cm)
E=2,65.10
6
(daN/cm
2
)
J
x
=462799(cm
4
)
α =0,8
Thế số vào ta được:
44
6
3
10.7,1610.6,6
8,0.46279910.65,2
706.625,140
384
5
−−

<==
l
f
Phạm Thị Thu Hằng
16
Kết luận: Dầm ổn định về độ cứng
-
Tính liên kết hàn góc giữa bản cánh và bản bụng:
h
go
c
o
h
RJ
SQ
h
β
2
max
=
Trong đó:
)(1579722.24.2,38
12
2.24
60.1.2,7
12
60.1
2.24.8,23
12
2.24

9,0.69.25,25
12
9,0.69
)(049,546
2
06,7.688,154
2
42
3
2
3
2
3
2
3
max
cmJ
KN
qL
Q
o
=+++++++=
===
)/(1500
7,0
)(29762,38.24.28,23.24.2
2
3
cmdaNR
cmS

h
g
c
o
=
=
=+=
β
Thế số vào ta được:
)(5,0
1500.7,0.2.157972
2976.9,54604
cmh
h
==
Vậy lấy h
h
=0,6(cm)
-
Kiểm tra ổn định:
Phạm Thị Thu Hằng
17
Không cần kiểm tra ổn định tổng thể của dầm.
Kiểm tra ổn định cục bộ của các ô dầm:
m
th
b
th
b
≤









+








22
τ
τ
σ
σ
Trong đó:
)(8,742
7,1
8,74
5,126
cmyhd
bb
===

==
−
µ
)/(
8,741.8,74
)/(10.08,8
462799
4,37.
)/(2110)/(211)
8,74
1.100
)(
7,1
95
125()
100
)(
95
125(
)/(13333)/(3,1333
4,37.2
1.100
746
2
100100
2
25
22
22
22

2
2
2
cmdaN
QQ
h
Q
cmdaNM
M
y
J
M
cmdaNmMN
d
cmdaNmMN
y
K
h
K
bb
b
b
x
b
b
th
b
b
o
b

b
oth
===
===
==+=+=
==






=








=









=
−
−
δ
τ
σ
δ
µ
τ
δδ
σ
Phạm Thị Thu Hằng
18
Lo=6500
c=280
c=280
I
II III
IV
V
VI
Kiểm tra ô thứ nhất:
Q=39136(daN)
M=3110700(daNcm)
Thế số vào ta tính ra được

72,025,0
22
<=









+








th
b
th
b
τ
τ
σ
σ
Kiểm tra ô thứ 2:
Q=29350(daN)
Phạm Thị Thu Hằng
19
M=7228000(daNcm)
Thế số vào ta được:

72,019,0
22
<=








+








th
b
th
b
τ
τ
σ
σ
Kiểm tra ô thứ 3:
Q=9784(daN)

M=9444400(daNcm)
Thế số vào ta được:
72,008,0
22
<=








+








th
b
th
b
τ
τ
σ
σ

Kết luận: các ô dầm ổn định.
Kết luận chung: dầm ổn định.
4. Tính toán dàn ngang:
Phạm Thị Thu Hằng
20
a. Xác định kích thước hình học của dàn ngang:
Kí
hiệu
thanh
dàn
01 08 12 18 82 87 72 73 32 34 36 67 64 65 45
Chiều
dài
(cm)
166,65 180,75 166,65 50 180,75 180,
75
100 194,
39
166,
7
166,7 194,
39
333,4 100 130,
15
83,3
b. Đưa tải trọng phân bố về mắt dàn:
Đây là dàn hình thang chịu lực tác dụng của tải trọng phân bố theo quy luật tam
giác của áp lực nước, bề rộng tác dụng của tải trọng là B.
Gọi các điểm nút là 0,1,2,3,4,5 ứng với các tải trọng tập trung tại các mắt dàn P
i

(i=0,1,2,3,4,5) và cường độ áp lực thủy tĩnh tại các mắt dàn q
i
(i=0,1,2,3,4,5).
Phạm Thị Thu Hằng
21
q
1
q
2
q
3
q
4
q5
q
o
0
1
2
4
5
6
7
8
3

W
1
W
2

W
3
W
4
W5
0
1
2
4
5
6
7
8
3
Tính áp lực thủy tĩnh tại mắt dàn theo công thức:
TC
ipi
i
TC
i
qnq
Bhq
=
=
∑
γ
Tính hợp lực của các lực phân bố tác dụng lên các thanh: W
i
= diện tích của lực
phân bố.

Tọa độ trọng tâm của hình thang Z
i
tra theo bảng 7.4 trang 198 giáo trình kết cấu
thép.
Phạm Thị Thu Hằng
22
Tải trọng phân bố tác dụng lên mỗi thanh giàn được đưa về các mắt dàn theo
quy tắc phân lực song song. Chẳng hạn như:
45
545
55
45
5
5
34
434
44
34
4
4
23
323
33
23
3
3
12
212
22
12

2
2
01
101
11
01
1
1
)(
l
Zl
WP
l
Z
W
l
Zl
WP
l
Z
W
l
Zl
WP
l
Z
W
l
Zl
WP

l
Z
W
l
Zl
WP
l
Z
WP
o
−
=
+
−
=
+
−
=
+
−
=
+
−
=
=
Áp dụng các công thức trên ta lập được bảng sau:
Mắt dàn 0 1 2 3 4 5 Tổng
h
i
(m) 0 1,6665 3,333 5 6,667 7,5

B (m) 1,265 1,265 1,265 1,265 1,265 1,265
)/( mKNq
TC
i
0 21,08 42,16 63,25 84,34 94,875
)(KNW
TC
i
17,56 52,69 87,86 123,02 74,64
Z
i
(m) 0,5555 0,74 0,778 0,794 0,41
)(KNP
TC
i
5,85 35,103 70,298 105,45 101,16 37,9
)(KNP
i
6,435 38,61 77,33 116 111,276 41,69 391,341
Phạm Thị Thu Hằng
23
Tổng áp lực tác dụng:
∑
==== )(358,3911,1.78,3551,1.265,1.5,7.10.
2
1
1,1.
2
1
22

KNBHP
i
γ
Xác định sai số:

%5%0100.
358,391
341,391358,391
<=
−
c. Xác định nội lực các thanh dàn:
Sử dụng phương pháp tách nút để tính toán nội lực trong thanh.
Phạm Thị Thu Hằng
24
Po
P
1
P
2
P
3
P
4
P
5
R
A
R
B
R

A
=R
B
=195,67(KN)
Tên thanh Nội lực (KN) Trạng thái nội lực Chiều dài thanh (cm)
01 21,04 Chịu kéo 166,65
12 21,04 Chịu kéo 166,65
23 84,18 Chịu kéo 166,7
34 33,22 Chịu kéo 166,7
45 33,22 Chịu kéo 83,3
08 22,01 Chịu nén 173,99
87 88,04 Chịu nén 173,99
76 37,8 Chịu kéo 333,4
65 53,92 Chịu nén 130,15
18 38,61 Chịu nén 50
28 66,03 Chịu kéo 173,8
Phạm Thị Thu Hằng
25
27 96,63 Chịu nén 104
37 142,32 Chịu nén 194,39
36 82,91 Chịu nén 194,39
46 111,276 Chịu nén 104
d. Chọn tiết diện thanh dàn:
- Chọn tiết diện cho thanh cánh thượng:
Thanh cánh trên thường dùng thép chữ I. Thanh cánh thượng của dàn ngang
ngoài chịu lực dọc còn chịu uốn do tải trọng ngang trực tiếp của áp lực nước cho
nên ta tính thanh cánh thượng như thanh chịu lực lệch tâm có kể cả phần bản
mặt cùng tham gia chịu lực.
Chọn thanh 23 để tính toán vì thanh có lực dọc N=84,18(KN) lớn nhất thanh
cánh thượng và chiều dài l

23
= 166,7(cm)
Momen uốn là
Phạm Thị Thu Hằng