bài giảng kết cấu thép bản

BÀI GIẢNG
KẾT CẤU THÉP BẢN
CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG
CHƯƠNG II: BỂ CHỨA CHẤT LỎNG
CHƯƠNG III: BỂ CHỨA TRỤ NGANG
CHƯƠNG IV: VÍ DỤ TÍNH TOÁN

1


 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. TCVN 5575-2012: Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
2. TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động. Tiêu chuẩn thiết kế.
3. Phạm Văn Hội (chủ biên). Kết cấu thép 2: Công trình dân dụng và công
nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. Hà Nội, 1998.
4. Đoàn Định Kiến (chủ biên). Kết cấu thép. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ
thuật. Hà Nội, 1998.
5. Tuyển tập TCVN: Thép kết cấu và thép dùng cho xây dựng. Nhà xuất
bản Xây dựng. Hà Nội, 2001.
2


CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG
 
I. KHÁI NIỆM
II. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO
III. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỎ MỎNG TRÒN XOAY

3


I. KHÁI NIỆM
1. Khái niệm
Kết cấu thép bản là những kết cấu được chế tạo chủ yếu từ thép tấm. Kết cấu
thép bản thường dùng để chứa, vận chuyển hoặc chế biến chất lỏng, chất khí
hoặc vật liệu hạt.
2. Phạm vi sử dụng (phân loại)
Bể chứa chất lỏng (nước, sản phẩm hoá dầu, ...).
Bể chứa khí.
Bunke và xilô: chứa các vật liệu hạt (than, cát, ximăng, ...).
Đường ống dẫn chất lỏng, chất khí (đường kính trên 0,6m).
Lò cao, lò hơi, lò hút bụi, ống khói.
4


Hình 1: Bể chứa chất lỏng

5


Hình 2: Bể chứa khí

6


Hình 3: Bể chứa khí

7

Hình 4: Si lô

8


Hình 5: Đường ống dẫn dầu

9


Hình 6: Đường ống dẫn khí

10


Hình 7: Lò cao trong nhà máy luyện kim
(Tổ hợp luyện kim Cherepôvets CHLB Nga - Xây năm 1986 - Dung tích lò luyện 5580
11
m3 hiện là lớn nhất thế giới)


Hình 8: Nhà máy luyện thép ở Bô ca rô (Ấn Độ)

12


II. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO
Điều kiện làm việc của kết cấu bản rất khác nhau: kết cấu có thể đặt ngầm hoặc

nổi trên mặt đất, chịu tải trọng tĩnh hoặc động, chịu áp lực bên trong hoặc
chân không, chịu tác động của nhiệt độ, của các chất ăn mòn...
Kết cấu bản thường vừa là kết cấu chịu lực vừa là kết cấu bao che. Do đó kết cấu
bản vừa phải có đủ khả năng chịu lực vừa cần có tính kín (không thấm
nước, không thấm khí). Liên kết trong kết cấu bản chủ yếu là liên kết hàn.
Kết cấu bản thường xuyên làm việc ở trạng thái ứng suất lớn (xấp xỉ cường độ
tính toán của vật liệu thép). Ngoài ra ở chỗ nối giữa thành và đáy còn chịu
ứng suất cục bộ lớn nhưng lại giảm rất nhanh ra xa vị trí nối (hiện tượng
hiệu ứng biên). Vì vậy hệ số điều kiện làm việc của kết cấu bản lấy bằng 0,8.
Kết cấu bản thường được chế tạo từ thép tấm mỏng dạng cuộn cán nguội khi t ≤
4 mm và dạng cuộn cán nóng khi t = 4 ~ 10 mm. Riêng bể chứa các chất
lỏng ăn mòn thường được làm từ hợp kim nhôm hoặc từ thép thường có phủ
kim loại không gỉ ở mặt tiếp xúc với chất lỏng.
13


III. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỎ MỎNG TRÒN XOAY
1.

Khái niệm

Vỏ là vật thể giới hạn bởi 2 mặt với khoảng cách giữa chúng (bề dày
của vỏ) rất nhỏ so với các kích thước khác.
Thông thường các vỏ có bề dày không đổi nên các thông số hình học
của vỏ lấy theo mặt trung bình. Vỏ mỏng là những vỏ có t / r <
1/30.
Kết cấu bản thường là vỏ mỏng tròn xoay. Vỏ tròn xoay có 1 trục đối
xứng (riêng vỏ cầu có 2 trục đối xứng) và 2 bán kính cong r1 và r2
(r1 - bán kính kinh tuyến, tạo nên đường sinh cong của vỏ; r2 - bán
kính tròn, có tâm nằm trên trục).

14


Hình 9: Sơ đồ tính vỏ tròn xoay
a) Dạng chung; b) Nội lực ở mặt trung bình; c) Trạng thái ứng suất mô men; d) Trạng thái
15
cân bằng của phân tố vỏ; e) Hiệu ứng biên


Khi chịu tải trọng bất kỳ, trong vỏ xuất hiện 2 nhóm nội lực:
Các lực pháp tuyến (N1, N2) và lực trượt (S1, S2) tác dụng trong mặt phẳng
tiếp tuyến với mặt trung bình của vỏ.
Các mômen uốn (M1, M2), mômen xoắn (M12, M21), lực cắt (Q1, Q2).
Vỏ khác tấm ở chỗ trong vỏ ngoại lực tác dụng cân bằng chủ yếu với nội lực
pháp tuyến và nội lực trượt. Do đó vỏ chủ yếu làm việc chịu kéo hoặc nén
nên vật liệu được tận dụng cao hơn.
Nếu ứng suất không đổi trong bề dày vỏ thì trạng thái ứng suất trong vỏ gọi
là phi mômen. Ngược lại, nếu ứng suất thay đổi trong bề dày vỏ thì gọi là
trạng thái ứng suất có mômen. Do đó có 2 lý thuyết tính toán vỏ: lý thuyết
phi mômen và lý thuyết có mômen.
Theo các nghiên cứu lý thuyết, trạng thái ứng suất trong các vỏ mỏng ở tại
những vị trí cách xa mép vỏ coi là phi mômen. Do đó các vỏ mỏng được
tính toán theo lý thuyết phi mômen.

16


2. Lý thuyết phi mômen
Tách 1 phân tố (dS1, dS2) bằng 4 mặt phẳng. Gọi:

N1 - lực dọc kinh tuyến;
N2 - lực vòng;
p - áp lực phân bố đều trong vỏ.
N1 = σ1.dS2 .t
Ta có:

(1)

N 2 = σ 2 .dS1.t
Phương trình cân bằng hình chiếu lên mặt phẳng XOY:
dϕ
dα
pdS1dS2 = 2N1sin
+ 2N 2sin
2
2
Do (dϕ/2;dα/2) nhỏ, nên:
dϕ dϕ
dα dα
sin
≈
; sin
≈
2
2
2
2
dS2
dS1
d

ϕ
=
;
dα
=
Mặt khác:
r1
r2
17


⇒ pdS dS = 2N dS2 + 2N dS1
1
2
1
2
2r1

2r2

⇒ p = N1 + N 2
r1dS1

r2 dS2

(2)

Thay giá trị của N1, N2 từ (1) vào (2) thu được phương trình cân bằng
Laplaxơ:

σ
σ
p
= 1 + 2
t
r1
r2
Để tìm các ẩn sốσ1 , σ 2 , xét các trường hợp:
r1 = r2 = r và σ1 = σ 2 = σ thay vào (3) được:
Vỏ cầu:
p
2σ
pr
=
⇒ σ=
t
r
2t

r1 = ∞ ⇒ σ1/r1 = 0
Vỏ trụ:
pr
σ2 = 2
t

(3)

(4)

(5)18

 Vỏ nón: r1 = ∞
Ứng suất theo phương kinh tuyến:
Ứng suất theo phương vòng:

σ2 =

σ1 =

pri
2t.cosβ

pri
t.cosβ

(6)
(7)

Hình 10: Vỏ nón tròn xoay

19


CHƯƠNG II: BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG
I.

PHÂN LOẠI BỀ CHỨA CHẤT LỎNG

II.

BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG ÁP LỰC THẤP

III.

KÍCH THƯỚC TỐI ƯU CỦA BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG

IV.

TÍNH TOÁN BỂ CHỨA TRỤ ĐỨNG ỨNG SUẤT TRƯỚC

20


I. PHÂN LOẠI BỂ CHỨA CHẤT LỎNG
Bể dùng để chứa các chất lỏng như sản phẩm hoá dầu (xăng, madút), nước,
axít, cồn, ...
Phân loại:
 Theo hình dạng: bể chứa hình trụ (đứng, ngang), hình cầu, hình giọt nước.
Trong đó các bể chứa hình trụ là loại thông dụng nhất do dễ chế tạo và dựng
lắp, tương đối tiết kiệm vật liệu.
 Theo vị trí đặt: bể đặt trên cao, đặt trên mặt đất, bể ngầm, nửa ngầm, dưới
nước.
 Theo thể tích: bể có thể tích không đổi và bể có thể tích thay đổi.
 Theo áp lực dư (do chất lỏng bay hơi):
2
pd ≤ 0,002 MPa (0,02 kG/cm
Bể áp lực thấp:
và áp )lực chân không khi xả hết chất
p0 ≤ 0,00025 MPa (0,0025 kG/cm 2 )

lỏng
Bể áp lực cao:

p d > 0,002 MPa

21


 Theo cách chế tạo: bể có ứng suất trước, bể không gây ứng suất trước.
Với những bể có dung tích lớn, thường gây ứng suất trước trong thành bể
nhằm giảm bề dày của thành bể từ đó tiết kiệm thép.
 Theo vật liệu làm bể: bể BTCT, bể thép, bể liên hợp (thành bể dùng hỗn
hợp vật liệu BTCT và thép).

→ Loại bể được lựa chọn căn cứ vào đặc điểm của chất lỏng chứa trong bể,
điều kiện sử dụng, điều kiện khí hậu ...

22


Hình 11: Bể chứa hình trụ
a) Trụ đứng b) Trụ ngang
1 – Đáy; 2 – Thân; 3 – Mái; 4 – Cột trung tâm; 5 – Cầu thang

23


24

Hình 12: Bể chứa hình cầu (a), hình giọt nước (b)
1 – Đáy; 2 – Thân; 3 – Cầu thang; 4 – Chỗ đặt thiết bị; 5 – Vành gối

25