HUONG DAN đồ án KCT VAN PHANG

Đồ án KCT

CỬA VAN
Cửa van là một thiết bị cơ khí quan trọng trong công
trình thủy lợi thủy điện
Chiếm khoảng 10% tổng giá thành công trình
Điều tiết lưu lượng, khống chế mực nước thượng hạ lưu
Như là “chìa khóa” vào khai thác sử dụng ngôi nhà
Sự cố đối với cửa van là hết sức nguy hiểm

PHÂN LOẠI CỬA VAN
Theo nhiệm vụ:
-Cửa van công tác
-Cửa van sự cố
-Cửa van kiểm tra
Theo vị trí làm việc:
-Cửa van trên mặt
-Cửa van dưới sâu
Theo hình thức kết cấu:
-Cửa van phẳng
-Cửa van cung
-...

1


Đồ án KCT

Cửa van hình cung

Đây là loại cửa được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy

lợi, đặc biệt là trên tràn, đập dâng và cống vùng ảnh hưởng triều.
Bản mặt cửa có hình cung thường trùng với tâm quay của cửa.
Sau bản mặt cửa là hệ kết cấu khung giàn.

Cửa van cung nhịp
lớn là một trong
những phương án
lựa chọn thiết kế
cống ngăn triều khu
vực TP Hồ Chí Minh

2


Đồ án KCT

Cửa van phẳng

Cửa van phẳng là hình thức cửa ra đời sớm nhất trong
các loại cửa van sử dụng trong công trình thủy lợi và
đến nay còn được áp dụng rộng rãi. Bản mặt cửa
phẳng. Sau bản mặt là hệ kết cấu dầm giàn.

YÊU CẦU ĐỐI VỚI CỬA VAN
-Đủ khả năng chịu lực
-Đóng mở theo yêu cầu
-Không rò rỉ nước
-Chống rỉ tốt
-Dễ duy tu bảo dưỡng

3


Đồ án KCT

TÀI LIỆU CƠ BẢN CHO THIẾT KẾ CỬA VAN
-Bố trí tổng thể công trình
-Điều kiện làm việc của cửa van
-Hình thức cửa van
-Các lực tác dụng lên cửa van
-Điều kiện chế tạo, lắp ráp
-Loại máy đóng mở
-Vật liệu chế tạo

TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CỬA VAN
-Trọng lượng bản thân
-Áp lực thủy tĩnh
-Áp lực sóng
-Áp lực thủy động
-Áp lực nước va
-Áp lực bùn cát
-Áp lực gió
-Lực đóng mở

4


Đồ án KCT

SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN

-Đưa về các hệ phẳng
-Hệ không gian

Khung chính

Sơ đồ kết cấu tổng thể cửa van

Dầm phụ

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG BẰNG THÉP
(CỬA VAN PHẲNG LOẠI HAI DẦM CHÍNH)

5


Đồ án KCT

1. Giáo trình Kết cấu thép – Vũ
Thành Hải, Trương Quốc Bình,
Vũ Hoàng Hưng – NXBXD 2006
2. Hướng dẫn đồ án môn học Kết
cấu thép: Thiết kế cửa van phẳng
bằng thép công trình thủy lợi –
Bộ môn KCCT
3. SAP2000 – Phân tích kết cấu
công trình thủy lợi thủy điện – Vũ
Hoàng Hưng và nnk – NXBXD
2012
4. Tiêu chuẩn thiết kế Kết cấu thép

6


Đồ án KCT

SỐ LIỆU THIẾT KẾ
(Mỗi nhóm sinh viên có một số liệu riêng)
1. Thiết kế cửa van phẳng trên mặt (thuộc nhóm 4)
2. Bề rộng lỗ cống Lo (m)
3. Chiều cao mực nước thượng lưu H (m)
4. Thiết kế trong trường hợp cửa van đóng, hạ lưu
không có nước
5. Vật liệu thép làm cửa van: thép CT3
6. Vật liệu làm bánh xe: thép đúc CT 35Đ

YÊU CẦU
1. Một bản thuyết minh tính toán các bộ phận kết cấu
cửa van
2. Một bản vẽ kết cấu tổng thể cửa van và các chi tiết

7


Đồ án KCT

CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỬA VAN
1

3

4

2
6
7a
∆

5
8
7c

L0

7b
C

7a

8


Đồ án KCT

NGUYÊN TẮC CHỊU LỰC
ÁP LỰC NƯỚC  BẢN MẶT  HỆ DẦM PHỤ  HỆ GIÀN NGANG 
HỆ DẦM CHÍNH  CỘT BIÊN  GỐI TỰA (BÁNH XE)  KHE VAN

I. VỊ TRÍ VÀ BỐ TRÍ CHI TIẾT CÁC KẾT CẤU
DẦM CHÍNH

a/ Vị trí dầm chính
Nguyên tắc bố trí:

atr = ad
Đảm bảo:


2H/3

30o

a1  0.45Hv

a1 ≤ 0,45hv

∆

Hv
atr

W

ad

H/3
▼0.0

≥300

a2

9


Đồ án KCT

b/ Lựa chọn kích thước sơ bộ dầm chính

q = Wn/2 = nH2/4
L = Lo + 2c (c = 200 ~ 300mm)
Chọn h = max (hkt, h min)

b 

hkt  3 1.5b Wyc
tc

hmin 

5 RLno  p   q


24
E
 p  q

tc

hb

b

Wyc 

 120 ~ 160

M max qL2 1


R
8 R

1
1

no 600

DÀN NGANG

Nguyên tắc bố trí:
-Khoảng cách giữa các dàn ngang (B) nên nhỏ hơn 4m
-Chọn số lượng lẻ, bố trí một dàn ở chính giữa cửa van
-Bố trí khoảng cách đều nhau và nằm trong phần mặt cắt
không đổi của dầm chính
DẦM PHỤ

Nguyên tắc bố trí:
-Bố trí trên thưa, dưới dày
-Chọn khoảng cách từ 0.7 ~ 0.9m
-Chọn tiết diện chữ [ đặt úp

10


Đồ án KCT

II. TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC BỘ PHẬN CỬA VAN
1. BẢN MẶT

Nguyên tắc tính toán chiều dày bản mặt:
-Dựa vào điều kiện thỏa mãn về cường độ
-Coi ô bản mặt liên kết ngàm đàn hồi theo bốn cạnh
-Tính toán với từng ô bản mặt, chọn chiều dày lớn nhất (bản
mặt cùng một độ dày)
(I)
(II)
(III)
(IV)
(V)
(VI)

Xét một ô bản mặt:

Zi

Đỉnh cửa
MN

i



6a 2 p
mbR u

ptb (kN/m2)

a (m)
i+1
b (m)

δ – chiều dày bản mặt tại ô tính toán (m), δ ≥ 10mm khi L ≥ 10m,
δ ≥ 6mm khi L < 10
p – cường độ áp lực nước trung tâm ô bản mặt tính toán, kN/m2
a – cạnh ngắn ô bản mặt; b – cạnh dài ô bản mặt
α – hệ số phụ thuộc tỉ số cạnh dài/cạnh ngắn, bảng 7.1 trang 190 GT
mb – hệ số điều kiện làm việc, mb = 1.25
Ru – cường độ tính toán khi chịu uốn của vật liệu làm bản mặt

11


Đồ án KCT

Bảng xác định chiều dày các ô bản mặt
Ô

Zi

pi

(1)

(2)

(3)

(4)

I

Zo

po

Z1-Zo

Z1

p1

Z1

p1

Z2

P2

II

a(m) b(m)
(5)

b/a

α

ptb

δ (m)

(6)

(7)

(8)

(9)

(po+p1)/2

...
δmax
Chọn chiều dày bản mặt lớn nhất trong các ô bản mặt và
thỏa mãn chiều dày tối thiểu

2. DẦM PHỤ

a/ Nguyên tắc tính toán dầm phụ ngang

-Dầm phải thỏa mãn điều kiện cường độ và độ võng
-Tính theo sơ đồ dầm đơn chịu tải trọng hình thang hoặc dầm
liên tục chịu tải trọng phân bố đều
-Các dầm phụ ngang có cùng kích thước mặt cắt, tính toán
với dầm phụ chịu tải trọng lớn nhất
(1)
(2)
(3)

(4)
(5)

12


Đồ án KCT

Sơ đồ 1: Dầm đơn chịu tải trọng hình thang

atr

atr

ad

ad
q

qp

a tr  a d
2

p – cường độ áp lực nước tại
trục dầm tính toán, kN/m2
atr, ad - lần lượt là khoảng cách từ
dầm phụ ngang đang xét đến dầm
trên nó và dầm dưới nó

B

Sơ đồ 2: Dầm liên tục chịu tải trọng phân bố đều

atr

atr

ad

ad
q

qp

a tr  a d
2

p – cường độ áp lực nước tại
trục dầm tính toán, kN/m2
atr, ad - lần lượt là khoảng cách từ

dầm phụ ngang đang xét đến dầm
trên nó và dầm dưới nó

L

13


Đồ án KCT

b/ Tính toán tải trọng
Bảng tính toán tải trọng tác dụng lên dầm phụ
Dầm

Cường độ áp lực nước
tại trục dầm p, kN/m2

Khoảng cách
giữa các dầm, m

a tr  a d
2

qp

a tr  a d
2

1
2

3
…

qmax

Chọn dầm chịu tải trọng q lớn nhất để tiến hành tính toán
lựa chọn mặt cắt

c/ Tính toán nội lực
qmax

Sơ đồ 1:

Tra bảng 7-2 GT KCT

M max
a

b
B

Sơ đồ 2:

a

qB2 qa 2

8
6
a

a tr  a d
4

qmax
Tra bảng 7-3 GT KCT

L

Phản lực gối tựa, mô men
uốn lớn nhất tại giữa
nhịp, mô men uốn lớn
nhất trên gối
Có thể dùng SAP2000
để tính toán nội lực

14


Đồ án KCT

d/ Lựa chọn mặt cắt dầm
Dựa vào điều kiện thỏa mãn về cường độ:



M max
R
Wx

Wyc 

M max
R

Từ Wyc tra bảng 11 trang 210 GT KCT lựa chọn số hiệu mặt
cắt dầm chữ 
Do dầm phụ hàn chặt với bản mặt, khi kiểm tra khả năng
chịu lực của dầm phụ cần xét đến một phần bản mặt cùng
tham gia chịu uốn với dầm phụ

15


Đồ án KCT

e/ Kiểm tra tiết diện chọn
qmax

a

b

a

B
bc - bề rộng dầm phụ tiếp giáp với bản mặt;
c- kích thước có liên quan đến độ dày bản
mặt và tính chất vật liệu, c = 25;
atr, ad - lần lượt là khoảng cách từ dầm phụ

ngang đang xét đến dầm trên nó và dầm
dưới nó;
lo – chiều dài tính toán của dầm đơn hay
khoảng cách giữa các điểm 0 của biểu đồ
mô men uốn trong dầm liên tục

 b c  2c
a  ad
b   tr
 2
 0.3l o

- Kiểm tra cường độ:



M max
R
Wth



Q maxS
 Rc
J b

Wth – mô men chống uốn của tiết diện thu hẹp;
S – mô men tĩnh của phần bị trượt đối với trục trung hòa;
J – mô men quán tính của tiết diện nguyên;
δb – bề rộng bản bụng dầm;

R, Rc – cường độ chịu uốn và chịu cắt tính toán của thép.
- Kiểm tra độ võng:

f tc 1
1


L n o 250
Có thể sử dụng phần mềm SAP2000 xác định độ võng tuyệt
đối lớn nhất của dầm

16


Đồ án KCT

3. DÀN NGANG

a/ Nguyên tắc tính toán dàn ngang
-Dàn phẳng hình thang chịu tác dụng của tải trọng ALN đặt tại nút
-Các thanh dàn chỉ chịu lực kéo hoặc nén
-Lựa chọn mặt cắt thanh dàn được ghép bằng hai thanh thép góc
-Thanh dàn thỏa mãn điều kiện về cường độ và ổn định
(C)
(A)
(B)

b/ Xác định tải trọng tập trung tác dụng lên mắt dàn

P  P1  P2  P3  ....... 

1 2
H B
2

17


Đồ án KCT

- Cường độ áp lực tại vị trí mắt dàn thứ i pi (kN/m)

pi   n H i B
γn – trọng lượng riêng của nước, kN/m3
B – khoảng cách giữa hai dàn ngang
Hi – khoảng cách từ mực nước thượng lưu đến vị trí mắt giàn thứ i.
- Tải trọng tác dụng vào mắt dàn thứ i Pi (kN)

P1  W1

Z1
l12

P2  W1

l12 - Z1   W
l12

2

Z2
l 23

W1, W2 – hợp lực của tải trọng phân bố tác dụng trên các thanh l12
và l23, kN
Z1, Z2 – tọa độ các điểm đặt của hợp lực.

Bảng tính toán tải trọng tác dụng vào các mắt dàn
Ký
hiệu
thanh

B

Hi

pi

Chiều
dài l

Wi

Zi

Pi

12
17
27

…

18


Đồ án KCT

c/ Tính toán nội lực trong các thanh dàn
Dùng phương pháp đồ giải (phương pháp Cremona) sau đó
kiểm tra lại nội lực thanh bằng phương pháp giải tích (mặt
cắt, tách mắt) hoặc sử dụng phần mềm SAP2000 xác định
nội lực trong các thanh dàn

d/ Lựa chọn tiết diện thanh dàn
Ký
hiệu
thanh

Nội lực
(daN)

Chiều
dài
thanh

Lox
(cm)

Loy
(cm)

Tiết
diện
thanh




(daN/cm2)

12
17
27
….

19


Đồ án KCT

4. DẦM CHÍNH

a/ Xác định tải trọng tác dụng lên dầm chính
Từ việc sơ bộ lựa chọn vị
trí, kích thước cơ bản dầm
chính (h), kiểm tra lại điều
kiện ≥30o
Nếu không thỏa mãn có thể
điều chỉnh atr ≠ ad nhưng
không chênh nhau quá lớn,

biểu thị tải trọng tác dụng
lên dầm chính trên và dầm
chính dưới không chênh
nhau quá 5%
Nếu tiếp tục không thỏa mãn phải khắc phục bằng cách đục
lỗ ở bản bụng dầm chính dưới

Tải trọng tác dụng lên dầm chính trên

atr
Wn

q tr  Wn

ad
a tr  a d

Tải trọng tác dụng lên dầm chính dưới
ad

q d  Wn

a tr
a tr  a d

Chọn tải trọng lớn hơn để tính toán kích thước dầm

20

Đồ án KCT

b/ Sơ đồ tính toán

qmax

Dầm đơn chịu tải
trọng phân bố đều

Lo
L

Dựa vào điều kiện thỏa
mãn về cường độ:
Mmax

M
  max  R
Wx

Wxyc

M
 max
R

Lựa chọn mặt cắt dầm chữ I thép ghép

c/ Xác định kích thước tiết diện dầm chính
bc

* Kích thước cơ bản mặt cắt
ngang dầm h = max (hkt, h min)

δc

hkt  1.5b Wyc
3

hmin 

5 RLno


24
E

δb

 ptc   qtc
 p  q

x

h

Dầm có sườn đứng gia cường
b 

hb

 120 ~ 160

b
Dầm chính trong cửa van
1
1

no 600

δc
y

21


Đồ án KCT

* Kích thước bản bụng
- Chiều cao bản bụng hb
h b  0.95h

Lựa chọn theo quy cách thép bản, chọn bội số của 50mm
- Chiều dày bản bụng b
Thỏa mãn điều kiện chống cắt:
 b  1. 5

Q max
h bR c

Thỏa mãn điều kiện độ mảnh:
b 

hb

gtb

Chọn chiều dày lớn và không nhỏ hơn 6mm

* Kích thước bản cánh
- Chiều dày bản cánh c
 c  0.025h

Lựa chọn chiều dày phù hợp với chiều dày thép bản tiêu chuẩn
- Chiều cao chính xác của dầm h
h  h b  2 c

- Chiều rộng bản cánh bc
bc 

2J c
 c h c2

J c  Wyc

h  b h 3b
2 12

Thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ:
c 

bc -  b
30

2100
R

Lựa chọn bề rộng theo quy cách thép bản

22


Đồ án KCT

d/ Kiểm tra tiết diện chọn
b
bc
δc
Kể đến một phần
bản mặt tham gia
chịu lực

ymin

δb

X
x

h

b  b c  50

ymax
δc
y

- Kiểm tra cường độ:

 max 

M max
y max  0.85R
JX

JX – mô men quán tính của tiết diện giữa dầm có kể đến bản
mặt tham gia chịu lực

 max

Q maxSmax
Xo

 Rc
J Xo b

SXo – mô men tĩnh của nửa tiết diện đối với trục trung hòa
tại mặt cắt đầu dầm có chiều cao ho;
JXo – mô men quán tính của tiết diện tại đầu dầm có chiều
cao ho;

ho – chiều cao dầm tại mặt cắt đầu dầm ho = (0.4 ~ 0.5)h.

23


Đồ án KCT

- Kiểm tra độ võng:

f tc
5 q tc L3
1
1



L 384 EJ X n o 600
α = 0.8 - hệ số kể đến sự thay đổi tiết diện dầm
- Tính liên kết hàn góc giữa bản cánh và bản bụng:

hh 

Q maxScXo
 6mm
J Xo 2R gh

SXoc – mô men tĩnh của bản cánh tại tiết diện gối tựa đối với
trục trung hòa;
JXo – mô men quán tính của tiết diện tại gối tựa đối với trục
trung hòa.

- Kiểm tra ổn định cục bộ:
Do bản cánh dầm chính hàn chặt với bản mặt nên không cần
phải kiểm tra ổn định tổng thể
Sườn đứng

ho

(ô I)

(ô II)

h
c

B
L

24


Đồ án KCT

Ô bản bụng dầm chính không bị mất ổn định cục bộ khi:

b

  th

  b 

     m
   th 
2

 100 b 
 .103
 th  7.46
 hb 

daN/cm 
2

2


0.95  100 b 
3
 th  1.25  2 
 .10
  d 


b 

M - 
yb
JX

daN/cm 
y b-  

hbtb
hbtb (I)

b 

2

hb
2

Q

daN/cm 
2

daN/cm 
2

h b b

cm

hb

(II)

hb

MI

M
MII

QI

b 

M - 
yb
JX

QII

b 

Q

Q

h b b

25