Cơ khí chế tạo máy - Tính toán và thiết kế kết cấu khung Zamil

TíNH TOáN Và THIếT Kế KếT CấU KHUNG zamil Thiết kế xà gồ mái. -Hệ thống mái thiết kế là mái nhẹ. Tải trọng tác dụng lên xà gồ mái gồm tải trọng do các lớp mái truyền xuống, và chịu các hoạt tải sửa chữa mái khi mái hư hỏng hoặc khi mái được bảo dưỡng + Cấu tạo mái bao gồm các lớp: ã Lớp bao che bằng lớp tôn sóng dày 0,7mm. các loại tải tác dụng lên xà gồ. Tĩnh tải. Tĩnh tải do các lớp mái truyền xuống: + Lớp bao che: + Tĩnh tải mái do trọng lượng kết cấu mái truyền xuống được tính toán và thành lập bảng dưới đây: Các lớp vật liệu Hệ số tin cậy Giá trị t/chuẩn Kg/m2 Giá trị tính toán Kg/m2 Lớp tôn múi 1,05 15 15,75 Hoạt tải. Hoạt tải sửa chữa khi mái bị hư hỏng được lấy theo TCVN 2737-1995 có trị số tiêu chuẩn: Ptc=30kg/cm2. Hoạt tải tính toán được lấy với hệ số tin cậy n=1,3 à Ptt=Ptc.n=30.1,3=39kg/m2. Thiết kế xà gồ. Trước hết chọn khoảng cách giữa các xà gồ là 1,5 m. Với mái có độ dốc là 15% thì mái tạo với phương ngang một góc a=8,53o. Vì thế xà gồ là cấu kiện chịu uốn xiên. trường hợp xà gồ gặp nguy hiểm nhất là tổng cả tĩnh tải và hoạt tải cùng tác dụng. Dựa vào bảng trên ta xác định được tải trọng tính toán tác dụng lên xà gồ: qttxà=15,75+39=54,75 kg/m2. qtcxà=15+30=45kg/m2. Để tính toán nội lực lên xà gồ ta coi xà gồ làm việc như dầm đơn giản mà gối tựa là xà ngang. Tải trọng phân bố đều lên xà gồ: Qtt=qttxà.axà (với axà là bước xà gồ hay là khoảng cách giữa các xà gồ). Qtt=54,75.1,5=82,125 kg/m Qtc=45.1,5=67,5 kg/m. Xà gồ chịu uốn xiên theo hai phương x-x; y-y. với góc nghiêng a=8,53o. Ta tính toán các tải trọng tác dụng theo hai phương x và y như sau: Qttx=Qtt.sina=82,125.sin8,53o=12,18 kg/m. Qtty=Qtt.cosa=82,125.cos8,53o=81,21 kg/m. Qtcx=Qtc.sina=67,5.sin8,53o=9,99 kg/m. Qtcy=Qtc.cosa=67,5.cos8,53=66,9 kg/m. *Tiết diện xà gồ được chọn phải đảm bảo hai điều kiện sau: + Điều kiện bền: ứng suất lớn nhất do tác dụng đồng thời của hai mô men Mx, My do Qx và Qy gây ra theo hai phương thoả mãn điều kiện: . +Điều kiện biến dạng: Độ võng của xà gồ phải đảm bảo khong vượt quá độ võng cho phép trong quy định thiết kế kết cấu thép. * Chọn tiết diện xà gồ là tiết diện chữ Z (là loại xà gồ được chế tạo từ thép cán nguội). Section Properties: Số hiệu Section Chiều dày Thick mm Diện tích Area Cm2 Trọng Lượng Weight Kg/m Thông số theo trục x-x Thông số theo trục y-y Jx Cm4 Sx Cm3 rx cm Jy Cm4 Sy Cm3 ry cm 200Z15 200Z17 200Z20 200Z22 200Z25 200Z30 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 3,00 5,18 6,04 6,90 7,76 8,62 10,35 4,06 4,74 5,42 6,09 6,77 8,12 308,3 358,8 409,1 459,1 509,0 607,9 30,83 35,88 40,91 49,91 50,90 60,79 7,72 7,71 7,70 7,69 7,68 7,66 42,49 49,86 57,30 64,83 72,43 87,88 5,98 7,01 8,05 9,10 10,16 12,32 2,87 2,87 2,88 2,89 2,90 2,91 Số hiệu Section Theo phương khác Lực cắt cho phép KN Mô men uốn cho phép KN.m Jxy(cm4) rmin(cm) 200Z15 200Z17 200Z20 200Z22 200Z25 200Z30 83,08 97,11 111,20 125,34 139,52 168,03 1,91 1,92 1,92 1,93 1,93 1,94 10,33 16,44 24,61 35,14 45,59 65,65 5,43 6,51 7,95 9,17 10,51 12,56 5,07 6,07 7,42 8,56 9,81 11,72 Tra bảng cho ta số liệu sau 200Z15 t=1,5 mm F=5,18 cm2 , G=4,06 kg/m. Theo điều kiện về bền ta chọn tiíet diện xà gồ loại 200Z17 có các thông số sau Jx=308,83cm4. Wx=35,88cm3; Sx=30,83cm3; rx=7,72cm; Jy=42,49cm4; Wy=6,13cm3; Sy=5,98cm3; ry=2,87cm; - Từ sơ đồ tính toán trên ta xác địnhđược nội lực: à ứng suất tính toán được: Ta thấy với s=2101,9kg/cm2g.R=2750kg/cm2: Cấu kiện thoả mãn về ứng suất. Theo độ võng: Độ võng theo phương x-x: . . Ta kiểm tra được tỷ số độ võng: . So sánh ta thấy: . Tiết diện đã chọn thoả mãn điều kiện về độ võng. * Đối với xà gồ biên của mái ta sử dụng tiết diện chữ [180ES20 có các thông số: Jx=390,5 cm4; Jy=74,10 cm4; Sx=43,4 cm3; Sy=27,9 cm3; rx=7,21cm; ry=3,14cm; Trọng lượng 5,88 kg/m; chiều dày t=2 mm. Mô men uốn cho phép M=12,87 KN.m. * Chiều dài tính toán của xà gồ trong và ngoài mặt phẳng: lx=ly=600cm. Độ mảnh theo hai phương: . Ta thấy lx và ly đều nhỏ hơn [l]=200. Tiết diện xà gồ: Đối với xà gồ giữa là 200Z15. Đối với xà gồ biên là 180ES20. B. Thiết kế khung ngang. Kết cấu khung ngang của là kết cấu chịu lực chính của công trình. Khung gồm có 1 nhịp chính rộng 21 m liên kết khớp với móng. Sơ đồ tính khung như hình vẽ: Tải trọng tác dụng lên khung. Tải trọng tác dụng lên khung bao gồm tĩnh tải mái, xà gồ, trọng lượng của khung, Hoạt tải sửa chữa mái, tải gió, tải cầu trục... Tĩnh tải. Tĩnh tải mái do trọng lượng kết cấu mái truyền vào được tính ra kg trên m2 mặt bằng nhà, sau đó quy về phân bố đều trên khung. Tĩnh tải được tính toán và lập thành bảng dưới đây. Các lớp vật liệu Hệ số tin cậy Giá trị tiêu chuẩn kg/m2 Giá trị tính toán kg/m2 Lớp tôn sóng Xà gồ thép 1,05 1,05 15 2,7 15,75 2,842 Trong đó xà gồ thép loại 200Z15 có trọng lượng G=4,06 kg/m quy về tải trọng phân bố đều trên 1m2 mặt bằng: g=4,06/1,5=2,7 kg/m2. (1,5 là khoảng cách giữa các xà gồ). * Tĩnh tải do trọng lượng bản thân kết cấu cộng với hệ giằng lấy gần đúng theo công thức: Gxà=1,2.ad.x.l. Trong đó: - 1,2 bao gồm 1,0 là trọng lượng bản thân 0,2 là trong lượng hệ giằng. - ad là hệ số trọng lượng bản thân của xà lấy ad=0,9 - L=21 m là nhịp khung . Với các số liệu xác định như trên ta xác định được gần đúng trọng lượng bản thân của cấu kiện. Gxà=1,2.0,9.21=22,86 kg/m2. Trị số của lực dọc. Đối với cột N1=4,06.6.8 +(15.1,05).10,5.6=1187,1 kg. Trong đó: 4,06 là trọng lượng xà gồ thép 200Z15. * Tải trọng do dầm cầu trục: dầm cầu trục được treo trên xà ngang cách trục cột một đoạn 0,75 m. Để xác điịnh được trọng lượng dầm cầu trục ta sử dụng công thức kinh nghiệm: Gdct=adct.L2dct (kg). Trong đó: adct=24á37 đối với sức trục trung bình (Q<75tấn) là hệ số nhân trong lương bản thân dầm cầu trục. Ldct là nhịpdầm cầu trục. Gdct=24.62=864kg. Tải trọng này tác dụng cách trục cột trục một đoạn là 0,75 m. Tải trọng tạm thời. Tải trọng tạm thời do sử dung trên mái được lấy theo TCVN2737-1995 đối với mái không người qua lại, chỉ có hoạt tải sửa chữa có giá trị tiêu chuẩn: Ptc=30kg/m2. Hoạt tảo tính toán lấy hệ số tin cậy n=1,3 Ptt=30.1,3=39kg/m2. Tải trọng do áp lực đứng của bánh xe con cầu trục. áp lực bánh xe truyền qua dầm cầu trục truyền vào khung thành lực tập trung tai vị trí liên kết dầm vào khung. Tải trọng đứng của cầu trục lên khung được xác địng do tác dụng của hai cầu trục hoật động trong một nhịp, bất kể số cầu trục thực tế ở nhịp đó. áp lực lớn nhất của một bánh xe cầu trục lên ray xảy ra khi xe con mang vật nặng ở vào vị trí sát nhất của cột phía đó. Các số liệu về cầu trục được tra trong sách “ Kết cấu thép nhà công nghiệp” với sức trục 5 tấn, Lk=21,5 m. Kích thước Gabarit chính (mm) Loại ray áp lực bánh xe lên ray Trọng lượng B K F B1 F Lt Đặc biệt Xe T.bộ mm mm mm mm mm mm Ko bé hơn T T T 5000 3500 1650 230 350 1400 KP70 8,9 2,2 20,6 Ta có Pmax=8,9 tấn. Pmin= Trong đó: - Q là trọng lượng vật nặng (sức trục). - G là toàn bộ cầu trục. - no là số lượng bánh xe lên ray. à . áp lực lớn nhất của một bánh xe cầu trục tác dụng lên khung do lực Pcmax được xác địng theo đường ảnh hưởng của phản lực tựa của hai cầu trục ở hai bên cột. ở đây ta phải kể thêm hệ số vượt tải 1,1. Vị trí bất lợi nhất của bánh xe lên dầm. Dmax=n.nc.SPcmax.yi (với yi là tung độ của đường ảnh hưởng). Dmax=1,1.8,9.(1+0,75+0,16+0,41)=22,7 tấn=22712,8kg. Dmin=1,1.3,9.(1+0,75+0,167+0,41 =9952,8kg. Lực hãm xe con. Khi xe con hãm phát sinh lực quán tính tác dụng theo phương chuyển động. Lực hãm truyền vào dầm và truyền vào khung. Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục truyền lên dầm và truyền vào khung tại vị trí liên kết dầm vào cột. . Trong đó: - Gxe là trọng lượng xe con. - no là số lượng bánh xe một bên dầm cầu trục. (0,1 là hệ số ma sát). à . T=Tc.n.Syi=1,1.0,36.(1+0,75+0,16+0,41) =918,72 kg. Lực này tác dụng vào khung được đưa về một lực tập trung và một mô men có trị số: M=918,72.1=918,72 kg .m. Hình vẽ (Với 1m là khoảng cách từ ray đến rường tại vị trí liên kết ). Tải trọng gió tác dụng lên khung. Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm: Gió thổi lên mặt tường dọc được chuyển thành phân bố trên cột khung. Gió thổi trong phạm vi mái được tính là tải phân bố trên mái, chuyển thành phân bố lên khung. Wo là áp lực ở độ cao 10m vùng II.B Wo=95kg/m2. Tải trọng gió tính toán tác dụng lên mỗi mét vuông bề mặt thẳng đứng của công trình là: W=n.Wo.k.C. Trong đó: - k là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụ thuộc vào dạng địa hình. k xác định ở hai mức, mức đỉnh cột và mức đỉnh mái. - Mức đỉnh cột cao trình +8,6m có k=0,92 (nội suy). - Mức đỉnh mái cao trình +11,4 m có k=1,08 (nội suy). - C là hệ số khí động. C=0,8 với phía gió đẩy Phần tải trọng gió tác dụng lên mái từ đỉnh cột trở lên lấy K hệ số trung bình K1 =(0,92+1,08)/2=1,0. à Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang được tính như sau: q=W.a=n.Wo.k.C.a (Với a là bước cột). Từ hình vẽ ta xác định được tải trọng gió tác dung lên từng thanh của khung như sau: Các hình vẽ q1=1,2.95.0,92.0,8.6=503,42 kg/m. q2=1,2.95.1.(-0,268).6=-183,31 kg/m. q3=1,2.95.(-0,4.6=-273,6 kg/m. q4=1,2.95.(-0,5).0,92.6=-314,64kg/m Sơđồ hệ số khí động tính toán nội lực. Tính toán nôI lực khung bằng chương trình sap2000 kết quả tính nội lực được đưa vào bảng dưới đây. Dấu của nội lực và vị trí của mặt cắt được qui định theo chương trình sap2000 và được thống nhất trong toàn bộ thuyết minh tính toán. Bảng nội lực gió trái F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 HTGT 0 3723.208 4779.478 0 0 0 0 1 HTGT 4.3 3723.208 2614.772 0 0 0 -15897.6 1 HTGT 8.6 3723.208 450.0659 0 0 0 -22487 2 HTGT 0 1074.347 2509.553 0 0 0 1.46E-11 2 HTGT 4.3 1074.347 1156.601 0 0 0 -7882.23 2 HTGT 8.6 1074.347 -196.351 0 0 0 -9946.77 3 HTGT 0 1397.295 3480.288 -1.09E-13 0 -9.04E-13 22487.04 3 HTGT 5.434752 1397.295 2484.043 -1.09E-13 0 -3.13E-13 6279.709 3 HTGT 10.8695 1397.295 1487.799 -1.09E-13 0 2.78E-13 -4513.28 4 HTGT 0 467.4179 1986.832 -2.19E-14 0 3.14E-13 -4513.28 4 HTGT 5.434752 467.4179 499.8839 -2.19E-14 0 4.33E-13 -11270.6 4 HTGT 10.8695 467.4179 -987.064 -2.19E-14 0 5.52E-13 -9946.77 Bảng nội lực gió phải F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 HTGPHAI 0 1074.347 -2509.55 0 0 0 -7.28E-12 1 HTGPHAI 4.3 1074.347 -1156.6 0 0 0 7882.231 1 HTGPHAI 8.6 1074.347 196.351 0 0 0 9946.769 2 HTGPHAI 0 3723.208 -4779.48 0 0 0 0 2 HTGPHAI 4.3 3723.208 -2614.77 0 0 0 15897.64 2 HTGPHAI 8.6 3723.208 -450.066 0 0 0 22487.04 3 HTGPHAI 0 467.4179 987.0642 2.19E-14 0 5.52E-13 -9946.77 3 HTGPHAI 5.434752 467.4179 -499.884 2.19E-14 0 4.33E-13 -11270.6 3 HTGPHAI 10.8695 467.4179 -1986.83 2.19E-14 0 3.14E-13 -4513.28 4 HTGPHAI 0 1397.295 -1487.8 1.09E-13 0 2.78E-13 -4513.28 4 HTGPHAI 5.434752 1397.295 -2484.04 1.09E-13 0 -3.13E-13 6279.709 4 HTGPHAI 10.8695 1397.295 -3480.29 1.09E-13 0 -9.04E-13 22487.04 Bảng nội lực cầu trục bên phải F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 HTCTPHAI 0 -10409.5 -987.579 0 0 0 0 1 HTCTPHAI 4.3 -10409.5 -987.579 0 0 0 4246.591 1 HTCTPHAI 8.6 -10409.5 -987.579 0 0 0 8493.183 2 HTCTPHAI 0 -22256.1 987.5793 0 0 0 -3.16E-13 2 HTCTPHAI 4.3 -22256.1 987.5793 0 0 0 -4246.59 2 HTCTPHAI 8.6 -22256.1 987.5793 0 0 0 -8493.18 3 HTCTPHAI 0 -3645.08 -9800.29 1.16E-12 0 8.69E-13 -8493.18 3 HTCTPHAI 5.434752 -1072.07 -185.833 -2.69E-15 0 -1.97E-14 -21.6122 3 HTCTPHAI 10.8695 -1072.07 -185.833 -2.69E-15 0 -5.07E-15 988.3439 4 HTCTPHAI 0 -835.949 -696.454 5.53E-14 0 4.50E-14 988.3439 4 HTCTPHAI 5.434752 -835.949 -696.454 5.53E-14 0 -2.55E-13 4773.398 4 HTCTPHAI 10.8695 -6707.7 21244.24 -2.60E-12 0 1.51E-12 -8493.18 Bảng nội lực cầu trục bên trái F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 HTCTTRAI 0 -22257.5 -987.243 0 0 0 3.02E-13 1 HTCTTRAI 4.3 -22257.5 -987.243 0 0 0 4245.145 1 HTCTTRAI 8.6 -22257.5 -987.243 0 0 0 8490.289 2 HTCTTRAI 0 -10408.1 987.2429 0 0 0 0 2 HTCTTRAI 4.3 -10408.1 987.2429 0 0 0 -4245.15 2 HTCTTRAI 8.6 -10408.1 987.2429 0 0 0 -8490.29 3 HTCTTRAI 0 -6707.73 -21245.7 2.60E-12 0 1.51E-12 -8490.29 3 HTCTTRAI 5.434752 -835.987 695.0086 -5.52E-14 0 -2.55E-13 4765.067 3 HTCTTRAI 10.8695 -835.987 695.0086 -5.52E-14 0 4.49E-14 987.8683 4 HTCTTRAI 0 -1071.38 184.5616 2.78E-15 0 -4.95E-15 987.8683 4 HTCTTRAI 5.434752 -1071.38 184.5616 2.78E-15 0 -2.00E-14 -15.1782 4 HTCTTRAI 10.8695 -3644.39 9799.021 -1.16E-12 0 8.70E-13 -8490.29 Bảng nội lực xe con hãm sang phải F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 HTXCPHAI 0 726.2965 954.5474 0 0 0 0 1 HTXCPHAI 4.3 726.2965 954.5474 0 0 0 -4104.55 1 HTXCPHAI 8.6 726.2965 954.5474 0 0 0 -8209.11 2 HTXCPHAI 0 -726.297 882.8926 0 0 0 3.64E-12 2 HTXCPHAI 4.3 -726.297 882.8926 0 0 0 -3796.44 2 HTXCPHAI 8.6 -726.297 882.8926 0 0 0 -7592.88 3 HTXCPHAI 0 1109.861 454.8354 7.85E-16 0 -3.98E-13 8209.107 3 HTXCPHAI 5.434752 222.3727 692.3443 -2.80E-14 0 -1.57E-13 3712.046 3 HTXCPHAI 10.8695 222.3727 692.3443 -2.80E-14 0 -5.20E-15 -50.6732 4 HTXCPHAI 0 -153.154 710.8686 13.54248 0 48.07449 -50.6732 4 HTXCPHAI 5.434752 -153.154 710.8686 13.54248 0 -25.5255 -3914.07 4 HTXCPHA 10.8695 -1040.64 473.359 -905.178 0 614.8755 -7592.88 Bảng nội lực xe con hãm sang trái F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 HTXCTRAI 0 -726.297 -954.547 0 0 0 0 1 HTXCTRAI 4.3 -726.297 -954.547 0 0 0 4104.554 1 HTXCTRAI 8.6 -726.297 -954.547 0 0 0 8209.107 2 HTXCTRAI 0 726.2965 -882.893 0 0 0 -3.64E-12 2 HTXCTRAI 4.3 726.2965 -882.893 0 0 0 3796.438 2 HTXCTRAI 8.6 726.2965 -882.893 0 0 0 7592.877 3 HTXCTRAI 0 -1109.86 -454.835 -7.85E-16 0 3.98E-13 -8209.11 3 HTXCTRAI 5.434752 -222.373 -692.344 2.80E-14 0 1.57E-13 -3712.05 3 HTXCTRAI 10.8695 -222.373 -692.344 2.80E-14 0 5.20E-15 50.6732 4 HTXCTRAI 0 153.1538 -710.869 -13.5425 0 -48.0745 50.6732 4 HTXCTRAI 5.434752 153.1538 -710.869 -13.5425 0 25.52554 3914.067 4 HTXCTRAI 10.8695 1040.642 -473.36 905.1775 0 -614.876 7592.877 Bảng nội lực tĩnh tải F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 TT 0 -4715.52 -859.212 0 0 0 0 1 TT 4.3 -4715.52 -859.212 0 0 0 3694.611 1 TT 8.6 -4715.52 -859.212 0 0 0 7389.223 2 TT 0 -4715.43 859.2119 0 0 0 0 2 TT 4.3 -4715.43 859.2119 0 0 0 -3694.61 2 TT 8.6 -4715.43 859.2119 0 0 0 -7389.22 3 TT 0 -1742.18 -3186.35 3.02E-13 0 5.48E-13 -7389.22 3 TT 5.434752 -1176.74 -1073.51 4.61E-14 0 -2.06E-13 2599.908 3 TT 10.8695 -830.014 222.0839 -1.11E-13 0 -3.01E-14 4913.556 4 TT 0 -829.993 -222.166 1.11E-13 0 -3.01E-14 4913.556 4 TT 5.434752 -1176.72 1073.429 -4.61E-14 0 -2.06E-13 2600.353 4 TT 10.8695 -1742.15 3186.265 -3.02E-13 0 5.48E-13 -7389.22 Bảng nội lựchoạt tải F R A M E E L E M E N T F O R C E S FRAME LOAD LOC P V2 V3 T M2 M3 1 HT 0 -2543.46 -766.224 0 0 0 -9.09E-13 1 HT 4.3 -2543.46 -766.224 0 0 0 3294.761 1 HT 8.6 -2543.46 -766.224 0 0 0 6589.523 2 HT 0 -2543.46 766.2236 0 0 0 0 2 HT 4.3 -2543.46 766.2236 0 0 0 -3294.76 2 HT 8.6 -2543.46 766.2236 0 0 0 -6589.52 3 HT 0 -1397.72 -2258.92 1.94E-13 0 4.61E-13 -6589.52 3 HT 5.434752 -1068.95 -1030.42 4.51E-14 0 -1.89E-13 2348.821 3 HT 10.8695 -740.176 198.0853 -1.04E-13 0 -2.95E-14 4610.573 4 HT 0 -740.176 -198.085 1.04E-13 0 -2.95E-14 4610.573 4 HT 5.434752 -1068.95 1030.415 -4.51E-14 0 -1.89E-13 2348.821 4 HT 10.8695 -1397.72 2258.915 -1.94E-13 0 4.61E-13 -6589.52