Расчет плоского затвора

МК.dwg

Кафедра гидротехнических сооружений
Вид с верхнего бьефа
Условные обозначения:
болт нормальной точности
сварной шов заводской
сварной шов монтажный

МК.docx

1.Генеральные размеры затвора
1Превышение затвора над У.В.Б. составляет 0.5м.
Hзатвора= 8.5+0.5=9м.
2Расчетная длина ригеля:
Lр =B+2a ; a=0.25м. B-ширина пролета.
Расстановка ригелей для плоского затвора.
a)Определение действующих на пролетное строение сил:
Сила давления воды на затвор на погонный метр ширины отверстия со стороны верхнего бьефа определяется горизонтальной равнодействующей:
приложенной на расстоянии H3 от порога отверстия.
T=9.81 × 8.5^2 ×0.5=354.38 кНм.
b)Расстановка ригелей:
принимаем y=23Н; y1=y-0.45H; lр=2y1=(43-0.9H)=0.433H
lн=H-0.45H-0.433H=0.117H
При обычной расстановке нижний ригель оказывается более нагружен. Найдем силы приходящиеся на ригели при выбранном способе расстановки.
Mн=T×(13-0.117)H-Rв×0.433H=0 Rв=T×0.4990.5T
Mв= T×(0.433 +0.117-13)H-Rн×0.433H=0 Rн0.5Н
Вывод: ригели нагружены одинаково расстановка данным способом
lв=0.45H=0.45×8.5=3.825м.
lр=0.433H=0.433×8.5=3.68м.
lн≥ 0.4м для того чтобы была возможность разместить нижний стрингер и донное уплотнение.
Определение усилий в ригелях.
q= 7.088×102×0.5=177.2 кНм
Mmax=q×Lр28=177.2×16.528=6030 кНм
Qmax=q×Lр2=177.2×102×16.52=1462 кН
Заранее расставим стрингеры и подберем обшивку такой толщины чтобы выполнялось прочность на местный изгиб:
≤Ryγn где γn=1.25 коэффициент надежности по назначению.
Ry=24 кНсм2 для марки стали С255.
= W= 1п.мt26 W≥M×γnRy t≥(6×M×γnRy)12
При расстановке стрингеров желательно добиться того чтобы площади эпюры давления приходящиеся на каждый стрингер были близкими между собой по значению.
Прочность обшивки и стрингеров рассчитывают на гидростатическое давление при закрытом отверстии. Для восприятия ударов плавающих тел и льда в уровне верхнего бьефа кроме верхней обвязки ставят дополнительный стрингер. Обшивка непосредственно опирается на стрингеры и ригели и крепится к ним на сварке. Таким образом обшивка работает на местный изгиб в пролете между точками опирания. Расчетную схему обшивки можно представить в виде балки-полоски единичной ширины.
q=γв×(hi+hi+1)2 – берем среднее значение на участке закрепления.
Mоп=q×b216 – момент на опоре наибольший ведем проверку прочности по нему.
Составим таблицу для Mi и ti для каждого участка закрепления.
Mi= γв×( hi+hi+1)×bi232.
Из таблицы найдем наибольшее значение толщины обшивки и примем его за расчетное.
Наибольшее значение ti=13.04 t=14мм (принимаем обшивку данной толщины за расчетную).
Подбор сечения стрингеров.
Примем их количество таким чтобы расстояние между ними находилось в пределах (1.2-2)м. Шаг диафрагм d=1.65 количество их n=11 шт.
В приведенной расчетной схеме максимальный изгибающий момент возникает в сечении на второй опоре: Mc=qc×d210 где qc= γв×0.5×(hi+hi+1).
Стрингер представляет собой многопролетную балку нагруженную равномерно распределенной по длине нагрузкой qc которая определяется шириной его участка загружения гидростатическим давление (см. формулу выше) .
Шестой стрингер несет максимальный изгибающий момент :
Mc6=15.21 кНм=18.25кНсм.
=Mc6W≤Ryγn W≥Mc6×γnRy ; W=1825×1.2524=95.1 см3
По полученному моменту сопротивления выбираем подходящий профиль швеллера по сортаменту: расчётный профиль №18 с W=121 см3.
Расчет и подбор сечения ригеля.
Из условия устойчивости обшивки в сечении ригеля включается ширина обшивки не более 0.15×Lр ; поперечное сечение будет меньше у нижнего ригеля поэтому ведем расчет по нему:
15Lр=0.15×16.5м=2.475м
Lр2=1.84м ; lн=0.995м.
Из условия прочности ригеля на изгиб: =MW≤Ryγn W≥M×γnRy
M= 6030кНм W≥6030×102×1.2524=314.1×102=0.0314м3..
Оптимальная по расходу материала высота сечения: h0=5.65× .
h0=5.65×0.315=1.78м.
Из условия жесткости hmin сечения определяется по формуле:
Соотношение Lрf берем по допустимому значению =600. В результате получаем
hmin=128см=1.28м. Дальше за высоту ригеля принимаем наибольшее значение из h0 и hmin.
Высота сечения на опоре в целях уменьшения паза где размещаются ходовые части принимаем h’=0.6h=106.8см.
Толщину стенки ригеля выбираем из условия прочности ригеля на срез.
Условие прочности на срез: ≤Rsγn ; Rs=0.58Ry ; =QSYt ; примем приближенно SY1.2h.
Rs=13.92кНсм2 ; t≥(1.2Qγn)(h’Rs)
Размеры безнапорного пояса выбираются таким образом чтобы W = ранее посчитываемому .
Толщина стенки ригеля t≥(1.2×1462×1.25)(106.8×13.92)=1.47см=15мм
= (2.835×1.4×10-2)(1.78×1.5×10-2)=1.48
tп×bп=287.2см2 bп=287.23=95.7см по приложению №1 выбираем сталь листовую при толщине пояса tп=30мм шириной bп=1000мм tп×bп=300см2.
Сечение ригеля на опоре:
Сечение ригеля в пролете:
Проверка прочности и жесткости ригеля.
Сечение ригеля должно удовлетворять следующем прочностям:
где - нормальные напряжения =.
- касательные напряжения = .
ef –приведенные напряжения
для того чтобы найти все напряжения необходимо вычислить геометрические характеристики сечения ригеля в пролете и на опоре.
)Определение геометрических характеристик в пролете.
a)A0=b0×t0=2.835×0.014=0.03969 м2.
Ac=hc×tc=1.736×0.015=0.0267м2.
Aп=bп×tп=0.03м2. A0.09635м2.
b)Определение положения центра тяжести.
S=(0.86+0.007)×0.03969-(0.86+0.015)×0.03=0.011м3.
Расстояние до центра тяжести сечения от оси х’=a
a=SA=0.0110.09635=0.11м=11см=110мм.
Определение положения центра тяжести:
c) Момент инерции сечения относительно оси х’:
Y0=(b0×t0312)+ A0=0.032м4
Yc=(t×hc312) =0.007м4
Yп=bп×tп312+ Aп=0.0245м2.
Относительно оси x момент инерции равен: Yx=Yх’ – a2A
Yx=0.064-0.112×0.096=0.063м4.
d)Момент сопротивления для верховой и низовой грани.
)Определение геометрических характеристик на опоре.
a) A0=b0×t0=396.9cм2.
Aп=bп×tп=300cм2. A850.5cм2
Определение положения центра тяжести на опоре:
c) Момент инерции сечения относительно оси x’:
Y0=(b0×t0312)+ A0=1069 ×103см4
Yc=(t×hc312) =134.2×103 см4
Yп=bп×tп312+ Aп=833.412×103см4.
)Определение внутренних усилий в расчетном сечении ригеля.
В сечении №1: Q1=0 М1=qLр8
В сечении №2 : Q2 =0 Q2=qLр2
В сечении №3 : Q3=qLр4 M3=3qLр32
Проверка прочности в середине пролета:
≤Ry γn ; γn=1.15(коэффициент запаса для 3 класса сооружений)
yв=6030×102кНсм800×102см3=7.53 кНсм2 ≤ 241.15=20.87кНсм2(выполняется).
yн=6030×102кНсм620×102см3 =9.72кНсм2 ≤ 241.15=20.87кНсм2(выполняется).
Проверка прочности на сдвиг в сечении при опоре:
= ; Y=200.9×104см4; Q2=1462 кН ; S=S12=
S12=21479 см3(статический момент половины сечения).
=(2.92×103×21479)(200.9×104×1.5)=10.4кНсм2 ≤0.58×241.15=12.1кНсм2(вып.)
Проверка прочности в пролета:
п.с=(Q3Sп.с)(Yt) ; Sп.с=Aпtп2 ; п.с.=M3×yп.с.Y ; где yп.с =hc 2-a.
п.с=(Q3Sп.с)(Yt)=(731×450)(630×104×1.5)=0.034 кНсм2.
п.с.=M3×yп.с.Y=452250×(86.8-11)630×104=5.35кНсм2.
=5.35 кНсм2 ≤241.15=20.86кНсм2(выполняется)
Проверка прочности в точке В.В проверяется аналогично:
ВВ=(Q3SВВ)(Yt) ; ; SВВ=A0t02=277.83 см3 ; Y=630×104см4 ;Q3=731 кН ; t=1.5 см.
ВВ=(Q3SВВ)(Yt)=0.021кНсм2
ВВ.=M3×yВВ.Y =6.48 кНсм2 ; где yВВ =hc 2+a=86.8+11=91.8см.
=6.48кНсм2 ≤20.86кНсм2=Ryγn (выполняется).
Проверка жесткости ригеля:
fLр=1600 ; fLр== =7.83×10-4≤1.66×10-3(вып.)
)Проверка местной устойчивости элементов ригеля.
a)Проверка устойчивости обшивки:
Условие устойчивости: ; Eст=2.1×104кНсм2.
Часть обшивки включенная в состав ригеля по середине пролета работает на сжатие:
Y=630×104см4 ; Mmay0=-a+t0+hc2=77.2см.
=6030×102×77.2(630×104)=7.27кНсм2.
bi≤2×1.4(2.1×1047.27)12=148см.
В принятой схеме расположения ригелей и стрингеров нет участка превышающего это значение.
b)Проверка устойчивости части стенки ригеля которая рассматривается как устойчивость прямоугольной пластинки ограниченной диафрагмами безнапорным поясом обшивкой.
Условие устойчивости выглядит следующим образом при действии касательных и нормальных напряжений:
hcж'=hc’2+a –высота сжатой зоны стенки в приопорной части ригеля. =dhc’ ; где hc’-высота стенки в при опорной зоне.
hc'=0.5(1024+1780)=140.2см На крайней панели можно пренебречь нормальными напряжениями т.к. они очень малы. Поэтому достаточно проверить только по касательным напряжениям условие устойчивости стенки ригеля.
;для касательных напряжений берется их усредненное значение по высоте стенки.
Q t=1.5см сред=1315(140.2×1.5)=6.25кНсм2.
=1.17 ; 2=1.38 ; =22.26кНсм2.
crc=6.2522.26=0.28≤(11.15)=0.87(Выполняется).
Расчет отверстий для пропуска воздуха.
В момент открытия отверстия вблизи порога создается вакуум область которого определяется углом α от границы порога до нижней грани безнапорного пояса ригеля. При α300 становится практически невозможно маневрировать затвором из-за сильного подсоса. В этом случаи необходимо гашение вакуума путем подачи воздуха в подригельное пространство. С этой целью в поверхностных затворах достаточно предусмотреть отверстия в стенке ригеля. Площадь отверстия должна составлять не менее 20% от площади отсека т.е A0≥0.2dh. Этим условием определяется радиус отверстия: r≥(0.2dh)12. Потеря части рабочего сечения компенсируется воротником вокруг отверстия. Толщина кольца принимается не менее 1.5t ширина кольца bk- не более 12t.
Для удобства наложения сварных швов расстояние между обшивкой и воротником менее u= 250мм не допускается. В этом случаи центр отверстия может оказаться смещенным с центральной оси сечения ригеля на некоторое расстояние с.
Из условия равнопрочности Y0=Yk ;где Y0 и Yk -моменты инерции вырезанной части стенки и сечения воротника соответственно вытекает необходимая рабочая площадь последнего:
bktk≥[rt (1+2e2(r2+e2) ]3.
Если высота сечения ригеля недостаточна для размещения круглого отверстия то его выполняют овальным. В приопорном отсеке переменой высоты отверстия делают меньше -15% от площади отсека. Усиление воротником здесь не обязательно ввиду незначительных величин нормальных напряжений.
Т.к угол α=16 то отверстия в секциях необходимы.
r=(0.2×165×178)12=43.24см. тогда d=2r=86.48.см.
Расположим отверстие в так чтобы центр окружности лежал на центральной оси сечения ригеля тогда c=0 bktk≥ rt3=43.24×1.53=21.62см2
tk=1.5t=2.25см bk≥9.44=10см.
Расчет поясных швов.
Lш= 0.6h-t0-tп-8мм=102.4-1.4-3-0.8=97.2. Будем рассматривать только один шов. Это шов крепления стенки ригеля к опорно-концевой стойке. Шов работает на срез.
Рассматривают два условия прочности:
)По прочности металла шва материала: ≤Rwfγwfγn
)По прочности контакта шва: ≤Rwzγwzγn
=QkLш2 ; где –коэффициент глубины проплавления шва.
Для автоматической сварки wf=1.1; wz=1.15
)k≥(Qγn)(RwfγwfLш2)=0.38см ; Rwf=21.5 кнсм2 сталь С345
)k≥(Qγn)(RwzγwzLш2)=0.39см ; Rwz=20 кНсм2.
Расчет шва между стенкой и безнапорным поясом. (разрушение происходит из-за касательных напряжений)
; S=bпtп(hc2+tп2-a)=19110см3. =9.81кНсм2.
)По прочности материала шва получается его катет:
k≥(γn)(Rwfγwf2)=(9.8×1.15)(21.5×1.1×2×1)=0.23см.
)По прочности кантакта шва катет равен к=0.245см.
Принимаем допустимо минимальное значение катета к=0.4см=4мм.
Расчет диафрагм. Расчетная схема диафрагмы:
Наибольший момент наблюдается у верхнего ригеля.
Размеры сечения назначаются конструктивно.
hd=h-t0-tп-hстр=178-1.4-3-18=155.6см.
Диафрагма несет нагрузку меньше чем ригель а ее поперечное сечение не намного уступает сечению ригеля. прочность диафрагмы заранее обеспечена.При конструирование диафрагмы проверяется только прочность сварных швов. Т.к на верхнем ригеле действует наибольший изгибающий момент и поперечная сила а в этом месте диафрагма монтируется ручной сваркой то возникает необходимость проверить прочность угловых швов крепления стенки диафрагмы к ригелю. Стенкой диаф. Воспринимается вся поперечная сила и часть момента: M0=M×Yc Yd ; Yc- момент инерции стенки диафрагмы относительно оси проходящей через центр тяжести сечения диафрагмы.
Yc=bh312=44.4194×104 см4 ; Yd-момент инерции всего сечения.
Yd=45.31×104см4. YcYd=0.98.
Швы крепления стенки испытывают скалывающие напряжения:
Af=2fkl- площадь среза двусторонних швов f=0.7( ручная сварка).
Wf=fkl26 – момент сопративления швов к=7мм
L=(152.6-0.8)=151.8см.
Af=2×0.7×0.7×151.8=148.764см2.
M=0.5×1.65×3.8253×9.813=150.9кНм.
Q=0.5×1.65×3.8252×9.81=118.41 кН.
M0= 0.98×150.9=147.882кНм.
Q=QAf =118.41148.7=0.79.кНсм2
M=MWf=150.91881.86=0.08 кНсм2.
= (Q2+ M2)0.5≤21.51.15=18.695 ; =0.79≤18.695.( прочность монтажа шва обеспечена.)
Проверка шва( монтажного) соединяющего опорно-концевую стойку и стенку ригеля.
Опорная реакция передаётся на стойку через монтажный шов крепления стенки ригеля стенки стойки. Расчетная длина швов определяется высотой стенки ригеля на опоре с учетом вырезов 40×40мм.
L=1024-80-18-14=792=79.2см. ; Q=14.62кН ; f=0.7( ручная сварка).
Условие прочности шва: =QkLш2≤ γwfγnk≥(Qγn)(RwfγwfLш2)≥0.705см=8мм.
Ферма продольных связей.
Расчетная погонная нагрузка воспринимаемая фермой имеет величину:
q’=0.4Gγf Lр. γf-кэф. Надежности по нагрузки=1.1.
G=0.2(TL2)0.7=0.2(354.38×162)0.7=590.78кН. ; T-равнодействующая гидростатического давления.
Q’=0.4Gз=0.4×590.780=236.312кН
опорная реакция фермы продольных связей равна:
Q’2=0.2G3=0.2×590.78=118.56кН-вызывает наибольшее растяжение в приопорном раскосе.
Угол α=2409’. N=Q’cosα=236.3120.912=259.114 кН.
Сечение раскоса подбирается из одиночного уголка по условию прочности.
NA=Ryγn A≥NγnRy. A≥259.114×1.1524=12.41кНсм2.
Принимаем уголок 100×7 мм: i=1.98см =0.9 коэффициент приведенной длины.
Гибкость подобранного профиля должна быть не больше допустимой:
λ=×li=0.9×4031.98=183≤(300) –выполняется.
Безнапорные пояса ригелей являясь поясами связевой фермы одновременно испытывают усилия N’=M’
lр- высота фермы- расстояние расстояние между ригелями.
В результате возникает дополнительное растягивающие нормальное напряжение: =N’bпtп ;
q'=Q’Lp=236.31216.5=14.32- фиктивная равномерно распределенная-
- нагрузка от части веса затвора.
M’=14.32 ×16.528=484.26 кНм.
’=29.34 300=0.1 кНсм2
прочность безнапорного пояса проверяется на действие :
+’≤Ryγn=9.72+0.1≤241.15=20.87 9.82≤20.87 (выполняется).
Схема фермы продольных связей:
Опорно- ходовые части.
Колесные: nk=LpT2500=2.33кН4 ; принимаем nk=4; T=354.38кНм.
где Pk=Lp×Tnk=1461.87 кН.
R=1461.81(2×0.15×6000)=0.81м=810см.
Московский государственный строительный университет.
кафедра гидротехнических сооружений
Курсовая работа по теме:
«РАСЧЁТ ПЛОСКОГО ЗАТВОРА»
Металлические конструкции