Проектирование плоского стального затвора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

Департамент научно-технологической политики и образования

Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра «Водохозяйственного строительства»

Дисциплина «Инженерные конструкции»

Курсовой проект на тему

«Проектирование плоского стального затвора»

Волгоград 2011 г.

1. Состав проекта

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и одного чертежа. Расчетно-пояснительная записка должна содержать :

Введение.

Выбор схемы затвора и назначение его основных размеров.

Назначение расчетных сопротивлений.

Расчет обшивки и вспомогательной балки.

Расчет ригеля, включающий определение геометрических характеристик поперечного сечения, проверку прочности подобранного сечения, проверку местной устойчивости стенки ригеля и расчет сварных швов.

Назначение размеров сечения опорно-концевой стойки и расчет прикрепления к ней ригеля.

Расчет и подбор сечений элементов продольных связей конструирования узлов.

2. Основные элементы плоского затвора

Затворами - называют конструкции, закрывающие и открывающие вы гидротехнических сооружениях отверстия для пропуска воды, а также судов, плотов, льда и других плавающих тел.

Затворы всех типов и любого назначения вместе с их закладками и опорно-ходовой частями относят к механическому оборудованию гидротехнических сооружений.

По местоположению перекрываемых отверстий затворы подразделяют на поверхностные и погруженные (глубинные).

Поверхностные затворы располагают на пороге сооружения; верхняя кромка таких затворов находится выше уровня воды.

Погруженные затворы перекрывают отверстия, находящиеся целиком в воде; их верхняя кромка находится ниже уровня воды.

По эксплуатационному назначению различают затворы основные, ремонтные, аварийные, аварийно-ремонтные и строительные.

Основные (рабочие) затворы постоянно работают при эксплуатации сооружений и служат для поддержания требуемого горизонта воды в ВБ. Маневрирование основными затворами происходит в условиях текущей воды.

Ремонтные затворы используют для временного закрытия отверстия при ремонте основного затвора. Маневрирование ремонтными затворами производят в спокойной воде.

Аварийные затворы применяют также для временного закрытия отверстий гидротехнических сооружений, но в случае аварии с основным затвором. Аварийные затворы должны спускаться в поток, подъем их обычно осуществляют после выращивания напоров по обе стороны затвора.

По конструктивным признакам затворы делят на плоские, сегментные, вальцовые и др.

Плоский затвор состоит из подвижной части (собственного затвора) и неподвижных частей (пазового устройства)

Обшивка располагаемая обычно с напорной стороны затвора, препятствует течению воды, непосредственно воспринимает ее давление и передает последнее на вспомогательные балки, поперечные диафрагмы и ригели. Обшивку делают из листовой стали.

Балочная клетка состоит из вспомогательных балок или из вспомогательных балок и стоек и передает давление воды от обшивки на ригели. Вспомогательные балки обычно располагают горизонтально. Элементы балочной клетки изготавливают из прокатных двутавровых балок и швеллеров.

Ригели - основные несущие элементы затвора - передают давление воды на опорно-концевых стойках. В зависимости от величины пролета затвора и высоты напора воды ригели изготавливают из прокатных или составных балок.

Опорно-концевые стойки передают горизонтальное и вертикальное давление от ригелей и продольных связевых ферм на опорно-ходовые части и подвесные устройства. Опорно-концевые стойки обеспечивают взаимное расположение концов ригелей и служат для закрепления всех опорно-ходовых и подъемных устройств.

Поперечные диафрагмы в виде сплошного листа должны сохранять пространственную неизменяемость сквозного параллепипеда, образованного ригелями и продольными связями, и препятствовать его скручиванию. В случаях неравномерного загружения отдельных ригелей поперечные диафрагмы выравнивают нагрузки между ними. В некоторых случаях вместо сплошной диафрагмы применяют решетчатые поперечные связи.

Продольные вязи между ригелями, расположенные в плоскости растянутых поясов, образуют совместно с этими поясами вертикальную форму. Со стороны сжатых поясов роль продольных связей выполняет обшивка, которая совместно с элементами балочной клетки образует жесткий диск. Продольные связи воспринимают собственный вес затвора и другие вертикально действующие нагрузки, передавая их на опорно-концевые стойки. Благодаря им сохраняется неизменное взаимное расположение ригелей, они также уменьшают вертикальные деформации горизонтально расположенных ригелей.

Опорно-ходовые части и направляющие устройства служат для передачи давления воды на неподвижные части затвора. Обычно применяют скользящие опоры из древесно-слоистого пластика и колесные опоры. Для ограничения боковых перемещений и перекосов затвора в процессе маневрирования им, а также для уменьшения вибрации при неполном открытии затвора служат направляющие устройства в виде боковых и обратных колес или упоров.

Уплотнения перекрывают зазоры между обшивкой и закладными частями затвора, препятствуя утечке воды в обход обшивки. В зависимости от расположения уплотнений различают вертикальные и горизонтальные уплотнения. Горизонтальные уплотнения, расположенные внизу подвижной части затвора, называют донными. Конструкции затвора должны удовлетворять предъявляемым к ним требованиям и технической безопасности, быть надежными и возможно более простыми при маневрировании.

3. Исходные данные для проектирования, выбор схемы затвора и назначение основных его размеров.

стальной затвор

3.1 Исходные данные для проектирования

1. Ширина отверстия в свету 10 = 14 м

2. Напор воды Н = 12 м

3. Тип опорно-ходовой части - колесные

4. Марка стали - 18Гсп

5. Вид затвора - Аварийный

3.2 Назначение основных размеров и составление схемы затворов

После установления исходных данных для проектирования назначают основные размеры и составляют схему затвора.

Расчетный пролет затвора (расстояние между осями опорно-ходовой частей) определяются по формуле

lef =10+2С

где 10 - отверстие в свету (расстояние между бычками);

С - расстояние от края бычка до оси опорно-ходовых частей.

С=250мм

lef=14,5

Величину Р - нагрузки, передаваемой на одну опору, определяют по формуле

где Н - напор воды;

- удельный вес воды;

- нагруженный пролет (расстояние между вертикальными боковыми уплотнениями), принимаемый равный

= + (0,15. ...0,2м) =14 + 0,2 = 14,2 м

Затем назначается предварительная высота ригеля из условия:

h=(1/8…1/10)

Принимаем h=14,5/9=1,6м

В поверхностных затворах обычно высоту ригеля на опоре уменьшают, принимая ее равной hon~0,5h=0,9 м. Такое изменение высоты позволяет уменьшить ширину ниши пазового устройства и длину бычков, а также несколько снизить общий вес ригеля.

Стенку ригеля разбивают по длине на 6 или8 панелей поперечными диафрагмами. Однако сумма длин всех панелей затвора должна быть равна lef.

м

h<lm?2h Условие соблюдается.

Полная высота поверхностного затвора определяется по формуле:

Нзат=Н+ао

Нзат =12 + 0,4 = 12,4м

где ао - расстояние от уровня горизонта ВБ до верхней точки затвора (запас над УВБ), принимаемого равным 0,3 - 0,4м.

Условием правильного размещения ригелей в плоских затворах является равномерность их загружения давлением воды. При соблюдении этого условия ригели получаются одинакового сечения. В двух ригельном затворе ригели устанавливают на равном расстоянии от равнодействующей давления воды.

Для поверхностного затвора положение равнодействующей треугольной эпюры давление определяется как

Затем назначают расстояние а2 от нижней точки затвора до оси нижнего ригеля. Это расстояние должно обеспечивать размещение опорно-ходовых частей.

Для затворов со скользящими опорами из древесно-слоистого пластика расстояние а2 принимается

а2 = 0,5 …0,6 м =0,6м

Расстояние между ригелями а может быть получено из выражения :

a=(2z-a2)=2*4-0,6=7,4 м

Тогда вылет верхней консоли a1 равен

a1=Нзат-(а+а2)=12,4-(7,4+0,6)=4 м

Далее проверяют угол б между плоскостью водослива и нижней кромкой ригеля затвора:

Предварительно принимаем ширину безнапорного пояса 1/4...1/5 от высоты ригеля h.

б=arctg 0,1=2,91

a =2,9<30, следовательно условие соблюдается, и при поднятии затвора вытекающая из-под него вода захлестывает нижний ригель и создает под ним вакуум, увеличивающий подъемное усилие. Особенно неблагоприятно неустановившееся протекание воды с прилипанием и отрывом струи от ригеля. В этом случае возникает значительная и резко меняющаяся динамическая нагрузка, создающая вибрацию затвора.

4. Расчет вспомогательных балок

Установив положение ригелей, переедим к расстановке вспомогательных балок.

Расстояние между вспомогательными балками определяются конструктивными требованиями, согласно которым должна быть обеспечена пространственная жесткость затвора и устойчивость обшивки на давление между балками.

Предварительную расстановку вспомогательных балок производят следующим образом: в масштабе в соответствии с принятыми размерами вычерчивают поперечный разрез затвора. Верхнюю обвязку выполняют из швеллера, нижнюю из равнополочного уголка 100x10. Так как положение ригелей уже определено, то распределение второстепенных балок необходимо произвести уже на двух участках: верхнем и нижнем.

Основной нагрузкой, действующей на затвор, является сила гидростатического давления, определяемая по известным формулам гидравлики. Для равного всех второстепенных балок данную эпюру на соответствующих участках необходимо разделить на равновеликие площади и разместить балки напротив центров тяжестей этих площадей. Таким образом, с увеличением глубины расстояние между второстепенными балками уменьшаются.

После размещения второстепенных балок по высоте затвора необходимо проверить соответствие фактического расстояния между балками наибольшему допустимому расстоянию.

[lоб]=

где to - толщина обшивки

Ry - расчетное сопротивление листовой стали соответствующей толщины;

Р - гидростатическое давление воды посередине рассматриваемого участка обшивки.

[lоб]=

Максимальный изгибающий момент в балке (у первой промежуточной опоры) равен:

Определим требуемый момент сопротивления:

=181- сопротивление фасонной стали.

Следовательно, по W необходимо подобрать составное сечение. Так как =193*106 см устраиваем сварной каркас.

№20

h=200мм

b=100 мм

Jx=1840 см4

Wx=184 см3

Аф=40,2см2

При расчете вначале определяют положение центра тяжести составного сечения.

К расчету вспомогательной балки: а- расчетная схема; б- определение размера U;

в- расчетное сечение ; 1-ригель; 2- обшивка.

м

где - площадь части обшивки, входящей в составное сечение;

hвб.- высота вспомогательной балки (берется из сортамента);

Авб - площадь сечения вспомогательной балки (берется из сортамента)

Момент инерции составного сечения:

где - момент инерции вспомогательной балки. Берется из сортамента

Все вспомогательные балки принимают одного сечения; верхнюю обвязку из швеллера той же высоты , что и вспомогательные балки ,нижнюю обвязку из равнополочного уголка 100x10 мм.

5. Расчет ригеля

5.1 Определение нагрузок на ригели и предварительный подбор поперечного сечения

Ригели - основные несущие элементы затвора - в курсовом проекте принимают сплошно- стенчатыми в виде составных балок. Расчетная схема ригеля - однопролетная шарнирно опертая балка, загруженная равномерно распределенной нагрузкой на длине

1г-нагруженный пролет.

Так как размещение ригелей по высоте затвора было осуществлено исходя из их равно загруженности гидростатическим давлением, то равномерно-расположенная нагрузка на каждый ригель от этого давления для поверхностного затвора может быть определено по формуле:

При расчете и конструировании ригелей необходимо учитывать, что их пояса одновременно служат поясами продольных связевых ферм. Под давлением воды Р напорные пояса (1иЗ) сжимаются, а безнапорные (2и4) растягиваются. Под влиянием собственного веса затвора G эти же пояса, как пояса продольных связевых ферм, испытывают: 1 и 2 - сжатие, а 3 и 4 - растяжение. Следовательно, сжатый пояс 1 верхнего ригеля и растянутый 4 нижнего ригеля под влиянием собственного веса будут дополнительно нагружены, а пояса 2 и 3 - разгружены. Пояса обоих ригелей проектируют одинаковыми с учетом наибольшего (суммарного) усилия. При подборе сечений двухригельных затворов ориентировочно оценивают влияние собственного веса затвора на усилия в поясах ригелей, увеличивая последние примерно на 10% усилий, вызываемых гидростатической нагрузкой.

5.2 Определение высоты ригеля

Подбор сечения составной балки начинают с определения высоты, от которой зависят все остальные параметры балки.

Высота составной балки определяются из условий жесткости и прочности.

Минимальную высоту сечения из условия обеспечения жесткости определяют по формуле:

где Ry(H) - расчетное сопротивление при изгибе листовой стали толщиной стали более 20мм;

lef - расчетный пролет;

Е -модуль упругости;

- коэффициент надежности по нагрузке (для гидростатической нагрузки равен 1, т.к. напор Н задается с учетом ветрового нагона);

- коэффициент, учитывающий влияние собственного веса на усилия в поясах ригеля и принимаемый равный 1,1;

- коэффициент, учитывающий увеличение прогиба, вследствие уменьшения высоты ригеля на опорах и принимаемый 1,8.

Оптимальную высоту балки определяют по следующей формуле:

Высота балки назначается не меньше , чем hmj„ Обычно для ригелей затворов принимается промежуточное значение между hom и hmm, по ближе к hom

Во всех случаях надо учитывать, что в сечение напорного пояса входит часть приваренной к нему обшивки, в результате чего полная высота ригеля равна:

где - толщина безнапорного пояса (не менее 20 мм);

- толщина напорного пояса (не мене 10 мм). Высоту стенки следует согласовать с размерами листов по сортаменту на толстолистовую сталь, которая идет на изготовление стенки.

Для поверхностных затворов высоту ригеля на опоре назначают

Толщина стенки должна быть согласована с имеющимися толщинами проката толстолистовой стали. Минимальная толщина стенки 10 мм.

Далее переходят к назначению размеров поясов.

Для назначения размеров поясов прежде всего определяют требуемый момент инерции балки:

Следовательно, требуемый момент инерции поясов равен

Площадь пояса:

Ширину безнапорного пояса ригеля можно определить по формуле:

20

Необходимо проверить местную устойчивость безнапорного пояса

м

Ширину напорного пояса определяют исходя из условия равенства площадей безнапорного и напорного поясов, так как в этом случае эпюра нормальных напряжений симметрична, т.е. пояса равно нагружены. При этом следует учитывать, что в состав напорного пояса включается часть примыкающей к поясу обшивки со свесами, равными:

5.3 Окончательный расчет ригеля

Для выполнения окончательного расчета ригеля необходимо вычислить геометрические характеристики подобранного сечения по точным формулам сопротивления материалов. При определении геометрических характеристик ригель рассматривается как симметричная составная балка с поясами площадью (некоторую несимметричность из-за включения обшивки в состав напорного пояса можно не учитывать).

Таким образом, площадь поперечного сечения ригеля

Момент инерции ригеля в пролет

Фактический момент сопротивления ригеля в пролете равен:

где

Вес ригеля можно определить по формуле:

где - удельный вес стали равный 7,85 .104Н /м2

- 1,05…1,15 - строительный коэффициент.

Расчетная нагрузка от соответственного веса ригеля :

где - коэффициент надежности на нагрузке (для веса стали равен 1,05)

В результате к расчетному моменту от прочих нагрузок , рассчитанному ранее

прибавляется момент от собственного веса ригеля.

Таким образом, результирующий расчетный момент равен

Расчетная поперечная сила на опоре равна

Проверка прочности по нормальным напряжениям производится по формуле:

Проверка прочности по касательным напряжениям вычисляется с использованием зависимости:

где - максимальная поперечная сила на опоре.

- момент инерции ригеля на опоре.

tw - толщина стенки ригеля.

- статический момент инерции сечения на опоре, который может быть вычислен по формуле:

Проверка жесткости осуществляется с помощью соотношения:

При совместном действии нормальных и касательных напряжений материал ригеля находится в условиях сложного напряженного состояния. В этом случае приведенные напряжения должны удовлетворять следующему условию:

где - нормальное напряжение в стенке на уровне нижней грани полки;

Следует отметить, что при выполнении проверки прочности ригеля по приведенным напряжениям следует определять для одного и того же сечения.

5.4 Проверка местной устойчивости ригеля

Местная устойчивость поясов ригеля должна быть обеспечена ещё на этапе предварительного подбора поперечного сечения.

Местная устойчивость стенки ригеля считается достаточной, если ее условная гибкость не превышает значения 3,2 (при статической нагрузке).

Величина определяется по формуле:

Если <3,2, то необходимость постановки ребер жесткости отсутствует. Роль поперечных ребер жесткости для стенки ригеля выполняют поперечные диафрагмы.

Поперечные диафрагмы привариваются к стенке по всей высоте сплошными швами с минимально возможным катетом шва. Коло поясов ригелей в диафрагмах следует предусмотреть вырезы высотой 50....62мм для пропуска поясных швов.

5.5 Проверка прочности поясных швов

Касательные напряжения т стремятся сдвинуть пояса ригеля относительно стенки. Этому сдвигу препятствуют поясные швы. При расчете поясных швов необходимо определить сдвигающее усилие, приходящееся на единицу длины,

где - оптический момент инерции поперечного сечения пояса относительно нейтральной оси балки на опоре, вычисляется с помощью зависимости:

Катеты угловых швов, которыми пояса ригеля припариваются с двух сторон к стенке, должны быть не менее величин, определяемых расчетом по металлу шва:

по металлу границы сплавления:

где =1,1 и- коэффициенты, характеризующие глубину провара.

и- расчетные сопротивления углового шва срезу по металлу границы сплавления.

и - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях,

кроме конструкций, возводимых в районах с сильными морозами.

Минимальное значение величины катета шва принимают в зависимости от толщины наиболее толстого из свариваемых элементов.

6. Назначение размеров опорно-концевой стойки и расчет прикрепления к ней ригеля

Опорно-концевые стойки представляют собой составные балки высотой, равной высоте ригеля на опоре.

В курсовом проекте задаются размерами опорно-концевых стоек.

Ширина полки должна обеспечить размещение опорно-ходовых устройств. Исходя из этого условия можно принять следующие размеры полок опорно-концевых стоек:

для скользящих опор:

Толщину полки принимается равной толщине напорного пояса t'f, но не менее 20мм.

Толщину стенки опорно-концевой стойки можно принять равной толщине
стенки ригеля, т.е.

Торцы стенок ригелей присоединяются к стенкам опорно-концевых стоек и привариваются. При этом можно считать, что два угловых шва, соединяющих стенки друг с другом, воспринимают опорную реакцию ригеля. Длина этого углового шва равна высоте стенки опорно-концевой стойки за вычетом вырезов для пропуска поясных швов.

Катет рассматриваемого углового шва должен быть не менее величины, определяемой по формуле.

7. Расчет продольных связей.

7.1 Определение усилий в продольных связях

Продольно связевую ферму затвора образуют продольные связи совместно с безнапорными поясами ригелей и диафрагмами.

Для упрощения расчетов можно условно продолжить, что вся вертикальная нагрузка на продольную связевую ферму, обусловленная собственной массой затвора, приложена в узлах ее верхнего пояса. Обычно принимают, что на ферму передается 40% полного веса затвора.

Вес затвора можно определить по формуле:

где - площадь затвора, воспринимающая давление воды.

Узловая нагрузка может быть вычислена с помощью следующей зависимости:

где - длина панели.

- расчетный пролет.

Для определения усилий в раскосах продольной связевой фермы необходимо вначале определить опорные реакции, а затем воспользоваться методом проекций, рассматривая равновесие левой части фермы от сечения I-I и II-II.

Сечение I-I.

Сечение II-II.

По конструктивным требованиям для элементов связанной фермы используется не более двух типов сечений ( один для сжатых, другой для растянутых элементов), поэтому достаточно определить усилия только в двух наиболее напряженных раскосах.

7.2 Подбор сечений элементов продольных связей.

Основными типами сечений элементов ферм являются: сечение, составленное из двух равно- и неравнополочных уголков в виде тавра; крестовое сечение из двух равнополочных уголков; тавры, полученные путем сварки из двух полос или продольной разрезки широкополочных двутавров; сечение из одиночных уголков; трубчатое или коробчатое сечение.

В курсовом проекте рекомендуется подобрать поперченное сечение продольных связей из двух равнополочных уголков, составленных в виде тавра, причем данный подбор необходимо производить отдельно для сжатого и растянутого стержней.

7.2.1 Порядок подбора поперечного сечения сжатого стержня

Данная задача решается подбором, для чего необходимо задаться гибкостью стержня, которая должна быть меньше допустимой [л]=150.

В соответствии с принятыми л и Ry определяют коэффициент продольного изгиба ц:

л=100 ц=0,493

Требуемая площадь поперечного сечения сжатого стержня равна:

где - коэффициент условий работы (для сжатых элементов решетки ферм при гибкости

л ? 60 принимается равным 0,8).

- сжимающая сила, определяемая статическим методом.

Требуемый радиус инерции поперечного сечения определяется по формуле:

Принимаем 2 уголка 100х100x10мм

А=20,2см2

Проверка устойчивости сжатого элемента осуществляется с помощью зависимости:

где - фактический коэффициент продольного изгиба, который определяется в соответствии с фактической гибкостью

7.2.2 Подбор поперечного сечения растянутого элемента.

Растянутые элементы подбираются из условия их работы на прочность. Требуемая площадь поперечного сечения.

В соответствии с по сортаменту подбирают поперечное сечение из 2 равнополочных уголков 50x50x5, таких, чтобы соблюдалось условие:

7.3 Расчет сварных соединений продольных связей

Соединение элементов продольных связей в узлах осуществляется с помощью ручной сварки. Толщину фасонки принимают равной толщине поперечной диафрагмы. Элементы продольных связей из двух уголков приваривают к фасонкам четырьмя фланговыми швами (два со стороны обушка и два со стороны пера), концы которых для уменьшения концентрации напряжений выносят на торец элемента на 20 мм. Усилия, передаваемые со стержней на фасонки, распределяются между швами по обушкам и перьям уголков обратно пропорционально расстояниям от этих швов до центра тяжести сечения. Для равнополочных уголков можно принять, что на обушки передается 70 и на перья 30% расчетного сечения в элементах связей.

Длина шва со стороны обушка равна:

Длина шва со стороны пера:

Сжатие:

Растяжение:

В соответствии и проектируют узел с соединением элементов продольных связей.

8. Используемая литература

Берген Р.И., Дукарский Ю.М. инженерные конструкции. М.: ВШ, 1989г.

СНиП ч И-23 81. Стальные конструкции. Нормы проектирования/ Госстрой СССр. М.: ЦИТН Госстрой СССр.1988.

Плоский стальной затвор: Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Инженерные конструкции» ч 1. А.П. Николаев, Ю.В. Клочков. ВГСХА 1993.

Размещено на Allbest.ru