пракические занятия по расчету плоского затвора..


Практические занятия по расчету плоского затвора

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №9
«Компоновка затвора. Выбор марок сталей для элементов пролетного строения»
Цель занятия: познакомиться с конструктивными элементами плоского затвора, освоить основы компоновки плоских затворов и выбора марок сталей для них, получить навыки инженерных расчетов.
Последовательность расчета плоского затвора
I Компоновка затвора
1. Определение генеральных размеров
2. Определение действующих на пролетное строение сил
3. Расстановка ригелей
4. Определение усилий в ригелях
II Выбор марки стали для элементов пролетного строения
III Расчет обшивки и стрингеров
1.Расчет обшивки и размещения стрингеров
2.Подбор сечения стрингеров
IV Расчет и конструирование ригеля
1.Подбор сечения
2.Проверка прочности и жесткости ригеля
3.Проверка местной устойчивости стальных элементов ригеля
4.Расчет отверстия для пропуска воды
5.Расчет поясных швов
V Расчет диафрагмы
1.Конструктивная и расчетная схема
2.Проверка прочности узлов диафрагмы
VI Расчет фермы продольных связей
VII Опорно–ходовые часть
Компоновка затвора
1.Генеральные размеры.
Генеральные размеры затвора определяются заданными шириной отверстия и величиной наивысшего подборного уровня , включающего также ветровой нагон воды (рис. 1).
Рис. 1.
2.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 Н / 3 от порога отверстия.
, ,
3.Расстановка ригелей.
В затворах чаще всего пользуют два основных несущих элемента – ригеля, располагаемых обычно симметрично относительно линии действия равнодействующей (рис. 2). При этом длина консоли от верхнего ригеля до расчетного горизонта не должна превышать значения 0,45 Н, а длина консоли от нижнего ригеля до порога не должна быть менее 0,4 м, чтобы была возможность размещения донного уплотнения. Тогда, принимая , получаем




При симметричном расположении ригелей относительно равнодействующей каждый ригель воспринимает одинаковую погонную нагрузку

Рис.2.
Определяем равномерно распределенную нагрузку на каждый ригель

Ригели опираются по концам на стойки, передающие нагрузку на ходовые части затвора (рис. 1).
Опорно–концевые стойки размещаются в нишах боковых стенок отверстия, где располагаются опорные направляющие рельсы. Расстояние по осям рельсов

определяет пролет ригелей. Для затворов средних размеров ширина уступа принимают равной 300 мм.

4.Определение усилий в ригеле.
Расчетная схема ригеля представляет собой статически определимую балку на двух опорах (рис. 3).

рис.3.
Максимальный изгибающий момент в ригеле:

Максимальная поперечная сила:

Определим и в одной четверти пролёта:


Принимаем толщину обшивки , равную 10 мм.
Выбор марки стали для элементов пролетного строения.
Марки стали для пролетного строения выбирают в зависимости от условий эксплуатации затвора и экономических соображений. Применение более прочных и более дорогих сталей должно быть экономически оправдано.
Марку стали назначаем исходя из температурного режима из соотношения:

При температуре эксплуатации .Выбираем марку стали для несущих элементов затвора.
Отношение , в этом случае возможно использование стали С 285, которая охватывает весь необходимый диапазон толщин проката от 4 до 40 мм с соответствующим расчетным сопротивлением.


ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №10
Цель занятия: освоить основы расчета стальных настилов и обшивок и стрингеров плоских затворов, получит навык их конструирования
Расчет обшивки и стрингеров
1.Расчет обшивки и размещения стрингеров
Обшивка I (рис.4) непосредственно воспринимает гидростатическое давление и передает его на ригель 2 через систему подкрепляющих её элементов – стрингеров 3. Стрингеры располагаются параллельно ригелям и опираются на поперечные балки – диафрагмы 4, которые, в свою очередь, крепятся к ригелям 2.

Рис. 4.
Таким образом, обшивка непосредственно опирается на стрингеры и ригели и работает на местный изгиб в пролете между точками опирания. Расчетную схему обшивки можно представить в виде балки – полоски единичной ширины, упруго закрепленной на опорах и загруженной усредненной погонной нагрузкой.


Рис.5.
Изгибающий момент по нормам треста «Гидромонтаж» принимается равным

Момент воспринимается прямоугольным сечением балки – полоски.
Момент сопротивления сечения

Из условия прочности обшивки

находим допустимый пролет обшивки , соответствующий принятой толщине , расчетному сопротивлению материала и нагрузке

где - коэффициент надёжности по назначению, принимаемый для поверхностных оснований затворов равным 1,4;; -удельный вес воды();

; ;
Поскольку обшивку удобнее делать одинаковой толщины по всему сегменту, то шаг стрингеров по высоте отверстия должен изменяться. Верхний стрингер располагается на 200 мм выше расчетного горизонта во избежание перелива воды, нижний стрингер устанавливается на расстоянии 200 мм от порога для размещения донного уплотнения.
В целом, общее количество стрингеров зависит от несущей способности обшивки. При малых толщинах обшивки требуется большое количество стрингеров. В затворах пролетом более 10 м толщина обшивки принимается не менее 10 мм [1,2]; толщина листов менее 6 мм в затворах не допускается.
Принимаем из опыта проектирования толщину обшивки = 10 мм. Зная, что = 10 мм, выбираем = 285 МПа.
Располагаем верхние и нижние стрингеры, разбиваем часть обшивки на 3 участка, а между ригелями на 4 участка (рис. 6).

Рис.6.

Расстояние между стрингерами по мере погружения уменьшается, чтобы была обеспечена прочность .








При заданном пролете 13,0 м минимальная допустимая толщина обшивки – 1,0 см. Принимая эту толщину и марку стали С 285 с её расчетным сопротивлением = 285МПа получим предельно допустимые величины пролета обшивки в зависимости от глубины погружения участка , м; где - глубина, м.
мh5м
hмhмhмhмh56
,
5
2
78
,
0
9
,
0
0,94
93
,
0
22,
1
2
,
0
43
,
1
,74554
2
9
,
0
94
,
0
93
,
0
22
,
1
2
,
0
43
,
1
85
,
3
2
94
,
0
93
,
0
22
,
1
2
,
0
43
,
1
915
,
2
2
93
,
0
22
,
1
2
,
0
43
,
1
84
,
1
2
22
,
1
2
,
0
43
,
1
515
,
0
2
,
0
2
43
,
1
6
5
4
3
2
1











































Таким образом, принятая схема разбивки стрингеров удовлетворяет условию прочности обшивки.
2.Подбор сечения стрингеров.
Опорами стрингеров служат поперечные поддерживающие элементы пролетного строения – диафрагмы. Диафрагмы располагаются по длине ригеля с шагом (рис.7).

Рис.7.
Следовательно, стрингер представляет собой многопролетную балку, нагруженную равномерно распределенной по длине нагрузкой (рис.8)

Рис.8.
Максимальный изгибающий момент в такой неразрезной системе возникает в сечении на второй опоре

Нагрузка на стрингер определяется шириной его участка загружения гидростатическим давлением (рис.9).

Рис.9.
Из условия прочности стрингера на изгиб

определяем требуемый момент сопротивления прокатного профиля

Стрингеры удобнее делать из швеллеров, располагая их корытом вниз во избежание скопления влаги. При использовании двутавров в стенке профиля пробивают дренажные отверстия.
В целях унификации для всех стрингеров выбирается один номер профиля по наиболее загруженному стрингеру.
Профили с толщиной стенки менее 5 мм в затворах не допускаются из–за возможных потерь на коррозию.
1

Рис.10.
Нагрузка на каждый стрингер определяется по формуле:(рис.10)
, т.к.
















Наиболее нагруженный 6 – й стрингер несет максимальный изгибающий момент

Для фасонного проката при толщине 10 мм сталь С 285 имеет расчетное сопротивление = 270 МПа = 27,00 кН/см
Тогда для стрингера требуется момент сопротивления

h принимаем равным 18

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №11
«Расчет и конструирование ригеля»
Цель занятия: освоить основы компоновки сечений составных балок, их расчета и проверки несущей способности и жесткости, общей и местной устойчивости, а также расчета сварных швов
1.Подбор сечения.
Поскольку обшивка затвора приваривается непосредственно к стенке ригеля, то некоторая её часть включается в работу ригеля на общий изгиб (рис.11). По нормам в сечении ригеля может быть включена ширина обшивки с каждой стороны стенки, не превышающая величины , где - пролет ригеля .Однако эти предельно допустимые величины не всегда реально достижимы. Так, в межригельном участке ширина не может превосходить (рис.2), а для нижнего ригеля включаемая часть обшивки со стороны порога ограничивается длиной консоли . С учетом этих замечаний определяется общая величина , используется в сечении ригеля.

Рис.11.
Из условия прочности ригеля на изгиб

находим требуемый момент сопротивления

Теперь можно вычислить оптимальную по расходу материала высоту сечения

Из условия, ограничивающего допустимый прогиб ригеля для основных поверхностных затворов

определяется минимальная высота сечения

Высота сечения принимается по наибольшему значению из двух полученных На опоре в целях уменьшения размеров паза, где размещаются ходовые части затвора, высота ригеля делается меньше

Толщину стенки можно выбрать по условию её прочности на срез
= т. е. t
Полученная толщина округляется до стандартной по сортаменту.
И наконец, требуемую толщину пояса приближенно определяем по формуле:
,
где =;
При подборе толщины и ширины пояса следует соблюдать условие технологичности при сварке поясных швов .
Нежелательно применять пояса шириной более из–за неполного включения в работу материала на краях широких полок.
Подобранное сечение корректируется в ходе последующих проверок прочности ригеля.
Определяем предельную ширину обшивки, включаемую в состав нижнего ригеля:
; ; , тогда
где - максимальная часть обшивки, которую можно было бы включить в расчет
- ширина верхнего пояса

Рис.12.
Предполагая толщину безнапорного пояса ригеля в пределах 25 мм, для листа из стали С 285 имеет расчетное сопротивление = 260МПа = 26,00 кН/см
Тогда

Оптимальная высота сечения

Минимальная высота

Принимаем высоту ригеля ; на опоре .
Требуемая толщина стенки по срезу
; принимаем толщину стенки пояса в соответствии с ГОСТ 19903-74* t=12мм.
Задаваясь ориентировочно толщиной пояса , задаёмся tп=3см,получим высоту стенки в пролете ;==1,75.
Определяем требуемую площадь безнапорного пояса

Определяем требуемую толщину безнапорного пояса

Принимаем .
2. Проверка прочности и жесткости ригеля.
Сечение ригеля должно удовлетворять следующим условиям прочности;
;

Нормативные напряжения зависят от изгибающего момента
,
где - момент инерции сечения относительно оси х-х, проходящий через его центр тяжести.
Касательные напряжения в стенке определяются поперечной силой в ригеле Q

где - статический момент отсеченной части сечения, лежащей выше или ниже рассматриваемой точки в стенке относительно оси x-x.
Приведенные напряжениявычисляются в местах одновременного действия нормальных и касательных напряжений.
Максимальные нормальные напряжения возникают в сечении по середине пролета в безнапорном поясе. Максимум касательных напряжений приходится на стенку в уровне центра тяжести сечения на опоре. Приведенные напряжения проверяются в четверти пролета в нижней части стенки, т. е. в месте примыкания её к безнапорному поясу.
Жесткость ригеля определяется по относительному прогибу, величина которого ограничивается нормами проектирования
,
где - модуль упругости.
Площадь сечения в пролете

Положение центра тяжести сечения



Момент инерции относительно главной оси х-х
Определяем максимальные напряжения в наиболее удалённом волокне, т.е. в безнапорном поясе по формуле:



Изгибающий момент и поперечная сила в четверти пролета


Статический момент безнапорного пояса

Проверка прочности ригеля в четверти пролета



Прочность ригеля по предельным напряжениям в одной четверти пролёта обеспечена.
Делаем проверку прочности по касательным напряжениям на опоре ригеля

Площадь сечения на опоре

Положение центра тяжести



Момент инерции относительно главной оси х-х
Статический момент части сечения, лежащий ниже центра тяжести

Окончательная проверка:


Прочность ригеля по касательным напряжениям обеспечена.
Относительный прогиб в середине ригеля

Максимальный прогиб равен


Жесткость ригеля обеспечена.
3.Проверка местной устойчивости сжатых элементов ригеля.
Часть обшивки, включенная в состав ригеля, посередине пролета работает на сжатие

и должна проверяться на устойчивость. Устойчивость обшивки обеспечена, когда её свободный пролет между точками закреплен, например, между стрингерами или между стенкой ригеля и смежным стрингером, не превышает величины

Максимальные сжимающие напряжения в обшивке при работе ригеля на общий изгиб



Предельная свободная ширина сжатой части обшивки по условию устойчивости равна


В принятой схеме размещения стрингеров вблизи нижнего расчетного ригеля нет участков обшивки с большей свободной шириной.
Устойчивость стенки проверяется во всех её участках, заключенными между диафрагмами (рис.6). В каждом отсеке стенки должно выполняться условие устойчивости пластинки при одновременном действии нормальных и касательных напряжений

Действие напряжений от нагрузки
;
вычисляются по поперечному сечению ригеля в середине отсека. Нормальные напряжения определяются в наиболее сжатой зоне стенке вблизи обшивки, для касательных напряжений берется их усредненная величина по высоте стенки.
Критические напряжения определяются по формулам:


где = -высота сжатой зоны стенки:
- длина отсека – расстояние между диафрагмами.
В первом отрезке от опоры нормальные напряжения невелики, поэтому здесь достаточно проверить устойчивость стенки только по касательным напряжениям. Высота стенки этого отсека переменна, её принимают по высоте середины панели.
Средняя высота в середине первой панели


Длина отсека ; ;Поперечная сила в сечении посередине панели





Устойчивость обеспечена.
Середина второй панели расположена в четверти пролета, здесь

Максимальные сжимающие напряжения в стенке

усреднённые касательные

Высота сжатой зоны сетки







Условие устойчивости выполняется.
В третьей панели


Максимальные сжимающие напряжения в стенке

усреднённые касательные


Условие устойчивости выполняется.
4.Расчет отверстия для пропуска воды.
При подъёме затвора истечение струи воды из–под донного уплотнения образует сильный вакуум под нижним ригелем, что затрудняет работу механизмов подъема. Во избежание подсоса затвора в стенке ригеля делают отверстия, которые обеспечивают подачу воздуха и снижают вакуум. Отверстия необходимы в случае, когда угол между флютбетом и касательной от порога до нижней кромки безнапорного пояса составляет менее (рис.13).
В каждой панели вырезается одно отверстие, площадь которого должна составлять не менее 20% от площади отсека .
Затем вычисляется радиус отверстия

При этом рабочее сечение стенки ослабляется в месте выреза отверстия и должно быть усилено. Потеря части сечения компенсируется воротником вокруг отверстия (рис.14). Толщина кольца принимается не менее , ширина - не более . Для удобства наложения сварных швов расстояние между обшивкой и воротником меньше 250 мм не допускается. Тогда центр окружности может оказаться смещённым с нейтральной оси ригеля на некоторое расстояние . Учитывая это смещение, из условия равнопрочности получаем требуемую площадь сечения кольца

Если высота стенки недостаточна для размещения круглого отверстия, то его выполняют овальным.
В крайних отсеках переменной высоты отверстия делают меньше – по площади 15% от площади панели. Усиление воротником здесь необязательно ввиду незначительных нормальных напряжений.

Рис.13.
Угол между касательной к контуру затвора и флютбетом
;
для подачи воздуха необходимы отверстия в стенке.
Площадь опорного отсека .
Площадь отверстия .
Радиус отверстия .
Радиус отверстия в промежуточном отсеке
Принимаем толщину воротника
Смещение центра отверстия с нейтральной оси ригеля (см. рис.11, 14)

Площадь сечения кольца
Ширина кольца

Рис.14.
5.Расчет поясных швов.
Поясными сварными швами крепится к стенке ригеля обшивка, а также безнапорный пояс. Катет двухсторонних швов рассчитывается по условиям прочности металла шва

и металла на границе сплавления

где - статический момент сечения прикрепляемого элемента;
и - коэффициент глубины проплавления, зависящие от вида сварки:
-при автоматической ;
-при полуавтоматической ;
-при ручной ;
- коэффициент условия работы шва, принимаемый в зависимости от температуры эксплуатации затвора:
- при :
- при :
и - расчётные сопротивления угловых швов по металлу шва и границе сплавления.
Из условий прочности получаем требуемый катет швов


Расчет ведется для сечения вблизи опоры, где поперечная сила максимальна. Принимается наибольшая величина катета из двух полученных, округленная до целых значений в мм. Принять толщину швов менее 4 мм не рекомендуется из – за возможных коррозионных потерь.
При заданной температуре эксплуатации коэффициент . Поскольку ригели изготавливают на заводе, где для сварки используют автоматы, ; .Для принятой марки стали С285 находим и .
При сварке обшивки, статический момент которой

требуется катет



Принимаем минимально допустимый катет . Такие же швы используем для приварки пояса.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №12
«Расчет диафрагмы и фермы продольных связей. Опорно–ходовые части плоского затвора»
Цель занятия: закрепить знания и навыки по расчету прокатных стальных элементов, ферменных конструкций, а также их соединений.
Расчет диафрагмы.
1.Конструктивная и расчетная схема.
Диафрагма представляет собой поперечную балку, опирающуюся на ригели и предназначенную для восприятия опорных реакций стрингеров, нагруженной неравномерно - распределенной нагрузкой , которая определяется гидростатическим давлением
, где
- ширина площади загружения, т. е. расстояние между диафрагмами.
Высота диафрагмы принимается конструктивно по высоте ригеля за вычетом толщины обшивки и высоты стрингера . Толщина стенки принимается такой же, как и у стенки ригеля.
В месте примыкания верхней консоли к ригелю предусматривают монтажный разъем для возможности перевозки к месту монтажа частями. На монтаже стыкуется обшивка, приваривается стенка диафрагмы к стенке ригеля двухсторонними угловыми швами, и безнапорный пояс диафрагмы стыковым швом соединяется с поясом ригеля. При необходимости нижняя консоль так же может присоединяться на монтаже, что обуславливается габаритной шириной монтажных элементов, которая не должна превышать 3,58 м. Для пропуска поясных швов ригеля в стенке диафрагмы делают вырезы размером 40 40 мм. Крайние диафрагмы, так называемые опорно–концевые стойки, не имеют монтажных разъемов и привариваются к ригелям на месте сборки.
Высота сечения опорно–концевых стоек принимается равной высоте ригеля на опоре. Ширина их безнапорного пояса должна быть не менее 300 мм для удобства крепления опорных полозьев. Напорным поясом стойки служит обшивка затвора.
Расчётная схема диафрагмы.

Рис.14.
2.Проверка прочности узлов диафрагмы.
Принятое конструктивно сечение диафрагмы, как правило, обладает большим запасом прочности и детального проверочного расчета не требует. Однако в узле примыкания верхней консоли к ригелю действуют большие изгибающий момент и поперечная сила, поэтому прочность угловых швов крепления стенки диафрагмы к ригелю следует проверять. Поскольку данное соединение выполняется на монтаже, то расчетные характеристики этих швов принимаются как для ручной сварки.
Изгибающий момент и поперечная сила в узле имеют величину
;
Стенкой диафрагмы воспринимается вся поперечная сила и часть момента
, где
- момент инерции стенки относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения диафрагмы.
- момент инерции всего сечения диафрагмы.
Швы крепления стенки испытывают скалывающие напряжения
; , где
- площадь среза двусторонних швов,
- момент сопротивления швов,
- длина шва.
Катет шва берется по величине не менее 5 мм и не более толщины стенки.
Учитывая направление среза от поперечной силы – вдоль шва, от момента – поперек шва, получаем результирующие напряжения среза и условие прочности

Для ручной сварки достаточно ограничиться проверкой прочности металла шва и не проверять прочность по границе сплавления.
Стыковые швы крепления поясов обычно равнопрочны с основным металлом и проверки прочности не требуют.
Нагрузка от гидростатического давления

Изгибающий момент и поперечная сила в узле примыкания верхней консоли к ригелю


Компонуем сечение диафрагмы

принимаем ;
Момент инерции всего сечения диафрагмы и момент инерции стенки


Задаемся катетом шва ;
Определяем длину сварного шва

Площадь среза равна

Момент сопротивления сварных швов

Напряжения среза



Прочность монтажных швов обеспечена.
Опорная реакция ригеля передаётся на опорно-концевую стойку через монтажные швы крепления стенки ригеля на стенку стойки. Расчётная длина швов определяется высотой стенки ригеля на опоре с учётом вырезов :

Условие прочности этих швов имеет вид
, где
-поперечная сила в ригеле на опоре
Опорная реакция ригеля
Длина двусторонних швов крепления стенки ригеля к опорно–концевой стойке
Сварка ручная
Из условия прочности находим катет швов

Расчет фермы продольных связей.
В плоскости безнапорных поясов ригелей и диафрагм устанавливаются раскосы, что образуют продольную вертикальную ферму (рис.15). При подъеме затвора ферма воспринимает около 40% веса затвора и передает эту нагрузку на опорно–концевые стойки. Кроме того, связевая ферма вместе с ригелями и обшивкой создает пространственное ядро жесткости – центроплан, снижающее изгибно–крутильные деформации затвора.

Рис.15.
Расчетная погонная нагрузка, воспринимаемая фермой, имеет величину
,где
- коэффициент надежности по нагрузке;
- вес затвора, кН, определяемый по следующей эмпирической формуле
,где
- равнодействующая гидростатического давления, кН/м
- ширина отверстия, м.
Опорная реакция фермы, равная

вызывает наибольшее растяжение в приопорном раскосе

Сечение раскоса подбирается из одиночного уголка по условию прочности

Минимальный калибр уголков, принимаемый в затворах,- 636.
Подобранный профиль должен иметь гибкость не более предельно допустимой

здесь - коэффициент приведения длины;
- геометрическая длина раскоса;
- радиус инерции сечения уголка относительно оси
Найденное сечение используется и для всех прочих раскосов.
Безнапорные пояса ригелей, являясь поясами связевой фермы одновременно, испытывают усилия
,где
- изгибающий момент, действующий в сечении фермы посередине пролета.
- высота фермы – расстояние между ригелями.
В результате, в поясе нижнего ригеля возникает дополнительное растягивающее нормальное напряжение

Следовательно, прочность безнапорного пояса должна проверяться на действие суммарных нормальных напряжений

При невыполнении этого условия сечение пояса ригеля следует увеличить.
Вес затвора
Нагрузка на связевую ферму
Опорная реакция фермы
Усилие в опорном раскосе
Требуемая площадь сечения раскоса
Принимаем уголок 636; ;

Вычисляем дополнительное напряжение в поясе нижнего ригеля от веса затвора



Суммарные нормальные напряжения в поясе составляют

Условие выполняется, увеличение сечения пояса не является необходимым.
Опорно–ходовые части.
Концевая стойка передает давление ригелей через ходовые части на рельс. Опорно–ходовые части располагаются у узла примыкания ригелей.
Простейший по конструкции тип ходовых частей – скользящие в виде полоза (рис.16). Корпус полоза 1, прикрепляемый к безнапорному поясу 2 опорно–концевой стойки, имеет вкладыш из древесно-слоистого пластика 3, уменьшающего силы трения в зоне контакта с рельсом 4 при перемещении затвора.

Рис.16.
Длину полоза определяют по допускаемому давлению в зоне контакта с опорой реакции ригеля .

Минимальная длина ограничивается 600 мм.
Кроме полозов на опорно-концевой стойке располагаются направляющие колеса – боковые и обратные – предотвращающие перекосы и вибрацию затвора при его движении.
При величине опорной реакции ригеля получаем требуемую длину полоза

Принимаем минимально допустимую длину 600 мм.

Приложенные файлы

  • docx 4758772
    Размер файла: 630 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий