Поверхностный стальной затвор

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное агентство  по образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра гидротехнических сооружений

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект на тему:

«ПОВЕРХНОСТНЫЙ  СТАЛЬНОЙ ЗАТВОР».

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Канарёв Е.А

группа :    ГСС-III-6

Руководитель проекта: Саинов М.П

 

 

 

 

 

Москва 2013

 

Оглавление:

  1. КОМПАНОВКА ЗАТВОРА……………………………………………..3
    1. Генеральные размеры……………………………………………..3
    2. Компоновка и выбор размеров затвора………………………….4
    3. Определение действующих на пролетное строение сил……….5
    4. Расстановка ригелей………………………………………………5
    5. Определение внутренних усилий в ригелях…………………….6

 

  1. ВЫБОР СТАЛИ ДЛЯ ЗАТВОРА……………………………………….7
  2. РАСЧЕТ ОБШИВКИ И СТРИНГЕРОВ………………………………..8
    1. Размещение стрингеров…………………………………………..8
    2. Подбор сечения стрингеров………………………………………11
  3. КОНСТРУКЦИЯ РИГЕЛЯ………………………………………………13
    1. Подбор сечения……………………………………………………13
    2. Проверка прочности и жесткости ригеля……………………..…15
    3. Расчет необходимых характеристик ригеля……………………..16
    4. Прочность по приведенным напряжениям………………………18
    5. Проверка прочности на срез ригеля в сечении на опоре………..20
    6. Устойчивость элементов ригеля……………………………….….22
    7. Проверка устойчивости стенки ригели………………………...…23
  4. РАСЧЕТ ШВОВ В РИГЕЛЕ……………………………………….……..24

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Компоновка затвора.

1.1  Генеральные размеры.

Генеральные размеры затвора  определяются заданными шириной  отверстия L=19,0 м и величиной наивысшего подпорного уровня H=5,5 м, включающего так же ветровой нагон волны.

5,5 м



19,6


19,0 мм


 

0,3


   


 

 

1.2 Компоновка и выбор размеров затвора

  1. Устанавливаем генеральные размеры затвора.

,

Где -расчетная ширина пролета между пролетами , L – ширина пролета .

- расстояние от кромки паза  до оси рельса, принимаем от 0,3 до 0,2 в зависимости от пролета.  В моем случае принимаем 0,3.

 

- расчетный пролет  между   осями колес. 

Далее считаем высоту затвора:

, высоту затвора  берем с запасом  .

.

  1. В плане расчетная схема затвора  выглядит следующим образом:

 

5,5 м


148,37 кН/м


  


 

Рис.1

 

1.3 Определение действующих на пролетное строение сил.

Сила давления воды на затвор на погонный метр ширины со стороны  верхнего бьефа определяется горизонтальной равнодействующей

 

приложенной на расстоянии H/3 от основания затвора.

 

 

1.4 Расстановка ригелей.

Ригели стремятся расположить  так, чтобы они испытывали одинаковую нагрузку.    

0,64 м.


1,83м.


2,38 м.


2,47 м.



Рис.2

             Нагрузка на ригель:

 

Ригели опираются по концам на стойки, передающие нагрузку на ходовые части затвора.

Рассчитаем длину верхней  консоли: 

          

Следовательно высоту  межригельной консоли рассчитаем по формуле:     

 

Длина нижней консоли принимает  значение: 

 

 

1.5  Определение  внутренних усилий в ригелях.

74.188 кH/м


Расчетная схема ригеля представляет собой статически определимую балку  на двух опорах


19,6 ммm


3562,5 kH/m


727,04 kH/m



Рис.3

Максимальный изгибающий момент в ригеле:

  кН*м;

Максимальная поперечная сила:

 кН

2. ВЫБОР СТАЛИ  ДЛЯ ЗАТВОРА.

Марки стали для пролётного строения выбирают в зависимости  от условий эксплуатации затвора  и экономических соображений. Применение более прочных, но более дорогих  марок стали должно быть экономически оправдано.

 

Сталь выбирается в зависимости  от :

- Температуры

-Размера

Т.к. , примем марку стали С255

В данной работе сталь принимаем С-255 с прочностью на изгиб

 

и  сдвигом  .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. РАСЧЕТ ОБШИВКИ И СТРИНГЕРОВ.

3.1 Размещение стрингеров.

Желательно расставить стрингеры  так, чтобы они несли одинаковую нагрузку и прочность обшивки не была нарушена.

Максимальный расчётный изгибающий момент в обшивке возникает в  опоре, принимается   равным: ,

где - размер рассматриваемого участка.

                            


Момент сопротивления  сечения

,  - толщина обшивки

Из условия прочности  обшивки

, где

  - расчетное сопротивление материала;

Т.к толщина обшивки нам дана в задании, то из этой формулы можно найти максимально возможное расстояние между стрингерами.

Используя эти формулы  можно найти максимально возможное  расстояние от ригелей до ближайшего стрингера.

   ,

где - коэффициент надежности по назначению, принимаемый для поверхностных основных затворов равным 1,15,

Ry=2,40*105 кН/м2

 

Допустимый пролёт обшивки  у верхнего ригеля:

h=3,37м →

Допустимый пролёт обшивки  у нижнего ригеля:

h=6,52 м →

Правило расстановки стрингеров

  1. Верхний стрингер в самом верху затвора. Выше на 0.3м от уровня воды.
  2. Нижний на высоте 0.1 м от порога.
  3. Чем глубже стрингер, тем меньше должно быть расстояние между ними.
  4. Расстояние между стрингерами не должно превышать 1.2 м (из условия жесткости)
  5. Расстояние от верхнего ригеля до ближайшего стрингера должно быть меньше, чем . Расстояние от нижнего ригеля до ближайшего стрингера должно быть меньше, чем .

 

Расчет в табличной  форме

№

bi, м

hi, м

  , м

, м

li , м

qi , кН/м

1

0,97

-0,3

-

-

-

-

2

0,9

0,67

0,185

1,57

1,38

12,15

3(вр)

0,9

2,47

1,57

2,89

1,32

29,44

4

0,85

3,32

2,89

3,72

0,83

27,43

5

0,8

4,12

3,72

4,48

0,76

31,16

6(нр)

0,73

4,85

4,48

5,12

0,64

30,72

7

0,1

5,39

5,12

5,39

0,27

14,18


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимально нагруженным является 5-й ригель. На 1 погонный метр нагрузка на него будет равна:

 

 

    1. Подбор сечения стрингеров.

Опорами стрингеров служат поперечные поддерживающие элементы пролетного строения- диафрагмы, располагающиеся по длине ригеля с шагом :

 

Стрингер - многопролетная балка, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой по длине qc

 

Из условия прочности  на изгиб

 

Изгибающий момент в 8 стрингере

 

определяем требуемый  момент сопротивления прокатного профиля

                         

По сортаментам выбираем прокатный профиль (швеллер) №12 (W12=50.5 см3 , J12=304 см3)

Допустимый относительный  прогиб:

 

                                              4.КОНСТРУКЦИЯ РИГЕЛЯ.

4.1. Подбор сечения.

  Расчет ригеля

 

Поскольку обшивка затвора  приваривается непосредственно  к стенке ригеля, то некоторая ее часть включается в работу ригеля на общий изгиб. По нормам в сечение  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 (см. рис. 2), а для нижнего ригеля включаемая часть обшивки со стороны порога ограничивается длиной консоли . С учетом этих замечаний определяется общая ширина , используемая в сечении ригеля.

  ;  

 

;   ;  ; 

Принимаем  

 

Задача расчета: определить размеры элементов ригеля (стенки и безнапорного пояса)

Определим требуемый момент сопротивления ригеля.

 

 

Определим оптимальную высоту.

 

 

Из условий жесткости  определим минимальную высоту сечения  ригеля.

 

 

 

При высоте ригеля на опоре  , и толщина стенки по срезу равна:

Исходя из условий прочности  на срез, рассчитаем толщину стенки.

 

Принимаем толщину стенки ригеля

Толщина пояса:

 

Высота стенки в пролёте:

 

(из сортамента 

Ширину пояса находим  из требуемой площади безнапорного пояса:

 

 

(по сортаменту 40 см)

4.2 Проверка прочности и жесткости ригеля.

Сечение ригеля должно удовлетворять  следующим условиям прочности:

 

 

 

Нормальные напряжения зависят  от изгибающего момента

 

- момент инерции сечения  относительно оси x-x, проходящей через центр тяжести ригеля.

Касательные напряжения:

 

S – статический момент отсеченной части сечения, выше или ниже рассматриваемой точки в стенке относительно оси x-x.

Приведенные напряжения:

 

Жесткость ригеля определяется по относительному прогибу:

 

 

4.3 Расчет необходимых характеристик ригеля.

Сечение ригеля посередине пролета и эпюра нормальных напряжений:

900


232,9


 

2280


12


600


188,7 МПа


111 МПа


900


1800


24


14



 

 

Нахождение центра тяжести  ригеля.

Определение площади сечение:

 

Определение статических  моментов

 

 

 

 

Вспомогательную ось x’-x’ проводим через центр тяжести стенки ригеля.

Статический момент относительно вспомогательной оси x’-x’:

 

Координата центра тяжести  относительно вспомогательной оси  x’-x’:

 

Момент инерции относительно главной оси х-х

 

=

Моменты сопротивления:

 

 

 

Нормальные напряжения в обшивке:

 

 

Нормальные напряжение в опорном поясе:

 

 

4.4 Прочность по приведенным напряжениям.

 

Момент в заданном сечении:

    

Поперечная сила в заданном сечении:     

 

 

 

Наибольшие нормальные напряжения в заданном сечении:

 

Статический момент нижней части сечения ригеля относительно оси x-x.

 

Статический момент верхней  части сечения ригеля относительно оси x-x.

 

 

 

Наибольшее касательное  напряжение в заданном сечении:

 

(выполняется)

Приведенные напряжения:

  (выполняется)

Сечение ригеля на заданном участке пролета и эпюры нормальных и касательных напряжений:

 

2280



600


12


232,9


900


900


111 МПа


186,4 МПа


26


МПа

1800


24


14



 




4.5 Проверка прочности  на срез ригеля в сечении  на опоре.


В опорном сечении проверяем  максимальные касательные напряжения:



Площадь сечения:



 На опоре h'=0,6h=0.6*233=139.8см


 





Положение центра тяжести:

Статический момент относительно вспомогательной оси z’-z’:

 

Координата центра тяжести  ригеля относительно вспомогательной  оси z’-z’:

 

Момент инерции относительно главной оси z-z: 
момент части сечения, лежащей ниже центра тяжести:

 

 

Касательные напряжения в  опорном сечении:

 

    (выполняется)

 

 

Ригель в опорном сечении  и эпюра касательных напряжений:

1036


12


600


518


518


24


14


155,4


60,4


МПа

2280



 

Проверка жесткости ригеля:

 

 

    1. Устойчивость элементов ригеля.

Проверка местной устойчивости.

        Устойчивость обшивки зависит от величины действующих в ней напряжений:

, и должна проверяться на  устойчивость. Устойчивость обшивки  обеспечена, когда ее свободный  пролет не превышает величины 

Где t0 – толщина обшивки.

Е – модуль упругости.

  - напряжение на опорной грани обшивки в пролете.

Максимальные сжимающие  напряжения в обшивке при работе ригеля на изгиб:

 

 

Где 128.8 см

Предельная свободная  ширина сжатой части обшивки по условию  устойчивости равна

=10.5см

 

В принятой схеме размещения стрингеров нет участков обшивки  вблизи нижнего расчетного ригеля с большей свободной шириной.

 

4.7. Проверка устойчивости стенки ригели.

Условие устойчивости:

 

 

Где =8∙2,1∙∙(2=10.84

 

 

 

 

Устойчивость стенки не обеспечена.

Нужно увеличить толщину  стенки

5. Расчет поясных швов.

 

 

Величина катета шва определяется из условия прочности на срез:

Поясными сварными швами  крепиться к стенке ригеля обшивка  и безнапорный пояс. Катет К двухсторонних швов рассчитывается по условиям прочности металла шва

 

   и металла на  границе сплавления    

S- статический момент сечения прикрепляемого металла,

коэффициенты  глубины проплавления, зависящие  от вида сварки,

коэффициент условий  работы шва, применяемый в зависимости  от температуры эксплуатации затвора.

расчетные сопротивления  угловых швов по металлу шва и  границе сплавления.

Из условия прочности  получаемый требуемый катет швов:

 

 

Расчет поясного шва

Примем Для стали С255:      Rwf=180 Мпа, Rwz=165 МПа

 

 

см

 

Т.к. и <4 мм, то принимаем минимально допустимый катет 4мм.

Проверка прочности шва  на опорно- концевой  стойки

 

 

 

 

 

Т.к. и <4 мм, то принимаем минимально допустимый катет 4мм.

Проверка прочности  шва на опорно-концевой стойке.

                 

 
                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                   М=Q*=

                 *М=0,5*

 

                        

 

 

 

 

 

 
 

 кн/с- условие выполняется.

 

 кн/с- условие выполняется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Поверхностный стальной затвор