Thiết kế kết cấu kim loại cần đỡ băng tải nạp liệu

Chương 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU KIM LOẠI CẦN ĐỠ BĂNG TẢI NẠP LIỆU ------o0o------ 2.1. Giới thiệu chung: Kết cấu thép cần đỡ băng tải nạp liệu có nhiệm vụ làm giá đỡ lắp băng tải vận chuyển vật liệu vào băng tải phân phối của Máy đánh đống. Nhằm làm giảm khối lượng của kết cấu và giảm nhẹ lực cản cho cơ cấu di chuyển, ta chọn kết cấu thép cần đỡ băng tải nạp liệu có kết cấu dạng giàn không gian 4 mặt (mặt cắt ngang là hình chữ nhật). Cần đỡ băng tải nạp liệu được đỡ bởi các khung đỡ có tiết diện hộp thông qua các liên kết hàn. Các thanh biên trên và dưới của giàn được dùng để lắp các giá đỡ của băng tải nạp liệu. Giàn được chế tạo từ các thanh thép ống liên kết với nhau bởi các liên kết hàn. Chiều dài giàn khoảng 21m và có tiết diện không đổi trên suốt chiều dài cần và làm việc trong điều kiện đặt nghiêng so với mặt phẳng ngang một góc bằng 180. Bố trí cần gồm 19 khoang với khoảng cách đều nhau, mỗi khoang rộng 1030 mm, chiều cao của giàn chọn bằng 1000mm, chiều rộng giàn chọn bằng 1800mm, phù hợp với giá đỡ lắp băng tải có chiều rộng băng theo thiết kế là 1000mm. Trọng lượng toàn bộ của kết cấu thép cần đỡ tính sơ bộ là 4T. Để dễ dàng trong việc chế tạo và vận chuyển đến hiện trường lắp đặt, cần được chia ra làm hai đoạn. Đoạn 1 dài 9647,5mm, gồm 9 khoang. Đoạn 2 dài 11299,5mm, gồm 9 khoang. Hai đoạn cần được liên kết với nhau bằng liên kết hàn. 2.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo và phương pháp tính toán: Trong ngành thiết bị nâng, kết cấu kim loại chiếm khoảng 60 – 80% khối lượng kim loại toàn bộ thiết bị nâng. Vì thế việc chọn kim loại thích hợp cho kết cấu kim loại để sử dụng một cách kinh tế là rất quan trọng. Trong kết cấu kim loại của thiết bị nâng, người ta thường sử dụng thép Cácbon thường, thép hợp kim và hợp kim nhôm, trong đó thép Cácbon thường được sử dụng nhiều hơn cả. Hiện nay, loại thép được sử dụng nhiều nhất là thép CT3 vì nó có cơ tính tốt, độ bền cơ học đảm bảo, tính dẻo cao, và dễ hàn. Ta chọn thép CT3 làm vật liệu chế tạo kết cấu kim loại của cần đỡ băng tải. Thép CT3 có các đặc trưng về cơ tính theo tiêu chuẩn như sau: + = 2800 kG/cm2. + = 4000 kG/cm2. Trong tính toán, ta chọn thông số cơ tính như sau: (giảm 10% nhằm tăng tính an toàn và bù trừ sai số do chế tạo): + = 2520 kG/cm2. + = 3600 kG/cm2. Hiện nay, khi tính toán kết cấu kim loại của các loại máy trục và máy vận chuyển, người ta thường sử dụng hai phương pháp tính toán: phương pháp ứng suất cho phép và phương pháp trạng thái giới hạn. Nhưng phương pháp ứng suất cho phép là thường được sử dụng hơn cả. Khi tính toán kết cấu kim loại theo phương pháp ứng suất cho phép, xác định ứng suất cho phép như sau: 1800 kG/cm2 (2.1)[6] Trong đó: + n = 1,4: hệ số an toàn. Theo đó, điều kiện độ bền cần khi tính toán với giàn của cần đỡ băng tải phải thoả mãn như sau: (2.2)[6] Trong đó: + N: là nội lực trong thanh + Fth: là diện tích mặt cắt của thanh Điều kiện độ cứng (ổn định) cần thỏa mãn: (2.3)[6] Trong đó: + : là độ mảnh khi tính toán. + gh: là độ mảnh giới hạn, tùy thuộc vào vai trò của cấu kiện và vật liệu chế tạo cấu kiện đó. Thông số này có thể tra trong Bảng (6.1)-[6]. 2.3. Xác định các tải trọng tác dụng lên cần: Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thép cần đỡ băng tải nạp liệu của Máy đánh đống bao gồm các tải trọng sau: + Trọng lượng bản thân của cần. + Trọng lượng giá đỡ băng tải nhánh có tải tác dụng lên thanh biên trên: qg1. + Trọng lượng giá đỡ băng tải nhánh không tải tác dụng lên thanh biên dưới: qg2. + Trọng lượng dây băng phân bố trên một mét chiều dài: qb. + Trọng lượng vật liệu phân bố trên một mét chiều dài: qv. + Lực căng của dây băng tại các chỗ lắp đặt tang chuyển hướng cho băng tải có kể đến hệ số động: S. + Trọng lượng của lan can. + Trọng lượng của tang dẫn hướng và phễu nạp liệu cho băng tải phân phối. 2.3.1. Trọng lượng bản thân cần phân bố trên một mắt dàn: Trọng lượng của cần phân bố tại một mắt dàn được tính theo công thức sau: (2.4) Trong đó: + G: trọng lượng bản thân của dàn. Lấy sơ bộ G = 4T. + a: tổng số mắt trong dàn, a = 40 + 36 = 76. 2.3.2. Xác định trọng lượng giá đỡ băng tải: Số lượng giá đỡ băng tải nhánh có tải được lắp đặt trên thanh biên trên là 20. Trọng lượng của mỗi giá đỡ là 40,2 kG. Các giá đỡ băng tải nhánh có tải được lắp cách nhau một khoảng bằng 1000mm. Do đó, tổng trọng lượng của các giá đỡ sẽ được chia đều cho số lượng mắt dàn trên mặt phẳng dàn ngang phía trên. Số lượng giá đỡ băng tải nhánh không tải được lắp đặt trên thanh biên dưới là 6. Khối lượng của mỗi giá đỡ là 34,5 kG. Các giá đỡ của băng tải nhánh không tải lắp cách nhau 1 khoảng bằng 3 khoang. Trong lý thuyết tính toán dàn, giả thuyết các tải trọng tác dụng sẽ được đặt tại các mắt của dàn. Vì vậy, tổng trọng lượng của các giá đỡ sẽ được chia đều cho số lượng mắt dàn lắp các giá đỡ trên mặt phẳng dàn ngang phía trên và phía dưới, đồng thời có kể đến độ lệch tâm của băng tải. Do đó, mỗi mắt dàn phải chịu một lực do giá đỡ băng tải gây ra là: + Đối với mắt dàn của thanh biên trên. G1 = (2.5) + Đối với mắt dàn của thanh biên dưới. G2 = (2.6) Trong đó hệ số 1,2 là hệ số kể đến sự lệch tâm của băng tải. 2.3.3. Trọng lượng của dây băng và vật liệu phân bố trên một mét dài: Trọng lượng dây băng phân bố trên một mét dài: qb = 11 (kG/m) Trọng lượng vật liệu phân bố trên một mét chiều dài: qv = 55,5 (kG/m) Lực tác dụng tại một mắt dàn của thanh biên trên. G3 = Lực tác dụng tại một mắt dàn của thanh biên dưới. G4 = Trong đó hệ số 1,2 là hệ số kể đến sự lệch tâm của băng tải. 2.3.4. Trọng lượng lan can phân bố trên một mắt dàn: Tổng trọng lượng của lan can là 1,8T, lan can liên kết với thanh biên dưới của dàn. Lan can liên kết với của dàn tại các mắt với khoảng cách bằng 2 khoang. Do đó trọng lượng lan can phân bố tại mỗi mắt sẽ là: G5 = = 0,18 T = 180 kG 2.3.3. Xác định lực căng băng tại các tang chuyển hướng: a. Các yêu cầu kỹ thuật của băng tải phân phối: - Năng suất vận chuyển: Q = 400T/h. - Vật liệu vận chuyển: thạch cao (gypsum), chất phụ gia (puzzolana). - Tỷ trọng riêng của vật liệu: + Thạch cao = 1,3 T/m3. + Phụ gia = 1,4 T/m3. - Góc nghiêng băng tải: 00, 180. - Chiều dài vận chuyển: 247.040 m. - Vận tốc vận chuyển: v = 2m/s. b. Các thành phần gây nên lực cản băng: Trọng lượng phân bố trên một mét dài của dây băng: qb = 11 (kG/m) Trọng lượng vật liệu phân bố trên một mét dài: qv = 55,5 (kG/m) Trọng lượng phần quay con lăn phân bố trên một mét dài của nhánh có tải: = 17 (kG/m) Trọng lượng phần quay con lăn phân bố trên một mét dài của nhánh không tải: = 5,67 (kG/m) Hệ số cản chuyển động của băng trên các con lăn có ổ tựa lăn theo bảng (4.4)[2]: c. Sơ đồ tính lực căng băng: Để tính chính xác lực căng băng, ta áp dụng phương pháp quanh vòng bằng cách chia từng điểm trên toàn bộ chiều dài băng theo sơ đồ sau: Hình 2.1. Sơ đồ tính lực căng băng của băng tải nạp liệu. Lực kéo băng tải được tính theo công thức sau: Si + 1 = Si + Wi + 1 ; i (kG) (2.7)[2] Trong đó: + Si + 1; Si: lực căng băng tại điểm thứ i+1 và i; + Wi + 1 ; I : lực cản chuyển động trên đoạn từ i đến i+1. Lực căng của bộ phận kéo tại mỗi điểm tiếp theo trên chu tuyến bằng lực căng ở điểm kế tiếp trước đó cộng với tổng lực cản trên đoạn giữa các điểm này. Phép tính bắt đầu từ điểm có lực căng nhỏ nhất của bộ phận kéo. Thường điểm này trùng với điểm bộ phận kéo đi ra khỏi tang hoặc đĩa xích dẫn động. Trị số lực căng ban đầu chọn tùy theo kiểu máy vận chuyển sao cho phải đảm bảo: + Độ võng cho phép của nhánh làm việc hoặc nhánh không tải của bộ phận kéo. + Ổn định bộ phận làm việc lắp trên bộ phận kéo. + Đảm bảo dẫn động bình thường. + Bộ phận kéo chuyển động êm. * Xét đoạn 1-2: Ta có: S2 = S1 + W1-2 (kG) (2.8)[2] Trong đó: W1-2 : lực cản chuyển động trên nhánh có tải, kG. Theo công thức (2.32)[2], ta có: W1-2 = (qb + qv + ).Lng. + (qb + qv).H (2.9)[2] = (qb + qv + ).Lcos. + (qb + qv).Lsin Với: - qb: trọng lượng phân bố của băng trên 1 mét chiều dài, kG/m. - : trọng lượng các bộ phận quay của con lăn nhánh có tải, kG/m. - qv: trọng lượng vật liệu phân bố trên 1 mét chiều dài, kG/m. - L: chiều dài đoạn thẳng của băng, m. - Lng: chiều dài hình chiếu theo phương ngang của đoạn băng thẳng, m. - H: chiều cao nâng,m. - : hệ số cản chuyển động của băng trên các con lăn. - : góc nghiêng băng, độ. = 00 => W1-2 = (11 + 55,5 + 17).225.cos00.0,025 + (11+55,5).225.sin00 = 469,7(kG) => S2 = S1 + 469,7 (kG) * Xét đoạn 2-3: Ta có: S3 = S2 + W2-3 (kG) (2.10)[2] Trong đó: W2-3 : lực cản chuyển động trên nhánh có tải, kG. Theo công thức (2.32)[2], ta có: W2-3 = (qb + qv + ).Lng. + (qb + qv).H (2.11)[2] = (qb + qv + ).Lcos. + (qb + qv).Lsin Với: - qb: trọng lượng phân bố của băng trên 1 mét chiều dài, kG/m. - : trọng lượng các bộ phận quay của con lăn nhánh có tải, kG/m. - qv: trọng lượng vật liệu phân bố trên 1 mét chiều dài, kG/m. - L: chiều dài đoạn thẳng của băng, m. - Lng: chiều dài hình chiếu theo phương ngang của đoạn băng thẳng, m. - H: chiều cao nâng,m. - : hệ số cản chuyển động của băng trên các con lăn. - : góc nghiêng băng, độ. = 180 => W2-3 = (11 + 55,5 + 17).21.cos180.0,025 + (11+55,5).21.sin180 = 473,23(kG) => S3 = S2 + 473,23 (kG) = S1 + 469,7 + 473,23 = S1 + 942,93 (kG) * Xét đoạn 3-4: Ta có: S4 = S3 + W3-4 (kG) (2.12)[2] Trong đó: + W3-4: lực cản chuyển động khi băng đi vào tang chuyển hướng, kG. W3-4 = (0,05 0,1)S3 (kG) (2.13)[2] = 0,1S3 (kG) Vậy: S4 = S3 + 0,1S3 = 1,1S3 = 1,1S1 + 1037,2 (kG) * Xét đoạn 4-5: Ta có: S5 = S4 + W4-5 (kG) (2.14)[2] Trong đó: W4-5 : lực cản chuyển động trên nhánh không tải, kG. Theo công thức (2.32)[2], ta có: W2-3 = (qb +).Lng. - qb.H (2.15)[2] = (qb +).Lcos. + qb.Lsin Với: - qb: trọng lượng phân bố của băng trên 1 mét chiều dài, kG/m. - : trọng lượng các bộ phận quay của con lăn nhánh có tải, kG/m. - qv: trọng lượng vật liệu phân bố trên 1 mét chiều dài, kG/m. - L: chiều dài đoạn thẳng của băng, m. - Lng: chiều dài hình chiếu theo phương ngang của đoạn băng thẳng, m. - H: chiều cao nâng,m. - : hệ số cản chuyển động của băng trên các con lăn. - : góc nghiêng băng, độ. = 180 => W4-5 = (11 + 5,67).20.cos180.0,025 - 11.20.sin180 = -60(kG) => S5 = S4 - 60 (kG) = 1,1S1 + 1037,2 – 60 = 1,1S1 + 977,2 (kG) * Xét đoạn 5-6: Ta có: S6 = S5 + W5-6 (kG) (2.16)[2] Trong đó: + W3-4: lực cản chuyển động khi băng đi vào tang chuyển hướng, kG. W5-6 = (0,05 0,1)S5 (kG) (2.17)[2] = 0,1S5 (kG) Vậy: S6 = S5 + 0,1S5 = 1,1S5 = 1,21S1 + 1075 (kG) * Xét đoạn 6-7: Ta có: S7 = S6 + W6-7 (kG) (2.18)[2] Trong đó: W4-5 : lực cản chuyển động trên nhánh không tải, kG. Theo công thức (2.32)[2], ta có: W6-7 = (qb +).Lng. - qb.H (2.19)[2] = (qb +).Lcos. + qb.Lsin = (11 + 5,67).17,04.cos00.0,025 - 11.17,04.sin00 = 7,1 (kG) => S7 = S6 + 7,1 = 1,21S1 + 1075 + 7,1 = 1,21S1 + 1082,1 (kG) * Xét đoạn 7-8: Ta có: S8 = S7 + W7-8 (kG) (2.20)[2] Trong đó: + W7-8: lực cản chuyển động khi băng đi vào tang bị động, kG. W7-8 = (0,05 0,1)S7 (kG) (2.21)[2] = 0,1S7 (kG) Vậy: S8 = S7 + 0,1S7 = 1,1S7 = 1,33S1 + 1190 (kG) * Xét đoạn 8-9: Ta có: S9 = S8 + W8-9 (kG) (2.22)[2] Trong đó: W8-9 : lực cản chuyển động trên nhánh không tải, kG. Theo công thức (2.32)[2], ta có: W8-9 = (qb +).Lng. - qb.H (2.23)[2] = (qb +).Lcos. + qb.Lsin = (11 + 5,67).247,04.cos00.0,025 - 11.247,04.sin00 = 103 (kG) => S9 = S8 + 103 = 1,33S1 + 1190 + 103 = 1,33S1 + 1293 (kG) Lực căng nhỏ nhất cho phép của bộ phận kéo được xác định theo công thức: Từ đó ta có được lực căng tại các điểm chia như sau: S1 = 277,1 kG S2 = 746,8 kG S3 = 1220 kG S4 = 1342 kG S5 = 1282 kG S6 = 1410 kG S7 = 1417 kG S8 = 1558,8 kG S9 = 1661,8 kG Từ đó ta xác định lực căng băng tải tại các tang chuyển hướng tác dụng lên cần đỡ có kể đến hệ số động kd = 1,5 khi cơ cấu di chuyển làm việc: Q1 = (S3 + S4) = 1,5.2562 = 3843 kG Q2 = 1,5(S5 + S6.cos180) = 1,5.2623 = 3934,5 kG 2.4. Xác định nội lực các thanh trong dàn: 2.4.1.Ứng dụng tin học vào việc tính toán kết cấu thép: a. Giới thiệu chung: Trước khi tin học ra đời, để tính kết cấu thép con người ta chủ yếu tính toán bằng tay. Công việc đó đòi hỏi thời gian và lao động trí óc rất nhiều, và đôi lúc cũng dẫn tới những sai sót không thể lường trước được, hoặc bài toán không thể có lời đáp. Để hỗ trợ cho con người trong việc tính toán đó, người ta đã tìm ra phương pháp giải quyết những bài toán đó, đó là phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó. Phương pháp phần tử hữu hạn ra đời từ thực tiễn phân tích kết cấu, sau đó được phát triển một cách chặt chẽ để giải quyết các bài toán vật lý khác. Phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng trong các bài toán kết cấu, trong đó hàm cần tìm được xác định trên những miền phức tạp, bao gồm nhiều miền nhỏ có tính chất khác nhau. Các miền tính toán được thay thế bởi một số hữu hạn các miền con còn gọi là phần tử, và các phần tử xem như chỉ được nối kết với nhau qua ở một số điểm xác định trên biên của nó gọi là điểm nút. Trong phạm vi mỗi phần tử đại lượng cần tìm được lấy xấp xỉ theo dạng phân bố xác định nào đó. Ví dụ trong bài toán kết cấu đại lượng cần tìm là chuyển vị hay ứng suất nhưng nó cũng có thể được xấp xỉ hoá bằng một dạng phân bố nào đó. Tuỳ theo ý nghĩa của hàng xấp xỉ trong bài toán kết cấu người ta chia làm ba mô hình sau: + Mô hình tương thích biểu diễn dạng phân bố của chuyển vị trong phần tử, ẩn số là các chuyển vị và đạo hàm của nó được xác định từ hệ phương trình thành lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Lagrange hoặc định lý dừng của thế năng toàn phần. + Mô hình cân bằng biểu diễn một cách gần đúng dạng gần đúng của ứng suất hoặc nội lực trong phần tử. Ẩn số là các lực tại nút và được xác định từ hệ phương trình thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Castigliano hoặc định lý dừng của năng lượng bù toàn phần. + Mô hình hỗn hợp biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị và ứng suất trong phần tử. coi chuyển vị và suất là hai yếu tố độc lập riêng biệt, các ẩn số được xác định từ hệ phương trình thành lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner-Hlinge. Trong những năm 1980 trở lại đây, công nghệ máy tính có những phát triển vượt bậc, nó đã góp phần thúc đẩy quá trình nghiên cứu mở rộng và hoàn thiện phương pháp phần tử hữu hạn cũng như các phương pháp số cho quá trình tính toán. Trước đây các chương trình phần tử hữu hạn chỉ được viết phục vụ cho các nghiên cứu là chính, chúng chạy trên các hệ thông máy tính lơn như: VAX, CDC, CRAY…. Ngày nay do máy tính cá nhân ngày càng mạnh và công nghệ phần mềm có rất nhiều đột phá, trên thị trường xuất hiện ngày càng nhiều phần mềm phần tử hữu hạn mang tính thương mại. Chúng sử dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của kỹ thuật công nghệ như Xây dựng, Cơ khí, Hàng không không gian, đóng tàu, điện, điện tử, hoá học… b. Một số phần mềm thông dụng: Trên thế giới hiện đã có rất nhiều phần mềm tính toán cơ học nổi tiếng như ANSYS (Mỹ), STAAD-III (Mỹ), SAP90, SAP2000 (Mỹ), SAMCEF (Bỉ), STRAND-6 (Úc) …. Mỗi phần mềm đều có những thế mạnh riêng và những ưu điểm riêng, và cũng tuỳ vào khả năng sử dụng của mỗi người mà ta sử dụng chương trình phù hợp. Ở Việt Nam, ngoài những phần mềm đã nói trên, còn có một số phần mềm do các công ty trong nước sản xuất như FBTW, CASA, các phần mềm trong nước sản xuất tuy chưa mạnh trong tính toán các bài toán phức tạp nhưng rất dễ sử dụng và rất tiện lợi. Phần mềm được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất là phần mềm SAP2000. Sau đây ta tìm hiểu sơ qua phần mềm này: Bộ phần mềm SAP được bắt đầu từ các kết quả nghiên cứu phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn của giáo sư Edward L. WILSON của Mỹ. Thủơ ban đầu chúng chỉ là các chương trình đơn lẻ như SOLIDSAP … chạy trên các hệ thống máy tính lớn, với mục đích hầu như chỉ phục vụ nghiên cứu là chính. Phiên bản đầu tiên của hương trình được mang tên SAP vào măm 1970, và sau đó lần lượt xuất hiện SAP3, SAP-IV, SAP80 được nâng cấp và hoàn thiện vào cuối những năm 80, nó là mốc đánh dấu sự xuất hiện phần mềm tính toán kết cấu có tính thương mại đầu tiên của họ chương trình SAP, phần mềm này được phát triển bởi công ty Computer And Structure Inc (CIS). Vào năm 1992, CIS cho ra đời phiên bản tiếp theo là SAP90, cho đến hiện nay nó vẫn được sử dụng rất rộng rãi. SAP2000 là một bước đột phá của họ phần mềm SAP, theo hãng CIS tuyên bố SAP2000 là công nghệ ngày nay cho tương lai. SAP2000 đã tích hợp các chức năng phân tích kết cấu bằng phần tử hữu hạn và tính năng thiết kế kết cấu thành một. Ngoài khả năng phân tích được bài toán thường gặp của kết cấu công trình, phiên bản SAP2000 đã bổ sung thêm các loại phân tử mẫu và tính năng phân tích kết cấu phi tuyến. Giao diện SAP2000 thuận tiện cho người sử dụng hơn rất nhiều, do chương trình được thiết kế làm việc hoàn toàn trên môi trường WINDOWS9X. Toàn bộ quá trình từ xây dựng mô hình kết cấu, thực hiện các phân tích và biêu diễn kết quả đều có dao diện đồ hoạ trực quan. Thư viện kết cấu mẫu cung cấp một số dạng kết cấu thông dụng nhất, từ đấy cũng có thể dễ dàng sửa đổi để có được kết cấu theo ý muốn. Khả năng làm việc của phần mềm SAP2000 được thể hiện thông qua các tính năng sau: Các tính năng giao tiếp: + Dễ dàng sử dụng, giao tiếp đồ hoạ trực tiếp trên các cửa sổ màn hình. + Hỗ trợ các công cụ tương tự như CAD để nhanh chóng xây dựng mô hình kết cấu. + Hỗ trợ các tiêu chuẩn thiết kế của Hoa Kỳ và các nước khác. SAP2000 cung cấp nhiều tính năng mạnh để mô tả lớp các bài toán kết cấu phổ biến trong thực tế kỹ thuật, chúng bao gồm: cầu, đập chắn, bồn chứa, các toà nhà …. Các giao tiếp đồ hoạ dựa trên các cửa sổ, cho phép nhanh chóng tạo ra các mô hình kết cấu từ các mẫu thư viện sẵn có. Tất cả việc chỉnh sửa, thay đổi … phân tích nội lực cũng như biểu diễn và thiết kế đều được thực hiện cùng một cách giống nhau. Người dùng hoàn toàn có thể thao tác trực tiếp trên các hình ảnh đồ hoạ hai, ba chiều. Các tính năng tính toán: + Phần tử mẫu gồm có: thanh dàn, dầm, tấm vỏ-màng, phần tử hai chiều - ứng suất phẳng biến dạng phẳng, đối xứng trục, phần tử khối cho tới phần tử phi tuyến. + Vật liệu có thể là tuyến tính đẳng hướng hoặc trực hướng và phi tuyến. + Các liên kết bao gồm: liên kết cứng, liên kết đàn hồi, liên kết cục bộ khử bớt các thành phần phản lực. + Đa hệ toạ độ: có thể dùng nhiều hệtoạ độ để mô hình hoá từng phần của kết cấu. + Nhiều cách thức ràng buộc các phần khác nhau của kết cấu. + Tải trọng bao gồm các lực tập trung tại nút, áp lực lên phần tử, ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng phổ gia tốc, tải trọng điều hoà và tải trọng di động … . Chúng có thể đặt tại nút, hoặc phân bố đều, hình thang, tập trung và áp lực trên phần tử… + Khả năng giải các bài toán lớn không hạn chế số ẩn số, giải thuật ổn định và hiệu suất cao. + Các phân tích cho bài toán kết cấu bao gồm: - Phân tích tĩnh. - Tính tần số dao động riêng và các dạng dao động. - Tính đáp ứng động lực học với tải trọng ngoài thay đổi theo thời gian, hay phổ gia tốc. + Các phương án tải có thể kết hợp với nhau. + Một kết cấu có thể có nhiều loại phân tử mẫu. Các phiên bản chính của SAP2000 có bốn loại khác nhau: + Bản phi tuyến có khả năng thực hiện phân tích bài toán tĩnh, động lực học, phi tuyến, thiết kế kết cấu thép, bê tông…, với bốn loại phân tử mẫu khác nhau, số lượng nút của kết cấu không giới hạn. + Phiên bản chuẩn, số lượng nút tối đa của kết cấu khoảng 1500, không phân tích được bài toán phi tuyến. + Phiên bản nâng cao khả năng tương tự bản phi tuyến nhưng không phân tích được bài toán phi tuyến. + Bản dành cho học tập khả năng tương tự như bản phi tuyến nhưng số nút kết cấu giới hạn tối đa 30 nút và một số tính năng bị hạn chế. c. Tính nội lực các thanh trong dàn bằng phần mềm Sap2000 version 8.08: * Xây dựng mô hình tính và khai báo các thông số mô hình: Để tính toán kết cấu thép của dầm chính bằng SAP 2000, ta cần thiết phải tiến hành xây dựng mô hình tính trong đó thể hiện các đường tâm của giàn thay cho các thanh thép hình. Mô hình này được xây dựng bằng chương trình AutoCAD 2007 sau đó tiến hành nhập thông số sang SAP để hình thành mô hình tính. Sau khi xây dựng mô hình trong CAD cần tạo Layer SAP_FRAMES sau đó tiến hành chuyển mô hình sang Layer này. Xuất file thành dạng *.DXF và lưu lại. Mở chương trình SAP 2000 V8.08, tạo một file mới, sau đó chọn file -> import -> Auto cad dxf file… chọn đường dẫn đến file *.DXF vừa lưu rồi nhấn Open. Chương trình hiện ra bảng thông báo để chọn đơn vị xuất mô hình. Chọn đơn vị xuất bản vẽ là Kgf, mm, C, trục Z hướng lên trên. Chương trình tiếp tục hiện bảng thông báo chọn đối tượng nhập. Tiến hành chọn Frames : sap_frames để nhập giàn. Sau đó nhấp OK. Mô hình tính toán đã được nhập vào chương trình SAP. Sau khi nhập mô hình cần tiến hành tách mô hình thành các thanh rời nhau, liên kết tại các mắt là các giao điểm của các thanh. Chọn toàn bộ thanh, sau đó chọn Edit -> Divide frames… -> chọn Break at intersections with frames and points. Mô hình được tách tại các giao điểm của các thanh. Chọn mắt thứ 10 để khai báo gối. Chọn Assign -> Joint -> Restraints… chương trình hiện bảng thông báo chọn giới hạn bậc tự do cho liên kết gối của cần đỡ. Làm tương tự cho mắt thứ 28 của cần đỡ. Tiến hành giới hạn bậc tự do như hình sau (ô được chọn sẽ là bậc tự do bị giới hạn). Hình 2.3. Khai báo gối trái. Hình 2.4. Khai báo gối phải. * Tiến hành khai báo các giá trị vật liệu như sau: Chọn Define -> Materials… -> chương trình hiện bảng thông báo để khai báo vật liệu. Chọn thẻ Add New Material… -> để nhập thông số vật liệu mới. Tiến hành nhập tên vật liệu là THEP trong ô Material Name. Nhập các thông số khác giống hình sau, rồi nhấn OK. Hình 2.5. Khai báo vật liệu. Sau khi khai báo thông số về loại vật liệu thì tiến hành khai báo thông số về mặt cắt thanh trong giàn. Đây chỉ là thông số đại diện cho các thanh trong giàn chứ không phải là mặt cắt thực sự của các thanh trong giàn. Tuy nhiên việc khai báo này ảnh hưởng đến tính chính xác khi tính giàn do yếu tố hệ số hiệu chỉnh khi tính giàn được khai báo trong phần này. * Khai báo thông số của mặt cắt như sau: Chọn Define -> Frame Sections… -> chương trình hiện ra bảng thông báo như hình sau, tiến hành chọn thực đơn đổ xuống thứ 2, chọn Add Pipe, sau đó chọn Add New Property… ở phần Click to. Chương trình sẽ hiện ra một cửa sổ để khai báo tiết diện của thanh. Tiến hành khai báo như hình 4.5.e. Sau đó chọn thẻ Set Modifier của phần Properties Modifiers chuyển sang cửa sổ khai báo hệ số hiệu chỉnh cho giàn. Trong phần khai báo này, tất cả các hệ số đều cho bằng 0 trừ hệ số đầu tiên là Cross section (axial) area thì bằng 1 (hình 4.5.f). Hình 2.6. Tiết diện thanh trong giàn Hình 2.7. Hệ số hiệu chỉnh tiết diện giàn. Sau khi tiến hành khai báo thì tiến hành gán tiết diện cho các thanh trong giàn. Chọn toàn bộ thanh trong giàn, sau đó chọn Assign -> Frame/Cable/Tendon… -> Frame Section -> chọn tiết diện dầm vừa khai báo -> OK. Tiết diện dầm đã được gán cho các thanh trong giàn. Tiến hành khai báo các trường hợp lực tác dụng: chọn Define ->Load Cases… tiến hành nhập tên và nhập hệ số Self Weight Multiplier bằng 0 -> chọn Add New Load. Tương tự nhập cho các tải trọng khác như sau: Hình 2.8. Khai báo tải trọng. Tiến hành đặt lực cho các trường hợp lực lên giàn tại các mắt của giàn như đã khai báo trong phần tính toán tải trọng. Tiến hành đặt lực như sau: Tiến hành chọn nút có lực tác dụng vào nó. Sau đó ta chọn Assign ->Joint Load->Forces… tiến hành khai báo các giá trị vào trong bảng thông báo hiện ra sau đó. Tiến hành tương tự cho các nút khác. Khai báo tổ hợp tải trọng: chọn Define -> Combination -> Add New Combo->nhập tên tổ hợp -> chọn Linear Add sau đó chọn hết các lực đã khai báo và chọn Add sau đó nhấp OK. Tổ hợp tải trọng đã được tạo. Tiến hành khai báo thông số chạy chương trình như sau: chọn Analysis Options->Chọn ô Space Truss trong phần Fast DOF -> OK. Khai báo các thông số hạn chế bậc tự do của các mắt của giàn phẳng như sau: chọn menu Analyze -> chọn Analysis Options -> sau đó đánh dấu vào mục UX, UY như hình vẽ. Hình 2.9. Hạn chế bậc tự do của nút. Tiến hành chạy chương trình, chọn Analysis -> Run Analysis (hoặc nhấn F5) chọn nơi lưu file kết quả sau đó nhấn OK. Sau khi chương trình chạy xong thì nhấn OK. Khi đó, ta có thể xuất nội lực sang Word thành bảng. Chú ý, ở đây chỉ xuất tổ hợp COMB1 là tổ hợp cần thiết để tính toán. Sau đó tiến hành xuất từ word sang excel để tiến hành tổ hợp nội lực max trong từng loại thanh trong giàn. Phản lực tại các gối tựa: XA = 87 kG YA = 1843,56 kG YB = 3430,44 kG d. Xuất bảng kết quả nội lực các thanh trong dàn: STT Loại thanh Nội lực (kG) 1 Thanh biên dưới -353.0 2 Thanh biên dưới -3956.7 3 Thanh biên dưới -3898.0 4 Thanh biên dưới -4801.6 5 Thanh biên dưới -5980.5 6 Thanh biên dưới -7380.1 7 Thanh biên dưới -8438.1 8 Thanh biên dưới -6934.3 9 Thanh biên dưới -5765.4 10 Thanh biên dưới -4744.2 11 Thanh biên dưới -4000.3 12 Thanh biên dưới -3476.3 13 Thanh biên dưới -3210.3 14 Thanh biên dưới -3109.2 15 Thanh biên dưới -3341.0 16 Thanh biên dưới -3300.0 17 Thanh biên dưới -2137.8 18 Thanh biên dưới -1200 19 Thanh biên dưới -518.0 20 Thanh biên dưới 0.0 21 Thanh biên trên 370.8 22 Thanh biên trên 497.8 23 Thanh biên trên -172.6 24 Thanh biên trên 679.3 25 Thanh biên trên 1820.2 26 Thanh biên trên 3168.0 27 Thanh biên trên 4806.3 28 Thanh biên trên 3234.3 29 Thanh biên trên 2143.2 30 Thanh biên trên 968.5 31 Thanh biên trên 187.5 32 Thanh biên trên -389.6 33 Thanh biên trên -675.4 34 Thanh biên trên -846.3 35 Thanh biên trên -634.8 36 Thanh biên trên -309.1 37 Thanh biên trên -1507.9 38 Thanh biên trên -2499 39 Thanh biên trên -3200,8 40 Thanh biên trên -3788 41 Thanh biên trên 0.0 42 Thanh giằng xiên -143.6 43 Thanh giằng xiên -751.6 44 Thanh giằng xiên 538.8 45 Thanh giằng xiên 834.7 46 Thanh giằng xiên -960.6 47 Thanh giằng xiên 1152.7 48 Thanh giằng xiên -1279.6 49 Thanh giằng xiên 1381.5 50 Thanh giằng xiên -1507.8 51 Thanh giằng xiên 1700.4 52 Thanh giằng xiên -1826.3 53 Thanh giằng xiên -1835.4 54 Thanh giằng xiên 1708.1 55 Thanh giằng xiên -1414.8 56 Thanh giằng xiên 1287.2 57 Thanh giằng xiên -1287.3 58 Thanh giằng xiên 1161.4 59 Thanh giằng xiên -965.8 60 Thanh giằng xiên 839.9 61 Thanh giằng xiên -738.0 62 Thanh giằng xiên 610.1 63 Thanh giằng xiên -418.5 64 Thanh giằng xiên 291.7 65 Thanh giằng xiên -291.6 66 Thanh giằng xiên 165.7 67 Thanh giằng xiên 128.7 68 Thanh giằng xiên -255.6 69 Thanh giằng xiên 255.2 70 Thanh giằng xiên -382.1 71 Thanh giằng xiên -1424.5 72 Thanh giằng xiên 1297.5 73 Thanh giằng xiên -1195.6 74 Thanh giằng xiên 1068,7 75 Thanh giằng xiên -877 76 Thanh giằng xiên 750.3 77 Thanh giằng xiên -750,2 78 Thanh giằng xiên 623,8 79 Thanh giằng xiên -329.8 2.4.2. Kiểm tra lại bằng phương pháp tách mắt: a. Các lực tác dụng tại mắt dàn: Tổng lực tác dụng tại các mắt của thanh biên trên: P = q + G1 + G3 = 52,6 + 21,12 + 41,9 = 118,62 kG Tổng lực tác dụng tại các mắt của thanh biên dưới: P1 = q + G2 + G4 = 52,6 + 20,7 + 22 = 95,3 kG Tổng lực tác dụng của các mắt dưới của thanh biên liên kết với lan can: P = G5 = 180 kG * Mắt 1: N79 = - = -329,8 kG N40 = - (N79sin270 + Q1 + P2sin180 + Psin180) = - 3788 kG * Mắt 2: N78 = = 623,6 kG N19 = (N79 – N78)sin270 – (P1 + P’1) sin180 = - 518 kG * Mắt 3: N77 = - = - 750,2 kG N39 = N40 – Psin180 + (N78 – N77)sin270 = - 3201 kG * Mắt 4: N76 = = 750,2 kG N18 = (N77 – N76)sin270 + N19 = - 1199,2 kG * Mắt 5: N75 = - = - 876,8 kG N38 = N39 – Psin180 + (N76 – N75)sin270 = - 2499 kG * Mắt 6: N74 = = 1069 kG N17 = (N75 – N74)sin270 – P’1sin180 + N18 = - 2138,2 kG * Mắt 7: N73 = - = - 1195,6 kG N37 = N38 – Psin180 + (N74 – N73)sin270 = - 1507,5 kG * Mắt 8: N72 = = 1297,3 kG N16 = (N73 – N72)sin270 – P1 sin180 + N17 = - 3299,4 kG * Mắt 9: N71 = - = - 1424 kG N36 = N37 – Psin180 + (N72 – N71)sin270 = -308,7 kG * Mắt 10: N70 = = - 382 kG N15 = (N71 – N70)sin270 + (YA– P’1) sin180 + N16 – XAcos180 = -3341,1 kG * Mắt 11: N69 = - = 255,4 kG N35 = N36 – Psin180 + (N70 – N69)sin270 = - 634,7 kG * Mắt 12: N68 = = - 255,4 kG N14 = (N69– N68)sin270 + N15 = -3109,2 kG * Mắt 13: N67 = - = 128,8 kG N34 = N35 – Psin180 + (N68 – N67)sin270 = - 845,7 kG * Mắt 14: N66 = = 165,1 kG N13 = (N67 – N66)sin270 – (P1 + P’1)sin180 + N14 = -3210,7 kG * Mắt 15: N65 = - = - 292 kG N33 = N34 – Psin180 + (N66 – N65)sin270 = - 675 kG * Mắt 16: N64 = = 292 kG N12 = (N65 – N64)sin270 + N13 = - 3476 kG * Mắt 17: N63 = - = - 418,6 kG N32 = N33 – Psin180 + (N64 – N63)sin270 = - 389 kG * Mắt 18: N62 = = 610,7 kG N11 = (N63 – N62)sin270 – P’1 sin180 + N12 = - 3999 kG * Mắt 19: N61 = - = - 737,3 kG N31 = N32 – Psin180 + (N62 – N61)sin270 = 186,3 kG * Mắt 20: N60 = = 839 kG N10 = (N61 – N60)sin270 – P1 sin180 + N11 = - 4744,1 kG * Mắt 21: N59 = - = - 965,6 kG N30 = N31 – Psin180 + (N60 – N59)sin270 = 969 kG * Mắt 22: N58 = = 1161,1 kG N9 = (N59 – N58)sin270 – P’1 sin180 + N10 = - 5765,2 kG * Mắt 23: N57 = - = - 1287,6 kG N29 = N30 – Psin180 + (N58 – N57)sin270 = 2044 kG * Mắt 24: N56 = = 1287,6 kG N8 = (N57 – N56)sin270 + N9 = - 6934,3 kG * Mắt 25: N55 = - = - 1414,2 kG N28 = N29 – Psin180 + (N56 – N55)sin270 = 3234 kG * Mắt 26: N54 = = 1708 kG N7 = (N55 – N54)sin270 – (P1 + P’1)sin180 + N8 = - 8437 kG * Mắt 27: N53 = - = - 1835 kG N27 = N28 – Psin180 + (N54 – N53)sin270 = 4806 kG * Mắt 28: N52 = = - 1826,6 kG N6 = (N53 – N52)sin270 + N7 + YBsin180 = - 7380,7 kG * Mắt 29: N51 = - = 1700 kG N26 = N27 – Psin180 + (N52 – N51)sin270 = 3168,3 kG * Mắt 30: N50 = = -1507,9 kG N5 = (N51 – N50)sin270 – P’1 sin180 + N6 = - 5980 kG * Mắt 31: N49 = - = 1381,3 kG N25 = N26 – Psin180 + (N50 – N49)sin270 = 1820 kG * Mắt 32: N48 = = - 1279,6 kG N4 = (N49 – N48)sin270 – P1 sin180 + N5 = - 4801,4 kG * Mắt 33: N47 = - = 1153 kG N24 = N25 – Psin180 + (N48 – N47)sin270 = 679 kG * Mắt 34: N46 = = - 960,9 kG N3 = (N47 – N46)sin270 – P’1 sin180 + N4 = -3897,3 kG * Mắt 35: N45 = - = 834,3 kG N23 = N24 – Psin180 + (N46 – N45)sin270 = - 172,6 kG * Mắt 36: N44 = = 538 kG N2 = N45sin90 – N44 sin450 + N3cos180 = - 3956,5 kG * Mắt 37: N43 = - = - 751 kG N22 = N23 – Psin180 + N44 sin270 – N43sin380 = 497,7 kG * Mắt 38: N42 = = - 143,3 kG N1 = N43sin200 – N42cos340 + N2 + Q2cos180 = - 352,6kG * Mắt 39: N21 = N22 – Psin180 + N42sin390 = 370,8 kG * Mắt 40: N1 = - N21cos180 = - 352,6 2.5. Kiểm tra bền và ổn định các thanh trong dàn: 2.5.1. Thanh biên: Nội lực lớn nhất trong thanh biên trên: = 4806,3 kG Nội lực lớn nhất trong thanh biên dưới: = 8438,1 kG Để dễ dàng trong việc chế tạo, ta chọn thép chế tạo các thanh biên là giống nhau. Chọn thép cho thanh biên là thép ống Þ90/71 theo tiêu chuẩn ISO 630 (1995). Hình 2.11. Tiết diện thanh biên a. Kiểm tra bền: Ngoài lực dọc trục ra, thanh biên của dàn còn chịu momen uốn cục bộ của tải trọng do trọng lượng của giá đỡ băng tải, trọng lượng dây băng và trọng lượng của vật liệu. Momen uốn cục bộ được xác định gần đúng theo sơ đồ dầm đơn giản, gối tựa là nút dàn, nhịp là khoảng cách ngang của hai nút. Hình 2.12. Sơ đồ tính momen uốn cục bộ. Momen uốn cục bộ được xác định theo công thức (5.2)[7]: (2.24)[7] Trong đó: + : hệ số kể đến tính liên tục của cánh trên, = 1 cho khoang đầu, = 0,9 cho các khoang bên trong. + P: lực tập trung đặt ngoài nút, kG. P = Pvl + Pgd + Pb = 55,5 + 40,2 + 11 = 106,7 kG + d: khoảng cách ngang giữa hai nút, m. d = 1030cos180 = 980 mm = 0,98 m => Mcb = = 26,14 kGm Kiểm tra bền thanh biên theo công thức: (2.25)[6] Trong đó: + Wu: momen chống uốn của tiết diện thanh biên trên. Wu = 0,1 (2.26)[5] = 0,1(903 – 713) = 37109 mm3 + Fth: diện tích tới hạn của tiết diện thanh biên trên. Fth = (2.27)[5] = = 2401,5 mm2 => = = 4,22 kG/mm2 = 422 kG/cm2 < [] Vậy thanh biên đủ bền. b. Kiểm tra ổn định: Khi thanh chịu nén ở vào trạng thái cân bằng ổn định thì lực nén còn nhỏ hơn lực tới hạn. Khi lực nén đạt tới trị số tới hạn, thanh không còn thẳng nữa, bị uốn cong trong mặt phẳng có độ cứng nhỏ nhất ở trạng thái cân bằng cong. Sau đó, dù tải trọng chỉ tăng rất ít, thanh cũng bị cong rất nhanh và mất khả năng chịu lực. Tính ổn định của thanh chịu nén đúng tâm theo công thức (6.09)[6] = (2.28)[6] Trong đó: + N: lực nén lớn nhất trong thanh. + Fng: diện tích tiết diện nguyên, không kể đến các giảm yếu do lỗ đinh, bu lông. + : hệ số chiết giảm ứng suất, phụ thuộc vào độ mảnh . Độ mảnh lớn nhất của thanh được tính theo công thức sau: = (2.29)[6] Trong đó: + : hệ số phụ thuộc liên kết 2 đầu thanh, Hình 2.13. Xác định hệ số chiều dài tính toán + l: chiều dài hình học của thanh (khoảng cách giữa hai mắt dàn của thanh liên kết). Chiều dài lớn nhất của thanh biên là 1030mm. + r: bán kính quán tính của thanh. rmin = (2.30)[6] = = 28,66 mm = 2,866 cm = = 36 Tra bảng 7.1[6], ta có hệ số chiết giảm ứng suất = 0,93. Khi đó, ứng suất trong thanh sẽ là: = Vậy: = Như vậy thanh đủ ổn định. 2.5.2. Thanh giằng: Nội lực lớn nhất trong thanh giằng xiên là: Ng = 1835,4 kG Chọn thép chế tạo thanh giằng xiên là thép ống Þ60,3 có bề dày là 4,5 mm theo tiêu chuẩn ISO 65. Hình 2.14. Tiết diện thanh giằng a. Kiểm tra bền: Điều kiện bền được kiểm tra theo công thức: = (2.31)[6] = = 2,33 kG/mm2 = 233 kG/cm2 < Vậy thanh giằng đủ bền. b. Kiểm tra ổn định thanh giằng: Tính ổn định của thanh chịu nén đúng tâm theo công thức (6.09)[6] = (2.32)[6] Trong đó: + N: lực nén lớn nhất trong thanh. + Fng: diện tích tiết diện nguyên, không kể đến các giảm yếu do lỗ đinh, bu lông. + : hệ số chiết giảm ứng suất, phụ thuộc vào độ mảnh . Độ mảnh lớn nhất của thanh được tính theo công thức sau: = (2.33)[6] Trong đó: + : hệ số phụ thuộc liên kết 2 đầu thanh, Hình 2.15. Xác định hệ số chiều dài tính toán. + l: chiều dài hình học của thanh (khoảng cách giữa hai mắt dàn của thanh liên kết). Chiều dài lớn nhất của thanh giằng là 1456,7mm. + r: bán kính quán tính của thanh. rmin = (2.34)[6] = = 19,8 mm = = 73,6 Tra bảng 7.1[6], ta có hệ số chiết giảm ứng suất = 0,79. Khi đó, ứng suất trong thanh sẽ là: = Vậy: = Như vậy thanh đủ ổn định.