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»

Выполнил: Космынина А.И.

Группа: ЭМФ-35

Проверил: Киселев А.П.

Волгоград 2011г.

1. Состав проекта.

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

1. Введение.

2. Выбор схемы затвора и назначение его основных размеров.

3. Назначение расчетных сопротивлений.

4. Расчет обшивки и вспомогательной балки.

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

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

7. 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.

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

l_ef =1₀+2С

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

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

С=250мм

l_ef=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 h_on~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 l_ef.

м

h<l_m≤2h Условие соблюдается.

Полная высота поверхностного затвора определяется по формуле:

Н_зат=Н+а_о

Н_зат =12 + 0,4 = 12,4м

где а_о - 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=Н_зат-(а+а₂)=12,4-(7,4+0,6)=4 м

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

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

α=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.

[l_об]=

где t_o - толщина обшивки

R_y - расчетное сопротивление листовой стали соответствующей толщины;

Р - гидростатическое давление воды посередине рассматриваемого участка обшивки.

[l_об]=

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

J_x=1840 см⁴

W_x=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;

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

А_вб - 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

1_г-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.