CHƯƠNG 6 : KẾT CẤU KIM LOẠI 6.1 Giới thiệu chung về kết cấu kim loại trong máy trục 6.1.1 Vật liệu Không chỉ trong ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp, cầu, bến cảng… kết cấu thép chiếm phần khối lượng rất lớn. Trong ngành thiết bị nâng, kết cấu kim loại cũng chiếm đến 60 ÷ 80% khối lượng kim loại của toàn bộ thiết bị nâng. Vì thế, việc chọn kim loại thích hợp cho kết cấu kim loại để sử dụng chúng một cách kinh tế nhất là rất quan trọng. Trong kết cấu kim loại của thiết bị nâng, người ta thường sử dụng thép Cacbon thường, thép hợp kim và hợp kim nhôm, trong đó thép Cacbon thường được sử dụng rộng rãi. Trong thép Cacbon, Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và cơ tính của thép Cacbon và cả thép hợp kim. Quy luật chung là khi thành phần Cacbon tăng lên thì độ bền, độ cứng của thép tăng lên, còn độ dẻo, độ dai giảm đi. Tuy nhiên, độ bền chỉ tăng lên theo Cacbon đến giới hạn 0,8 ÷ 1%C, vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi. Hiện nay trong ngành xây dựng ở nước ta đang sử dụng rộng rãi thép Cacbon thường theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75 và thép xây dựng của Nga theo ГОСТ 380-71. Tiêu chuẩn Việt Nam ký hiệu chữ viết tắt là CT là thép Cacbon thường, các chữ số đứng sau chỉ giới hạn bền kéo tính bằng daN/mm 2 . Ví dụ: CT31; CT33; CT35; CT38. Ở Việt Nam, thép Cacbon thường được chia ra ba nhóm : • Nhóm A – bảo đảm tính chất cơ học. • Nhóm B – bảo đảm thành phần hoá học. • Nhóm C – bảo đảm tính chất cơ học và thành phần hoá học. Trong đó ký hiệu nhóm A thì không cần ghi chữ “A” lên đầu, còn nhóm B, C thì phải ghi chữ “B”, “C” phía trước chữ CT. Ví dụ : BCT31; BCT33; BCT34; CCT34; CCT38; CCT42. Theo ГОСТ 380-71 thép Cacbon thường được ký hiệu bằng chữ C T hay C m , với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (số càng lớn độ bền và lượng Cacbon càng lớn), và được chia ra làm ba nhóm A, Б, B. Trong kết cấu thép của thiết bị nâng, các thanh chịu tải thường dùng thép C T 3. Ưu điểm của thép C T 3 là bảo đảm tính hàn (sau khi hàn xong không bị nứt) và đảm bảo tính dẻo. Đối với các thanh phụ, không chịu tải, dàn bảo vệ, cầu thang, tay vịn, sàn lát, … dùng thép C T 0; C T 1; C T 2. Trong ngành thiết bị nâng, người ta dùng chủ yếu thép Cacbon thường hay thép hợp kim thấp làm kết cấu dàn và dầm chịu tải. Trong luận văn này ta sẽ nghiên cứu tính toán, sử dụng kết cấu thép trong máy cào liệu. 6.1.2 Các kiểu liên kết Liên kết giữa các thanh kim loại với nhau trong kết cấu thép chủ yếu là liên kết hàn và liên kết bulông, đinh tán. Trước đây, liên kết đinh tán được sử dụng rất phổ biến, nay trong kết cấu thép người ta ít sử dụng chúng, đặc biệt là trong ngành máy xây dựng thì lại ít sử dụng hơn nữa, mà chủ yếu sử dụng mối liên kết hàn. So với mối liên kết bulông, đinh tán thì liên kết hàn có những ưu điểm sau : • Gia công nhanh và rẻ. Hàn có năng suất cao so với các phương pháp khác do giảm được số lượng nguyên công, giảm được cường độ lao động và tăng độ bền chắc của kết cấu. • Giảm được khối lượng kim loại từ 10 ÷ 20% so với liên kết đinh tán, bulông vì không có các phần đầu đinh tán, bulông. • Độ bền mối hàn cao, mối hàn kín. • Giảm được tiếng động khi sản xuất. • Thiết bị hàn tương đối đơn giản và dễ chế tạo. Tuy nhiên liên kết hàn cũng có những nhược điểm : • Kết cấu bị biến hình do sau khi hàn vẫn tồn tại ứng suất dư. • Vật liệu bị giòn do quá trình nung nóng khi hàn. • Khó kiểm tra các khuyết tật bên trong mối hàn. • Chất lượng mối hàn phụ thuộc vào trình độ công nhân hàn. • Khả năng chịu tải trọng động kém. 6.1.3 Các loại hình kết cấu Kết cấu thép được sử dụng trong các máy xếp dỡ – xây dựng chủ yếu gồm hai loại hình kết cấu: kết cấu dầm và kết cấu dàn. Kết cấu dầm : là một loại hình kết cấu được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo kết cấu thép của các loại máy trục. Ví dụ trong các loại cổng trục, cầu trục…. Về mặt chịu lực thì dầm chủ yếu chịu uốn. Theo đặc điểm cấu tạo tiết diện của dầm người ta chia dầm làm hai loại: dầm hình và dầm tổ hợp. a. Dầm hình Dầm hình là dầm làm từ các thép hình, thường là các loại thép chữ I, chữ U chữ C v.v…, được chế tạo từ cán hay dập. Dầm hình có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, chi phí thấp nên giá thành dầm hình thấp hơn giá thành dầm tổ hợp. Hình 6.1. Dầm hình. a, b – thép cán phổ thong. c – thép cán chữ I cánh rộng. d, e – thép hình thành mỏng dập. b. Dầm tổ hợp Dầm tổ hợp là loại dầm chế tạo từ các loại thép tấm hoặc từ các thép tấm kết hợp với các thép hình liên kết lại với nhau bằng phương pháp hàn hoặc đinh tán. Nếu dùng liên kết hàn để liên kết cấu kiện của dầm thì đó là dầm tổ hợp hàn. Nếu dùng đinh tán hoặc bulông để liên kết các cấu kiện của dầm thì gọi đó là dầm tổ hợp đinh tán hoặc dầm tổ hợp bulông. Trong kết cấu kim loại máy trục thường sử dụng hai loại tiết diện dầm tổ hợp: dầm 1 thành (tiết diện chữ I – kết cấu gồm 1 tấm thành và 2 tấm biên), và dầm 2 thành (tiết diện hộp – kết cấu gồm 2 tấm thành và 2 tấm biên). Khi kết cấu dàm tổ hợp, ngoài các phần tử kết cấu chính là tấm thành và tấm biên, người ta còn kết cấu thêm các phần tử phụ: đó là các gân tăng cứng trên dầm 1 thành và vách ngăn trên dầm 2 thành nhằm mục đích đảm bảo ổn định cục bộ của các tấm. Kết cấu dàn : là một loại hình kết cấu được sử dụng trong kết cấu kim loại máy trục với kết cấu có chiều dài (khẩu độ) lớn, chịu tải trọng nhỏ, khi đó nếu dùng dầm thì trọng lượng của dầm lớn hơn dàn. Trên thực tế dàn được sử dụng để chế tạo cần của các cần trục có cần, cầu trên của cần trục cổng, cầu chuyển tải, cầu trục v.v…. Trong kết cấu kim loại máy trục chủ yếu sử dụng các dàn không gian có tiết diện ngang của dàn là hình tam giác hay hình chữ nhật. Dàn tam giác có độ cứng chống xoắn nhỏ, khó bố trí các thiết bị trên dàn, dùng làm cần của các cần trục, ít khi dùng làm cầu. Dàn hình chữ nhật độ cứng chống uốn theo hai phương và độ cứng chống xoắn khá lớn, dễ bố trí thiết bị trên đó, và được sử dụng rộng rãi. Ưu điểm của dàn là đơn giản, dễ chế tạo, đễ bảo quản (sơn chống gỉ). Nhược điểm của kết cấu dàn là độ bền mỏi thấp, công chế tạo cao do khó sử dụng phương pháp hàn tự động. Hình 6.3. Các tiết diện thanh thường dùng Hình 6.4. Các tiết diện thanh dàn nặng. Người ta phân loại dàn theo các đặc điểm sau : a. Theo công dụng : Bao gồm dàn mái nhà công nghiệp, mái nhà dân dụng; dàn cầu, dàn thép dùng trong máy trục, tháp trụ, cột điện, tháp khoan v.v…. b. Theo cấu tạo của các thanh trong dàn • Dàn nhẹ : là dàn có nội lực trong các thanh là nhỏ, các thanh dàn được cấu tạo từ một thép góc hoặc thép tròn. • Dàn thường : là loại phổ biến, nội lực trong các thanh biên nhỏ hơn 5000 kN. Các thanh dàn được ghép bởi hai thép góc, tiết diện ngang dạng chữ T. • Dàn nặng : dùng cho các công trình chịu tải trọng nặng, như dàn làm cầu, nội lực lớn nhất trong thanh biên không dưới 5000 kN. Tiết diện thanh dàn dạng thanh tổ hợp. c. Theo hình dáng bên ngoài • Dàn có biên song song (cần của cần trục tháp …). • Dàn có biên trên dốc một phía thường dùng cho cần trục có xe con di chuyển ở biên dưới. • Dàn có đường biên dưới gãy khúc (dùng cho cầu trục, cổng trục, cầu chuyển tải). • Dàn có đường bao hình tam giác (làm vi kéo mái nhà dân dụng, công nghiệp). d. Theo kết cấu hệ thanh bụng • Dàn có thanh bụng tam giác: loại có thanh chống đứng (hình 6.5 a, b, c, d, e) và loại không có thanh chống đứng (hình 6.5 g). • Dàn có hệ thanh bụng nghiêng về một phía (hình 6.5 i). a - Đường biên song song; b - Đường biên dốc một phía; c - Đường biên dưới gãy khúc; d - Đường biên tam giác; e - Hệ thanh bụng kiểu tam giác có thanh chống đứng; g - Hệ thanh bụng không có thanh chống đứng; h - Hệ thanh bụng kiểu tam giác có thanh chống đứng chủ yếu cho thanh biên trên. • Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu chéo nhau chữ K (hình 6.5 n). • Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu hình thoi (hình 6.5 l, p). • Dàn không có thanh xiên (hình 6.5 m). • Dàn phân nhỏ (hình 6.5 o). i - Dàn có hệ thanh bụng nghiêng về một phía; k, m - Dàn không có thanh xiên; l, p - Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu hình thoi; n - Dàn có hệ thanh bụng giao nhau kiểu chữ K; o - Dàn phân nhỏ; q - Các kích thước hình học của dàn. Một số kiểu liên kết kết cấu dàn : Hình 6.6 Mối nối tại mắt dàn.a- dùng tấm ốp thẳng góc; b- dùng tấm ốp cắt xiên. Hình 6.7. Kết cấu mối hàn trực tiếp (a, b) và mối hàn có bản tiếp điểm (c) Hình 6.8. Kết cấu mối hàn các thanh xiên có bản mã phụ trợ. [...]...Hình 6.9 Kết cấu các nút của dàn thép ống Hình 6.10 Kết cấu mắt dàn thép ống (1÷4)- Không dùng bản mã; (5÷10)- Dùng bản mã; (11÷13)- Mắt dàn có gia cố Hình 6.11 Kết cấu các tai mấu liên kết ở đầu mút của thanh; các biện pháp công nghệ giảm hiện tượng tập trung ứng suất tại đầu các mối hàn Hình 6.12 Kết cấu tai liên kết ở đầu mút thép ống (1÷7), và sơ đồ tính tai 6.2 Kết cấu kiểu hộp của dầm... hai : [ σ ] = 160 N / mm2 6.3 Kết cấu kiểu dàn của cần cào 6.3.1 Chọn các kích thước chính và trọng lượng các phần tử kết cấu kim loại đối với các cần trục quay thay đổi tầm với bằng cách nâng hạ cần, cần là một thanh hay dàn có trục thẳng hay trục gãy với tiêt diện thay đôir theo chiều dài cần Đầu dưới của cần đặt trên các bản lề cố định trên phần quay củ kết cấu kim loại, đầu trên nối với palăng... 6.3.2 Xác định các tải trọng tác dụng lên cần Khi tính kết cấu kim loại của cần, ta cần phải xác định các tải trọng không di động, tải trọng tạm thời, lực quán tính và tải trọng gió, đồng thời lực trong dây cáp treo vật và dây cáp treo cần Hình 6.17 kết cấu dàn cần cào Tải trọng không di động : gồm trọng lượng những phần riêng lẻ của kết cấu kim loại cần G1 là trọng lượng cần AB Đối với các cần nhỏ,... 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 WINDOWS9Xnt 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 :... 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 hệ tọạ 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,... 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... kiểu hộp của dầm chính 6.2.1 Tải trọng tính Kết cấu kim loại của dầm chính máy cào được tính trong trường hợp phối hợp tải trọng dưới tác dụng của các tải trọng chính do trọng lượng cabin, đối trọng và cần cào cùng với tải trọng phụ do lực quán tính lớn nhất có thể xảy ra khi phanh hay mở máy cào hay mở các cơ cấu khác của máy cào như cơ cấu thay đổi tầm với, cơ cấu dẫn động xích cào … Hình 6.13 sơ đồ... 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... kể hệ số điều chỉnh) + tải trọng do các thành phần ở đầu cần khi tầm với nhỏ nhất + tải trọng gió ở trạng thái không làm việc Hình 6.18 sơ đồ liên kết dàn 6.3.4 Những tính toán cơ bản về kết cấu dàn Hình 6.19 sơ đồ phân bố lực tác dụng lên dàn Kết cấu kim loại của cần phải được kiểm tra theo độ bền và độ ổn định Độ ổn định của các thanh có độ cứng thay đổi được kiểm tra theo mômen quán tính tương đương . Các loại hình kết cấu Kết cấu thép được sử dụng trong các máy xếp dỡ – xây dựng chủ yếu gồm hai loại hình kết cấu: kết cấu dầm và kết cấu dàn. Kết cấu. bảo ổn định cục bộ của các tấm. Kết cấu dàn : là một loại hình kết cấu được sử dụng trong kết cấu kim loại máy trục với kết cấu có chiều dài (khẩu độ) lớn,