Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo Tính toán kết cấu cửa van theo độ bền mỏi và một số giải pháp tăng khả năng chịu mỏi nêu ra các yếu tố cần tính đến khi tính toán thiết kế cửa van nhịp lớn vùng triều thành phố Hồ Chí Minh có xét đến độ bền mỏi. Ngoài việc chọn loại vật liệu thích hợp cho loại cấu kiện cửa van cần sử dụng công nghệ hàn thích hợp nhằm giảm ứng suất tồn dư để tăng khả năng chịu mỏi cho các cấu kiện và mối nối chịu tải trọng lặp.
TÍNH TỐN KẾT CẤU CỬA VAN THEO ĐỘ BỀN MỎI VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP TĂNG KHẢ NĂNG CHỊU MỎI Đỗ Văn Hứa Khúc Hồng Vân Tóm tắt: Bài báo nêu yếu tố cần tính đến tính toán thiết kế cửa van nhịp lớn vùng triều Thanh phố Hồ Chí Minh có xét đến độ bền mỏi Ngồi việc chon loại vật liệu thích hợp cho loại cấu kiện cửa van cần sử dụng công nghệ hàn thích hợp nhằm giảm ứng suất tồn dư để tăng khả chịu mỏi cho cấu kiện mối nối chịu tải trọng lặp Từ khóa: Thiết kế cửa van xét đến mỏi Mở đầu Sự phá hủy mỏi q trình tích lũy suy thoái khả làm việc vật liệu chi tiết kết cấu Biểu suy thối đặc trưng q trình sinh phát triển, lan truyền hệ thống vết nứt mỏi trường hợp ứng suất thay đổi theo thời gian Phá hoại mỏi thường ví trí có ứng suất tập trung lớn khuyết tật mối hàn, ứng suất hàn biến hình hàn, đặc biệt cấu tạo không hợp lý kết cấu sinh ứng suất tập trung Sự phá hoại mỏi thép sẩy ứng suất thay đổi có giá trị nhỏ giới hạn đàn hồi; giới hạn chảy nhỏ nhiều giới hạn bền Sự phá hoại mỏi mang tính chất phá hoại giòn thường xẩy đột ngột kèm theo vết nứt Độ bền mỏi kết cấu thép ứng suất phá hoại có tượng mỏi Đối với dầm cầu trục, dầm đỡ sàn đặt máy, bệ máy, cầu chuyển tải, bunke, cửa van vùng triều vv…được xem kết cấu chịu tải trọng lặp với chu kỳ đủ lớn cần tính tốn theo độ bền mỏi Độ bền mỏi phụ thuộc vào nhiều yếu tố Đó ảnh hưởng chất vật liệu xử lý nhiệt (ảnh hưởng tổ chức tế vi, kích thước hạt, thành phần hóa học); trạng thái ứng suất; tần số tải trọng; ảnh hưởng mơi trường (nhiệt độ, mơi trường ăn mòn…) dẫn đến tượng mỏi – mòn – rỉ Ứng suất cục lớn cấu kiện xét max biên độ ứng suất a= (max - min)/2 )là số để so sánh đánh giá độ bền mỏi Chỉ số phụ thuộc vào tập trung ứng suất, vào cấu tạo cấu kiện kiểu liên kết (nhóm cấu kiện); đặc tính tải trọng chu kỳ (dừng không dừng); số chu kỳ tải trọng giai đoạn sử dụng kết cấu Khi tính kết cấu cửa van cần ý đến điều kiện mơi trường ăn mòn điều kiện khác Việc xác định số chu kỳ tải trọng cửa van để tính tốn mỏi cho cấu kiện dầm chính, dầm phụ, dầm biên, dàn ngang… khơng nêu TCVN 338: 2005, tiêu chuẩn tải trọng tác động TCVN 2737:1995 Trong tiêu chuẩn thiết kế cửa van TCVN: 8299-2009 không đề cập đến vấn đề tính mỏi Trong tiêu chuẩn Mỹ EM 1110 -2- 2105 “Tiêu chuẩn tính toán, thiết kế cửa van” dự án chống ngập thành phố Hồ Chí Minh thiết kế van thủy lợi có quy định phải tính độ bền mỏi cho kết cấu cửa van chu kỳ tải trọng từ 104 trở lên Tính tốn kết cấu cửa van theo độ bền mỏi Phát triển vết nứt thường xẩy rõ rệt tải trọng có tính lặp lặp lại, ứng suất cục lớn sử dụng loại thép độ bền cao lại có khuyết tật Mỏi sẩy giai đoạn: - Giai đoạn thiết kế ( thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật) - Giai đoạn chế tạo - Giai đoạn khai thác 2-1 Tính tốn kết cấu thép cửa van theo độ bền mỏi Trong cửa van, theo tài liệu thực tế, nơi bị phá hoại mỏi thường sẩy chố nối dầm với dầm biên (hình 1a), chỗ nối giao (hình 1b) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 87 b/ a/ Vết nứt mỏi Vết nứt mỏi Hình Mục đích tính tốn kiểm tra độ bền mỏi so sánh ứng suất cục lớn tiết diện khảo sát với cường độ tính tốn mỏi, có xét đến loại thép, nhóm kết cấu, số chu kỳ hệ số ứng suất khơng đối xứng (đặc trưng chu trình tải trọng) Cơng thức kiểm tra độ bền mỏi tính theo công thức: max f f f (1) ứng suất / max f ln ln lớn Trong đó: f f - Cường độ tính tốn mỏi, phụ thuộc 2-2 Tính tốn kiểm tra độ bền mỏi mối hàn Trong kết cấu hàn giới hạn độ bền mỏi phụ thuộc vào vật liệu, cơng nghệ, q trình hàn, dạng kết cấu loại lực đặc tính chu trình tải trọng Ảnh hưởng cơng nghệ hàn đến cường độ chịu tải trọng thay đổi thường nghiên cứu mấu chuẩn có mối nối hàn Trong giai đoạn thiết kế sơ kết cấu tính mỏi cho dường hàn chịu tải trọng lặp tính theo ứng suất cho phép Ứng suất cho phép thép vùng lân cận đường hàn xác định theo công thức (4): r / k (4) Ở đây: k – hệ số an toàn cường độ thường lấy 1,4-1,6 Với tải trọng lặp lấy 1,6 r - giới hạn độ bền mỏi phụ thuộc vào hệ số tập trung ứng suất K , tính chất chu trình tải trọng vào cường độ kéo đứt tức thời thép nhóm cấu kiện f u cường độ kéo đứt tức thời - hệ số, kể đến đặc trưng chu kỳ tải trọng nQ tính theo cơng thức: - Khi nQ 3,9 x 106 Đối với nhóm cấu kiện 2: nQ nQ 0,064( ) 0,5( ) 1,75 (2) 10 10 Đối với nhóm cấu kiện đến 8: nQ nQ 0,07( ) 0,64( ) 2,2 (3) 10 10 - Khi nQ 3,9 x 106, lấy 0,77 Lúc độ bền mỏi tính tốn có giá trị ổn định không phụ thuộc vào số chu kỳ nhóm cấu kiện f - hệ số, lấy theo bảng1, phụ thuộc vào trạng thái ứng suất hệ số khơng đối xứng 88 xác định với trường hợp bất lợi ứng suất phản đối xứng 1 Tuy nhiên cường độ mỏi tính tốn (Giá trị vế phải công thức (1) vượt qúa giới hạn bền tính tốn nên kiểm tra theo cơng thức (1) trị số f f f không vượt giá trị f u / M ; với M 1,3 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) Bảng Hệ số f max Kéo Nén Hệ số không đối xứng ứng suất 1 0 0,8 0,8 1 Cơng thức tính hệ số f f 2,5 /(1,5 ) f 2,0 /(1,2 ) f 1,0 /(1 ) f 2,0 /(1 ) Giá trị hệ số tập trung ứng suất K phụ thuộc vào loại liên kết hàn, phụ thuộc vào loại mối hàn, loại thép hàn, sơ liên kết vị trí tiết diện tính tốn Mục đích tính tốn kiểm tra độ bền mỏi mối hàn so sánh ứng suất cục lớn tiết diện khảo sát với ứng suất cho phép tính mỏi Cơng thức kiểm tra độ bền mỏi đường hàn thường tính theo ứng suất cho phép theo cơng thức: max (5) Trong đó: max - Ứng suất cục lớn mặt cắt tính tốn - Ứng suất cho phép tính với tải trọng lặp; - Hệ số xác định sau: Với ứng suất lớn chịu kéo: c /(a b ) (6a) Với ứng suất lớn chịu nén: c /(b a ) (6b) Với đặc trưng chu kỳ tải trọng a,b c cơng thức (6a) (6b), phụ thuộc vào nhóm liên kết, loại thép số chu trình tải trọng Một số biện pháp tăng khả chịu lực kết cấu hàn chịu tải trọng lặp Quá trình hàn kết cấu, tác dụng nung nóng khơng thép bản, co ngót kim loại hàn làm thay đổi cấu trúc thép xuất nội ứng suất làm biến dạng kết cấu hàn Nội ứng suất thường làm cho kết cấu bị cong vênh, tạo lồi lõm, kết cấu bị lượn sóng Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.thể hình Hình dạng phần khung hàn Thiết kế mối hàn Quá trình hàn Vật liệu Chất lượng Mối hàn Phương pháp hàn Nhiệt độ Sấy nóng trước Vật liệu thép hàn Quản lý Hình Kiểm tra Điều kiện vật liệu hàn Phương pháp kiểm tra Sự xuất biến dạng hàn ngăn ngừa giảm nhỏ Các dạng phá hoại kết cấu hàn chịu tải trọng lặp khác Chỗ phá hoại đường hàn thường xẩy đường hàn có khuyết tật, hình dạng liên Vết nứt Hình dạng Chất lượng phần hàn kết hàn không hợp lý tồn “vùng thoát” liên kết thép nhiệt luyện Sự phá hoại thông thường sẩy cách khơng xa mép đường hàn (xem hình 3) giới hạn độ bền dẻo thấp thép KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 89 Do để nâng cao cường độ mối hàn thép hợp kim thấp chịu tải trọng lặp cách gia công sản phẩm Để ngăn ngừa giảm cường độ chịu tải trọng lặp cần thiết kế hợp lý kết cấu hàn, nghĩa tạo dạng kết cấu giảm tối đa tập trung ứng suất Nâng cao cường độ mỏi thực cách gia cơng khí chi tiết hàn, đảm bảo tiếp giáp trơn tru thép thép nóng chảy (xem hình 4) Hình Vị trí phá hoại liên kết hàn thép hợp kim thấp chịu tải trọng lăp R50 1 80MPa 1 112MPa Gia cơng lượn tròn phân tố hàn Khơng gia cơng Hình Hiệu gia cơng lượn tròn Ứng suất dư đường hàn có ảnh hưởng đến khả chịu lực liên kết kết cấu hàn Ứng suất dư chịu kéo làm giảm cường độ kết cấu hàn Nếu ứng suất tác dụng vùng chịu ứng suất tập trung tính chất học khơng đồng xuất phá hoại mỏi Vì cần có giải pháp giảm ứng suất dư đường hàn Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy thoát nhiệt nhiệt độ 6500 C loại bỏ ứng suất dư gây hàn Một số dạng gia cơng thường sử dụng dạng hình 2-5 1:5 a/ 1:5 s16mm 1:5 b/ d/ c/ 0,5;5mmm Tấm lót K K0 Hình K0/K=1,5 – 2,5 Để giảm ứng suất đường hàn sử dụng ba phương pháp sau - Giảm khối lượng kim loại hàn bị lôi kéo vào vùng biến dạng dẻo giai đoạn đốt nóng Điều thực cách tính tốn tiết diện hàn vừa đủ nên chọn đường hàn góc đường hàn hai phía đối xứng với chiều dầy đường hàn tối thiểu - Làm bù trừ biến dạng chuyển vị xuất cách bố trí vị trí đường hàn đối xứng, tạo vùng biến dạng dẻo, tạo sẵn chuyển vị 90 trước, đảm bảo co ngót tự - Ở vùng đốt nóng sinh biến dạng dẻo, cần tạo thêm “vùng sấy nóng” có biến dạng ngược dấu Sau giải pháp cụ thể áp dụng gia công chế tạo cửa van: 1/ Để tạo biến dạng hàn cần sử dụng đường hàn hai phía dạng chữ X cắt mép (Hình 5a), hàn tự động có chất trợ dung khơng cần cắt mép nghiêng (Hình 5b) 2/ Tăng cường làm lạnh mối hàn cách đặt lót kê đồng làm lạnh KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) nước v.v…(Hình 5c) 3/ Trong số trường hợp kết cấu cần hàn tạo trước biến dạng ngược dấu với biến ● ● ● ● ● dạng hàn đặt kết cấu dạng tự với góc nghiêng nhằm tạo mơ men uốn ngược hàn (Hình 6) ● Hình 4/ Khi hàn phải cố định phân tố hàn cách hàn đính kê, kẹp giữ thiết bị (Hình 7) Hàn đính Miếng kê Hình Sơ đồ hàn dầm cửa van với dầm biên 5/ Cần hàn phân tố với trạng thái tối ưu đảm bảo nhiệt tập trung cao nhanh Ví dụ chế tạo lắp ráp dầm chữ I nên thực theo sơ đồ hình sau: a/ I III II b/ IV 400 Hình Sơ đồ vị trí liên tiếp vị trí hàn dầm chữ I a/ Sơ đồ vị trí liên tiếp hàn cánh dầm I, II, III, IV b/ Hàn bụng dầm chữ I: Số 1, 2, 3, thứ tự hàn 6/ Tạo vùng sấy nóng lạnh khơng Nếu tạo từ hai phía liên kết hàn vùng sấy nóng, dẫn hình 9a kim loại bị giãn nở (Hình 9b) Sơ đồ ứng suất tạo biến dạng chảy dẻo theo hướng dọc đường hàn làm giảm ứng suất kéo dư.Chuyển dịch vùng sấy nóng theo hướng mũi tên hình 9a làm nguội thép phía sau nguồn nhiệt Quá trình cần làm liên tục KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 91 b/ a/ ng hàn Vùng sấy nóng Hình Vùng sấy nóng 7/ Khi hàn lấp đầy đoạn dài cần phân tách thành đoạn ngắn (Hình 10), hàn chồng lớp sau lớp trước phải kịp đủ nguội có xuất biến dạng (Hình 10a) Việc áp dụng phương pháp hàn bậc ngược (Hình 10b) đường hàn có a/ 5 b/ c/ 3 2 1 Hình 10 độ dài lớn làm cho ứng suất phân bố hơn, giảm bớt biên dạng nhờ tạo nguội lạnh phân đoạn hàn tụt giảm nhiệt độ đoạn 8/ Cần tuân thủ chiều dài xác định chồng lên đường hàn hướng hàn điều có ảnh hưởng đến tính chất trị số biến dạng phân tố cong vênh toàn kết cấu 9/ Để giảm ứng suất tập trung cần cố gắng 92 tránh đường hàn giao mối liên kết có táp nẹp 10/ Mối hàn đối đầu bị co ngót lớn nên cần hàn trước , sau đến mối hàn góc Các sườn tăng độ cứng, xiên nên hàn cuối Việc lắp ráp kết cấu làm thép mà không nhậy cảm với tác dụng nhiệt thực cách hàn đính mà khơng gây cong trước hàn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) Tiết diện hàn đính khơng vượt 1/3 tiết diện mối hàn (Tiết diện lớn đường hàn đính khơng lớn 25-30mm2).Chiều dài đoạn hàn đính thường phạm vi 20120mm, khoảng cách đoạn hàn đính từ 500 đến 800mm Ngoài giải pháp nêu trên, thiết kế cửa van vùng triều đồng sông Cửu Long cần tính đến yếu tố ăn mòn mạnh nước lợ chua phèn TÀI LIỆU THAM KHẢO TCXDVN 338: 2005 Két cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế NXB Xây dựng Ngô văn Quyết Cơ sở lý thuyết mỏi NXBGD 2000 Phan văn Khôi Tuổi thọ mỏi kết cấu thép biển NXB KHKT 1997 Engineering and Design Vertical lift gates Manual N0 1110-2-2701 USACE Engineering and Design Design of hydraulic steel structures Manual N0 1110-2-2105 CECW-ED Design of steel structures (AI SC/ASD METHOD) Bản dịch Γ.А HиколаеВ, C.А Кypкuн , B.А BИНокУОВ Cвapные kонцтрyкции Моckbа "Bыcokaя школа"1982 А Γ Kocикоba, M. Cyxob Teнoлoгия производства подъёмно-транспортных машин M.,”Машинострение”, 1972 Abstract CALCULATION CONSTRUCTION OF GATE IS CONSIDERING FATIGUE AND SOLUTIONS TO TAKE INCREASE FATIGUE The article sets forth factors to take into account when calculation design the span gate in the tidal region of Ho Chi Minh city is considering fatigue In addition to choose Appropriate materials for constructions gate neet to use proper welding technology to reduce residual stresses exist to increase fatigue for members and their conections subjected to repeated variations of load Keyword: Designation the hydraulic gate considering fatigue Người phản biện: PGS TS Vũ Thành Hải KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) BBT nhận bài: 5/12/2012 Phản biện xong: 25/12/2012 93 ... Vết nứt mỏi Vết nứt mỏi Hình Mục đích tính tốn kiểm tra độ bền mỏi so sánh ứng suất cục lớn tiết diện khảo sát với cường độ tính tốn mỏi, có xét đến loại thép, nhóm kết cấu, số chu kỳ hệ số ứng... công thức (6a) (6b), phụ thuộc vào nhóm liên kết, loại thép số chu trình tải trọng Một số biện pháp tăng khả chịu lực kết cấu hàn chịu tải trọng lặp Quá trình hàn kết cấu, tác dụng nung nóng khơng... tra độ bền mỏi tính theo cơng thức: max f f f (1) ứng suất / max f luôn lớn Trong đó: f f - Cường độ tính tốn mỏi, phụ thuộc 2-2 Tính tốn kiểm tra độ bền mỏi mối hàn Trong kết