Расчет нагрузок на элементы конструкции докового типа

Нижегородский  государственный

архитектурно-строительный университет

 

Кафедра гидравлики

 

                                                       

 

 

 

 

 

 

 

                                                         

 

Курсовая работа

 

Расчет нагрузок на элементы конструкции докового типа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Выполнил: студент гр.

 

    Проверил: Мишенькин Г.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород 2011

                                                       

Содержание:

                                                                                                                                   стр.

1. Введение………............................................................................................. 3
2. Цель работы.................................................................................................... 3
3. Расчет гидростатических нагрузок………………………………………..  4

3.1 на элементы рабочей секции дока

3.2 на элементы переходной секции дока

3.3 на элементы носовой части дока

3.3.1 нагрузка на боковую поверхность

3.3.2 нагрузка на лобовую поверхность

4.  Расчет кормовой части дока.............................................................................. 6

4.1  распределение горизонтальных ригелей на торцевую стенку дока

4.2  расчет нагрузки на боковые стенки и днище дока

5.  Определение грузоподъемности  дока.............................................................. 8

6. Заключение…………………………………………………………………….   9

7. Литература........................................................................................................... 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

 

Док – портовое сооружение для осмотра, ремонта и постройки  судов. В состав доковых сооружений входят сухие и наливные сухие  доки, плавучие доки. Сухой док представляет собой камеру, обычно бетонную или железобетонную, отделенную от водоема затвором; после ввода судна затвор закрывается, камера осушается и судно садится на опоры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Цель работы:

 

Для заданной схемы плавучего  дока выполняется определение гидростатических нагрузок на различные конструктивные элементы.

В заключение работы проверяется  возможность транспортировки полезного  груза внутри дока при частичном  заполнении камеры водой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет гидростатических нагрузок:

    3.1   на элементы рабочей секции дока

Согласно варианту задания рабочая  камера дока состоит из m = 10 секций. Определяется расчетная длина рабочей секции дока по формуле:

                   L_С= L/m, м

        где L – длина дока по днищу, м

               m – число секций

                  L_С= 80/10 = 8 м

 

    Строятся эпюры гидростатического  давления на все поверхности  рабочей секции дока. Эпюра гидростатического  давления представлена на рис.2.

Определяется величина силы гидростатического  давления на вертикальную боковую поверхность  рабочей секции дока: P= Sэпb, H

       где S – площадь треугольной гидростатической эпюры на вертикальную боковую поверхность.

b=T=8м – блина рабочей секции дока

Р₁ = 0,5ρg(a-z₁)²l =0,5*10³*9,81*8,4²*8=2768,77кН;

      Сила P₁ проходит через центр тяжести треугольной эпюры, т.е. h_d1=2/3(a-z₁)=8,4*2/3=5,6м;

       Сила P_2, Действующая на горизонтальное днище секции дока, определяется по формуле: P₂=p₂S_дн, H

        где p₂ – гидростатическое давление в т.2;

              S_дн – площадь днища секции дока

       Сила P₂=p₂Tl=82,4*10³*8,2*8=5405,44кН

3.2   на элементы переходной секции дока

       Находятся  силы на боковую поверхность  дока. Для этого разбивается сложная  поверхность на 2 простые фигуры.

       Строятся эпюры  гидростатического давления на  боковые стенки дока. Находятся 2 силы, которые действуют на прямоугольную и треугольную части. Определяется сила P_3, действующая на прямоугольный элемент по формуле:

P=bS_эп,Н

        где S – площадь эпюры;

               b – ширина стенки

       p₂ = ρgh₂ = ρg(R- z )=1000·9,81·(4,3 - 0,8) = 34,34 кПа

        p₃ = ρgh = ρg(a-z )=1000·9,81·(9,2-0,8) = 82,4 кПа      

        P₃ = 0,5ρg(R- z )( R- z )с=0,5*10³*9,81*3,5²*4,3=258,37кН

Определяется центр давления силы P₃ при графическом определении центра давления проходит через центр тяжести эпюры давления.

h_d3=2/3 (R-z₁)=2/3*3,5=2,33 м

Определяется сила P₄, действующая на треугольный элемент.

h_d4=1/3 (a-R)+(R-z₁)=1/3*8,4+3,5=6,3м

S₄ =0,5c(a-R)=0,5*4,3*8,4=18,06м²

P₄= ρgh_c4S₄=10³*9,81*6,3*18,06=1116,16 кН

   Находится центр добавления силы Р₄  по формуле: h_d=h_c+I_c/(h_cS), м

I_с4 = с(a-R)³/36=4,3*4,9³/36=14,05; I_d4 = h_c+ I_c4/h_c4

Построим  эпюру давления на наклонную стенку дока. Находим силу P₅, которая действует на наклонное днище переходной секции дока: P=ρgbsinα(l₂²- l₁²)/2, Н

где α – угол наклона днища к горизонту

        l₁– координата конца рассматриваемого участка, м

        l₂ – координата начала рассматриваемого участка, м

tgα=(a-R)/c=(9,2-4,3)/4,3=1,14      α=48,74^o

l₁=(R-z₁)/sinα=3,5/0,75=4,67 м;   l₂=(a-z₁)/sinα=8,4/0,75=11,2 м

Центр давления силы P₅ определяется по формуле:

l_d5= 2(l₂³- l₁³)(l₂²- l₁²)/3=2*1303,08/3*103,63=8,38 м

P₅=10³*9,81*0,75*4,3*(11,2²-4,67²)/2=1639,28 кН

3.3 на элементы носовой части дока

      3.3.1нагрузка  на боковую поверхность

 

      Носовая секция состоит из двух боковых и лобовой поверхностей. Боковая поверхность описывается фигурой сложной формы и рассчитывается приближенным способом. Лобовая поверхность представляет собой цилиндрическую поверхность и рассчитывается методом тела давления. Для решения задачи боковая поверхность вычерчивается в строгом масштабе. Погруженная под воду поверхность ABC заменяется на более простые фигуры. AC разделяется на 3 равных части: x=(R-z₁)/3=3,5/3=1,17 м.

      Криволинейная   сторона заменяется прямолинейной,  обозначаются заглубления каждой  грани через x₁,x₂,x₃ и y₁,y₂,y₃ – ширина каждого элемента.

      Силы P_6,P₇,P₈ определяются по формуле:

P=ρgbsinα(h₂²- h₁²)/2, Н

  Центры  давления сил P_6,P₇,P₈ определяются по формуле:

h_d=2(h₂³- h₁³)(h₂²- h₁²)/3

 

Расчет сводится в  таблице 2: к расчету гидростатических нагрузок на боковую поверхность  носовой части дока:

 

№элемента	Глубина погружения верхней  кромки элемента, h1 (м)	Глубина погружения нижней кромки элемента, h2 (м)	Ширина элемента, b	Силы ГСД, Pi	Центры давления, hd
1	0	1,17	4	26,40	0,78
2	1,17	2,34	3,3	65,34	1,81
3	2,34	3,5	1,8	60,63	2,95

 

P₆=1000*9,81*4*1,16²/2=26,40 кН

P₇=1000*9,81*3,3*(2,34²-1,16²)/2=65,34 кН

P₈=1000*9,81*1,8*(3,5²-2,34²)/2=60,63 кН

h_d6=2/3 *1,17=0,78 м

h_d7=2* (2,32³-1,17³)/3*(2,32²-1,17²)=1,81 м

h_d8=2* (3,5³-2,32³)/3*(3,5²-2,32²)=2,95 м

 

Результирующая сила P₉ равна сумме элементарных сил. Точка приложения этой силы определяется по теореме Вариньона, которая определяется как сумма моментов, составляющих элементарных сил относительно некоторой оси равна моменту равнодействующей силы относительно той же оси.

P₉= P₆+P₇+P₈=26,4+65,34+60,63=152,37 кН

 

Необходимо определить горизонтальную координату центра давления a_p9 (сумма моментов берется относительно оси  x):

M_p9^x=P₉a_dp9=P₆(y₁/2)+P₇(y₂/2)+P₈(y₃/2)=226,8

a_dp9= (P₆(y₁/2)+P₇(y₂/2)+P₈(y₃/2))/P₉=1,49

Для определения вертикальной координаты h_d9 (сумма моментов относительно оси y):

M_p9^y= P₉h_dp9=P₆h₆+P₇h₇+P₈h₈=317,46

h_d9= (P₆h₆+P₇h₇+P₈h₈)/P₉=2,08

 

3.3.2 нагрузка на лобовую поверхность

      Лобовая  поверхность является цилиндрической  и показана на рисунке 5 линией AB с образующей длиной b=T.

      Расчет  силы P выполняется поиском ее составляющих сил: горизонтальной P_x и вертикальной P_y.

      Поскольку  цилиндрическая поверхность заменяется  на плоскую вертикальную, прямоугольную,  горизонтальная сила находится  по формуле:

b=8,2 м; h₁=0; h₂=8,4 м

P_x=10³*8,2*9,81*8,4²/2=2837,99 кН

      P_x проходит через центр тяжести треугольной эпюры и приложена на расстоянии h_d1=2/3 h₂=2/3 *8,4=5,6 м

      Вертикальная  сила P_y зависит от величины объема тела давления и определяется по формуле:

P_y =ρgS_тд, Н

где b=T – ширина днища дока, T=8,2 м

      S_тд - площадь тела давления, ее можно определить из рисунка 4, сложив площади составляющих прямоугольников.

S_тд=x(y₁+y₂+y₃)=1,17*(4+3,3+1,8)=10,65 м²

P_y=1000*9,81*8,2*10,65=856,71 кН

       Сила P_y проходит через центр тяжести тела давления. Так как тело давления не заполнено  водой, то сила P_y производит выталкивающий эффект и направлена вверх. Результирующая сила P от гидростатической нагрузки на цилиндрическую поверхность находится по формуле:

 кН

Угол наклона силы определяется по формуле:

tgα=P_y/P_x

tgα=856,71/2837,99=0,3

Графически  положение силы находится следующим  образом:

1. Строится в масштабе треугольник сил
2. Линии действия сил P_x,P_y проводятся до их пересечения
3. Точка пересечения определит линию действия результирующей силы, которая приложена к корпусу носовой секции дока под углом α.
4. Расчет кормовой части дока
1. распределение горизонтальных ригелей на торцевую стенку дока.

      Ригель – ребро жесткости, воспринимающее основную нагрузку. Выполняется в виде двутавра или швеллера. Ригели рассчитываются из условия равной загруженности. Положение ригеля определяется центром давления с тем, чтобы ригель принял на себя максимальную нагрузку воды. Расчет выполняется графоаналитическим методом с построением интегральной кривой (рисунок 5).

     Общая нагрузка  от воды на кормовую стенку  вычисляется по формуле:

P=ρgbsinβ(l₂²- l₁²)/2, Н

b=T; k=3,5 м; =9,2/9,8=0,94

l₁=0; l₂=(a-z₁)/sinβ=8,4/0,94=8,94 м

P_общ=10³*9,81*8,2*0,94*84/2=3175,85 кН

      Нагрузка. приходящаяся на один ригель(из условия равной загруженности) определяется по формуле:

P_риг=P_общ/n, Н

где n – число ригелей (по заданию)

P_риг=3175,85/3=1058,62 кН

      Интегральная  кривая строится по значениям  гидростатической силы, действующей  на кормовую стенку при заданной глубине.

      Расчеты  сводятся в таблицу 3, посчитанную  по формуле:

P=ρgbsinβ(l₂²- l₁²)/2, Н

Таблица 3: к построению интегральной кривой:

h	0	1	2	3	4	5	6	7	8	8,4
l	0	1,06	2,13	3,19	4,26	5,32	6,38	7,45	8,51	8,94
P	0	5,18	20,92	46,91	83,66	130,47	187,65	255,87	333,86	368,45

    С помощью интегральной кривой разбиваем площадь эпюры на равновеликие площадки, которые характеризуют грузовые площадки каждого ригеля.

     Центр тяжести  получившейся эпюры даст нам  положение ригеля на глубине.

h_d1=3,31м    l_д1=h_д1/sinβ=3,52 м

h_d2=5,93м    l_д2=h_д2/sinβ=6,31 м

h_d3=7,58м    l_д3=h_д3/sinβ=8,06 м

     Проверяется  распределение ригелей аналитическим  способом по формуле:

P=ρgbsinβ(l₂²- l₁²)/2, Н

Можно определить положение  грузовой площадки каждого ригеля.