Thuyết minh đồ án Thiết kế khung ngang Nhà công ngiệp 1 tầng 1 nhịp

- Nhịp khung: L = 24(m) - Bước khung: B =5,5 (m) - Chiều dài nhà: 132 (m)

i(%)

Phân vùng Dạng địa hình

- Vật liệu bulông cường độ cao 40Cr

THUYẾT MINH TÍNH TOÁN

1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG

1.1 Theo phương đứng

Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang :

 

H  H  b  0,81 0,3 1,11 m Với : HK = 0,81 (m) – tra catalo cầu trục

bK = 0,3 khe hở an toàn giữa dầm cầu trục và xà ngang

H3 : phần cột chôn dưới cốt mặt nền,coi mặt móng ở cốt  0.000

Chiều cao của phần cột tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang :

1.2 Theo phương ngang

Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột ( a=0 )  Khoảng cách từ trục định vị tớitrục ray cầu trục là :

1.3 Sơ đồ tính khung ngang

Do sức nâng của cầu trục khá lớn nên chọn phương án tiết diện cột thay đổi, Vì nhịpcủa khung L = 24 (m) nên chọn phương án xà ngang có tiết diện thay đổi hình nêm ,dựkiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 4 (m) Với đoạn xà có độ dài 4 (m) , độ cứng ởđầu và cuối xà là I2 và I3 tương ứng (giả thiết độ cứng của xà và cột tại chỗ liên kết xà-cột là như nhau ).Với đoạn xà dài 8 m,độ cứng ở đầu và cuối xà giả thiết bằng I3 (tiết diệnkhông đổi) Giả thiết sơ bộ tỷ số độ cứng I2/I3 (tức là tiết diện của các cấu kiện xà và cộtđược khai báo trong phần mềm SAP2000 chính là các tiết diện được chọn ) Do nhà cócầu trục nên chọn kiểu liên kết giữa cột và móng là ngàm tại mặt móng (cốt 0.000).Liên kết giữa cột và xà ngang và liên kết đỉnh xà ngang là ngàm.Trục cột khunglấy trùng với trục định vị để đơn giản hoá tính toán và thiên về an toàn.Sơ bộ tính khungngang như hình vẽ:

24000

2 THIẾT KẾ XÀ GỒ

B(mm)

t(mm)

d(mm)

R(mm)

As(cm2)

Ix(cm4)

Iy(cm4)

x0

(cm)7CS2,5x10

413,73

p  0,3 (kN/m2), n = 1,3

=> ptt = 0,3.1,3 = 0,39 kN/m2Tên vật liệu

mái Đơn vị Tải trong tiêu chuẩn Hệ số vượt tải Tải trọng tính toán

- T¶i träng t¸c dông theo c¸c ph¬ng x-x vµ y-y lµ:

qb

y

2 32

qb

x

2 8 x

 Kiểm tra điều kiện về cường độ

3 x

Vậy độ võng của xà gồ trong giới hạn cho phép. Thỏa mãn

3 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

3.1.Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

Độ dốc mái i = 10%  = 5,710

Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm:trọng lượng củacác lớp mái, trọng lượng bản thân xà gồ, trọng lượng bản thân khung ngang dầm và dầmcầu trục

-Trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy 0,15 kN/m2

-Trọng lượng bản thân xà ngang chọn sơ bộ 1 kN/m Tổng tĩnh tải phân bố tác dụnglên xà ngang :

Trọng lượng bản thân của tôn tường và xà gồ tường lấy tương tự như với mái là 0,15kN/m2 Quy thành tải tập trung đặt tại đỉnh cột:

1,1.0,15.6.6,6 6,534 kN

Trọng lượng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1 kN/m Quy thành tải tập trung và

mô men lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:

Sơ đồ tính khung với tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

3.2.Hoạt tải mái

Theo TCVN 2737-2005 ,trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái (máilợp tôn) là 0,3 (kN/m2),hệ số vượt tải là 1,3.Quy đổi về tải trọng phân bố lên xà ngang :

W : Công trình thuộc vùng IA nên áp lực gió: W0 0,65 0,1 0,55  kN/m2

k: Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụ thuộc theo dạng địahình áp dụng dạng địa hình B, hệ số k được xác định:

+ Mức đỉnh cột, cao trình 6,6 m  k1 0,918+ Mức đỉnh mái, cao trình 7,8 m  k2 0,947Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số k lấy theoα: Hệ số

quy đổi xét đến sự phân bố áp lực gió, hệ số α được xác định:   1 khiH 10 m   

Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở lên đỉnh mái hệ số k lấy:

+ Phía khuất gió:qh  1,2 0,55 0,918 1 0,5 6 1,82 kN / m        

Tải trọng tác dụng trên mái:

+ Phía đón gió: q1 1,2 0,55 0,933 0,226 6 0,84 kN / m       

+ Phía khuất gió:q2  1,2 0.55 0,933 0,4 6 1,48 kN / m       

1,98 3,17

Tải trọng gió phải sang

3.4.Hoạt tải cầu trục

Theo bảng II.3 Phụ lục, các thông số cầu trục sức nâng 12,5 tấn như sau:

Bk(mm)

Bề rộngđáy

Kk(mm)

T.lượngcầu trụcG(T)

bánh xe của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất (hình vẽ), xác định được các tung

độ yi của đường ảnh hưởng, từ đó xác định được áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhấtcủa các bánh xe cầu trục lên cột

Hệ số tổ hợp với sức trục làm việc ở chế độ trung bình là: nc = 0,85

tc max c c max i

tc min c c min i

680 3200

2120

3880

1

0,467 0,887

Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray :

M

N

V

D trái

N

V

D phải

N

V

Gió trái

M

N

V

Gió phải

M

N

V

T trái

M

N

V

T phải

M

N

V

4.3 Tổ hợp nội lực

Từ kết quả tính toán nội lực như trên ta tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực để tìm ratrường hợp nội lực bất lợi nhất để tính toán tiết diện khung Với cột ta xét 4 tiết diện: đầucột, vai cột (2 tiết diện), chân cột Với xà ngang ta xét 3 tiết diện: đầu xà, 1/3 xà, đỉnh xà.Tại mỗi tiết diện có các trị số M, N, Q

Ta xét 2 loại tổ hợp

- Tổ hợp cơ bản 1: gồm tĩnh tải thường xuyên và 1 hoạt tải

- Tổ hợp cơ bản 2: gồm tải trọng thường xuyên và nhiều hoạt tải nhân với hệ số tổ hợp0.9

5 THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CẤU KIỆN

5.1.Thiết kế tiết diện cột

a) Xác định chiều dài tính toán

Chọn phương án cột tiết diện không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột đã giả thiết

n n

b) Chọn và kiểm tra tiết diện

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:

M = -124,61kNm

N = -173,36 kN

V = -55,13 kN

Đây là cặp nội lực tại dưới vai, trong tổ hợp nội lực do các trường hợp tải trọng1,4,7,9 gây ra.

Chiều cao tiết diện cột chọn từ điều kiện độ cứng :

Bản cánh: (1x20) cmBản bụng: (0,6x42) cm

Tính các đặc trưng hình học của tiết diện đã chọn:

y y

A-Diện tích tiết diện cột

Ix ,Iy Các mô men quán tính của tiết diện đối với các trục chính

ix ,iy Các bán kính quán tính của tiết diện đối với các trục chính

 x, y Độ mảnh tính toán của tiết diện cột theo 2 phương x và y

x y Các độ mảnh quy đổi theo 2 phương x và y

Với mx Độ lệch tâm tương đối :

2 x

Với Af / Aw = (1.20)/(0,6.38) = 0,877Tra bảng IV.5 phụ lục và nội suy ta có =1,22

Từ đó: me mx =1,22.5,03 = 6,14<20 Không cần kiểm tra bền

Với x= 1,75 và m = 6,14, tra bảng IV.3 phụ lục, nội suy 2 chiều có e e= 0,136

Điều kiện ổ định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung được kiểm tra theo công thức:

Ở trên:  1 vì c3,14 E f/ 3,14 2,1.10 / 21 99, 294  y 76

Theo bảng 2.1 ta có:  0, 65 0, 05 m x 0,65 0, 05.2,8 0,79 

Với y= 76 tra bảng IV.2 phụ lục, nội suy 2 chiều ta có y= 0,644

Do vậy điều kiện ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng đượckiểm tra theo công thức:

173,36

13,780,311.0,644.62,8

y y

N

c A



 (kN/cm2)< f.c=21(kN/cm2)Điều kiện ổn định cục bộ của các bản cánh và bản bụng cột được kiểm tra theo cáccông thức sau:

A 2.t C 2.b t 2.0,6.28,37 2.20.1 74,04cm  A 62,8cmVậy khụng cần kiểm tra lại cỏc điều kiện ổn định cục bộ

Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ kết quả tớnh toỏn bằng phần mềm SAP

2000 trong tổ hợp tĩnh tải và tải trọng giú trỏi tiểu chuẩn là  x 2,21cm

- Độ võng tơng đối của cột cho phép là:

5.2 THIẾT KẾ TIẾT DIỆN XÀ NGANG

5.2.1 Đoạn xà 4 m (đoạn xà tiết diện thay đổi)

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tớnh toỏn :

Kiểm tra lại bề dày bản bụng từ điều kiện chịu cắt

     

2 x

N M 52,95 185,06.10

20,87

A W 61,2 925 (kN/cm2) < fc = 21 (kN/cm2)Tại tiết diện đầu xà có mômen và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng suất tươngđương giữa bản cánh và bản bụng theo công thức :

     td 12 3 21 1,15.f.c

Trong đó :

   

2 w

1 x

5.2.2 Đoạn xà 8 m (tiết diện không đổi )

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán :

x c

M 74,97.10

f 21.1 (cm3)

Chọn sơ bộ bề dày bản bụng là 0,8 cm.Chiều cao của tiết diện xà ngang được xác định

từ điều kiện tối ưu về chi phí vật liệu:

h (1,15 1,2) (24,288 25,344)

HÖ sè cÊu t¹o tiÕt diÖn ®o¹n xµ 2 lµ: k = 1,15

=> VËy b¶n bông tho¶ m·n ®iÒu kiÖn chÞu c¾t

Theo các điều kiện cấu tạo và ổn định cục bộ,kích thước tiết diện của bản cánh được chọn

là tf = 1cm; bf = 18 m

N M 51,64 74,97.10

18,02

A W 50, 4 441 (kN/cm2) < fc=21(kN/cm2)Tương tự trên cần kiểm tra ứng suất tương đương giữa bản cánh và bản bụng xàngang,Ta có :

1 x

6.TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT

Vậy ứng suất tương đương tại chỗ tiếp giáp bản cánh cột và bản bụng dầm vai là :

dv f

đó xác định được bề rộng của bản đế:

B  b c 20 2.7 34cm Trong đó:

b = 20- bề rộng của tiết diện phần cột dưới( kích thước vuông góc với mặt phẳnguốn của tiết diện cột )

c1 - phần nhô ra của conxon bản đế lấy c1 = 70 mm

Chiều dày bản đế được xác định từ điều kiện chịu ép cục bộ của bê tông móng :

(ở trên giả thiết bê tông móng có mác B15 có Rb= 0,85 kN/cm2 và hệ số tăng cường độ

+) øng suÊt lín nhÊt trong « b¶n 1 lµ:

b

a => Tra b¶ng cã 

b = 0,06+) øng suÊt lín nhÊt trong « b¶n 2 lµ:  2 max 0,67(KN/cm2)

=> M«men lín nhÊt trong « b¶n 2 lµ:

Chiều cao : hdd phụ thuộc vào đường hàn liên kết dầm đế vào cột phải

đủ khả năng truyền lực do ứng suất phản lực của bê tông móng

Lực truyền vào một đế do ứng suất phản lực của bê tông móng :

- Chọn sơ bộ chiều dày của sờn đế A là: ts = 1 (cm)

- Điều kiện chịu uốn của sờn đế A là:

s s

=> Vậy chọn chiều cao của sờn đế A là: hs = 20 (cm)

- Mômen kháng uốn tiết diện sờn đế là:

s s s

- ứng suất cho phép trong sờn là:    1,15f   c 1,15 21 24,15   > td 15,76

- Chọn chiều cao đờng hàn liên kết sờn đế A vào bụng cột là: hf = 0,6 (cm)

- Diện tích tiết diện đờng hàn là: A f 2h h f  s1 2 0,620 1  22,8

(cm2)

- Mômen kháng uốn tiết diện đờng hàn là:

f s f

- Chiều dài của sờn đế B là: ls c2 11 (cm)

- Bề rộng diện truyền tải vào sờn là: b 1,5l s 1,5 11 16,5  (cm)

- Tải trọng tác dụng lên sờn là: qs maxb 0,67 16,5 11,05   (KN/cm)

- Mômen lớn nhất trong sờn là:

s s s

- Chọn sơ bộ chiều dày của sờn đế B là: ts = 1 (cm)

- Điều kiện chịu uốn của sờn đế B là:

s c

M h

t f 

(cm)

=> Vậy chọn chiều cao của sờn đế B là: hs = 20 (cm)

- Mômen kháng uốn tiết diện sờn đế là:

s s s

- Diện tích tiết diện sờn đế là: As t hs s  1 20 20

- Chọn chiều cao đờng hàn liên kết sờn đế B vào bụng cột là: hf = 0,6(cm)

- Diện tích tiết diện đờng hàn là: Af 2h hf  s1  2 0,620 1 22,8

(cm2)

- Mômen kháng uốn tiết diện đờng hàn là:

f s f

Từ tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực ở chõn cột gõy kộo nhiều nhất cho cỏc bulụng neo :

Chọn loại bu lụng chế tạo từ thộp hợp kim thấp mỏc 0,9Mn2Si,tra bảng 1.10 phụ lục

“sỏch thiết kế khung thộp nhà cụng nghiệp một tầng, một nhịp” cú

fba=190 N/mm=19 kN/cm2

-Chọn số lợng bu lông ở một phía của bản đế là: n1 = 4 (cái)

-Diện tớch cần thiết của một bu lụng neo:

Do T2< T1 nờn đường kớnh bu lụng neo đó chọn là đạt yờu cầu

f) Tớnh toỏn đường hàn liờn kết cột vào bản đế

Cỏc đường hàn liờn kết tiết diện cột vào bản đế được tớnh toỏn trờn quan niệm mụmen

và lực dọc do cỏc đường hàn bản cỏnh chịu, cũn lực cắt do cỏc đường hàn bản bụng chịu.Nội lực tớnh toỏn đường hàn chọn trong bảng tổ hợp nội lực chớnh là cặp dựng để tớnhtoỏn cỏc bulụng neo.Cỏc cặp khỏc khụng nguy hiểm bằng

Lực kộo trong bản cỏnh cột do mụmen và lực dọc phõn vào theo :

2 k

bản đế dầm đế

6.3.Liờn kết cột với xà ngang

Cặp nội lực dựng để tớnh toỏn liờn kết là cặp gay kộo nhiều nhất cho cỏc bu lụng tại tiếtdiện đỉnh cột.Từ bảng tổ hợp chọn được :

N = -65,66 kN;

M = -190,06 kNm;

V =-47,92 kN;

Đõy là cặp nội lực trong tổ hợp nội lực do cỏc trường hợp tải trọng 1,4 gõy ra

a) Tớnh toỏn bu lụng liờn kết

Chọn cặp bu lụng cú cường độ cao cấp bền 8.8 đường kinh bu lụng dự kiến là d = 18mm.Bố trớ thành 2 dóy với khoảng cỏch cỏc lỗ bulụng tuõn thủ theo quy định

Phớa ngoài cột bố trớ một cặp sườn gia cường cho mặt bớch với kớch thước lấy như sau :

Bề dày : ts ≥ tw chọn ts= 0,6 cm

Bề rộng (phụ thuộc vào kớch thước của mặt bớch)  chọn ls = 1,1cm

Chiều cao : hs = 1,5ls =1,5.11=16,5(cm)  chọn hs=20 cm.

Khả năng chịu kéo của một bu lông :

[N]tb = ftbAbn = 40.1,92 = 78,8(kN)

ftb – cường độ tính toán chịu kéo của bulông : ftb = 400N/mm2 = 40 (kN/cm2);

Abn - diện tích tiết diện thực của thân bulông : Abn=1,92 cm2

Khả năng chịu trượt của một bu lông cường độ cao:

A – diện tích tiết diện của thân bu lông,A=d2/4 = 3,14 cm2;

b1 – hệ số điều kiện làm việc trong liên kết,1b=1 do số bulông trong liên kết n = 20

,b2 – hệ số ma sát và hệ số độ tin cậy của liên kết Với giả thiết là không gia công bềmặt cấu kiện nên =0,25; b2=1,7;

nf – số lượng mặt ma sát trong liên kết ,nf =1

Theo điều 6.2.5 TCXDVN 338-2005,trong trưòng hợp bulông chịu cắt và kéo đồngthời thì cần kiểm tra các điều kiện chịu cắt và kéo riêng biệt

Ta có lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy ngoài cùng do mômen và lực dọc phânvào (do mômen có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bulông phía trong cùng):



2 1

(ở trên lấy dấu trừ vì N là lực nén)

Do Nbmax=77,17 kN<[N]tb=78,8 kN nên các bu lông có đủ khả năng chịu lực

Kiểm tra khả năng chịu cắt của các bulông:

c) Tớnh toỏn đường hàn liờn kết cột (xà ngang) với mặt bớch

- Tổng chiều dài đờng hàn liên kết ở một bản cánh:

lw 4.(9,7 1) 2.(10,5 1) 53,8 cm

(cm)Lực kộo trong bản cỏnh ngoài do mụmen và lực dọc phõn vào:

w2 w min c

l ( f ) 2.(53,8 1).(0,7.18).1 (cm)

310 440

20 bulông ỉ18

6 bulông thƯờng ỉ18

15 17

16

h f = 6mm

13

3 2

1

h f = 6mm

h f = 6mm

xà gồ C 150es20

h f = 6mm

14

6

36 32

34

6 6

Bụ́ trớ bu lụng trong liờn kờ́t đỉnh xà

- Giả thiết đờng kính bulông là d = 20 (mm), cấp độ bền bulông là 8.8

=> Cờng độ chịu kéo của bulông là: f = 34,8 (KN/cm2)

=> Diện tích thực của thân bulông là: Abl = 2,49 (cm)

- Phía ngoài cánh của xà bố trí một cặp sờn gia cờng cho mặt bích với kích thớc:

+) Chiều dày sờn: ts = 1 (cm)

+) Chiều dày sờn: hs = 9 (cm)

+) Bề rộng sờn là: ls = 1,5hs = 1,5 9 = 13,5 (cm) => Chọn ls = 15(cm)

- Khả năng chịu kéo của một bulông là:

 N tb f A tb bl 34,8 2, 49 86,65 

(KN)-Với loại bulông đã chọn ở trên ta có một số tính chất sau:

+) Diện tích tiết diện của thân bu lông là: A = 3,14 (cm2)

+) Cờng độ kéo đứt tiêu chuẩn của vật liệu bu lông cờng độ cao (chọn mác thép là 40Cr) là: fub = 110 (KN/cm2)

+) Cờng độ tính toán chịu kéo của vật liệu bulông cờng độ cao trong liên kết ma sát là: fhb

= 0,7 fub = 0,7 110 = 77 (KN/cm2)

- Hệ số điều kiện làm việc của liên kết là:b1 = 1

- Giả thiết không gia công bề mặt cấu kiện có  = 0,25 và b2 = 1,7

-Lực kộo tỏc dụng vào một bulụng ở dóy dưới cựng do mụmen và lực dọc phõn vào (domụmen cú dấu dương nờn coi tõm quay trựng với dóy bulụng phớa trờn cựng) do đú:

Tương tự bề dày của mặt bớch được tớnh toỏn từ điều kiện sau:

Bề dày của mặt bích đợc chọn thoả mãn điều kiện chịu uốn:

   

1 max 1

1 1

=> Vậy chọn chiều dày của mặt bích là: t = 1 (cm)

Tổng chiều dài tớnh toỏn của cỏc đường hàn phớa cỏnh ngoài (kể cả ở sườn) xỏc địnhtương tự trờn là :

6.6 Thiết kế liên kết bản cánh với bản bụng cột:

- Lực cắt lớn nhất trong xà ngang tại tiết diện đầu xà là Vmax = 47,79(KN)

- Chiều cao cần thiết của đờng hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng cột:

f

V S h