Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng lắp ghép

Luận Văn: Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng lắp ghép

ĐỒ ÁN BÊ TÔNG CỐT THÉP SỐ 2

THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1

TẦNG LẮP GHÉP

Số liệu cho trước

Nhà công nghiệp 1 tầng lắp ghép, ba nhịp đều nhau, Lk = 20 m, cùng caotrình ray R = 6,1 m mỗi nhịp có 2 cầu trục chạy điện, chế độ làm việc nhẹ Sức trục

Q = 15 T Bước cột a = 6 m Địa điểm xây dựng: Hòa Bình

I LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC CỦA CÁC CẤU KIỆN:

L =21,5m >18m nên chọn kết cấu dàn bê tông cốt thép dạng hình thang

Chiều cao giữa dàn lấy trong khoảng 1 1 1 1 21,5 3,07 2, 4

h  L     m

Chọn h = 3 m, đầu dàn cao 1,6m

Chọn cửa mái chỉ đặt ở nhịp giữa, rộng 9,5m, cao 4m

Các lớp mái được cấu tạo từ trên xuống dưới như sau:

- Hai lớp gạch lá nem kể cả vữa lót dày 5cm;

- Lớp bê tông nhẹ cách nhiệt dày 12cm;

- Lớp bê tông chống thấm dày 4cm;

- Panel mái là dạng panel sườn, kích thước 6x1,5m, cao 30cm

Tổng chiều dày các lớp mái: t = 5+12+4+30 = 51cm

Cấu tạo mái

Mặt cắt ngang nhà

2 Trục định vị:

Cần trục có sức trục Q = 15T < 30T nên trục định vị của cột được xác định như sau:

- Đối với cột biên: trục định vị trùng với mép ngoài của cột

- Đối với cột giữa: trục định vị trùng với trục hình học của cột

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang:

Áp lực bánh xe lên ray: Pmaxtc = 17,5T = 175kN.

Pmintc = 3,8 T = 68kN

Chọn chiều cao ray và các lớp đệm: Hr = 0,15m

Trọng lượng của ray và các lớp đệm: gr = 200Kg/m = 2kN/m

5 Xác định các kích thước chiều cao nhà:

Lấy cao trình nền nhà tương ứng với cốt ± 0,00 để xác định các kích thướckhác

1000

21500

Cao trình vai cột: V R  H r  H c 

R - Cao trình ray đã cho R = 6,1m

Hr - Chiều cao ray và các lớp đệm, Hr = 0,15m

Hc - Chiều cao dầm cầu trục, Hc = 1m

h - Chiều cao kết cấu mang lực mái, h = 2,5m

hcm - Chiều cao cửa mái, hcm = 4,0m

t - Tổng chiều dày các lớp mái, t = 0,51m

- Cao trình đỉnh mái ở nhịp thứ hai có cửa mái:

Chiều dài phần cột trên H t D V  8 , 55  4 , 95  3 , 6m

Chiều dài phần dưới cột H d V a2  4 , 95  0 , 5  5 , 45m

a2 là khoảng cách từ mặt nền đến mặt móng, chọn a2 = 0,5m

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 4

Kích thước tiết diện cột chọn như sau:

- Bề rộng cột b chọn theo thiết kế định hình, thống nhất cho toàn bộ phần cộttrên và cột dưới, cho cả cột biên lẫn cột giữa b = 40 cm, thoả mãn điều kiện

25 625 , 13 4 , 0

45 , 5

- Kích thước vai cột sơ bộ chọn hv = 60 cm, khoảng cách từ trục định vị đếnmép vai là 100 cm, góc nghiêng 450.

- Cột giữa: Kiểm tra điều kiện tương tự cột biên, đều thoả mãn

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 6

Hệ sốvượttải

Tải trọngtính toánkN/m2

1 Hai lớp gạch lá nem kể cả vữa, dày 5

cm,  = 18kN/m30,05 x 18

2 Lớp bêtông nhẹ cách nhiệt, dày 12 cm,

 = 12kN/m30,12 x 12

 = 25kN/m30,04 x 25

4 Panel mái dạng panel sườn, kích thước

6 x 1,5 m, cao 300mm

1,80 1,1 1,98

Cấu tạo và tải trọng các lớp mái

Tĩnh tải do trọng lượng bản thân dàn mái nhịp 21,5m là 83,5kN hệ số vượttải n = 1,1

G  

Gc - trọng lượng bản thân dầm cầu trục là 42kN

gr - trọng lượng ray và các lớp đệm, lấy 1,5kN/m

Điểm đặt của tải trọng dầm cầu trục

3 Tĩnh tải do trọng lượng bản thân cột:

Tải trọng này tính theo kích thước cấu tạo cho từng phần cột

- Cột biên có :

Phần cột trên : G t  0, 4.0, 4.3,6.25.1,1 15,84  kN

4 Hoạt tải mái:

Trị số hoạt tải mái tiêu chuẩn phân bố đều trên một mét vuông mặt bằng máilấy 0,75 kN/m2, n = 1,3 Hoạt tải này đưa về thành lực tập trung Pm đặt ở dầu cột

0,5.1,3.0,75 0,5.1,3.0,75.6.21,5 62,89

m

Vị trí từng Pm đặt trùng với vị trí của từng Gm

5 Hoạt tải cầu trục:

a Hoạt tải đứng do cầu trục:

Với số liệu cầu trục đã cho Q = 15T

Nhịp cầu trục Lk = 20m, chế độ làm việc nhẹ, tra bảng 1 phụ lục I có các sốliệu về cầu trục như sau:

Bề rộng cầu trục B = 6,3m

Khoảng cách hai bánh xe K = 4,4m

Trọng lượng xe con G = 52KN

Áp lực tiêu chuẩn lớn nhất lên mỗi bánh xe cầu trục Ptc max = 175kN.

Hệ số vượt tải theo TCVN 2737 – 1995, n = 1,1

Áp lực thẳng đứng lớn nhất do hai cầu trục đứng cạnh nhau truyền lên vaicột Dmax xác định theo đường ảnh hưởng phản lực như hình vẽ

Các tung độ yi của đường ảnh hưởng ứng với vị trí các lực tập trung Pc max xácđịnh theo tam giác đồng dạng:

b Hoạt tải do lực hãm ngang của xe con:

Lực hãm ngang do một bánh xe truyền lên dầm cầu trục trong trường hợpmóc mềm xác định theo công thức

6 Hoạt tải do gió:

Tải trọng gió tính toán tác dụng lên mỗi mét vuông bề mặt thẳng đứng củacông trình là W  n.Wo.k C

Trong đó:

Wo - áp lực gió ở độ cao 10m, theo TCVN 2737 - 1995 thì Hòa Bình thuộcvùng I-A nên áp lực Wo tra ở bảng 1 phụ lục II là 0,65 kN/m2.

k - hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao phụ thuộc vào dạng địahình, tra ở bảng 2 phụ lục II, ở đây áp dụng địa hình A Hệ số k xác định tươngứng ở hai mức :

Hình dáng mái và hệ số khí động ở từng đoạn mái tham khảo phần phụ lục II

và TCVN 2737 – 1995, lấy theo sơ đồ như hình vẽ

Trong đó giá trị Ce1 tính với góc  = 5,31, tỷ số H / L = 8,55 / 21,5 = 0,40 nội suy có Ce1 = - 0,448

Trong đó '

1

C tính với góc   5,71 0, tỷ số H’/L=(15,56-0,5)/21,5=0,70, nội suy có C'e1  0,606 và C  e2 0, 4

Sơ đồ xác định hệ số khí động trên mái

III XÁC ĐỊNH NỘI LỰC:

Nhà ba nhịp có mái cứng, cao trình bằng nhau khi tính với tải trọng đứng vàlực hãm của cầu trục được phép bỏ qua chuyển vị ngang ở đỉnh cột, tính với cáccột độc lập Khi tính với tải trọng gió phải kể đến chuyển vị ngang đỉnh cột

3 3 1706667

720000

d t

2 Nội lực do tĩnh tải mái:

Vì a nằm cùng phía với et so với trục cột dưới nên phản lực đầu cột R = R1 + R2

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 14

Chiều R ở trên hình là chiều thực.

Xác định nội lực trong các tiết diện cột:

Sơ đồ tác dụng của tĩnh tải mái Gm1 và Gm2 như trên hình vẽ

Khi đưa Gm1 và Gm2 về đặt ở trục cột ta được lực

Biểu đồ mômen cho trên hình vẽ

Sơ đồ tính và biểu đồ mômen ở cột biên và cột giữa do tĩnh tải mái

3 Nội lực do tĩnh tải dầm cầu trục:

a Cột trục A:

Sơ đồ tính với tĩnh tải dầm cầu trục Gd cho trên hình

Lực Gd gây ra mômen đối với trục cột dưới, đặt tại vai cột:

QIV = - 3,07kN.

Biểu đồ mômen cho trên hình vẽ

Nội lực do tĩnh tải dầm cầu trục

b Cột trục B:

56,1

56,1 3,07

Do tải trọng đặt đối xứng qua trục cột nên M = 0; Q = 0; NI = NII = 0; NIII = NIV = 112,2kN.

4 Tổng nội lực do tĩnh tải:

Cộng đại số nội lực ở các trường hợp đã tính ở trên cho từng tiết diện củatừng cột được kết quả như hình vẽ, trong đó lực dọc N còn được cộng thêm trọnglượng bản thân cột đã tính ở phần II.3

Biểu đồ mômen cho trên hình vẽ.

Nội lực do hoạt tải mái

6 Nội lực do hoạt tải đứng của cầu trục:

a Cột trục A:

Sơ đồ tính giống như khi tính với tĩnh tải dầm cầu trục Gd, nội lực được xácđịnh bằng cách nhân nội lực do Gd gây ra với tỷ số Dmax / Gd = 375,375 / 56,1 =6,69

NI = NII = 0; NIII = NIV = 375,375kN;

QIV = - 36,16kN

Trường hợp Dmax đặt ở bên trái thì giá trị mômen và lực cắt trên sẽ có dấu ngược lại

Biểu đồ mômen cho trên hình vẽ

Sơ đồ tính và nội lực do hoạt tải đứng của cầu trục

a) Khi D max đặt ở cột trục A; b) khi D max đặt ở bên phải cột trục B; c) khi D max đặt ở

bên trái cột trục B

7 Nội lực do lực hãm ngang của cầu trục:

Lực Tmax đặt cách đỉnh cột một đoạn y = 2,6m, có y / Ht = 2,6 / 3,6 = 0,72.Với y xấp xỉ 0,7 Ht có thể dùng công thức lập sẵn để tính phản lực:

k

t T

R





 1

Biểu đồ mômen cho trên hình vẽ.

Sơ đồ tính và nội lực do lực hãm ngang của cầu trục

8 Nội lực do tải trọng gió:

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang:

5,67

A

9,906 14,742

-15,5535

22

Với giả thiết gió phải tính với sơ đồ toàn khung có chuyển vị ngang ở đỉnhcột Giả thiết xà ngang cứng vô cùng và vì các đỉnh cột có cùng mức nên chúng cóchuyển vị ngang như nhau Ở đây dùng phương pháp chuyển vị để tính, hệ chỉ cómột ẩn số  là chuyển vị ngang ở đỉnh cột Hệ cơ bản như trên hình vẽ.

14,02.3,36

10,515 ;

4, 48

h d

Phản lực liên kết do các đỉnh cột chuyển dịch một đoạn  = 1 được tính bằng: rr1 r2 r3 r4

NI = NII = NIII = NIV = 0;

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 24

Đối với tổ hợp cơ bản 1:

Để xác định cặp thứ nhất, lấy nội lực do tĩnh tải cộng với nội lực do một hoạt tải có giá trị mômen dương lớn nhất trong số các mômen do hoạt tải

Để xác định cặp thứ hai, lấy nội lực do tĩnh tải cộng với nội lực do một hoạt tải có giá trị mômen âm với giá trị tuyệt đối lớn nhất.

Để xác định cặp thứ ba, lấy nội lực do tĩnh tải cộng với nội lực do một hoạt tải có giá trị lực dọc lớn nhất

Đối với tổ hợp cơ bản 2:

Để xác định cặp thứ nhất, lấy nội lực do tĩnh tải cộng với mọi nội lực do hoạt tải có giá trị mômen là dương

Để xác định cặp thứ hai, lấy nội lực do tĩnh tải cộng với mọi nội lực do hoạt tải có giá trị mômen là âm

Để xác định cặp thứ ba, lấy nội lực do tĩnh tải cộng với mọi nội lực do hoạt tải có gây ra lực dọc Ngoài ra còn lấy thêm nội lực của hoạt tải dù không gây ra lực dọc nhưng gây ra mômen sao cho sau khi cộng tổng cộng được mômen có giá trị tuyệt đối lớn nhất

Để lập bảng tổ hợp cần chú ý các điểm sau:

Nội lực trong các tiết diện cột được sắp xếp và tổ hợp lại trong bảng

Trong bảng ngoài giá trị nội lực còn ghi rõ số thứ tự của cột mà nội lực đượcchọn để đưa vào tổ hợp Tại các tiết diện I, II, III chỉ đưa vào tổ hợp các giá trị M

và N, ở tiết diện IV còn đưa thêm lực cắt Q, cần dùng khi tính móng Trong tổ hợp

cơ bản 1 chỉ đưa vào một loại hoạt tải ngắn hạn, trong tổ hợp cơ bản 2 đưa vào ítnhất hai loại hoạt tải ngắn hạn với hệ số tổ hợp 0,9 Ngoài ra theo điều 5.16 củaTCVN 2737 - 1995, khi xét tác dụng của hai cầu trục (trong tổ hợp có cộng cột 7; 8hoặc 9; 10) thì nội lực của nó phải nhân với hệ số 0,85, còn khi xét tác dụng củabốn cầu trục (trong tổ hợp có cộng cả cột 7;8 và 9;10) thì nội lực của nó phải nhânvới hệ số 0,7

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 26

IV CHỌN VẬT LIỆU:

- Bêtông cấp độ bền B20 (Rb = 11,5MPa, Rbt = 0,9MPa, Eb = 27000MPa)

- dùng thép Cốt thép dọc nhóm C-II (Rs = Rsc = 280MPa, Es = 210000MPa)

Chiều dài tính toán l o  2 , 5H t  2 , 5 370  925cm. Kích thước tiết diện b =

40cm, h = 40cm Giả thiết chọn a = a’ = 4cm, l o  2 , 5H t  2 , 5 370  925cm.ho = 40 -

 , cần xét đến ảnh hưởng của uốn dọc

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn ra ba cặp nghi ngờ là nguy hiểm ghi trong bảng:

Kí hiệu

cặp nội

lực

Kí hiệu ờbảng tổhợp

M(KNm)

N(KN)

e1 = M/N(m)

Mdh(KNm)

Ndh(KN)

1 II-16 -1,205 652,27 0,00185 -2,15 581,17

2 II-17 -102,78 581,17 0,177 -2,15 581,17

3 II-18 -101,83 652,27 0,156 -2,15 581,17

Các cặp nội lực dùng để tính cốt thép phần cột trên

Cột thuộc kết cấu siêu tĩnh nên eo = max(e1,ea)

Với ea là độ lệch tâm ngẫu nhiên, lấy bằng 15mm thoả mãn điều kiện

, 33 , 13 30

400 30

t a

H h

e

Vì trong các cặp nội lực không có các cặp có mômen ngược dấu nhau nên không cần tính vòng Ở đây dùng cặp 3 để tính cốt thép cả As và As’ sau đó kiểm tra với cặp 1 và 2.

2

68 , 4423 4

2

40 36 40 012 , 0

h bh

3

213333 12

40 40

, 101

4 , 0 5 , 0 17 , 581 15 , 2 1 5 , 0

5 , 0

h N

, 0

11 , 0







p e

25 , 9 01 , 0 5 , 0 01 , 0 01 , 0 5 , 0

; 39 , 0 max(

) 154 , 0

; 40

6 , 15 max(

11 , 0

78 , 7 27000

I S l

E

l o

b

51 , 1

10 213333

324 , 0 9250

27000 4 , 6

4 ,

27 , 652 1

1 1



Trị số lệch tâm phân giới:

mm h

) 2

28 , 224 360 ( 28 , 224 400 5 , 11 144 , 421 652270

Z R

x h bx R Ne

A

a sc

o b

(Với h = 23,125 < 24 nên min = 0,2%.)

Nên chọn As’ = 4,02cm2 để tính As

Từ điều kiện cường độ có

429 , 0 4

, 0 360

400 5 , 11

) 40 360 ( 402 280 144 , 421 652270 )

(

2 2

o s sc m

bh R

a h A R Ne





 = 0,553 > 2a’/ho = 2.4/36 = 0,222 nên

'

1343 280

652270 402

280 360 400 5 , 11 553 , 0

mm R

N A R bh R A

s

s sc o b

Kiểm tra 100 % 1 , 21 % 0 , 2 %

360 400

402 1343

bh

A A

So với trị số đã giả thiết là 1,2% là xấp xỉ nhau, có thể không cần tính lại Chọn cốtthép As: 122 + 225 (13,621cm2) và As’: 216 (4,02cm2)

4 , 0 5 , 0 17 , 581 15 , 2 1 5 , 0

5 , 0

h N

M dh dh

l



Độ lệch tâm tính toán e1 = M/N = 1,85mm

eo = max(e1; ea) = max(1,85;15) = 15mm

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 30

Hệ số kể đến độ lệch tâm 0,1 0,1

11 , 0







p e

25 , 9 01 , 0 5 , 0 01 , 0 01 , 0 5 , 0

; 0375 , 0 max(

) 154 , 0

; 400

15 max(

11 , 0

I S l

E

l o

b

9 , 1

10 213333

533 , 0 9250

27000 4 , 6

4 ,

27 , 652 1

1 1



mm a

h e

2

400 15 515 , 1 2

 

Xác định x theo công thức

mm b

R

A R A R N

x

b

s sc s

400.5,11

402.2801,1362.280652270

 80mm = 2a’ < x < Rho = 0,623.360 = 224,28mm nên kiểm tra khả năng

chịu lực theo công thức N.eR b bx(h o 0,5x)R sc A s'(h o  a')

N.e = 652,27.0,182725 = 119,186KNm

KNm Nmm

a h A R x h

bx

396 , 275 275395708

) 40 360 ( 402 280 ) 24 , 200 5 , 0 360 ( 24 , 200 400 5

,

11

) ' ( )

5 , 0

c Kiểm tra với cặp 2

4 , 0 5 , 0 17 , 581 15 , 2 1 5 , 0

5 , 0

h N







p e

25 , 9 01 , 0 5 , 0 01 , 0 01 , 0 5 , 0

; 4425 , 0 max(

) 154 , 0

; 400

177 max(

11 , 0

I S l

E

l o

b

54 , 1

10 213333

303 , 0 9250

27000 4 , 6

4 ,

Hệ số xét đến ảnh hưởng của uốn dọc

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 32

595 , 1 279 , 1557

17 , 581 1

1 1



mm a

h e

2

400 177 595 , 1 2

 

Xác định x theo công thức

mm b

R

A R A R N

x

b

s sc s

400 5 , 11

402 280 1 , 1362 280 581170

 80mm = 2a’ < x < Rho = 0,623.360 = 224,28mm nên kiểm tra khả năng

chịu lực theo công thức N.eR b bx(h o 0,5x)R sc A s'(h o  a')

N.e = 581,17.0,442315 = 257,06KNm

KNm Nmm

a h A R x h

bx

486 , 263 263486101

) 40 360 ( 402 280 ) 782 , 184 5 , 0 360 ( 782 , 184 400 5

,

11

) ' ( )

5 , 0

Vậy nên điều kiện trên được thoả mãn

d Kiểm tra cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn

Vì tiết diện cột vuông, độ mảnh theo phương ngoài mặt phẳng uốn không

lớn hơn độ mảnh theo phương trong mặt phẳng uốn và khi tính kiểm tra đã dùng

cặp nội lực 3 là cặp có Nmax nên không cần kiểm tra cột theo phương ngoài mặt

phẳng uốn

Kiểm tra về bố trí cốt thép Chọn lớp bảo vệ dày 2,5cm, có thể tính gần đúng

a = 2,5 +0,5.2,5 = 3,75cm, trị số ho theo cấu tạo 40 - 3,75 = 36,25cm lớn hơn trị số

đã dùng để tính toán là 36cm, như vậy thiên về an toàn

Khoảng cách giữa các cốt thép ở phía đặt 122 + 225 là (40 - 2,5.2 - 2,5.2 –

2,2.2)/3 = 8,53cm, thoả mãn các quy định về cấu tạo

2 Phần cột dưới

Chiều dài tính toán lấy theo bảng 1.4.1(Khung BTCT_T.S Lê Bá Huế) có lo =

1,5Hd = 1,5.8,85 = 13,275m, kích thước tiết diện b = 40cm, h = 60cm Giả thiết

chọn a = a’ = 4cm, ho = 60 - 4 = 56cm, ho - a' = 56 – 4 = 52cm

Độ mảnh h = lo/h = 13,275/0,6 = 22,125 > 4, cần phải xét đến ảnh hưởng của uốn dọc.

Để tính cốt thép phần cột dưới ta chọn trong bảng tổ hợp ở tiết diện III, IV những cặp nội lực nguy hiểm và xếp vào bảng sau:

Kí hiệu

cặp nội

lực

Kí hiệu ờbảng tổhợp

M(KNm)

N(KN)

e1 = M/N(m)

Mdh(KNm)

Ndh(KN)

2 IV-17 -263,23 1084,89 0,243 28,87 699,27

3 IV-18 289,44 1155,99 0,25 28,87 699,27

Nội lực nguy hiểm ở phần dưới cột trục A

Trong đó độ lệch tâm ngẫu nhiên ea lấy bằng 2cm, thoả mãn điều kiện lớn hơn Hd/600 = 1,475cm và h/30 = 2cm

Dùng cặp 2 và 3 để tính vòng, sau đó kiểm tra với các cặp còn lại

2

22714 4

2

60 56 40 015 , 0

h bh

3

720000 12

60 40

bh

Hệ số xét đến ảnh hưởng của tải trọng tác dụng dài hạn:

NGUYỄN HUY THÔNG 2005X1 Trang: 34

375 , 1 6 , 0 5 , 0 99 , 155 1 44 , 289

6 , 0 5 , 0 27 , 699 87 , 28 1 5

, 0

5 , 0

h N

, 0

11 , 0







p e

275 , 13 01 , 0 5 , 0 01 , 0 01 , 0 5 , 0

; 417 , 0 max(

) 164 , 0

; 600

250 max(

11 , 0

I S l

E

l o

b

375 , 1

10 720000

313 , 0 13275

27000 4 , 6

4 ,

99 , 1155 1

1 1



Trị số lệch tâm phân giới:

mm h

.



Tính cốt thép đối xứng ở vòng 1 với As = As’