đồ án thép thiết kế khung ngang nhà công nghiệp

đồ án thép thiết kế khung ngang nhà công nghiệp

Thuyết minh tính toán đồ án thép 2 Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng ,1 nhịp

- Tấm lợp mái : (single skin panels)

hình dạng tấm lợp mái chọn nh sau:

Có các thông số kỹ thuật :

Chiềudày(mm)

Trọng lợng 1tấm(kG/m2)

D.tích1tấm(m2)

Tải trọng chophép (kN/m2)

60 1.75

ChiÒudµy(mm)

DiÖntÝch(cm2)

T¶iträngchophÐp(KN)200Z1

Diệntích(cm2)

L(mm)

2 Kiểm tra lại xà gồ đã chọn :

Xà gồ dới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa đợc tính toán nh cấu kiện chịu uốn xiên

Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ tác dụng theo 2 phơng với trục x-x tạo với phơng ngang một góc  = 8,53o (Độ dốc i = 15)

a Kiểm tra với xà gồ chữ “Z”

Tải trọng tác dụng theo các phơng x-x và y-y là

Xà gồ tính toán theo 2 phơng đều là dầm đơn giản 2 đầu tựa lên

xà ngang mô men đạt giá trị lớn nhất ở giữa nhịp

Xà gồ có độ võng theo cả 2 phơng tuy nhiên độ võng theo phơng mặt phẳng mái rất nhỏ nên có thể bỏ qua , ta chỉ xét đến độ võng theo phơng vuông góc với mặt phẳng mái

*Theo điều kiện bền :

c = 1 hệ số điều kiện làm việc

=2150 kG/cm2 : cờng độ của thép xà gồ

Xà gồ tính toán theo 2 phơng đều là dầm đơn giản 2 đầu tựa lên

xà ngang mô men đạt giá trị lớn nhất ở giữa nhịp

B.Các kích thớc chính của khung ngang.

1.Các thông số của cầu trục: Với sức trục Q = 10 tấn, chế độ làm

việc trung bình ,chọn trục định vị trùng với mép ngoài của cột và  =

750 mm

Các thông số kỹ thuật Sức

B K Hct B1 Pmaxc Xe

con Toàn cầutrục

10 19,5 630

2.Ray cầu trục:

Loại ray sử dụng là

KP-70 có các thông số kỹ thuật sau:

Lấy chiều cao ray và lớp đệm là: Hr = 120 + 20 = 140 (mm)

3.Dầm cầu trục:

Từ bớc cột và các thông số của cầu trục ta

chọn dầm tiết diện chữ I định hình cao 50 cm

có các thông số nh sau:

Loại ray Khối

l-ợng1m dài,kg

4.Kích thớc của khung ngang:

Xác định chiều cao cột và vai cột: Sơ đồ cấu tạo khung nhà

C Tác dụng và cách bố trí hệ giằng mái , giằng cột

*Tác dụng của hệ giằng :

- Bảo đảm tính bất biến hình và độ cứng không gian của hệ khung

- Bảo đảm ổn định tổng thể cho một số cấu kiện chịu nén

+ Bảo đảm sự bất biến hình học

+ Bảo đảm độ cứng của toàn nhà theo phơng dọc

+ Chịu tác dụng của các tải trọng dọc nhà và đảm bảo ổn địnhcho cột

*Cách bố trí : xem trên bản vẽ A1

D thiết kế khung ngang

I Xác định tải trọng :

1.Tĩnh tải:

- Tải trọng mái và xà gồ : trên thực tế tải này truyền lên khung dớidạng lực tập trung tại điểm đặt các xà gồ, số lợng lực tập trung > 5nên ta có thể quy về tải phân bố (trên mặt bằng)

xà gồ 200Z17 dặt cách nhau 2 m , trọng lợng quy thành lực phân tậptrung đặt tại đỉnh cột, còn gây ra mômen ngợc chiều với mômen dotải trọng trong nhà gây ra nên không xét đến

+ 4,98.5.6 = 481,6 kGVậy tĩnh tải tác dụng lên rờng ngang là : gr = 140,8 kG/m

Tĩnh tải tác dụng lên đỉnh cột : Gc = 481,6 kG

-Tĩnh tải cầu trục:

Tải trọng bản thân dầm cầu trục, ray và các lớp đệm :Tải này tác dụng lên vai cột khi tính toán ta đa về tim cột dới dạng 1 lực tập trung

Tải trọng tạm thời do sử dụng trên mái đợc lấy theo TCVN 2737-1995

đối với mái không ngời qua lại, chỉ có hoạt tải sửa chữa có giá trị tiêu chuẩn: ptc=30kG/m2

ptt =1,3.30.6 = 234 (kG/m)

3.Hoạt tải do cầu trục:

a Hoạt tải đứng cầu trục:

Dmax = 24,61 T

Dmin = n.nc.( P tc

min ) =1,1.0,85 3,5.( y1 + y2 + y3) = 1,1.0,85 3,5.( 1 + 0,267 + 0,683)

Dmax = 6,38 T

Điểm đặt của Dmax , Dmin trùng với điểm đặt của dầm cầu trục

Tải này tác dụng lên vai cột khi tính toán ta đa về tim cột dới dạng 1 lực tập trung và 1 mô men

Mmax= Dmax e = 24,61,0,55 = 13,536 Tm

Mmin= Dmin e = 6,38 0,55 = 3,509 Tm

22,37 0,55 = 12,3 Tm5,8 0,55 = 3,19 Tm

0,64m ; cách đỉnh cột một đoạn y = 8,7 - 6,5 = 2,2 m

4.Tải trọng gió:

Tải trọng gió gồm hai thành phần : phần tĩnh và phần động.ở đâychiều cao nhà < 36m và tỉ số chiều cao nhịp < 1,5 nên bỏ qua thànhphần động của gió

Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm:

- Gió thổi lên mặt tờng dọc đợc chuyển thành phân bố trên cộtkhung

- Gió thổi trong phạm vi mái đợc tính là tải phân bố trên mái,chuyển thành phân bố lên khung

- Khu vực xây dựng công trình thuộc vùng gió II-B, áp lực phân bốlà:

- Mức đỉnh cột ở cao trình 8,7 (m) có k1= 0,9688 (nội suy)

- Mức đỉnh mái ở cao trình 10,275 (m) có k2= 1,0044 (nội suy)

- C là hệ số khí động: c = +0,8 với phía gió đẩy

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

 Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang đợc tính nh sau:

q=( n.W o.k.C.B) (Với B là bớc cột)

Trong đó :

+ n = 1,2 : Hệ số độ tin cậy của tải trọng gió

+ c : Hệ số khí động , đợc tra bảng với sơ đồ sau đây:

21000 +0,8

có => Nội suy tuyến tính đợc Ce1 = -0,4115 ;

Sử dụng phần mềm SAP2000 Version 9.03 xác định nội lực

*Các phơng án chất tải và biểu đồ nội lực :

- Phơng án 1 : Tĩnh tải

6,38T

3,509Tm

24,61T 13,536Tm

277,69 kG/m 269,93kG/m

* Biểu đồ nội lực của các phơng án chất tải:

- Phơng án 1 : Tĩnh tải

M

Q

N

- Ph¬ng ¸n 2 : Ho¹t t¶i nöa tr¸i

M

Q

- Ph¬ng ¸n 3 : Ho¹t t¶i nöa ph¶i

N

M

Q

- Ph¬ng ¸n 4 : Ho¹t t¶i c¶ m¸i

N

M

Q

- Ph¬ng ¸n 5 : Dmax tr¸i

N

M

Q

- Ph¬ng ¸n 6 : Dmax ph¶i

N

M

Q

- Ph¬ng ¸n 7 : T tr¸i +

N

M

- Ph¬ng ¸n 8 : T tr¸i -

Q

N

M

- Ph¬ng ¸n 9 : T ph¶i +

Q

N

M

- Ph¬ng ¸n 10 : T ph¶i -

Q

N

- Ph¬ng ¸n 11 : Giã tr¸i

M

Q

N

- Ph¬ng ¸n 12 : Giã ph¶i

M

Q

N

III tổ hợp nội lực:

Từ kết quả tính toán nội lực nh trên ta tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực để tìm ra trờng hợp nội lực bất lợi nhất để tính toán tiết diện khung

Tổ hợp Cơ Bản 2 : gồm Tĩnh tải và nhiều hoạt tải nhân với hệ số tổ hợp 0,9

IV.Tính toán tiết diện cột :

Thiết kế cột tiết diện không đổi từ trên xuống dới :

Chọn 2 cặp nội lực nguy hiểm để tính toán :

Kí

hiệ

u

Kí hiệutrong bảng

tổ hợp

M(kG.m) N( kG ) Q ( kG ) e=

1 Cd-19 13166 -28031 -3869 46,97

2 A-18 -19882 -10108 -5109 196,7

Ta tính cho cặp nội lực 1 rồi kiểm tra lại với cặp 2

1.Tính tiết diện cột với cặp 1 :

a.Chiều dài tính toán cột theo 2 phơng :

- Theo phơng trong mặt phẳng uốn :

Giả thiết tỉ số độ cứng giữa rờng ngang và cột :

Tra bảng nội suy ta đợc : 1,424

Chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng uốn : =

1,424 8,7 = 12,389m

- Theo phơng ngoài mặt phẳng uốn :

Theo phơng y thì các cột liên kết với nhau bởi các xà gồ tờng và dầm cầu trục, vì liên kết xà gồ với cột không đủ cứng nên chiều dài tính toán lấy theo sơ đồ 2 đầu khớp tại vị trí dầm cầu trục và chân cột Chiều dài tính toán cột ngoài mặt phẳng uốn : 5,86 m

Theo Iasinxki:

.Theo cấu tạo :

- Điều kiện ổn định cục bộ sơ bộ của bản bụng :

.Chọn sơ bộ chiều dày bản bụng là tw = 8mm

tf : đảm bảo điều kiện truyền lực giữa cánh và bụng ,không gây ứng suất phụ phát sinh lớn :

tw , chọn tf = 12mm

*Chiều rộng bf chọn thoả mãn :

- Yêu cầu độ cứng ngoài mặt phẳng uốn :

- Điều kiện ổn định cục bộ :

- Ngoài ra để dễ liên kết dầm theo phơng ngang với cấu kiện khác (

nh xà gồ tờng, giằng tờng ) và đảm bảo ổn định tổng thể cho cột + bf

+ bf

Chọn bf = 220 mm

Diện tích toàn tiết diện :

c.Xác định các đặc trng hình học của tiết diện:

+Mômen quán tính của tiết diện:

d.Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn :

Kiểm tra theo công thức :

Với 2,36 ; m1 = 4,787 ; tra bảng II.2 phụ lục II đợc = 0,2161

e.Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng:

- Kiểm tra theo công thức :

+ 115,56; tra bảng II.1 phụ lục II đợc 0,4899

C : hệ số kể đến sự ảnh hởng của mô men uốn trong mặt phẳng khung đến sự làm việc của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung +Có độ lệch tâm tơng đối mx = 3,32 Ta có công thức xác định C nh sau :

f.Kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng:

Điều kiện kiểm tra :

hw = h - 2.tf = 40 - 2.1,2 = 37,6 cm ; tw = 0,8 cm

Do rờng ngang có khả năng chịu lực đợc quyết định bởi điều kiện

ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn nên tỉ số đợc xác định theo (hệ số đặc trng phân bố ứng suất pháp trên bản bụng) với đợc xác định nh sau :

Vì nên lấy =118,76 để so sánh Vậy

Vậy bản bụng đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ

g.Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh :

Điều kiện kiểm tra :

tra bảng 35 trang 51 của (3) với ; ta đợc :

Chiều rộng tính toán của phần bản cánh nhô ra :

Vậy bản cánh đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ

2.Kiểm tra tiết diện cột với cặp số 2:

+ Độ lệch tâm tơng đối và độ lệch tâm tính đổi:

Độ lệch tâm tơng đối :

+ Từ mx = 13,92 , và Af/Aw=26,4/30,08 = 0,88 < 1

5 < mx =13,92 < 20 tra bảng II.4 ta có : = 1,4 - 0,02.2,36=1,353

Độ lệch tâm tính đổi : < 20 ; không cần kiểmtra bền

a.Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn :

Kiểm tra theo công thức :

Với 2,36 ; m1 = 18,83 ,tra bảng II.2 phụ lục II đợc = 0,06996

b.Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn :

- Kiểm tra theo công thức :

+ 115,56; tra bảng II.1 phụ lục II đợc 0,4899

+C : hệ số kể đến sự ảnh hởng của mô men uốn trong mặt phẳngkhung đến sự làm việc của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung +Có độ lệch tâm tơng đối mx = 13,92 > 10

+

Với tra bảng II.1 phụ lục II đợc hệ số c =0,597

+ Tính đợc xác định nh đối với dầm : phụ thuộc vào ,

; lấy phụ thuộc vào

Do nên tính nh sau :

1,543 > 0,85

, do đó lấy =1

Vậy tiết diện đảm bảo ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

V Tính toán thiết kế rờng ngang :

ứng với mỗi tiết diện ta có nội lực tơng ứng , và ta sẽ chọn tiết diện

đúng theo nội lực đó.Dự định thay đổi tiết diện tại tiết diện 1/6 L Chọn 3 cặp nội lực nguy hiểm:

I Chọn tiết diện đầu rờng:

1 Chiều dài tính toán:

- Trong mặt phẳng uốn: Chiều dài tự do của rờng lr = 10,6175mLiên kết 2 đầu rờng coi là ngàm :

- Ngoài mặt phẳng uốn : ly bằng khoảng cách giữa các điểm cốkết ngăn cản chuyển vị ( khoảng cách giữa các xà gồ )

2 Sơ bộ chọn tiết diện đầu rờng:

a Chọn sơ bộ chiều cao tiết diện đầu rờng :

Vậy bản bụng đủ khả năng chịu cắt

c Xác định các kích thớc của tiết diện cánh rờng :

Diện tích cần thiết của tiết diện cánh xà đợc xác định theo công thức

Ngoài ra bf,tf cần phải thoả mãn các điều kiện sau:

+ Chiều dày bản cánh cần hàn phải chọn sao cho đảm bảo điều kiện truyền lực giữa cánh và bụng xà, không gây những ứng suất phụ phát sinh lớn

Để thoả mãn những yêu cầu này thì

Chọn 10mm

+ Chiều rộng cánh dầm hàn bf đợc xác định từ điều kiện đảm bảo

ổn định cục bộ cho bản cánh nén :

Ngoài ra , để dễ liên kết xà theo phơng ngang với

cấu kiện khác nh xà gồ chữ Zvà đảm bảo ổn định

Diện tích tiết diện là : A = hwtw + 2 bftf = 33.0,8 + 2 22.1 = 70,4cm2

3 Kiểm tra lại tiết diện vừa chọn :

a.Xác định các đặc trng hình học của tiết diện:

+Mômen quán tính của tiết diện:

+ Bán kính quán tính:

b.Kiểm tra điều kiện bền của tiết diện :

c.Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn :

- Kiểm tra theo công thức :

+ 30,26; tra bảng II.1 phụ lục II đợc 0,936

+C : hệ số kể đến sự ảnh hởng của mô men uốn trong mặt phẳngkhung đến sự làm việc của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung +Có độ lệch tâm tơng đối mx = 26,42> 10

+ Tính đợc xác định nh đối với dầm : phụ thuộc vào ,

; lấy phụ thuộc vào

Do nên tính nh sau :

14,25> 0,85

; do đó lấy = 1

Vậy tiết diện đảm bảo ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

d Kiểm tra bền theo điều kiện chịu nén uốn :

e Kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng:

Vậy bản bụng đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ

f.Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh rờng :

Điều kiện kiểm tra:

tf = 1 cm

= (0,36 + 0,1 ) = 14,88.

Cánh rờng thoả mãn điều kiện ổn định cục bộ

*Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng rờng dới tác dụng của ứng suất tiếp :

ở những vùng rờng gần nút khung (Vị trí liên kết ngàm cột với rờng),

có lực cắt lớn, khi đó bản bụng rờng có thể bị méo do tác dụng của ứng suất tiếp và phồng ra ngoài mặt phẳng bụng thành sóng nghiêng

450 Vì bản bụng rờng không có sờn gia cờng, ứng suất tiếp tới hạn xét tới sự ngàm bản bụng với bản cánh đợc xác định theo công thức:

Từ điều kiện hợp lý, là mất ổn định của bản bụng dầm dới tác dụng của ứng suất tiếp xảy ra đồng thời với mất khả năng chịu lực về độ bền của bản bụng rờng do lực cắt, tức cho , ta có độ mảnh quy ớc giới hạn của bản bụng rờng là:

Điều kiện kiểm tra xác định theo công thức:

Vậy bụng rờng ổn định dới tác dụng của ứng suất tiếp

* Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng rờng dới tác dụng của ứng suất pháp

Điều kiện kiểm tra:

Vậy bụng rờng ổn định dới tác dụng của ứng suất pháp

* Kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng rờng dới tác dụng của ứng suất tiếp và ứng suất pháp

Ta có: Vì vậy bản bụng dầm ổn định cục bộ dới tác dụng của ứng suất pháp và ứng suất tiếp

II Chọn tiết diện ở đỉnh rờng :

1 Chiều dài tính toán:

- Trong mặt phẳng uốn: Chiều dài tự do của rờng lr = 10,6175mLiên kết 2 đầu rờng coi là ngàm :

- Ngoài mặt phẳng uốn : ly bằng khoảng cách giữa các điểm cốkết ngăn cản chuyển vị ( khoảng cách giữa các

xà gồ )

2 Sơ bộ chọn tiết diện đỉnh rờng:

a Chọn sơ bộ chiều cao tiết diện đầu xà :

Chọn tw = 0,8 cm

Vậy bản bụng đủ khả năng chịu cắt

c Xác định các kích thớc của tiết diện cánh rờng :

Diện tích cần thiết của tiết diện cánh xà đợc xác định theo công thức

Ngoài ra bf,tf cần phải thoả mãn các điều kiện sau:

+ Chiều dày bản cánh cần hàn phải chọn sao cho đảm bảo điều kiện truyền lực giữa cánh và bụng xà, không gây những ứng suất phụ phát sinh lớn

Để thoả mãn những yêu cầu này thì

Diện tích tiết diện : A = hwtw + 2 bftf = 23.0,8 + 2 22.1 = 62,4 cm2

3 Kiểm tra lại tiết diện vừa chọn :

a.Xác định các đặc trng hình học của tiết diện:

+Mômen quán tính của tiết diện:

+ Bán kính quán tính:

b.Kiểm tra điều kiện bền của tiết diện :

c.Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn :

- Kiểm tra theo công thức :

+ 28,49 ; tra bảng II.1 phụ lục II đợc 0,941

+C : hệ số kể đến sự ảnh hởng của mô men uốn trong mặt phẳngkhung đến sự làm việc của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung +Có độ lệch tâm tơng đối mx = 31,52> 10

+ Tính đợc xác định nh đối với dầm : phụ thuộc vào ,

; lấy phụ thuộc vào

Do nên tính nh sau :

16,71> 0,85

; do đó lấy = 1

Vậy tiết diện đảm bảo ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

Vậy bản bụng đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ

f.Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh rờng :

Điều kiện kiểm tra:

tf = 1 cm

= (0,36 + 0,1 ) = 16,22

Cánh rờng thoả mãn điều kiện ổn định cục bộ

*Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng rờng dới tác dụng của ứng suất tiếp :

ở những vùng rờng gần nút khung (Vị trí liên kết ngàm cột với rờng),

có lực cắt lớn, khi đó bản bụng rờng có thể bị méo do tác dụng của ứng suất tiếp và phồng ra ngoài mặt phẳng bụng thành sóng nghiêng

450 Vì bản bụng rờng không có sờn gia cờng, ứng suất tiếp tới hạn xét tới sự ngàm bản bụng với bản cánh đợc xác định theo công thức:

Từ điều kiện hợp lý, là mất ổn định của bản bụng dầm dới tác dụng của ứng suất tiếp xảy ra đồng thời với mất khả năng chịu lực về độ bền của bản bụng rờng do lực cắt, tức cho , ta có độ mảnh quy ớc giới hạn của bản bụng rờng là:

Điều kiện kiểm tra xác định theo công thức:

Vậy bụng rờng ổn định dới tác dụng của ứng suất tiếp

* Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng rờng dới tác dụng của ứng suất pháp

Điều kiện kiểm tra:

Vậy bụng rờng ổn định dới tác dụng của ứng suất pháp

* Kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng rờng dới tác dụng của ứng suất tiếp và ứng suất pháp

Ta có: Vì vậy bản bụng dầm ổn định cục bộ dới tác dụng của ứng suất pháp và ứng suất tiếp

III Chọn tiết diện tại vị trí 1/6L :

Tiết diện rờng ngang từ vị trí thay đổi tiết diện đến đỉnh không

đổi mà nội lực tại đỉnh rờng lớn hơn tại vị trí thay đổi tiết diện nêntiết diện tính cho đỉnh rờng sẽ thoả mãn cho cả ở vị trí thay đổi tiết diện

D Thiết kế tính toán các chi tiết liên kết

I- Tính liên kết hàn bản cánh với bản bụng :

1 Tính liên kết hàn bản cánh cột với bản bụng cột:

Từ bảng tổ hợp nội lực ta thấy tiết diện có Qmax = 5109 kG

Khi đó chiều cao đờng hàn liên kết hàn bản cánh cột với bản bụng cột biên đợc tính theo công thức :

hf