ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 2- khung ZAMIL

khung ZAMIL

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

( khung zamil)

A Thiết kế xà gồ mái:

Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái, lớp cách nhiệt và trọng lợng bản thân của

xà gồ Lớp mái và xà gồ đợc chọn trớc theo tài liệu “ Pre – Engineered Buildings Design Manual “ Sau đó đợc kiểm tra lại theo điều kiện bền và điều kiện biến dạng của xà gồ

- Tấm lợp mái : (single skin panels)

hình dạng tấm lợp mái chọn nh sau:

60 1.75

Đồ áN kết cấu THéP 2 GVHD: TS PHạM MINH Hà

- Xà gồ : Ta chọn xà gồ hình chữ “ Z “ ở bên trong và 2 xà gồ hình chữ “ C ” ở ngoài biên nhằm làm tăng ổn định cho mái

Diệntích(cm2)

Tải trọngcho phép(KN)200Z17 358,8 35,88 49,86 7,01 4,74 1,75 6,04 16,44

Xà gồ chữ Z(200Z17) Xà gồ chữ C(180ES20).Tiết diện Jx

(cm4) (cmWx3) (cmJy4) (cmWy3) ợng (kg/Trọng

l-m)

Chiềudày(mm)

Diệntích(cm2)

L(mm)

5 , 1

Hoạt tải sử dụng lấy p = 30 kG/m với hệ số vợt tải n = 1,3

 ptt = 30.1,3 = 39 kG/m2

Tải trọng tác dụng lên xà gồ 200Z17:

qtc = (6,59 + 10 + 30) cos 8 , 53 0

5 , 1

+ 4,74 = 75,56 (kG/m)

qtt = (6,92 + 12 + 39) cos 8 , 53 0

5 , 1

+ 4,74.1,05 = 93,01(kG/m)

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

M

c y y x

x y x

B q M

2 2 2

tt y

B q M

2 2 2

tt x

01 , 7

8 , 1551 88

, 35

98 , 41391

*Kiểm tra theo điều kiện biến dạng:

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  y

Công thức kiểm tra : 5 10 3

200

1 B B

600 10 72 , 74 384

5 I.

E

B q 384

5

6

4 2

x

4 tc y

Vậy xà gồ giữa 200Z17 đảm bảo điều kiện cờng độ và điều kiện độ võng

b Kiểm tra với xà gồ chữ C“ ”

*Tải trọng tác dụng:

Tải trọng tác dụng lên xà gồ 180ES20:

qtc = (6,59+ 10 + 30) 2 cos 8 , 53 0

5 , 1

+ 6,11 = 41,52 (kG/m)

qtt = (6,92 + 12 + 39) 0

53 , 8 cos 2

5 , 1

M

c y y x

x y x

B q M

2 2 2

tt y

B q M

2 2 2

tt x



kG.cm

td 456 , 5 69 , 43 525 , 93 kG / cm f 2150 kG / cm

12 , 12

5 , 841 17 , 49

*Kiểm tra theo điều kiện biến dạng:

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  y Công thức kiểm tra : 5 10 3

200

1 B B

600 10 1 , 41 384

5 I.

E

B q 384

5

6

4 2

x

4 tc y

Vậy xà gồ chữ “C” 180SE20 đảm bảo điều kiện cờng độ và điều kiện độ võng

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

trục

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

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

- Chịu các tải trọng dọc nhà

- Bảo đảm cho việc thi công dựng lắp đợc an toàn và thuận tiện

a.Tác dụng và cách bố trí hệ giằng mái

- Tác dụng

+ Bảo đảm ổn định cho dàn theo phơng ngoài mặt phẳng uốn

+ Dàn gió chịu tác dụng của tải trọng gió theo phơng dọc nhà

+ Hệ giằng dọc theo đầu cột chịu lực hãm theo phơng dọc nhà

*Cách bố trí : xem trên bản vẽ A1

bTác dụng và cách bố trí hệ giằng cột

- Tác dụng :

+ 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 định cho cột

grtc = ) 6 125 , 43 ( kG / m )

21

42 , 5 16 53 , 8 cos

) 10 59 , 6 (

) 12 92 , 6 (

chỉ tính đến trọng lợng xà gồ tờng và tôn tờng từ cốt +1m trở lên trên, tơng ứng với chiềudài cột là 7,7m , giả thiết dùng 5 xà gồ 200Z17 dặt cách nhau 2 m , trọng lợng quy thànhlực phân tập trung đặt tại đỉnh cột, còn gây ra mômen ngợc chiều với mômen do tải trọngtrong nhà gây ra nên không xét đến

6 8 92

-Tĩnh tải cầu trục:

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

3.Hoạt tải do cầu trục:

a Hoạt tải đứng cầu trục:

24 10 P

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

Đồ áN kết cấu THéP 2 GVHD: TS PHạM MINH Hà

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

T 37 , 22 1 , 1

61 , 24 n

D

max   

T 8 , 5 1 , 1

38 , 6 n

2

1 , 0 ) G

T T

Tải trọng gió gồm hai thành phần : phần tĩnh và phần động.ở đây chiều cao nhà < 36m và

tỉ số chiều cao nhịp < 1,5 nên bỏ qua thành phần động của gió

Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm:

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

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

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

- 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 số trung bình :

0 , 9866

2

0044 , 1 9688 , 0 2

k k

 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:

414 , 0 21 7 , 8 L H

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

2 286 , 4 21

Đồ áN kết cấu THéP 2 GVHD: TS PHạM MINH Hà

Sử dụng phần mềm SAP2000 Version 9.03 xác định nội lực

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

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

- Ph¬ng ¸n 3 : Ho¹t t¶i nöa ph¶i

M

Q

N

- Ph¬ng ¸n 5 : Dmax tr¸i

M

Q

N

- Ph¬ng ¸n 7 : T tr¸i +

M

Q

N

- Ph¬ng ¸n 9 : T ph¶i +

M

Q

N

- Ph¬ng ¸n 11 : Giã tr¸i

M

Q

N

§å ¸N kÕt cÊu THÐP 2 GVHD: TS PH¹M MINH Hµ

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

Ta xét 2 loại tổ hợp, tổ hợp cơ bản 1, tổ hợp cơ bản 2

Tổ hợp Cơ Bản 1: gồm Tĩnh tải và một hoạt tải

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 :

M

Q

N

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 : lx   l.

Giả thiết tỉ số độ cứng giữa rờng ngang và cột

5 , 1

1 I

1 21

7 , 8 H

I : L

Chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng uốn :l x   l= 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 : ly 5,86 m

b.Xác định diện tích cần thiết A yc

) 870 ( 43 , 5 58 ) cm

15

1 20

1 ( H ) 15

97 , 46 8 , 2 25 , 1 2150 1

28031 h

e ) 8 , 2 2 , 2 ( 25 ,

Theo cấu tạo :

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

mm 8 mm ) 5 , 4 43 , 6 ( h ) 100

1

70

1

(

tw      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  tf  3 tw  8  tf  24, chọn tf = 12mm

*Chiều rộng bf chọn thoả mãn :

- Yêu cầu độ cứng ngoài mặt phẳng uốn :

) 20 12 ( h ) 5 , 0 3 , 0 ( H ) 30

1 20

E t

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

+Mômen quán tính của tiết diện:

f f

2 12

2 12

b t.

2 12

2 12

3 3

w w

22 2 , 1 2 12

t.

h 12

2131 A

I i

m c 81 , 16 82,88

23422 A

I i

y y

x x

I 2

+ Độ mảnh và độ mảnh qui ớc của tiết diện:

7 , 3 10 1 , 2

2150

56 , 115 E

f

; 56 , 115 07 , 5

586 i

l

36 , 2 10 1 , 2

2150

7 , 73 E

f 7

, 73 16,81

1238,9 i

l

6 y

y y

y y

6 x

x x

x x

A e m

Độ lệch tâm tính đổi m1   mx  1 , 442 3 , 32  4 , 787< 20 ; không cần kiểm tra bền

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

Kiểm tra theo công thức : NA cf

28031 A

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

- Kiểm tra theo công thức : CNA cf

y



+y 115,56; tra bảng II.1 phụ lục II đợc y 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  mx  5 Ta có công thức xác định C nh sau :

x

m 1

104 , 1

t

h t h

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

8 , 0

6 , 37 t

, 82

28031 W

M A

1316600 88

, 82

28031 W

M A

, 1462

) 2 , 786 ( 6 , 1462 1

) 2 (

E ) 1 2 (

cm / kG 9 , 931 8 , 0 6 , 37

28031 t

9 , 931 ).

1 536 , 1 2 (

, 1 4 536 , 1 ) 536 , 1 2 ( 6 , 1462

10 1 , 2 ) 1 536 , 1 2 (

35

,

4

4 )

2 (

E ) 1 2 (

35 , 4 t

h

2 2

6

2 2

E 8 , 3 3 , 347

6 , 37 t

h 76 , 118 t

h

w

w w

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 : 

o

t

b t b

7 , 3 1 , 0 36 , 0 ( f

E ) 1 , 0 36

22 , 82

t 83 , 8 2 , 1

tf    f  

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 : 13 , 92 (cm)

1171

88 , 82 7 , 196 W

A e m

x

+ Từ mx = 13,92 , x  2 , 36 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 x = 1,4 - 0,02.2,36= 1,353

Độ lệch tâm tính đổi : m1   mx  1 , 353 13 , 92  18 , 83< 20 ; không cần kiểm tra bền

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

Kiểm tra theo công thức : f

A

N

c lt

10108 A

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

- Kiểm tra theo công thức : CNA cf

y



+y 115,56; tra bảng II.1 phụ lục II đợc y 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 = 13,92> 10

d

y x

m 1

1 C

6

Vớic  98 , 134 tra bảng II.1 phụ lục II đợc hệ số c =0,597

+ Tính  d đợc xác định nh đối với dầm :  d phụ thuộc vào 1,

f

E H

h I

I

2

v x

3 2

f

1 v

t b

at 1 hb

t H 8 : 

 08

, 21 4

, 2 22

8 , 0 8 , 18 1 22 40

4 , 2 586

40 23422

2131 7256

,

3

6 2

1

1 004 , 1 543 , 1 21 , 0 68 , 0 21 , 0 68

y 1944 , 9 f 2150 kG / cm

88 , 82 4899 , 0 128

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 = 10,6175m

Liên kết 2 đầu rờng coi là ngàm   0 , 5: lx   l.r  0 , 5 10 , 6175  5 , 309 m

- Ngoài mặt phẳng uốn : ly bằng khoảng cách giữa các điểm cố kết ngăn cản chuyển

vị ( khoảng cách giữa các xà gồ ) ly  1 , 52 m

2 Sơ bộ chọn tiết diện đầu rờng:

a Chọn sơ bộ chiều cao tiết diện đầu rờng :

Chọn tw = 0,8 cm

hkt = k

w

t f M

10

4267

2

3 f h

Q 2

3

v r



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

Ayc=    

h

e ) 8 , 2 2 , 2 ( 25 ,

4267

= 53,94 (cm2)

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 tw  tf  3 tw  8 mm  tf  24 mm

E

t

b

6 f

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

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

tổng thể cho xà thì :

bc=(

2

1 5

1

 ).hr = (

2

1 5

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:

f f

2 12

2 12 b

t.

2 12

2 12

3 3

w w

22 1 2 12

t.

h 12

1776 A

I i

m c 65 , 14 70,4

15115 A

I i

y y

x x

I 2

+ Độ mảnh và độ mảnh qui ớc của tiết diện:

97 , 0 10 1 , 2

2150

26 , 30 E

f

; 26 , 30 02 , 5

152 i

l

16 , 1 10 1 , 2

2150

23 , 36 E

f 23

, 36 14,65

530,9 i

l

6 y

y y

y y

6 x

x x

x x

A e m

2

c x

cm / kG 2150 2150

1 f cm

/ kG 8 , 1661 864

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

- Kiểm tra theo công thức : f

A C

N

c y



+y 30,26; tra bảng II.1 phụ lục II đợc y 0,936

+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 = 26,42> 10

d

y x

m 1

1 C

h I

I

2

o x

3 2

f

1 o

t b

at 1 hb

t l 8 : 

 31

, 1 2

22

8 , 0 17 1 22 35

2 152

3 2

35 15115

1776 342

,

2

6 2

1

1 672 , 3 25 , 14 21 , 0 68 , 0 21 , 0 68

Đồ áN kết cấu THéP 2 GVHD: TS PHạM MINH Hà

2 c

y 1660 , 4 f 2150 kG / cm

4 , 70 936 , 0 039

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

d Kiểm tra bền theo điều kiện chịu nén uốn :

x

f W

M A

w

t

h t h

hw = h - 2.tf = 35 - 2.1 = 33 cm ; tw = 0,8 cm

41 , 25

8 , 0

33 t

, 70

4267 W

M A

, 70

4267 W

M A

, 1661

) 6 , 1540 ( 8 , 1661 1

) 2 (

E ) 1 2 (

cm / kG 63 , 161 8 , 0 33

4267 t

63 , 161 ).

1 927 , 1 2

10 1 , 2 8 , 3 f

E 8 , 3 7 , 958 389

, 0 4 927 , 1 ) 927 , 1 2 (

8 , 1661

10 1 , 2 ).

1 927 , 1 2 (

35

,

4

4 )

2 (

E ) 1 2 (

2 6

2 2

h

w

w w

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: 

88 , 14 t

b 6 , 10 t

b

f

0 f

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  0 xét tới sự ngàm bản bụng với bản cánh đợc xác định theo công thức:

2

b

v 0

f

3,10



 

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

v

0  f

 , ta có độ mảnh quy ớc giới hạn của bản bụng rờng là:    3 2

Điều kiện kiểm tra xác định theo công thức:  w  

1 , 32   3 , 2

10 1 , 2

2150 8

, 0

33 E

f t

h

6 w

w



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:

f

E 5 , 5 t

10 1 2 5 , 5 25 , 41 8 , 0

33 t

w

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:  w  1 , 32  2 , 5 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 = 10,6175m

Liên kết 2 đầu rờng coi là ngàm   0 , 5 : lx   l.r  0 , 5 10 , 6175  5 , 309 m

- Ngoài mặt phẳng uốn : ly bằng khoảng cách giữa các điểm cố kết ngăn cản chuyển

vị ( khoảng cách giữa các xà gồ ) ly  1 , 52 m

2 Sơ bộ chọn tiết diện đỉnh rờng:

a Chọn sơ bộ chiều cao tiết diện đầu xà :

Chọn tw = 0,8 cm

hkt = k

w

t f M

10

= 23,76 cm ; Chọn sơ bộ h= 25 cm