đồ án kết cấu công trình thép kích thước khung ngang

CHƯƠNG 1: KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG

1.Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp

Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diện không đổi liên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu cấu tạo thoát nước, chọn xà ngang có độ dốc với góc dốc (tương đương với ) Do tính chất làm việc của khung ngang chịu tải trọng bản thân và tải trọng gió là chủ yếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở vị trí nách khung thường lớn hơn nhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp Cấu tạo xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảng biến đổi tiết diện cách đầu cột một đoạn

(0.35 0.4) chiều dài nửa xà Tiết diện còn lại lấy không đổi.

Cửa mái chạy dọc suốt chiều dài nhà, mang tính chất thông gió, sơ bộ chọn chiều cao cửa mái là 2m và chiều rộng cửa mái là 4m.

Hình 1 1: Sơ đồ khung ngang

Sức nâng của cầu trục: Q = 12.5 (T)

+ Lk: Nhịp của cần trục, phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng và công nghệ, lấy theo catalo cần trục;

+ L1: Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray cầu trục, L1=(750÷1000) mm với sức trục dưới 30 tấn, tùy thuộc vào bề rộng nhịp nhà.

Lk = L – 2L1 = 27 −¿ 2 × (0.75÷1)= (25÷25.5) (m)

Vậy chọn nhịp cầu trục Lk = 25.5 m

Dựa vào các thông số nhịp khung Lnhịp = 27 (m) và Q = 12.5 (T) , tra bảng catalogue cầu trục ta có các số liệu sau:

Bảng 1 1: Thông số của cầu trục 12T

Chiều cao phần cột trên được xác định như sau: Ht = hr + hdct + H2 = 200 + 700 + 1440 = 2390 (mm)

 Chọn Ht = 2400 (mm) Chiều cao toàn cột:

H = Hd + Ht = 6100 + 2400 = 8500 (mm)

Hình 1.3: Chi tiết chiều cao cột

3.Chọn sơ bộ tiết diện

Dựa vào các công thức kinh nghiệm ta chọn sơ bộ các tiết diện sau.

3.1.1 Tiết diện cột

Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột a = 0 Khoảng cách từ trục định vị trục ray

3.1.2 Tiết diện xà mái

Chiều cao tại nút dầm máy liên kết với cột

Tiết diện dầm mái tại đỉnh khung là I – 450300 8 10   Tiết diện dầm mái có thể ghi là I – (700~450)300 8 10 

Hình 1 4: Tiết diện dầm mái

3.1.3 Tiết diện vai cột

Vai cột có nhiệm vụ chịu tải trọng từ cầu trục và truyền tải trọng này vào cột Đối với cột giật bậc thì vai cột thường nằm trong chiều cao cột dưới và có thêm chịu phản lực của cánh trong cột biên Với cột có tiết diện không đổi (đồ án này) vai cột như một dầm công xôn tiết diện chữ I liên kết vào cánh trong của cột Tiết diện vai cột phụ thuộc vào tải trọng cầu trục, bước khung và nhịp của dầm vai (khoảng cách từ điểm đặt lực tập trung, Dmax/Dmin, đến mép trong của vai cột)

Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray của cầu trục:

Chiều dài vai cột:

Hình 1 5: Mặt cắt dầm vai

3.1.4 Tiết diện cửa trời

Cửa trời có tác dụng thông gió cho nhà xưởng Kích thước cửa trời phụ thuộc vào yêu

cầu thông thoáng của nhà Thông thường, bề rộng cửa trời trong khoảng nhà và chiều cao cửa trời bằng ½ bề rộng Theo đề bài, bề rộng cửa trời 4m chiều cao cửa trời là 2m Cột và dầm mái cửa trời tiết diện chữ I với các thông số như sau:

- Chiều cao cột và dầm mái cửa trời là 200 mm.

- Bề rộng bản cánh cột và dầm mái cửa trời là 100 mm.- Bề dày bản bụng của cột và dầm mái cửa trời 8 mm.- Bề dày bản cánh của cột và dầm mái cửa trời là 10 mm.

 Tiết diện dầm cột cửa trời là I – 200 100 8 10 

Hình 1 6: Mặt cắt dầm cột cửa trời

4.Hệ giằng

- Hệ giằng là bộ phận kết cấu liên kết các khung ngang lại tạo thành hệ kết cấu

không gian, có các tác dụng:

- Bảo đảm sự bất biến hình theo phương dọc nhà và độ cứng không gian cho nhà; - Chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, vuông góc với mặt phẳng khung như gió thổi lên tường đầu hồi, lực hãm cầu trục, động đất xuống móng.

- Bảo đảm ổn định (hay giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng) cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu: thanh dàn, cột,

- Tạo điều kiện thuận lợi, an toàn cho việc dựng lắp, thi công - Hệ giằng bao gồm hai nhóm: hệ giằng mái và hệ giằng cột.

1.4.1 Hệ giằng mái

- Hệ giằng mái được bố trí ở hai đầu hồi và ở chỗ có hệ giằng cột Hệ ở mái bao gồm các thanh giằng chéo và thanh chống, trong đó yêu cầu cấu tạo thanh chống có độ mảnh λmax ≤ 200 Thanh giằng chéo làm từ thép tròn tiết diện Ø14, thanh chống chọn 2C20 Theo chiều cao tiết diện dầm mái, giằng mái bố trí lệch lên phía trên (để giữ ổn

định cho dầm mái, khi chịu tải bình thường cánh trên của dầm mái chịu kéo) Khi khung chịu tải gió, cánh dưới của dầm mái chịu nén nên phải gia cường bằng các thanh chống xà gồ (liên kết lên xà gồ) cứ cách một xà gồ bố trí một thanh chống Ngoài ra bố trí thanh chống dọc đỉnh khung tiết diện 2C20 tạo điều kiện thuận lợi khi thi công lắp dựng

Hình 1 7: Mặt bằng giằng mái

1.4.2 Hệ giằng cột

- Hệ giằng cột đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng của toàn nhà theo phương dọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà và đảm bảo ổn định của cột Dọc theo chiều dài nhà,

hệ giằng cột bố trí giữa khối nhà và ở 2 đầu hồi nhà để truyền tải trọng gió một cách nhanh chóng Hệ giằng cột được bố trí theo 2 lớp Hệ giằng cột trên được bố trí từ mặt dầm hãm đến đỉnh cột, hệ giằng cột dưới được bố trí từ mặt nền đến mặt dầm vai Theo tiết diện cột, hệ giằng cột được đặt vào giữa bản bụng cột Do sức trục Q = 12.5 T, chọn tiết diện thanh giằng làm từ thanh thép tròn Φ25 Trên đỉnh cột bố trí thanh chống dọc nhà Chọn tiết diện thanh chống dọc theo độ mảnh λmax ≤ 200, chọn I20

Hình 1 8: Mặt đứng giằng cột (8500m)

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI VÀ SƯỜNG TƯỜNG

Hệ giằng: sử dụng thép 𝜙16, tải trọng tiêu chuẩn g = 0.0158 kN/m Dựa theo sơ đồ bố trí hệ giằng ta cótổng chiều dài hệ giằng mái là 216 m, tổng chiều dài hệ giằng xà gồ là 270m

Vật liệu máiTải trọng tiêu chuấnHệ số vượt tảiTải trọng tính toánMái ASEM dày 0.47mm0.0422 (kN/m2)1.10.0464 (kN/m2)

Theo TCVN 2737:1995, mái tôn không sử dụng có giá trị hoạt tải sửa chữa tiêu chuẩn ptc = 0.3 kN/m2mặt bằng nhà, do đó hoạt tải sửa chữa phân bố lên dầm mái:

2.1.3 Kiểm tra tiết diện xà gồ

Thỏa điều kiện bền.

b Điều kiện biến dạng

Do có giằng xà gồ nên ta chỉ xét độ võng theo phương y.

Thỏa điều kiện biến dạng.

2.1.4 Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ

Gió tác động lớn nhất lên xà gồ là trường hợp gió thổi dọc nhà, gây ra lực bốc mái với hệ số khí độngc = -0.32 Vùng gió IIIA nên W0 = 0.65 (kN/m2 ) Chiều cao cột H = 8.5 (m) và dạng địa hình B nên lấy

 Thoả điều kiện bền.

Theo điều kiện biến dạng:

Sơ đồ tính của xà gồ theo phương trong mặt phẳng là dầm đơn giản nên:

Thỏa điều kiện biến dạng.

2.2 Thiết kế sườn tường 2.2.1 Cấu tạo sườn tường

• Tường nhà công nghiệp gồm lớp tôn tường và xà gồ cột • Tôn sử dụng loại tôn ASEM dày 47 (mm)

• Khoảng cách bố trí xà gồ cột theo phương đứng là 1.2 (m).

Tải trọng tác dụng lên phương x:

Theo điều kiên bền :

Thỏa điều kiện bền.

b Điều kiện biến dạng

Do có giằng xà gồ nên ta chỉ xét độ võng theo phương x Độ võng theo phương x:

CHƯƠNG 3: TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC KHUNG

3.1 Tải trọng tác dụng lên khung3.1.1 Tĩnh tải

Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái: - Tôn ASEM, tải trọng tiêu chuẩn c 0.0422 kN/m 2

- Hệ giằng: sử dụng thép Φ16, tải trọng tiêu chuẩn g = 0.0158 kN/m Dựa theo sơ đồ bố trí hệgiằng ta có tổng chiều dài hệ giằng mái là 216 m, tổng chiều dài hệ giằng xà gồ là 270m

Tải trọng kết cấu bao che sườn tường:- Tôn ASEM, tải trọng tiêu chuẩn 0.0422 kN/m2

- Xà gồ: Tải trọng tiêu chuẩn 0.0484 kN/m, dựa theo sơ đồ bố trí xà gồ cột, tổng chiều dài xàgồ là 540 m cho 1 bên tường dọc nhà.

- Hệ giằng: sử dụng thép Φ16, tải trọng tiêu chuẩn g = 0.0158 kN/m Dựa theo sơ đồ bố trí hệgiằng sườn tường ta có tổng chiều dài hệ giằng là 123 (m) cho 1 bên tường dọc nhà.

- Tải trọng phân bố của hệ giằng:

3.1.2.1 Hoạt tải sửa chữa mái

Hoạt tải gây ra do quá trình sửa mái (không bao gồm cấu kiện, máy móc)

Hình 3 1: Đường ảnh hưởng phản lực gối tựa

Từ các kích thước của cầu trục: Bk = 3830 (mm) và Kk = 2900 (mm) ta có:

Theo TCVN 2737 – 1995 địa điểm xây dựng thuộc phân vùng góp IIIA có áp lực gió tiêu chuẩn W0 = 0.65 (kN/m), hệ số vượt tải n = 1.2.

Áp lực gió tác dụng lên khung được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737 – 1995 0

q = n×W ×k×c×B (kN/m) Trong đó:

q: là áp lực gió phân bố trên mét dài khung.

W0: là áp lực gió tiêu chuẩn, gió ở vùng IIIA có W0 = 0.65 (kN/m) n = 1.2: là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió.

k là hệ số phụ thuộc vào độ cao, tra bảng 5.

c: là hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu, tra bảng 6.

B: là bước khung

Bảng 3 2: Tải trọng gió theo phương ngang nhà

cao độ (m)

Dấu “ – “ có nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung.

3.2 Mô hình hóa khung ngang bằng Etabs 9.7.13.2.1 Sơ đồ kết cấu

- Tính toán kết cấu khung theo sơ đồ khung phẳng với liên kết giữa cột với móng là liên kết ngàm, liên kết giữa cột với dầm là liên kết cứng Nhịp tính toán khung lấy theo khoảng mép ngoài 2 trục cột.

- Dùng phần mềm Etabs V9.7.1 để mô hình kết cấu và phân tích nội lực khung Cột và dầm được thay thế bằng các thanh tại trục phần tử.

- Các liên kết giữa cột và dầm mái, đỉnh khung, cột cửa trời và dầm mái, cột cửa trời và dầm mái cửa trời, đỉnh cửa trời là liên kết cứng.

- Các tiết diện được khai báo theo kích thước sơ bộ đã chọn.

- Tải trọng được gán vào khung theo các giá trị được tính toán ở trên - Đặc trưng vật liệu: Thép CCT34, f = 21 kN/cm2, E = 2.1x108 kN/cm2

Hình 3 2: Sơ đồ tính khung ngang

Bảng 3 3: Các trường hợp tải trọng tác dụng lên khung nhà

4 Dmax trái Áp lực Dmax cột trái 5 Dmax phải Áp lực Dmax cột phải

10 GIOT Gió thổi ngang nhà, hướng trái sang 11 GIOP Gió thổi ngang nhà, hướng phải sang

3.3 Tổ hợp nội lực

- Có 2 loại tổ hợp nội lực cơ bản theo TCVN 2737 : 1995

+ Trường hợp cơ bản 1 bao gồm nội lực do tĩnh tải và một loại hoạt tải gây ra, giá trị hoạt tải được lấy toàn bộ.

+ Trường hợp cơ bản 2 bao gồm nội lực do tĩnh tải và 2 loại hoạt tải gây ra trở lên Các giá trị hoạt tải được nhân với hệ số tổ hợp là ψ = 0.9.

Quy tác tổ hợp tải trọng:

+ Tĩnh tải có trong mọi trường hợp tải trọng.

+ Nếu tổ hợp lực có hãm T thì phải kể đến Dmax, T phải nằm cùng phía với Dmax + Có thể kể đến Dmax mà không có T (Khi xe con đứng yên và cẩu hàng).

+ Tại mỗi tiết diện cần tìm ra 4 cặp nội lực sau:

3.4 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên khung

- Tĩnh tải tác dụng lên khung (TT) - Hoạt tải mái trái (HTMT)

- Hoạt tải mái phải (HTMP)

- Áp lực lớn nhất tác dụng lên cột trái (DMAXT)

Hình 3.3 : tĩnh tải Hình 3 3: Hoạt tải mái trái

Hình 3 4: Hoạt tải mái phải Hình 3 5: Áp lực cầu trục (DMAXT)

Hình 3 10: TMAXPA Hình 3 11: Gió trái

Hình 3 12: Gió phải

Hình 3 13: Moment do tĩnh tải

Hình 3 14: Moment do hoạt tải mái trái Hình 3 15: Moment do hoạt tải mái phải

Hình 3.17 : Monent do

Hình 3 20: Moment do gió trái Hình 3 21: Moment do gió phải

Hình 3 22: Moment cầu trục lên cột trái Hình 3 23: Moment cầu trục lên cột phải

Hình 3 24: Biểu đồ bao moment Hình 3 25: Biểu đồ bao lực cắt

Hình 3 26: Biểu đồ bao lực dọc

3.5 Bảng thống kê tổ hợp nội lực

3.5.1.1 Kiểm tra chuyển vị đứng

- Theo mục 5.3.4 TCVN 5575 – 2012 chuyển vị ngang của đỉnh khung nhà một tầng không vượt quá L/300 chiều cao khung Kiểm tra theo TTGH II nên dùng tải trọng tiêu chuẩn.

Hình 3 27: Chuyển vị đứng của khung

Kiểm tra chuyển vị đứng với tổ hợp tải trọng TH3: TT + HTT + HTP

Hình 3 28: Chuyển vị ngang của khung

Kiểm tra chuyển vị ngang với tổ hợp tải trọng:TH22: TT + 0.9(GT + Dmax trái + Tmax trái dương)

Cột chịu nén lệch tâm, tiết diện đối xứng, đặc Nội lực lớn nhất lấy ở tiết diện chân cột.- Nội lực tính toán được trình bày trong bảng sau.

Dmax phải + Tmax âm) -193.912 -321.6 -61.5 Đặc trưng hình học tiết diện cột:

Chiều dài tính toán cột trong mặt phẳng khung:

Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột tiết diện không đổi xác định theo công thức:

l  H

Trong đó:

H: là chiều dài thực tế của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột

𝜇: là hệ số chiều dài tính toán, cột liên kết ngàm với móng, hệ số µ được xác định như sau:

• 4.2 Kiểm tra điều kiện khống chế độ mảnh me Độ lệch tâm tương đối tính đổi: me m

m: là độ lệch tâm tương đối: Wx

Bảng 4 4: Kiểm tra điều kiện khống chế độ mảnh

 Cấu kiện chịu kéo lệch tâm

Trong đó: - An là diện tích tiết diện thực của cấu kiện - Wn là mô đun kháng uốn của tiết diện thực

2 259.445 157.83 6.856

0.67 1.20 8.227 Không cần kiểm tra 3 187.272 317.2 2.462 1.47 3.619 Không cần kiểm tra

4.4 Kiểm tra điểu kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung

Trong các trường hợp xét tiết diện A = 151.6 cm2

Hệ số e tra Bảng D.10, Phụ lục D, TCVN 5575:2012

 , me lấy từ bảng 4.3 ứng với từng trường hợp, sau đó tra bảng suy ra eKiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng cột:

Ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung được xác định theo công thức:

Hệ số c kể đến ảnh hưởng của moment uốn M, và hình dạng tiết diện đối với ổn định cả cột theo phương vuông góc với mặt phẳng uốn, phụ thuộc vào mx (Mục 7.4.2.5 TCVN 5575 – 2012)

M1, M2 lần lượt là moment lớn nhất ở một đầu và moment tương ứng ở đầu kia cùng tổ hợp tải trọng vàgiữ đúng dấu của nó

M là giá trị lớn nhất ở 1/3 đoạn cột về phía có M lớn hơn.

φb được tính theo phụ lục E, TCVN 5575:2012 (phụ thuộc hệ số α và hệ số ψ như trong dầm có cánhchịu nén với một điểm cố kết ở giữa nhịp) như đã tính toán bên trên ta có 𝜑𝑏=1

Bảng 4 7: Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

Theo Mục 7.6.2.2, TCVN 5575:2012, đối với cột chịu nén lệch tâm và nén uốn, tiết diện chữ I hoặchình hộp mà điều kiện ổn định được kiểm tra theo điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn thìgiá trị giới hạn của hw/tw phụ thuộc vào giá trị của thông số    1 / (với  là ứng suất nén lớnnhất tại biên của bản bụng, mang dấu “+”, khi không kể đến các hệ số φe, φexy hoặc cφ, 1 là ứng suất tạibiên tương ứng của bản bụng)

Trong đó: y1, y2 là khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến thớ chịu kéo và chịu nén của bản bụng , với

tiết diện đối xứng thì

Thông số đầu vào gồm có:

 Thỏa điều kiện ổn định bản bụng cột

Liên kết bản cánh và bụng cột tổ hợp chịu lực cắt V sinh ra do uốn dọc, chọn cặp nội lực gây cắt lớn

Hình 3 27: Chuyển vị ngang của khung

Kiểm tra chuyển vị ngang với tổ hợp tải trọng:TH22: TT + 0.9(GT + Dmax trái + Tmax trái dương)