đồ án kết cấu công trình thép

Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I.. Do tính chất làm việc của khung ngang chịu tải6trọng bản thân và tải trọng gió là chủ yếu

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021CHƯƠNG 1: KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG 1.1 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 kếtngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu cấu tạo thoát nước, chọn xà ngang có

độ dốc    (tương đương i = 10 %) Do tính chất làm việc của khung ngang chịu tải6trọng bản thân và tải trọng gió là chủ yếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở vịtrí nách khung thường lớn hơn nhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp Cấu tạo xà ngang có tiếtdiện 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 cửamái là 2 m và chiều rộng cửa mái là 4 m

Hình 1 1: Sơ đồ khung ngang

1.1.1 Số liệu thiết kế

Nhà công nghiệp có cầu trục:

Cường độ tính toán: f = 210 MPa.

Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn: fu = 340 MPa

fv = 116 MPa, fy = 220 MPa

Cấp độ bền của bê tông: B20

Kết cấu bao che: tôn

Que hàn N42 hoặc tương đương: f wt 180 MPa.

Phương pháp hàn bán tự động, phương pháp kiểm tra thông thường.Với sức trục Q = 16 T và nhịp nhà L = 27 m ta tra bảng được:

Chiều cao của cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà ngang:

H là chiều cao ray và đệm, lấy bằng 200 mm.

Chiều cao của phần cột tính từ mặt móng đến mặt trên của vai cột:

Hình 1 3: Kích thước khung ngang

1.2.2 Chọn sơ bộ tiết diện

b Tiết diện dầm mái

Vậy tiết diện tại nút khung là I – 700x300x8x12

Tiết diện tại đỉnh khung là: I – 400x300x8x12

Hình 1 6: Tiết diện dầm mái

c Tiết diện vai cột

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

Chiều cao dầm vai tại điểm đặt lực: max

d Tiết diện các cấu kiện cửa trời

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

Chiều cao cửa trời: 0.5 4 2 m  

Chiều cao cột và dầm mái cửa trời là 200 mm

Bề rộng cánh cột và dầm mái cửa trời là 100 mm

Bề dày bản bụng của cột và dầm mái cửa trời là tw  6 mm

Bề dày bản cánh của cột và dầm mái cửa trời là tf  8 mm

Tiết diện dầm, cột cửa trời là I - 200x100x6x8.

Đối với các công trình bằng thép, do vật liệu có cường độ cao nên tiết diện thường nhỏ,

độ mảnh lớn Vì vậy, hệ giằng là một bộ phận rất quan trọng trong nhà thép tiền chế Cáctác dụng của hệ giằng như sau:

− Đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng không gian cho kết cấu chịu lực

− Chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, vuông góc với mặt phẳng khungnhư gió thổi lên tường đầu hồi, lực hãm cầu trục, động đất, và truyền tải trọng nàyxuống móng

− Bảo đảm ổn định (hay giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng) cho cột, dầmmái

− Tạo điều kiện thuận lợi, an toàn cho việc thi công lắp dựng

Hệ thống giằng nhà có thể được chia thành 2 nhóm: hệ giằng cột và hệ giằng mái

1.3.1 Hệ giằng mái

Hình 1 9: Mặt bằng giằng mái

1.3.2 Hệ giằng cột

Hình 1 10: Mặt đứng giằng cột

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI VÀ SƯỜN TƯỜNG 2.1 Thiết kế xà gồ mái

b xg (mm)

t (mm)

I x (cm 4 ) I y

(cm 4 )

W x (cm 3 )

W y (cm 3 )

G (kN/ m)

Hệ giằng: sử dụng thép 𝜙16, tải trọng tiêu chuẩn g = 0.0158 kN/m Dựa theo sơ đồ bố trí

hệ giằng ta có tổng chiều dài hệ giằng mái là 216 m, tổng chiều dài hệ giằng xà gồ là270m

Theo TCVN 2737:1995, mái tôn không sử dụng có giá trị hoạt tải sửa chữa tiêu chuẩn ptc

= 0.3 kN/m2 mặt bằng nhà, do đó hoạt tải sửa chữa phân bố lên dầm mái:

Theo điều kiện bền : W W

y x

M M

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 động c = - 0.4 Vùng gió IIB nên W0 = 0.95 (kN/m2 ) Chiều cao cột H = 10 (m) vàdạng địa hình B nên lấy k = 1.00

Lực gió bốc theo phương vuông góc với mặt phảng mái:

 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)

t (mm)

I x (cm 4 )

I y (cm 4 )

W x (cm 3 )

W y (cm 3 )

G (kN/m)

M M

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: NỘI LỰC KHUNG 3.1 Sơ đồ tính khung ngang

Liên kết của khung được xác định như sau:

(1): Liên kết cột với dầm là liên kết nút cứng

(2): Liên kết giữa dầm với dầm là liên kết nút cứng

(3): Liên kết giữa chân cột với móng là liên kết ngàm

(4): Liên kết cửa trời vào khung là liên kết nút cứng

Hình 3 1: Sơ đồ tính khung ngang

(m)

Trọng lượngcầu trục G(kN)

- Số bánh xe một bên ray dầm cầu trục: n0= 2

- Lực ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe cầu trục:

- Tính toán cầu trục như dầm đơn giản

- Hệ số độ tin cậy tải trọng n= 1.3 (do sức trục P < Q =160 kN)

- Hệ số động lực k1, k2 (đối với cầu trục làm việc bình thường): 1

623

3000 6000

830

415 415

207

Hình 3 2: Đường ảnh hưởng momen của cầu trục

Sơ đồ đường ảnh hưởng lực cắt: P = 127.075 kN

Hình 3 3: Đường ảnh hưởng lực cắt của cầu trục

 

31.4 25

• Kiểm tra điều kiện bền:

Đối với cánh dưới cầu trục:

M

f W



 Thoả điều kiện

• Kiểm tra ứng suất tiếp tại gối:

 Thoả điều kiện

• Kiểm tra ứng suất tiếp tại Mmax:

 Thoả điều kiện

• Kiểm tra ứng suất tương đương tại chỗ tiếp giáp giữa bản bụng và bản cánh:

3.3 Tải trọng tác dụng lên khung

3.3.1 Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

 Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái:

- Tôn ASEM, tải trọng tiêu chuẩn c 0.0422 kN/m 2

 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

xà gồ là 540 m cho 1 bên tường dọc nhà

- Tải trọng phân bố của hệ giằng:

3.3.2 Hoạt tải sửa chữa mái

Theo TCVN 2737:1995, mái tôn không sử dụng có giá trị hoạt tải sửa chữa tiêu chuẩn

Bề rộng

gabarit cầu

trục Bk (m)

Khoảng cáchbánh xe Kk

(m)

Trọng lượngcầu trục G(kN)

Hình 3 6: Đường ảnh hưởng phản lực gối tựa dầm cầu trục

- Áp lực đứng lên vai cột được xác định theo công thức:

• n = 1.1: hệ số độ tin cậy

• nc = 0.85: hệ số tổ hợp, khi có hai cầu trục chế độ làm việc nhẹ và trung bình

• ∑ 𝑦𝑖: tổng tung độ các đường ảnh hưởng tại vị trí các bánh xe, lấy với tung độ ở gốibằng 1

▪ n = 1.2 là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió

▪ k: hệ số phụ thuộc vào độ cao

▪ c: hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu

▪ B: bước khung

Hình 3 7: Sơ đồ tra hệ số khí động (gió thổi ngang nhà, từ trái sang)

Bảng 3 2: Tải trọng gió theo phương ngang nhà

6 Mái khuất gió 11.4 1.0224 -0.500 -3.497

3.4 Các trường hợp tải trọng & tổ hợp tải trọng

3.4.1 Các trường hợp tải trọng

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

6 Dmax trái + Tmax dương Áp lực Dmax ở cột trái + Áp lực ngang hướng sang phải

7 Dmax trái + Tmax âm Áp lực Dmax ở cột trái + Áp lực ngang hướng sang phải

8 Dmax phải+Tmax dương Áp lực Dmax ở cột phải + Áp lực ngang hướng sang phải

9 Dmax phải + Tmax âm Áp lực Dmax ở cột phải + Áp lực ngang hướng sang phải

3.4.2 Tổ hợp tải trọng

❖ Tổ hợp tải trọng gồm:

• Tổ hợp cơ bản 1: gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và một hoạt tải (n = 1)

• Tổ hợp cơ bản 2: gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và nội lực do các hoạt tải gây

ra (hệ số tổ hợp n = 0.9)

❖ Tại mỗi tiết diện cần tìm 3 cặp nội lực:

• Tổ hợp gây mô men dương lớn nhất Mmax và lực nén, lực cắt tương ứng Ntu, Vtu

• Tổ hợp gây mô men dương nhỏ nhất Mmin và lực nén, lực cắt tương ứng Ntu, Vtu

• Tổ hợp gây lực dọc lớn nhất Nmax và mô men, lực cắt tương ứng Mtu, Vtu

❖ Khi tổ hợp tải trọng cần theo nguyên tắc sau:

• Nội lực do tải trọng thường xuyên luôn được kể đến trong mọi trường hợp

• Không được lấy đồng thời hai tải trọng Dmax (áp lực đứng lên vai cột) ở cột trái củakhung và Dmax ở cột phải của khung

• Không lấy đồng thời tải gió ngang nhà và gió dọc nhà (có gió trái thì không có gió phải)

• Khi kể đến nội lực do lực hãm T, phải kể đến nội lực do áp lực đứng Dmax, Dmin Do điềukiện làm việc thực tế của cầu trục, lực hãm ngang có thể coi đặt vào cột này hay cột kia

dù trên cột có Dmax hay Dmin Lực T này thay đổi nên các trị số nội lực sẽ mang dấu ±, do

đó khi đã xét nội lực do T thì luôn cộng thêm nội lực do T

Bảng 3 4: Các tổ hợp tải trọng tác dụng lên khung

TH29 1 0.9 0.9

3.5 Mô hình hoá kết cấu

Sử dụng phần mềm Etabs để mô hình & tính toán nội lực cho kết cấu công trình

Hình 3 8: Mô hình tiết diện khung ngang

3.4.1 Sơ đồ tính các loại tải trọng

 Tĩnh tải

Hình 3 9: Sơ đồ tính tĩnh tải

 Hoạt tải mái trái

Hình 3 10: Sơ đồ tính hoạt tải mái trái

 Hoạt tải mái phải

Hình 3 11: Sơ đồ tính hoạt tải mái phải

 Gió trái

Hình 3 12: Sơ đồ tính tải gió trái

 Gió phải

Hình 3 13: Sơ đồ tính tải gió phải

 Tải D max bên trái + T max dương

Hình 3 14: Sơ đồ tính tải Dmax bên trái + Tmax dương

 Tải D max bên trái + T max âm

Hình 3 15: Sơ đồ tính tải Dmax bên trái + Tmax âm

 Tải D max bên phải + T max dương:

Hình 3 16: Sơ đồ tính tải Dmax bên phải + Tmax dương

 Tải D max bên phải + T max âm:

Hình 3 17: Sơ đồ tính tải Dmax bên phải + Tmax âm

3.4.2 Biểu đồ bao

Hình 3 18: Biểu đồ bao momen

Hình 3 19: Biểu đồ bao lực cắt

Hình 3 20: Biểu đồ bao lực dọc

3.4.3 Kiểm tra chuyển vị của công trình

a Chuyển vị đứng

Hình 3 21: Chuyển vị đứng của khung

Kiểm tra chuyển vị đứng với tổ hợp tải trọng TH9: TT + HTT + HTP

Hình 3 22: 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)

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CỘT 4.1 Thông số chung

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

Bảng 4 2: Kích thước 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 côngthức:

x

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 nhưsau:

0.560.14

n n



 

n: là tỷ số độ cứng giữa xà và cột

cot

105804.9 10

0.3704105804.9 27

13.5 100

46.60228.969

me Độ lệch tâm tương đối tính đổi: m e m

m N

𝜂: là hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện được nội suy từ  , m, w

f

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

4.3 Kiểm tra điều kiện bền

 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

Kiểm tra bền khi cột có độ lệch tâm quy đổi me > 20

Bảng 4 5: Kiểm tra điều kiện bền cấu kiện chịu nén

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

1.486

x

  , me lấy từ bảng 4.3 ứng với từng trường hợp, sau đó tra bảng suy ra e

Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng cột:

4.5 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

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

Độ lệch tâm tương đối:

'W

x

x

m N

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 trongdầm có cánh chịu nén với một điểm cố kết ở giữa nhịp) như đã tính toán bên trên ta có

of f

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

4.8 Thiết kế liên kết bản cánh với bản bụng

Liên kết bản cánh và bụng cột tổ hợp chịu lực cắt V sinh ra do uốn dọc, chọn cặp nội lựcgây cắt lớn nhất để tính: (Trường hợp: M = 320.764 kNm; N = 6.25 kN; Q =75.68 kN).Điều kiện bền của đường hàn góc liên kết bản cánh với bản bụng cột:

f f

x c

QS h

4.9 Chuyển vị ngang

Hình 3 23: 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)

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÀ NGANG 5.1 Tiết diện tại nút khung

Hình 5 1: Tiết diện dầm mái tại nút khung

Đặc trưng hình học tiết diện dầm:

9 9 9 6 8 0

- Chiều dài tính toán dầm:

+ Trong mặt phẳng khung: lx = 27 (m)

+ Ngoài mặt phẳng khung: ly là khoảng cách hai xà gồ mái; 𝑙𝑦 = 1.2 (m)

5.1.2 Kiểm tra điều kiện cường độ

 Điều kiện bền chịu nén uốn

 Thỏa điều kiện bền chịu nén uốn

 Điều kiện bền chịu cắt

- Cường độ chịu cắt tính toán của thép: f v 0.58f 0.58 21 12.18 kN/cm   2

 Thỏa điều kiện bền chịu cắt

 Điều kiện bền chịu nén uốn và cắt đồng thời

w 1

 Thỏa điều kiện bền chịu uốn và cắt đồng thời

5.1.3 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể

- Khoảng cách giữa 2 điểm giằng cánh trên của xà gồ 𝑙0 = 1.2 (m)

- Xét tỉ số giới hạn kích thước bản cánh của tiết diện:

0 1.2

40.3

f

l

Theo bảng 13 TCVN 5575:2012 ta có:

5.1.4 Kiểm tra điều kiện ổn định bản bụng và bản cánh

 Thoả mãn điều kiện ổn định bản bụng

5.2 Kiểm tra tiết diện tại đỉnh khung

Hình 5 2: Tiết diện dầm mái tại đỉnh khung

Đặc trưng hình học tiết diện dầm:

Bảng 5 3: Kích thước hình học tiết diện cột

5401

7.274

102.0

5.2.2 Kiểm tra điều kiện cường độ

 Điều kiện bền chịu nén uốn

 Thỏa điều kiện bền chịu nén uốn

 Điều kiện bền chịu cắt

- Cường độ chịu cắt tính toán của thép: f v 0.58f 0.58 21 12.18 kN/cm   2

 Thỏa điều kiện bền chịu cắt

 Điều kiện bền chịu nén uốn và cắt đồng thời

w 1

 Thỏa điều kiện bền chịu uốn và cắt đồng thời

5.2.3 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể

- Khoảng cách giữa 2 điểm giằng cánh trên của xà gồ 𝑙0 = 1.2 (m)

- Xét tỉ số giới hạn kích thước bản cánh của tiết diện:

0 1.2

40.3

5.5.4 Kiểm tra điều kiện ổn định bản bụng và bản cánh

x c

QS h

Trong đó:

Sf : là momem tĩnh của bản cánh đối với trục x-x

 Chọn chiều cao đường hàn góc: hf = 6 (mm)

5.4 Kiểm tra chuyển vị

Hình 3 24: Chuyển vị đứng của khung

Kiểm tra chuyển vị đứng với tổ hợp tải trọng TH9: TT + HTT + HTP

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ LIÊN KẾT 6.1 Thiết kế liên kết chân cột

Nội lực tính toán: Chọn tổ hợp tải trọng có M max

tại chân cột để tính toán:

M = 320.764 (kNm), N = 6.25 (kN), Q = 75.68 (kN)

6.1.1 Cấu tạo liên kết chân cột

Hình 6 1: Chi tiết chân cột

+ Cường độ chịu nén cục bộ của bê tông móng:

+ 𝜎𝑖 là ứng suất phản lực của bê tông móng trong ô bản thứ i

+ 𝛼𝑏 là hệ số tra bảng, phụ thuộc vào loại ô bản và tỷ số các cạnh của chúng

Với ô bản kê 3 cạnh: d = a2 ; 𝛼𝑏 tra bảng theo tỷ số b2/a2 (a2 là chiều dài biên tự do;

b2 là cạnh vuông góc với biên tự do);

Với ô bản kê 2 cạnh: Lấy như ô bản kê 3 cạnh với các kích thước như hình sau:

130 175

ô 1

482

Hình 6 2: Kích thước và ứng suất của bản đế

Khoảng cách từ biên bản đế có σmax đến điểm có ứng suất bằng không, y = 482 mmỨng suất lớn nhất tác dụng lên ô bản số 1:  0.419 kN/cm 2

b

 Vậy chọn chiều cao của dầm đế ℎdd = 25 (cm)

Hình 6 3: Sơ đồ tính dầm đế

Dầm đế được hàn vào bản đế và bản cánh cột nên sơ đồ làm việc của dầm đế được xemnhư 1 dầm conson tại cánh cột, tải trọng phân bố đều tác dụng lên dầm đế với bề rộngtruyền tải ad là:

 Dầm đế đảm bảo khả năng chịu uốn

Kiểm tra khả năng chịu cắt dầm đế:

 Dầm đế đảm bảo khả năng chịu cắt

Kiểm tra khả năng chịu cắt, uốn đồng thời của dầm đế: