đồ án kết cấu thép thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng một nhịp

Theo phương ngang - Chọn chiều cao tiết diện cột theo yêu cầu độ cứng: Thiết kế lấy số liệu từ bảng II.3 Sách với số liệu của L k=25.5 m - Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung... C

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MỤC LỤC

Lời cám ơn 1

Tóm tắt 3

CHƯƠNG 1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG 8

1.1 Theo phương đứng 8

1.2 Theo phương ngang 8

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI ( XÀ GỒ NGÔ LONG) 9

2.1 Tải trọng tác dụng lên mái 10

2.1.1 Tĩnh tải 10

2.1.2 Hoạt tải 10

2.1.3 Tải trọng gió 10

2.2 Kiểm tra tiết diện xà gồ 11

2.2.1 Tổng tải trọng tác dụng lên xà gồ 11

2.2.2 Nội lực xà gồ 11

2.2.3 Kiểm tra tiết diện xà gồ 11

2.3 Xà gồ tường 12

*Kiểm tra xà gồ tường 12

*Điều kiện biến dạng 13

CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG 14

3.1 Tĩnh tải 14

3.1.1 Tải trọng mái và xà gồ, trần treo kĩ thuật 14

3.1.2 Tải trọng bản thân của tôn tường và xà gồ tường 14

3.1.3 Trọng lượng bản thân dầm cầu trục 14

3.2 Hoạt tải mái 15

3.3 Tải trọng gió 17

3.4 Hoạt tải cầu trục 19

3.4.1 Áp lực đứng của cầu trục 19

3.4.2 Lực hãm ngang của cầu trục 21

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH NỘI LỰC 23

4.1.1 Mô hình 24

4.2 Tổ hợp tải trọng 26

4.3 Kiểm tra điều kiện chuyển vị 32

4.3.1 Kiểm tra tại đỉnh công trình 32

4.3.2 Kiểm tra tải đỉnh cột 33

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ CỘT 34

5.1 Thiết kế tiết diện cột 34

5.1.1 Xác định chiều dài tính toán 34

5.1.2 Chọn và kiểm tra tiết diện 34

5.1.3 Kiểm tra tiết diện (vai cột Nmax, Mlớn) 35

5.1.4 Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng 37

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ XÀ NGANG 39

6.1 Thiết kế tiết diện đầu xà (đoạn xà 1) có tiết diện thay đổi(5 m) 39

6.1.1 Nội lực đầu xà 39

6.1.2 Chọn tiết diện xà ngang theo yêu cầu cấu tạo 39

6.2 Đoạn xà thứ 2 (8.5m) 41

CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT 43

7.1 Chi tiết vai cột 43

7.1.1 Sơ bộ tiết diện 43

7.1.2 Tính các đặc trưng hình học của tiết diện dầm vai 44

7.1.3 Kiểm tra tiết diện 44

7.1.4 Tính toán đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột 45

7.2 Thiết kế chân cột 46

7.2.1 Xác định kích thước bản đế 46

7.2.1 Tính toán dầm đế 49

7.2.2 Tính toán sườn A 49

7.2.3 Tính toán sườn B 50

7.2.4 Tính bu lông neo 51

7.2.5 Tính toán đường hàn liên kết cột với bản đế 52

7.3 Liên kết cột với xà ngang 53

7.3.1 Tính toán mặt bích 53

7.3.3 Tính toán đường hàn liên kết cột (xà ngang) với mặt bích: 55

7.4 Thiết kế mối nối đỉnh xà 56

7.4.1 Bố trí sơ bộ bu lông và chọn kích thước bản bích 56

7.4.2 Khả năng chịu cắt của 1 bu lông 57

7.4.3 Khả năng chịu ép mặt của 1 bu lông 57

7.4.4 Khả năng chịu kéo của 1 bu lông 57

7.4.5 Tính toán bu long 57

7.4.6 Kiểm tra khả năng chịu kéo của bulong 58

7.4.7 Kiểm tra khả năng chịu cắt của bulong 58

7.4.8 Thiết kế mặt bích 58

7.4.9 Tính toán đường hàn 58

7.5 Thiết kế mối nối xà( ở nhịp) 60

7.5.1 Bố trí sơ bộ bu lông và chọn kích thước bản bích 60

7.5.2 Khả năng chịu cắt của 1 bu lông 61

7.5.3 Khả năng chịu ép mặt của 1 bu lông 61

7.5.4 Khả năng chịu kéo của 1 bu lông 61

7.5.5 Tính toán bu long 61

7.5.6 Kiểm tra khả năng chịu kéo của bulong 61

7.5.7 Kiểm tra khả năng chịu cắt của bulong 61

7.5.8 Thiết kế mặt bích 62

7.5.9 Tính toán đường hàn 62

7.6 Liên kết bản cánh với bụng cột và xà ngang 63

7.6.1 Xà ngang 63

7.6.2 Cột 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

THIẾT KẾ KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG MỘT NHỊP

CHƯƠNG 1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ

Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp với các

số liệu cho trước như sau:

Chiều caođỉnh ray H1

(m)

Chiều dàinhà(m)

2 Cầu trụcsức trục Q(T)

Vùng

áp lựcgió

Dạngđịa hình

CHƯƠNG 2 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG

Phần cột chôn dưới cốt mặt nền: H3=0 m (coi mặt móng ở cốt 0.0m)

- Chiều cao phần cột trên, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang:

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

2.2 Theo phương ngang

- Chọn chiều cao tiết diện cột theo yêu cầu độ cứng:

Thiết kế lấy số liệu từ bảng II.3 (Sách với số liệu của L k=25.5 m

- Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung

*Hình Minh Họa: Khung Ngang*

Trọng lượng (kG/m) Z250x72x3 2.5 1153.326 90.982 120.184 15.968 12.6 9.89

*Tiết diện xà gồ Z-250x72x3*

Hình ảnh minh họa

- Độ dốc i = 14% => α = 7.970

- Chọn khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt phẳng mái là: 1.2m

3.1 Tải trọng tác dụng lên mái

3.1.4 Tải trọng gió (gió bốc tác dụng lên xà gồ)

- Trường hợp gió ngang nhà:

Áp lực gió tiêu chuẩn: Wo = 0.83 kN/m2 (thuộc phân vùng gió IIA)

Hệ số vượt tải của tải trọng gió: n = 1.2

Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình B:

K1 =1.032 (gió bốc với chiều cao mái =12.042 (m)

K2 =1.014 (cột đón và hút gió với chiều đỉnh cột =

- Chọn kết quả tải trọng từ tổ hợp 1 để kiểm tra (Vì tổ hợp này có ngoại lực lớn hơn)

3.2 Kiểm tra tiết diện xà gồ mái

→ Thõa điều kiện bền

Trong đó:

+ c = 0.9 hệ số điều kiện làm việc

+ f = 230 MPa : cường độ của thép xà gồ (CCT38)

- Điều kiện biến dạng (độ võng):

→ Thõa điều kiện độ võng

3.3 Kiểm tra tiết diện Xà gồ tường

- Ta chọn xà gồ tường tiết diện Z300x72x3có các đặc trưng hình học như sau:

Trọng lượng (kG/m) Z300x72x3 3 1781.26

7

117.269

120.21

3.3.3 Kiểm tra tiết diện xà gồ

- Kiểm tra điều kiện bền:

→ Thỏa mãn điều kiện bền.

- Điều kiện biến dạng (độ võng):

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG 4.1 Tĩnh tải

4.1.1 Tải trọng do tôn, xà gồ, trần treo kĩ thuật và xà ngang

Ta lấy trọng lượng bản thân các tấm lợp, cách nhiệt, xà gô mái là 0,15(kN/m2)

0,15× B

0,15 ×8

4.1.2 Tải trọng bản thân của tôn tường và xà gồ tường

Quy thành tải tập trung tại đỉnh cột, ta lấy sơ bộ trọng lượng bản thân bằng 0.15 (kN/m2)

0.15 × H × B=0.15× 10.88 ×8=13.056(kN )

4.1.3 Trọng lượng bản thân dầm cầu trục

Trọng lượng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1 kN /m Quy thành tải tập trung và momen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:

*Giá trị tĩnh tải (TT) tác dụng lên khung*

4.2 Hoạt tải mái

theo TCVN 2737-1995 trị số hoạt tải do thi công, sửa chữa có giá trị tiêu chuẩn

*Hoạt tải mái trái (HTMT)*

*Hoạt tải mái phải (HTMP)*

*Gió phải (WINDP)*

4.4 Hoạt tải cầu trục

Từ dữ liệu đầu bài ta và tra theo Bảng II.3 ở trong giáo trình của Đoàn Tuyết Ngọc và các tác giả, ứng với giá trị của sức trục Q=25(T) ta có các thông số sau :

4.4.1 Áp lực đứng của cầu trục

Áp lực đứng Dmax, Dmin của dầm cầu trục truyền qua dầm cầu trục thành tải trọng tậptrung đặt tãi vai cột Trị số của Dmax, Dmin có thể xác định bằng đường ảnh hưởng của phản lực gối tựa dầm cầu trục khi các bánh xe cầu trục di chuyển đến vị trí bất lợi nhất Với khung một nhịp cần xét tải trọng của hai cầu trục đặt sát nhau

hệ số tổ hợp khi xét đến tải trọng do cẩu trục nc = 0.85.( chế độ làm việc trung bình)

γ P=1.1 là hệ số vượt tải của hoạt tải cầu trục

Pmax- áp lực lớn nhất tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray

Pmin- áp lực nhỏ nhất tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray

Mmintc =Dmintc × e=106 × 0.7=74.2(kN m)

*Cầu trục lên cột trái (DMAXT)*

*Cầu trục lên cột phải (DMAXP)*

4.4.2 Lực hãm ngang của cầu trục

- Lực hãm tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray:

- Hệ số vượt tải lực hãm cầu trục là 1.1

*Lực hãm lên cột trái hướng sang trái (TTRAIT)*

*Lực hãm lên cột trái hướng sang phải (TTRAIP)*

*Lực hãm lên cột phải hướng sang phải (TPHAIP)*

*Lực hãm lên cột phải hướng sang trái (TPHAIT)*

CHƯƠNG 5 XÁC ĐỊNH NỘI LỰC

5.1 Chọn sơ bộ tiết diện

˗ Chiều cao tiếc diện cột chọn từ điều kiện độ cứng:

Các trường hợp nhập tải vào mô hình tính

Trường hợp Kí hiệu Giá trị tiêu chuẩn Hệ số vượt tải

Tải Tập trung tại đỉnh cột: 13.056kNTải Tập trung tại vai cột:

8 kNMomen tập trung tại vai cột: 5.6kN.m

áp lực đứng max

Cột trái:397 kN; 277.9 kNmCột phải:106 kN; 74.2 kNm 1.1

áp lực đứng max

Cột trái: 106 kN; 74.2 kNmCột phải: 397 kN; 277.9 kNm 1.1hãm trái

Cột trái: 8kN/mCột phải: 3.36kN/mMái trái: -2.67kN/mMái phải: -2.74kN/m

1.2

Cột trái: 3.36kN/mCột phải: 8 kN/mMái trái: -2.74kN/mMái phải: -2.67 kN/m

1.2

5.3 Tổ hợp tải trọng

-Ta cần xét hai tổ hợp cơ bản:

+ Tổ hợp cơ bản 1: gồm nội lực do tĩnh tải và một hoạt tải gây ra (hệ số tổ hợp nc=1)+ Tổ hợp cơ bản 2: gồm nội lực do tĩnh tải và các hoạt tải bất lợi(hệ số tổ hợp nc=0,9)-Nguyên tắc khi tổ hợp tải trọng:

+ Nội lực do tĩnh tải luôn kể đến trong mọi trường hợp

+ Khi đã kể lực hãm T thì phải có lực đứng Dmax, Nội lực do Dmax xét ở phía cột nàothì nội lực hãm ngang T phải kể đến ở phía cột đó

+ Có thể kể tới lực đứng Dmax mà không cần kể tới lực hãm T

*Số hiệu các phần tử thanh của khung ngang

˗ Kết quả nội lực chi tiết của từng tổ hợp tải được tổng hợp trong file excel (nôi

lực của khung.xlsx)

5.4 Kiểm tra điều kiện chuyển vị

5.4.1 Kiểm tra tại đỉnh công trình

*Chuyển vị tại đỉnh xà ngang dựa theo biểu đồ bao ES*

 điều kiện kiểm tra: (Điều 5.3.5 TCVN 5575-2012)

27.6

5.4.2 Kiểm tra tải đỉnh cột

*Chuyển vị tại đỉnh cột dựa theo biểu đồ bao ES*

 Điều kiển kiểm tra:

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ CỘT

6.1 Thiết kế tiết diện cột

Từ giá trị tổ hợp nội lực, ta chọn tổ hợp có momen và lực dọc nguy hiểm nhất (U14)

U14-vị trí mặt trên vai cột(cao độ +8.1m)

6.1.2 Chọn và kiểm tra tiết diện

Tiết diện chọn sơ bộ trước lúc lập mô hình là I-700x300x14x14

- Diện tích tiết diện:

- Bán kính quán tính của tiết diện đối với các trục chính:

6.1.3 Kiểm tra tiết diện

Độ lệch tâm tương đối mx

Nội suy trong bảng D.9 (TCVN 5575-2012)  η=1.31

Độ lệch tâm quy đổi me

Với η – hệ số ảnh hưởng của hình dạng tiết diện (Bảng D9 TCVN 5575 – 2012)

→ Thỏa mãn điều kiện ổn định trong mặt phẳng

e

N f A



+ Ngoài mặt phẳng

Trong đó:

φy: hệ số uốn dọc khi nén đúng tâm (Bảng D8, TCVN 5575 – 2012)

Ta có:

λy = 67, f = 230 MPa, nội suy ta được φy = 0.7759

c: hệ số xét ảnh hưởng của moment uốn và hình dạng tiết diện

-Để kiểm tra tiết diện cột theo điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung cần tính trị số momen tính từ 1/3 kể từ chiều cao cột dưới tính từ phía có momen lớn hơn

*Biểu đồ moment do tổ hợp tải U14 gây ra

c A



→ Thỏa mãn điều kiện ổn định ngoài mặt phẳng

6.1.4 Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng

 [h w

2)×√2.1 ×1 04

CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ XÀ NGANG

7.1 Thiết kế tiết diện đầu xà

7.1.2 Chọn tiết diện xà ngang theo yêu cầu cấu tạo

tiết diện đã chọn là I-700x300x14x14

Đặc trưng hình học của tiết diện

*Vì tiết diện đầu xà ngang có tiết diện bằng với tiết diện cột, vì thế đặc trưng hình học

của đầu xà ngang tương tự như cột*

Kiểm tra điều kiện bền :

Kiểm tra bền theo công thưc sau :

→ Thỏa điều kiện bền

˗ Tại tiết diện đầu xà có momen và lực cát cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng

suất tương đương tại chỗ tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng theo công thức sau:

→ Thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ bản cánh

Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng:

Như vậy tiết diện đã chọn thỏa mãn điều kiện về ổn định cục bộ

7.2 Thiết kế tiết diện đoạn xà không thay đổi tiết diện

Từ bảng tổ hợp nội lực ta chọn trường hợp gây ra momen nguy hiểm để tính:

Tiết diện đã chọn là I-400x300x14x14 Đặc trưng hình học của tiết diện

- Diện tích tiết diện:

Kiểm tra điều kiện bền :

Kiểm tra bền theo công thưc sau :

→ Thỏa điều kiện bền

˗ Tại tiết diện đầu xà có momen và lực cát cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng

suất tương đương tại chỗ tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng theo công thức sau:

→ Thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ bản cánh

Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng:

CHƯƠNG 8 THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT

8.1 Chi tiết vai cột

- Vai cột chịu tác dụng của tải trọng của dầm cầu trục và áp lực đứng của cầu trục:

- Sơ đồ tính của vai cột là 1 dầm console có tiết diện không đổi.

8.1.1 Sơ bộ tiết diện

- Bề rộng bản cánh dầm vai chọn bằng bề rộng cánh cột b f dv=30 cm; chọn sơ bộ chiều cao h dv=0.4 (m)

- Giả thiết bề rộng sườn gối dầm cầu trục bdct = 20cm Chọn sơ bộ bề dày các bản cánh dầm vai t f dv=1.4 cm Từ đó bề dày bản bụng dầm vai xác định từ điều kiện chịu ép cục

bộ do phản lực dầm cầu trục truyền vào theo công thức:

Hình 8.1 Chi Tiết 5 ( Vai đỡ dầm cầu trục )

8.1.2 Tính các đặc trưng hình học của tiết diện dầm vai

- Diện tích tiết diện:

→ Thỏa mãn điều kiện bền

Kiểm tra tiết diện dầm vai theo điều kiện ổn dịnh cục bộ bản cánh

- Ổn định cục bộ của bản cánh cột được kiểm tra theo công thức:

→ Bản cánh bảo đảm điều kiện ổn định cục bộ

- Ổn định cục bộ của bản cánh cột được kiểm tra theo công thức:

→ Bản cánh bảo đảm điều kiện ổn định cục bộ

8.1.4 Tính toán đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột

- Sử dụng que hàn N42, hàn tay, có cường tính toán kim loại hàn fwf = 180 MPa Thép

CT38 có cường độ chịu kéo tính toán f = 230 MPa, fu = 380 MPa ,γc = 0.95

- Chọn h f=0.9( cm)

- Chiều dài dài tính toán của đường hàn, liên kết dầm vai với bản cánh cột được tính

như sau:

+ Phía trên cánh (2 đường hàn): l w 1=b f dv−1=30−1=29 (cm)

+ Phía dưới cánh (4 đường hàn):l w 2=0.5 ×(b dv f

−t w dv

+ ở bản bụng (2 đường hàn):l w 3=h w dv−1=37.2−1=36.2( cm)

Từ đó diện tích tiết diện và momen chống uốn của các đường hàn trong liên kết ( coi lực

cắt chỉ do các đường hàn liên kết ở bản bụng chịu ):

τ td=√ (W M w)2+(A Q w)2=√ (155.68 ×1 02102 2)2+(65.16444.8)2=10.07(kN /cm2)≤(β f wf)× γ c=(0.7 ×18) ×0.95=11.97(kN /cm2) Thỏa mãn điều kiện bền

- Kích thước của cặp sườn gia cường cho bụng dầm vai

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực nguy hiểm nhất ở tiết diện chân cột để tính toán

(trường hợp có tỷ lệ Momen trên lực dọc lớn nhất đồng thời giá trị momen cũng lớn

8.2.1 Tính toán đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột

Căn cứ vào kích thước tiết diện cột đã chọn, dự kiến chọn phương án cấu tạo cho trường

hợp có vùng kéo trong bê tông móng với 4 bu long neo ở phía chân cột Từ đó xác định

Ở trên giả thiết bê tông móng mác B20 có R b=1.15(kN /cm2) (Bảng 7 TCVN 5575-1018)

và hệ số tăng cường độ φ b=1.16, từ đó xác định được

R b , loc=α φ b R b=1×1.16 × 1.15=1.334(kN /cm2)

Theo cấu tạo và khoảng cách bố trí bu lông neo, chiều dài của bản đế với giả thiết

Bản dày đế chân cột được xác định từ điều kiện chịu uốn của đế dưới tác dụng của ứng

suất phản lực trong bê tông móng Xếp các ô bảng đế:

 Ô bảng 1 (cạnh kê ba cạnh)

c=100÷150mm là phần nhô ra của bản đế theo phương h chọn c = 128mm

α = 1: khi mác bê tông không quá M350

φb: hệ số tăng cường độ bê tông khi nén cục bộ

Chọn theo điều kiện lớn hơn bf,có Bdđ=400mm

Kiểm tra lại theo điều kiện ép cục bộ của bê tông móng

Thỏa mãn điều kiện

Bề dày bản đế chân cột được xác định từ điều kiện chịu uốn của bản đế dưới tác dụng của ứng suất phản lực trong bê tông móng

Theo cấu tạo, chọn chiều cao của đường hàn liên kết dầm đế vào cột là h f=0.6 cm

Từ đó xác định được chiều dài tính toán của một đường hàn liên kết dầm đế vào cột:

- Kiểm tra lại tiết diện sườn theo ứng suất tương đương

- Chọn chiều cao đường hàn liên kết sườn A vào bản bụng cột là hf = 8mm

- Diện tích tiết diện đường hàn:

- Sơ đồ tính là dầm côngsôn ngàm vào dầm đế bằng 2 đường hàn liên kết Bề rộng diện

truyền tải vào sườn là 1.5ls = 1.5×128 =192mm

- Diện tích tiết diện đường hàn:

Bu lông neo được bố trí theo cấu tạo vì chân cột liên kết với móng là ngàm.

8.2.5 Tính toán đường hàn liên kết cột với bản đế

Sử dụng que hàn N42, hàn tay, có fwf = 180 MPa Thép CCT38 có cường độ chịu kéo tính toán f = 230 MPa, fu = 380 MPa ,γc = 0.95

Nội lực tại chân cột nguy hiểm nhất

Suy ra: (βf)min = min(βffwf, βsfws) = 126 MPa

Chiều cao đường hàn: hfmin < hf < 1.2tmin

Chiều dày lớn nhất của cấu kiện được hàn tbđ = 25 mm, → hfmin = 9 mm (tra bảng TCVN 5575 – 2012)