Luận văn: Kết cấu thép 2 doc

Tải trọng tác dụng lên xà gồ mái gồm tải trọng do các lớp mái truyền xuống, và chịu các hoạt tải sửa chữa mái khi mái h hỏng hoặc khi mái đợc bảo dỡng.. Tải trọng tác dụng lên xà gồ: Tải

Mục Lục

Mục Lục 2

2 Tải trọng tác dụng lên xà gồ: 6

2 Kiểm tra lại xà gồ vừa chọn: 7

II Xác định kích thước chính của khung ngang .9

1 Theo phương đứng 9

2 Theo phương ngang 10

3 Sơ đồ tính khung ngang .10

III Tải trọng tác dụng lên khung ngang 11

1.Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải) 11

Sơ đồ tính toán khung với 13

tải trọng thờng xuyên(tĩnh tải) 13

2.Hoạt tải: 13

2.1 Hoạt tải sửa chữa mái: 13

b) Lực hãm ngang của cầu trục 19

IV Xác định nội lực, tổ hợp nội lực 19

Quy ước chiều dương của nội lực theo Sức bền vật liệu 20

1 Sơ đồ tính kết cấu 20

2.Giả thiết : 20

VI Thiết kế cỏc chi tiết khỏc 38

1 Liờn kết cột và xà ngang 38

b) Tớnh toỏn mặt bớch 41

c) Tớnh toỏn đường hàn liờn kết tiết diện cột (xà ngang) với mặt bớch 42

2 Mối nối đỉnh xà 43

3 Mối nối xà (ở nhịp) .45

6 Liờn kết bản cỏnh với bản bụng cột và xà ngang 45

Số LIệU THIếT Kế Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp với các số liệu cho ở bảng sau:

STT L(m) H1(m) Q(T) B(m) i(%) Vùng gió Địa hình

1.Cấu tạo mái:

-Hệ thống mái thiết kế là mái nhẹ Tải trọng tác dụng lên xà gồ mái gồm tải trọng do các lớp mái truyền xuống, và chịu các hoạt tải sửa chữa mái khi mái h hỏng hoặc khi mái đợc bảo dỡng.

+ Cấu tạo mái bao gồm các lớp:

• Lớp mái: Gồm lớp tôn ngoài cùng, ở giữa là lớp bông thuỷ tinh cách nhiệt và trong cùng

là lớp lới thép bên trong

Tổng tải trọng 14,68 16,164

• Xà gồ: Ta chọn xà gồ chữ “ C ” là loại xà gồ đợc chế tạo từ thép cán nguội

cho toàn bộ dầm ngang và cột Chọn khoảng cách giữa các xà gồ là 1,5m

để tăng độ ổn định ngoài mặt phẳng uốn, ta cấu tạo hệ giằng xà gồ bằng thép

B(mm)

Chiều dầy (mm)

Diện tích (cm2)

Trọng ợng (kN/m)

l-6CS2,5ì070 195,2 2,04 30,34 150 64 1,8 5,39 0,0419

2 Tải trọng tác dụng lên xà gồ:

Tải trọng tác dụng lên xà gồ gồm: tải trọng tôn lợp mái, tải trọng lớp cách

nhiệt, tải trọng bản thân xà gồ và tải trọng do hoạt tải sửa chữa mái

• Tĩnh tải mái: Do trọng lợng kết cấu mái truyền xuống đợc tính toán và

thành lập bảng dới đây:

Tải trọng tính toán(kN/m2)

2 Kiểm tra lại xà gồ vừa chọn:

Xà gồ dới tác dụng của lớp mái, trọng lợng bản thân xà gồ và hoạt tải sữa chữa đợc tính toán nh cấu kiện chịu uốn xiên.Ta phân tải trọng tác dụng lên xà

gồ theo hai phơng Với trục x-x tạo với phơng ngang góc α=7,125 0 (độ dốc i = 12,5%).(cosα = 0,992; sinα = 0,124)

q =q cosα=0,913ì0,992=0,905 kN/m

tc tc y

q =q sinα=0,717ì0,124=0,089 kN/m

tt tt y

q =q sinα=0,913ì0,124=0,113kN/m

tt 2 2 x

y x

x y

W

M W

M

γ

≤ +

= σ + σ

=

σ

3 x

σ=17,08 < f.γ =23 kN/cm

→

+ Kiểm tra theo độ võng:

Vậy xà gồ đã chọn thoả mãn yêu cầu

II Xác định kích thước chính của khung ngang

1 Theo phương đứng.

*Xác định kích theo phơng đứng:

- Chiều cao H2 từ đỉnh ray cầu trục đến đáy xà ngang:

H2 = Hk + b Trong đó: - HK: Chiều cao cầu trục Hk = 870mm

- b : Khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang, lấy b = 300 mm

Trong đó: - Hdct: Chiều cao của dầm cầu trục, Hdct = 700 (mm)

- Hr : Chiều cao của ray, Hr = 300 (mm)

⇒ Htr = 1200 + 700 + 300 = 2200 (mm)

- Chiều cao cột tính từ cao trình mặt nền đến đỉnh cột ( dới đáy xà ngang) là:

Hc = H1 + H2+ H3 Trong đó: - H1 : Chiều cao từ mặt nền đến cao độ mặt ray (đề bài cho H1=4,8m)

- H3: Phần cột chôn dới mặt nền, lấy H3 = 0 (mm)

Hc = 4800 + 1200 + 0= 6000 (mm)

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

Hd = Hc - Htr

= 6000 - 2200 = 3800 (mm)

2 Theo phương ngang.

V× nhµ cã cÇu trôc víi søc n©ng Q=5T< 30T nªn coi trôc định vị trïng với mÐp ngo i cà ủa cột (a = 0)→ Nhịp của cầu trục l :à

k

L =L-2.λ=27-2.0,75=25,5m

λ = 0,75 m - đối với sức trục < 30 TChiều cao tiết diện cột chọn theo yªu cầu độ cứng :

-+ 0.000

3 Sơ đồ tÝnh khung ngang

Do sức n©ng của cầu trục kh«ng lớn nªn ta chọn phương ¸n cột tiết diện kh«ng đổi với độ cứng l à I1 V× nhịp khung l 27m nªn chà ọn phương ¸n xà

ngang cã tiết diện thay đổi h×nh nªm, dự kiến vị trÝ thay đổi tiết diện c¸ch đầu

x 4,5m Và ới đoạn x d i 4,5m, à à độ cứng ở đầu x v cuà à ối x l Ià à 1 v Ià 2 tương ứng (giả thiết độ cứng của x v cà à ột tại chỗ liªn kết x -cà ột như nhau) Với đoạn x d i 9m, à à độ cứng ở đầu v cuà ối x già ả thiết bằng I2 (tiết diện kh«ng đổi) Giả thiết sơ bộ tỷ số độ cứng (I2+I1 )/I1= 1,23 (tức l tià ết diện của c¸c cấu kiện x v cà à ột được khai b¸o trong phần mềm SAP2000 chÝnh l c¸c tià ết diện

mãng l ng m tà à ại mặt mãng Liªn kết giữa cột với x ngang v liªn kà à ết tại đỉnh x ngang l liªn kà à ết ng m Trà ục cột khung lấy trïng với trục định vị để đơn giản ho¸ tÝnh to¸n v thiªn và ề an to n Sà ơ đồ tÝnh khung ngang như h×nh vẽ

+6,0 +3,8

III Tải trọng t¸c dụng lªn khung ngang.

1.T¶i träng thêng xuyªn (tÜnh t¶i)

Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm trọng ợng của các lớp mái, trọng lợng bản thân xà gồ, trọng lợng bản thân khung ngang và dầm cầu trục.

-Trọng lợng bản thân các tấm lợp , lớp cách nhiệt, xà gồ mái lấy bằng

- Trọng lợng bản thân của tôn tờng và xà gồ tờng lấy tơng tự nh với mái chọn là: 0,15 kN/m2,tải trọng này quy về lực tập trung đặt ở hai đầu đỉnh cột nh sau:

G tt=γ g B.h =1,1.0,15.6.6=5,94 (kN)g tc cot

tập trung và mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:

Lực tập chung: Gdct = α γ L =dct g 1,05.1.6 = 6,3 KN.

Mô men: M tt=6,3.(λ - 0,5.h) = 6,3.(0,75 - 0,5.0,4) =3,465 KNm

Sơ đồ tính toán khung với

tải trọng thờng xuyên(tĩnh tải)

2.Hoạt tải:

2.1 Hoạt tải sửa chữa mái:

Theo TCVN, trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chửa mái (mái lợp tôn) là 0,3kN/m2, hệ số vợt tải là 1,3

Quy đổi về tải trọng phân bố đều trên xà ngang nh hình vẽ:

hoạt tải mái nửa trái hoạt tải mái nửa phải

Sơ đồ tính khung với hoạt tải mái

3 Tải trọng giã.

Tải trọng giã t¸c dụng v o khung ngang gà ồm 2 th nh phà ần l giã t¸cà

giã IIA-A cã ¸p lực giã tiªu chuẩn W0 = 0,83KN/m2, hệ số vượt tải l 1,2.à

Căn cứ v o h×nh dà ạng mặt bằng nh v gãc dà à ốc của m¸i, c¸c hệ số khÝ động cã thể x¸c định theo sơ đồ trong bảng III.3 phụ lục Nội suy ta cã:

Với: γp: là hệ số vợt tải của tải trọng gió lấy 1,2

w0: là áp lực gió tiêu chuẩn , w0=0,83 KN/m2

k: Hệ số quy đổi xét đến sự phân bố áp lực gió

Phía khuất gió: q2 = 1,2.0,83.1,092.0,5.6 = 3,26 KN/m

Tải trọng gió tác dụng trên mái: Chiều cao từ nền lên dến đỉnh mái

H=6,375m tra bảng III.2 (Có nội suy) ta đợc k = 1,1

Phía đón gió: q3 = 1,2.0,83.1,1.0,195.6 = 1,28 KN/m

Phía khuất gió: q4 = 1,2.0,83.1,1.0,4.6 = 2,629 KN/m

giã thái tõ bªn tr¸i

giã thái tõ bªn ph¶i

27000

± 0.00

4 Hoạt tải cầu trục.

Theo bảng II.3 phụ lục, c¸c th«ng số cầu trôc søc n©ng 5 tấn nh sau:

Zmin(mm)

BềrộngGabarit

Bk(mm)

Bềrộng иy

Kk(mm)

Søc trôc G(T)

Tải trọng cầu trục t¸c dụng lªn khung ngang bao gồm ¸p lực đứng v là ực h·m ngang, x¸c định như sau:

Tải trọng thẳng đứng của b¸nh xe cầu trục t¸c dụng lªn cột th«ng qua dầm cầu trục được x¸c định bằng c¸ch dïng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm v xà ếp c¸c b¸nh xe của 2 cầu trục s¸t nhau v o và ị trÝ bất lợi nhất, x¸c định được c¸c tung độ yi của đường ảnh hưởng, từ đã x¸c định được ¸p lực thẳng đứng lớn nhất v nhà ỏ nhất của c¸c b¸nh xe cầu trục lªn cột:

Đường ảnh hưởng để x¸c định D max , D min

Sơ đồ tÝnh khung với tải trọng đứng của cầu trục

b) Lực hãm ngang của cầu trục.

Lực hãm ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe cầu trục lên ray:

tc 0 1 0

T

T = n

Với: T0 là lực hãm ngang của toàn bộ cầu trục, T =0,5.k (G+G ) 0 f xe

k f là hệ số ma sát, lấy bằng 0,1 với cầu trục có móc mềm

Sơ đồ tính khung với lực hãm ngang của cầu trục

IV Xác định nội lực, tổ hợp nội lực.

Nội lực trong khung ngang được xác định với từng trường hợp chất tải bằng phần mềm SAP2000 Version 10 Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng các

biểu đồ v c¸c bà ảng thống kª nội lực Dấu của nội lực được lấy theo quy định chung trong Sức bền vật liệu.

Quy ước chiều dương của nội lực theo Sức bền vật liệu

- tiÕt diÖn xµ 2 :hx = 28 cm ; bf = 25 cm; tf = 1,0 cm ;tw = 0,6 cm.

Díi ®©y thÓ hiÖn víi c¸c TH chÊt t¶i :

Trêng hîp chÊt t¶i tÜnh t¶i

Ho¹t t¶i m¸i tr¸i chÊt t¶i

Ho¹t t¶i m¸i ph¶i chÊt t¶i

Ho¹t t¶i c¶ m¸i chÊt t¶i

ChÊt t¶i Giã tr¸i sang

ChÊt t¶i Giã ph¶i sang

ChÊt t¶i Dmax tr¸i

ChÊt t¶i Dmax ph¶i

ChÊt t¶i Lùc h·m tr¸i

ChÊt t¶i Lùc h·m ph¶i

*Dới đây thể hiện hình dạng biểu đồ nội lực cho khung với các TH chất tải:

Momen do tinh tai (M)

Lực dọc do tinh tai (N)

Lực cắt do tĩnh tải (V)

Momen do hoat tai mái trái (M)

Nội lực do hoạt tải mái trái (N)

Lực cắt do hoạt tải mái trái (V)

Momen do hoạt tải mái phải (M)

Lực doc do hoạt tải mái phải (N)

Lực cắt do hoạt tải mái phải (V)

Momen do hoạt tải cả mái (M)

Lực dọc do hoạt tải cả mái(N)

Lực cắt do hoạt tải cả mái (V)

Momen do hoạt tải gió trái (M)

Lực dọc do hoạt tải gió trái (N)

Lực cắt do hoạt tải gió trái (V)

Momen do hoạt tải gió phải (M)

Lực dọc do hoạt tải gió phải (N)

Lực cắt do hoạt tải gió phải (V)

Momen do Dmax trái (M)

Lực dọc do Dmax trái (N)

Lực cắt do Dmax trái (V)

Momen do Dmax phải (M)

Lực dọc do Dmax phải (N)

Lực cắt do Dmax phải (V)

Momen do lực hãm Tmax trái (M)

Lực dọc do lực hãm Tmax trái (N)

Lực cắt do lực hãm Tmax trái (V)

Momen do lực hãm Tmax phải (M)

Lực dọc do lực hãm Tmax phải (N)

Lực cắt do lực hóm Tmax phải (V)

3 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 Với cột ta xét 4 tiết diện: đầu cột, vai cột (2 tiết diện), chân cột Với xà ngang ta xét 3 tiết diện: đầu rờng, 1/3 rờng, đỉnh rờng Tại mỗi tiết diện có các trị số M, N, Q

Ta xét 2 loại tổ hợp

- Tổ hợp cơ bản 1: gồm tĩnh tải thờng xuyên và 1 hoạt tải

- Tổ hợp cơ bản 2: gồm tải trọng thờng xuyên và nhiều hoạt tải nhân với hệ

số tổ hợp 0.9

V Thiết kế tiết diện cấu kiện

Thiết kế tiết diện xà ngang.

a) Đoạn xà 4,5 m (tiết diện thay đổi).

Xỏc định chiều dài tớnh toỏn.

Với tỷ số độ cứng của xà và cột đó giả thiết là bằng nhau, ta cú:

Diện tích tiết diện cần thiết của bản cánh xà ngang xác định theo công thức:

;18 ; 10

4

f w w f

Tại tiết diện đầu xà có mô men uốn và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng suất tương đương tại chỗ tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng:

1 x

4 w

Vậy tiết diện xà đã chọn là đạt yêu cầu.

b) Đoạn xà 9 m (tiết diện không đổi).

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:

Diện tích tiết diện cần thiết của bản cánh xà ngang xác định theo công thức:

;18 ; 10

.

w f f

f

f f

3 3 3 3

4 0,5.( ). 25.28 0,5.(25 0,6).26

Do xà ngang có độ dốc nhỏ, nên ảnh hưởng của lực dọc thường không đáng kể so với

mô men.vì vậy tiết diện sẽ được kiểm tra bền theo công thức sau:

VI Thiết kế cỏc chi tiết khỏc.

Liên kết nối đỉnh cột và rờng có thể dùng liên kết bulông, liên kết hàn, liên kết đinh tán Do rờng mái

có chiều dài lớn nên thờng đợc khuyếch đại trên công trờng nên nếu dùng liên kết hàn hoặc đinh tán thì rất khó khăn cho việc thi công và chất lợng đờng hàn không đảm bảo Vì vậy ngời ta thờng dùng liên kết bulông cờng độ cao có mặt bích.

Một kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng có tiết diện chữ I đợc liên kết khuyếch đại tại công trờng bằng bu lông chịu tác dụng nh hình vẽ:

Nh vậy liên kết chịu đồng thời mômen, lực cắt, lực dọc Qua tham khảo sự phân tích và tính toán của một số nớc trên thế giới thấy rằng việc tính toán chịu cắt cơ bản giống nhau nhng tính toán liên kết chịu mômen thì khác nhau nhiều.

Sau đây ta sẽ phân tích sự làm việc của liên kết chịu mômen:

n

n

q q

m

m

Nh hình vẽ trên trình bày một liên kết mặt bích với 2 hàng bu lông chịu mômen M khi cha chịu tải trọng thì ứng suất nén trên mặt bích và ứng suất kéo trong bu lông do siết chặt là phân bố đều Khi liên kết chịu mômen thì trên mặt bích diện chịu ứng suất nén giảm Tiếp tục tăng mômen lớn hơn thì diện chịu ứng suất nén trên mặt bích càng bị thu hẹp lại và làm tăng lực kéo trong bu lông ở d y ã ngoài cùng Khi ứng suất trong bulông ngoài cùng đạt đến trạng thái giới hạn chảy, nếu tiếp tục tăng mômen đến các bulông còn lại trong phần chịu kéo cũng đạt giới hạn chảy.

Nếu phân tích dựa trên sự phân bố áp lực (vùng diện tích ứng suất chịu nén và vùng ứng với sự chịu kéo của bulông) ta cần phải xác định trục trung hoà của liên kết Trục trung hoà nằm trên đ - ờng thẳng đi qua trọng tâm tiết diện bao gồm các bu lông ở phía chịu kéo và diện tích phần chịu nén ở phía đối diện.

Có nhiều cách quan niệm nhìn nhận khác nhau về vị trí trục trung hoà ở đây ta tính theo quan

điểm của hiệp hội kết cấu Anh Quốc (British construction steel works association) về trục trung hoà (đang áp dụng ở Việt Nam) Cho rằng trục trung hoà đi qua trọng tâm của hàng bu lông ngoài cùng (hàng bu lông chịu kéo ít hơn).

a) Tớnh toỏn bu lụng liờn kết.

Chọn bu lụng cường độ cao cấp bền 8.8, đường kớnh bu lụng dự kiến là d=24

mm (lỗ loại C) Bố trớ bu lụng thành 2 dóy với khoảng cỏch giữa cỏc bu lụng tuõn thủ cỏc quy định trong bảng I.13 phụ lục (Hỡnh 3.28a).

Phớa ngoài của cột bố trớ một cặp sườn gia cường cho mặt bớch với kớch thước lấy như sau:

f tb – cường độ tính toán chịu kéo của bu lông (Bảng I.9 phụ lục),

7 , 1

25 , 0 1 14 , 3 110 7 , 0 2

µ , γ b2 – hệ số ma sát và hệ số độ tin cậy của liên kết Với giả thiết là không gia công bề mặt cấu kiện nên theo [1]: µ = 0,25, γ b2 = 1,7;

n f – số lượng mặt ma sát của liên kết, n f = 1.

Theo điều 6.2.5 TCXDVN 338-2005[1], trong trường hợp bu lông chịu cắt và kéo đồng thời thì cần kiểm tra các điều kiện chịu cắt và chịu kéo riêng biệt.

Ta có, lực kéo tác dụng vào một bu lông ở dãy ngoài cùng do mô men và lực dọc phân vào (do mô men có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bu lông phía trong cùng):

(Ở trên lấy dấu trừ vì N là lực nén).

Do N bmax = 75,81 KN < [N] tb = 140,8 KN nên các bu lông đủ khả năng chịu lực Kiểm tra khả năng chịu cắt của các bu lông theo công thức sau:

c) Tính toán đường hàn liên kết tiết diện cột (xà ngang) với mặt bích.

Tổng chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh ngoài (kể cả ở sườn):

yc f

200

6 bul«ng th¦êng Ø18

h f = 7mm 200

120 10

Lực kéo tác dụng vào một bu lông ở dãy dưới cùng do mô men và lực dọc phân vào (do mô men có dấu dương nên coi tâm quay trùng với dãy bu lông phía trên cùng):

(Ở trên: do độ dốc mái i = 1/8 nên sin α = 0,124; cos α = 0,992).

Khả năng chịu cắt của các bu lông được kiểm tra theo công thức:

Vậy chiều cao của các đường hàn này là:

yc f

40 170

40 250

490

20 20 40

105

mÆt c¾t 1-1

6 Liên kết bản cánh với bản bụng cột và xà ngang.

Lực cắt lớn nhất trong xà ngang là tại tiết diện đầu xà V max = 56,16 KN.Chiều cao cần thiết của đường hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng xà ngang là:

25.1.(28 1) / 2 337,5( 3)

f

Kết hợp cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn h f = 0,6 cm.

Tiến hành tương tự, chọn chiều cao đường hàn liên kết bản cánh với bản bụng cột là h f = 0,6 cm.