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

KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG

SƠ ĐỒ KẾT CẤU KHUNG NGANG

Khung ngang gồm cột đặc và xà ngang có tiết diện chữ I Cột có tiết diện không đổi, liên kết ngàm với móng và liên kết cứng với xà Theo yêu cầu kiến trúc và thoát nước, chọn xà ngang có độ dốc i = 10% (khung nhịp dưới 60m).

Hình 1.1: Sơ đồ khung ngang

BỐ TRÍ HỆ LƯỚI CỘT

Theo phương ngang nhà bố trí với bước 6m, công trình có tổng cộng 5 bước gian Bố trí cột có nhịp L = 30m.

Theo phương dọc nhà bố trí với bước cột b = 6m, công trình có tổng cộng 10 bước cột.Công trình có chiều dài 60m và bỏ qua bố trí khe nhiệt.

Hình 1.2: Mặt bằng định vị cột

KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG (THEO PHƯƠNG ĐỨNG)

1.3.1 CHIỀU CAO CỦA CỘT, TÍNH TỪ MẶT MÓNG ĐẾN ĐỈNH

Chiều cao sử dụng là chiều cao từ mặt nền đến cánh dưới vì kèo phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ, được xác định theo công thức

H H : Cao trình đỉnh ray, là khoảng cách nhỏ nhất từ mặt nền đến mặt ray cầu trục, thường được gọi là cao trình đỉnh ray, xác định theo yêu cầu sử dụng và công nghệ cho trong nhiệm vụ thiết kế (H 1  H r  8m);

H2: Chiều cao từ mặt ray đến mép dưới vì kèo phụ thuộc chủ yếu vào kích thước cầu trụ;

Hc: Chiều cao gabarit của cầu trục, là khoảng cách từ mặt ray đến điểm cao nhất của cầu trục, lấy theo catalogue cầu trục (Hc = Hk = 870mm);

100mm: Khe hở an toàn giữa cầu trục và vỉ kèo; f : Độ võng của vỉ kèo và việc bố trí hệ giằng thanh cánh dưới, f lấy bằng 200  400 mm phụ thuộc vào nhịp của nhà (f 0, 2 0, 4 0, 4m  );

1.3.2 CHIỀU CAO CỦA PHẦN CỘT TRÊN, TỪ VAI CỘT ĐỠ DẦM

CẦU TRỤC ĐẾN ĐÁY XÀ NGANG

Chiều cao thực của cột trên H tr từ vai đỡ dầm cầu trục đến mép dưới vỉ kèo: tr 2 dct r

Hdct: Chiều cao dầm cầu trục, lấy theo phần thiết kế dầm cầu trục có sẵn hoặc giả thiết chọn sơ bộ khoảng

Hr: Chiều cao tổng cộng của ray và đệm ray,phụ thuộc vào loại cầu trục lấy theo quy cách ray hoặc lấy sơ bộ khoảng 300mm. Để có chiều cao H tr chính xác cần thiết kế dầm cầu trục trước. tr 2 dct r

1.3.3 CHIỀU CAO CỦA PHẦN CỘT DƯỚI, TÍNH TỪ MẶT MÓNG ĐẾN MẶT TRÊN CỦA VAI CỘT

Chiều cao thực của cột dưới tính từ mặt móng đến vị trí thay đổi tiết diện: d tr 3

H3 là phần cột chôn dưới cao trình nền, lấy khoảng 600-1000mm Do yêu cầu đề đồ án xem cột liên kết với cao trình tại 0.000 nên lấy H 3  0 d tr 3

1.3.4 KÍCH THƯỚC CHIỀU CAO KHUNG NGANG

Tổng chiều dài của cột là: tr d

Hình 1.3: Kích thước khung ngang

CHỌN SƠ BỘ KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG NGANG

Xác định kích thước khung ngang là việc sơ bộ các tiết diện cột, dầm mái, cấu kiện cửa mái sao cho phù hợp với nhịp nhà, bước khung, nhịp cầu trục, tải trọng mái, tải trọng cầu trục và đảm bảo công năng sử dụng của nhà xưởng Việc lựa chọn này chỉ là định hướng ban đầu để làm cơ sở cho việc tính toán các bước tiếp theo Thông thường, để chọn được tiết diện tối ưu, công việc này sẽ phải thực hiện lại nhiều lần Đó là bản chất của việc thiết kế.

Nhịp nhà (lấy theo trục định vị tại mép ngoài cột) là: L = 30m Lấy gần đúng nhịp cầu trục là L k   S 28m, khoảng cách an toàn từ trục ray đến mép trong cột Z min  0,18m.

Cột nhà công nghiệp là cấu kiện chịu nén lệch tâm, trên tiết diện có tác dụng mô men

Mx trong mặt phẳng khung, ngoài ra còn có trường hợp mô men tác dụng ngoài mặt phẳng

My Muốn chọn được tiết diện, ngoài việc xác định được nội lực tính toán, còn phải xác định chiều dài tính toán của cột trong và ngoài mặt phẳng khung Ix, Iy Chiều dài tính toán của cột phụ thuộc vào liên kết hai đầu thanh trong sơ đồ khung.

Trong khung nhà cột liên kết với móng ở chân cột và liên kết với xà ngang ở đầu cột Các liên kết này có thể là ngàm hoặc khớp, có thể khác nhau theo các phương làm việc của tiết diện.

Sau khi thiết kế được tiết diện, cần phải cấu tạo cho phù hợp với sơ đồ tính của khung.

Hình 1.4: Kích thước tiết diện cột chữ I- (h x b x tf x tw)

Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột Khoảng cách từ trục định vị đến ray cầu trục:

Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu độ cứng:

Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:

1 min z L  h 1 0,8 0, 2(m) z    0,18(m)(thỏa điều kiện vận hành cầu trục)

Bề rộng tiết diện cột: b=(0,3÷0,5) h=(0,24÷0,4)(m)

Bề dày bản bụng nên chọn khoảng (1/100 ÷ 1/70) h và để đảm bảo điều kiện chống gỉ không nên chọn bé hơn 6 mm:

Vậy tiết diện cột là: I – 800 x 300 x 8 x 14

Hình 1.5: Hình dạng tiết diện dầm mái

Chiều cao tiết diện tại nút dầm mái liên kết với cột:

, thông thường nên chọn bằng với chiều cao cột.

Chiều cao tiết diện tại đỉnh khung chọn h2 400 mm 

Vậy chiều cao của dầm mái giảm dần từ 800mm (tại nút khung) xuống 400mm (tại đỉnh khung)

Bề dày bản bụng nên chọn khoảng (1/100 ÷ 1/70) h1 và để đảm bảo điều kiện chống gỉ không nên chọn bé hơn 6 mm:

Tiết diện dầm mái tại nút khung là I – 800 x 250 x 8 x 14

Tiết diện dầm mái tại đỉnh khung là I – 400 x 250 x 8 x 14

Tiết diện dầm mái có thể ghi là I – (800 – 400) x 250 x 8 x 14

Xác định vị trí thay đổi tiết diện dầm mái:

Chiều dài đoạn dầm mái thay đổi tiết diện được xác định theo công thức sau:

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 nhiệm vụ chịu phản lực của cánh trong cột trên 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 cầu trục: k  

Chiều dài vai cột (từ mép trong cột đến cạnh ngoài cùng vai cột):

Trong đó: hc là chiều cao cột;

0,15m là khoảng cách từ trục ray cầu trục đến cạnh ngoài cùng vai cột.

Chọn chiều cao dầm vai tại điểm đặt lực Dmax là 300mm.

Chiều cao dầm vai tại vị trí ngàm với cánh trong của cột là 450mm

Chọn bề rộng tiết diện vai cột là 300mm

Chọn bề dày bản bụng vai cột là 8mm

Chọn bề dày bản cánh vai cột là 10mm

Tiết diện vai cột (dầm vai) là I – (450 – 300) x 300 x 8 x 10

Lưu ý: Khi lựa chọn tiết diện cột hoặc nhịp cầu trục phải đảm bảo khoảng hở giữa mép trong cột và cầu trục 75mm

Vị trí của cột theo đường lưới: a=0 cho Q  30T a = 250mm cho 30T < Q  75T a = 500mm cho Q > 75T

Chiều cao phần sơ bộ của cột: ht 0mm

Kiểm tra vị trí của dầm cầu trục: t min λ 1000mm (h   a) z (800 0) 180 980mm   (thỏa)

Hình 1.6: Các thông số cơ bản tại vai cột

1.4.4 TIẾT DIỆN CÁC CẤU KIỆN CỦA CỬA TRỜI

Mục đích chính của cửa trời là thông gió tự nhiên cho nhà thép tiền chế Tùy vào yêu cầu thông thoáng, người thiết kế sẽ chọn kích thước cửa trời phù hợp Một yếu tố nữa quyết định đến việc chọn kích thước thước cửa trời là đảm bảo nước mưa không tạt vào nhà Các liên kết cột cửa trời - dầm mái, dầm - cột cửa trời là liên kết cứng.

Như đã đề cập, 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 (1/8 1/4) nhịp nhà và chiều cao cửa trời bằng 1/2 bề rộng Theo đề bài, bề rộng cửa trời

    chọn 4 m, chiều cao cửa trời là

2  2 3m chọn 2 m Cột và dầm mái cửa trời tiết diện chữ I với các thông số như sau:

Chiều cao tiết diện cột cửa trời 200mm

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

Bề dày bản bụng: 8mm

Bề dày bản cánh: 10mm

Tiết diện dầm, cột cửa trời là: I – 200 x 100 x 8 x 10

HỆ GIẰNG CỦA NHÀ CÔNG NGHIỆP

Hệ giằng nhà công nghiệp giữ vai trò quan trọng trong việc bảo đảm độ cứng không gian của nhà Đối với các công trình bằng thép, do vật liệu có tính dẻo, cường độ cao, nên tiết diện thường nhỏ, độ mảnh lớn Vì vậy việc tăng độ cứng của nhà càng không thể thiếu được.

Hệ giằng là một bộ phận rất quan trọng trong nhà thép tiền chế Các tác 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 khung như gió thổi lên tường đầu hồi, lực hãm cầu trục, động đất và truyền tải trọng này xuống móng.

• Bảo đảm ổn định (hay giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng) cho cột, dầm mái.

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

Hệ giằng còn có tác dụng giảm thiểu chiều dài tự do để tăng ổn định tổng thể của các cấu kiện; mặt khác còn chịu tải trọng gió tác dụng đầu hồi và lực hãm của cầu trục Hệ giằng của nhà công nghiệp bao gồm hai bộ phận: hệ giằng ở mái và hệ giằng ở cột.

Hệ giằng cột đảm bảo độ cứng dọc nhà và ổn định cho cột Do khung được tính theo phương ngang nhà nên độ cứng dọc nhà rất bé, có thể xem cột liên kết khớp với móng.Vì vậy muốn cả khối nhà đứng vững cần phải cấu tạo một miếng cứng bất biến hình để các cột khác tựa vào Thường các thanh (cáp) giằng chéo nối hai cột giữa nhà hoặc giữa hai khe nhiệt độ để tạo thành miếng cứng Ngoài ra ở đầu hồi, đầu khối nhiệt độ cũng bố trí hệ giằng để truyền tải trọng gió theo phương dọc nhà hoặc lực hãm dọc nhà của cầu trục nhanh chóng xuống móng Góc nghiêng giữa các thanh giằng với phương ngang hợp lý từ 35 đến 55 0 , vì vậy khi cột cao phải chia ra nhiều khoảng và dùng thanh chống phụ Các thanh chống phụ này phải có độ mảnh λ ≤ 200 Ngoài hệ thanh (cáp) giằng dạng chữ X còn có hệ giằng dạng cổng Kiểu giằng dạng cổng thường được sử dụng khi cần làm lối đi thông qua.

Lưu ý: các thanh giằng dạng chữ X được thiết kế chỉ chịu lực kéo.

Khi bố trí hệ giằng cột không được vượt quá các kích thước giới hạn sau: khoảng cách từ đầu hồi đến hệ giằng gần nhất không lớn hơn 75 m, khoảng cách hệ giằng trong một khối nhiệt độ không lớn hơn 50 m (Mục 11.1.2, TCVN 5575:2012)

Với các số liệu của đồ án, sức trục Qfγ 2  c 2600 1 2600   daN cm/ 2 

. Vậy tiết diện thanh giằng đường kính 25 không đảm bảo điều kiện bền.

Vậy tiết diện thanh giằng đường kính 28 đảm bảo điều kiện bền.

+ Kiểm tra khả năng tận dụng sự làm việc của vật liệu:

- Bước 4: Quy tải giằng cột về phân bố đều.

Mục đích của việc quy tải giằng cột về phân bố đều là để xác định tĩnh tải tác dụng lên khung ngang phục vụ cho việc mô hình xác định nội lực khung.

+ Khối lượng trên mét dài của thanh giằng: mcb 4,831 daN/m 

(Phụ thuộc vào đường kính thanh giằng lựa chọn).

+ Chiều dài của thanh giằng cột 1 (trên): Lcb1 B 2 H1 2  6 2 3 2 6,708 m 

+ Chiều dài của thanh giằng cột 2 (dưới): Lcb2  B 2 H 2 2  6 2 7 2 9, 219 m 

+ Tải trọng hệ giằng cột quy đổi về phân bố đều:

B: Khoảng cách các khung ngang (bước khung).

H: Chiều cao cột khung ngang (bao gồm cả cột trên và cột dưới).

Bố trí thanh giằng cột gồm 2 thanh chéo để khi tải trọng gió đổi chiều thì 1 thanh chịu kéo làm việc.

Hình 1.8: Bố trí hệ giằng cột

Hệ giằng mái được bố trí theo phương ngang tại hai gian đầu hồi (hoặc gần đầu hồi), sao cho :

- Khoảng cách giữa các giằng bố trí không quá năm bước cột

- Bản bụng của hai xà ngang cạnh nhau được nối bởi các thanh giằng chéo chữ thập

Hệ giằng mái bao gồm các thanh giằng chéo và thanh chống, trong đó yêu cầu cấu tạo thanh chống có độ mảnh max ≤ 200 Thanh giằng chéo làm từ thép tròn tiết diện 25, 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 nén) 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 Tiết diện thanh chống chọn L50x5, điểm liên kết với xà gồ cách tim dầm mái khoảng 680 mm Ngoài ra bố trí thanh chống dọc đỉnh khung tiết diện 2C20 tạo điều kiện thuận lợi khi thi công lắp ghép.

Hình 1.9: Chi tiết thanh chống xà gồ

1.5.2.1 SƠ ĐỒ TÍNH HỆ GIẰNG MÁI

Tương tự hệ giằng cột, hệ giằng mái được bố trí gồm hai thanh giằng chéo trong một ô hình chữ nhật và chỉ xem xét về sự làm việc thanh chịu kéo Khi tải trọng gió đổi chiều thì luôn có một thanh chịu kéo làm việc.

THIẾT KẾ XÀ GỒ VÀ SƯỜN TƯỜNG

THIẾT KẾ XÀ GỒ CỘT

2.1.1 TỔNG QUAN VỀ XÀ GỒ CỘT

- Vai trò: Liên kết các nút khung với nhau tạo thành hệ kết cấu không gian công trình, đỡ kết cấu bao che và truyền tải trọng ngoài lên khung ngang.

- Bố trí xà gồ: Khoảng cách xà gồ phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên xà gồ (vật liệu bao che, hệ thống MEP, trần treo, hệ thống cách nhiệt,…) và khoảng cách khung ngang.Ngoài ra khoảng cách xà gồ cũng được chọn dựa trên nhịp nhà.Khi tính toán thiết kế xà gồ, ban đầu giả thiết sơ bộ khoảng cách xà gồ phù hợp, sau đó tiến hành tính toán và kiểm tra.Với xà gồ thép cán nguội Z và C, khoảng cách các xà gồ thường bé hơn 2m (thông thường chọn 1.5m).

Hiện nay xà gồ dùng cho kết cấu nhà công nghiệp thường dùng hai loại chính bao gồm: + Xà gồ thép cán nguội (tiết diện chữ C, Z): Dùng cho nhịp nhà nhỏ và vừa (nhà công nghiệp).

+ Xà gồ thép cán nóng (tiết diện C): Dùng cho nhà nhịp lớn (nhà vượt nhịp lớn).

Trong tính toán Đồ án, công trình có nhịp vừa nên sẽ dùng xà gồ thép cán nguội chữ Z

Hình 2.13: Xà gồ thép cán nguội chữ Z

Bảng 2.1: Bảng đặc trưng tiết diện chữ Z

I x Gross S xc = S x Effect S xc R x I y I yc S y R y I xy R min

Bảng 2.2: Bảng tra cứu trọng lượng thép xà gồ Z

(kg/m) (mm) (cm 2 ) (cm 2 ) (kN) (kN.m) (kN.m)

2.1.2 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN XÀ GỒ CỘT

Xà gồ cột là cấu kiện chịu uốn hai phương (theo phương x và phương y) Xà gồ mái thông thường được tính theo sơ đồ dầm đơn giản (một nhịp) hoặc theo sơ đồ dầm liên tục (nhiều nhịp), phụ thuộc vào cách cấu tạo tại nút liên kết giữa xà gồ với cột.

Trong Đồ án, hệ xà gồ mái có độ cứng theo phương trong mặt phẳng khi chịu uốn nên có thêm các ty giằng xà gồ, vì vậy sơ đồ tính xà gồ là dầm liên tục Tuy nhiên, sinh viên tính toán xà gồ mái thiên về đơn giản và an toàn nên tính theo sơ đồ dầm đơn giản (một nhịp) cho cả hai phương, chịu tải trọng phân bố đều.

2.1.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XÀ GỒ CỘT

2.1.3.1 THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC, ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC VÀ

VẬT LIỆU CỦA XÀ GỒ

- Chiều dài nhịp tính toán của xà gồ: L cp  6(m)

- Chọn sơ bộ khoảng cách xà gồ: acp 1,5 m 

* Thông số đặc trưng hình học:

Bài toán thiết kế xà gồ cột là bài toán lặp, ban đầu chọn tiết diện xà gồ, sau đó tiến hành tính toán tải trọng và xác định nội lực trong xà gồ, kiểm tra điều kiện bền và võng Nếu tiết diện thỏa thì chọn, trường hợp không thỏa thì tiến hành lặp lại cho đến khi chọn được tiết diện xà gồ thích hợp.

Chọn tiết diện xà gồ: Xà gồ thép càn thép nguội tiết diện chữ Z (200Z25)

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục x-x: I x  509(cm ) 4

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục y-y:

- Momen kháng uốn của tiết diện đối với trục x-x:W x  50,9(cm ) 3

- Momen kháng uốn của tiết diện đối với trục y-y:

- Trọng lượng bản thân xà gồ trên mét dài: m cp 6,77(daN/m)

Hình 2.14: Tiết diện xà gồ cột chữ Z thép cán nguội

* Thông số đặc trưng vật liệu xà gồ:

- Cường độ giới hạn dẻo của thép làm xà gồ: f y 2200 daN/cm 2 

- Hệ số tin cậy về cường độ của thép làm xà gồ: γ M 1,1

- Cường độ tính toán của thép làm xà gồ: y  2 

- Hệ số điều kiện làm việc của thép làm xà gồ: γ c 1

- Modul đàn hồi của thép làm xà gồ: E 21 10 daN/cm  5  2 

2.1.3.2 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN XÀ GỒ CỘT Tải trọng tác dụng lên xà gồ cột bao gồm: Tải trọng phân bố theo phương x (qx) và y (qy)

Tải trọng qx gây ra momen uốn My và tải trọng qy gây ra momen uốn Mx

* Xác định tải trọng q x (tĩnh tải):

Hình 2.15: Tĩnh tải của xà gồ cột

Tải trọng qx tác dụng lên xà gồ cột là trọng lượng bản thân xà gồ, lớp bao che.

- Trọng lượng bản thân xà gồ cột: gcp gsw 6,77 daN/m 

- Trọng lượng lớp bao che (tính theo tải trên mét vuông): genv 5 daN/m 2 

- Trọng lượng lớp bao che (tính theo tải trên mét dài):

(Bằng trọng lượng lớp bao che trên 1 mét vuông x khoảng cách xà gồ).

- Giá trị tĩnh tải tiêu chuẩn:q tc x gcp +genv/m =6,77 7,5 14,27 daN/m+ =  

- Giá trị tĩnh tải tính toán: q tt x = gcp +genv/m  ×γg = 6,77 7,5 1,1 15,70 daN/m+  × =  

(Hệ số tin cậy về TLBT γg = 1,1)

* Xác định tải trọng q y (hoạt tải gió):

- Áp lực gió phân bố: W W = 0 × × =k c 110 1,18 0,8 103,84 daN/m× × =  2 

W : Áp lực gió tiêu chuẩn, phụ thuộc vào vùng gió và vị trí xây dựng công trình Ứng 0 với đề cho công trình thuộc vùng gió IIIA, tra bảng 4 TCVN 2737:1995 trang 13 xác định

W0 125 15 110(daN/m )  k : Hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực gió, phụ thuộc vào cao độ z của công trình và dạng địa hình nơi xây dựng công trình.Giả sử công trình ở vùng địa hình A và cao độ z H 10 m   

, tra bảng 5 TCVN 2737:1995 trang 14 xác định k 1,18  c : Hệ số khí động của gió Khi gió thổi theo phương ngang nhà, đối với mặt phẳng thẳng đứng thì c 0,8  đối với gió đẩy, c 0,6  đối với gió hút Lấy c 0,8  để tính toán cho an toàn khi gió đổi chiều.

- Tải trọng gió tiêu chuẩn phân bố trên xà gồ cột:

- Tải trọng gió tính toán phân bố trên xà gồ cột:

Trong đó: γ Hệ số tin cậy của tải trọng gió, lấy w γ w 1, 2

2.1.3.3 - XÁC ĐỊNH NỘI LỰC TRONG XÀ GỒ CỘT.

Sơ đồ tính xà gồ cột là dầm tĩnh định chịu tải trọng phân bố đều q.

Hình 2.16: Sơ đồ tính toán nội lực của xà gồ cột

Sử dụng 1 thanh giằng 18 giằng tại giữa nhịp xà gồ:

Hình 2.17: Bố trí 1 thanh giằng tại giữa nhịp xà gồ

Hình 2.18: Momen theo 2 phương x và y

- Momen uốn lớn nhất của xà gồ theo phương x (do tải trọng qy gây ra):

- Momen uốn lớn nhất của xà gồ theo phương y (do tải trọng qx gây ra):

2.1.3.4 KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN BỀN ỨNG SUẤT PHÁP.

- Kiểm tra điều kiện bền ứng suất pháp cho xà gồ cột theo công thức sau:

 2   2  cbmax c σ =1826,27 daN/cm fγ =2000 daN/cm

- Kiểm tra khả năng tận dụng sự làm việc của tiết diện xà gồ:

=> Tận dụng được 91% sự làm việc của tiết diện.

=> Tiết diện xà gồ 200Z25 thỏa điều kiện bền ứng suất tiếp.

2.1.3.5 KIỂM TRA ĐỘ VÕNG XÀ GỒ

Xà gồ chịu uốn theo hai phương, nên kiểm tra độ võng xà gồ như sau:

- Độ võng của xà gồ: Δcp = Δ +Δ 2 x 2 y = 1,583 +2,459 2 2 =2,924 cm 

- Kiểm tra độ xà gồ với độ võng cho phép:

- Kiểm tra khả năng tận dụng sự làm việc của tiết diện xà gồ:

Tận dụng được 97,5% sự làm việc của tiết diện.

 Tiết diện xà gồ 200Z25 thỏa điều kiện độ võng cho phép.

2.1.3.6 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG XÀ GỒ CỘT QUY ĐỔI.

Sau khi thiết kế được loại tiết diện dùng cho xà gồ cột, ta xác định tải trọng quy đổi xà gồ cột nhằm mục đích phục vụ cho việc xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang.

Tải trọng quy đổi xà gồ cột (tải phân bố đều trên mét vuông) được xác định như sau:

    cp cp cp 2 cp c m n L 6,77 8 6 g 5,416 daN/m

Trọng lượng của xà gồ cột 200Z25 trên mét dài, m cp 6, 77(daN/m)

Số lượng xà gồ cột trên một khung ngang, c cp cp

L , Bcp Lần lượt là chiều dài của xà gồ và khoảng cách các khung ngang, Lcp = B = 6m.

H Chiều cao cột của công trình, Hc c = 10m.

THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI CÔNG TRÌNH

2.2.1 TỔNG QUAN VỀ XÀ GỒ MÁI

- Vai trò: Liên kết các nút khung với nhau tạo thành hệ kết cấu không gian công trình, đỡ kết cấu bao che và truyền tải trọng ngoài lên khung ngang.

- Bố trí xà gồ: Khoảng cách xà gồ phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên xà gồ (vật liệu bao che, hệ thống MEP, trần treo, hệ thống cách nhiệt,…) và khoảng cách khung ngang Ngoài ra khoảng cách xà gồ cũng được chọn dựa trên nhịp nhà Khi tính toán thiết kế xà gồ, ban đầu giả thiết sơ bộ khoảng cách xà gồ phù hợp, sau đó tiến hành tính toán và kiểm tra Với xà gồ thép cán nguội Z và C, khoảng cách các xà gồ thường bé hơn 2m (thông thường chọn 1.5m).

- Tiết diện xà gồ: Hiện nay xà gồ dùng cho kết cấu nhà công nghiệp thường dùng hai loại chính bao gồm:

+ Xà gồ thép cán nguội (tiết diện chữ C, Z): Dùng cho nhịp nhà nhỏ và vừa (nhà công nghiệp).

+ Xà gồ thép cán nóng (tiết diện C): Dùng cho nhà nhịp lớn (nhà vượt nhịp lớn).

 Trong tính toán Đồ án, công trình có nhịp vừa nên sẽ dùng xà gồ thép cán nguội chữ Z.

2.2.2 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN XÀ GỒ MÁI

Xà gồ mái là cấu kiện chịu uốn hai phương (theo phương x và phương y) Xà gồ mái thông thường được tính theo sơ đồ dầm đơn giản (một nhịp) hoặc theo sơ đồ dầm liên tục (nhiều nhịp), phụ thuộc vào cách cấu tạo tại nút liên kết giữa xà gồ với cột.

 Trong Đồ án, hệ xà gồ mái có độ cứng theo phương trong mặt phẳng khi chịu uốn nên có thêm các ty giằng xà gồ, vì vậy sơ đồ tính xà gồ là dầm liên tục Tuy nhiên, sinh viên tính toán xà gồ mái thiên về đơn giản và an toàn nên tính theo sơ đồ dầm đơn giản (một nhịp) cho cả hai phương, chịu tải trọng phân bố đều.

2.2.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI

2.2.3.1 THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC, ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC VÀ

VẬT LIỆU CỦA XÀ GỒ MÁI

- Chiều dài nhịp tính toán của xà gồ: Lrp =6 m 

- Chọn sơ bộ khoảng cách xà gồ trên mặt bằng: arp 1,5 m 

- Độ dốc mái công trình: I = 10%  Góc nghiêng của mái α 5,71 o

- Khoảng cách xà gồ trên mặt phẳng nghiêng:     rp rpl o a 1,5 a 1,51 m cosα cos 5,71

* Thông số đặc trưng hình học:

Bài toán thiết kế xà gồ mái là bài toán lặp, ban đầu chọn tiết diện xà gồ, sau đó tiến hành tính toán tải trọng và xác định nội lực trong xà gồ, kiểm tra điều kiện bền và võng Nếu tiết diện thỏa thì chọn, trường hợp không thỏa thì tiến hành lặp lại cho đến khi chọn được tiết diện xà gồ thích hợp.

Chọn tiết diện xà gồ: Xà gồ thép cán nguội tiết diện chữ Z (200Z15).

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục x-x: I x  308,3(cm ) 4

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục y-y:

- Momen kháng uốn của tiết diện đối với trục x-x: W x  30,83(cm ) 3

- Momen kháng uốn của tiết diện đối với trục y-y:

- Trọng lượng bản thân xà gồ trên mét dài: m rp 4,06(daN/m)

Hình 2.19: Tiết diện xà gồ cột chữ Z thép cán nguội

* Thông số đặc trưng vật liệu xà gồ:

- Cường độ giới hạn dẻo của thép làm xà gồ: f y 2200 daN/cm 2 

- Hệ số tin cậy về cường độ của thép làm xà gồ: γ M 1,1

- Cường độ tính toán của thép làm xà gồ: y  2 

- Hệ số điều kiện làm việc của thép làm xà gồ: γ c 1

- Modul đàn hồi của thép làm xà gồ: E 21 10 daN/cm  5  2 

2.2.3.2 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN XÀ GỒ MÁI

Xà gồ mái chịu tải trọng tĩnh tải (TLBT xà gồ và lớp bao che) và hoạt tải (tải trọng gió, hoạt tải mái).

Tải trọng tác dụng lên xà gồ mái bao gồm: Tải trọng phân bố theo phương x (qx) và y (qy)

Tải trọng (qx) gây ra momen uốn My và tải trọng (qy) gây ra momen uốn Mx

* Xác định tải trọng tĩnh tải (TLBT).

Giá trị tĩnh tải tác dụng lên xà gồ mái được xác định như sau:

- Trọng lượng bản thân xà gồ mái: grp =4,06 daN/m 

- Trọng lượng lớp bao che (tính theo tải trên mét vuông): g env  5 daN/m  2 

- Trọng lượng lớp bao che (tính theo tải trên mét dài):

* Xác định hoạt tải gió.

- Áp lực gió phân bố: W W = 0 × × =k c 110 1,18 ( 0,5)× ×  =64,9 daN/m 2 

W : Áp lực gió tiêu chuẩn, phụ thuộc vào vùng gió và vị trí xây dựng công trình Ứng 0 với đề cho công trình thuộc vùng gió IIIA, tra bảng 4 TCVN 2737:1995 trang 13 xác định

W0 125 15 110(daN/m )  k : Hệ số kể đến sự thay đổi của áp lực gió, phụ thuộc vào cao độ z của công trình và dạng địa hình nơi xây dựng công trình.Giả sử công trình ở vùng địa hình A và cao độ z H 10 m   

, tra bảng 5 TCVN 2737:1995 trang 14 xác định k 1,18  c : Hệ số khí động của gió Khi gió thổi theo phương ngang nhà, đối với mặt phẳng xiên theo mái thì xác định theo chỉ dẫn của sơ đồ 8 trong Bảng 6 TCVN 2737:1995.

Hình 2.20: Sơ đồ tra hệ số khí động c khi tính tải trọng gió theo sơ đồ 8

Công trình có độ nghiêng mái α 5,71= o , tỷ số

L 300000,33 ta tra được các hệ số khí động khi tính gió tác dụng lên mái như sau: e1 e c 0,34,c = 0,5 Chọn hệ số khí động lớn nhất: c = 0,5 e 

(Giá trị âm và dương trước hệ số chỉ dùng để ký hiệu hướng gió hướng ra và hướng vào).

- Tải trọng gió tiêu chuẩn phân bố trên xà gồ:

- Tải trọng gió tính toán phân bố trên xà gồ:

Trong đó: γ Hệ số tin cậy của tải trọng gió, lấy w γ w 1, 2

* Xác định hoạt tải mái:

Hoạt tải tác dụng lên mái công trình lấy theo chỉ dẫn trong TCVN 2737:1995.Theo Bảng 3 của tiêu chuẩn, đối với mái bằng không sử dụng (mái tôn không có người đi lại, chỉ có người đi lại sửa chữa, chưa kể các thiết bị điện nước, thông hơi nếu có) thì tải trọng tiêu chuẩn là 30 daN/m  2 

- Giá trị hoạt tải tiêu chuẩn phân bố trên xà gồ: p tc 30 a× rp 30 1,5 45 daN/m ×   

- Giá trị hoạt tải tính toán phân bố trên xà gồ: p tt =p tc ×np =45 1,3 58,5 daN/m × =  

Trong đó: n :p Là hệ số tin cậy đối với hoạt tải.Theo TCVN 2737:1995, nếu trường hợp giá trị hoạt tải tiêu chuẩn có giá trị bé hơn 200 daN/m   thì lấy n =1,3p

- Xác định nội lực và kiểm tra cho xà gồ mái với trường hợp 1

Trường hợp 1: Tĩnh tải + Hoạt tải mái.

Sơ đồ tính xà gồ mái là dầm tĩnh định chịu tải trọng phân bố đều q.

Hình 2.21: Sơ đồ tính toán nội lực xà gồ mái

Với tổ hợp tĩnh tải và hoạt tải mái, tổng tải trọng q tác dụng lên xà gồ (q hướng theo trọng trường) được xác định như sau:

Hình 2.22: Sơ đồ truyền tải nội lực của xà gồ mái

Hình 2.23: Quy tải về trục x-y

- Giá trị tải tiêu chuẩn:

      tc tc rp env/m q = g +g +p = 4,06+7,55 +45V,61 daN/m

- Giá trị tải tính toán:

      tt tt rp env/m g q = g +g ×γ +p = 4,06 7,55 1,1 58,5 71,27 daN/m+ × + =

Xác định tải phân bố tác dụng theo phương x và phương y:

- Giá trị tải tiêu chuẩn theo phương x:

    tc tc o qx =q ×sinα 56,61 sin 5,71= × =5,63 daN/m

- Giá trị tải tính toán theo phương x:

    tt tt o qx =q ×sinα 71,27 sin 5,71= × =7,09 daN/m

- Giá trị tải tiêu chuẩn theo phương y:

    tc tc o qy =q ×cosα 56,61 cos 5,71= × =56,33 daN/m

- Giá trị tải tính toán theo phương y:

    tt tt o qy =q ×cosα 71,27 cos 5,71= × =70,92 daN/m

Xác định giá trị nội lực trong xà gồ mái:

Hình 2.24: Sơ đồ tính

- Momen uốn lớn nhất của xà gồ theo phương x (do tải trọng qy gây ra):

- Momen uốn lớn nhất của xà gồ theo phương y (do tải trọng qx gây ra):

*Kiểm tra điều kiện bền ứng suất pháp

- Kiểm tra điều kiện bền ứng suất pháp cho xà gồ mái theo công thức sau:

- Kiểm tra khả năng tận dụng sự làm việc của tiết diện xà gồ:

Tận dụng được 58% sự làm việc của tiết diện.

 Tiết diện xà gồ 200Z15 thỏa điều kiện bền ứng suất tiếp.

*Kiểm tra độ võng xà gồ

Xà gồ chịu uốn theo hai phương, nên kiểm tra độ võng xà gồ như sau:

- Độ võng của xà gồ:Δrp = Δ +Δ 2 x 2 y = 1,065 +1,468 2 2 =1,814 cm 

- Kiểm tra độ võng xà gồ với độ võng cho phép:

- Kiểm tra khả năng tận dụng sự làm việc của tiết diện xà gồ:

Tận dụng được 60% sự làm việc của tiết diện.

 Tiết diện xà gồ 200Z15 thỏa điều kiện độ võng cho phép.

- Xác định nội lực và kiểm tra cho xà gồ mái với trường hợp 2

Trường hợp 2: Tĩnh tãi + Hoạt tải gió.

Với tổ hợp tĩnh tải và hoạt tải gió, tổng tải trọng q tác dụng lên xà gồ (q hướng theo trọng trường) được xác định như sau:

- Giá trị tải tiêu chuẩn:q tc =grp +genv/m =4,06 7,55 11,61 daN/m+ =  

- Giá trị tải tính toán:q tt =  g rp + g env/m  × γ g =  4,06 7,55 1,1 12,77 daN/m+  × =  

Xác định tải phân bố tác dụng theo phương x và phương y:

- Giá trị tải tiêu chuẩn theo phương x:

    tc tc o qx =q ×sinα 11,61 sin 5,71= × =1,15 daN/m

- Giá trị tải tính toán theo phương x:

    tt tt o qx =q ×sinα 12,77 sin 5,71= × =1,27 daN/m

- Giá trị tải tiêu chuẩn theo phương y:

      tc tc tc o y w q =q ×cosα q+ =11,61 cos 5,71× + 97,999 =86,45 daN/m

- Giá trị tải tính toán theo phương y:

      tt tt tt y w q q cosα q 12, 77 cos 5, 71   117, 6 104,89 daN/m

Xác định giá trị nội lực trong xà gồ mái:

- Momen uốn lớn nhất của xà gồ theo phương x (do tải trọng qy gây ra):

- Momen uốn lớn nhất của xà gồ theo phương y (do tải trọng qx gây ra):

*Kiểm tra điều kiện bền ứng suất pháp

- Kiểm tra điều kiện bền ứng suất pháp cho xà gồ mái theo công thức sau:

- Kiểm tra khả năng tận dụng sự làm việc của tiết diện xà gồ:

Tận dụng được 78% sự làm việc của tiết diện.

 Tiết diện xà gồ 200Z15 thỏa điều kiện bền ứng suất tiếp.

*Kiểm tra độ võng xà gồ

Xà gồ chịu uốn theo hai phương, nên kiểm tra độ võng xà gồ như sau:

- Độ võng theo phương y :   tc 4 2 4 y rp y 5 x q L

- Độ võng của xà gồ:Δrp      2 x 2 y 0, 217 2 2, 25 2 2, 26 cm 

- Kiểm tra độ xà gồ với độ võng cho phép: rp     rb  

- Kiểm tra khả năng tận dụng sự làm việc của tiết diện xà gồ:

Tận dụng được 75,33% sự làm việc của tiết diện.

 Tiết diện xà gồ 200Z15 thỏa điều kiện độ võng cho phép.

- Tính toán tải trọng xà gồ mái quy đổi

Sau khi thiết kế được loại tiết diện dùng cho xà gồ mái, ta xác định tải trọng quy đổi xà gồ mái nhằm mục đích phục vụ cho việc xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang.

Tải trọng quy đổi xà gồ mái (tải phân bố đều trên mét vuông) được xác định như sau:

  rp rp rp rp m n L 4,06 21 6 g 2,842 daN/m

Trọng lượng của xà gồ mái 200Z15 trên mét dài, mrp 4,06 daN/m 

. n :rp Số lượng xà gồ mái trên một khung ngang, rp rp

L ,B:rp Lần lượt là chiều dài của xà gồ và khoảng cách các khung ngang,

L: Kích thước nhịp khung ngang của công trình, L 30 m   

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC KHUNG NGANG

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG

3.1.1 XÁC ĐỊNH TĨNH TẢI TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang bao gồm: Trọng lượng lớp bao che, TLBT hệ giằng mái và cột, TLBT xà gồ mái và cột, TLBT dầm cầu trục.

Hình 3.25: Sơ đồ tính tĩnh tải tác dụng lên khung ngang.

* Xác định tải trọng phân bố đều trên xà ngang   q rg :

- Tải trọng phân bố đều tiêu chuẩn tác dụng lên xà mái được xác định theo công thức sau:

      tc rg env rb rp q  g g g  B 5 1,816 2,84   6 57,95 daN/m

- Tải trọng phân bố đều tính toán tác dụng lên xà mái được xác định theo công thức sau:

    tt tc rg env rb rp g rg g q = g +g +g × ×B γ =q ×γ =57,95 1,1 63,74 daN/m × =

Trong đó: g Trọng lượng lớp bao che trên mái, lấy env g env  5 daN/m  2  g rb Trọng lượng bản thân giằng mái quy đổi, g rb 1,816 daN/m 2 

(được tính toán ở phần thiết kế hệ giằng mái). grp Trọng lượng bản thân xà gồ mái quy đổi, g rp  2,84 daN/m  2  (được tính toán ở phần thiết kế xà gồ mái).

B Khoảng cách giữa các khung ngang (bước khung), B 6 m   

* Xác định tải trọng tập trung đặt tại đỉnh cột qcg 

Tải trọng bao che, xà gồ cột và hệ giằng cột sẽ truyền tải phân bố đều dọc trục của cột Ta quy đổi lực đó về lực tập trung đặt tại đỉnh cột, giá trị lực tập trung được xác định như sau:

      tc cg env cb cp q  g g g   B H 5 2,57 5, 416   6 10 778,86 daN 

    tt tc cg env cb cp g cg g q  g g g   B H γ q γ 778,86 1,1 856, 75 daN  

Trong đó: g cb Trọng lượng bản thân giằng cột quy đổi, g cb  2,57 daN/m  2  (được tính toán ở phần thiết kế hệ giằng cột). gcpTrọng lượng bản thân xà gồ cột quy đổi, g cp 5, 416 daN/m 2 

(được tính toán ở phần thiết kế xà gồ cột).

* Xác định tải trọng tập trung do TLBT dầm cầu trục và ray qcb  :

- Các thông số chọn sơ bộ của dầm cầu trục (tiết diện chữ I tổ hợp) được xác định như sau:

+ Chiều cao tiết diện dầm:h = 700mm (Được xác định sơ bộ ở Chương 1).

+ Chiều rộng tiết diện dầm: bf = 300mm (Lấy bằng chiều rộng tiết diện cột).

+ Chiều dày bản cánh dầm: tf = 14mm (Lấy bằng chiều dày bản cánh tiết diện cột).

+ Chiều dày bản bụng dầm: tw = 8mm (Lấy bằng chiều dày bản bụng tiết diện cột).

+ Diện tích mặt cắt ngang của tiết diện:

A 2 b   t h 2t t  2 300 14  700 2 14  8776 mm 0,01378(m ) Trọng lượng bản thân của dầm cầu trục: cb s g  A γ 0,01378 7850 108,14(daN/m)  ( γ : Trọng lượng riêng của thép) s

Trọng lượng bản thân ray được lấy giả thuyết là: g r 10(daN/m)

-Tổng tải trọng tập trung tiêu chuẩn: tc cb cb r q (g g ) B (108,14 10) 6 708,85(daN)    

-Tổng tải trọng tập trung tính toán: tt tc cb g cb q γ q 1,1 708,85 779,73(daN) 

3.1.2 XÁC ĐỊNH HOẠT TẢI MÁI TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

Hình 3.26: Sơ đồ tính hoạt tải tác dụng lên khung

Giá trị hoạt tải tác dụng lên mái được lấy theo TCVN 2737:1995.Tra Bảng 3 của TCVN 2737:1995, đối với mái bằng không sử dụng (mái tôn không có người đi lại, chỉ có người đi lại sửa chữa, chưa kể các thiết bị điện nước, thông hơi nếu có) thì giá trị hoạt tải tiêu chuẩn tc 2 p 30(daN/m )

- Giá trị hoạt tải tiêu chuẩn phân bố lên khung ngang được xác định như sau:

- Giá trị hoạt tải tính toán phân bố lên khung ngang được xác định như sau:

Trong đó: Giá trị hệ số tin cậy hoạt tải γ p được xác định theo điều 4.3.3 của TCVN 2737:1995 (Đối với giá trị p tc  30 daN/m  2   200 daN/m  2  thì lấy γ p 1,3).

Lưu ý: Ngoài hoạt tải chất đầy, ta lấy thêm hoạt tải nửa trái, hoạt tải nửa phải.

Hình 3.27: Sơ đồ tính tĩnh tải tác dụng lên khung ngang (TT) a) Sơ đồ tính khung hoạt tải nửa mái trái

(HT1) b) Sơ đồ tính khung hoạt tải nửa mái phải

Hình 3.28: Sơ đồ tính khung hoạt tải nửa mái

Hình 3.29: Sơ đồ tính khung hoạt tải mái chất đầy (HT)

3.1.3 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG GIÓ TÁC DỤNG LÊN KHUNG

Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm hai thành phần là gió tác dụng vào cột và gió tác dụng trên mái Áp lực gió tính toán tác dụng lên khung được xác định theo TCVN 2737 – 1995:

- Giá trị tải trọng tiêu chuẩn: q tc w  W o  k c B × ×

- Giá trị tải trọng tính toán: q tt w  W o  k c B × × γ w

Trong đó: γw = 1.2: hệ số tin cậy của tải trọng gió.

Wo: giá trị tiêu chuẩn áp lực gió tĩnh, tra theo bản đồ phân vùng Ta có, địa điểm phân vùng gió IIIA, có W0 = 110 (daN/m 2 ) = 1,1 (kN/m 2 ) k: hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và địa hình.Chọn dạng địa hình A (Địa hình trống trải, không có hoặc có rất ít vật cản cao không quá 1.5m.) c: hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu.

B: Bề rộng của diện đón gió khung đang xét (bước khung).

Hình 3.30: Sơ đồ 8 tra hệ số khí động theo TCVN 2737:1995.

Kích thước chính của sơ đồ tính toán:

Xác định hệ số khí động c ei :

Các hệ số khí động được tra theo sơ đồ 2 và 8, TCVN 2737:1995

Khoảng cách từ sàn hoàn thiện đến nóc gió: H1 = Hc + h1 + h2 13,3m; H2 = Hc = 10m góc nghiêng của mái α 5,71 o

, góc nghiêng của mái α 5,71 o  c e1 0, 47 Với góc nghiêng α 5,71 o