ĐỒ ÁN BÊ TÔNG CỐT THÉP SỐ II : THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG doc

Chọn kích thước cột : Trong trường hợp số liệu của đồ án: sức nâng trục nhỏ hơn 30T, nhịp nhà nhỏ hơn 30 m ta chọn loại cột đặc có tiết diện chữ nhật... Hoạt tải ngang của xe con: Lực h

ĐỒ ÁN BÊ TÔNG CỐT THÉP SỐ II

THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

SỐ LIỆU CHO TRƯỚC:

Nhà công nghiệp 1 tầng lắp ghép, ba nhịp đều nhau,có cửa mái để thông gió và chiếu sáng đặt tại nhịp giữa L= 21m, cùng cao trình ray R=6.5m, ở mỗi nhịp có hai cầu trục chạy điện, chế độ làm việc nặng sức trục Q=20/5 T, dây móc cẩu cứng Bước cột

a = 12 m Địa điểm xây dựng tại Bắc Ninh

I - LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC CÁC CẤU KIỆN:

1 Chọn kết cấu mái :

Với nhịp L=21 m chọn kết cấu dàn bê tông cốt thép dạng hình thang, độ dốc các thanhcánh trên i=1/10 , chiều cao giữa dàn có thể chọn như sau:

H = (1/7  1/9)L = (21/7  21/9) = (3,  2,33) m.Chọn H = 2,8 m

-Khoảng cách giữa các mắt dàn ở thanh cánh thượng lấy bằng 3m

-Khoảng cách giữa các mắt dàn ở thanh cánh hạ lấy bằng 6m

Cửa mái chỉ đặt ở nhịp giữa được bố trí dọc nhà, chiều rộng của cửa mái lấy bằng 12m,cao 4 m

Các lớp mái được cấu tạo từ trên xuống dưới như sau:

- Hai lớp gạch lá nem kể cả vữa lót dày 5 cm

- Lớp bê tông nhẹ cách nhiệt dày 12 cm

- Lớp bê tông chống thấm dày 4 cm

- Panen mái là dạng panen sườn, kích thước 12  3 m cao 45 cm

Tổng chiều dày các lớp mái: t = 5 + 12 + 4 + 45 = 66 cm

Ta chọn đường ray có chiều cao : Hr = 150 (mm).

Trọng lượng tiêu chuẩn của đường ray: grc = 150 kG/m

- Với bước cột a =12 m, nhịp nhà L= 21 m, sức trục Q = 20 T

ta chọn dầm tiết diện chữ I bằng bê tông cốt thép với các kích

thước được chọn theo thiết kế định hình:

- Cao trình đỉnh cột: D = R + Hct + a1

Hct- chiều cao cầu trục tính từ cao trình ray đến đỉnh xe con, Hct = 2,4 m

a1- khe hở an toàn từ đỉnh xe con đến mặt dưới kết cấu mang lực mái, chọn: a1= 0,15m đảm bảo a1 0,1 m

D = 6,5 + 2,4 + 0,15 = 9,05 m

- Cao trình đỉnh mái: M = D + h + hcm + t

Chiều cao kết cấu mang lực mái: h = 2,8m

Chiều cao cửa mái: hcm = 4m

Tổng chiều dày các lớp mái: t = 0,66 m

Cao trình đỉnh mái ở nhịp thứ hai có cửa mái:

M2 = 9,05 + 2,8 + 4 + 0,66 = 16,51 m

Cao trình mái ở 2 nhịp biên không có cửa mái:

M1 = 9,05 + 2,8+ 0,66= 12,51 m

4 Chọn kích thước cột :

Trong trường hợp số liệu của đồ án: sức nâng trục nhỏ hơn 30T, nhịp nhà nhỏ hơn 30 m

ta chọn loại cột đặc có tiết diện chữ nhật

- Bề rộng cột b được chọn theo thiết kế định hình, thống nhất cho toàn bộ phần cột trên

và cột dưới, cho cả cột biên lẫn cột giữa, với a =12 cm ta chọn b = 50 cm thoả mãn độmảnh của cột theo phương ngoài mặt phẳng là :

l0/b = 1,2 Hd/ b =1,2.5,45/ 0,5 = 13,08 < 30

- Xác định chiều cao tiết diện phần cột trên:

+Cột biên: chọn dựa vào điều kiện a4 =  - B1 – ht >6 ( cm ) Với a4 là khoảng cách từmép bên cầu trục đến mép trong của cột.

Tra bảng ta được B1 = 26 (cm);  = 75 ( cm )

Chọn ht = 40 ( cm ) thoả mãn điều kiện a4 =75 - 40 – 26 = 9 > 6 (cm)

+Cột giữa: chọn dựa theo điều kiện a4 =  - B1 – 0,5 ht

Chọn ht = 60 (cm) thoả mãn điều kiện a4 =75 – 0,5 60 – 26 = 19 >6 (cm)

- Xác định chiều cao tiết diện phần cột dưới:

+Cột biên chọn hd = 60 (cm) thoả mã điều kiện : hd >Hd / 14 = 5,45/14 = 0,39 m

+Cột giữa chọn hd = 80 (cm)

- Xác định kích thước vai cột:

+ Cột biên : hv = 60 cm ; lv= 40 cm ;góc nghiêng cạnh dưới của vai bằng 45o

+ Cột giữa : hv =60 cm ; lv=60 cm ;góc nghiêng cạnh dưới của vai bằng 45o

- Kiểm tra độ mảnh của cột :

+độ mảnh của cột dưới theo phương ngoài mặt phẳng khung là:

Tải trọng tínhtoán kG/m2

- Tĩnh tải do toàn bộ mái: gm =(117+187,2+110).a.L + 352.a.(L-2.1,5) +1237,5.a.2.1.5 =(117+187,2+110).12.21 + 352.12.18 + 1237,5.12.3

Điểm đặt của Gm1, Gm2 cách trục định vị 0,15m và được thể hiện như hình vẽ:

2 Tĩnh tải do dầm cầu trục và ray cầu chạy :

Trọng lượng tiêu chuẩn bản thân dầm cầu trục, ray cầu chạy :

Gd= G1 + agr

G1 : trọng lượng bản thân dầm cầu trục, G1c =11,3 T, n =1,1

gr- trọng lượng ray và các lớp đệm, grc= 150 (kG/m2), n =1,1

Gd = 1,1.(11,3 + 12 0,15) = 14,41 (T) Tải trọng Gd đặt cách trục định vị 0,75 m

3 Tĩnh tải do trọng lượng bản thân cột :

Tải trọng này tính theo kích thước cấu tạo cho từng phần cột

* Cột biên: + Phần cột trên: Gt = 0,5  0,4  4,1  2,5  1,1 = 2,255 (T)

* Cột giữa:

+ Phầncột dưới: Gd =(0,5  0,8  5,45 +20,5   0,6 ) 2,5 1,1=6,74 (T)

Tường xây gạch là tường tự chịu lực nên trọng lượng bản thân nó không gây ra nội lực cho khung

4 Hoạt tải sửa chữa mái :

Mái nhà công nghiệp ở đây là mái nặng cho nên ta lấy :

Trị số hoạt tải mái tiêu chuẩn phân bố đều trên 1m2 mặt bằng mái lấy bằng

ptc = 75 kG/m2, n = 1,3 Hoạt tải này đưa về thành lực tập trung Pm đặt ở đầu cột

Pm= 0,5nptcaL

Pm= 0,5  1,3  75  12  21 = 12285 (kG) = 12,285(T)

Điểm đặt của Pm đặt trùng với vị trí của Gm

5 Hoạt tải cầu trục :

a Hoạt tải đứng do cầu trục:

Với số liệu cầu trục đã cho: Q = 20/ 5 T, LK=19,5 m chế độ làm việc nặng tra bảng ta

có :

- Bề rộng của cầu trục : B = 6,3 (m)

- Khoảng cách giữa hai trục bánh xe cầu trục : K = 4,4 (m)

- Áp lực lớn nhất tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray: Pmax= 22 (T)

- Hệ số vượt tải theo TCVN 2737 - 1995, n=1.1

-Trọng lượng xe con G = 6,0 T

Áp lực thẳng đứng lớn nhất do hai cầu trục đứng cạnh nhau truyền lên vai cột Dmax xác định theo đường ảnh hưởng của phản lực Dmax= n  Pmaxtc

Các tung độ của đường ảnh hưởng xác định theo tam giác đồng dạng :

y1 = 1 ; y2 = 7,6/ 12 = 0,634

y3 = 10,1/ 12 = 0,842 ; y4 =5,7/12 = 0,475

= 1 + 0,634 + 0,842 + 0,475 = 2,951

Dmax = 1,1  22  2,951 = 71,42 (T)

Điểm đặt của D max trùng với điểm đặt của Gd

b Hoạt tải ngang của xe con:

Lực hãm ngang do một bánh xe truyền lên dầm cầu trục trong trường hợp dây móc cẩu cứng được xác định theo công thức :

6 Hoạt tải do gió :

Tải trọng gió tính toán tác dụng lên một mét vuông bề mặt thẳng đứng của công trình là:

W = n  W0  k  C

Trong đó W0 - áp lực gió ở độ cao 10 m ,theo TCVN-2737-1995 thì Bắc Ninh thuộcvùng II-B nên áp lực W0 tra bảng là W0 = 95 (kG/m2).

k - hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao phụ thuộc vào dạng địa hình, ởđây áp dụng dạng địa hình B Hệ số k xác định tương ứng ở hai mức :

sơ đồ như trong hình vẽ sau:

Trong đó : Ce1 tính với góc  = 5,710 ( độ dốc i =tg =1/10 ), tỉ số

Nội suy Ce1 =-0,46

1 Các đặc trưng hình học :

* Cột biên :

- Chiều cao phần cột trên : Ht = 4,1 (m)

- Kích thước tiết diện phần cột trên : (50  40) cm

- Chiều cao phần cột dưới : Hd = 5,45 (m)

- Kích thước tiết diện phần cột dưới : (50  60) cm

- Chiều dài cột để tính toán : H= 4,1 + 5,45 = 9,55 (m)

Mômen quán tính của tiết diện: J=

Trong đó :

J : Mômen quán tính

b,h: kích thước tiết diện ngang của cột

- Mômen quán tính tiết diện phần trên vai cột :

- Chiều cao phần cột trên : Ht = 4,1 (m)

- Kích thước tiết diện phần cột trên : (50  60) cm

- Chiều cao phần cột dưới : Hd = 5,45 (m)

- Kích thước tiết diện phần cột dưới : (50  80)cm

- Chiều dài cột để tính toán : H = 4,1 + 5,45 = 9,55 (m)

- Momen quán tính tiết diện phần trên vai cột :

- Momen quán tính tiết diện phần dưới vai cột :

k = t3 = 0.109Chiều dương của nội lực được biểu diễn như hình vẽ:

2 Nội lực do tĩnh tải mái :

(sơ đồ tính và biểu đồ mô men cột biên do tĩnh tải mái Gm1 gây ra)

Xác định nội lực trong các tiết diện cột :

Sơ đồ tác dụng của tĩnh tải mái Gm1và Gm2 như hình vẽ:

Khi đưa Gm1 ,Gm2 về đặt ở trục cột ta được lực:

G = Gm1+Gm2 = 116,94+125,68 = 242,62 T và mô men

M = - 116,94.0,15 +125,68.0,15 = 1,311 T.m

( sơ đồ tính và biểu đồ mô men cột giữa do tĩnh tải mái Gm1 ,Gm2 gây ra)

Xác định nội lực trong các tiết diện cột:

3 Nội lực do tĩnh tải dầm cầu trục :

a Cột biên : Sơ đồ tính với tĩnh tải dầm cầu trục cho trên hình vẽ :

( Nội lực do hoạt tải mái )

b Cột giữa :

Tính riêng tác dụng của hoạt tải đặt lên nhịp phía bên phải và phía bên trái của cột

M = Pm2  et = 12,285  0.15 = 1,843 (T.m)

Mô men và lực cắt trong cột do mô men này gây ra được xác định bằng cách nhân

mô men do tĩnh tải Gm gây ra với tỷ số MP/MG = 1,843/1,311 =1,406

( Nội lực do hoạt tải mái )

6 Nội lực do hoạt tải thẳng đứng của cầu trục :

Lực Dmax gây ra mô men đối với phần cột dưới đặt ở vai cột :

Trong trường hợp Dmax đặt ở phía bên trái thì các giá trị mômen và lực cắt ở trên sẽ

có dấu ngược lại

( Nội lực do hoạt tải đứng của cầu trục )

(Sơ đồ tính và nội lực do lực hãm ngang của cầu trục)

8 Nội lực do hoạt tải gió :

Với tải trọng gió phải tính với sơ đồ toàn bộ khung có chuyển vị ngang ở đỉnh cột.Giả thiết các xà ngang có độ cứng vô cùng và vì các đỉnh cột ở cùng mức nênchúng có chuyển vị ngang là như nhau Dùng phương pháp chuyển vị để tính, hệchỉ có một ẩn số  là chuyển vị ngang ở đỉnh cột Hệ cơ bản được lập nên bằngcách thêm một gối tựa cố định ở đầu cột để ngăn cản chuyển vị ngang đầu cột Hệ

 : ẩn số (chuyển vị ngang của đầu cột)

Rg : phản lực ở liên kết trong hệ cơ bản

Rg = R1 + R4 + S1 + S2

Khi gió thổi từ trái sang phải thì R1 và R4 xác định theo sơ đồ như hình vẽ :

Biều đồ nội lực trường hợp gió thổi từ trái sang phải ở hình vẽ dưới

Trường hợp gió thổi từ phải sang trái lấy biểu đồ nội lực đổi ngược lại

( Biểu đồ nội lực do gió thổi từ trái sang phải )

III - TỔ HỢP NỘI LỰC :

Nội lực trong các tiết diện cột được sắp xếp và tổ hợp lại ở bảng dưới

Trong bản ngoài giá trị nội lực còn ghi rõ số thứ tự của cột mà nội lực được chọn

để đưa vào tổ hợp Tại các tiết diện I, II, III chỉ đưa vào tổ hợp các giá trị M và N,

ở tiết diện IV còn đưa thêm lực cắt Q, cần dùng khi tính móng Trong tổ hợp cơ bản 1 chỉ đưa vào 1 loại hoạt tải ngắn hạn Trong tổ hợp cơ bản 2 đưa vào ít nhất

2 loại hoạt tải ngắn hạn với hệ số tổ hợp 0,9 Ngoài ra theo đIều 5.16 của TCVN 2737-1995 khi xét tác dụng của 2 cầu trục(trong tổ hợp có cộng cả cột 7:8 hoặc cột9:10 ) thì nội lực của nó phải nhân với hệ số 0,95 với cầu trục làm việc ở chế độ nặng còn khi xét tác dụng của 4 cầu trục ( trong tổ hợp của nó có cộng cả cột 7:8

và 9:10 ) thì nội lực của nó phải nhân với hệ số 0,8(chế độ làm việc nặng)

V- TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CỘT TRỤC A :

1 Phần cột trên :

Chiều dài tính toán l0 = 2,5Ht = 2,5  410= 1025 cm

Kích thước tiết diện : b = 50cm, h = 40cm

Giả thiết chọn a = a’ = 4 cm, h0 = 40 – 4 = 36cm

N (T)

e 1 =M/N (m)

4,3152 -18,57 -18,2028

130,2515 119,195 130,2515

0,0331 0,1558 0,1398

0,0481 0,1708 0,1548

1,014 1,014 1,014

119,195 119,195 119,195

Để tính toán ảnh hưởng của uốn dọc, tạm giả thiết t = 2,5%,

Tính mô men quán tính của tiết diện :

Ib = b  h3/12 = 50  403 /12 = 266667 cm4

Mô men quán tính của diện tích tiết diện cốt thép :

IS = t  b h0  (0,5 h – a)2 = 0,02550 36  (20 – 4)2= 11520 cm4

Với cặp 3 có e0/h = 15,48/40 = 0,387

nên mang dấu âm

với độ mảnh h = 25,625 có min = 0,1%, ’> min  thoả mãn.

b Kiểm tra với cặp 2 :

Vì cặp 2 có mô men cùng chiều với cặp 3 đã tính thép nên đối với cặp 2 có :

IS = (AS + AS ’)  (0,5  h – a)2 = 47,43  (20 – 3,81)2 =12432,2 cm4

Với cặp 2 có e0/h = 17,08/40 = 0,427

nên mang dấu âm

Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ lệch tâm e0 :

S = = max (e0 /h , )

= 0,5 – 0,01.l0/h -0,01Rb =0,5 – 0,01.1025/40 -0,01.14,5 =0,099

Tính Mu =Rb.b.x(h0-0,5x)+RSC.AS ’(h0-a’)

=145.50.18,81 (36,19- 0,5.18,81)+3650.21,36(36,19- 3,69)

=6185204 kG.cm = 61,852 T.m

N.e = 119,195.0,4847 = 57,774 T.m

N.e < Mu tiết diện đủ khả năng chịu cặp nội lực 2

c Kiểm tra với cặp 1 :

Vì cặp 1 có mô men ngược dấu với cặp 3 là cặp tính thép nên với cặp 1 có:

Tính Mu =Rb.b.x(h0-0,5x)+RSC.AS ’(h0-a’)

=145.50.15,6(36,31 - 0,5.15,6)+3650.26,07(36,31- 3,81)

= 6297052 kG.cm = 62,97 T.m

N.e = 130,2515.0,2449 = 31,9 T.m

N.e < Mu tiết diện đủ khả năng chịu cặp nội lực 1

Vậy chính thức chọn lượng thép như sau :

AS : 328 + 222 (26,07 cm2)

AS ’ : 128 + 422 (21,36 cm2)

d Kiểm tra cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn :

Vì tiết diện cột là hình chữ nhật có kích thước b  h = 50  40 cm, độ mảnh theophương ngoài mặt phẳng uốn không lớn hơn độ mảnh theo phương trong mặt

kiểm tra cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn

Kiểm tra về bố trí thép Chọn lớp bảo vệ dầy 2,5cm,

a = 3,81 cm ; a’ = 3,69 cm ;

Trị số h0 theo cấu tạo h0 = 40 – 3,81 = 36,19 cm lớn hơn trị số đã dùng để tính toán

là 36 cm như vậy thiên về an toàn

Khoảng cách giữa các cốt thép ở phía đặt 328 + 222 là:

(50 – 2,5.2 - 2,8  3 – 2,2.2)/4 = 8,05 >5 cm, thoả mãn các quy định về cấu tạo.Khoảng cách giữa các cốt thép ở phía đặt 128 + 422 là:

(50 – 2,5.2 – 2,8.1 -2,2.4)/4 =8,35 cm thoả mãn yêu cầu cấu tạo

2 Phần cột dưới:

Tra bảng ta có chiều dài tính toán: l0 = 1,5  Hd = 1,5  545 =817,5cm

Kích thước tiết diện b = 50 cm, h = 60 cm Giả thiết chọn a = a’ = 4 cm,

h0 = 60 - 6 = 56 cm; h0 - a’ = 56 - 4 = 52 cm

Độ mảnh h = l0/h = 817,5/ 60 = 13,625 > 8 cần xét đến uốn dọc

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn ra ba cặp nghi ngờ là nguy hiểm ghi ở

2

3

IV-13 IV-17 IV-18

40,359 -28,9587 44,6874

138,545 199,6091 210,6656

0,2913

0, 145 0,212

0,3113 0,1651 0,2321

4,929 4,929 4,929

138,545 138,545 138,545

với độ mảnh h = 13,625 có min = 0,05%  ’> min  thoả mãn.

b Kiểm tra với cặp 1 :

Vì cặp 1 có mô men cùng dấu với cặp 3 là cặp tính thép nên với cặp 1 có:

AS : 322 + 218 (16,49 cm2) ; AS ’ : 320 + 218 ( 14,51 cm2 )

a = 3,54 cm ; a’ = 3,47 cm ; h0 = 60 – 3,54 = 56,46 cm

Để tính toán uốn dọc ta tính lại IS với tổng :

N.e < Mu tiết diện đủ khả năng chịu cặp nội lực 1

b Kiểm tra với cặp 2 :

Vì cặp 2 có mô men ngược dấu với cặp 3 là cặp tính thép nên với cặp 2 có:

Hệ số xét đến ảnh hưởng của tải trọng tác dụng dài hạn : vì Mdh ngược chiều với Mnên mang dấu âm.

N.e < Mu tiết diện đủ khả năng chịu cặp nội lực 1

Kết luận : chọn thép như sau : phía trái chọn:322 + 218 (AS =16,49 cm2 )

phía phải chọn: 320 + 218 (AS ’ =14,51 cm2 )

Sd = (h0 – a’)/2 = (56,46 – 3,47)/2 = 26,495 cm, thoã mãn Sd < 40cm

+Diện tích tiết diện thanh cấu tạo không bé hơn

0,0005 b Sd = 0,0005 x 50 x 26,495 = 0,66 cm2

Dùng thép : 16 , AS =2,01 cm2

* Kiểm tra cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn:

Tra bảng ta có chiều dài tính toán: l0 = 1,2  Hd = 1,2  5,45 = 6,54 m

Độ mảnh b = l0/h = 654/50 = 13,08

Hệ số uốn dọc  tra bảng phụ lục (nội suy) được  = 0,942

Tính toán kiểm tra cấu kiện theo cấu kiện chịu nén đúng tâm

Ab = 50  60 = 3000 cm2

AS t = (16,49 + 14,51) = 31 cm2

t = 31/ 3000 = 0,01 < 0,03

Điều kiện kiểm tra: N  (Rb  Ab + RSC  AS t)

N chọn theo Nmax lấy ở cặp nội lực IV-18 ; Nmax = 210,6656 T

(Rb  Ab + RSC  AS t) = 0,942  (145  3000 + 3650  31 )

= 516357 kG = 516,357 T > 210,6656 T

Vậy cột đủ khả năng chịu lực theo phương ngoài mặt phẳng uốn

VI TÍNH TOÁN CỘT TRỤC A THEO CÁC ĐIỀU KIỆN KHÁC :

a Kiểm tra theo khả năng chịu cắt :

Ở phần cột dưới, lực cắt lớn nhất xác định từ bảng tổ hợp Qmax = 10,494 T

K1 Rbt b h0 = 0,6 10,5 50  56,46 = 17785 kG = 17,78 T, thoả mãn điều kiện:

Q < K1 Rbt b h0 Bê tông đủ khả năng chịu lực cắt Cốt đai đặt theo cấu tạo:

Diện tích trực tiếp chịu nén cục bộ Fcb = 24 x 26 = 624 cm2

diện tích tính toán của tiết diện lấy đối xứng qua Fcb tính được

Gia cố đầu cột bằng lưới thép ngang Dùng 4 lưới thép ô vuông, kích thước ô lưới

l2 = 38 cm số thanh theo phương cạnh b là: n1 = 9 số thanh theo phương cạnh hlà: n2 = 7 Khoảng cách các lưới là: Sl = 12 cm, khoảng đặt lưới là: 3  12 + 2 = 38

cm, đảm bảo khoảng đặt lưới không dưới đoạn quy định đối với thép có gờ là: 15

 d = 15  2,2 = 33 cm

Diện tích tiết diện bê tông được bao bên trong lưới:

Fl = 46  36 = 1656 cm2 > Ft = 1500 cm2