Thuyết minh đồ án thiết kế thép I

I.Tính toán kích thước bản sàn Chọn kích thước bản sàn (bề dày, nhịp). Kiểm tra bản sàn theo điều kiện cường độ và điều kiện biến dạng. Tính toán đường hàn liên kết bản sàn với dầm đỡ. II. Tính toán thiết kế dầm phụ Chọn sơ đồ tính toán Xác định tải trọng tính toán Xác định nội lực tính toán Chọn kích thước tiết diện dầm Kiểm tra kích thước dầm theo điều kiện cường độ và điều kiện biến dạng.

Thuyết minh

Đồ án kết cấu thép số I

Đề bài

Thiết kế hệ dầm sàn bằng thép với các số liệu tính toán kèm theo cho trong bảng:

Vật liệu thép số hiệu CCT38s, có cờng độ tính toán:

f=230 N/mm2; fv= 240 N/mm2;

E=2,06.106daN/cm2=2,06.105N/mm2

Độ võng giới hạn cho phép: của bản sàn [ l]=1/150; của dầm phụ [

/B]=1/250; của dầm chính [/L]=1/400

Hệ số vợt tải: của tĩnh tải g=1,05; của hoạt tải P=1,2

Hàn tay, dùng que hàn N42

Nội dung tính toán bao gồm:

I.Tính toán kích thớc bản sàn

-Chọn kích thớc bản sàn (bề dày, nhịp)

-Kiểm tra bản sàn theo điều kiện cờng độ và điều kiện biến dạng

-Tính toán đờng hàn liên kết bản sàn với dầm đỡ

II Tính toán thiết kế dầm phụ

- Chọn sơ đồ tính toán

- Xác định tải trọng tính toán

- Xác định nội lực tính toán

- Chọn kích thớc tiết diện dầm

- Kiểm tra kích thớc dầm theo điều kiện cờng độ và điều kiện biến dạng

III Tính toán thiết kế dầm chính

- Chọn sơ đồ tính toán

- Xác định tải trọng tính toán

- Xác định nội lực tính toán

- Chọn tiết diện dầm

- Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài và kiểm tra tiết diện dầm đã chọn

- Tính toán đờng hàn liên kết bản cánh với bản bụng dầm

- Thiết kế sờn đầu dầm

- Thiết kế mối nối dầm

- Tính liên kết dầm phụ với dầm chính (nếu cần)

I Tính toán bản sàn

1.Chọn kích thớc bản sàn

Kích thớc bản sàn xác định gần đúng giá trị tỷ số giữa nhịp lớn nhất và chiều dày ts của sàn:

s

s

t

l

.

72 1 (

15

4

4 0

1 0

tc

q n

E n



Trong đó:

s

s

t

l

là tỷ số cần tìm giữa nhịp sàn và chiều dày sàn

n0 = [l/] = 150

E1=

5

2,06.10

E

  2,26.105 (N/mm2) Với tải trọng tiêu chuấn qtc =22,8 (kN/m2) chọn tS = 10 mm



5

s s

l

 lS = 96,39.10 = 963,9 (mm)

Ta chọn lS = 955mm Trên một ô sàn bố trí 11 dầm phụ

2 Kiểm tra sàn

Xét cho dải sàn 1 m có sơ đồ tính nh sau:

q

f

Hình 1 Sơ đồ tính toán sàn

+Tải trọng tiêu chuẩn: qtc

s = gtc

s + ptc s

Trong đó: gtc s = ts. 1=0,01.78,5.1=0, 785 (kN/m)

Với =7850 daN/m3= 78,5 kN/m3

 qtc

s = 0,785+22,8=23,585kN/m

+Tải trọng tính toán: qtt s=g gtc s +p.ptc s

=1,05.0,785+1,2.22,8 =28,184kN/m

a) Kiểm tra độ võng của sàn:

Độ võng do tải trọng tiêu chuẩn và lực kéo H tác dụng:=0



 1 1

Trong đó: 0 là độ võng ở giữa nhịp của bản có sơ độ làm việc nh dầm

đơn giản do qtc s gây ra

0

x

tc s

I E

xl q x

384

5 1 4

Với Ix = 1.3 1.0,013

s

t

 = 0,083 (cm4)

0=

4

5 23,585.0,955 12

+Hệ số  xác định từ công thức:

( 1 + )2 = 3 2

2 0

s

t



( 1 + )2 = 3

2 2

0,0136 0,01 = 5,549

Xác định đợc  = 1,174

Độ võng của sàn: =0



 1

1

=0,0136 1

1 1,174  =0,00626

s

l







 

l =150

1

=0,00667

Bản sàn đảm bảo điều kiện độ võng cho phép

b) Kiểm tra cờng độ sàn:

Kiểm tra sàn theo diều kiện cờng độ:

c

s s

f W

M A

H



As- diện tích tiết diện sàn rộng 10mm: As=10mm x1000mm= 104 mm2

Ws- mômen kháng uốn của tiết diện dải sàn rộng 10mm

t

+Lực kéo H tác dụng trong bản tính theo công thức:

H = p

2 2





 

l

H = 1,2 3 14

4

1 150

, 









 2,26.105.10 = 297,1 (N) +Mômen lớn nhất ở giữa nhịp sàn:

M0 = .2

8

tt

s s

q l = 28,184.0,955 2

8 =3,213 (kN.m)

Mmax = 3, 213

Vậy ứng suất lớn nhất trong sàn:

6

297,1 1, 478.10

   =88,71(N/ mm2)f . c=210 (N/ mm2)

Kết luận:Sàn đảm bảo khả năng chịu lực

c)Tính liên kết hàn:

Đờng hàn liên kết bản sàn với dầm phụ phảI chịu đợc lực H Chiều cao đ-ờng hàn đợc xác định theo công thức:

c w f

f

H h



 )min

(



Với thép CCT38s dùng que hàn N42 có:

fwf=180 (N/ mm2); fws=0,45.fu=0,45.380=171(N/ mm2)

Dùng phơng pháp hàn tay nên f =0,7; s=1.

min

)

.

(  f w =Min(0,7x180; 1.171)=126(N/ mm2)

Thay số vào ta có:

297,1

2,36

126

f

h   mm

Ta lấy chiều cao đờng hàn liên kết bản sàn với dầm phụ là h f=5mm thoả mãn yêu cầu cấu tạo

DầM CHíNH BảN SàN

CộT

MặT BằNG kết cấu hệ DầM SàN - TL : 1/100

DầM PHụ

II Tính toán thiết kế dầm phụ

1 Sơ đồ tính toán dầm phụ

Sơ đồ tính toán dầm phụ là dầm đơn giản nhịp l = 6 m chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều từ sàn truyền vào

2 Tải trọng

Tải trọng tác dụng lên dầm phụ là tải trọng ptc và trọng lợng của sàn thép

+Tải trọng tiêu chuẩn:

qtc dp = (ptc+ts )xls= (22,8+0,01x78,5).0,955=22,524(kN/m)

+Tải trọng tính toán:

qtt dp=(ptc.p+ts .g)xls=(22,8.1,2+0,01.78,5.1,05).0,955=26,916kN/m

3 Xác định nội lực tính toán

Mmax=

8

2

xB

q tt

dp =

2 26,916.6

8 = 121,122kNm

Vmax=

2

xB

q tt

2 = 80,748kN

4 Chọn kích thớc tiết diện dầm

Mô men kháng uốn cần thiết cho dầm có xét đến biến dạng dẻo:

WX =

c

fx

M

 12 , 1

max

=

2 121,122.10

3

Tra bảng thép cán sẵn, chọn thép chữ INo30a có các đặc trng hình học:

WX = 518 cm3; g = 39,2 kg/m; bf = 145 mm

SX = 292 cm3 IX = 7780 cm4; d=6,5 mm

h = 300 cm; t = 1,07 cm

6,5

145

Hình 4 Tiết diện dầm phụ

5 Kiểm tra lại tiết diện

a) Kiểm tra bền có kể đến trọng lợng bản thân dầm:

M*

max=

8

.

max

B g

M g

= 121,122.106+1,05.39, 2.6 102 4

8 = 122,974.10

6 N/mm2

V*

max= Vmax+

2

.

B g

g



= 80,748.103+

3 1,05.39, 2.6.10

2 = 101,328.10

3

+ứng suất pháp lớn nhất:

max

* max

1,12. X

M

W =

6 3

122,974.10

2  f.γc =230N/mm2

 Dầm đã chọn đảm bảo điều kiện bền uốn

+ứng suất tiếp lớn nhất:

max =

w X

X

t I

S V

.

.

* max

=

4

101,328.10 292.10

2

max = 58,51 N/mm2 < c.fv = 132,57 N/mm2

fv=0,58 fy/ fM=0,58.240/1,05=132,57N/mm2

Dầm đã cho thoả mãn điều kiện chịu cắt

b)Kiểm tra võng theo công thức:

3

5 384

tc tc X

q g B





B

3

5 (22,524 0,392).6000

B

B =250

1

=0,004

Kết luận: Dầm chọn đạt yêu cầu cả về cờng độ và độ võng.

III Tính toán thiết kế dầm chính

1 Sơ đồ tính toán của dầm chính: là dầm đơn giản chịu tác dụng của các tải

trọng coi nh phân bố đều

2 Tính tải trọng tác dụng

Theo cách bố trí dầm có 13 dầm phụ đặt lên dầm chính

Tải trọng phân bố đều lên dầm chính có xét đến trọng lợng bản thân dầm phụ:

qtc dc=( tc ).

dp dp

qtt dc=( tt ).

dp g dp

q   g B=(26,916+1,05.0,392).6=159,646kN

3 Xác định nội lực tính toán

Mmax =

8

.L2

q tt

dc =

2 159,646.10,5

8 =2200,12kNm

Vmax =

2

.L

q tt

dc = 159,646.10,5

2 =995,642kN

4 Thiết kế tiết diện dầm

a Chọn chiều cao h d theo điều kiện:













kt

d

d

h

h

h h

hmin max

(Trong đó hmax không hạn chế)

+ Chiều cao hmin có thể tính gần đúng theo công thức:

hmin =

tb

L L E

f

 24

5









 Với tt

dc

tc dc

tb q

q





1

=137, 496

+ Xác định tw theo công thức kinh nghiệm sau:( Khi hdtừ 1 đến 2 m)

w

t =7+

1000

3hmin

1000 =9,52 mm Chọn t w =10 mm.

+ Chiều cao hkt của dầm tính theo công thức: hkt = k

w

t W

Trong đó: W=



max

f

M

=2200,12.102 23.1 =9565,74 cm

3

Hệ số k = 1,15- tổ hợp dầm hàn

hkt = 1,15 9565,74

1 =112,475 cm.

Ta có tỉ số:

w

kt

t

h

=112, 475

1 =112,475.

Dựa vào hmin và hkt sơ bộ chọn chiều cao hd = 112 cm

+ Kiểm tra lại chiều dày của bản bụng: Giả sử lấy hw=hd-4= 108cm

tw=1cm

v

w f h

V

5

,

 =1,5x995,642

b) Chọn kích thớc bản cánh dầm

-Diện tích tiết diện cánh dầm xác định theo công thức gần đúng sau:

Af = bf tf = (

3

.

d w

M h t h

f   ). w2

2

h

=(2200,12.10 112 1.1082 3

2

108 =73,85(cm2)

- Chọn bf và tf phải thoả mãn các điều kiện:

+ bf  18 cm

+ bf = )

5

1 2

1 (  hd=(22,4- 56)cm

+ tf  1cm= tw và tf  3 cm

+ 

f

f

t

b

30

Từ các điều kiện trên, ta chọn kích thớc tiết

diện cánh: bf x tf =40 x 2 cm

5 Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài

Điểm để thay đổi kớch thước bản cỏnh dầm cỏch gối tựa một khoảng

x=L/6=1,75m

Momen tại vị trớ thay đổi: x

q.x.(l-x) 159, 646.1,75.(10,5 1,75)



kNm

Diện tớch tiết diện bản cỏnh cần thiết tại vị trớ thay đổi:

3 ' ' x w w

t h

A =b t =( - ).

f 2 12 h =

3

2 2

Chọn b’f=21cm

6 KiÓm tra tiết diện cho dÇm chính

- TÝnh träng lîng b¶n th©n dÇm:

gbt =(hw tw+2 bf x tf ). g

=(1,08x0,01 + 2x0,40x0,02)x78,5x1,05 = 2,21kN/m

-M«men tÝnh to¸n lín nhÊt cña dÇm:

M*max=Mmax+Mbt =2200,12+

2

2, 21 10,5 8

x = 2230,577kNm

-Lùc c¾t tÝnh to¸n lín nhÊt:

V*

max = Vmax +Vbt =995,642+2, 21 10,5

2

x

= 1007,245kN -M«men qu¸n tÝnh thùc cña tiÕt diÖn dÇm:

Ix =

12

3

w

w h

) 2 (

2b f t f h f = 1 1083

12

x + 110 2

2

x x x =588976 cm4

-M«men kh¸ng uèn thùc cña dÇm:

Wx =

d

x h

2 I

112

x

= 10517,43 cm3

- øng suÊt lín nhÊt trong dÇm:

x

W

M* max

6 3

2230,577 10

10517, 43 10

x

x =212,084N/mm

2  f.γc=230N/mm2

-øng suÊt tiÕp lín nhÊt trong dÇm tại gối tựa:

max =

*

max

'

.

.

c

x

x w

V S

I t =

4

1007, 245 10 3768.10

359076 10 10

x x

x x =105,696 N/mm

2<fv.=132,57 N/mm2

Víi Sc x=

8

2

w

w h

t

+ '

2

f

f f

h

b t =

2

1 108 8

x + 110

2

x x =3768 cm3

I’x =

12

3

w

w h

t

+2 ' ( ) 2

2

f

f f

h

b t =

3

1 108 12

x + 110 2

2

x x x =359076 cm4

W’x =

'

x

d

I 2

359076 2 112

x

= 6412,07 cm3

Kiểm tra ứng suất pháp trong đường hàn đối đầu nối cánh :

' bt

bt

g x.(L-x)

M =

2



'

(1222, 29 16,92).10

W 6412,07.10

x

x

     =193,262N/mm2  fwt.γc=195N/mm2

Kiểm tra ứng suất cục bộ tại nơi đặt dầm phụ

c c

P

P=2.(V +V ) =2.(80,748+3,087)=167,67kN

lz= dp

3

Kiểm tra ứng suất tương đương tại nơi thay đổi tiết diện dầm:

'

x bt w

x

(M +M ).h

σ

W h

3

(1222, 29.10 16,92.10 ).1080 6412,07.10 1120



=186,36N/mm2

'

x bt

1 '

x w

(V +V ).S

I t

x

359076.10 10



=59,446N/mm2

Trong đú tt

x dc

1

V =q ( -x)

2 =159,646(10,5/2-1,75)=558,761kN tt

bt dc

1

V =g ( -x)

2 =2,21.(10,5/2-1,75)=7,735kN

1

2 2 2

td c 1 c 1

σ = σ +σ -σ σ +3.τ = 186,36 2  90,632 2  186,36.90.632 3.59, 446  2 = 191,5N/mm2  1,15fγ c=264,5N/mm2

7 Kiểm tra ổn định dầm

a) Kiểm tra ổn định tổng thể dầm:

Khoảng cách giữa các dầm phụ là l0=ls= 0,955 m, bề rộng cánh bf = 40cm

Điều kiện ổn định là:



f

b

l0

f

E h

b t

b t

b

f

f f

f f

f





































 0 , 0032 0 , 73 0 , 016 41

,

0



Trong đó: = 1 khi dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi

Thay số vào ta đợc:

VP=1x

6

x

=19,52

VT= l0/bf = 2,38<VP=19,38

Kết luận: Dầm đảm bảo ổn định tổng thể.

b) Kiểm tra ổn định cục bộ cho dầm:

- ổn định cánh dầm chịu nén:

Điều kiện ổn định cánh nén của dầm ở chỗ có ứng suất lớn nhất tại giữa nhịp

Khi cánh làm việc đàn hồi:

f

E t

b

f

5 , 0

0 40 1

9,75

f w

b t

b

2100

10 06 ,

2 x 6 = 15,66

Kết luận: Bản cánh dầm đảm bảo ổn định

- ổn định bản bụng dầm:

Dới tác dụng của ứng suất tiếp ở đầu dầm sẽ mất ổn định (bị lợn sóng nghiêng

450 ), ứng suất pháp gây mất ổn định cho bản bụng (giữa dầm)

Trớc hết kiểm tra giá trị độ mảnh qui ớc:

w



E

f

t

h

w

w =108 2100 6



 ] = 3,2 Bản bụng bị mất ổn định do ứng suất tiếp tác dụng Ta phải gia cờng bản bụng dầm với kích thớc nh sau:

+Khoảng cách giữa hai sờn phải đảm bảo: a  2.hw =2x108 =216 cm, chọn a= 210cm

+Bề rộng sờn: b 1080

w s

h

mm

     Chọn bs=80mm

2,06 10

f

b x x

Theo cách bố trí dầm phụ các ô bản bụng cần kiểm tra thể hiện trên hình vẽ

Hình 8 Cách bố trí các sờn gia cờng và các điểm kiểm tra

Kiểm tra ứng suất trong cỏc ụ

Tại tiết diện cách đầu gối tựa 1 đoạn x mm thì có nội lực:

M=

2

) (

.

q tt 











 x

L

q tt

2 ' với q'tt=13451,85 daN/m

-Điểu kiện ổn định khi có lực tập trung: 1

2 2

,



































cr cr

c

c











Với: + .

2

w cr

h M

I

t

P

w

cb   , với z=bdp f  2t dc f =14,5+2x2=18,5 cm

w

w t

h

V



0

76 , 0 1 3 , 10

w

v cr

f



















+Còn các giá trị cr và c, cr xác định theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép.

Kiểm tra Ô1: tiết diện kiểm tra cách gối tựa 540mm.

M1=(159,646 2, 21).0,54.(10,5 0,54)

2

=435,3kNm;V1=

10,5 (159, 646 2, 21).( 0,54)

2

- Giá trị ứng suất pháp trong Ô1 là:

6 4

.

3

2 1

w w

V 762,342.10

= =70,6N/mm

h t 1080.10

2 c

σ =90,632N/mm

- Giá trị ứng suất tiếp giới hạn trong Ô1 là:

2

1,94 108

w

a

h

3, 45

w

w

w

h f

-Với tỉ số a/hw=1,94>0,8 và 90,632

1,38

65, 46

c



'

f f

w w

b t

x x

h t

Tra bảng suy ra: C2=81,07 + Nên cr đợc xác định theo công thức:

cr 2 -2

w

f

σ =C

λ

Trong đó:



  (đã tính ở trên)

81,07

3, 45

+Giá trị c, cr xác định theo công thức: 2

1 ,

a

cr c

f c









a w

a f





Với   2,37, a/hw=1,94 Tra bảng c1=54,624

Suy ra: , 2

54,624 210 3,35

c cr

x

Thay số vào công thức kiểm tra cho Ô1:

=0,53<1

Kết luận: Ô1 đảm bảo ổn định

Kiểm tra Ô2: tiết diện kiểm tra cách gối tựa 3660mm

M2=(159,646 2, 21).3,66.(10,5 3,66)

2

=2025,98kNm;V2=

10,5 (159, 646 2, 21).( 3,66)

2

6 4

2025,98.10 1080

.

3

2 2

w w

V 257,351.10

= =23,83N/mm

h t 1080.10

-Với tỉ số a/hw=1,94>0,8 và 90,632

0, 49 185,75

c



'

f f

w w

b t

x x

h t

Trị số giới hạn: c 0,748

  So sỏnh c 0, 49 0,748

Trong đó:



  (đã tính ở trên)

33,54

3, 45

+Giá trị c, cr xác định theo công thức: 2

1 ,

a

cr c

f c









a w

a f

Với   2,37, a/2hw=0,972 Tra bảng c1=20,002

Suy ra: , 20,002 2102

3,35

c cr

x

Thay số vào công thức kiểm tra cho Ô1:

=0,56<1

Kết luận: Ô2 đảm bảo ổn định

8 Tính toán các chi tiết khác của dầm

a Tính liên kết cánh dầm với bụng dầm

Theo sơ đồ bố trí dầm, tiết diện đầu dầm có Vmax, không có dầm phụ do đó chiều cao đờng hàn liên kết cánh dầm với bụng dầm đợc tính theo công thức:

h

x f

I f

VS



min

'



Trong đó: Vmax là lực cắt lớn nhất ở đầu dầm chính: Vmax = 995,642kNm

Ta cú: (fw)min = 0,7x1800 = 1260 (daN/cm2)

S'

x = 3768 cm3; I'

x=359076 cm4

2 12,60 359076 1

ct

f

x

Tải trọng tập trung do dầm phụ là P:

P = 2.Vdpmax=2x80,748=161,496 kN Lực cắt của dầm chính tại tiết diện này là:

V=

'

tt

q   q  x

Chiều cao đờng hàn tại vị trí này đợc tính theo công thức:

h

2 2

' ' min

) ( 2

1





























z

P I

VS

x c

w f





Trong đó: z =bdp f  2t dc f =14,5+2x2=18,5 cm

h

2 2

f

x

x x

=0,398 cm

Cả hai tiết diện chiều cao đờng hàn đều nhỏ do đó lấy theo cấu tạo

hf = 7 mm (phụ thuộc tmax =2 cm)

b Tính sờn đầu dầm

Dùng sờn đặt đầu dầm Chọn kích thớc sờn: bs=b'f =21 cm

Theo điều kiện ổn định sờn:

bs

f

E

t s

21 2,06 10

s s

f

Diện tích yêu cầu của sờn: A  

c c

yc s s

yc

F t

b

.







Với F - phản lực đầu dầm: F=

tt

Suy ra: A 838,142

1 38,095

yc s

x

 =22 cm2 Chọn ts= 1,1cm

Kiểm tra sờn đầu dầm theo công thức: f c

A

F





Với A=AsA qu=As+

6

2100

w

2

I=

f

850,622

43, 45

s

I i

A

108

4, 425

w

s

s

h

i

   =24,41 Tra bảng suy ra:   0,95.

3 2

838,142.10

0,95 43, 45.10x

  =203,1N/mm2< 230 N/mm2

Kết luận: Sờn đầu dầm đảm bảo chịu lực tốt.

c Tính liên kết sờn đầu dầm vào bụng dầm

Chiều cao hftính theo công thức:

h



h w

f

l f

V

min

max

2 

Trong đó: l h = hw - 1cm = 108 - 1 = 107 (cm)

Vmax=1007,245kN

2 126 1070

f

x x

 =0,37 cm.Chiều cao đờng hàn nhỏ, lấy theo cấu tạo: hf = 6mm

d.Tính liên kết sờn trung gian vào bản bụng

Chọn chiều cao đờng hàn giữa bụng dầm chính và sờn trung gian :

hf = 6mm thoả mãn























4

2 , 7 6 2 , 1 2 , 1 4

min

min

mm h

mm t

mm

e Tính nối bản bụng dầm

Nối dầm tại nơi thay đổi bản cỏnh để thuận tiện việc di chuyển, lắp ghộp

Bản cỏnh nối bằng đường hàn đối đầu, bản bụng nối bằng bản ghộp và dung đường hàn gúc

Nội lực tại mối nối M1=Mx+Mbt= 1222,29+16,92=1239,21kNm

V1=Vx+Vbt=558,761+7,735=566,496kN

Mối nối coi như chịu toàn bộ lực cắt và phần moomen bản bụng

Mb=Iw/IxM=166698/588976x1239,21=350,734kNm

Chọn bản ghộp tiết diện (98x1) cm, rộng 10cm

Kiểm tra tiết diện bản ghộp: 2Abg=2.98=196>108

Mối hàn đặt lệch tõm so với vị trớ tớnh nội lực Do vậy momen lệch tõm Me

Me=566,496.5=2832,48kNcm

Chọn chiều cao đường hàn hf=10mm, hf>hmin=5mm, hf  1,2t=12mm

Af=2.(98-1)=194cm2

1

V



=124,3N/mm2

 

td w min

σ < β.f