ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG, tài liệu hướng dẫn thiết kế kết cấu khung thép, dành cho các bạn nghiên cứu, tham khảo trong quá trình học tập của mình về một học kết cấu thép

ĐỒ ÁN THÉP II THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT

TẦNG

CHƯƠNG 1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG

1.1: Các số liệu thiết kế :

- Nhịp nhà : L = 24 m

- Cao trình đỉnh ray : Hr = 9 m

- Sức trục : Q = 300 KN

- Gió vùng II : wtc = 0.55 KN / m2

Các số liệu tra bảng :

Từ số liệu thiết kế , chọn loại ray KP70, có các đặc trưng :

-Hk = 2750 mm

-Bề rộng cầu trục :Bk = 6300 mm

-Nhịp cầu trục : Lk = 22.5m

- Khoảng cách 2 trục bánh xe : K = 5100 mm

-Khoảng cách tim ray đến mút ngoài cùng của cầu trục : B1 = 300 mm

-F=500mm ,

1.2: Kích thước theo phương đứng :

1.2.1:Cột dưới

Chiều cao ray và đệm : giả định lấy bằng hr =200 mm

Chiều cao dầm cầu chạy : hdcc =1/10 B = 600 mm

Độ võng dàn mái : 1/10 nhịp nhà : f = 300 mm

Chiều cao gabarit cầu trục : Hk = 2750 mm

Độ võng dàn mái : 1/100 nhịp nhà : f = 240 mm

Kích thước phần đầu B1 = 300mm

Khe hở an toàn giữa mép cột trên và cần trục D= 70mm

- Khoảng cách từ tim ray đến trục định vị :

mm L

7502

2250024000

ah t B1D  = 500 + 300 + 70 -750 = 120mm, chọn a = 250 mm , trục định vị trùng tim cột trên

- Bề rộng cột dưới xác định theo công thức :

MẶT CẮT KHUNG NGANG

Q=30T

Trọng lượng các lớp mái :

Panen cỡ lớn : 1.5KN / m2 hệ số vượt tải n = 1.1

Bêtông cách nhiệt 0.4KN/ m2 hệ số vượt tải n = 1.2

Lớp chống thấm 0.1KN / m2 n = 1.2

Vữa tô trát 0.8 KN /m2 n = 1.2

Gạch lá nem 1.2 KN / m2 n = 1.1

Tổng tải trọng tính toán : gtt = 1.5x1.1 + 0.4x1.2 + 0.1x1.2 + 0.8x1.2 + 1.2x1.1 = 4.53KN / m2

Tải tính toán tính trên mặt bằng gtt

1 = 0.3 KN / m2 hệ số vượt tải n = 1.2 Giá trị tính toán gtt

1 = 0.3x1.2=0.36 KN / m2Trọng lượng kết cấu cửa mái : gtc

2 = 0.12KN / m2 hệ số vượt tải n = 1.2 Giá trị tính toán gtt

2= 0.12x1.2=0.144 KN / m2

Tải trọng các lớp lợp + hệ kết cấu mái + hệ giằng coi như phân bố đều trên suốt nhịp nhà xưởng

m KN L

l B g B g B

Mái lợp panen btct : 0.75KN/ m2 mặt bằng nhà xưởng n = 1.3

Độ dốc mái i = 10%  cos=0.995

cos

75

m KN a

p tt

Tải sửa chửa dồn về một khung thành tải phân bố đều :

m KN B

Tra bảng cầu trục có được : Pmax = 315KN

Tổng trọng lượng cầu trục : G = 385 T

Số bánh xe một bên ray : n0 = 2

Pmin = 95 KN

Dùng lý thuyết đường ảnh hưởng cho hệ dầm đơn giản , xắp tải và khảo sát hàm tuyến tính để tìm ra vị trí các bánh xe dầm cầu chạy cho giá trị max của  y i





=0.15 ; y4= 0 y i y1y2 y3  1 95

Dmax = n Q.n c.Pmax.y i = 1.2x0.85x315x1.95 = 626.535 KN

Dmin = n Q.n c.Pmin. y i = 1.2*0.85*95*1.95 = 188.955 KN

4) Lực xô ngang của cầu trục :

Các số liệu :

Gxc = 120 KN

Móc mềm có : fms = 0.1

n’

xc = 2 : số bánh xe hãm

nxc = 4 : tổng số bánh của xe con

Lực hãm ngang tác dụng lên toàn bộ cầu trục :

5

5 31

T

n

n

T  1 1 i  1 1 * 0 85 * 15 75 * 1 95  28 717

Lực xô ngang ở cao trình mặt trên dầm cầu chạy

5) Tải trọng gió :

Cao trình thanh cánh dưới : H = 12.2 m  k = 1.21

Cao trình đỉnh mái : H = 9.2 +2.2x2+ 12x0.10 = 14.8 m  k = 1.25

23 1 2

21 1

Tải trọng gió gồm :

Tải phân bố tác dụng lên cột

Tải tập trung đặt tại đáy vì kèo



n q kB c i h i

W . 0.

.

-0.6 -0.6 0.8

626 8 0 21 1 6 83 3 1

413 )

528 0 ( 21 1 6 83 3 1

cd

J

J J

J

Các số liệu tính toán :

tĩnh tải coi như phân bố đều , có giá trị tính toán : N = 29.892 KN/m

Ht = 4 m , Hcd = 8.2 m , độ lệch tâm e = 250mm

Nhịp L = 24 m

Bỏ qua trọng lượng cột

BT2 BT1

M 29.892KN/m

29.892KN/m

Giải bài toán 1 :

Lực dọc trong cột trên khung :

N2 = Ql / 2 = 29.892x24 / 2 = 358.704 KN

 Moment lệch tâm ở vai cột : M = N2 x e = 358.704 x 0.25 = 89.676 KNm

Hệ cơ bản :

C

-0.057EJPhản lực ở đầu cột do  =1 gây ra

2 2

1

2.12219.7

752.166

-Ở đầu xà Mxa

B =M xa B  + B

p

M =-0.313EJ3887EJ.057 +1434.816=220.111 (KNm)-Ở đầu cột trên Mcot

B =-M cotB  =-0.057EJ3887EJ.057 =-220.111(KNm)

RB=R B. =0.01EJ1 EJ

057 3887

=38.042KNMômen ở vai cột

Mômen ở chân cột

MA= Mcot

B + RBh=-220.111+19.54x12.2=243.997(KNm)

C

A B

D

220.111 67.944 243.997

Giải bài toán 2

Moment lệch tâm ở vai cột : Me = N2 x e = 358.704x 0.25 = 89.676 KNm

1

(   

219 7

247 1 4 ) 328 0 1 ( 752 1 3 ) 328 0 1

x-89.676 =16.653(KNm)

h

M K

A

)1

(

2.12

676.89219

.7

)238.01(295.3752.1)328.01(

B

D

16.653 25.080

Tổng tính toán cho cột đối với tỉnh tải

Lưc dọc N=358.704 KN

Momen

MB=MB1+MB2=-220.111+16.653=-203.458(KNm)

Mtr = MC+ Mtr =-67.977-26.432=-94.376(KNm)

III.2 HOẠT TẢI

-40.267 43.326 -0.93 -18.678

III.3 ) ÁP LỰC CỦA CẦU TRỤC Dmax , Dmin LÊN VAI CỘT :



295 3 12

2

h EJ -0.339

EJ h -4.021 2

Ở cột phải trị số momen cũng như vậy nhưng khác dấu

Phản lực trong liên kết thêm là

-58.170 -220.931

87.612

92.36 -17.544 27.847 -66.630

279 26

h EJ

92.36 -220.931

87.612

-17.544

-66.630 27.847

26.423 -9.93

-57.549 42.626

Kết quả Cột phải

-15.544 -230.861

-30.063

82.406 -60.173 37.77 -56.7

144.098

III.4 NỘI LỰC DO LỰC XÔ NGANG :

Các số liệu : T = 28.717KN , tại cao trình 9.0 m

ptct : r11 . + R1P = 0

Vẽ các biểu đồ M1;M0P

Biểu đồ M1 đã được vẽ ở III.3

C

B 2 ( ) ( 2 ) 2 )

2 ( )

A

B 2 ( 2 ) ( ) 3 2 ( 2 ) 3

) 1

0

M P

-37.567 29.602

-6.355 23.421

990 20

h EJ

A

B 23.421 34.049

-100.346 0

M P 15.489 -34.089

7.931

93.911

III.5 NỘI LỰC DO TẢI TRỌNG GIÓ GÂY RA :

Hệ cơ bản :

HCB q

q

Chỉ có một ẩn chuyển vị  ở đầu cột

Ptct : r11  + R1P = 0

Vẽ các biểu đồ :

Biểu đồ M1 đã được vẽ ở III.3

Để vẽ biểu đồ M0P ta có công thức

A B

-108.032

K

AF BC

397 100

h EJ



=111.806

EJ

h2

33.954 -49.675

A

B -37.936 KNm

Bảng tổ hợp nội lực khung

Gióphải(8)

130.691

117.622

-84.592

503.382470.331

-TỔ HỢP NỘI LỰC

Tiết

diện

1+2429.696

-243.725

-1+2+4+6+8-442.120

422.597

1+2422.597

942.502 592.656

1+3+5+7-401.832

922.586

1+2+3986.478

…+5+8791.496

IV – THIẾT KẾ CỘT :

Cột trên và cột dưới coi như cấu kiện nén lệch tâm trong mặt phẳng khung , nén đúng tâm ngoài mặt phẳng khung

Khoảng cách các điểm giằng cột dưới là 1m

IV.1 Các số liệu thiết kế :

Ht = 4m , ht = 0.5m , Hd = 8.2m , hd = 1m Jt / Jd = 1/8

Nội lực tính toán được xác định tư bảng tổ hợp nợi lực ,

Phần cột trên :

Chọn cặp nội lực nguy hiểm : M = 442.120 KNm , Ntu = 422.597KN

Nmax = 429.696 KNm , Mtu = -243.725KN

Phần cột dưới :

Nhánh mái : Chọn cặp nội lực nguy hiểm M2 = 942.502 KNm , N2 = 592.656

KN

Nhánh cầu trục : Chọn cặp nội lực nguy hiểm :M1 = -401.832 KNm, N1

=922.568KN

IV.2 Xác định chiều dài tính toán :

a) Trong mặt phẳng khung :

Các thông số :

908 0 31 2

8

* 2 8

4

31 2 696 429

568 992

256 0 4

2 8 8 1

120 442

Tính các đặc trưng hình học :

 

85 1 10 51 58

76 52 16 6

340

51 58 51 20

51 20

04 135 2 1 4 1 2 50 4 1

28

2

5129 12

2 1 2 47 12

28 4

.

1

2

56823 )

12 3

24 4 1 28 ( 2 12

3 2

3 2

J

W

cm F

J

r

cm F

J

r

cm F

cm J

cm J

Kiểm tra tiết diện đã chọn :

1.1) Kiểm tra ổn định trong mặt phẳng uốn :

Độ lệch tâm tương đối m :

8 5 2273

04 135 6 104

* 157 0

597 422

 , tra phụ lục 3 có được hệ số uốn dọc 2y = 0.852

Với cặp nợi lực đang xét là tổ hợp của 1+2+4+6+8 , xác định được moment tương ứng đầu kia của cột là M = -70.222 KNm

Từ đó xác định được gía trị lớn hơn tại vị trí 1/3 cột trên : M = 304.821KNm Giá trị moment tính toán :

597 422 / 821 304 /

N M

* 218 4 1

1

13 64 140

* 852 0

* 261 0

597 422

1 0 36 0 (

2 20

b

c

c c

h

b

b b

Từ trọng tâm đến nhánh cầu truc y1=0.55C=55cm

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ mái y2=45cm

Lực nén lớn nhất trong nhánh cầu trục

KN C

M C

45 856 922

1 2 1

KN C

M C

55 656 592

2 1 2

Giả thiết   0 8

64 48 21 8 0

172 817 1

46 1268 2

L100X12

Cột dưới

1.1Tính các đạc trưng hình học :

1.1.1: Nhánh cầu trục :

78 563 ) 12

15

* 0 1 (

2 12

3

1

2 1

cm J

cm F

423 63 92 12

820

055 34 23 3

110

92 12

; 23 3

9010 )

5 15 15 0 1 12

15 0 1 ( 2 12

1

1

1

4 2

3 3

J

r

cm J

836 225

* 8 22 209 (

* 2 ) 2 / 4 1 579 2 (

* 30 4 1 12

209 )

91 2 16 ( 8 22 ( 2 12

820

; 088 35 85 2

100

4 11

; 85 2

2

2 2 2

2

2

2

2 2

nh

x

nh

y y

l

F

J r

Khoảng cách từ trõng tâm nhánh mái đến trọng tâm chung tiết diện :

15 37 6

141

731 5260

C

y1   1  60 26

Moment quán tính cột dưới trong mặt phẳng uốn :

4 2

2 2

2 1 1 2

J

J d  x  x  nh  nh 

59 34 41 47

1640

41 47

8 318325









Vậy tiết diện cột đã chọn là chấp nhận được

2: Kiểm tra tiết diện đã chọn :

Các thông số tính toán :

Lực dọc trong các nhánh cột :

832.401421.97

15.37856.922

1 2 1

M C

y

N

04.133497421

.0

502.942421.97

26.60656.592

2 1 2

C

M C

y N

2.1: Kiểm tra nhánh cầu trục :

Từ max  max34 055 ; 63 023  63 023    0 808

/ 21 /

51 17 54 808 0

394 764

2 2

2.2: Kiểm tra nhánh mái :

Từ max  max35 088 ; 71 9  71 9    0 765

/ 21 /

91 19 6 87

* 765 0

04 1334

2 2

2.3 : Kiểm tra ổn định tổng thể cột dưới nén lệch tâm trong mặt phẳng khung :

Chọn trước hệ thanh giằng :

6 137 456 28 59 34

td

F

F K





221 1 /

02 62 6 137 5 40

.

5 40 405

.

0

1 1

e

m

cm m

6 137

* 443 0

856 992

4 35 6 137 159

159

2 2

e

m

cm N

/ 21 /

66 15 6 137 275 0

38

938 146 421

97

Lực cắt thực tế tại chân cột có thể tính gần đúng như sau :

Momen tại mặt cắt 3-3 tổ hợp theo 1+2+4+6+8 là M3-3=-35.479

KN

2 8

479 35 502

Thấy rằng Qtt > Qqu , lấy Q = Qtt = 119.265KN để kiểm tra

Lực nén trong thanh xiên do lực cắt Q gây ra :

13 76 93

1

938 146

94 89 53 41 sin 2

265 119 sin

94 89

Hàn tay có : h = 0.7 , t = 1.0 , h  Rgh = 0.7  18 = 12.6 KN / cm2 ,

t Rgt = 115.5 = 15.5KN/ cm2  h  Rgh = ( .Rg )min = 12.6 KN/cm2.Chọn chiều cao đường hàn sóng : hs = 7mm

Chiều cao đường hàn mép : hm = 5mm

Chiều dai các đường hàn cần thiết :

cm R

h

N

l

cm R

h

N

l

g m

94 89 3 0 ).

84 89 7 0 ).

V-THIẾT KẾ CHI TIẾT CỘT :

1) Thiết kế vai cột :

1.1 : Thiết kế mối nối hai phần cột :

Vị trí khoách đại cao hơn mép trên vai cột 500mm.Mối nối cánh ngoài ,cánh trong , bụng trên cùng một tiết diện

Chọn cặp nội lực gây nén lớn nhất cho cánh ngoài và cánh trong cột trên từ bảng tổ hợp nội lực

Cánh ngoài : Mmax = 28.508 KNm , Ntu = 358.704 KN

Cánh trong : Mmin = -114.901 KNm , Ntu = 422.597 KN

Lực dọc tương ứng nhánh cột trong phải chịu :

KN h

M N

N

c t

)4.150(

8.28502

704.358)(

M N

N

c t

)4.150(

1.114902

597.422)(

cánh cột trên

Ưùng suất trong đường hàn đối đầu :

2 / 83 11 ) 5 0

* 2 28 (

* 4 1

120 447

.







1.2.1: Chiều dày bản bụng dầm vai :

Xác định từ điều kiện ép cục bộ của lực tập trung Dmax + Gdcc

Chiều dài truyền lực ép cục bộ đến bụng dầm vai : z = b + 2 = 30 + 2x2 = 34

cm

Với : b là Chiều rộng sườn đầu dầm cầu trục ,

 : bề dày bản đậy nhánh cầu trục

Dmax tác dụng lên vai cột : 626.535KN

Gdcc : giả định lấy bằng 15KN

Rem =32KN /cm2

Bề dày bản buụng cần thiết :     cm

R b

G D

em

dcc

322230

15535.6262

1.2.2: Chiều cao bụng dầm vai :

Điều kiện bảo đảm độ cứng liên kết hai nhánh cột : hdv  0 5h d = 0.51000 = 500mm

Điều kiện chiều cao dầm vai phải đủ chứa 4 đường hàn góc liên kết bản bụng dầm vai với bản bụng nhánh cầu trục

Giả thiết chiều cao đường hàn góc : hh = 8mm

Tính chiều dài 1 đường hàn cần thiết :

R h

B G D

l

g h

dcc

18 7 0 8 0 4

56 223 15 535 626 )

h

N

l

g h

trong

18 7 0 8 0 4

12 447 1

) (

33 583 6

) 1 2 53 ( 4 1

2 2

33 583

100 781 111

cm KN cm KN W

vai lấy theo cấu tạo

2)Thiết kế chân cột :

Thiết kế chân cột phân cách

Các số liệu thiết kế có :

y N C

y N C

M

nen

944 1422 944

1422

; 329

.

1334

max

100 / 4 97

496 791 4

97

26 60 478 986

; 4

97

26 60 656 592 100

839 362 4

97

26 60 478 986

; 4

97

26 60 586 992 100 /

4

.

97

832

401

max

.

;

KN KN

KN

C

M C

y N C

y N C

2.1.1 Xác định kích thước bản đế :

Cường độ nén cục bộ của bêtông : Rnencb = .Rnen = 1.2  1.15 = 1.38 KN /cm2

2

11 1031 38

1

944 1422

cm R

Chọn bản đế : 220x480mm

3 2

944 1422



Ô bản 1 : giá trị moment uốn lớn nhất :

cm KNcm

l

2

7 35 1

cm R

M



Chọn bề dày bản đế bd = 32mm

2.2 Nhánh cầu trục :

Lực nén lớn nhất phát sinh trong nhánh cầu trục :

 KN KN KN

C C

C C

N nen

147 791 839

748

; 147

.

791

max

100 / 4 97

893 362 4

97

15 37 478 986

; 4

97

15 37 586 992 100 /

4

.

97

832

401

max

; max

y N C

y N C

M

keo

71 1193 88

1188

; 71

.

1193

max

100 / 4 97

496 791 4

97

15 37 478 986

; 4

97

15 37 656 592 100

1

147 791

cm R

Theo cấu tạo chọn bản đế160x480mm

Bề dày bản đế chọn 32mm

2.3 Tính dầm đế và sườn ngăn :

2.3.1 Đối với nhánh mái :

2.3.1.1 Dầm đế :

Quan niệm dầm đế là 1 dầm đơn giản có mút thừa , chịu tải trọng phân bố đều :

cm KN a

q2dd   d  1 35  ( 7  15 5 / 2 )  19 91 /

Tổng phản lực lên dầm đế :

075 438 22 91 19

2

N dd  dd   

19.91KN/cm

N2dd do 2 đường hàn dầm đế với sống và mép của thép góc chịu

Phản lực

N1=

10

) 2

36 2 2

64 19 (

91

.

19

2 2



N2=483.075-378.449.42=104.626 KN

Chọn chiều dày đường hàn sống là : 12mm

Chiều dày đường hàn mép là : 8mm

Chiều cao dầm đế cần phải bố trí đủ đường hàn liên kết giữa dầm đế và chân cột

Tính chiều dài cần thiết đường hàn sống và đường hàn mép :

cm R

h

N

l

cm R

h

N

l

g m

m

g s

s

34 10 6 12 8 0

26 104 )

.

.(

.

02 25 6 12 2 1

449 378 )

Kiểm tra chịu uốn cua dầm đế :

Moment uốn lớn nhất trong dầm đế :

M = qddlc = 19.11 9.642/2 = 925.114

/ 21 /

21 8 26 0 1

114 925 6

q sn  1 35  15 5  20 925 /

2

36 12 925

.

Lực cắt lớn nhất xuất hiện tại ngàm : Qsn2 = 20.925x 12.36= 258.633KN

Chọn trước bề dày sườn s = 10mm

21 1

35 1598 6

.

6 2

cm R

M h

Sườn ngăn liên kết vào bản lưng nhánh mái bằng 2 đường hàn góc , chịu tác dụng đồng thời của moment và lực cắt

Chọn chiều cao đường hàn : hh = 10mm

2

3 2

2

4 36 26 ) 1 7 0 ( 2 ).

.

(

2

73 157 6

26 ) 1 7 0 ( 2 6 ).

.

(

2

cm l

h

F

cm

l h

W

h h

h

h

h h

37 12 4

36

633 258 73

157

35

2 2

2 2

cm KN cm

KN F

Q W

M

h h

2.3.2 Nhánh cầu trục :

Cấu tạo bản đế như hình dưới đây :

4

3 2 1

2.3.2.1 Dầm đế :

Tải trọng phân bố đều : q1dd = .ad = ( 7 15 5 / 2 ) 15 19KN / cm

16 48

147 791







Tổng phản lực lên dầm đế :N1dd q1dd.l1  15 19  16  243 04KN

N1dd do hai đương hàn góc với bản cánh chịu

Chọn dd = 10mm , hh = 10mm

Chiều dài cần thiết của đường hàn góc :

6 9 6 12 1

2 / 04 243 )

.

.(

2 /

Để bố trí thanh giằng cột thuận lợi , chọn hdd = 26cm , dd = 10mm

Đường hàn ngang liên kết dầm đế với bản đế : hàn suốt , hh = 10mm

2.3.2.2 Sườn ngăn :

Chọn chiều cao sườn ngăn h= 26cm , sn = 10mm

Đường hàn ngang liên kết sườn ngăn với bản đế : hàn suốt , hh = 12mm

Kích thước dầm đế và sườn ngăn đối với nhánh cầu trục là lớn so với lực tác động lên nó , do vậy không cần kiểm tra khả năng chịu lực

2.4 Tính bulông neo :

2.4.1 Nhánh mái :

Chọn bulông có độ bền lớp 8.8 , cường độ chịu kéo tinh toán : 40KN/cm2

40

394 983

cm R

N F

neo

keo eo

Chọn 2 bulông 48 FTHbl=29.6cm2

2.4.2 Nhánh cầu trục :

Lực kéo lớn nhất trong nhánh cầu trục : Nkeo = 1193.71KN

40

71 1193

cm R

N F

neo

keo eo

Chọn 2 bulông 48 FTHbl=29.6cm2