Đồ án kết cấu thép II Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp

Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầm cầutrục đợc xác định bằng cách dùng đờng ảnh hởng phản lực gối tựa của dầm và xếp cácbánh xe của 2 cầu trục sát n

ThuyÕt minh tÝnh to¸n

A ThiÕt kÕ xµ gå

1 T¶i träng

1.1 TÜnh t¶i

T«n m¸i, t«n têng ta dïng lo¹i nh h×nh vÏ:

Cã khèi lîng cho trong b¶ng sau, ta dïng lo¹i cã chiÒu dµy 0,5mm

Nominalarea

Top in Compression Botom in Compression

WebShear &crippling

Ix

SxTop

-Sxbotom Ma Ix

-SxTop

-Sxbotom Ma Va Pa0.5 4.68 5.96 4.47 1.39 7.79 0.29 2.55 1.53 1.44 0.3 4.51 2.71Chän s¬ bé xµ gå ch÷ Z m· hiÖu Z200T3 cã c¸c th«ng sè:

-682,88

x

I  cm4 I  y 120,147cm4

W  x 67, 214cm3 W  y 15,999cm3

Vật liệu Đơn vị Tải trọng tiêu

chuẩn Hệ số vợt tải

Tải trọng tínhtoán

1.3 Tải trọng tác dụng lên xà gồ giữa chữ Z:

Gồm: tải trọng tấm lợp, tải trọng bản thân và hoạt tải mái

Xét tải trọng tác dụng lên xà gồ theo

hệ trục toạ độ Oxy có trục Ox tạo với

f W

M

W

M

c y

y x

°

Vậy xà gồ đã chọn đảm bảo điều kiện chịu lực và võng.

B Thiết kế khung ngang :

1 Xác định kích thớc chính của khung ngang :

Với nhịp nhà L= 18 m, sức trục Q = 10T (sức trục trung bình) tra bảng phụ lục

Ta chọn cầu trục có các thông số sau:

Bảng các số liệu cầu trục

Chọn trục định vị trùng với mép ngoài cột (a=0)  khoảng cách từ trục định

đến trục ray cầu trục:

Giả thiết cột có kích thớc nh sau: H8000mm, b200mm, h450mm, t w 7mm,

3 Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang

3.1 Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải)

Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm: trọng lợngcủa các lớp mái, trọng lợng bản thân xà gồ, trọng lợng bản thân khung ngang dầm vàdầm cầu trục

Tải trọng mái và xà gồ đợc truyền xuống xà ngang dới dạng lực tập trung đặt tại

đầu các xà gồ nhng do số lợng xà gồ > 5 nên có thể quy về tải phân bố đều

Trọng lợng bản thân xà ngang chọn sơ bộ 1 kN/m

- Tổng tĩnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang :

1,1.0,15.9  1,49 (kN/m)

- Tải trọng bản thân của tôn tờng và xà gồ tờng lấy tơng tự nh với mái là 0,15kN/

m 2 Quy thành tải tập trung tại đỉnh cột :

Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm 2 thành phần là gió tác dụng vào

cột và gió tác dụng trên mái Theo TCVN 27371995, địa điểm phân vùng gió IIA

-B, có áp lực tiêu chuẩn W0 = 0,95 kN/m2, hệ số vợt tải 1,2 Căn cứ vào dạng mặt bằng

nhà và góc dốc của mái, các hệ số khí động có thể xác định theo sơ đồ trong bảng

III.3 phụ lục Nội suy ta có : Ce1 = -0,485( với 4,764o

0, 444 18

Phía khuất gió : 1,2 0,95 0,612 0,5 9 = 3,14(kN/m)

Tải trọng gió tác dụng lên mái :

Phía đón gió : 1,2 0,95 0,63 0,485.9 = 3,13 (kN/m)

Phía khuất gió : 1,2 0,95 0,63 0,4.9 = 2,59(kN/m)

3.5kN/m

3.5kN/m

Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầm cầutrục đợc xác định bằng cách dùng đờng ảnh hởng phản lực gối tựa của dầm và xếp cácbánh xe của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất (hình vẽ), xác định đợc các tung

độ yi của đờng ảnh hởng, từ đó xác định đợc áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhấtcủa các bánh xe cầu trục lên cột :

Đờng ảnh hởng để xác định Dmax, Dmin

Dmax=n c  pP max y i  0,85 1,1 119 (1 0,677 0,886 0,563)=347,81    (kN)

Dmin=n c  pP y min i  0,85 1,1 23,7 (1 0,677 0,886 0,563)=69,27    (kN)

Các lực Dmax và Dmin thông qua ray và dầm cầu trục sẽ truyền vào vai cột, do đó

sẽ lệch tâm so với trục cột là: e = L1 - 0,5h =0,75 - 0,5.0,4 = 0,55 (m) Trị số của cácmômen lệch tâm tơng ứng:

191,3 kNm

347,81 kN

38,1 kNm

69,27 kN

Sơ đồ D max lên cột phải

3.5 Lực hãm ngang của cầu trục

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

TH1 = TTTC + GTTC

trong đó : TTTC - tĩnh tải tiêu chuẩn

GTTC - gió trái tiêu chuẩn

Chuyển vị ngang của đầu cột ( nút 5 ):

Theo tiêu chuẩn kiểm tra với cặp tổ hợp : TH2 = TTTC + HTTC

trong đó : TTTC - tỉnh tải tiêu chuẩn

HTTC - Hoạt tải toàn mái tiêu chuẩn

Từ kết quả SAP ta có độ võng ở đỉnh xà nút 7:

Đảm bảo điều kiện chuyển vị đỉnh xà.

Vậy tiết diện đã giả thiết trong SAP là đảm bảo điều kiện chuyển vị

5 Xác định nội lực

Nội lực trong khung ngang đợc xác định với từng trờng hợp chất tải bằng phầnmềm SAP2000 Kết quả tính toán đợc thể hiện dới các biểu đồ

Néi lùc do ho¹t t¶i m¸i tr¸i

Néi lùc do ho¹t t¶i m¸i ph¶i

Néi lùc do giã tr¸i

Néi lùc do D max cét tr¸i

Néi lùc do T max cét tr¸i

TABLE: Element Joint Forces - Frames

Frame Joint OutputCase CaseType F1 F2 F3 M1 M2 M3 FrameElem

6 Tổ hợp nội lực:

Chèn bảng THNL vào đây

7 Thiết kế tiết diện cấu kiện

7.1 Thiết kế tiết diện cột

a) Xác định chiều dài tính toán

Chọn phơng án tiết diện cột không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột giả thiết

là: xa 

cot

I1

7.1.2 Chọn và kiểm tra tiết diện :

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

Tiết diện cộtTính đặc trng hình học của tiết diện đã chọn :

Từ đó : me =.mx =1,454.2,41 =3,5 < 20 Vậy không phảI kiểm tra bền

Với   x 1,79 và me = 3,5 Tra bảng IV.3 sách “Thiết kế khung thép nhà côngnghiệp một tầng, một nhịp, ta có : e 0,297

* Điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung đợc kiểm tra theo công thức:

   



x e

18,302

2)< fc =21 (kN/cm2)

* Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung:

Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung tính trị

số mômen ở 1/3 chiều cao của cột kể từ phía có mômen lớn hơn Vì cặp nội lực dùng

để tính toán cột là tiết diện dới vai cột và do các trờng hợp tải trọng (1,4,7,9) gây ranên trị số của mômen uốn tại tiết diện dới vai tơng ứng là

+ Với bản cánh cột : 0,8   x 1,79  4 nên  

 

0 f

cục bộ,coi nh chỉ có phần bản bong cột tiếp giáp với 2 bản cánh còn làm việc Bề rộngcủa phần bong cột này là :

A ' 2.0,7.33,53 2.(1.20) 86,94(cm ) A 70,1(cm )

Vậy không cần kiểm tra lại các điều kiện ổn đinh tổng thể

7.2 Thiết kế tiết diện xà ngang

7.2.1 Đoạn xà 3 m (đoạn xà tiết diện thay đổi)

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

trong đó :    

2 w

1 x

x w

VS 47,72.440

1,25.t 24001.0,7 (kN/cm

2)

ở trên Sf là mômen tĩnh của một cánh dầm đối với trục trung hòa x-x

Vậy  td 13,7621,252 13,81 (kN/cm2) < 1,15fc = 1,15.21.1 = 24,15(kN/cm2) ( thỏa mãn )

Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng :

4 0

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

Chọn sơ bộ bề dày bản bụng là 0,7 cm Chiều cao của tiết diện xà ngang đợc xác

định từ điều kiện tối u về chi phí vật liệu:

t  1cm Từ đó bề dày bản bụng dầm vai đợc xác định từ điều kiện chịu ép cục

bộ do phản lực dầm cầu trục truyền vào, theo công thức:

107,18.10 48

7,741329,17 50

dv w dv

h M

2);

 1 357,26.490 

5,2733229,33.1

dv f

Theo cấu tạo chọn đờng hàn liên kết dầm vai vào cột hf=0,6 cm.Chiều dài tínhtoán của các đờng hàn liên kết dầm vai với bản cánh của cột xác định nh sau:

(ở trên giả thiết bê tông móng có B20 có Rb,loc= 1,33 kN/cm2 )

Theo cấu tạo và khoảng cách bố trí bulông neo, chiều dài của bản đế với giảthiết c2=11,2 cm và bề dày của dầm đế là 0,8 cm;

Tra b¶ng 2.4 s¸ch “thiÕt kÕ khung thÐp nhµ c«ng nghiÖp mét tÇng, mét nhÞp” néisuy cã b= 0,093

s c

6M 6.1043,13

t f 0,8.21.1 (cm)  Chọn hs = 23 cm Sơ đồ tính sờn.Kiểm tra lại tiết diện sờn đã chọn theo ứng suất tơng đơng:

Chọn chiều cao đờng hàn liên kết sờn B vào dầm đế hf=0,6 cm

Diện tích tiết diện và mômen chống uốn của các đờng hàn này là :

Aw=2.0,6.(23-1)=26,4 (cm2);

8.2.5 TÝnh to¸n bul«ng neo

Tõ tæ hîp néi lùc chän cÆp néi lùc ë ch©n cét g©y kÐo nhiÒu nhÊt cho c¸c bul«ngneo:

Tổng chiều dài tính toán của các đờng hàn liên kết ở một bản cánh cột (kể cả các

đờng hàn liên kết dầm đế vào bản đế):

M N

V V

h h h h

l h

Cấu tạo mối nối cột với xà ngang

Cặp nội lực dùng để tính toán liên kết là cặp gây kéo nhiều nhất cho các bu lôngtại tiết diện đỉnh cột.Từ bảng tổ hợp chọn đợc :

Chọn cặp bu lông có cờng độ cao cấp bền 8.8 đờng kinh bu lông dự kiến là d =

20 mm (lỗ loại C) Bố trí thành 2 dãy với khoảng cách các lỗ bulông tuân thủ theo quy

ftb – cờng độ tính toán chịu kéo của bulông : ftb =400N/mm2 = 40 (kN/cm2);

Abn - diện tích tiết diện thực của thân bulông : Abn=2,45 cm2

Khả năng chịu trợt của một bu lông cờng độ cao:

b1 - hệ số điều kiện làm việc trong liên kết, 1b = 1 do số bulông trong liên kết n = 12

> 10

,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  = 0,25; b2 = 1,7;

nf – số lợng mặt ma sát trong liên kết , nf = 1

Theo điều 6.2.5 TCXDVN 338-2005, trong tròng hợp bulông chịu cắt và kéo

đồng thời thì cần kiểm tra các điều kiện chịu cắt và kéo riêng biệt

Ta có lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy ngoài cùng do mômen và lực dọcphân vào (do mômen có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bulông phía ngoàicùng):



2 1

8.3.3 Tính toán đờng hàn liên kết cột (xà ngang) với mặt bích :

Tổng chiều dài tính toán của các đờng hàn phía cánh ngoài (kể cả sờn)

Chiều cao cần thiết của các đờng hàn liên kết bản bụng cột với mặt bích (coi các

đờng hàn này chịu lực cắt lớn nhất ở đỉnh cột xác định từ bảng tổ hợp nội lực):

Kết hợp với cấu tạo chọn chiều cao đờng hàn trong liên kết là hf = 0,7 cm

Cấu tạo mối nối đỉnh xà

Trong tổ hợp nội lực chọn cặp gây kéo nhiều nhất cho các bulông tại tiết diện

Bề dày của mặt bích đợc xác định từ điều kiện chịu uốn:

Tổng chiều dài tính toán của các đờng hàn phía cánh ngoài (kể cả ở sờn) xác

định tơng tự trên là lw = 44,3 cm Lực kéo trong bản cánh dới do mômen, lực dọc vàlực cắt gây ra:

Cấu tạo mối nối xà

8.6 Liên kết bản cánh với bản bụng cột và xà ngang

Lực cắt lớn nhất trong xà ngang là tiết diện đầu xà Vmax = 49,763 kN Chiều caocần thiết của đờng hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng xà ngang theo công thức:

Tiến hành tơng tự, chọn chiều cao đờng hàn liên kết bản cánh với bản bụng cộtlà: hf = 0,6 (cm).