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

ThuyÕt minh tÝnh to¸n

A ThiÕt kÕ xµ gå1 T¶i träng1.1 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

Vật liệu Đơn vị Tải trọng tiêu

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

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:

Do sức nâng của cầu trục không lớn nên chọn phơng án cột có tiết diện không thay đổi, với độ cứng là I1 Xà 18m nên chọn xà có tiết diện thay đổi, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 3m, độ cứng ở đầu và cuối xà là I1 và I2.Do nhà có cầu trục nên chọ kiểu liên kết giữa cột khung với móng là ngàm tại mặt móng cốt ±0,000 Liên kết giữa cột với xà ngang và liên kết tại đỉnh xà ngang là ngàm Trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn giản hoá tính toán thiên về an toàn

Giả thiết cột có kích thớc nh sau: H8000mm, b200mm, h450mm, tw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 lợng của các lớp mái, trọng lợng bản thân xà gồ, trọng lợng bản thân khung ngang dầm và dầm 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/m2 Quy thành tải tập trung tại đỉnh cột :

1,1.0,15.9.8 = 11,88 (kN);

Trọng lợng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1(kN/m) Quy thành lực tập trung và mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai 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 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

Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầm cầu trục đợc xác định bằng cách dùng đờng ảnh hởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh 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 nhất của các bánh xe cầu trục lên cột :

Đờng ảnh hởng để xác định Dmax, Dmin

Dmax=n cpPmax.yi0,85 1,1 119 (1 0,677 0,886 0,563)=347,81 (kN) Dmin=n cpP ymini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 các

Sơ đồ Dmax 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 phần mềm 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 Dmax cét tr¸i

Néi lùc do Tmax cét tr¸i

TABLE: Element Joint Forces - Frames

Frame Joint OutputCaseCaseTypeF1F2F3M1M2M3FrameElem

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

Chiều dài tính toán của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung (ly) lấy bằng khoảng cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị theo phơng dọc nhà (dầm cầu trục, giằng cột, xà ngang …) Giả thiết bố trí giằng cột dọc nhà bằng thép hình chữ Z tại cao trình + 3,5 tức là khoảng giữa phần cột tính từ mặt móng đến dầm cầu hãm, nên ly = 3,5 m.

7.1.2 Chọn và kiểm tra tiết diện :

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn ra nội lực tính toán : M = -139,55 kNm

N = - 380,574 kN V = 49,361 kN

Đây là cặp nội lực tại tiết diện dới vai cột, trong tổ hợp nội lực do các trờng hợp tải trọng 1,4,7,9 trong tổ hợp cơ bản 2 gây ra.

Chiều cao tiết diện cột chọn từ điều kiện độ cứng :

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

Với  x1,79 và me = 3,5 Tra bảng IV.3 sách “Thiết kế khung thép nhà công

* 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 ra nên trị số của mômen uốn tại tiết diện dới vai tơng ứng là

+ Với bản bụng cột: do mx=2,41 > 1;  x 1,79 < 2 và khả năng chịu lực của cột đợc quyết định bởi điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn (x > y) nên ta có :

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

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 :

 Bản bụng không bị mất ổn định dới tác dụng của ứng suất pháp và ứng suất tiếp (không phải kiểm tra các ô bụng ).

Vậy tiết diện xà ngang chọn là đạt yêu cầu Tỷ số độ cứng của tiết diện xà (ở chỗ tiếp giáp với cột )và cột đã chọn là phù hợp với giả thiết ban đầu là bằng nhau 7.2.2 Đọan xà 6m (tiết diện không đổi )

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:

  342,2   h (1,15 1,2) (25,43 26,53)

Chän h = 40 cm Chän s¬ bé chiÒu dµy b¶n c¸nh xµ tf = 1 cm DiÖn tÝch tiÕt diÖn cÇn thiÕt cña b¶n c¸nh xµ ngang lµ:

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:

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

Phía trên cánh (2 đờng hàn): lw= 20-1=19 cm.

Phía dới cánh (4 đờng hàn): lw =0,5.(20-1) -1= 8,5 cm.Chọn lw= 8cm ở bản bụng (2 đờng hàn): lw =48-1=47 cm.

Từ đó xác định đợc diện tích tiết diện và mômen chống uốn của các đờng hàn trong liên kết (coi lực cắt chỉ do các đờng hàn liên kết ở bản bụng chịu):

Căn cứ vào tiết diện đã chọn, dự kiến chọn phơng án cấu tạo chân cột cho trờng hợp có vùng chịu kéo của bê tông móng với 4 bu lông neo ở một phiá chân cột Từ đó (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 giả thiết c2=11,2 cm và bề dày của dầm đế là 0,8 cm;

Theo cấu tạo, chọn chiều cao đờng hàn liên kết sờn A vào bản bụng cột hf = 0,6 cm.Diện tích tiết diện và mômen chống uốn của các đờng hàn này là : 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 Tính toán bulông neo

Từ tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực ở chân cột gây kéo nhiều nhất cho các bulông neo:

N = - 124,056 kN M = 212,539 kNm V = 58,536 kN.

Đây là cặp nội lực trong tổ hợp tải nội lực do các trờng hợp tải trọng 1,4,6,8,10 gây ra Chiều dài vùng bê tông chịu nén dới bản đế là c = 362 Chan khoảng cách từ

Chọn loại bu lông chế tạo từ thép hợp kim thấp mác 16MnSi, tra bảng I.10 phụ lục “sách thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp”

có fba = 192 N/mm2 = 19,2 kN/cm2 Diện tích cần thiết của một bu lông neo:

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):

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 lông tại 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 dọc phân vào (do mômen có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bulông phía ngoài

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 đỉnh xà (đỉnh mái):

N = -27,302 kN; M = 76,85 kNm; V = 2,28 kN.

Đây là cặp nội lực trong tổ hợp tải trọng 1,4,7 gây ra Tơng tự trên chọn bulông cờng độ cao cấp bền 8.8, đờng kính bulông dự kiến là d=20mm (lỗ loại C) Bố trí bulông thành 2 hàng, ở phí ngoài của 2 bản cánh xà ngang bố trí 2 cặp sờn gia cờng

Lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy dới cùng do mômen và lực dọc phân vào (do mômen có dấu dơng nên coi tâm quay trùng với dãy bulông phía trên cùng) do

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 và

Việc tính toán và cấu tạo mối nối xà hoàn toàn tơng tự nh trên Do tiết diện xà ngang tại vị trí nối giống nh tại đỉnh mái và nội lực tại chỗ nối xà nhỏ hơn nên không cần tính toán và kiểm tra mối nối Cấu tạo liên kết nh hình vẽ:

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 cao cần 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 cột là: hf = 0,6 (cm).