Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP III)Đề Bài:

Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp với số liệucho trước như sau:

Với : HK = 0,87 (m) – tra catalo cầu trục

f= 0,2 kt xét đến đọ võng của vì kèo và việc bố trí của hệ giằng

1.2 Theo phương ngang

Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột ( a=0 ) → Khoảng cách từ trụcđịnh vị tới trục ray cầu trục là :

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

1.3 Sơ đồ tính khung ngang

Dựa trên sức nâng của cầu trục chọn phương án cột có tiết diện không thay đổi, với độcứng là I1 Vì nhịp khung L = 27 m nên chọn phương án xà ngang có tiết diện thay đổihình nêm, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 6 m Với đoạn xà dài 6 m, độ cứng

ở đầu xà và cuối xà là I1 / I2 tương ứng (giả thiết độ cứng của xà và cột tại chỗ liên kết xà

- cột là như nhau) Với đoạn xà dài 7,5 m, độ cứng ở đầu xà và cuối xà giả thiết bằng I2

(tiết diện không thay đổi) Gỉa thiết sơ bộ tỷ số độ cứng I1, I2 là như nhau Do nhà có cầutrục nên chọn kiểu liên kết giữa cột với móng là khớp cố định tại mặt móng (cốt ± 0.000).Liên kết giữa cột với xà ngang và liên kết tại đỉnh xà ngang là cứng Trục cột khung lấytrùng với trục định vị để đơn giản hoá tính toán và thiên về an toàn Sơ đồ tính khung

ngang như hình vẽ

1 1

=1,1 kN/m2 Hệ số vượt tải 1,2 Nội suy ta có : Ce1 = -0,284 ; Ce2 = -0,4; Ce3 =-0,5;

k1= 0,9688 với cao trình tại đỉnh cột là:+8,7

k2= 1 với cao trình tại đỉnh mái

Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ vách :

Phía đón gió : Wtc = 1,2 0,9688 1,1 0,8 1,5 = 1,53 (kN/m)

Wtt = 0,9688 1,1 0,8 1,5 = 1,275 (kN/m) Phía khuất gió : Wtc = 0,9688 1,1 0,5 1,5 = 0,8 (kN/m)

Wtt=1,2 0,9688 1,1 0,5 1,5 =0,959 (kN/m)Chọn tải gió W = 1,53 kN/m

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

Vậy độ võng của xà gồ trong giới hạn cho phép

- Độ võng theo phương x do qx gây ra

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

Vậy độ võng của xà gồ trong giới hạn cho phép

3 Tải trọng tác dụng lên khung ngang

3.1.Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

Độ dốc mái i = 10% →α =5,710 (sinα = 0,0995; cosα = 0,995)

Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm: trọnglượng của các lớp mái, trọng lượng bản thân xà gồ, trọng lượng bản thân khungngang dầm và dầm cầu trục

Tải trọng mái và xà gồ được truyền xuống xà ngang dưới dạng lực tập trungđặt tại đầu các xà gồ nhưng do số lượng xà gồ > 5 nên có thể quy về tải phân bố

Trọng lượng bản thân xà ngang chọn sơ bộ 1 kN/m Tổng tĩnh tải phân bốtác dụng lên xà ngang :

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

1,05 1 6 = 6.3 (kN);

6,3 (L1 -0.5h) = 6,3 (0.75- 0,5 0,5) = 3.15 (kNm)

3.2.Hoạt tải mái

Theo TCVN 2737-1995, trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữamái (mái lợp tôn) là 0,3 (kN/m2 ), hệ số vượt tải là 1,3

Quy đổi về tải trọng phân bố lên xà ngang :1,3.0,3.6 2,352

3.3 Tải trọng gió

Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm 2 thành phần là gió tác dụngvào cột và gió tác dụng trên mái Theo TCVN 2737-1995, địa điểm phân vùng gióIII-A, có áp lực tiêu chuẩn W0 =1,25 kN/m2, được giảm đi 0.15kN/m2 nên còn W0

=1,1 kN/m2 Hệ số vượt tải 1,2 Nội suy ta có : Ce1 = -0,284 ; Ce2 = -0,4; Ce3 =-0,5;

k1= 0,9688 với cao trình tại đỉnh cột là:+8,7,

k2= 1 với cao trình tại đỉnh mái

Tải trọng gió tác dụng lên cột:

Phía đón gió : 1,2 0,9688 1,1 0,8 6 = 6,14(kN/m)

Phía khuất gió : 1,2 1 1,1 0,5 6 = 3.96 (kN/m)

Tải trọng gió tác dụng lên mái :

3.4.Hoạt tải cầu trục

Theo bảng II.3 phụ lục sách Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng,một nhịp, các thông số cầu trục sức nâng 6.3T như sau :

Zmin

(mm)

Bềrộnggabarit

BK

(mm)

Bềrộngđáy

KK

(mm)

T.lượngcầu trụcG(T)

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

được các tung độ yi của đường ảnh hưởng, từ đó xác định được áp lực thẳng đứnglớn nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột :

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 =75 – 0,5.0,5 = 0,5 (m) Trị số củacác mômen lệch tâm tương ứng:

Mmax = Dmax e = 132 0,5 = 66 (kNm)

Mmin = Dmin e = 60.17 0,5 = 30.8 (kNm)

3.4.2 Lực hãm ngang của cầu trục

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

SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG VỚI TẢI TRỌNG THƯỜNG XUYÊN (TĨNH TẢI )

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO TĨNH TẢI

BIỂU ĐỒ LƯC DỌC DO TĨNH TẢI

BIỂU ĐỒ LƯC CẮT DO TĨNH TẢI

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

2.352 kn

HOẠT TẢI MÁI NỬA TRÁI

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO HOẠT TẢI MÁI TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO HOẠT TẢI MÁI TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO HOẠT TẢI MÁI TRÁI

Hoạt tải mái trái

2.352 kn

HOẠT TẢI MÁI NỬA PHẢI

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO HOẠT TẢI MÁI PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO HOẠT TẢI MÁI PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO HOẠT TẢI MÁI PHẢI

Hoạt tải mái phải

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

2.352kn

HOẠT TẢI TOÀN MÁI

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO CHẤT HOẠT TẢI TOÀN MÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO CHẤT HOẠT TẢI TOÀN MÁI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO CHẤT HOẠT TẢI TOÀN MÁI

Hoạt tải cả mái

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO GIÓ TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO GIÓ TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO GIÓ TRÁI

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

2.21 kn/m 3.11 kn/m

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO GIÓ PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO GIÓ PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO GIÓ PHẢI

132 kn

66 kn

60.17 kn 30.8 kn

DMAX TÁC DỤNG LÊN CỘT TRÁI

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO ÁP LỰC ĐỨNG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO ÁP LỰC ĐỨNG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO ÁP LỰC ĐỨNG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT TRÁI

Dmax trái Cột

0.00 -130.70 -4.91 -33.07 1.30 -4.91 -23.24 1.30 -4.91 Dầm

23.24 -4.77 1.77 11.25 -4.77 1.77 -0.75 -4.77 1.77

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

132 kn

66 kn

60.17 kn

30.8 kn

DMAX TÁC DỤNG LÊN CỘT PHẢI

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO ÁP LỰC ĐỨNG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO ÁP LỰC ĐỨNG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO ÁP LỰC ĐỨNG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT PHẢI

3.95 kn

LỰC HÃM LÊN CỘT TRÁI

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO ÁP LỰC NGANG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO ÁP LỰC NGANG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO ÁP LỰC NGANG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT TRÁI

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

3.95 kn

LỰC HÃM LÊN CỘT PHẢI

BIỂU ĐỒ MÔ MEN DO ÁP LỰC NGANG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO ÁP LỰC NGANG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO ÁP LỰC NGANG CỦA CẦU TRỤC LÊN CỘT PHẢI

T phải Cột

0.00 0.98 1.44 -9.63 0.98 1.44 -12.51 0.98 1.44 Dầm

12.51 1.52 0.84 6.83 1.52 0.84 1.14 1.52 0.84

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

5.Thiết kế tiết diện cấu kiện

5.1.Thiết kế tiết diện cột

5.1.1 Thiết kết tiết diện chân cột

a) Xác định chiều dài tính toán

Chọn phương án tiết diện cột không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột giảthiết là bằng nhau ; ta có :

b) Chọn và kiểm tra tiết diện

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

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

=> me = 0 <20 → không cần kiểm tra bền

*)Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung:

Với λ = 3,7 x và me = 0 tra bảng IV.3 sách “Thiết kế khung thép nhà côngnghiệp một tầng, một nhịp, lấy me=0.1 ta có :ϕ = e 0,546 N/mm2

Điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung được kiểm tratheo công thức :

x

e

3,25.A 0,546.105,6

*)Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của cột trong phương ngoài mặt phẳng khung:

Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng khungtính trị số mômen ở 1/3 chiều cao của cột dưới kể từ phía có mômen lớn hơn.Vìcặp nội lực dùng để tính toán cột là tíêt diện dưới vai cột và do các tổ hợp tảitrọng 1,2,7,9 gây ra nên trị số của mômen uốn tại tiết diện chân cột tương ứng là:230.4 kNm.

Trị số mômen tại 1/3 chiều cao cột dưới,kể từ tiết diện chân cột :

Với λy=89,8 tra bảng phụ lục IV.2, nội suy ta được ϕy= 0,652

Do vậy điều kiện ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳngđược kiểm tra theo công thức :

Vậy thoả mãn điều kiện ổn đinh

*)Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng cột theo các công thức sau :

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

2 w

x w

⇒Không cần kiểm tra lại điều kiện ổn định tổng thể.

5.1.2 Thiết kết tiết diện đỉnh cột

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

*)Tính đặc trưng hình học của tiết diện đã chọn :

=> Tra bảng IV.5 phụ lục với loại tiết diện số 5, ta có: η = 1, 25

Từ đó : me=1,25.15,15=18,9 < 20 => Không cần kiểm tra bền

*)Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung:,

Với λ = 2,87 x và me = 18,9 tra bảng IV.3 sách “Thiết kế khung thép nhà côngnghiệp một tầng, một nhịp, ta có :ϕ = e 0,067 N/mm2

Điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung được kiểm tratheo công thức :

x

4,89.A 0,067.125,6

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

*)Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng cột theo các công thức sau :

  => Tiết diện cột đã chọn không thỏa mãn

điều kiện ổn định Do vậy bản bụng bị mất ổn định cục bộ, coi như chỉ phần bảnbụng cột tiếp giáp với 2 bản cánh còn làm việc Bề rộng của phần bụng cột này là :

⇒Không cần kiểm tra lại điều kiện ổn định tổng thể.

5.2 Thiết kế tiết diện xà ngang

2 yc

Chiều cao tiết diện xà được xác định từ điều kiện tối ưu về chi phí vậtliệu,với bề dày bản bụng xà chọn sơ bộ là 1 cm:

yc x w

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

Do mx=28.86 > 20 → me=ηmx > 20 (vì η ≥1) nên tiết diện xà ngang được

tính toán và kiểm tra theo điều kiện bền :

2 x

1 x

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

6 0

5.2.2 Đọan xà 2

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

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

Tương tự trên cần kiểm tra ứng suất tương đương giữa bản cánh và bảnbụng xà ngang,Ta có :

dv f

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

Phía dưới cánh (4 đường hàn): lw =0,5.(20-0,8) -1=8,6 cm

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

Diện tích cần thiết của bản đế xác định từ điều kiện chịu ép cục bộ của bêtông móng:

2 ,

Với : - N lực nén tính toán chân cột;

- ψ hệ số lấy bằng 1 khi ứng suất trong bê tông móng là phân bố đều.

- Rb,loc : cường độ tính toán chịu nén cục bộ của bê tông móng

- ϕb Hệ số tăng cường độ của bê tông khi nén cục bộ thường chọn sơ bộ

c

6Mt

• σi ứng suất phản lực của bê tông móng trong ô bản thứ i

• αb hệ số tra bảng, phụ thuộc vào loại ô bản và tỷ số các các cạnh của chúng.

Vậy bề dày của bản đế xác định theo:

6.2.2 Tính toán bulông neo

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

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

Tổng lực kéo trong các bu lông neo ở một phía chân cột được xác định theo côngthức :

y

Chọn loại bu lông chế tạo từ thép thường mác CT34, tra bảng 1.10 phụ lục

“sách thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp”

có fba=150 N/mm2=19 kN/cm2 Diện tích cần thiết của một bu lông neo:

6.2.3 Tính toán đường hàn liên kết cột vào bản đế

Các đường hàn liên kết tiết diện cột vào bản đế được tính toán trên quanniệm mômen và lực dọc do các đường hàn bản cánh chịu, còn lực cắt do cácđường hàn bản bụng chịu Nội lực tính toán đường hàn chọn trong bảng tổ hợp nộilực chính là cặp dùng để tính toán các bulông neo Các cặp khác không nguy hiểmbằng

Lực kéo trong bản cánh cột do mômen và lực dọc phân vào theo :

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

cả các đường hàn liên kết dầm đế vào bản đế):

Kết hợp với yêu cầu về cấu tạo chọn hf = 0,6 cm

Cấu tạo chân cột

Trang 35

6.3.Liên kết cột với xà ngang

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

N = -41.54kN;

M = -284,2kNm;

V = -20,7kN;

Đây là cặp nội lực trong tổ hợp nội lực 1,2,6,8 gây ra

6.3.1 Tính toán bu lông liên kết

Chọn cặp bu lông có cường độ cao cấp bền 10.9 đường kinh bu lông dựkiến là d = 22 mm (lỗ loại C) Bố trí thành 2 dãy với khoảng cách các lỗ bulôngtuân thủ theo quy định

Phía ngoài cột bố trí một cặp sườn gia cường cho mặt bích với kích thướclấy như sau

135 124 124 124 124 124 115 45

Bố trí bu lông trong liên kết cột với xà ngang

Khả năng chịu kéo của một bu lông :

[N]tb = ftbAbn = 50.3,03=151,5 (kN)

ftb – cường độ tính toán chịu kéo của bulông : ftb =500N/mm2 = 50(kN/cm2);

Abn - diện tích tiết diện thực của thân bulông : Abn=3,03 cm2

Khả năng chịu trượt của một bu lông cường độ cao:

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

fhb – cường độ tính toán chịu kéo của vật liệu bulông cường độ caotrong liên kết ma sát, fhb=0,7fub

fub - cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của vật liệu bulông,fub=1100N/mm2=110 kN/cm2 (với mác thép 40Cr);

A – diện tích tiết diện của thân bu lông, A=πd2/4 =3,80 cm2;

γb1 – hệ số điều kiện làm việc trong liên kết, γ1b=1 do số bulôngtrong liên kết n > 10

µ,γb2 – 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 µ=0,25; γb2=1,7;

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

Theo điều 6.2.5 TCXDVN 338-2005, trong trưòng hợp bulông chịu cắt vàkéo 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 lựcdọc phân vào (do mômen có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bulông phíatrong cùng):

2 1

(ở trên lấy dấu trừ vì N là lực nén)

Do Nbmax=64,3 kN<[N]tb=151,5 kN nên các bu lông có đủ khả năng chịu lực.Kiểm tra khả năng chịu cắt của các bulông:

6.6.3 Tính toán đường hàn liên kết cột (xà ngang) với mặt bích

Tổng chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh ngoài (kể cả sườn) ∑l w =4.(9,6 1) 2.(9 1) 50.4(− + − = cm)

Lực kéo trong bản cánh ngoài do mômen và lực dọc phân vào:

135 124 124 124 124 124 115 45

124 124 124 124 115

135 124 45

Cấu tạo liên kết dầm cột

6.4.Mối nối đỉnh xà:

Trong tổ hợp nội lực chọn cặp gây

kéo nhiều nhất cho các bulông tại tiết diện

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

Tương tự bề dày của mặt bích được tính toán từ điều kiện sau:

50 100 50 200

10 bul«ng Ø22

15

50 50 200

Cấu tạo mối nối xà

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

Lực cắt lớn nhất trong xà ngang là tiết diện đầu xà Vmax=52,8 kN Chiều caocần thiết của đường hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng xà ngang theo công

Kết hợp với cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn hf= 0,6 (cm)

Tiến hành tương tự , chọn chiều cao đường hàn liên kết bản cánh với bảnbụng cột là: hf=0,6 (cm)

Đồ án kết cấu Thép II GVHD: Nguyễn Trọng Nghĩa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp.

TS Phạm Minh Hà (chủ biên), TS Đoàn Tuyết Ngọc (Bộ môn kết cấu thép

- gỗ, Trường đại học Kiến Trúc Hà Nội)

2 TCXDVN 338 - 2005: Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế

3 Trần Thị Thôn (chủ biên) Bài tập thiết kế kết cấu thép Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM, 2011