Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

KẾT CẤU THÉP THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP

Sức nâng cầu trục

Q (T)

Cao trình đỉnh ray

 Địa điểm xây dựng nhà xưởng.

 Khẩu độ và chiều dài công trình.

 Sử dụng thép CT34; que hàn N42; phương pháp hàn tay, bulông độ bền 5.6.

II YEU CẦU :

1/ Lần 1:

1.1.Chọn kích thước khung ngang.

1.2 Bố trí hệ giằng.

1.3 Xác định tải trọng.

THUYẾT MINH THIẾT KẾ

Kích thước gabarit chính (mm)

Loại ray

Áp lực bánh

xe lên ray (t)

Trọng lượng (t) Móc

c Kích thước theo phương thẳng đứng

- Chiều cao H2 từ mặt ray đến cao trình cánh dưới dàn:

H2 = Hc + 100 + f

H2 = 3700+100+200 = 4000 (mm).

Trong đó:

- Hc = 3700 (mm); Chiều cao Gabarrit của cầu trục, tính từ mặt ray đến điểm cao nhất của xe con

- 100 mm: Khe hở an toàn giữa cầu trục và vì kèo

- f = 200(mm); Kích thước xét đến độ võng của vì kèo và việc bố trí hệ giằng thanh cánh dưới :f (200→400)

- Chiều cao từ mặt nền đến cao trình mặt dưới dàn:

H = H1+ H2 = 9000 + 4000 = 13000 (mm)Trong đó: H1= 9000 mm; khoảng cách từ mặt nền đến đỉnh ray

- Chiều dài phần cột trên:

Ht = H2 + HDC + hrTrong đó:

- HDC : chiều cao dầm cầu trục chọn (1/8 – 1/10 ) nhịp dầm ( bước cột ).HDC = (1/8 – 1/10 ) 6000 = (750 - 600) → chọn HDC = 700 (mm)

- hr: Chiều cao tổng cộng của ray và đệm ray, phụ thuộc vào loại cầu trục → chọn

- H3 = 800 (mm): Phần cột chôn bên dưới cốt mặt nền

d Kích thước theo phương ngang

- Chiều rộng tiết diện phần cột trên:

Theo yêu cầu về độ cứng:

ht = (1/10→1/12) Ht =(1/10→1/12)x4900 = (408→ 490) ( mm)

→ Chọn ht = 500(mm)

Mặt khác phải thỏa mãn điều kiện:

λ > B1 + ( ht – a ) + D Với:

o Q = 75 T → a = 500mm : khoảng cách từ mép ngoài tới trục định vị

o D = 75 (khe hở an toàn giữa cầu trục và cột lấy bằng 60-75 mm )

⇒λ = 750 > B1 + ( ht – a ) + D = 400 + (500 - 500) + 75 = 475 (thỏa )

- Chiều rộng tiết diện phần cột dưới:

Theo yêu cầu về độ cứng:

hd = (1/15→1/20)H; ( H = Ht + Hd = 8900 + 4900 = 13800 là chiều cao toàn cột)

Sơ đồ khung ngang

- Mặt bằng lưới cột:

Hình mặt bằng lưới cột

2 Kích thước dàn

Với nhịp của nhà là L = 24 m, chọn hệ kết cấu mang lực mái là dàn mái hình thang

Chiều cao đầu dàn bằng Hdd = 2200 (mm)

Độ dốc cánh trên i = 1/10 như vậy chiều cao giữa dàn là:

Hgd = 2200+(1/10) x (24000/2) = 3400 mm (Chiều cao giữa dàn Hgd = (1/7 –1/9)L)

Cấu tạo cửa mái :

- Hệ giằng trong mặt phẳng cánh trên

Bố trí theo phương ngang của nhà tại vị trí hai dàn đầu hồi, đầu khối nhiệt độ và

giữa nhà Cánh trên của 2 dàn cạnh nhau được nối bởi các thanh tạo thành hệ chữ thập

Ngoài ra còn thanh chống dọc nóc tạo điều kiện thuận lợi khi thi công lắp ghép

Hình bố trí hệ giằng cánh trên

- Hệ giằng trong mặt phẳng cánh dưới

Bố trí nằm trong mặt phẳng các thanh cánh dưới dàn mái :

- Hệ giằng cột có ở cột trên và cột dưới.

- Ở cột trên bố trí giằng ở những ô có giằng cánh trên và giằng cánh dưới

- Khoảng cách từ đầu hồi đến hệ giằng gần nhất là : 75 m Vậy bài tập này chỉ cần

bố trí giằng cột dưới ở giữa nhà là đủ (chiều dài nhà : 90 m )

Bảng tính toán tải trọng các lớp cấu tạo mái

Cấu tạo các lớp mái Tải trọng tiêu

chuẩn daN/m2mái

Hệ sốvượt tải

Tải trọng tính toán daN/m2mái

- Tải trọng do trọng lượng bản thân dàn và hệ giằng:

Theo công thức kinh nghiệm ta có:

c d

g =1,2αdL daN/ m2 mặt bằng

tt d

g =n(1,2αdL) daN/ m2 mặt bằngTrong đó:

g = 1,2αdL = 1,2 x 0,8 x 24 = 23,04 daN/ m2 mặt bằng

tt

d

g =n(1,2αdL) = 1,1 x 1,2 x 0,8 x 24 = 25,344 daN/m2 mặt bằng

- Trọng lượng kết cấu cửa trời:

Tính theo công thức kinh nghiệm sau:

- Trọng lượng cánh của trời và bậu của trời:

Trọng lượng cửa kính: gkc = 40 kg/m2 (lấy từ 35→40 daN/m cánh cửa )2

Trọng lượng bậu cửa: gbc=150 kg/m dài.(lấy từ 100→150 daN/m bậu )

→Ta quy tải trọng tập trung do trọng lượng kết cấu cửa trời, trọng lượng kết cấu cánh

cửa và bậu cửa về tải phân bố trên mặt bằng nhà :

97 , 17 344 , 25 35 , 469 ( 6 )

tt

×

=

b Tải trọng tạm thời (Hoạt tải)

Hoạt tải tạm thời lấy theo TCVN 2737-1995

PC= 0,75 kN/m2 = 75 g/m2 mặt bằng Trị số hoạt tải tiêu chuẩn < 200daN.m2, nên ta lấy hệ số vượt tải: n=1,3

→Hoạt tải phân bố đều trên dàn là:

a: Sơ đồ tĩnh tải b:sơ đồ hoạt tải

Sơ đồ tải trọng tác dụng lên dàn

G =α ×L ×nTrong đó:

o αdct = 35 - 47 với cầu trục sức trục Q = 75 (t), lấy αdct = 40

Áp lực lớn nhất của một bánh xe cầu trục lên ray xảy ra khi xe con mang vật nặng

ở vào vị trí sát nhất với cột phía đó Trị số tiêu chuẩn Pc

max được tra trong catalo cầu trục ( bảng phụ lục VI.2) Khi đó phía ray bên kia có áp lực nhỏ nhất:

 n0: Là số bánh xe ở một bên ray cầu trục n0 = 4

 Q : Là sức trục; Q = 75 (tấn)

 G : Trọng lượng toàn bộ cầu trục; G = 143 (tấn)



Tính toán thông số cầu trục

Áp lực bánh xe lên ray Trọng Lượng

Pc 1max

( T)

Pc 2max

(T)

Pc 1min

(T)

Pc 2min

(T)

Xe con(T)

Cầu Trục (T)

Tải trọng áp lực thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầm cầu trục được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng của phản lực gối tựa của dầm

và xếp các bánh xe của hai cầu trục sát nhau ở vào vị trí bất lợi nhất

Áp lực lớn nhất Dmax (daN) và nhỏ nhất Dmin (daN) do các dầm cầu trục tác dụng lên cột được xác định nhờ đường ảnh hưởng của phản lực tựa của hai dầm cầu trục ở hai bên cột: (Các khoảng cách được xác định trong hình vẽ)

Dmax = n.nc (Pc1max ∑yi + Pc2max ∑yi) + Gdct

Tương ứng bên kia có:

Dmin = n.nc (Pc1min ∑yi + Pc2min ∑yi) + Gdct

Trong đó:

 n=1,2 ;Hệ số vượt tải.

 nc = 0,85 Hệ số tổ hợp khi xét tải trọng do hai cầu trục chế độ nhẹ hoặc trung bình

 yi: tung độ đường ảnh hưởng phản lực

Biếu đồ đường ảnh hưởng

→Từ biểu đồ ta tính được:

Dmax = 1,2 x 0,85 x (33 x 0,1 + 34 x 2,866) + 1584 = 1686,759 T

D = 1,2 x 0,85x (21,5 x 0,1 + 20,5 x 2,866) + 1584 = 1646,121 T

Các tải trọng và đặt tại nhánh cầu trục, vì vậy lệch tâm đối với trục cột dưới một khoảng e

là khoảng cách từ trục dầm cầu trục đến trục cột dưới Khi thiết kế thường giả thiết e = ( 0,45 – 0,55) hd ; đối với cột giữa e = hd/2 = 1,25/2 = 0,625 Do đó tại vai cột có sinh ra momen lệch tâm: Mmax = Dmax e= 1686,759 x 0,625= 1054,224 (T.m)

Mmin = Dmin e= 1646,121 x 0,625 = 1028,826 (T.m)

a: Sơ đồ tính Dmax trái b: sơ đồ tính Dmax phải

Sơ đồ chất tải của tải trọng thẳng đứng cầu trục

d Do lực hãm xe con

Lực ngang tiêu chuẩn của một bánh xe con cầu trục do hãm : (móc mềm )

) ( 4125 ,

1 4

) 38 75 ( 05 , 0 ) (

05 , 0

0

n

G Q

a: Sơ đồ tính Tmax trái b:sơ đồ tính Tmax phải

Hình 10: Sơ đồ chất tải của tải trọng ngang cầu trục

3 Tải trọng gió tác dụng lên khung

Tải trọng gió được xác định Theo TCVN 2737 - 1995 Khi nhà công nghiệp một tầng một nhịp, có chiều cao < 36m chỉ kể tới tác dụng của thành phần gió tĩnh

Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm :

o Gió thổi lên tường dọc được chuyển về thành phân bố trên khung

o Gió trong phạm vi mái từ cánh dưới dàn vì kèo trở lên được chuyển thành lực tập trung ở cao trình cánh dưới dàn vì kèo

Trị số tính toán thành phần tĩnh của tải trọng trọng gió ở độ cao Z so với mốc chuẩn tác dụng lên diện tích bề mặt thẳng đứng của nhà là

W = W0 x k x c x n (kN/m2)

Áp lực gió tác dụng lên tường dọc nhà sẽ truyền vào khung ngang dưới dạng phân

bố điều trên suốt chiều dài cột

Q = W x a ( kN/m) Với phía gió đẩy :

n : hệ số tin cậy, lấy n = 1,2

Hình 11: Sơ đồ tính tải trọng gió

Hệ số Ce 1 lấy theo sơ đồ 8

Ta có :

' 1, 2 0

5,71 12

Tải trọng gió tác dụng lên mái :

Tải trọng gió tác dụng lên mái được quy về lực tập trung ở cao trình cánh dưới dàn

d

W =n W0tc

.k.B.∑(Ci x hi) h

W =n W0tc

.k.B.∑(C’i x hi)Trong đó :

 hi : chiều cao từng đoạn có các hệ số khí động Ci ; C’i

 Trong khoảng từ 13,0m đến 18,4m hệ số ‘k’ lấy trung bình của hai giá trị tương ứng ; k = (1,048+1,114)/2 = 1,081

→Phía gió đẩy:

a: Sơ đồ tính gió trái b:sơ đồ tính gió phải

Hình 12: Sơ đồ chất tải của tải trọng gió

4 Sơ đồ chất tải

Hình 13: Sơ đồ chất tải cho toàn bộ khung ngang

III GIẢI KHUNG TÌM NỘI LỰC VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN

1 Các giả thiết tính toán

- Thay dàn vì kèo bằng xà ngang có độ cứng tương ứng đặt tại thanh cánh dưới dàn Cột được ngàm ở bản đế chân cột Chiều cao cột tính toán tính từ chân cột dưới đến thanh cánh dưới dàn

- Khi tính toán khung đối xứng với tải trọng thẳng đứng đối xứng tác dụng trực tiếp

lên xà ngang như g và p thì chuyển vị ngang rất nhỏ có thể bỏ qua, lúc này chỉ còn

ẩn số là góc xoay tại liên kết giữa dàn và cột

- Khi tính khung với tải trọng không phải thẳng đứng tác dụng trực tiếp lên xà

ngang như Dmax, Dmin, T, Wđ , Wh , qđ , qh thì xem xà ngang là cứng vô cùng, lúc đó chỉ còn ẩn số là chuyển vị ngang

- Đối với cột bậc, trục cột dưới được coi trùng với trục cột trên ; nhịp tính toán là

khoảng cách giữa hai trục cột trên (h14.a) ; khi đó tải trọng thẳng đứng truyền từ

trên xuống phải kể thêm mômen lệch tâm ở chỗ thay đổi tiết diện cột :

2 Sơ đồ tính khung ngang :

Tìm nội lực tại 4 tiết diện : A, Cd, Ct, B

a: Sơ đồ khung ngang b:sơ đồ tính mômen lệch tâm

Hình 14: Sơ đồ tính khung ngang

3 Toán nội lực khung

 Chọn sơ bộ tỉ số độ cứng giữa các bộ phận khung

Dựa theo kinh nghiệm chọn : 1 1

= (7 10) = 8

J ÷ → J

Dựa theo kinh nghiệm chọn: d d

= (25 40) = 35

J ÷ →JKiểm tra điều kiện: υ ≥ 1 1,1+ 6× η

Víi : υ = d 1 d

1

J J J × H 35 14,8/ = = × = 2,698

L H L×J 8 24 ; η = 1

2

J-1 = 8 -1 = 7J

VËy: 6 1,53

1 1,1 7 =

+ × < υ = 2,698 Vậy thỏa mãn điều kiện để xà ngang có độ

cứng vô cùng

 Dùng phương pháp chuyển vị, với ẩn số là góc xoay ϕ1, ϕ2 & được chuyển vị ngang

∆ ở đỉnh cột Để tránh nhầm lẫn quy ước mômen như sau: mômen dương khi làm căng thớ bên trong của xà và cột biên

a Tính khung với tĩnh tải phân bố đều trên xà ngang:

- Thành phần mômen không kể tới độ lệch trục cột do tải trọng phân bố đều trên dàn gây ra :

Khung đối xứng & tải trọng đối xứng nên:

∆ = 0 & ϕ1 = ϕ2 = ϕ → ẩn số là 2 góc xoay ở nút khung

Phươnh trình chính tắc: r11 ×ϕ + R1P = 0

Trong đó: r11 tổng phản lực mômen các nút trên của khung khi góc xoay ϕ=1

R1P tổng mômen phản lực ở nút đó do tải trọng ngoài

Quy ước mômen phản lực và góc xoay là dương khi tại nút cột trái quay theo chiều kim đồng hồ; tại nút cột phải quay ngược chiều kim đồng hồ

A b

a: Sơ đồ tính khung ngang b:Biểu đồ mômen (KNm)

Hình 15: Sơ đồ tính, biểu đồ mômen khung với tĩnh tải phân bố trên dàn

- Mômen uốn ở đầu xà khi do góc ϕ=1 (Coi như thanh tiết diện không đổi hai đầu ngàm bị xoay) gây ra: M = xaB 2× E×Jd

→Tính mômen tại các tiết diện:

xa B

- Mô men phụ sinh ra ở vai cột do sự lệch tâm của trục cột trên và trục cột dưới:

a: Sơ đồ tính b:Biểu đồ mômen(KNm)

Hình 16: Sơ đồ tính, biểu đồ mômen của thành phần mômen vai cột

Giá trị mômen tại vị trí vai cột do sự lệch trục của cột trên và cột dưới:

Tải trọng đối xứng ⇒ không có tải trọng ngang

→Nội lực trong khung do M Tìm bằng các công thức với cột hai đầu ngàm vì coi xà ngang là cứng vô cùng Jd=∞

Tra bảng với dấu M ngược dấu trong bảng

MB= (1 ) 3B (1[ ) 4C]

( M)K

Mômen tại các tiết diện khác:

b Tính khung với tĩnh tải dầm cầu trục tác lên vai cột :

Tĩnh tải dầm cầu trục tác dụng lên vai cột sinh ra thành phần mômen tập trung đặt tại vai cột do sự lệch tâm giưa cột trên và cột dưới

→Giá trị thành phần mômen lệch tâm là:

Hình 18: Biểu đồ mômen khung do tổng tĩnh tải gây ra (KNm)

d Tính khung với hoạt tải phân bố đều trên xà ngang:

Tương tự với tĩnh tải phân bố đều trên xà ngang ta có:

→Vì ngoại lực tác dụng có phương chiều và tính chất tác dụng giống với tĩnh tải nên nội lực trong khung do hoạt tải gây ra xẽ tương ứng với nội lực trong khung do tĩnh tải gây ra nhân với trị số (p/g) = (5,85/32,1) = 0,182

→Giá trị nội lực do hoạt tải mái gây ra:

MBxa = (-174,1) × (p/g) = -31,73 KNm

MBcot = (-137,96) × (p/g) = -25,14 KNm

MCtr = (-110,78) × (p/g) = 20,19 KNm

MCd = 82,42 × (p/g) = 15,02 KNm

A

Hình 19: Biểu đồ mômen khung do hoạt tải phân bố trên dàn gây ra (KNm)

e Tính khung với mô men cầu trục M Max ; M Min

Dấu của phản lực và chuyển vị tại liên kết thêm theo qui ước chiều từ trái sang phải là dương.

Hình 20: Sơ đồ tính nội lực của chuyển vị ∆ =1

- Vẽ biểu đồ mômen do chuyển vị ∆ =1 gây ra:

Dùng bảng III.1 Phụ lục tính được mô men và phản lực ngang đầu cột trái (cột A):

Hình 21: Biểu đồ nội lực mômen của chuyển vị ∆ =1gây ra

→Xác định phản lực trong liên kết thêm vào tại nút khung do nút có chuyển vị đơn vị 1

→Biểu đồ được xác định bằng cách nhân biểu đồ nội lực do M gây ra với hệ số V

M 192,6 ( vì Mmaxvà Mmin đặt tại cùng

vị trí với M nhưng ngược chiều)e

→Đối với cột trái (Mmax)

Hình 23: biểu đồ mômen do M , M gây ra trong hệ cơ bản (KNm)max min

- Vẽ biểu đồ nội lực do M , M gây ra cho khung:max min

1 2

1 2

1 2 1

Đối với cột phải ( Cột B)

2 1

1 2

1 2

1 2 1

Hình 24: biểu đồ mômen do M , M gây ra trong khung (KNm)max min

f Tính khung với lực hãm ngang T.

Lực T đặt ở cao trình mặt trên dầm cầu trục, cách vai cột 0,7 (m) Ta xét lực T ở cột trái, hướng từ trái sang phải Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang có độ

→Phương trình chính tắc: r × + R = 011 ∆ 1P

Trong đó:

- r : là phản lực của liên kết thêm vào tại nút khung do nút có chuyển vị 11

đơn vị ∆ =1

- R1P : là tổng phản lực trong liên kết do ngoại lực gây ra

Dấu của phản lực và chuyển vị tại liên kết thêm theo qui ước chiều từ trái sang phải là dương

- Vẽ biểu đồ mômen do chuyển vị ∆ =1 gây ra:

Biểu đồ M do ∆ =1gây ra giống như trường hợp tải D , D nên ta cũng xác định max min

- Vẽ biểu đồ do lực T = 55,44KN gây ra trong hệ cơ bản:

Dùng công thức trong phụ lục III.2 để tính được mô men và phản lực tại đầu cột B, B’ (Lực T đặt cách đỉnh cột là h = 4,9 - 0,7 = 4,2 m)

→Mômen tại các tiết diện khác

Hình 25: biểu đồ mômen do T gây ra trong hệ cơ bản (KNm)

Cột bên phải không có ngoại lực tác dụng nên mômen và phản lực bằng không

→Xác định phản lực trong liên kết thêm do ngoại lực T gây ra: (R1P )

Đối với cột trái ( cột A):

2 1

1 2 1

1 2 1

2 1

1 2 1

1 2 1

Hình 26: biểu đồ mômen do T gây ra (KNm)

e Tính nội lực trong khung do tải trọng gió gây ra

Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang có độ cứng vô cùng, ẩn số chỉ còn chuyển vị ngang của nút

→Phương trình chính tắc: r ×11 ∆ +R = 01P

Trong đó:

- r : là phản lực của liên kết thêm vào tại nút khung do nút có chuyển vị 11

đơn vị ∆ =1

- R1P : là tổng phản lực trong liên kết do ngoại lực gây ra

Dấu của phản lực và chuyển vị tại liên kết thêm theo qui ước chiều từ trái sang phải là dương

- Vẽ biểu đồ mômen do chuyển vị ∆ =1 gây ra:

Biểu đồ M do ∆ =1gây ra giống như trường hợp tải D , D nên ta cũng xác định max minđược:

- Vẽ biểu đồ đồ mômen do ngoại lực phân bố đều q gây ra trong hệ cơ bản:

Dùng công thức trong bảng III.2 Phụ lục để tìm mô men và phản lực trong khung:

→Đối với cột trái (cột A):

→Đối với cột phải( côt B):

Nhân giá trị mômen trong cột trái với hệ số 5,616 0,75

7,488

h d

q

q = − = − để được giá trị mômen trong cột phải

- Vẽ biểu đồ mômen do tải trọng gió trái tác dụng lên khung:

→Xác định giá trị tổng phản lực trong liên kết thêm do gió gây ra trong hệ cơ bản

1 2

Hình 27: biểu đồ mômen do gió trái gây ra (KNm)

- Biểu đồ mômen do gió phải tác dụng lên khung:

Tương tự với gió trái nội lực trong khung do gió thổi bên phải gây ra có giá trị như nhau ( đối xứng qua trục giữa nhà):