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

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

THUYẾT MINH TÍNH TOÁN

B (m)

dạngđịa hình

B

- Sức nâng của cầu trục: Q (T)

- Số lượng cầu trục: 2 (chế độ làm việc trung bình)

- Mô đun đàn hồi E = 2,1.105 (MPa)

- Vật liệu bu lông liên kết và bu lông neo tự chọn

Với HK = 0,96m - tra catalo cầu trục (bảng II.3 phụ lục)

bK = 0,3m - khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang

=> chọn H2 = 1,3m

- Chiều cao của cột khung tính từ mặt móng đến đáy xà ngang:

H H = + H + H = 7,1 1,3 0 8, 4 + + = m

Trong đó:

H1 = 7,1m cao trình đỉnh ray

H3 = 0 phần cột chôn dưới cốt mặt nền, coi mặt nền móng ở cốt ± 0.000

- Chiều cao của phần cột tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang:

2 Theo phương ngang

- Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột (a = 0)

Do sức trục của cầu trục là 10T < 30T nên chọn khoảng cách từ mép ngoài cộ đến trục định vị là a = 0 và khoảng cách từ trục định vị đến trục ray cầu trục là λ =

II SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG NGANG

- Do sức nâng cầu trục không lớn nên chọn phương án cột có tiết diện không đổi với độ cứng là I1.Vì nhịp khung là 27m nên chọn phương án xà ngang có tiết diện thay đổi hình nêm, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 4.5 m Với đoạn xà dài 4.5m , độ cứng của cột là I1 và xà dưới là I2 và xà trên là I3 Do nhà có cầu trục nên chọn 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 cứng Trục cột khung trùng với trục định vị để đơn giản hoá tính toán và thiên về an toàn.Ta có sơ đồ tính khung ngang như hình:

+0.000

+6.300 +8.400

Sơ đồ tính khung ngang

III THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI

- Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái và trọng lượng bản thân của xà

gồ Lớp mái và xà gồ được chọn trước Sau đó được kiểm tra lại theo điều kiện bền và điều kiện biến dạng của xà gồ

- Xà gồ mái trong khung thép nhẹ thường dùng thép tạo hình nguội thành mỏng, tiết diện chữ C hoặc Z Vì xà gồ có độ cứng nhỏ khi chịu uốn theo phương trong mặt phẳng mái nên thường cấu tạo thêm hệ giằng xà gồ bằng thép tròn, đường kính φ ÷ φ16 18

Chiều dày (mm)

Diện tích (cm2)

H(mm)

B(mm)

- Tải trọng tác dụng lên xà gồ gồm: tải trọng tôn lợp mái, tải trọng bản thân xà gồ

và tải trọng do hoạt tải sửa chữa mái

- Khoảng cách giữa các xà gồ theo mặt bằng nhà là a = 1,5m

=> Khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt phẳng mái là: = ( )

°

1.5

1.51 mcos 4.76

Tải trọng tính toánTôn lợp mái,lớp

α

2 Kiểm tra lại xà gồ đã chọn

Xà gồ dưới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiên

Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ C tác dụng theo 2 phương với trục x-x tạo với phương ngang một góc α = 4,76o

Tải trọng tác dụng theo các phương x-x và y-y là:

x

q = q ×cosα = 0,66×cos4,76 = 0.658 kN / m

- Theo điều kiện biến dạng:

Công thức kiểm tra :

Vậy xà gồ chữ “Z”, 200Z20 đảm bảo điều kiện cường độ và điều kiện độ võng

IV TÁC DỤNG VÀ CÁCH BỐ TRÍ HỆ GIẰNG MÁI, GIẰNG CỘT

*Tác dụng của hệ giằng trong nhà công nghiệp dùng kết cấu khung thép nhẹ:

- Bảo đảm tính bất biến hình và độ cứng không gian của hệ khung

- Giảm chiều dài tính toán của xà và cột khung theo phương ngoài mặt

phẳng, từ đó tăng khả năng ổn định tổng thể cho khung ngang

- Truyền tải trọng gió và lực hãm cầu trục theo phương dọc nhà xuống móng

- Bảo đảm cho việc thi công dựng lắp được an toàn và thuận tiện

a Tác dụng của các hệ giằng

- Giằng mái:

+ Bảo đảm ổn định cho dàn theo phương ngoài mặt phẳng uốn

+ Dàn gió chịu tác dụng của tải trọng gió theo phương dọc nhà

+ Hệ giằng dọc theo đầu cột tăng độ cứng theo phương dọc nhà và truyền tải trọng ngang như tải trọng gió, lực hãm cầu trục ra các khung lân cận

- Giằng cột :

+ Bảo đảm sự bất biến hình học

+ Bảo đảm độ cứng dọc nhà và giữ ổn định cho cột

+ Tiếp nhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà như tải trọng gió lên tường hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục

b Cách bố trí hệ giằng

V TẢI TRỌNG TÁC DUNG LÊN KHUNG NGANG

1 Tĩnh tải

Độ dốc mái i = 1/12 => α = 4,760 ( sinα = 0,083 ; cosα = 0,997 )

- Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm:

+ Trọng lượng xà gồ

+ Trọng lượng tấm lợp

+ Trọng lượng bản thân kết cấu và hệ giằng xà gồ

+ Trọng lượng bản thân dầm cầu trục

+ Tôn và xà gồ bao che

- Trọng lượng xà gồ (với nhịp nhà L = 27m dùng 20 xà gồ, khoảng cách 2 xà gồ là

g = γ 0,105.B 1,05.0,105.6 0,66kN / m= =

- Trọng lượng bản thân kết cấu và hệ giằng xà gồ có thể lấy sơ bộ theo kinh nghiệm khoảng (0,15 ÷ 0,2) kN/m2, chọn là 0,2 kN/m2:

bt g

G (0,0539.6 0,0454.H).B 1,05.(0,0539.6 0,0454.8,4).6 4,44kN

3,3 kN/m

4,44 kN 2,17 kN/m

6,3 kN

4,44 kN 2,17 kN/m

3,3 kN/m 6,3 kN

Sơ đồ tính khung với tải trọng thường xuyên

2 Hoạt tải mái

- Theo TCVN 2737 – 1995, trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái (mái lợp tôn) là 0,3kN / m , hệ số vượt tải là 1,3.2

- Quy đổi về tải trọng phân bố đều trên xà ngang:

pm = γp.p B 1,3.0,3.6 2,34(kN / m)tc = =

2,34 kN/m

S¥ §å TÝNH KHUNG VíI toµn HO¹T T¶I M¸I

2,34 kN/m

S¥ §å TÝNH KHUNG VíI HO¹T T¶I M¸I NöA TR¸I

2,34 kN/m

S¥ §å TÝNH KHUNG VíI HO¹T T¶I M¸I NöA PH¶I

2,34 kN/m

3 Hoạt tải gió

- Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm hai thành phần là gió tác dụng vào cột và gió tác dụng trên mái Theo TCVN 2737 – 1995, phân vùng gió IIIA thuộc dạng địa hình B có áp lực gió tiêu chuẩn = − = 2

0

W 1,25 0,15 1,1kN / m , hệ số vượt tải là 1,2

- Tải trọng gió tác dụng lên cột và xà ngang được xác định theo công thức:

q= γp.W k.C B0 e

- Căn cứ vào hình 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 với:

- Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số k k= 1 =0,9616

- Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở lên đỉnh mái hệ số k lấy trung bình:

Phía khuất gió: 1,2.0,55.0,9616.0,5.6 = 1,9 (kN/m)

- Tải trọng gió tác dụng trên mái:

giã tr¸i sang

4 Hoạt tải cầu trục

- Theo bảng II.3 phụ lục, các thông số cầu trục sức nâng 10 tấn như sau:

Bk(mm)

Bề rộng đáy

Kk(mm)

T.lượng cầu trụcG(T)

T.Lượng

xe con

Gxe(T)

Áp lực

xếp các bánh xe của hai cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất, xác đinh được các tung độ y1 của đường ảnh hưởng, từ đó xác định áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột:

- Các lực D và max D thông qua ray và dầm cầu trục sẽ truyền vào vai cột, do đó min

sẽ lệch tâm so với trục cột là e= λ −0,5h 0,75 0,5.0,45 0,525m= − = Trị số của

mô men lệch tâm tương ứng:

Dmax lªn cét ph¶i

33,99 kNm

64,75 kN

94,86 kNm 180,69 kN

Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục

b) Lực hãm ngang của cầu trục

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

V+

N+

M +

V+

N+

M +

a Nội lực do tĩnh tải.

-69.10

-112.48

-1 0.59

-72.41

-121.65

-1 1.58

c Nội lực do hoạt tải mái nửa trái.

13.00

e Nội lực do gió trái.

-121.97

56.77

89.45 20

.8 3

18.55

18.55

13 5313

.53

(N)

10 54

3.3717

-4.16

.36

(N)

-9.48

1.821.82

-65.79

-1.04

-9.53

(N)

-9.47

0.250.25

(V)

i Nội lực do lực hãm ngang của cầu trục lên cột trái.

3.68

1.586.32

-19.40

7.019.53

-(M)

4.19

4.19 -2.14

-0.58 -0.5

0.41

2.162.16

(N)

2.14

2.14

0.230.23

(V)

VI THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CẤU KIỆN

1 Thiết kế tiết diện cột

1.1 Xác định chiều dài tính toán

- Chọn phương án cột tiết diện cột không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột đã giả thiết là bằng nhau, ta có:

1.2 Chọn và kiểm tra tiết diện

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

[ ]

2 x

Do đó me =η.mx=1,28.5,45 = 6,98 < 20 nên không cần kiểm tra bền.

Với λ =x 2; me =6,98 , tra bảng phụ lục IV3, nội suy có φe=0,183

a, Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của cột

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

- Tính độ lệch tâm tương đối theo M':

2 x

Vậy bản cánh đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ

* Với bản bụng cột: do mx = 5,45 > 1; λ =x 2và khả năng chịu lực của cột được quyết định bởi điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uoond nên theo bảng 2.2 ta có:

4 w

x w

Ta có:

4

w w

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

2 Thiết kế tiết diện xà ngang

2.1 Đoạn xà 4,5 m (tiết diện thay đổi)

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

Do mx = 26,4 > 20 nên me =η.mx>20 (vì η ≥1) nên tiết diện xà ngang được tính

toán và kiểm tra bền

2 f

Vậy tiết diện xà ngang đã chọn đạt yêu cầu

2.2 Đoạn xà 9 m (tiết diện không đổi)

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

Chiều cao của tiết diện xà xác định từ điều kiện tối ưu về chi phí vât liệu theo công thức với bề dày bản bụng xà chọn sơ bộ là 0,8cm.

yc x w

Kiểm tra lại bề dày bản bụng từ điều kiện chịu cắt:

Do mx = 22,7 > 20 nên me =η.mx>20 (vì η ≥1) nên tiết diện xà ngang được tính

toán và kiểm tra bền

1 x

2 f

bộ do phản lực dầm cầu trục truyền vào:

Các đặc trưng hình học của tiết điện dầm vai:

tTheo cấu tạo chọn chiều cao đường hàn liên kết dầm vai vào cột hf = 0,6cm.

Chiều dài tính toán của các đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột xác định như sau:

Ở phía trên cánh (2 đường hàn): lw = 22 - 1 = 21cm

Phía dưới cánh (4 đường hàn): lw = 0,5(22 - 0,8) -1 = 9,6cm

Theo cấu tạo và khoảng cách bố trí bu lông neo chiều dài của bản đế với giả thiết

Bề dày của bản đế chân cột được xác định từ điều kiện chịu uốn của bản đế do ứng suất phản lực trong bê tông móng Xét các ô bản đế:

Chọn chiều cao của dầm đế: hdd = 34 cm

4.3 Tính toán sườn A

Sơ đồ tính sườn là dầm côn- xôn ngàm vào bản bụng cột bằng 2 đường hàn liên kết:

qs =0,37 2.11,25( ) =8,3(kN / cm)

=18,7(kN / cm ) 1,15.f.2 < γ =1,15.21.1 24,15(kN / cm )= 2

Chọn chiều cao đường hàn liên kết sườn A vào bản bụng cột: hf = 0,6cm

Diện tích tiết diện và mô men chống uốn của các đường hàn này là:

2

3 w

c

11,96(kN / cm ) 1,15.f 1,15.21.1 24,15(kN / cm )Chọn chiều cao đường hàn liên kết sườn B vào bản bụng cột hf = 0,6cm

Diện tích tiết diện và mô men chống uốn của các đường hàn này là:

2

3 w

4.5 Tính toán bu lông neo

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

DoT2 <T1 nên đường kính bu lông neo đã chọn là đạt yêu cầu.

4.6 Tính toán các đường hàn liên kết cột vào bản đế

Các đường hàn liên kết tiết diện cột vào bản đế được tính toán trên quan niệm mômen và lực dọc do các đường hàn ở bản cánh chịu, còn lực cắt do đường hàn ở bản bụng chịu Nội lực để tính toán đường hàn chọn trong bảng tổ hợp nội lực cũng chính là cặp đã dùng để tính bu lông neo

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

 

2 k

⇒Kết hợp cấu tạo chọn hf =0,6 cm Cấu tạo chân cột thể hiện ở hình vẽ:

Cấu tạo chân cột thể hiện ở hình vẽ:

5 Liên kết 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, chọn cặp:

Đây là cặp nội lực trong tổ hợp nội lực do các trường hợp tải trọng 1,4 gây ra

5.1 Tính toán bu lông liên kết

- Chọn đường kính bulông dự kiến d = 20 mm, bố trí bu lông thành hai dãy với khoảng cách giữa các bu lông tuân thủ các quy định trong bảng I.13 phụ lục

- Phía cánh ngoài của cột bố trí một cặp sườn gia cường cho mặt bích với kích thước lấy như sau:

Khả năng chịu trượt của một bulông cường độ cao:

fhb là cường độ tính toán chịu kéo của vật liệu bu lông cường độ cao trong liên kết ma sát , fhb =0,7fub

fub là cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của vật liệu bu lông (bảng I.12 phụ lục)

γb1: hệ số điều kiện làm việc của liên kết, γ =b1 1

µ γ, 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: µ =0,25;γ =b2 1,7

nf : số lượng mặt cắt qua bulông, nf =1

- Lực kéo tác dụng vào một bu lông ở dãy ngoài cùng do mô men và lực dọc phân vào:

Kiểm tra khả năng chịu cắt của các bu lông theo công thức sau:

b1: khoảng cách giữa 2 trục bulông: b1 = 10cm

5.3 Tính toán đường hàn liên kết tiết diện cột (xà ngang) với mặt bích

Tổng chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh ngoài (kể cả sườn):

Trong bảng tổ hợp chọn cặp gây kéo nhiều nhất

cho các bu lông tại tiết diện đỉnh xà (đỉnh mái)

60 100 60 220

Việc tính toán và cấu tạo mối nối xà tương tự như trên, do tiết diện xà ngang tại

vị trí nối giống như tại đỉnh mái và nội lực tại chỗ nối xà nhỏ hơn nên không cần tính toán kiểm tra mối nối Cấu tạo liên kết như hình vẽ:

45

120

150

12045

480

60 100 60 220

1

1

1-1

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

Lực cắt lớn nhất trong xà ngang là tại tiết diện đầu xà V = 57,09(kN), chiều cao cần thiết của đường hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng xà ngang theo công thức sau:

Kết hợp cấu tạo, chọ chiều cao đưòng hàn hf = 0,6cm

Tương tự chọn chiều cao đường hàn liên kết bản cánh với bản bụng cột là:

hf = 0,6cm.