Bài giảng kết cấu thép 2 kết cấu thép nhà công nghiệp 1 tầng

Sau khi tính nội lực và chọn tiết diện các cấu kiện, nếu độ cứng thực tế sai khác độ cứng giả thiết không quá 30% thì không cần phải tính lại 1.3.2 Tải trọng tác dụng lên khung - Khi bướ

BỘ MÔN KỸ THUẬT XÂY DỰNG

GIẢNG VIÊN: PHẠM XUÂN TÙNG

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN KẾT CẤU THÉP 2

KẾT CẤU THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG

1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP

1.1.1 Đặc điểm chung của kết cấu nhà công nghiệp 1 tầng

Phân loại theo vật liệu: thép hoặc bê tông cốt thép

- Khung liên hợp: cột bê tông, vì kèo thép

- Khung toàn thép: tất cả các cấu kiện bằng thép

Phân loại theo chế độ làm việc của cầu trục:

- Thuận tiện lắp đặt thiết bị, máy móc

- Bảo đảm cho thiết bị nâng cẩu làm việc bình thường

- Bảo đảm độ bền và độ bền lâu

- Bảo đảm thông gió, chiếu sáng

Yêu cầu về kinh tế: phụ thuộc vào giá thành vật liệu, giá thành chế tạo và xây lắp, chi phí vận chuyển, chi phí thiết kế…

1.2.1 Bố trí hệ lưới cột:

Bố trí lưới cột theo 2 phương:

- Ngang nhà gọi là nhịp khung

- Dọc nhà gọi là bước cột

Nhịp nhà và bước cột được chọn theo mô đun thống nhất: 6m

Với các nhà công nghiệp thông thường nhịp lấy: 12; 18; 24; 30; 36; 42 m… Bước cột 6; 12; 18 m…

Khi nhà dài phải có khe nhiệt độ, khoảng cách giữa các khe nhiệt độ lấy không quá 200m

Do cần khoảng cách để bố trí sườn tường và để tấm mái không bị hụt, ở đầu hồi

và vị trí khe nhiệt trục cột lùi vào so với trục định vị 500 mm

1.2.2 Kích thước khung ngang

a) Sơ đồ khung ngang

Liên kết giữa cột và vì kèo có thể là liên kết khớp hoặc liên kết cứng

- Khung nhiều nhịp thường dùng liên kết khớp

- Khung 1 nhịp thường dùng liên kết cứng

- Vì kèo tam giác thì liên kết khớp

- Vì kèo hình thang thì có thể liên kết cứng hoặc khớp

b) Kích thước chính của khung 1 nhịp

Kích thước theo phương ngang

B1 phần đầu cầu trục từ ray đến mép ngoài lấy theo catalo

D = 60-75mm phần khe hỡ an toàn giữa cầu trục và cột

γ được lấy như sau:

- γ = 750mm khi nhà có cầu trục Q < 75 tấn

- γ = 1000mm khi nhà có cầu trục Q > 75 tấn, không có lối đi ở cột trên

Nhịp nhà L = Lct + 2 γ trong đó Lct là nhịp cầu trục tra catalo

L lấy theo bội số của 3 khi nhịp nhỏ hơn 8m và 6 khi nhịp lớn hơn

Kích thước theo phương đứng

Chiều cao sử dụng: từ mặt nền đến cánh dưới vì kèo

100mm là khe hở an toàn giữa cầu trục và vì kèo

f = 200-400mm là kích thước xét đến độ võng của vì kèo và việc bố trí hệ giằng thanh cánh dưới

H2 thường lấy theo mô đun 200mm

Chiều cao thực cột trên H t từ vai đỡ dầm cầu trục đến mép dưới vì kèo

Ht = H2 + Hdc + Hr

Hdc = 1/8-1/10 bước cột là chiều cao dầm cầu trục

Hr = 200mm chiều cao tổng cộng của ray và đệm ray

Chiều cao thực cột dưới H d: tính từ mặt móng đến vị trí thay đổi tiết diện

Hd = H – Ht + H3

H3 = 600-1000mm phần cột chôn dưới cao trình nên

c) Kích thước của khung nhiều nhịp

Khung nhiều nhịp có cùng cao độ: xác định kích thước ngang và đứng như trên Cột giữa thì trục định vị trùng với trục cột, hd = 2 γ, γ lấy trị số lớn hơn trong 2 nhịp

Khung nhiều nhịp có chiều cao khác nhau: xác định kích thước đứng làm riêng rẻ như trên Trục định vị không phải là trục đối xứng

- Hệ giằng trong mặt phẳng cánh trên

- Hệ giằng trong mặt phẳng cánh dưới

Sau khi tính nội lực và chọn tiết diện các cấu kiện, nếu độ cứng thực tế sai khác

độ cứng giả thiết không quá 30% thì không cần phải tính lại

1.3.2 Tải trọng tác dụng lên khung

- Khi bước cột biên và cột giữa như nhau

- Khi bước cột biên gấp đôi bước cột giữa

- Khi bước cột biên và cột giữa như nhau

- Khi bước cột biên gấp đôi bước cột giữa

a) Tải trọng thường xuyên

q = qoB

qo là tải trọng tính toán phân bố trên 1 mét vuông mặt bằng nhà

Tải trọng do các lớp mái Tải trọng tiêu

chuẩn (daN/m2)

Hệ số vượt tải

Tải trọng tính toán (daN/m2)

Lớp cách nhiệt bằng bê tông xỉ dày 15cm 120 1.2 144 Lớp bê tông chống thấm dày 4cm 100 1.1 110 Lớp vữa xi măng lót dày 1.5cm 27 1.2 32

Trọng lượng kết cấu cửa trời có thể lấy 12-18 daN/m2

Trọng lượng cửa mái có thể lấy 35-40 daN/m2

Trọng lượng bậu cửa mái có thể lấy 100-150 daN/m

Trọng lượng dầm cầu trục

Gdct = αdctL2dct daN Hoặc có thể lấy

0.2 0.6 / , 5 150.4 0.8 / , 20 500.6 1.2 / , 50

Dmax = nncPmax∑yi

Dmin = nncPmin∑yi

n hệ số vượt tải

nc = 0.85 chế độ làm việc nhẹ và trung bình

G trọng lượng toàn bộ cầu trục

∑yi tổng tung độ đường ảnh hưởng

Dmax, Dmin lệch tâm so với trục cột dưới 1 khoảng e = (0.45-0.55)hd, đối với trục giữa e = 0.5hd

f hệ số ma sát, f = 0.1 đối với móc mềm, f = 0.2 đối với móc cứng

c) Tải trọng tạm thời trên mái

Hoạt tải sửa chữa mái tra tiểu chuẩn tải trọng

1.3.3 Sự làm việc không gian của nhà

Trong tính toán nếu kể đến sự làm việc không gian của nhà thì nhân chuyển vị của khung ngang với hệ số αkg

kg

α = − −α α β−

α và α’ là hệ số đàn hồi của gối tựa nếu coi hệ giằng dọc là dầm liên tục tự lên

các gối tự đàn hồi là các khung

12

n số khung trong 1 khối nhiệt độ

l2 khoảng cách 2 khung sát biên

lk khoảng cách giữa 2 khung đối xứng

m hệ số kể đến sự biến dạng của mái cứng

- m = 0.9 nhà 1 nhịp có cửa trời dợc nhà

- m = 0.95 nhà 2 và 3 nhịp hoặc nhà 1 nhịp không có cửa trời

1.3.4 Kiểm tra độ cứng khung nhà

Nhà có chế độ làm việc trung bình và nhẹ không cần kiểm tra độ cứng ngang Nếu phải kiểm tra thì lấy giá trị chuyển vị giới hạn như sau:

qc tải trọng tiêu chuẩn trên 1m2 mặt mái

α góc nghiêng mặt mái so với phương ngang

M M

Độ võng xà gồ chỉ kiểm tra trong mặt phẳng tác dụng qy

1200

Được cấu tạo như 1 dàn độc lập và được tính toán như 1 dàn thông thường

1.4.3 Đặc điểm tính toán dàn mái

a) Sơ đồ dàn

Liên kết với cột

- Dàn tam giác hoặc khung nhiều nhịp dùng liên kết khớp

- Dàn cánh song song hoặc hình thang thì có thể liên kết khớp hoặc liên kết cứng

A bg em

V A R

e là khoảng cách từ H đến trọng tâm bản gối

lh, hh chiều dài và chiều cao đường hàn Lực H có chiều tách bản gối ra khỏi cột nên bảng gối còn được kiểm tra uốn với

sơ đồ ngàm 2 cạnh vào 2 hàng bu lông có nhịp là b

2

2

3:

b o

i

d Hza

[Nk] khả năng chịu kéo của 1 bu lông

do đường kính ren trong của bu lông

1.5.2 Cấu tạo và tính toán cột

a) Chiều dài tính toán của cột

Trong mặt phẳng khung:

Cột có tiết diện không đổi

ox

l =µl

l là chiều dài hình học của cột

µ là hệ số quy đổi chiều dài tính toán tra bảng 1.1/45 phụ thuộc vào liên

kết 2 đầu và tỷ số độ cứng đơn vị giữa xà và cột K

Cột bậc: khi xét chiều dài tính toán có thể đưa cột về 4 dạng sơ đồ khung sau:

- Khung 1 nhịp liên kết khớp với vì kèo

- Khung 1 nhịp liên kết cứng ở đầu trên

- Khung 2 nhịp trở lên, liên kết khớp ở đầu trên

- Khung 2 nhịp trở lên, liên kết cứng ở đầu trên

µ = − + ; µ11, µ12 hệ số tra bảng II.7a+b/ĐĐK

1 2

Cột dưới lấy từ mặt móng đến mép dưới dầm cầu trục

=+ (a)

=+

φd hệ số ổn định tổng thể của dầm, xem kết cấu thép 1 Khi 5 < mx< 10:

Khi điều kiện bền hoặc điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng quyết

định khả năng chịu lực của cột thì [ho/δb] xác định theo α

Khi α ≤ 0.5 lấy [ho/δb] theo bảng 1.3/50

Khi 0.5 < α < 1 [ho/δb] xác định bằng nội suy tuyến tính với

α = 0.5 và α = 1

Khi điều kiện cường độ quyết định khả năng chịu lực của cột và tỷ số N/AthR < 0.1 thì ổn định cục bộ của bản bụng theo điều kiện ổn định cục

bộ của bản bụng dầm Khi o 2.2

b

R

σ > cần gia cường sườn ngang cách nhau 1 khoảng 2-3ho

Trường hợp ổn định cục bộ của bản bụng không thõa mãn thì phải gia cường bản bụng bằng đôi sườn dọc hoặc tăng chiều dày bản bụng Thông thường khi thiết kế nên tăng chiều dày bản bụng

M N

Kiểm tra ổn định tổng thể từng nhánh đối với trục bản thân

Kiểm tra ổn định tổng thể toàn cột theo trục ảo

lt

N R

A γ

φlt tra bảng II.3/ĐĐK phụ thuộc vào mx và λtd

x n x

x

M Ay m

NJ

=

yn khoảng cách từ trục ảo đến trục nhánh nén

td td

R E

1.5.3 Cấu tạo và tính toán chi tiết cột

a) Chi tiết nối cột

Cánh ngoài cột trên nối với bản bụng nhánh mái

Cánh trong cột trên nối vào dầm vai thông qua bản ghép K được xẻ rãnh hàn sẵn vào bảng bụng dầm vai

Lực mà các đường hàn phải chịu

b) Chi tiết vai cột

Với cột tiết diện không đổi

Dầm vai tính như 1 dầm côngxon chịu lực D Chiều cao tiết diện dầm vai tính toán theo đường hàn liên kết vào cột:

Với cột đặc: đường hàn bản bụng của dầm vai vào cột chịu mômen M = De và lực cắt Q = D

Với cột rỗng là đường hàn liên kết dầm vai vào nhánh cột chịu lực

N1 = D(h + e)/h và N2 = De/h Với cột bậc

Dầm vai tính theo sơ đồ dầm đơn giản có nhịp bằng chiều cao tiết diện cột dưới, chịu uốn bởi lực Str

Chiều dày bản bụng được xác định theo điều kiện ép mặt

bs bề rộng sườn gối dầm cầu trục

δbd chiều dày bản đậy Chiều cao dầm vai thõa mãn

nhánh cầu trục

- hdv > hd

chịu phản lực VaTiết diện dầm vai phải thõa mãn điều kiện uốn do Mdv và Qdv Tiết diện tính toán là tiết diện chữ nhật của bản bụng Nếu không đủ chịu lực mới tính theo tiết diện chữ I

Đường hàn liên kết bản cánh với bản bụng dầm vai tính theo lực Qdv c) Chi tiết chân cột

Cấu tạo

Dùng 2 kiểu chân cột: chân cột bản đế liền và chân cột bản đế phân cách

Chân cột bản đế liền dùng cho cột tiết diện đặc và cột tiết diện rỗng có khoảng cách 2 nhánh bé Chân cột bản đế liền được mở rộng theo phương mặt phẳng tác dụng mômen Dùng dầm đế và sườn ngăn hàn cột với bản đế Dầm đế và sườn ngăn chia bản đế ra nhiều ô có tác dụng giảm chiều dày bản đế Vị trí các sườn sao cho mômen ở các ô bản xấp xỉ nhau

Chân cột bản đế phân cách dùng cho cột tiết diện rỗng có khoảng cách 2 nhánh lớn Cấu tạo chân cột riêng lẻ cho từng nhánh như chân cột nén đúng tâm

Ngoài các bộ phận trên, chân cột còn cấu tạo các gối đỡ bu lông neo Vị trí, độ cứng các gối đỡ tính toán sao cho bảo đảm sự làm việc thực của cột theo sơ đồ tính

Tính toán chân cột bản đế liền

mcb = 1.2 – 1.5 hệ số tăng cường độ bê tông khi nén cục bộ

Kích thước bản đế kiểm tra theo điều kiện ép cục bộ của bê tông móng

bd

A m

A

=

Am, Abd diện tích mặt móng và diện tích bản đế Chiều dày bản đế được tính theo công thức

dd

6M b R

δ

γ

=

Mb mômen lớn nhất ở các ô bản được phân chia bởi thân cột, dầm đế và sườn ngăn

σ trị số lớn nhất của ứng suất dưới bản đế ngay tại sườn, dầm đế đang xét

Bs bề rộng truyền tải vào sườn, dầm đang xét

Chiều cao dầm đế và sườn xác định bởi điều kiện truyền lực của các đường hàn liên kết

Chiều dày dầm đế và sườn xác định theo điều kiện chịu uốn ở tiết diện nguy hiểm theo sơ đồ chịu lực ở trên

Tất cả các đường hàn ngang đều được tính theo công thức

Tính toán chân cột bản đế phân cách

Kích thước bản đế xác định theo công thức

Tính bu lông neo

Sườn đỡ bu lông có chiều dày tối thiểu là 16mm

Đường kính tối thiểu của bu lông là 20mm với chân khớp và 24 mm với chân

cột ngàm

Tính bu lông neo với cặp nội lực gây kéo lớn nhất, là cặp nội lực có N bé nhất

và M lớn nhất Đối với cặp nội lực này, tải trọng thường xuyên dùng hệ số vượt tải n = 0.9

Đối với chân cột đế liền, lực kéo trong bu lông xác định theo

a khoảng cách từ trọng tâm vùng nén đến trọng tâm cột

y khoảng cách từ trọng tâm vùng nén đến bu lông neo

Muốn tăng hiệu quả kinh tế, có thể tính bu lông có kể đến biến dạng dẻo của bê tông, ứng suất trong vùng nén đặt Rn

neo

N A

n R

=

Abl diện tích thu hẹp của 1 bu lông

n1 số bu lông neo ở 1 phía

Rneo cường độ tính toán của bu lông neo Thông thường chọn và bố trí 2 hoặc 4 bu lông đối xứng nhau qua mặt phẳng khung

1.6.1 Đại cương về kết cấu đỡ cầu trục

a) Các bộ phận của kết cấu đỡ cầu trục

Kết cấu cầu trục thông thường bao gồm: dầm cầu trục, kết cấu hãm và ray cầu trục

Dầm cầu trục có nhiều dạng kết cấu khác nhau: dầm đơn giản, dầm liên tục, dàn cầu trục, dầm cầu trục kết hợp với dàn đỡ kèo, dầm côngxon, dầm cầu trục treo…

Dầm cầu trục phải đảm bảo độ tin cậy lớn, trong nhà xưởng có chế độ làm việc nặng thì dầm cầu trục phải kiểm tra độ bền mỏi

b) Tải trọng

Áp lực thẳng đứng tính toán P và lực ngang tính toán T ở 1 bánh xe xác định theo công thức

1 ax

1 1

c m c

n = 1.2 hệ số độ tin cậy của tải trọng

nc hệ số tổ hợp khi tính với 2 cầu trục, nc = 0.85 khi chế độ làm việc nhẹ

và trung bình, nc = 0.95 khi chế độ làm việc nặng và rất nặng Dầm hãm ngoài chịu tác dụng xô ngang T, còn chịu hoạt tải sửa chữa lấy theo

điều kiện thực tế của nhà xưởng Nếu không có số liệu cụ thể có thể lấy bằng

200 daN/m2, hệ số độ tin cậy n = 1.3

Khi xác định độ võng của kết cấu cầu trục chỉ lấy tác động của 1 cầu trục bất lợi nhất

1.6.2 Dầm cầu trục tiết diện đặc

a) Cấu tạo

Dầm cầu trục

Đối với dầm cầu trục nhịp 6m và sức nâng không lớn (Q < 10 tấn), dùng tiết

diện chữ I định hình có gia cường cánh trên bằng thép bản hay thép góc hoặc tiết diện chữ I tổ hợp không đối xứng

Khi nhịp dầm và sức nâng lớn hơn thì sử dụng dầm tổ hợp hàn tiết diện chữ I có dầm hãm

Trong nhà có chế độ làm việc nặng, vùng phía trên của bụng dầm cầu trục được gia cường bằng các bản thẳng đứng hoặc bản chống xiên, hoặc dầm 2 bản bụng nhằm giảm ứng suất cục bộ, tăng độ cứng chống xoắn

Dầm bu lông cường độ cao (hoặc đinh tán) có tiết diện cánh trên khỏe, không có

ứng suất hàn, chịu lực chấn động tốt nên sử dụng cho nhà có chế độ làm việc rất

nặng

Dầm hãm

Ở nhịp biên: cánh trên của dầm cầu trục, bản dầm hãm và thanh biên hoặc cánh

của dàn đỡ phụ

Ở nhịp giữa: 2 cánh trên của 2 dầm cầu trục và bản dầm hãm

Để bảo đảm ổn định cục bộ và tăng độ cứng, mặt dưới bản dầm hãm được gia

cường bằng sườn cứng

Khi bề rộng dầm hãm nhỏ hơn 1.25-1.5m nên dùng hệ thanh đặc Khi lớn hơn 1.5m hoặc nhà có chế độ làm việc nặng thì dùng dàn hãm

b) Tính toán

Nội lực tính toán do lực thẳng đứng P gây ra

Mmax, Qmax được xác định bằng cách vẽ đường ảnh hưởng

Mômen tính toán và lực cắt tính toán

M =αM Q =αQ

α = 1.03, 1.05, 1.08 tương ứng với nhịp 6m, 12m, 18m, là hệ số số kể đến trọng

lượng bản thân dầm cầu trục và hoạt tải sửa chữa

Nội lực tính toán do lực hãm ngang T gây ra

Tính chiều cao nhỏ nhất hmin

min

524

tc

M

Rl l h

=  

 

Mtc mômen tiêu chuẩn lớn nhất do 1 cầu trục gây ra

[l/f] độ võng cho phép của dầm

Tính chiều cao kinh tế hkt = 1/6-1/10 nhịp

Chọn tiết diện cánh dầm, bản dầm hãm và cấu tạo tiết diện dầm

d) Kiểm tra tiết diện dầm về độ bền

Khi dầm cầu trục có dầm hãm

Ứng suất cánh trên được kiểm tra theo công thức

y x

M M

mômen kháng uốn với trục x, y của tiết diện thực cánh trên

Wxd mômen kháng uốn với trục x của tiết diện thực cánh dưới

γ hệ số điều kiện làm việc bằng 0.9 đối với chế độ làm việc nặng và bằng

1 với các trường hợp còn lại

φ hệ số uốn dọc của cánh trên đối với trục y theo chiều dài tính toán d

At tiết diện thực cánh trên

Ứng suất cục bộ ở bản bụng được kiểm tra theo công thức

γ

δ

= ≤

P là áp lực tính toán của bánh xe cầu trục

γ1 hệ số tăng tải trọng tập trung

γ1 = 1.6 với cầu trục chế độ làm việc rất nặng có móc cứng

γ1 = 1.4 với cầu trục chế độ làm việc rất nặng có móc mềm

γ1 = 1.3 với cầu trục chế độ làm việc nặng

γ1 = 1.1 với các chế độ làm việc còn lại

c = 4.5 đối với dầm bu lông cường độ cao

Jc tổng mômen quán tính bản thân của cánh trên và của ray

Ứng suất tương đương tại chỗ tiếp giáp giữa bản bụng và bản cánh

3

σx, τx ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại chỗ tiếp giáp cánh và bụng dầm

β = 1.15 khi tính dầm đơn giản

β = 1.3 khi tính tiết diện tại gối của dầm liên tục

Khi nhà có chế độ làm việc nặng, ở bản bụng còn sinh ra 1 ứng suất cục bộ do ray đặt lệch tâm ngẫu nhiên với bụng dầm

xo

M J

e) Kiểm tra bền mỏi

Kiểm tra độ bền mỏi cho dầm cầu trục có số lượng chu kỳ tải trọng n ≥ 105

ax