Đồ Án Thiết Kế Kết Cấu Thép Khung Nhà Công Nghiệp 1 Tâng, L=24m, Hr=10m, D=120m (Kèm Bản Vẽ, Excel, Sap)

TRƯỜNG ĐAỊ HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẲNGKHOA XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP …………………NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TÂNG Họ và tên sinh viên : NGUYỄN HỮU

TRƯỜNG ĐAỊ HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẲNGKHOA XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP …………………

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TÂNG

Họ và tên sinh viên : NGUYỄN HỮU NAM

4/Tiêu chuẩn thiết kế : Theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam

5/Địa điểm xây dựng: Khu công nghiệp Hòa Khánh-TP Đà Nẵng

II/BẢNG SỐ LIỆU:

L(m): 24 D(m): 120 Hr(m): 10 Q(T): 100/20 III/NHIỆN VỤ THIẾT KẾ:

1/Bố trí mặt bằng ,mặt cắt ngang khung nhà và hệ giằng

2/Thiết kế cột khung và dàn mái

3/Tính toán cấu tạo chi tiết và lien kết cấu thép các bộ phận của khung ngang

IV/ HÌNH THỨC THỂ HIỆN :

1/Thuyết minh :

Viết tay sạch sẽ,rõ ràng kèm theo hình vẽ trên giấy A4 ,đóng tập

2/Bản vẽ: Bố trí các hình vẽ trên bản vẽ A1

THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP

Thiết kế khung ngang nhà xưởng một tầng, một nhịp có hai cầu trục sức nâng 100/20 T, chế độ làm việc trung bình, nhịp nhà L = 24 m dài 120 m; bước cột B=6

m, cao trình đỉnh ray 10 m, mái lợp Panen Bêtong cốt thép Nhà xây dựng vùng gió IIB Vật liệu làm kết cấu chịu lực thép CCT34 Móng Bê tong cấp độ bền B15

1 CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU.

1.1 Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp (Hình 1)

Khung ngang gồm có cột và rường ngang Liên kết cột với rường ngang là cứng hoặc khớp, ở đây trong đồ án môn học ta chọn cứng cho tổng quát Cột thường là bộc thang, phần trên đặc, phần dưới đặc hoặc rỗng Dàn hình thang hai mái dốc với mái lợp bằng BTCT Độ dốc từ 1/8 đến 1/12 Đồ án này chọn 1/10

1.2.Kích thước chính của khung ngang

Xác định các kích thước chính của khung, cũng như của cột, dàn, là dựa vào nhịp khung L Bước khung B, sức nâng cầu trục Q và cao trình mặt ray H r

H - Chiều cao Gabarit cầu trục

100 – Khe hở an toàn giữa xe con và kết cấu

f = 400m – Khe hở phụ xét độ võng của kết cấu và thanh giằng lấy bằng

H = 170mm - Chiều cao ray tra bảng IV – 7

Chiều cao phần cột dưới:

14200 5120 820 9900

h H h h     mm

Trong đó:

h - Phần cột chôn dưới mặt nền lấy 600 – 1000 mm, chọn 820 mm

Bê tong phần cột trên chọn: b t 600mm không nhỏ hơn 1/12 chiều cao h t

a =500mm – Khoảng cách từ trục định vị đến mép ngoài của cột

 - Khoảng cách từ trục định vị đến trục đường ray, được xác định:

Hệ thanh bụng là loại thanh hình tam giác có thanh đứng Khoảng mắt cánh trên 3000mm Bề rộng cửa trời lấy 12m (trong khoảng 0.3 – 0.5 nhịp nhà), chiều cao cửa trời gồm một lớp kính 1.5m, bậu trên 0.2m và bậu dưới 0.8m.

1.1.Tải trọng thường xuyên

a)Tải trọng các lớp mái tính toán theo cấu tạo của mái lập theo bảng sau

Cấu tạo của lớp mái Tải trọng tiêu chuẩn

2

/

Kg m mái

Hệ sốvượt tải

Tải trọng tínhtoán KG m/ 2 mái

c)Trọng lượng kết cấu cửa trời

Có thể tính theo công thức kinh nghiệm:

d)Trọng lượng cánh cửa trời và bậu cửa trời

- Trọng lượng cánh cửa (kính + khung)

Tải trọng g ct và g Kb chỉ tập trung ở những chân cửa trời

Để tiện tính toán khung, ta thay chúng bằng lực tương đương phân bố đều trên mặt bằng nhà g ct

p  Kg m mặt bằng với hệ số vượt tải n  p 1.4

Tải trọng tính toán phân bố đều trên rường ngang

1.4 75 6 630 / 0.63 /

tc p

b)Do trọng lượng dầm cầu trục

Trọng lượng dầm cầu trục tính sơ bộ theo công thức:

c)Do áp lực đứng của bánh xe cầu trục

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 Cầu trục 100T có áp lực thẳng đứng tiêu chuẩn lớn nhất của 1 bánh xe là:

1max

2max

4243

100 125

43 13.34

Cầu trục có bề rộng B ct 8800mm và khoảng cách giữa 2 bánh xe T =

4560mm Đặt bánh xe ở vị trí như hình vẽ tính được các tung độ y i của đường ảnhhưởng và tính áp lực thẳng đứng lớn nhất, nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột theo công thức:

Các lực D max,Dmin đặt vào trục nhánh đỡ dầm cầu trục của cột, nên lệch tâm đốivới trục cột dưới một đoạn e lấy xấp xỉ bằng b/2 Do đó tại vai cột có sinh ra moment lệch tâm:

129.9 0.75 97.49330.33 0.75 30.33

d)Do lực hãm của xe con

Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương chuyển động Lực hãm xe con, qua các bánh xe cầu trục, truyền lên dầm hãm vào cột

Lực hãm ngang của xe con:

tc ng

3.Tải trọng gió tác dụng lên khung

Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737 – 90 Nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp chiều cao nhỏ hơn 36m nên chỉ tính thành phần tĩnh của gió Áp lực gió tiêu chuẩn

ở độ cao 10m trở xuống thuộc khu vực IIB (có thể kể đến ảnh hưởng của gió bão):

2

q  Kg m

C C

524

B

Tải trọng gió phân bố đều tác dụng lên đỉnh cột Trường hợp giữa các cột

khung có các cột sườn tường với bước cột 6m Không bố trí sườn tường với

Tải trọng gió trong phạm vi mái từ đỉnh cột đến nóc mái đưa về tập trung đặt ở

cao trình cánh dưới của dàn mái:

0

W    n q K B C h i i

Trong đó:

i

h - Chiều cao từng đoạn có ghi hệ số khí động C i

K = 1.131 ở 20.1m trong khoảng từ độ cao 14.2m đến 20.1m, dùng hệ số

III.Tính nội lực khung

1.Sơ bộ chọn tỷ số độ cứng giữa các bộ phận khung

Moment quán tính dàn:

h  cm - Chiều cao giữa giàn (tại tiết diện có M max).

 - Hệ số kể đến độ dốc cánh trên và sự biến dạng của các thanh bụng,0.8

t d

d

I

Tỷ số độ cứng giữa dàn và phần cột dưới:

1496000

1.171279071

2.Tính khung với tải trọng phân bố đều trên xà ngang

Dùng phương pháp chuyển vị, ẩn số là góc xoay  1, 2 và một chuyển vị ngang

 ở đỉnh cột Trường hợp ở đây, khung đối xứng và tải trọng đối xứng nên   0

và 12  Ẩn số là 2 góc xoay bằng nhau của nút khung

Từ đây về sau quy ước dấu như sau:

Moment dương khi làm căng thớ bên trong của cột và dàn Phản lực ngang là dương khi có chiều hướng từ bên trong ra bên ngoài Tức là đối với cột trái thì hướng từ phải sang trái, ta hiểu phản lực là lực do nút tác dụng lên thanh

R - Tổng moment phản lực ở nút B do tải trọng ngoài gây ra

2

123.8412

434.526 /

p

R

EI r

Biểu đồ moment vẽ ở hình 7a

Moment phụ sinh ra ở vai cột do sự lệch của trục cột trên với trục cột dưới bằng:

3.Tính khung với tải trọng tạm thời trên mái (hoạt tải)

Ta có ngay biểu đồ do hoạt tải gây ra bằng cách nhân các trị số của moment dotải trọng thường xuyên ở biểu đồ hình 7c với tỷ số:

4.Tính khung với trọng lượng dầm cầu trục

Trọng lượng dầm cầu trục G dcc 1.73T đặt vào trục nhánh đỡ DCT và sinh ra moment lệch tâm:

1.3

dcc dcc dcc

M G e  Tm

7502

d dcc

 (vì 2 moment này đặt cùng 1 vị trí nhưng ngược chiều)

Trọng lượng dầm cầu trục G dcc là tải trọng thường xuyên nên phải cộng biểu

đồ moment do G dcc với nội lực ở biểu đồ hình 7c để được moment do toàn bộ tải trọng thường xuyên lên dàn và lên cột:

5.Tính khung với moment cầu trục M max,Mmin

ax

m

M ,Mmin đồng thời tác dụng ở 2 cột, M max cột trái hoặc có thể cột phải Dưới đây xét trường hợp M max ở cột trái, Mmin ở cột phải

Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với sơ đồ xà ngang cứng vô cùng Ẩn

số chỉ còn là chuyển vị ngang của nút

2 1

1 2

1 3

Biểu đồ moment do   1 gây ra còn được dùng với các loại tải trọng khác như

T hay gió, nên ta tính luôn moment tại các tiết diện cột

Tiết diện vai cột:

2 1

R - Phản lực trong liên kết thêm do tải trọng ngoài gây ra trong hệ cơ bản

Vẽ biều đồ moment do M max,Mmin gây ra dùng các công thức ở phụ lục Cũng

có thể sử dụng ngay biểu đồ moment lệch tâm M e của tải trọng mái (hình 7b) nhânvới hệ số:

9.413 /

p

R

h EI r

6.Tính khung với lực hãm ngang

Lực T đặt ở cao trình hãm cách vai cột 0.75m

Lực T có thể tác dụng ở cột trái hay cột phải, chiều hướng vào cột hoặc đi ra khỏi cột Dưới đây giải khung với trường hợp lực T đặt vào cột trái hướng từ trái sang phải Các trường hợp khác của T có thể suy ra từ trường hợp này

Trình tự tính toán giống như tính với M max,Mmin

Vẽ biểu đồ M do   1 gây ra trong hệ cơ bản và đã tính được:

7.Tính khung với tải trọng gió

Ở đây tính với trường hợp gió thổi từ trái qua phải Với gió thổi từ phải qua trái chỉ việc thay đổi trị số cột (Sơ đồ tải trọng gió ở hình 4b)

Đã có biểu đồ M do   1 gây ra trong hệ cơ bản (hình 10a) và có:

q

qh

M M R h  Tm

Các trị số cột phải do q tác dụng được suy ra từ cột trái bằng cách nhân với hệ

IV.TÍNH CỘT

1.Xác định chiều dài tính toán của cột

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực nguy hiểm để chọn tiết diện cột là cặp

Các cặp khác có trị số nhỏ rõ ràng là không nguy hiểm bằng cặp đã chọn

a)Xác định trọng lượng bản thân của mỗi đoạn cột

Khi chọn tiết diện mỗi phần cột cần kể thêm trọng lượng bản thân của cột (hoặc đoạn cột)

g - Trọng lượng mỗi mét dài cột (hoặc đoạn cột)

c

N g

Đối với cột trên: N N tu N max 37.714T

Đối với cột dưới:

K   đối với cột dưới chọn K = 0.4

 - Hệ số cấu tạo, trọng lượng các chi tiết làm tăng tiết diện cột

h - Chiều dài đoạn cột

Đối với cột trên: h c h t 5.12m

Đối với cột dưới: h ch d 9.9m

Đối với cột trên:

37714

1.4 7850 78.948 /0.25 2100

M = 103.012Tm

N = 156.435T

0.842

t d

d t

1

1.96

2.3280.842

2.Chọn tiết diện cột trên

Nội lực nguy hiểm cho cột trên là:

M = -51766daNm

37714 404 38118

tu c

N N G    daN

a)Dạng tiết diện và chiều cao h của tiết diện

Tiết diện cột trên chọn dạng chữ H đối xứng, ghép từ 3 bản thép, với chiều caotiết diện đã chọn trước

c)Chiều rộng tiết diện b và bề dày các bản t t f, w

Dựa theo yêu cầu

30 30

t f

Bản bụng (60-1.6x2)x1.2 = 68.2 cm2

Bản cánh 2x30x1.6 = 96 cm2

A = 164.2cm2

d)Kiểm tra tiết diện đã chọn

Các đặc trưng hình học của tiết diện

x x

y y

cm h

    ; (E2100000daN cm/ 2)

2 11.919

48.2624.7

-Kiểm tra ổn định ngoài mặt phẳng uốn:

Moment tính toán khi kiểm tra ổn định ngoài mặt phẳng khung là moment lớn nhất tại tiết diện ở phần 3 cột

M m M  daNm

Độ lệch tâm tương đối:

Vậy c xác định theo công thức:

Trong đó  và  là các hệ số xác định theo bảng 4.9 sách “Kết cấu thép cấu kiện cơ bản”

Với bản bụng được kiểm tra theo công thức:

 



 

 Tiết diện đã chọn có w w

56.8

47.33 52.211.2

w

47.33 2.3 72.73

t   f  không phải đặt sườn ngang

Vậy tiết diện đã chọn như hình là thỏa mãn

3.1.Dạng tiết diện và chiều cao h của tiết diện

Cột dưới rỗng có tiết diện không đối xứng, bao gồm 2 nhánh: nhánh ngoài (nhánh mái) và nhánh trong (nhánh cầu trục) Nhánh ngoài dùng thép bản và 2 thép góc Nhánh trong dùng thép cán hình chữ I hoặc dùng tiết diện tổ hợp từ 3 thép bản Do cột dưới có lực cắt lớn nên dùng hệ bụng dạng thanh giằng

Chiều cao tiết diện h chính là b d đã chọn là h b d 1500mm1.5m

Cột rỗng thanh giằng các nhánh được xác định như cột đặc chịu nén đúng tâm, với N f1,N f2

a)Chọn tiết diện nhánh

Xác định gần đúng khoảng cách y1 từ trọng tâm toàn tiết diện đến trọng tâm nhánh 1 và y2 đến trọng tâm nhánh 2 như sau:

Giả thiết độ mảnh của cột là:  gt 75

Từ gt và f tra bảng II.1 phụ lục II có hệ số  sách KCT cấu kiện cơ bản.0.749

  ( 0.7 0.9 nằm trong khoảng này)

Diện tích yêu cầu các nhánh là:

1

142761

910.749 2100 1

f f

f f

Tính các đặc trưng hình học của nhánh 1 hình bên.

4 1

2 1.4 25 32.2 0.8

364712

x

1 1

1

3647

6.1795.8

x x

25 35 (25 0.8) 32.2

2199412

y

1 1

1

21994

15.1595.8

y y

19.9

65.35115.15

w

60.9

h t

Nhánh 2 dùng tiết diện tổ hợp từ 1 thép bản 322 18  và 2 thép góc đều cạnh L150x10 có 2

116.56

i i i

2

1972

4.11116.56

x x

2

16888.37

12.04116.56

y y

116.56 146.62

80.4895.8 116.56

Và khoảng cách từ trục trọng tâm toàn tiết diện đến nhánh 2

Sơ bộ chiều cao dầm vai bằng 800mm

Chiều cao còn lại của cột 11900-800 =11100mm

Chia làm 6 đoạn của phần cột còn lại

Thanh giằng hội tụ tại trục nhánh

Chiều dài thanh xiên

d m

l i

+Kiểm tra khả năng chịu lực:

Tra bảng hệ số  ở phần phụ lục II.1 sách KCT cấu kiện cơ bản

Theo max 107.7 và f 210 /N mm2 được min 0.54

Hệ số điều kiện làm việc của thanh xiên  c 0.75

(Kể đến sự lệch tâm giữa trục liên kết và trục thanh)

x x

x

l

i

2 3 2 3

3.14 211

28.4146.62 151.7

Thanh bụng ngang tính theo lực cắt V f 1608.2daN

Vì V f rất nhỏ, chọn thanh bụng ngang theo độ mảnh giới hạn   150

1

990

65.315.15

y y

f x

Tra bảng hệ số  ở phần phụ lục II.1 sách KCT cấu kiện cơ bản

Theo max 65.3 và f 210 /N mm2 ta được min 0.797

Kiểm tra ứng suất

N

daN cm f daN cm

990

82.212.04

y y

y

l i

f x

x

l i

1 1 60.14 (95.8 116.56) 80.48

0.91136010

2 2 65.01 (95.8 116.56) 66.14

0.81136010

Cột đã chọn đảm bảo khả năng chịu lực

d)Tính liên kết thanh giằng vào các nhánh cột

Đường hàn liên kết thanh giằng xiên vào nhánh cột chịu lực N d 12977.7daN

Với que hàn N42, mối hàn được thực hiện bằng thủ công có

Thường chọn: h f tmin ; tmin 8mm

Đồng thời: h fs 8mm h minf 4mm; h fm 6mm h minf 4mm

Chiều dài cần thiết của đường hàn sống l ws và đường hàn mép lwm để liên kết thép góc thanh bụng xiên vào má cột là

Các đường hàn góc cạnh đều thỏa mãn

Đường hàn thanh bụng ngang L60x5 vào nhánh cột tính chịu đủ lực cắt

0.9 là hệ số kể đến biến dạng của thanh giằng

Sai số so với tỷ lệ đã chọn để giải khung là:

Nội lực lớn nhất mà mối nối cánh ngoài phải chịu:

Cánh ngoài nối bằng đường hàn đối đầu thẳng,

Chiều dài đường hàn: l w  b 2t 60 2 1.6 56.8   cm

Chiều cao đường hàn lấy bằng chiều dày thép cánh cột trên t w  t tmin 1.6cm

Ứng suất trong đường hàn đối đầu nối cánh ngoài

bé, đường hàn đối đầu lấy theo cấu tạo: hàn suốt, với chiều cao đường hàn đúng bằng chiều dày thép bản bụng

2.Tính dầm vai

Dầm vai tính như dầm đơn giản nhịp l b d 1.5m1500mm

Dầm vai chịu uốn bởi lực S tr 34.593T truyền từ cánh trong của cột trên Sơ

Chọn h dv 800mm0.5b d 0.5 1500 750x  mm

Chiều dày bản cánh dưới dầm vai bằng 16mm

Chiều cao bản bụng dầm vai h dv 800 (20 16) /10 76.4    cm764mm

Kiểm tra điều kiện chịu uốn của dầm vai Cánh dưới dầm vai là 1 bản thép nằmngang nối bản bụng của 2 nhánh cột dưới Cánh trên của dầm vai là 2 bản thép (bản đậy mút nhánh cầu trục và bản sườn lót) kích thước 2 bản thép này lấy bằng nhau do đó tiết diện ngang của dầm vai về 2 phía của lực S tr (Hai phía ax

dv m

M ) như nhau

Để kiểm tra uốn dầm vai chịu ax

dv m

M Tính moment chống uốn của tiết diện dầmvai và tìm vị trí trục trọng tâm x-x Khi điều kiện uốn thỏa mãn, cần phải tính liên kết giữa cánh và bụng dầm tiết diện chữ I không đối xứng

41.53 415.3207.6

c x c

88870 45136 86619 220625220625

41.53

x x

x

c

cm I

cm y

bd

t

y y t

x

daN cm I

f c

Lấy chung đường hàn liên kết cánh trên với cánh dưới vai với bụng dầm vai là6

Các cặp nội lực để tính toán chân nhánh cột vẫn là các cặp nội lực tính toán tiếtdiện nhánh cột

max

103012158461

R

  

Trong đó:   1- đối với bê tông có cấp thấp hơn B25

A A

Bê tong móng B15 có R b 8.5MPa85daN cm R/ 2; bt 0.75MPa7.5daN cm/ 2

Diện tích yêu cầu của bản đế nhánh mái là:

2

147905

1450 1 1 1.2 85

f yc

142761

1400 1 1 1.2 85

f yc

B b c2.tdd 2.C35 2 1 2 5 47     cm470mm

Sơ bộ tdd8 10 mm chọn tdd 10mm1cm

Cấu tạo chân cột như hình vẽ Bản đế được các dầm đế và sườn ngăn, nhánh cột chia thành các ô có các biên tựa khác nhau Theo các kích thước cạnh ô và loại

ô, tính moment uốn trong các ô này:

Tính cho nhánh mái:

Ô 1 có b2 187.290.8mm a; 2  d 175mm

thuộc diện truyền tải của nó.

Tải trọng truyền lên dầm đế ở nhánh mái: dd

35

5 1 14.75

c d

Chiều dài cần thiết của đường hàn sống và đường hàn mép:

dd w1

.( ) 46410.88 (15 4.03)

33.672 1 15 8 /10 1260

46410.88 4.03

16.493 1 15 6 /10 1260

dd dd

1326.025 152.7 /10

4

1 450 /10

Chọn chiều dày sườn: b s 1cm10mm

Chiều cao của sườn: 6. 6 286367.999 28.6

1 2100 1

s s