Đồ án Thép khung nhà công nghiệp một tầng

THÀNH LẬP SƠ ĐỒ KẾT CẤU Từ số liệu yêu cầu thiết kế là loại khung nhà cơng nghiệp 1 tầng, 1 nhịp, chịu tải trọng cầu trục lớn do đĩ chọn sơ đồ khung cĩ liên kết dàn, cột là liên kết cứ

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN THÉP KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

Yêu cầu thiết kế: Khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp

+ Ap lực gió tiêu chuẩn: W0 = 70daN/m2

+ Chiều cao cửa mái: hcm = 2.3m

+ Chiều cao đầu dàn: h0 = 2.2m

+ Khoảng cách tim ray đến mép ngoài: B1 = 0.3m

+ Khoảng cách hai bánh xe dầm cầu chạy: K = 5.1m

+ Khoảng cách an toàn từ cánh dưới của dàn đến vị trí cao nhất của xe con:

c = 0,1m

+ Ap lực bánh xe lên cầu trục lớn nhất : Pmax = 31.5T

+ Ap lực bánh xe lên cầu trục bé nhất : Pmin = 9.5T

+ Trọng lượng xe con : Gxc = 12T

+ Số bánh xe : no = 2

+ Trọng lượng dầm cầu trục : Gdcc = 52T

+ Chiều cao tiết diện ray : hr = 0.2m

+ Chiều sâu chôn móng : (hm) = 1.2m

+ Khoảng cách từ mép ngoài cột đến tâm trục định vị cột: a = 0.25m (a phụ thuộc vào chế độ làm việc của cầu trục)

+ Khoảng cách từ trục định vị đến tâm ray:

+ Dùng phương pháp hàn tay nên βf  0.7;βs  1

+ Trọng lượng riêng của thép: thép = 7.85T/m3

+ Bê tơng mĩng đá 12, cấp độ bền B20 cĩ: Rb = 11.5MPa, Rbt = 9MPa

I THÀNH LẬP SƠ ĐỒ KẾT CẤU

Từ số liệu yêu cầu thiết kế là loại khung nhà cơng nghiệp 1 tầng, 1 nhịp, chịu tải trọng cầu trục lớn do đĩ chọn sơ đồ khung cĩ liên kết dàn, cột là liên kết cứng và dàn khung hình thang cĩ mái dốc

SƠ ĐỒ KHUNG 1 NHỊP

II XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG NGANG NHÀ

1 Xác định kích thước theo phương đứng

2 Xác định kích thước theo phương ngang

a Chiều cao tiết diện cột trên

Với Ht – Khoảng cách từ vai cột đến trục thanh cánh dưới của dàn vì kèo

b Chiều cao tiết diện cột dưới

+ Theo điều kiện cấu tạo ta chọn:

hd = a +  = 0.25 + 0.75 = 1m + Kiểm tra theo điều kiện độ cứng của khung:

a > ht + B1 + D-  Với D= 60 mm

Trọng lượng bản thân kết cấu chịu

lực: vì kèo, dàn cửa mái, hệ giằng 40 1.1 44

+ Tổng tải trọng tính toán : Gtt

0 = 538 KG/m2 = 5.38KN/m2 + Độ dốc của mái: i = 10%   = arctg i = arctg 0.1 = 5.7

+ Tải trọng tính toán quy đổi về tải trọng phân bố đều trên diện tích mặt bằng

gtt

o =

tt o

G cosα = 5.38 o

cos 5.7 = 5.407KN/m2 + Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang

Pttm= nBPott = 1.260.75 = 5.4KN/m

3 Tải trọng đứng lớn nhất (D max ) và nhỏ nhất (D min ) của cầu trục tác dụng lên vai cột

+ Ap lực của bánh xe cầu trục

Ap lực bánh xe truyền qua dầm cầu trục thành lực tập trung đặt vào vai cột Khi

xe con chạy về một phía của cầu trục, lực truyền xuống phía đó là Dmax, còn đầu kia là

Dmin

Để xác định tải trọng đứng của cầu trục truyền xuống cột ta tiến hành vẽ

đường ảnh hưởng của phản lực tại vai cột

Từ kích thước cầu trục tra catalogue   

y = y1 + y2 + y3 = 1 + 0.8 + 0.15 = 1.95 Vậy:

Dmax = nnc Pmax  i=1

i 3

Khi cầu trục hoạt động nếu xe con đang chạy mà hãm lại tạo ra lực hãm ngang

Ap lực ngang trên 1 bánh xe

no – Số bánh xe cầu trục một bên ray, no = 2

Gxc – Trọng lượng xe con, Gxc = 120KN (tra phụ lục 13)

 Ttto = 0.05 300 + 120

Vậy:

T = 1.10.910.51.95 = 21.72KN

5 Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang

Vùng xây dựng ở Đồng Nai Địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản

thưa thớt cao không quá 1.5m  ta chọn dạng địa hình A Giá trị áp lực gió tiêu chuẩn Wo = 70daN/m2 = 0.7KN/m2

+ Theo TCVN 2737 - 95 Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm:

- Gió thổi lên mặt tường dọc được chuyển về thành lực phân bố trên cột khung

- Gió thổi trong phạm vi mái, từ cánh dưới dàn vì kèo trở lên, được chuyển về thành lực tập trung tại cao trình cánh dưới dàn vì kèo

a Tải trọng gió phân bố đều lên cột

+ Tải trọng gió phân bố đều ở phía đón gió

qdw = nWo ko cB Trong đó:

Cao trình đáy vì kèo: HA = Hd + Ht = 8.75 + 4 = 12.75m

qh

w = nWo ko c’BVới:

c’ - Hệ số khí động ở phía hút gió, c = -0.5

 qhw = 1.30.71.213(-0.5)6 = -3.31KN/m

b Lực tập trung gió tác dụng lên dàn

+ Tải trọng tập trung ở phía đón gió

Wd = nWo ktb Bcihi

Cao trình đỉnh mái: HB = Hd + Ht + ho + (tg5.76) + hcm

= 8.75 + 4 + 2.2 + 0.6 + 2.3 =17.85m

 tra bảng lấy dạng địa hình B ứng với độ cao  20m, lấy ko2 = 1.269

Trong khoảng từ cao độ cánh dưới dàn đến đỉnh mái, hệ số k được lấy trung

bình của các giá trị nêu trên :

o1 o2

k  k 1.213  1.269

IV XÁC ĐỊNH NỘI LỰC TRONG KHUNG NGANG

1 Các giả thiết đơn giản hoá khi giải khung

Tính khung nhằm mục đích xác định nội lực khung: mômem uốn, lực cắt, lực

dọc trong các tiết diện khung Việc tính khung cứng có các thanh rỗng như giàn ,cột khá là phức tạp, nên trong thực tế đã thay sơ đồ tính toán thực của khung bằng

sơ đồ đơn giản hoá, với các giả thiết sau:

- Thay giàn vì kèo bằng dầm ngang đặc có độ cứng tương đương đặt tại cao trình cánh dưới dàn, thay cột dưới (rỗng) bằng thanh đặc có độ cứng tương đương

- Chiều cao cột tính từ đế cột đến đáy giàn vì kèo Nhịp tính toán là khoảng cách giữa hai trục cột trên

- Khi tính với các tải trọng thẳng đứng đặt trực tiếp lên dầm ngang thì bỏ qua chuyển vị ngang ở đầu cột ( = 0)

- Khi tính với các tải trọng không đặt trực tiếp lên dầm ngang thì xem dầm ngang cứng vô cùng, tức là không có chuyển vị ngang ở nút khung (EJ3 =   

=0)

- Tính khung giả thiết 1

2

J6

J  ; 3

2

J30

J  ; 3

1

J5

a Xác định nội lực biểu đồ (1-a)

Gọi K là tỷ số về độ cứng giữa dầm ngang và cột

Ta có: 1

2

J6

J  ; h= Hd + Ht = 8.75 + 4 = 12.75m ; 3

1

J5

B

LG12K

122.66

- Lực cắt và lực dọc trong biểu đồ M1

Q1 = Q(1-a) + Q(1-b) (KN)

N1 = N(1-a) + N(1-b) (KN)

- Gía trị của lực cắt (Q) bằng độ dốc của biểu đồ moment (M)

- Từ biểu đồ lực cắt (Q) suy ra biểu đồ lực dọc (N)

 Biểu đồ nội lực do tĩnh tải mái gây ra

3.Tính nội lực do hoạt tải mái

Tỷ số giữa hoạt tải và tĩnh tải mái:

m =

tt m tt m

Hoạt tải P 5.4

0.17Tĩnh tải G 32.44(Nội lực của hoạt tải mái bằng 0.17 lần nội lực của tĩnh tải mái)

a Xác định nội lực trong biểu đồ M∆

+ Moment lệch tâm trong cột

Khoảng cách từ tâm cột dưới đến tâm dầm cầu chạy:

+ MC = KCMmax = -0.698304.05 = -212.23KNm

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: '

EJ

12.75Tra bảng Tab 1.2.3 ta có : '

24.92 43420.00574EJ EJ

d Gía trị nội lực của biểu đồ M3 = M∆  ∆ + M oP

* Giá trị moment bên cột trái:

1

4342

0.026EJ 100.03 12.86KNmEJ

1

4342

0.0106EJ 50.78 4.75KNmEJ

1

4342

0.00088EJ 212.23 216.06KNmEJ

1

4342

0.00088EJ 91.82 88KNmEJ

+ MA =  1 

1

4342

0.026EJ 30.17 143.06KNmEJ

1

4342

0.0106EJ 15.31 61.34KNmEJ

1

4342

0.00088EJ 64.01 60.2KNmEJ

1

4342

0.00088EJ 27.7 31.5KNmEJ

 Lực cắt và lực dọc trong biểu đồ M3

(KNm) 216.06

60.2

143.06 12.86

31.5 88

5 Tính nội lực do tải trọng đứng cầu trục (D max bên phải ; D min bên trái)

- Tính nội lực trong biểu đồ M4: ta lấy đối xứng biểu đồ nội lực M3 ta được giá trị và biểu đồ nội lực M4

4.75 61.34

-2.75 2.75

23.2

23.2

23.2 23.2

38.43

a Giá trị nội lực của biểu đồ M∆

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có:   



A B

K 0.07

KE 0.084 Vậy:

+ MA = KA(-T)h = -0.093(-20.27)12.75 = 24.04KNm + MB = KB(-T)h = -0.11(-20.27)12.75 = 28.43KNm

+ MC = KC(-T)h = 0.07(-20.27)12.75 = -18.1KNm + ME = KE(-T)h = 0.084(-20.27)12.75 = -21.71KNm

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: '

EJ

12.75Tra bảng Tab 1.2.4 ta có: '

 = 1P

11

Rr

1

2692

0.0106EJ 28.43 0.11KNmEJ

+ MC =    1  

1

2692

0.00088EJ 18.1 15.73KNmEJ

1

2692

0.0013EJ 21.71 25.13KNmEJ

1

2692

0.0106EJ 28.54KNmEJ

1

2692

0.00088EJ 2.37KNmEJ

1

2692

0.0013EJ 3.5KNmEJ

M 5

(KNm)

+ -

1.2 7.73

-1.2

-+ 12.54

7.73

7 Tính nội lực do tải trọng ngang của cầu trục đặt tại cột bên phải

- Tính nội lực trong biểu đồ M6: ta lấy đối xứng biểu đồ nội lực M5 ta được giá trị và biểu đồ nội lực M6

0.11

25.13 15.73

94.03 70

2.37 3.5

q  2

h = -0.0555.312.752 = -47.39KNm + Mc = KC d

w

q  2

h = -0.055(-3.31)12.752 = 29.6KNm + Mc = KC h

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: '

h

12.75Tra bảng Tab 1.2.5 ta có: '

 = 1P

11

Rr

82.2 143210.00574EJ EJ

d Gía trị nội lực của biểu đồ o

1

14321

0.0106EJ 47.39 104.41KNmEJ

1

14321

0.00088EJ 31.02 18.42KNmEJ

* Gía trị moment bên cột phải:

1

14321

0.026EJ 58.11 430.5KNmEJ

1

14321

0.0106EJ 29.6 122.2KNmEJ

1

14321

0.00088EJ 19.4 6.8KNmEJ

 Lực cắt và lực dọc trong biểu đồ M 7

9 Xác định nội lực do tải trọng gió thổi từ phải qua trái

- Tính nội lực trong biểu đồ M8: ta lấy đối xứng biểu đồ nội lực M7 ta được

giá trị và biểu đồ nội lực M8

5.3KN/m 3.31KN/m

13.89KN/m 19.24KN/m

M 8

465.4 430.5

18.42 6.8

104.41 122.2

M 8

(KNm)

+ -

+ -

81.5

61.44

9.44 9.44

1 Xác định nội lực và chiều dài tính toán

a Xác định nội lực trong cột

Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn ra cặp nội lực nguy hiểm nhất để tính toán

+ Tại cột trên (tiết diện I) cặp nội lực |N|max - Mtư dùng thiết kế cột có giá trị:

M = -374.49KNm ; N = 458.44KN + Tại cột dưới (tiết diện IV)

- Nhánh cầu trục (Nnhct ): |N|max - Mtư

M = 665.54 KNm ; N = 1005.73 KN

- Nhánh mái (Nnh

m ): |M|max - Ntư

M = 778.65 KNm ; N = 563.94KN

b Xác định chiều dài tính toán

* Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung xác định riêng cho từng phần cột

- Tỷ số độ cứng đơn vị giữa hai phần cột trên và cột dưới (n)

1N

* Chiều dài tính toán được xác định cho từng đoạn cột như sau:

- Chiều dài tính toán của các phần cột trong mặt phẳng khung (theo phương x)

+ Cột dưới:

l1y = Hd = 8.75m + Cột trên:

l2y = Ht - hdcc = 4 - 0.6 = 3.4m

2 Thiết kế tiết diện cột trên

a Chọn tiết diện cột trên

Tiết diện cột trên chọn dạng chữ H đối xứng Hình dạng này đơn giản cho chế tạo Tiết diện cột được ghép từ 3 bản thép, với chiều cao tiết diện đã chọn trước

t

h 0.5m

+ Độ lệch tâm của tải trọng

e = M 374.49 0.82m

458.44N

Sơ bộ giả thiết hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện    và diện tích yêu cầu của tiết diện tính theo công thức gần đúng:

N - Lực dọc trong tiết diện cột trên

 - Hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện, lấy  = 1.25

f - Cương độ tính toán của thép, f = 210MPa = 21 kN/cm2

* Kiểm tra tiết diện cột trên đã chọn

Tính các đặc trưng hình học của tiết diện

+ Moment quán tính của tiết diện đối với trục x và y (J , J ): x y

x

b c

1.522

+ Bán kính quán tính của tiết diện:

b Kiểm tra tiết diện đã chọn

+ Kiểm tra độ bền của cột trên

 17.93 KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện + Kiểm tra ổn định của cột trong mặt phẳng tác dụng của moment uốn

- Độ lệch tâm tương đối:

- Ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung của cột được kiểm tra theo công thức:

 15.28KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện

+ Kiểm tra độ ổn định của cột ngoài mặt phẳng tác dụng của moment

Với y = 50 và f = 21kN/cm2  tra phụ lục 3/130 sách HDĐA của Ngô Vi Long ta có: y = 0.864

- Hệ số ảnh hưởng của moment

Với m = 4.76 < 5 nên hệ số kể đến ảnh hưởng của moment uốn và hình dạng tiết diện đối với ổn định của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung là C được xác định:

 19.18 KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện

c Kiểm tra độ ổn định cục bộ của tiết diện

+ Đối với bản cánh

3 Thiết kế tiết diện cột dưới

Do cầu trục có sức trục lớn nên cần thiết phải mở rộng tiết diện cho phù hợp với

kích thước cầu chạy, cho nên cột dưới sử dụng cột rỗng

Cột dưới của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp này có tiết diện không đối xứng, bao gồm hai nhánh: nhánh ngoài (nhánh mái) và nhánh trong (nhánh cầu trục) Nhánh ngoài dùng tổ hợp của 1 bản thép và 2 thép góc Nhánh trong dùng tiết diện tổ hợp

từ 3 bản thép

Do cột dưới có lực cắt lớn nên dùng hệ bụng dạng thanh giằng Các thanh giằng

là thép góc bố trí theo hệ tam giác có thanh ngang Trục thanh giằng hội tụ ở trục nhánh cầu trục và ở trục của nhánh mái

a Tính toán, chọn tiết diện nhánh và xác định các đặc trưng hình học

Khi chịu uốn quanh trục rỗng x-x, cột rỗng làm việc như một dàn hai cánh song song Việc chọn tiết diện xuất phát từ điều kiện bền của từng nhánh riêng rẽ Moment uốn

Mx và lực dọc N của cột gây ra lực dọc Nnh trong các nhánh cột Xác định Nnh cho từng nhánh riêng rẽ

Dựa vào bảng tổ hợp nội lực chọn ra được cặp nội lực nguy hiểm cho từng nhánh:

- Đối với nhánh cầu trục:

+ Khoảng cách giữa các mắt của hệ thanh bụng: l = a = 1 m ox

+ Khoảng cách từ trục trọng tâm toàn bộ tiết diện tới nhánh cầu trục (x-x đến x1 -

x1)

+ Khoảng cách từ trục trọng tâm toàn bộ tiết diện tới nhánh mái (x- x đến x2 - x2)

- Chọn và bố trí tiết diện mỗi nhánh

Giả thiết hệ số ổn định  = 0.8 ta có diện tích tiết diện yêu cầu cho từng nhánh riêng rẽ

+ Diện tích tiết diện nhánh cầu trục:

ct x ct

ct y ct

r



2 y

- Chọn tiết diện nhánh mái:

Nhánh mái được tổ hợp từ hai thép góc đều cạnh và một thép bản

2 + 222.8(2.91 + 1.2) = 209.16cm3 + Khoảng cách từ trục x2 – x2 của cả nhánh mái đến mép ngoài:

Zo = x  

m t

S 209.16

2.56cm81.84

F

- Các đặc trưng hình học của nhánh mái

2 m

+ Bánkính quán tính của tiết diện:

m x m

m y m

r



2 oy

r

- Đối với toàn bộ tiết diện cột dưới

+ Diện tích tiết diện của cột dưới:

+ Khoảng cách từ trục trọng tâm toàn bộ tiết diện tới nhánh cầu trục (x – x1):

y C - y 97.44 48.35 49.09cm

- Đặc trưng hình học toàn cột dưới

+ Moment quán tính toàn tiết diện với trục trọng tâm x - x:

Bố trí hệ thanh bụng xiên và ngang, khoảng cách giữa các nút giằng lox = a =1

m, thanh giằng hội tụ tại trục nhánh

+ Chiều dài của thanh giằng xiên:

b Kiểm tra tiết diện đã chọn

+ Xác định lại lực dọc trong mỗi nhánh

 ; ct y

 17.91KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện

+ Kiểm tra ổn định của nhánh mái:

Ta có: mx1 = 34.97 và  = 69.78 my  max = max(

2

m x

m nh

 17KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện

* Kiểm tra ổn định của toàn cột dưới

- Kiểm tra ổn định của cột dưới trong mặt phẳng khung theo cặp nội gây nguy hiểm cho nhánh cầu trục:  







1 1

N 1005.73KN+ Độ lệch tâm tải trọng:

+ Độ lệch tâm tương đối:

 15.47KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện + Kiểm tra ổn định của cột dưới trong mặt phẳng khung theo cặp nội lực gây nguy hiểm cho nhánh mái:  







2 2

N 563.94KN+ Độ lệch tâm tải trọng:

+ Độ lệch tâm tương đối:

c d

 13.55KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện

* Kiểm tra tiết diện thanh giằng xiên:

Ta có chiều dài thanh xiên S = 139.62cm; Ftx = 9.35cm2



91.43

21 10.884 9.35

 11.06KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện

Do lực cắt quy ước Qqu = 10.82KN nhỏ so với Qtt = 119.3KN nên thanh chịu lực bé, ta chọn tiết diện thanh giằng ngang theo cấu tạo là thép góc đều cạnh L 505 có chiều dài S = C = 97.44cm; Ftn = 4.8cm2

c Tính liên kết thanh giằng vào các nhánh cột:

Đường hàn liên kết thanh giằng xiên vào nhánh cột chịu lực: Ntx = 91.43KN Với các loại thép có fwun 4100KG/cm2, dùng que hàn N42 có:

wf

f = 1800KG/cm2; f =0.45ws f = 0.45u 3450 = 1552KG/cm2 Dùng phương pháp hàn tay nên  f 0.7;   và s 1 c = 1

f wff 0.7 1800 1260KG/cm  2

s wsf  1 1552 1552KG/cm 2

Thanh xiên là thép góc đều cạnh 2L808 nên k= 0.7, chọn hf 8mm Chiều dài cần thiết của đường hàn sống và hàn mép để liên kết thép góc thanh bụng xiên vào mép cột là:

l 10cm; l 5cm, các đường hàn góc cạnh đều thỏa mãn

Đường hàn thanh bụng ngang 2L 505 vào nhánh cột tính đủ chịu lực cắt

Qqu = 10.81KN, rất bé cho nên chọn theo cấu tạo với hf = 5mm; lw  5cm

 chọn lsw lmw 5cm

1 Mối nối hai phần cột

Phần cột trên và cột dưới có tiết diện khác nhau do đó phải dùng mối nối Dựa vào

bảng tổ hợp nội lực ta chọn ra được cặp nội lực nguy hiểm nhất

a Cánh ngoài của cột trên:

Nội lực để tính mối nối là nội lực ở ngay trên vai cột Nội lực nguy hiểm

nhất cho nhánh ngoài (tiết diện II - II):   



min tö

 17.42KN/cm2 < 21KN/cm2  thỏa điều kiện

Tiết diện 2:

  

m nh

b Cánh trong của cột trên: