Thuyết minh Đồ án kết cấu thép I

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Hữu Cường 3 Nguyễn Văn Tài 54K3-GT 135D580205 2.2 Kế hoạch thực hiện đồ án: T 1 Xây dựng kế hoạch thực hiện đồ án Cả nhóm 2 Họp nhóm thông qua kế hoạch

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN MÔN HỌC

KẾT CẤU THÉP I

Nội dung: Thiết kế sàn 1 tầng nhà công nhiệp bằng thép.

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Hữu Cường

3 Nguyễn Văn Tài 54K3-GT 135D580205

2.2 Kế hoạch thực hiện đồ án:

T

1 Xây dựng kế hoạch thực hiện đồ án Cả nhóm

2 Họp nhóm thông qua kế hoạch và phân công công

bền5

Tính toán thiết kế dầm sàn Cả nhómChọn sơ đồ tính toán

Xác định tải trọng tác dụng lên dầm

Vẽ biểu đồ nội lực M, V Xác định nội lực tính

toán

Chọn tiết diện dầmKiểm tra dầm theo điều kiện cường độ, theo

điều kiện biến dạng

Tính toán liên kết sàn với dầm sàn

6 Họp nhóm kiểm tra phần việc của các thành viên Cả nhóm

7

Tính toán thiết kế dầm phụ Cả nhómChọn sơ đồ tính toán Cả nhómXác định tải trọng tác dụng lên dầm Cả nhóm

Vẽ biểu đồ nội lực M,V.Xác định nội lực tính

8

Tính toán thiết kế dầm chính

Cả nhóm

Chọn sơ đồ tính toánXác định tải trọng tác dụng lên dầm

Vẽ biểu đồ nội lực M, V Xác định nội lực tính

toánChọn tiết diện dầmKiểm tra dầm theo điều kiện cường độ, theo điều

kiện biến dạngThay đổi tiết diện dầm (chọn hình thức đổi bề

rộng bản cánh 1 lần, đối xứng)Tính toán liên kết cánh với bụng dầmKiểm tra điều kiện ổn định tổng thể và ổn định

cục bộ của dầmTính toán liên kết dầm phụ với dầm chính

9 Họp nhóm kiểm tra phần việc của các thành viên

Cả nhóm

11 Tổng hợp bản vẽ Cả nhóm

PHẦN II: NHIỆM VỤ VÀ SỐ LIỆU THIẾT KẾ

2.1NỘI DUNG, YÊU CẦU

Thiết kế sàn tầng 1 nhà công nghiệp bằng thép, bao gồm 2 nhịp, với hệ dầm phức tạp:

- Kiểm tra dầm theo điều kiện cường độ, theo điều kiện biến dạng.

4 Tính toán, thiết kế dầm chính, theo các nội dung:

- Chọn sơ đồ tính toán

- Xác định tải trọng tác dụng lên dầm.

- Vẽ biểu đồ nội lực M, V Xác định nội lực tính toán.

- Chọn tiết diện dầm tổ hợp hàn từ ba bản thép.

- Kiểm tra dầm theo điều kiện cường độ, theo điều kiện biến dạng.

- Thay đổi tiết diện dầm (chọn hình thức đổi bề rộng bản cánh 1 lần, đối xứng)

- Tính toán liên kết cánh với bụng dầm.

- Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể và ổn định cục bộ của dầm.

- Thiết kế cấu tạo và tính toán các chi tiết khác của dầm và hệ dầm:

+ Liên kết gối dầm dầm chính với cột

+ Liên kết dầm phụ với dầm chính

+ Nối dầm chính (nếu cần)

5.Trình bày số liệu và các tính toán trong quyển thuyết minh kèm theo

Hệ số vượt tải: của tĩnh tải g 1, 05; của hoạt tải p 1, 2

- Chiều cao lớn nhất cho phép: hmax= 1,3m

- Liên kết hàn điện bằng tay, que hàn N42, N46 hoặc tương đương.

- Độ võng cho phép: của dầm phụ [/L] = 1/250; của dầm chính [/

SƠ ĐỒ MẶT BẰNG TẦNG 1 NHÀ CÔNG NGHIỆP 2 TẦNG

PHẦN III: QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN 3.1SƠ ĐỒ KẾT CẤU:

Hệ dầm đề ra là hệ dầm thép phức tạp, gồm ba hệ thống dầm đặt vuông góc vớinhau và song song với hai cạnh của ô sàn: Dầm chính đặt song song với cạnh dài của ô bản và kê lên cột Dầm phụ đặt song song với cạnh ngắn của ô bản Dầm sàn

đặt song song với cạnh dài của ô bản và chịu tải trọng từ sàn truyền xuống Sơ đồ kết cấu như hình vẽ :

Hình 2: Sơ đồ mặt bằng kết cấu tầng 1

3.2 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BẢN SÀN THÉP.

3.2.1 Tính kích thước bản sàn:

Xác định chiều dày của ts bản sàn theo công thức gần đúng giá trị giữa nhịp lớn

nhất ls và chiều dày của bản sàn:

4 0

1 15

s

tc s

3.2.2Tính toán và kiểm tra bản sàn

Cắt một dải bản rộng 1cm theo chiều cạnh ngắn của nhịp sàn Do được hàn với dầm bằng các đường hàn góc, dưới tác dụng của tải trọng, sàn bị ngăn cản biếndạng, tại gối tựa sẽ phát sinh ra lực kéo H và mômen âm Lực kéo và mômen này làm giảm mômen nhịp và độ võng cho bản Thông thường, mômen âm khá bé, trong tính toán thiên bề an toàn, bỏ qua ảnh hưởng của mômen âm, chỉ xét ảnh hưởng của lực kéo H Sơ đồ tính toán bản là dầm có hai gối cố định chịu tải trọng tính toán phân bố đều qtt được thể hiện như hình vẽ:

0,89( )

384 384 2,31 10 0,043

tc s x

Vậy bản sàn đảm bảo điều kiện kiểm tra độ võng.

3.2.1.3.Kiểm tra điều kiện bền của bản sàn:

- Lực kéo tác dụng tải gối tựa bản là :

6 1

daN cm

  max  1059,6(daN cm/ 2)  f c 0.95 2100 1995(   daN cm/ 2)

Vậy bản sàn đảm bảo điều kiện về cường độ

3.2.2 Tính toán và kiểm tra liên kết giữa sàn với dầm sàn

3.2.2.1.Chiều cao đường hàn

Đường hàn liên kết bản sàn với dầm phụ phải chịu được lực kéo H Hàn sàn vớidầm sàn bằng phương pháp hàn tay, que hàn N42 là đường hàn góc Chiều cao của

đường hàn đó xác định theo công thức:  w c

f

f

H h





minTrong đó:  f wmin  minf f wf; sf ws

f , s hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn Khi hàn tay f =0.7; s =1

fwf ; fws – cường độ tính toán của thép đường hàn và thép cơ bản trên biên nóng chảy

Chiều cao đường hàn hf phải thoả mãn yều cầu cấu tạo:

Vậy theo yêu cầu cấu tạo lấy hf = 5(mm)

3.2.2.2.Kiểm tra tiết diện đường hàn:

Chiều dài mỗi đường hàn góc để liên kết bản với dầm sàn :

Dầm sàn được coi là dầm đơn giản nhiều nhịp khoảng cách giữa các nhịp dầm là:

lds = a = 2,25 m Để thiên về an toàn,ta tính dầm sàn theo dầm đơn giản Tải trọng tác dụng lên dầm sàn là tải từ sàn truyền và là tải phân bố đều (hình

3100 3100 3100

Hình 4:Diện chịu tải và sơ đồ tính dầm sàn

Tải trọng từ sàn truyền vào dầm sàn là:

-Tải trọng tiêu chuẩn:

q ds tc q tc s  l s 0,16628 80 13,302(  daN cm/ )

-Tải trọng tính toán:

q ds tt q s tt l s 0,1986 80 15,888(  daN cm/ )

Chọn nội lực lớn nhất trong các dầm để tính toán :

-Mômen lớn nhất tại giữa nhịp dầm là:

3 max

1

137909

61,72( ) 1,12 0,95 2100

Trong đó hệ số c1  1,12; c 0,95 đối với dầm hình

Momen chống uốn của dầm sàn có kể đến sự phát triển biến dạng dẻo trong tiết diện:Vì Mmaxds chưa tính tải trọng bản thân dầm sàn nên chọn thép có độ chống uốnlớn hơn so với Wxyc Do đó, chọn thép định hình I12 có các thông số và có hình vẽ

sau :Tiết diện thép I14

Hình 5: Tiết diện dầm sàn I.14

3.3.1.3.Kiểm tra tiết diện dầm sàn:

Kiểm tra tiết diện dầm sàn theo điều kiện độ bền(có kể đến trọng lượng bảnthân dầm):

Tải trọng tác dụng lên dầm sàn có kể đến trọng lượng bản thân dầm là:

-Tải trọng tiêu chuẩn:

q a

f W

    



max max

 Kiểm tra theo ứng suất tiếp lớn nhất

Vậy tiết diện dầm đã chọn đảm bảo yêu cầu về độ bền và độ võng

Do dầm sàn liên kết trực tiếp với sàn nên thỏa mãn điều kện ổn định tổng thể.3.3.1.4 Kiểm tra độ ổn định của dầm sàn

a Kiểm tra độ ổn định tổng thể dầm sàn

Không cần kiểm tra độ ổn định tổng thể của dầm sàn vì phía trên dầm sàn

có liên kết hàn chặt giữa sàn và dầm sàn như hình vẽ

hf=4

Hình 7 Chi tiết liên kết sàn và dầm sàn

chiều dài 6 m nên phải nối thép Nếu tại vị

trí có nội lực lớn nhất mà thỏa mãn điều kiện

về mối nối dầm thì khi ta nối tại 1 vị trí bất

kỳ trên dầm cũng sẽ thỏa mãn điều kiện Do

đó ta kiểm tra mối nối theo nội lực nguy

hiểm nhất Ta thấy nội lực tại gối nhịp ở ví trí

Diện tích tiết diện F = 17,4 (cm2)

– Kiểm tra độ bền của đường hàn đối đầu tại vị trí x

2 max 137909

1688( / )81,7

ds ds x

M

kG cm W

-Dầm phụ được đặt lên trên dầm chính, sơ đồ kết cấu là dầm đơn giản Tải trọng tác dụng lên dầm chính bao gồm: Trọng lượng bản sàn, dầm sàn, dầm phụ và hoạt tải

-Lực từ dầm sàn truyền lên dầm phụ là lực tập trung, do các dầm phụ đặt gần nhau (l =1m) nên có thể xem tải trọng tác dụng lên dầm phụ là phân bố đều Tải trọng tập trung được thay thế bằng tải trọng tương đương phân bố

Diện chịu tải do dầm sàn và sàn truyền vào dầm phụ là:

4000

Hình 6:Diện chịu tải và sơ đồ tính dầm phụ

Tải trọng từ sàn và dầm sàn truyền vào dầm phụ là

- Tải trọng tiêu chuẩn:

1 3 13, 46 309

31,19( / ) 400

3 max

1

742000

332,1( ) 1,12 0,95 2100

Hình 7: Tiết diện dầm phụ I.27

1 Kiểm tra tiết diện dầm phụ:

Kiểm tra tiết diện dầm phụ theo điều kiện độ bền (có kể đến trọng lượng bảnthân dầm):

Tải trọng tác dụng lên dầm phụ có kể đến trọng lượng bản thân dầm là:

-Tải trọng tiêu chuẩn:

-Lực cắt lớn nhất tại hai đầu nhịp dầm là:

c x

Vậy tiết diện dầm đã chọn đảm bảo yêu cầu về độ bền và độ võng

 Kiểm tra bản bụng dầm phụ chịu ứng suất cục bộ:

P

c z w

c  





92,6 9,8

Vậy bản bụng dầm đảm bảo điều kiện bền do ứng suất cục bộ tại vị trí đặt dầm sàn

b t

b t

b b

l

f

f f

f f

f f

h f h t f là khoảng cách trọng tâm hai cách nén  h f 27 0,98 26,02(  cm)

t f 0,98(cm);

12,5

12,8 15 0,98

f f

b

t    => ta dùng

15

f f

Dầm chính được đặt lên trên cột, sơ đồ kết cấu là dầm đơn giản Tải trọng tác dụng lên dầm chính bao gồm: Trọng lượng bản sàn, dầm sàn, dầm phụ và hoạt tải.

500

36ql/55 3q

Lực từ dầm phụ truyền lên dầm chính là lực tập trung:

- Tải trọng tiêu chuẩn do dầm phụ truyền vào dầm chính là:

p dc tc q dp tc B 31,505 400 12602(  daN)

- Tải trọng tính toán do dầm phụ truyền vào dầm chính là:

p dc tt q dp tt B 37,1 400 14840(  daN)

Theo cơ học kết cấu thì ta có thể xác định nội lực trong dầm như sau :

- Mômen lớn nhất tại giữa nhịp dầm là:

2 Thiết kế tiết diện dầm:

a Chọn chiều cao tiết diện dầm:

 Chiều cao tiết diện dầm phải đảm bảo các yêu cầu về sự dụng và kinh tế

0 20

Đối với dầm hàn chọn hệ số cấu tạo k 1,15

Mômen kháng uốn cần thiết là:

4

3 max 1602, 72 10

6886, 02( ) 0,95 2450

yc x

Chiều dày bản bụng dầm tw được chọn từ việc xác định chiều cao dầm, tw

càng nhỏ thì dầm càng nhẹ Tuy nhiên tw cần đảm bảo điều kiện chịu lực cắt lớn nhất Giả thiết chiều dày cánh dầm t f 2,5(cm)

w w

c Chọn kích thước bản cánh dầm bf, tf

-Diện tích tiết diện cánh dầm xác định theo công thức:

2 max

f

Kích thước cánh dầm phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo sau:

25 500

d Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn theo điều kiện cường độ:

 Các đặc trưng tiết diện dầm:

Diện tích tiết diện dầm:A A wA f 95 0.6 2 50 2,5 307(     cm2)

Mômen quán tính và mômen kháng uốn của tiết diện với trục trung hoà x –x

x I

h

h h

S S S  t b  t       cm

 Kiểm tra điều kiện cường độ:

Trọng lượng bản thân dầm chính quy về lực tập trung là:

 Điều kiện bền của dầm theo mômen tại tiết diện giữa dầm là:

 Kiểm tra theo ứng suất pháp lớn nhất:

Vậy tiết diện dầm đảm bảo điều kiện bền theo mômen

 Kiểm tra theo ứng suất tiếp lớn nhất:

x f t I

S V



   

 max max

max max

max

46872 7221,88

847, 4( ) 665718,75 0.6

Trong đó:  f wmin  minf f wf; sf ws

f , s hệ số chiều sâu nóng chảy của đường hàn Khi hàn tay f =0.7; s =1

fwf ; fws – cường độ tính toán của thép đường hàn và thép cơ bản trên biên nóng chảy

Chọn l bg 95(cm) kết hợp với sườn gia cường

Vậy tiết diện bản ghép làA bg l bgt bg 95 1( cm2)

A bg l bgt bg 95(cm2)A

 Kiểm tra liên kết hàn:

Chiều dài mỗi đường hàn góc để liên kết bản với dầm chính:

l w l bg1 95 1 94(   cm)

 Kiểm tra tiết diện 1(theo vật liệu đường hàn):

Vậy liên kết giữa bản thép nối với dầm chính đảm bảo điều kiện cường độ

 Tính toán và kiểm tra liên kết bu lông giữa dầm phụ với bản thép nối:

Chọn n 4 với đường kính d=20 mm Bố trí như sau:

 Kiểm tra bulông chịu mômen M và lực cắt V:

+ f vb– Cường độ tính toán chịu cắt của vật liệu bulông f vb 1600(daN cm/ 2)

+b– Là hệ số diều kiện làm việc b 0,9

+A– Diện tích của tiết diện ngang bulông A3,14(cm2) đối với bulông có2( )

+ f cb– Cường độ tính toán chịu ép mặt của bulông f cb 3950(daN cm/ 2)

+b– Là hệ số diều kiện làm việc b 0,9

+d – Đường kính thân bulông d 2(cm)

+tmin– Tổng chiều dày nhỏ nhất của các bản thép cùng trượt về một phíamin 0,9( )

dp blV

+ l max :Khoảng cách giữa trọng tâm hai hàng bulông ngoài cùng

+ l i2:Tổng bình phương khoảng cách giữa trọng tâm hai hàng bulông đốixứng qua trọng tâm nhóm

+ m:Số bulông của một dãy

- Công thức kiểm tra khả năng chịu lực của một bulông:

N bl  N blV2 N blM2  N minb c

N bl  N blV2 N blM2  18702385,72 1909, 4(daN)

N bl  1909, 4(daN)  N minb c  4522 0,95 4296(   daN)

Vậy liên kết bu lông đảm bảo chịu lực

45 45 45

Kiểm tra tiết diện giảm yếu

Công thức kiểm tra:

n 1

N f

A  

Trong đó  1 là hệ số điều kiện  b1 0,9 với n=4

Chọn đường kính của lỗ bulông là d' d 0, 2 2 0, 2 2, 2(   cm)

Diện tích thực của tiết diện tại vi trí giảm yếu:

kết phức tạp (liên kết thấp) trong đó bản sàn gác lên dầm sàn, dầm sàn gác lên dầmphụ, dầm phụ liên kết với dầm chính bởi bản thép nối Chiều cao liên kết là:

3 Thay đổi tiết diện dầm:

 Nguyên nhân giảm:

Để tiết kiệm thép, giảm nhẹ trọng lượng dầm khi thiết kế dầm ta thay đổi tiết diện dầm ở phần dầm có mômen uốn bé Chọn cách thay đổi bề rộng bản cánh vì bản cánh chủ yếu chịu mômen uốn trong dầm

 Nguyên tắc giảm:

- Không thay đổi kích thước bản bụng vì bản bụng chủ yếu chịu lực cắt.

- Thay đổi kích thước bản cánh vì bản cánh chủ yếu chịu mô men uốn trong dầm.

- Chỉ thay đổi bề rộng cánh không thay đổi bề dày cánh vì giảm chiều dầy dẫn đến

độ mảnh lớn dễ mất ổn định cục bộ cho cánh nguy hiểm

* Điểm thay đổi tiết diện cách gối tựa một đoạn:

- Nội lực tại vị trí thay đổi tiết diện: (dùng cơ kết cấu I để tính moomen và lực cắt

tại vi trí giảm tiết diện dầm)

ct f f

2 2 18( )

c f

- Diện tích thực của cánh dầm đã thay đổi: A ct  t f b'f 2,5 26 65(  cm2)

- Xác định vị trí bắt đầu thay đổi tiết diện:

1 5

a i

b

 

vớia120(mm) b120 5 600(  mm) chọn b600(mm) 60( cm) điểm bắt đầu giảm bề rộng cánh cách gối tựa 1 đoạn :

300 60 360(   cm)

THAY ĐỔI TIẾT DIỆN BẢN CÁNH

 Kiểm tra độ bền của tiết diện dầm đã thay đổi:

- Các đặc trưng tiết diện dầm:

Diện tích tiết diện dầm: A x1 Aw A f  95 1 2 2 26 199(      cm2)

Mômen quán tính và mômen kháng uốn của tiết diện với trục trung hoà x –x

- Kiểm tra điều kiện cường độ:

 Điều kiện bền của dầm theo mômen là:

1 1

    

2 1

1742, 4( / ) 2450 0.95 2327,5( / )

x x

c

M

daN cm W

Vậy tiết diện dầm đảm bảo điều kiện bền theo mômen

 Điều kiện bền của dầm theo lực cắt là:

1 1 max

1 max

15624 4297

176,1( )

381212 1 176,1( ) 1421 0.95 1349,95( )

Vậy tiết diện dầm đảm bảo điều kiện bền theo lực cắt

- Kiểm tra theo ứng suất tương đương:

* Tại vị trí tiết diện thay đổi cách gối tựa 3 m không trùng vị trí đặt dầm phụ nên không có ứng suất cục bộ: cb =0

- Mô men tĩnh của cánh tiết diện đối với trục trung hoà:

' ' 2,5 26 97,5

b t

b t

b b

l

f

f f

f f

f f

h f h t f là khoảng cách trọng tâm hai cách nén  h f 100 2,5 97,5(  cm)

t f 2,5(cm);

50

20 15 2,5

f f

b

t    chọn

20

f f

 Kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh:

Do liên kết hệ dầm là liên kết thấp nên không cần kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh

 Kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng:

Bụng dầm chịu tác dụng của  , hoặc   

Bụng dầm tiết diện mỏng có thể mất ổn định do ứng suất pháp giữa dầm, do riêng ứng suất tiếp ở đầu dầm hoặc do cả hai ứng suất  , ở vị trí gần gối tựa

 Kiểm tra bản bụng dầm dưới tác dụng của ứng suất tiếp:

Những vùng ở gần gối tựa lực cắt lớn, bản bụng dầm có thể bị méo đi do tác dụng của ứng suất tiếp

Công thức kiểm tra:

 w     w 

Ở đây dầm chịu tải trọng tĩnh nên  w   3.2

- Độ mảnh quy ước của bản bụng dầm:

Bố trí kết hợp với bản thép thành sườn gia cường:

Khoảng cách các sườn a=155cm

Chiều cao sườn: h s 95(cm),chiều rộng sườn b s 5(cm)

Các sườn được hàn vào bụng và cánh dầm bằng đường hàn theo cấu tạo

Hình 15: Bố trí sườn gia cường.

 Kiểm tra bản bụng dầm dưới tác dụng của ứng suất pháp:

Vì:   w 3, 27 5,5  nên bụng dầm không bị phá hoại bởi ứng suất pháp

- Kiểm tra ổn định dầm dưới tác dụng của ứng suất pháp và tiếp đồng thời:

Kiểm tra cho từng ô: