Thuyết minh đồ án kết cấu thép nhà công nghiệp

Thuyết minh tính toán kết cấu thép nhà công nghiệp, tài liệu gối đầu của các kỹ sư thiết kế kết cấu, sinh viên chuyên ngành xây dựng, nhằm phục vụ cho đồ án, công việc thực tế, đây là tài liệu tham khảo tốt được biên soạn tại đại học Xây dựng Hà Nội.

trung bình

• Cao trình đỉnh ray: H1 = 9 m

• Vùng gió: IIIB

• Chiều cao dầm cầu trục: hdct = 0.75 m; Chiều cao ray: hr = 0,15 m

• Nhịp cửa trời: Lct = 4 m

• Chiều cao cửa trời: Hct = 2 m

• Vật liệu: Thép CCT34, hàn tự động, que hàn N42 (d = 3÷5mm) hoặc tươngđương

2.

Nhiệm vụ thiết kế

2.1 Thuyết minh tính toán

cột, bố trí hệ giằng mái, hệ giằng cột

• Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang: tải trọng mái, tải trọng cầu trục, tảitrọng gió

• Thiết kế xà gồ (2 phương án: tiết diện cán nóng và tiết diện dập nguội)

trọng Lập bảng thống kê nội lực, bảng tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặc trưngcủa cột và xà mái

xà với cột, mối nối xà

2.2 Bản vẽ thể hiện

01 bản vẽ khổ A1 gồm:

Đồ án k ết cấu thép 2

• Cột khung, các mặt cắt và chi tiết của thân cột

• Xà, các mặt cắt và chi tiết của xà

• Bảng thống kê vật liệu, ghi chú và chỉ dẫn cần thiết

II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

1.

Sơ đồ kết cấu khung ngang

Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diện không đổi liênkết ngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu kiến trúc và thoát nước, chọn xàngang có độ dốc với góc dốc α = 100 (tương đương i = 17 %) Do tính chất làm việc của) Do tính chất làm việc củakhung ngang chịu tải trọng bản thân và tải trọng gió là chủ yếu, nên thông thường nội lựctrong xà ngang ở vị trí nách khung thường lớn hơn nhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp Cấutạo xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảng biến đổi tiết diện cách đầu cột một đoạn (0,35

÷ 0,4) chiều dài nửa xà Tiết diện còn lại lấy không đổi

Cửa trời chạy dọc chiều dài nhà, mang tính chất thông gió, sơ bộ chọn chiều cao cửatrời là 2m và chiều rộng cửa trời là 4m

1.1 Kích thước theo phương đứng

• Chiều cao cột dưới: Hd =H1 −(hdct +h ) hr + ch

Trong đó: H1 = 9 m là cao trình đỉnh ray

hdct = 0.75 m là chiều cao dầm cầu trục

Đồ án k ết cấu thép 2

hr = 0.15 m là chiều cao ray hch =

1 m là chiều sâu chôn chân cột

→Hd = 9 – (0.75 + 0.15) + 1 = 9.1 (m)

• Chiều cao cột trên: Htr =(hdct +h ) Kr + 1 +0.5;

Trong đó: + K1 = 0.9 m là khoảng cách từ đỉnh ray đến điểm cao nhất của xe con.Giá trị này được tra trong catalo cầu trục (phụ thuộc vào sức trục Q = 8T và nhịpcầu trục S= 22m);

đến xà ngang

→Htr= (0.75 + 0.15) + 0.9 + 0.5 = 2.3 (m)

• Chiều cao toàn cột: H = Hd + Htr = 9.1+ 2.3 = 11.4 (m)

1.2 Chọn sơ bộ kích thước theo phương ngang

Nhịp nhà (lấy theo trục định vị tại mép ngoài cột) là: L = 24m Lấy gần đúng nhịp cầutrục là: S = 22 m ( theo catalog bảng 4.2 với cầu trục 2 dầm kiểu ZLK tương ứng với sứctải cẩu 8 tấn), khoảng cách an toàn từ trục ray đến mép trong cột: Zmin = 160 mm a Tiết

chống gỉ, không nên chọn tw quá mỏng: tw > 6mm

Đồ án k ết cấu thép 2

→Chọn t f = 2 cm

Kiểm tra lại khoảng cách an toàn từ ray cầu trục đến mép trong cột:

Z = (L−2.h S− )Trong đó: L - là nhịp nhà ; h - là chiều cao tiết diện cột; S - là nhịp cầu trục

Z = (24 −2 0.75×−22) = 0.25m > Zmin = 0.16m

→Thỏa mãn điều kiện an toàn

b Tiết diện xà mái

kiện chống gỉ, không nên chọn tw quá mỏng: tw > 6mm

c Tiết diện vai cột

Kích thước tiết diện vai cột phụ thuộc vào tải trọng cầu trục (lực tập trung do áp lựcđứng của cầu trục và trọng lượng bản thân dầm cầu trục, trọng lượng ray, dầm hãm vàhoạt tải trên cầu trục) và nhịp dầm vai (khoảng cách từ điểm đặt lực tập trung đến mépcột) Sơ bộ chọn tiết diện dầm vai như sau:

Đồ án k ết cấu thép 2

Khoảng cách từ trục định vị tới trục ray cầu trục: λ = (L - S)/2 = (24 - 22)/2 =

1 + Chiều dài vai (từ mép trong cột đến cạnh ngoài cùng vai cột): Lv = λ – hc

+ Bề rộng tiết diện vai cột: bf = 30 cm

+ Chiều dày bản bụng vai cột: tw = 0.8 cm +

Chiều dày bản cánh vai cột: tf = 1.2 cm d

Tiết diện cửa trời

+ Chiều cao tiết diện cột cửa trời: hc_ct = 20 cm

-Tạo điều kiện thuận lợi, an toàn cho việc dựng lắp, thi công

Hệ giằng bao gồm hai nhóm: hệ giằng mái và hệ giằng cột

Hệ giằng cột:

Hệ giằng cột đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng của toàn nhà theo phương dọc, chịucác tải trọng tác dụng dọc nhà và đảm bảo ổn định của cột Dọc theo chiều dài nhà, hệgiằng cột bố trí giữa khối nhà và ở 2 đầu hồi nhà để truyền tải trọng gió một cách nhanhchóng Hệ giằng cột được bố trí theo 2 lớp Hệ giằng cột trên được bố trí từ mặt dầmhãm đến đỉnh cột, hệ giằng cột dưới được bố trí từ mặt nền đến mặt dầm vai Theo tiếtdiện cột, hệ giằng cột được đặt vào giữa bản bụng cột Do sức trục Q<10T, chọn tiết diện

Hình 1.3 Sơ đồ hệ giằng mái

Đồ án k ết cấu thép 2

2.

Xác định tải trọng tác dụng lên khung

2.1 Tải trọng thường xuyên

- Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái:

Tải trọng do mái tôn, hệ giằng, xà gồ, cửa mái: gtc = 15 daN/m2 mặt bằng mái (phân bốtheo độ dốc mái)

Hệ số độ tin cậy của tải trọng thường xuyên ng = 1.1

- Tải trọng bản thân của dầm, dàn hãm: Gdh = 500 daN (lấy theo kinhnghiệm)

Đồ án k ết cấu thép 2

Bảng 2.1 Tĩnh tải mái

Tải trọngtiêu chuẩn

Hệ sốvượt tải

Tải trọngtính toán

Bước khung

Tổng tảitrọng

3 Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm khung 123.75

2.2 Hoạt tải sửa chữa mái

sử dụng ta có giá trị hoạt tải sửa chữa mái tiêu chuẩn là 30 daN/m2 mặt bằng nhà do

đó hoạt tải sửa chữa mái phân bố trên xà mái được xác định như sau:

ptc = 30xB và ptt = npx30xB

Bảng 2.2 Hoạt tải sửa chữa mái

t chuẩn

Hệ sốvượt tải

Tải trọngtính toán

Bước khung

Tổng tảitrọng

2 Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm khung 288.05

2.3 Tải trọng gió

Áp lực gió tác dụng lên khung được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737 -1995

q = n W0 k C B (daN/m) Trong đó: q: là áp lực gió phân bố trên mét dài khung

W0: là áp lực gió tiêu chuẩn, gió ở vùng IIIB có W0 = 125 daN/m2

n = 1.2: là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió

a) Trường hợp gió thổi ngang nhà:

Hình 2.2 Sơ đồ tra hệ số khí động Ce, trường hợp gió thổi ngang nhà

Đồ án k ết cấu thép 2

Kích thước chính của sơ đồ tính toán:

+ Nhịp: L0 = 24 m

+ Chiều cao: Hc = 11.436 m; hm1 = 1.757m; hm2 = 1.670 m; hm3 = 0.93 m

Tra theo sơ đồ 8 trong tiêu chuẩn TCVN 2737 -1995 phụ thuộc vào góc α, tỉ lệ ΣB/L

(ΣB- chiều dài toàn nhà) và H/L được giá trị Ce:

Ce1 = - 0.548 ; Ce2 = - 0.424 ; Ce3 = - 0.5 ; Ce4 = - 0.472

- Xác định hệ số k:

Hệ số k phụ thuộc vào dạng địa hình và chiều cao công trình Công trình ở khu vựcthuộc dạng địa hình B Tra bảng 5 trong TCVN 2737 -1995 chiều cao cột 10,692 m, caotrình đỉnh cột 9,692m lấy gần đúng hệ số k =1,081 đối với giá trị tải trọng gió phân bố trênthân cột

Bảng 2.3 Tải trọng gió theo phương ngang nhà

Bướckhung

Tổng tảitrọng

* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung

b) Trường hợp gió thổi dọc nhà:

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 2.3 Sơ đồ tra hệ số khí động C e , trường hợp gió thổi dọc nhà

Bảng 2.4 Tải trọng gió theo phương dọc nhà

Bướckhung

Tổng tảitrọng

* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung

2.4 Hoạt tải cầu trục

+ Khoảng cách hai bánh xe: R = 3200 mm

+ Áp lực đứng tiêu chuẩn lớn nhất tại mỗi bánh xe: Pmaxc= 5900 daN

- nc= 0.85: Hệ số tổ hợp, khi có hai cầu trục chế độ làm việc nhẹ và trung bình

bằng 1

y1 = 1; y2 = 0.573 ; y3 = 0.913 ; y4 = 0.487  Σyi = 2.973

Bảng 2.5 Áp lực đứng của cầu trục lên vai cột

c 0,05.(Q+Gxecon )

no Trong đó: Gxecon = 800 daN – trọng lượng xe con

(Tính tải trọng qui ra mặt bằng nhà nên các giá trị tải trọng phân bố trên mặt mái được

chia cho hệ số cosα)

Trong đó: gm = 8(daN/m2 ): trọng lượng mái tôn;

pc = 30 (daN/m2): hoạt tải sửa chữa mái;

d =1.2xcosα =1.2xcos10 =1.182(m)

qcxcosα ⇒ qc = 58.35xcos100 = 57.47 daN/m

- Tải trọng tính toán theo phương x và phương y:

71.28xsin100 = 12.38 daN/m

qy= qxcosα ⇒ qy= 71.28xcos100 = 70.2 daN/m

Sử dụng một thanh giằng φ18 giằng tại vị trí giữa nhịp xà gồ

gây ra; ⎢ ⎥⎣ ⎦B = 200 là độ võng tương đối cho phép của xà gồ lợp mái tôn

Với trường hợp dùng một thanh giằng xà gồ ở giữa nhịp thì cần kiểm tra độ võng của xà

gồ tại điểm giữa nhịp (tại đó ∆x = 0, chỉ có ∆y lớn nhất) và tại điểm cách đầu xà gồ mộtkhoảng z = 0.421*B/2 = 0.21B (tại đây có ∆x lớn nhất):

Đồ án k ết cấu thép 2

384x2.1x10 x545

b) Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ:

Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ là tổ hợp tĩnh tải và gió (chiếu lên phương gió y-y):

- Tải trọng gió tính toán:

3,1.q.B.E.I

Chọn xà gồ theo tải trọng gió (có chiều hướng ra khỏi mái) qgió = 1.286 kN/m, nhịp 7500

mm và theo sơ đồ có một thanh căng ở giữa, tra bảng 3.5 thép hình 300 sẽ được số hiệu

xà gồ Z30024 có thể chịu được tải cho phép là 2.84 kN/m (xem phụ lục 3- sách “Thiết kế

khung thép nhà công nghiệp”)

4.

Tính nội lực khung

4.1 Mô hình hóa kết cấu khung trong phần mềm Sap2000

a) Sơ đồ kết cấu

- Nhịp tính toán khung lấy theo khoảng tim của 2 trục cột; trục xà gãy khúc tại điểmđổi tiết diện (nối tâm của tiết diện nách xà với tâm của tiết diện tại chỗ đổi, đoạn còn lạilấy trùng với trục của tiết diện bé)

- Liên kết giữa cột với móng là liên kết ngàm, liên kết giữa cột với dầm là liên kếtcứng

- Vật liệu: Thép CCT34 có f = 2100 daN/cm2; E = 2,1x106 daN/cm2; ρ = 7850 daN/

m3

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 4.1 Sơ đồ khung ngang

Hình 4.2 Hình dạng tiết diện khung và vị trí tiết diện tính toán

b) Sơ đồ chất tải trọng

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 4.3 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng lên khung

Hình 4.4 Sơ đồ hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa trái khung

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 4.5 Sơ đồ áp lực đứng lớn nhất của cầu trục tác dụng lên cột trái

Hình 4.6 Sơ đồ áp lực hãm ngang của cầu trục tác dụng lên cột trái

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 4.7 Sơ đồ tải trọng gió ngang trái

Hình 4.8 Sơ đồ tải trọng gió dọc

4.2 Nội lực và tổ hợp nội lực

a) Nội lực

Đồ án k ết cấu thép 2

Sử dụng phần mềm Sap2000 phân tích kết cấu khung, cho kết quả là giá trị nội lựccủa cấu kiện cột, xà theo các trường hợp tải trọng riêng biệt Lấy kết quả nội lực tại cáctiết diện đặc biệt của khung:

- Tại cột: tiết diện chân cột (ký hiệu là tiết diện A), đỉnh cột (ký hiệu là tiết diệnB), tiết diện phía trên vai cột (ký hiệu là tiết diện Ctr) và dưới vai cột (ký hiệu là

Ntư, Vtư;

Ntư, Vtư; - Tổ hợp gây lực dọc lớn nhất Nmax và mô men, lực cắt tương ứng Mtư, Vtư; Kết quả nội lực và tổ hợp nội lực được thể hiện trong bảng

4.1 - 4.4

Hình 4.9 Biểu đồ mômen do tĩnh tải tác dụng lên khung

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 4.10 Biểu đồ mômen do hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa trái khung

Hình 4.11 Biểu đồ mômen do áp lực đứng lớn nhất của cầu trục tác dụng lên cột trái

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 4.12 Biểu đồ mômen do áp lực hãm ngang của cầu trục tác dụng lên cột trái

Hình 4.13 Biểu đồ mômen do tải trọng gió ngang

Đồ án k ết cấu thép 2

Hình 4.14 Biểu đồ mômen do tải trọng gió dọc

thường xuyên

Hoạt tải mái trái Hoạt tải mái phải D max cột trái D max cột phải T max cột trái T max cột phải Gió ngang trái Gió ngang phái Gió dọc

Bảng 4.4 Tổ hợp nội lực xà mái (đơn vị kN, kNm)

Đồ án k ết cấu thép 2

5 Kiểm tra tiết diện cột, xà

5.1 Kiểm tra tiết diện cột

E = 2.1x106 daN/cm2

- Kích thước hình học tiết diện cột:

Bảng 5.2 Kích thước hình học tiết diện

- Đặc trưng hình học tiết diện cột:

Bảng 5.3 Đặc trưng hình học tiết diện

- 28

Đồ án k ết cấu thép 2

- Chiều dài tính toán cột:

Trong mặt phẳng khung lx: cho phép tính lx=µ.H với hệ số chiều dài tính toán µ

(Bảng 5.4), phụ thuộc vào tham số:

b.Ic

GT =H.IxàTrong đó: b, H - chiều dài nửa xà, chiều cao cột;

Ιc, Ιxà mô men quán tính của cột và xà (lấy ở tiết diện cách nút khung 0,4b) (Theo tiết diện xà đã chọn sơ bộ tính được Ixà = 51312.14 cm4)

hai điểm ngăn cản chuyển vị cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn, tức là khoảngcách 2 điểm giằng cột Theo sơ đồ bố trí hệ giằng ta có : ly = 6.4(m) 5.1.2 Kiểm

tra điều kiện khống chế độ mảnh - Độ mảnh cột:

ϕe.A.f.γc[ λ ] ≥180-60*0,5 = 150

Với cặp nội lực 1: (M = 68385 daNm; N= 294 daN; V= 13704 daN)

Ta có me > 20, do đó cần kiểm tra ổn định tổng thể như với cấu kiện chịu uốn(mômen M) theo công thức:

M

φbWc

trong dầm có cánh chịu nén với một điểm cố kết ở giữa nhịp):

2

⎛ l to f ⎞ ⎛ a.t3w ⎞;

- 31

Đồ án k ết cấu thép 2

⎝ h bfkf ⎠ ⎝ b tf f ⎠ Trong đó: lo = 6.4 m ;

hfk – khoảng cách trọng tâm hai bản

b)

Trường hợp 2 :

Với cặp nội lực 2: (M = -18795 daNm; N= -26977 daN; V= -4452 daN)

Độ lệch tâm tính đổi: me = 3.96 < 20 cần kiểm tra ổn định tổng thể

Hệ số uốn dọc ϕe lấy theo bảng D.10 phụ lục D TCXDVN 338:2005: ϕe = 0.275

Với cặp nội lực 3: (M = -53397 daNm; N= -11699 daN; V= -9212 daN)

Độ lệch tâm tính đổi me = 21.02 > 20, do đó cần kiểm tra ổn định tổng thể như vớicấu kiện chịu uốn (mômen M) theo công thức:

M

φbWc

- 32

đến ổn định của cột theo phương vuông góc với mặt phẳng uốn (phương ngoài mặtphẳng

Mx A uốn) c

Cột bị khống chế chuyển vị theo phương vuông góc với mặt phẳng tác dụng của

nhưng không nhỏ hơn 0,5 lần mômen lớn nhất trên cả chiều dài thanh)

a) Trường hợp 1 :

Với cặp nội lực 1: (M = 68385 daNm; N= 294 daN; V= 13704 daN)

(Do cột chịu kéo, ko chịu nén nên không phải kiểm tra điều kiện ổn định tổng thểngoài mặt phẳng khung)

Mômen lớn nhất tại 1/3 chiều dài giữa cột cùng tổ hợp lực với cặp nội lực 1:

Với cặp nội lực 2: (M = -18795 daNm; N= -26977 daN; V= -4452 daN)

Mômen lớn nhất trên đoạn 1/3 chiều dài giữa cột cùng tổ hợp với cặp nội lực 2:

Với cặp nội lực 3: (M = -53397 daNm; N= -11699 daN; V= -9212 daN)

Mômen lớn nhất trên đoạn 1/3 chiều dài giữa cột cùng tổ hợp với cặp nội lực 3:

ra

của cột (độ mảnh quy ước λ tính theo: 0.8 ≤λ= min(λx,λy ) ≤4 → =λ 172. )

- 35

Với cặp nội lực 2: (M = -18795 daNm; N= -26977 daN; V= -4452 daN)

Điều kiện ổn định tổng thể của cột được quyết định bởi điều kiện ổn định tổng thểngoài mặt phẳng uốn nên cần phải tính hệ số α và ứng suất tiếp trunh bình τ

Sf = 2190 cm3 – Mô men tĩnh của 1 bản cánh cột với trục x-x

(β.fw )min = 1260 – Cường độ tính toán đường hàn với quen hàn N42

13704 2190×

2 1260 195701.1 1×

×Liên kết cánh và bụng cột được lấy theo cấu tạo: đường hàn dài suốt chiều dàicột và lấy hf = 6 mm

5.2 Kiểm tra tiết diện xà:

5.2.1 Kiểm tra tiết diện tại nách khung

a) Thông số chung

- Nội lực tính toán: M = 29990 daN.m; N = 4098 daN; V = 5015 daN

- Vật liệu: Thép CCT34: f = 2100 daN/cm2; E = 2,1.106 daN/cm2

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.5 Kích thước hình học tiết diện

- 38

Ngoài mặt phẳng khung: ly là khoảng cách hai xà gồ; ly = 1.182 m

- Đặc trưng hình học tiết diện xà:

Bảng 5.6 Đặc trưng hình học tiết diện

Kiểm tra điều kiện cường độ:

+ Điều kiện bền chịu uốn nén:

An WxnTrong đó: An- diện tích tiết diện thực của xà;

Wxn- mô men chống uốn của tiết diện thực

Đồ án k ết cấu thép 2

τ = V.Sxf = 5015 1761.6×= 55.15(daN/ cm2 ) 1

I tx w 160167.4 1× σtd = σ1+3τ12 = 725.52 +3 55.15× 2

(Thoả mãn) =731.8(daN/ cm2 ) <1.15fγc = 2415(daN/ cm2 )

c)

Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của xà:

Xét tỉ số giới hạn kích thước bản cánh của tiết

Ổn định tổng thể của xà được đảm bảo

d)Kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh và bản bụng tiết diện xà theo công thức

0.5

0 fb

15.812100

Ef