đồ án kết cấu thép thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang, xác định nội lực trong khung theo số liệu và tính toán, lập bảng thống kê và tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặc trưng củacột khung và giằng

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG,

MỘT NHỊP

PHẦN 1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

A Nội dung, yêu cầu:

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, nội dung công việc baogồm:

1 Trên cơ sở số liệu đã cho, thành lập sơ đồ kết cấu, xác định kích thước khungngang, lập mặt bằng lưới cột, lựa chọn và bố trí hệ giằng mái, hệ giằng cột

2 Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang, xác định nội lực trong khung theo

số liệu và tính toán, lập bảng thống kê và tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặc trưng củacột khung và giằng mái

3 Thiết kế khung ngang gồm: cột, dầm mái và hệ giằng

4 Thể hiện 1 bản vẽ A1 gồm:

- Sơ đồ kết cấu khung ngang

- Cột khung, các mặt cắt đặc trưng của cột và chi tiết cột

- ½ hệ vì kèo và các chi tiết của vì kèo

- Hệ giằng

- Bảng thống kê vật liệu thép

- Các chú ý về yêu cầu kỹ thuật và các chỉ dẫn cần thiết

5 Thuyết minh: trình bày toàn bộ nội dung của đồ án vào quyển thuyết minh khổ A4

B Số liệu thiết kế:

- Thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng một nhịp với các số liệu:

+ Địa điểm xây dựng: TP Hồ Chí Minh

+ Chiều rộng nhà L = 23m

+ Bước cột: B = 5.5m, tổng số bước cột b=11×B=11×5.5 = 60.5m

+ Chiều cao H = 5.7m

+ Cấu tạo lớp mái gồm: tole dày 0.7mm.

+ Phân vùng gió IIA (địa điểm xây dựng: TP Hồ Chí Minh) có

2 0

+ Thông số của que hàn, bulong tự chọn

+ Bê tông móng M200, tường gạch tự mang

C Kế hoạch nộp đồ án kết cấu thép

Lần 1 Tuần thứ 2 kể từ ngày giao đồ án

+ Thiết kế xà gồ

+ Tính toán tải trọng tác dụng lên khung ngang

+ Mô hình tính toán khung ngang

Lần 2 Tuần thứ 3 kể từ ngày giao đồ án

+ Triễn khai bản vẽ.

Lần 4 Bảo vệ.

PHẦN 2 THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP

MỘT TẦNG, MỘT NHỊP (KHUNG ZAMIL)

CHƯƠNG 1 TÍNH TOÁN THUYẾT KẾ XÀ GỒ MÁI

1.1 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN XÀ GỒ

1.1.1 Chọn sơ bộ thông số tôn và xà gồ

+ Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái, lớp cách nhiệt và trọng lượng bản thâncủa xà gồ

+ Tấm lợp mái: (single skin panels ) hình dạng tấm lợp mái được chọn như sau:

Chiều dày

(mm)

Trọng lượng mộttấm (kN/m2)

Diện tích một tấm

(m2)

Tải trọng cho phép(kN/m2)

Bảng 1.1 Thông số tấm lợp mái (tôn)

+ Xà gồ: chọn xà gồ hình chữ C,có các thông số như sau.

Diệntích(cm2)

- Tải trọng do hoạt tải sửa chữa mái.

- Chọn khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt bằng là: 1.5 (m)

→ Khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt phẳng mái:

1.1.3 Hoạt tải tác dụng lên xà gồ

+ Sơ bộ lấy hoạt tải mái: Pc = 0.3 (kN/m2), hệ số vượt tải nq =1.3

Hình 2.2 Sơ đồ tính theo hai phương x-x và y-y

+ Xà gồ dưới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa được tính toán nhưcấu kiện chiệu uốn xiên

Hình 2.1 Tải trọng theohai phương x-x và y-y

+ Tải trọng tác dụng theo phương x-x và y-y là

1.3 KIỂM TRA XÀ GỒ THEO TTGHI VÀ TTGHII

1.3.1 Trạng thái giới hạn cường độ (TTGHI)

Theo điều kiện bền :

Trong đó:

+ γ =1c hệ số điều kiện làm việc

+ f = 230 MPa cường độ tính toán của thép xà gồ

Xà gồ tính toán theo 2 phương đều là dầm đơn giản 2 đầu tựa lên xà ngang momen đạtgiá trị lớn nhất ở giữa nhịp

Ta có:

y x

6 6

2.93 10 0.073 10

48.79MPa f 230MPa71.092 10 9.631 10

        

1 3.2 Trạng thái giới hạn sử dụng(TTGHII)

Công thức kiểm tra :

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NGANG

2.1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ SƠ ĐỒ TÍNH CỦA KHUNG NGANG

2.1.1 Xác định kích thước khung

2.1.2 Xác định sơ đồ tính của khung

- Khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bao gồm hai cấu kiện chính: cột vàdầm mái Để đảm bảo độ cứng theo phương ngang nhà, liên kết giữa cột và dàn mái đượcthực hiện là liên kết cứng, liên kết giữa chân cột và móng bê tông cốt thép cũng là liênkết cứng

Hình 1 Kích thước khung ngang

Không có phần cầu trục nên chiều cao H c = H + f

Trong đó H là chiều cao theo số liệu cho 5.7m

f là khe hở phụ xét đến độ võng của kết cấu và giàn lấy bằng 200 đến 400 mm

Chiều cao cột là khoảng cách từ chân cột đến đỉnh cột:

H c = 5700 + 200 = 5900 mmChiều cao từ cột lên đỉnh cột lên mái

Chân cột: hw=300(mm); bw = 220(mm); tw= 8(mm) ;tf = 12(mm)

220 400

8

Đỉnh cột : hw=400(mm); bw = 220(mm); tw= 8(mm) ;tf = 12(mm)

220 300

8

Giả thiết vì kèo có kích thước như sau:

Đầu kèo: hw =350 (mm); bw = 220 (mm); tw = 8(mm); tf = 12 (mm)

350

220 12

8 12

Đỉnh kèo: hw = 250 (mm); bw = 220 (mm); tw =8 (mm); tf =12 (mm)

250

220 12

8 12

2.2 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

2.2.1 Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang

- Tải trọng mái và xà gồ: trên thực tế tải này truyền lên khung dưới dạng lực tập trung tạiđiểm đặt các xà gồ, số lượng xà gồ tập trung > 5 nên quy về tải phân bố (trên mặt bằng).+ Chiều dài thanh xiên :

+ Số lượng xà gồ với mỗi xà gồ cách nhau 1.51m

+ Số lượng xà gồ trong một nửa bước cột:

1

x 2

- Tải trọng do xà gồ tường tôn đặt tại các cao trình cửa xà gồ tường :

+ Với chiều cao cột 5.9(m) do có 1 (m) tường gạch tự mang ở dưới cùng không kểđến

+ Chỉ tính trọng lượng xà gồ tường và tôn tường từ cốt +1 (m ) trở lên tương ứng vớichiều cao cột là 4.9(m)

tập trung đặt tại đỉnh cột.

G = 0.0692 4.9 5.5 + 0.0824 4 5.5 = 3.69 (kN)t    

→ Tĩnh tải tác dụng lên rường ngang:

tt mai

g 0.74(kN/m)

→ Tĩnh tải tác dung lên đỉnh cột: Gt = 3.69 (kN)

2.2.2 Hoạt tải tác dụng lên khung ngang

2.2.2.1 Hoạt tải sửa chữa mái

+ Tải trong tạm thời do sử dụng trên mái được lấy theo TCVN 2737-1995 đối với mái

không người qua lại, chỉ có hoạt tải sửa chữa mái có giá trị tiêu chuẩn:

+ pscm = 0.3 KN/m2 → p = ptc scm× B= 0.3×5.5 = 1.65 (kN/m)

p =1.3 × p = 1.3 × 1.65 = 2.15 (kN/m)

2.2.2.2 Hoạt tải gió

a Tải trọng gió gồm hai thành phần: phần tĩnh và phần động, ở đây chiều cao nhà <

36 (m), tỉ số chiều cao trên nhịp < 1.5 nên bỏ qua thành phần động của gió

b Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm:

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

- Gió thổi trong phạm vi mái được tính là tải phân bố đều lên mái, chuyển thành phân

bố lên khung

- Khu vục xây dựng công trình tp Hồ Chí Minh thuộc vùng gió II.A

- Tải trọng gió tính toán tác dụng lên hệ khung:

q = 1.2×W×B Trong đó:

B là bước cột lực gió tiêu chuẩn

W là áp lực gió tiêu chuẩn

k là hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao (tra bảng 5 TCVN2737:1995).Xem xét địa hình tại khu vực xây dựng: nội thành tp.Hồ Chí Minh thuộcđịa hình dạng C (địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m

+ Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió trung bình :

n= 1,2 hệ số tin cậy của tải trọng gió

c hệ số khí động, được tra bảng với sơ đồ sau đây:

23000 +0,8

Ce 1

-Tra bảng 6 trong TCVN 2737:1995 để tìm Ce1, Ce2, Ce3 như sau.

c Tính toán tải trọng gió tác dụng lên khung.

+ Phía gió đẩy:

tt

q =1.2×W ×k×C ×B=1.2×0.83×0.5754× -0.4 ×5.5= -1.26 kN/m

2.3 PHÂN TÍCH NỘI LỰC CỦA KHUNG NGANG

2.3.1 Kiểm tra điều kiện chuyển vị

a Chuyển vị ngang tại đỉnh cột

- Trường hợp 1TT+0.9HT+0.9GT(GP)

- Trường hợp 1TT+1HT

c Chuyển vị đứng tại đỉnh kèo

- Trường hợp 1TT+0.9HT+0.9GT(GP)

- Trường hợp 1TT+1HT

Tất cả chuyển vị điều thỏa điều kiện

2.3.2 Xác định nội lực tại các tiết diện đặc trưng

- Sử dụng phần mềm Sap2000 version 10 để tìm nội lực

a Các phương án chất tải.

- Phương án 1:Tĩnh tải

-Phương án 2 :hoạt tải

-Phương án 3 :gió trái

-Phương án 4: gió phải

d Biểu đồ nội lực của các phương án chất tải

- Tĩnh tải

(N)

(Q)

(M)

- Hoạt tải

(N)

(Q)

(M)

- Gió trái

(N)

(Q)

(M)

- Gió phải

(N)

(Q)

(M)

BẢNG NỘI LỰC TẠI CÁC TIẾT DIỆN ĐẶC TRƯNG

Bảng 6 Thống kê tổ hợp nội lực tại đỉnh kèo.

2.4 THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CỘT, KÈO

2.4.1 Thiết kế cột

Kí hiệu Cao trình Tổ hợp N Q M

Bảng 7 Thống kê tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất

a Chiều dài tính toán cột theo 2 phương.

Theo phương trong mặt phẳng uốn lx  l

Tra bảng D1 ta có  2

Chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng uốn :lx  2 5.9 11.8(m)

Theo phương ngoài mặt phẳng uốn ly  l

Diện tích tiết diện công thức gần đúng Iasinsxki:

x ct

2 3

MN

6

Hình 4.1 Kích thước mặt cắt ngang cột

c Xác định các đặc trưng hình học tiết diện

Momen quán tính tiết diện là

Độ lệch tâm tương đối và độ lệch tâm tính đổi:

+ Độ lệch tâm tương đối :

→ không cần kiểm tra bền cho cột vì không bị giảm yếu.

d Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn

+ Kiểm tra theo công thức : x e c

N

fA

→Tiết diện đảm bảo ổn định

e Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng

1 1

g Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh

Điều kiện kiểm tra:

Chọn vật liệu thép CCT38 có f = 230 MPa, fv= 133.4 MPa

a Chọn tiết diện đầu dầm vì kèo:

+ Xác định kích thước sơ bộ chiều cao tiết diện đầu dầm h:

Chiều cao kinh tế :

x kt

- k là hệ số phụ thuộc cấu tạo tiết diện dầm vì kèo, vì ta thiết kế dầm thép tổhợp hàn tiết diện thay đổi nên lấy k=1.15

- Giả thiết tw = 6 mm

- Từ điều kiện bền của ứng suất pháp

x x

c

MW

fγ

=

Suy ra:

6 kt

200 12

6 12

chọn bf =200 mm

Vậy ta chọn tiết diện có kích thước như hình vẽ :

Xác định đặc trưng hình học của mặt cắt ngang đã chọn:

+ Momen quán tính:

2

6 x

b Kiểm tra lại tiết diện đã chọn:

+ Điều kiện bền của ứng suất pháp:

 Thỏa điều kiện

+ Điều kiện bền của ứng suất tiếp:

So sánh :τfγmax=17.1 MPa < f γ =133.4 MPa  thỏa điều kiệnv c

+ Điều kiện bền của ứng suất tương đương: σfγtd = σfγ +3τfγ2 2 £1.15´ ´ f γc

6 x

Vậy σfγtd = 128.82+ ´3 13.92 =131MPa < 1.15×230×1 = 264.5 MPa

 Thỏa điều kiện

c Chọn tiết diện đỉnh dầm vì kèo.

+ Xác định kích thước sơ bộ chiều cao dầm h:

Chiều cao kinh tế :

6 x

6 x

6 x

+ Điều kiện bền của ứng suất tiếp:

So sánh :τfγmax= 1.4 MPa < f γ =133.4 MPav c

 thỏa điều kiện

+ Điều kiện bền của ứng suất tương đương: σfγtd= σfγ +3τfγ2 2 £ 1.15 f γ ´ ´ c

6 x

Vậy σfγtd = 91.562+ ´3 1.352 =91.6MPa < 1.15 230 1 264.5´ ´ = MPa

 Thỏa điều kiện

e Chọn tiết diện tại vị trí thay đổi tiết diện

Để đơn giản trong tính toán, ta lấy cặp nội lực ở vị trí thay đổi tiết diện để kiểm tracho cho tiết diện đã chọn ở đỉnh dầm

+ Điều kiện bền của ứng suất tiếp:

So sánh :τfγmax= 9.8 MPa < f γ =133.4 MPa v c

 thỏa điều kiện

+ Điều kiện bền của ứng suất tương đương: σfγtd = σfγ + τfγ2 3 2 £1.15´ ´ f γc

6 x

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỐI NỐI

3.1 THIẾT KẾ ĐƯỜNG HÀN GÓC NỐI BẢN CÁNH VÀ BẢN BỤNG DẦM,

CỘT

3.1.1 Thiết kế đường hàn góc nối bản cánh và bản bụng cột

Thiết kế đường hàn: đường hàn góc chịu tác dụng của cặp nội lực:

h =1.2t

min=1.2×12=14.4 mm+ Xác định chiều dài cần thiết của đường hàn góc:

Vì cột là cấu kiện chính nên sử dụng đường hàn liên tục nên chiều dài tính toán củađường hàn là:

6

Qσfγ

+ Kiểm tra lại điều kiện bền với

Vậy với chiều cao đường hàn hf = 6mm liên kết bền.

3.1.2 Thiết kế đường hàn góc nối bản cánh và bản bụng dầm

Thiết kế dường hàn: đường hàn góc chịu tác dụng của cặp nội lực:

- Lực cắt: Q = 24.1 kN

- Momen : M =142 kNm

Với trình tự tính toán tương tự  hf = 6mm

3.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT CHÂN CỘT

tdđ: chiều dày dầm đế(lấy sơ bộ tdđ = 10 mm)

c1: phần nhô ra của conxon bản đế lấy c1 = 50mm

10.4MPa 624

hệ số tra bảng phụ lục phụ thuộc vào loại ô bản

Với bản kê 4 cạnh giá trị này được tra bảng dựa trên tỉ số

1 1

Căn cứ vào các kích thước trên ta tính được các giá trị sau:

+ Theo cách bố trí dầm sườn như hình vẽ thì diện chịu tải của dầm < sườn không

đáng kể ta tính chúng cùng chịu tải (theo dầm) chịu tải phân bố đều :

Sơ đồ tính là công xon ngàm vào bản cánh cột chịu tác dụng của tải trọng phân

bố đều do áp lực dưới đáy móng :q s 1a s 10.9 10 109  MPa.( as bề rộng của diện truyền lực vào dầm đế )

+Toàn bộ lực Nnh truyền từ nhánh cột xuống bản đế thông qua hai dầm đế và sườn hàn vào cánh của cột có 4 đường hàn Vì vậy dầm đế chịu tác dụng của phần phản lực qqđ thuộc tiết diện truyền tải của nó

Chiều cao dầm đế được xác định từ điều kiện đường hàn liên kết cột với dầm đế

đủ dài để chịu lực Nnh truyền từ cột sang dầm

643.5 10 142 10

Bề dày dầm đế cần thiết cho điều kiện chịu uốn :

Vậy chiều dày dầm đế đã chọn tdđ = 10mm là thoả mãn

3.3 THIẾT KẾ CHI TIẾT ĐỈNH CỘT

Trình tự tính toán:

Tính toán bulông liên kết

Nội lực dùng để tính toán liên kết là cặp nội lực gây kéo nhiều nhất của bulông tại

- Sơ bộ phương án bố trí bulông :

- Số lượng bulong cần thiết trên một hàng:

+ Chọn khoảng cách từ tâm bulong đến mép của cấu kiện là 60mm

+ Chọn khoảng cách giữa hai bulong theo phương bất kì là 95mm

525 95 95

 Thỏa điều kiện

+ Tính toán liên kết hàn cột( dầm vì kèo) vào bản mã :

Bảng 8 TCVN 5575:2012 fwf = 200MPa

h =1.2t

min=1.2×12 =14.4 mmChọn hf = 6 mm

Điều kiện bền của đường hàn:

W

=

; Q

Qσfγ

A

=Chiều dài tính toán của đường hàn góc lấy như sau:

525 95

hf=6mm

5x3 bu lông cu ? ng d? cao D20

95 95 95 95

Chi tiết mối nối cột với dầm vì kèo 3.4.THIẾT KẾ CHI TIẾT ĐỈNH KÈO

+ Tính toán bulông liên kết

Nội lực dùng để tính toán liên kết là cặp nội lực gây kéo nhiều nhất của bulông tại

+ Xác định kích thước bản mã:

Chọn chiều dày bản mã tbm=15mm

Chiều rộng bản mã lấy bằng bề rộng bản cánh tiết diện đỉnh dầm b = 180mm

Ở phía ngoài bản cánh ta bố trí cặp sườn tăng cường có kích thước như sau:

- Bề dày ts = 6mm

- Chiều cao hs = 90mm

- Bề rộng bs =150mm

Chế tạo từ thép CCT38

Vậy chiều cao bản mã: h = 180 +2hs= 360 mm

+ Xác định khả năng chịu lực của 1 bulông

Khả năng chịu cắt :  N vb = γ × f × A× nb vb v

=1× 400×314×1 = 125.6kNKhả năng chịu ép mặt : Ncb = γ × f ×b cb tmin× d=1×515×15× 20 = 154.5kN+ Số bulông cần thiết ở dãy ngoài cùng :

Thỏa điều kiện.

+ Tính toán liên kết hàn dầm vào bản mã :

h =1.2t

min=1.2×10 =12 mmVậy chọn hf = 6 mm

Điều kiện bền của đường hàn:

σfγ= σfγ +σfγM Q £ γc´ min(β f ;β f )f wf s ws

Với: M

Mσfγ

W

=

; Q

Qσfγ

A

=Xác định chiều dài tính toán của đường hàn góc:

Chi tiết mối nối đỉnh dầm

3.5 THIẾT KẾ CHI TIẾT MỐI NỐI DẦM

Do tiết diện tại vị trí này bằng tiết diện đỉnh dầm, nên ta chọn liên kết giống nhưđỉnh dầm, vì vậy chỉ cần kiểm tra mối nối bằng cặp nội lực tại vị trí thay đổi tiếtdiện

Kiểm tra lại mối nối bằng cặp nội lực tại vị trí thay đổi tiện:

+ Điều kiện bền của liên kết hàn

Thỏa điều kiện

Vậy liên kết tại vị trí này bền

hf=6mm

Chi tiết mối nối đoạn thay đổi tiết diện