Pc khả năng chịu nén tính toán, kips Pn khả năng chịu nén danh nghĩa, kips Pr khả năng chịu nén yêu cầu, kips Q hệ số giảm khả năng chịu lực đối với các phần tử mảnh Qa hệ số giả
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
PHẠM VĂN THUYẾT KHÓA: 2014 - 2016
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG THEO QUY PHẠM MỸ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD và CN
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phéptác giả bày tỏ tình cảm biết ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Sau đại học, Trường Đại học Kiến trúcHà Nội đã dạy dỗ,giúp đỡ và chỉ dẫn tác giả hoàn thành chương trình cao học
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Tiểu ban đánh giá
đề cương và kiểm tra tiến độ, Trường Đại học Kiến trúcHà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho bản thảo luận văn của tác giả Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hồng Sơn và TS Phạm Thanh Hùng đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi, cũng như cung cấp tài liệu và động viên tác giả trong quá trình hoàn thiện luận văn
Tác giả xin trân trọng cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường,các cán bộ của Trường Đại học Kiến trúcHà Nội, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp
đỡ tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành khóa học
Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2016
TÁC GIẢ
Phạm Văn Thuyết
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực
và có nguồn gốc rõ ràng
Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2016
TÁC GIẢ
Phạm Văn Thuyết
Trang 4MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
Danh mục hình vẽ
Bảng chuyển đổi đơn vị
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3
1.1 Khung thép nhà công nghiệp một tầng 3
1.1.1 Khái niệm 3
1.1.2 Cấu tạo các cấu kiện trong khung thép nhẹ 3
1.1.3 Cấu tạo các liên kết trong khung thép nhẹ 8
1.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của khung thép nhẹ 10
1.2 Quy phạm thiết kế kết cấu thép của Mỹ 11
1.3 Tình hình sử dụng kết cấu khung thép nhẹ 11
1.3.1 Trong nước 11
1.3.2 Ngoài nước 12
1.4 Nhận xét chung 13
CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN KHUNG NGANG NHÀ CÔNGNGHIỆP MỘT TẦNG THEO QUY PHẠM MỸ 14
2.1 Cơ sở thiết kế khung thép 14
2.1.1 Quy định chung 14
2.1.2 Tải trọng và tác động 15
2.1.3 Tổ hợp tải trọng 22
2.2 Tính toán cấu kiện trong khung thép nhẹ 23
2.2.1 Tính toán cột 23
2.2.2 Tính toán xà 37
2.3 Tính toán liên kết trong khung thép nhẹ 51
2.3.1 Tính toán liên kết chân cột – móng 51
2.3.2 Tính toán liên kết cột – xà 59
2.3.3 Tính toán liên kết xà – xà 67
2.4 Nhận xét chung 71
CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 72
Trang 53.1 Thông số tính toán 72
3.1.1 Giới thiệu về công trình 72
3.1.2 Thông số về tải trọng tác động và vật liệu sử dụng cho công trình 73
3.1.3 Sơ đồ tính và tải trọng tác động 78
3.1.4 Đặc tính kỹ thuật của vật liệu sử dụng cho công trình 79
3.2 Tính toán khung thép sử dụng cấu kiện thay đổi (vát) 80
3.2.1 Tính toán cột 81
3.2.2 Tính toán xà 97
3.2.3 Tính toán liên kết chân cột – móng 112
3.2.4 Tính toán liên kết cột – xà 118
3.2.5 Tính toán liên kết xà – xà 127
3.3 Nhận xét kết quả tính toán 134
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký
A tổng diện tích tiết diện cấu kiện, in.2
Ae diện tích hữu hiệu, in.2
Ag diện tích nguyên, in.2
Cb hệ số hiệu chỉnh do oằn bên
Cv hệ số cắt của bản bụng
Cw hằng số vênh, in.6
D tĩnh tải danh nghĩa
E môđun biến dạng đàn hồi, ksi (= 29000 ksi)
Fe ứng suất tới hạn đàn hồi, ksi
Fcr ứng suất tới hạn, ksi
Fu giới hạn bền của thép, ksi
Fy giới hạn chảy tối thiểu của thép, ksi
Fpy giới hạn chảy tối thiểu của thép làm tấm mặt bích, ksi
FL ứng suất tính toán dùng để tính khả năng chịu uốn danh nghĩa, ksi
F khả năng chịu lực thiết kế của đường hàn, kips/in
Fw khả năng chịu lực của đường hàn, ksi
fr khả năng chịu lực yêu cầu của đường hàn, kips/in
f c' giới hạn nứt của bê tông, ksi
G môđun biến dạng cắt của thép, ksi (= 11200 ksi)
Ix mômen quán tính lấy đối với trục x, in.4
Iyc mômen quán tính của cánh nén lấy đối với trục y, in.4
J mômenquán tính xoắn, in.4
Kγ hệ số chiều dài tính toán
L chiều dài cấu kiện, in
Lb chiều dài không giằng của cấu kiện chịu uốn, in
Lp chiều dài không giằng tới hạn (TTGH về chảy), in
Lr chiều dài không giằng tới hạn (TTGH về mất ổn định ngoài), in
MA mômen lớn nhất trong ¼ đoạn không giằng, kips.in
MB mômen lớn nhất trong ½ đoạn không giằng, kips.in
MC mômen lớn nhất trong ¾ đoạn không giằng, kips.in
Trang 7Mmax mômen lớn nhất trong đoạn không giằng, kips.in
Mn khả năng chịu uốn danh nghĩa, kips.in
Mu khả năng chịu uốn yêu cầu, kips.in
Mp mômen dẻo, kips.in
Myc mômen dẻo của cánh nén uốn quanh trục x, kips.in
Myt mômen dẻo của cánh kéo uốn quanh trục x, kips.in
Mr khả năng chịu uốn yêu cầu, kips.in
Mc khả năng chịu uốn tính toán, kips.in
Pc khả năng chịu nén tính toán, kips
Pn khả năng chịu nén danh nghĩa, kips
Pr khả năng chịu nén yêu cầu, kips
Q hệ số giảm khả năng chịu lực đối với các phần tử mảnh
Qa hệ số giảm khả năng chịu lực đối với bản bụng
Qs hệ số giảm khả năng chịu lực đối với bản cánh
Rm thông số về tính đối xứng của tiết diện
Rpc hệ số dẻo của bản bụng
Rpt hệ số dẻo của bản bụng (TTGH của cánh kéo chảy dẻo)
Rpg hệ số giảm khả năng chịu uốn
Seff mômen tĩnh của tiết diện hữu hiệu, in.3
Sxt mômen tĩnh tiết diện đàn hồi cánh kéo đối với trục x, in.3
Sxc mômen tĩnh tiết diện đàn hồi cánh nén đối với trục x, in.3
Sx mômen tĩnh tiết diện đàn hồi đối với trục x, in.3
Sy mômen tĩnh tiết diện đàn hồi đối với trục y, in.3
Vn khả năng chịu cắt danh nghĩa, kips
Vu khả năng chịu cắt yêu cầu, kips
Zx môđun tiết diện dẻo đối với trục x, in.3
Zy môđun tiết diện dẻo đối với trục y, in.3
γr hệ số hiệu chỉnh mômen tính toán
Trang 8DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Kết cấu khung ngang một nhịp và khung ngang một mái dốc 3
Hình 1-2 Kết cấu khung nhiều nhịp có một cột chống và kết cấu gian chái 4
Hình 1-3 Kết cấu khung nhiều nhịp có hai cột chống 5
Hình 1-4 Kết cấu khung ngang xà gãy khúc và khung ngang hệ mái riêng 6
Hình 1-5 Kết cấu khung nhiều mái dốc 6
Hình 1-6 Cấu tạo chi tiết liên kết chân cột với móng 8
Hình 1-7 Cấu tạo chi tiết liên kết đầu cột với xà 9
Hình 1-8 Cấu tạo chi tiết liên kết đỉnh xà và nối xà 10
Hình 1-9 Khung ngang nhà công nghiệp hệ một nhịp (Nguồn internet) 13
Hình 2-1 Minh họa các ký hiệu cho cột để xác đinh hệ số chiều dài hữu hiệu 23 Hình 2-2 Minh họa các ký hiệu kích thước tiết diện cột 25
Hình 2-3 Minh họa khoảng cách bố trí giằng của cột 33
Hình 2-4 Bố trí sườn gia cường bản bụng cột 36
Hình 2-5 Minh họa các kích thước tính toán hệ số chiều dài hữu hiệu 38
Hình 2-6 Các kích thước tiết diện xà 39
Hình 2-7 Minh họa khoảng cách bố trí giằng của xà 47
Hình 2-8 Bố trí sườn gia cường bản bụng xà 50
Hình 2-9 Minh họa cấu tạo liên kết chân cột với móng 52
Hình 2-10.Minh họa sơ đồ và thông số tính toán bản đế 53
Hình 2-11 Minh họa kích thước bản đế và khoảng cách bố trí bu lông 55
Hình 2-12 Minh họa sơ đồ lực cắt thiết kế và chiều sâu sườn vấu 58
Hình 2-13 Minh họa sơ đồ bố trí và tính toán sườn gia cường bản bụng xà 60
Hình 2-14 Minh họa liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/3 có sườn cứng 62
Hình 2-15 Minh họa nội lực liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/3 có sườn cứng 64
Hình 2-16 Minh họa liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/2 có sườn cứng 67
Hình 2- 17 Minh họa nội lực liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/3 có sườn cứng 69
Trang 9Hình 3-1 Minh họa các kích thước tiết diện cột, xà 72
Hình 3-2 Minh họa sơ đồ tính và tải trọng, tác động 79
Hình 3-3 Minh họa các ký hiệu nội lực trong cột 81
Hình 3-4 Minh họa các ký hiệu cho xà để xác định hệ số chiều dài hữu hiệu 82
Hình 3-5 Minh họa các ký hiệu kích thước tiết diện chân cột 83
Hình 3-6 Minh họa các ký hiệu kích thước tiết diện đầu cột 86
Hình 3-7 Minh họa các ký hiệu kích thước trong đoạn chiều dài không giằng 91 Hình 3-8 Minh họa các ký hiệu kích thước để xác định hệ số ổn định bản bụng 95
Hình 3-9 Minh họa bố trí sườn gia cường bản bụng cột 96
Hình 3-10 Minh họa các kích thước và ký hiệu nội lực trong xà 97
Hình 3-11 Minh họa các kích thước xà để xác định hệ số chiều dài hữu hiệu 98
Hình 3-12 Minh họa các kích thước tiết diện tại mặt cắt 4-4 100
Hình 3-13 Minh họa các kích thước tiết diện tại mặt cắt 3-3 102
Hình 3-14 Minh họa các ký hiệu kích thước trong đoạn chiều dài không giằng 108
Hình 3-15 Minh họa các kích thước để xác định hệ số ổn định bản bụng 110
Hình 3-16 Minh họa các ký hiệu kích thước bố trí sườn gia cường bản bụng xà 111
Hình 3-17 Minh họa các chi tiết liên kết chân cột với móng 112
Hình 3-18 Minh họa các ký hiệu kích thước để tính toán bản đế 113
Hình 3-19 Minh họa ký hiệu lực cắt thiết kế và chiều sâu sườn vấu 116
Hình 3-20 Minh họa các kích thước và bố trí sườn gia cường bản bụng xà 119
Hình 3-21 Minh họa liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bu lông 1/3 có sườn cứng 121
Hình 3-22 Minh họa các ký hiệu nội lực liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/3 có sườn cứng 123
Hình 3-23 Minh họa các ký hiệu ích thước liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/3 có sườn cứng 127
Hình 3-24 Minh họa liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/2 có sườn cứng 128
Hình 3-25 Minh họa các ký hiệu nội lực liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/3 có sườn cứng 130
Hình 3-26 Minh họa các ký hiệu kích thước liên kết mặt bích kiểu nhiều hàng bulông 1/2 có sườn cứng 133
Trang 10DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Trị số hoạt tải mái Lr, ksi 18
Bảng 2.2 Tải trọng trần treo và thiết bị điển hình 18
Bảng 2.3 Tổ hợp tải trọng theo LRFD (SEI/ASCE 7 - 98) 22
Bảng 2.4 Tổ hợp tải trọng theo ASD (SEI/ASCE 7 - 98) 23
Bảng 2.5 Lực kéo trước nhỏ nhất của bulông Tb ( kip) 66
Bảng 3.1 Hệ số khí động mặt trong công trình 74
Bảng 3.2 Áp lực gió tính toán 75
Bảng 3.3 Tổ hợp tải trọng theo LRFD (SEI/ASCE 7 - 98) 77
Bảng 3.4 Tổ hợp tải trọng theo LRFD (SEI/ASCE 7 - 98) 78
Bảng 3.5 Tổ hợp tải trọng theo LRFD (SEI/ASCE 7 - 98) 78
Trang 11DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ký
hiệu
Ý nghĩa
AISC Viện kết cấu thép Mỹ American Institute of Steel Construction ASCE Hiệp hội xây dựng Mỹ American Society of Civil Engineers IBC Luật xây dựng quốc tế International Building Code
ASTM Tiêu chuẩn về vật liệu và kiểm tra Mỹ American Society for Testing and
Materials OSHA Quản lý an toàn và sức khỏe nghề nghiệp Occupational Safety and Health
Administration LRFD Thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số độ
ASD Thiết kế theo ứng suất cho phép Allowable Strees Design
GCpf Hệ số khí động mặt ngoài công trình External pressure coefficient
GCpi Hệ số khí động mặt trong công trình Internal pressure coefficient
WL Áp lực lớn nhất lên một bánh xe cầu trục Maximum wheel load
HT Trọng lượng xe con kèm động cơ Weight of hoist with trolley
CW Trọng lượng cầu trục không kể xe con và
C10VL Tải trọng thẳng đứng của cầu trục 10 tấn
với động cơ áp sát bên trái
10 ton crane vertical load with hoist furthermost left
C10VR
Tải trọng thẳng đứng của cầu trục 10 tấn
với động cơ áp sát bên trái
10 ton crane vertical load with hoist furthermost right
C10HL
Lực hãm ngang của cầu trục 10 tấn hướng
về phía trái ứng với phương chuyển động
của xe con
10 ton crane lateral load acting left due
on trolley movement
C10HR
Lực hãm ngang của cầu trục 10 tấn hướng
về phía phải ứng với phương chuyển
động của xe con
10 ton crane lateral load acting right due
on trolley movement
D Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) Dead load
L Tải trọng tạm thời (hoạt tải sàn) Floor live load
Trang 12Lr Tải trọng tạm thời (hoạt tải mái) Roof live load
W Tải trọng tạm thời (tải trọng gió) Wind load
E Tải trọng đặc biệt (tải trọng động đất) Earthquake load
R Tải trọng tạm thời (tải trọng mưa) Rain Load
S Tải trọng tạm thời (tải trọng tuyết) Snow load
Trang 13BẢNG CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ
Trang 14Như đã biết, trong mỗi cấu kiện chỉ có một hoặc một số ít các tiết diện chịu nội lực lớn nhất, nếu giữ nguyên các kích thước này để chế tạo cho mọi tiết diện trên toàn chiều dài cấu kiện thì sẽ gây lãng phí Vì vậy, nhằm tiết kiệm vật liệu thép thì nên giảm kích thước tiết diện tại vị trí có nội lực nhỏ hơn để phù hợp với biểu đồ nội lực Việc thay đổi tiết diện cấu kiện thì tiết kiệm được kim loại nhưng sẽ làm tăng chi phí chế tạo, nên nó chỉ có hiệu quả kinh tế đối với những cấu kiện lớn và chế tạo nhiều
Ở Việt Nam, quá trình thiết kế, chế tạo và thi công khung thép nhà công nghiệp có tiết diện thay đổi chưa có quy định tiêu chuẩn áp dụng cụ thể Do đó
mà việc tìm hiểu quy phạm Mỹ để vận dụng tính toán khung thép nhà công nghiệp là cần thiết
Từ những phân tích nêu trên: Đề tài “Nghiên cứu tính toán khung thép
nhà công nghiệp một tầng theo quy phạm Mỹ” có tính cấp thiết và tính thực
tiễn cao
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu về cấu tạo cột thép tiết diện thay đổi trong nhà công nghiệp;
- Nghiên cứu về nguyên lý tính toán khung thép có tiết diện cột thay đổi trong nhà công nghiệp
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Cấu kiện cột thép có tiết diện thay đổi trong kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng;
Trang 15THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội
TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN
Trang 16KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Hiện tại, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn áp dụng cụ thể cho quá trình thiết
kế, chế tạo, tính toán và thi công khung thép nhà công nghiệp một tầng có tiết diện cột, xà thay đổi
Việc nghiên cứu tính toán khung thép nhà công nghiệp một tầng theo tiêu chuẩn Mỹ là rất cần thiết, đặc biệt là khung thép có tiết diện cột, xà thay đổi vì loại khung này đang ngày càng được ứng dụng rất phổ biến
Ở Việt Nam việc tính toán cột có tiết diện không đổi chỉ cần tính cho một mặt cắt (vì mọi mặt cắt có tiết diện như nhau) Còn tính toán tiết diện cột theo tiêu chuẩn Mỹ thì có thể tính cả tiết diện cột không đổi và tiết diện cột thay đổi, khi tính toán tiết diện cột có tiết diện thay đổi theo tiêu chuẩn Mỹ thì muốn xác định khả năng chịu nén danh nghĩa của cột, trước hết ta phải đi tìm vị trí mặt cắt nguy hiểm nhất, sau đó mới xác định được khả năng chịu nén danh nghĩa của cột tại mặt cắt đó làm cơ sở cho việc tính toán tiếp theo
Kiến nghị
Tiếp tục nghiên cứu tính toán cũng như thiết kế, chế tạo và thi công nhà công nghiệp một tầng có tiết diện cột, xà thay đổi nhằm đưa ra tiêu chuẩn áp dụng cụ thể tại Việt Nam
Căn cứ vào tiêu chuẩn để viết chỉ dẫn kỹ thuật tạo cơ sở pháp lý cho quá trình tính toán thiết kế, chế tạo và thi công nhà công nghiệp một tầng có tiết diện cột, xà thay đổi