Đồ án: Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

+ Cấu tạo khung: các hình chiếu, mặt cắt của cột, xà ngang, các tiết diện đặc trưng,các chi tiết khung vai cột, chân cột, liên kết xà - cột, nối xà + Bảng thống kê thép cho một khung + G

ĐỒ ÁN MÔN HỌC KẾT CẤU NHÀ THÉP Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

B (m)

Cao trìnhđỉnh rayH1 (m)

Sức nângcầu trục

Q (T)

Độ dốcmái

i %

Số lượngkhung

Vùng gió-Dạng địahình

II NỘI DUNG:

a) Thuyết minh tính toán:

+ Lập mặt bằng kết cấu nhà xưởng

+ Xác định các kích thước chính của khung ngang.

+ Tác dụng và cách bố trí hệ giằng mái, giằng cột

+ Thiết kế xà gồ mái

+ Xác định các loại tải trọng tác dụng vào khung ngang

+ Tính khung ngang với các loại tải trọng nói trên

+ Thiết kế cột và xà ngang đặc tiết diện chữ I tổ hợp hàn

+ Thiết kế các chi tiết khung: liên kết xà - cột, vai cột, chân cột, nối xà

+ Tài liệu tham khảo

b) Bản vẽ:

Nội dung đồ án thể hiện trên khổ giấy A1 bao gồm:

+ Sơ đồ khung ngang, các kích thước chính, các cao trình đặc trưng, cấu tạo các lớp mái

+ Cấu tạo khung: các hình chiếu, mặt cắt của cột, xà ngang, các tiết diện đặc trưng,các chi tiết khung (vai cột, chân cột, liên kết xà - cột, nối xà)

+ Bảng thống kê thép (cho một khung)

+ Ghi chú: vật liệu thép, bu lông liên kết, bulông neo, đường kính lỗ, đường hàn, que hàn, phương pháp hàn, sơn chống gỉ

ii Xác định kích thước chính khung ngang

1 Lựa chọn dầm cầu trục, cầu trục, ray, lớp lót ray

Kh.cáchZmin(m)

Bề rộnggabarit

Bk (m)

BềrộngđáyKk (m)

T.lượngcầu trục G(T)

T.lượng

xe conGxe (T)

áp lực Pmax (KN)

áp lực Pmin(KN)

Chiều cao của ray và các lớp đệm chọn sơ bộ là: Hr = 200mm g =0,5kN/mr

Mặt cắt ngang dầm cầu trục, Ray và Gabarit cầu trục

2 Xác định kích thước chính khung ngang

2.1 Theo phương đứng

+ Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang:

H2=Hk+ bk = 0.81 + 0.20 = 1,01 (m)

bk = 0,20 (m) - khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang

+ Chiều cao của cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà ngang

H=H1+ H2 +Hs = 5 + 1,1 + 0 =6,1 (m)

Trong đó:

H1 - cao trình đỉnh ray H1 = 5 (m)

H3 - phần cột chôn dưới nền, coi mặt móng ở cốt ± 0.000 (H3 =0)

+ Chiều cao phần cột tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang:

Ht=H2+ Hdct + Hr = 1,1 + 0,5 + 0,2 = 1,8 (m)

+ Chiều cao phần cột tính từ mặt móng đến vai cột:

Hd=H + Ht + Hs = 6,1 – 1,8 + 0 = 4,3 (m)

2.2 Theo phương ngang

h = (1/15 ữ 1/20)H = (1/15 ữ 1/20) x 6,1 = ( 0,4067 ữ 0,305 ) (m)

⇒Chọn h = 40 (cm)

+ Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:

z =λ - h = 0,75 - 0,40 = 0,35 (m) > zmin = 0,16(m)

Các kích thước chính của khung ngang 2.3 Sơ đồ tính khung ngang

Dựa trên sức nâng của cầu trục chọn phương án cột có tiết diện không thay đổi,với độ cứng là I1 Vì nhịp khung là 18 m nên chọn phương án xà ngang có tiết diệnkhông thay đổi Do nhà có cầu trục nên chọn kiểu liên kết giữa cột với móng làngàm tại mặt móng (cốt ± 0.000) Liên kết giữa cột với xà ngang và liên kết tạiđỉnh xà ngang là cứng Trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn giản hoá

tính toán và thiên về an toàn Sơ đồ tính khung ngang như hình vẽ

a

21000

b

q = 6,3t

Sơ đồ tính khung ngang

iii tác dụng và cách bố trí hệ giằng máI, giằng cột

1 Tác dụng của hệ giằng mái, giằng cột

Hệ giằng là một bộ phận quan trọng của kết cấu nhà, có các tác dụng:

+ Bảo đảm sự bất biến hình và độ cứng không gian của kết cấu chịu lực của nhà.+ Chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, vuông góc với mặt

phẳngkhung như gió lên tường hồi, lực hãm của cầu trục

+ Bảo đảm ổn định cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu: thanh dàn, cột

+ Đảm bảo cho việc thi công lắp dựng kết cấu được an toàn và thuận tiện

Hệ thống giằng của nhà xưởng được chia thành hai nhóm: giằng mái và giằng cột

2 Bố trí hệ giằng mái, giằng cột

Iv Thiết kế xà gồ mái

GIẰNG CHÉO DỌC NHÀ GIẰNG CHÉO

cos =(0,074.1,1+0,3.1,3) 1,5

M

f W

v Xác định các loại tải trọng tác dụng vào khung ngang

1 Tĩnh tải (tải trọng thường xuyên)

Độ dốc mái i = 10% ⇒α = 5,710 (sinα = 0,099; cosα = 0,995)

* Tải trọng thường xuyên tác dụng lên khung ngang bao gồm:

+ Trọng lượng các lớp mái

+ Trọng lượng bản thân xà gồ

+ Trọng lượng bản thân khung ngang và dầm cầu trục

+ Trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy là

qtc = 0,074 + (n.gtc B)/L = 0,074 + 0,168 = 0.243 (KN/m2)

+ Chọn sơ bộ trọng lượng xà ngang: q =1 (kN/m) phân bố đều lên chiều dài xà

γg : hệ số vượt tải của tĩnh tải (γg = 1,1)

* Tổng tĩnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang:

+ Tải trọng bản thân dầm cầu trục và ray:

Tải này tác dụng lên vai cột khi tính toán ta đưa về tim cột dưới dạng 1 lực tậptrung và 1 mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:

Sơ đồ tính khung với tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

2 Hoạt tải

2.1 Hoạt tải sữa chữa

Tải trọng hoạt tải xác định theo TCVN 2737-1995

Trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái (mái lợp tôn) là

ptc = 0,3 kN/m2, hệ số vượt tải là n = 1,3 Quy đổi về tải trọng phân bố đều trên xàngang như hình vẽ

+ Hoạt tải tính toán p tt =n p B / costc α =1,3 0,3 6 / cos5,71× × o =2,352(kN/m)

5,405kNm 9,828 kN 9,78 kN

Giá trị tính toán của thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao Z so với mốc tiêu

chuẩn tác dụng lên 1m2 bề mặt thẳng đứng xác định theo công thức:

q = γp W k C B0

k: Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụ thuộc theo dạng địahình, áp dụng dạng địa hình B, hệ số k được xác định:

+ Mức đỉnh cột, cao trình 6,1 m -> k1 =1.0986+ Mức đỉnh mái, cao trình 7,15 m -> k2 =1.1206

Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số k lấy:

q2 = w0 k.C.B = (0,83 x 1,1096 x 0,5)x6 = 2,763(kN/m)q2tt = γp x q1tc = 1,2 x 2,763 = 3,316 (kN/m)

+ Tải trọng gió lên mái: Trên thực tế tải này truyền lên khung dưới dạng lực tập

trung tại điểm đặt các xà gồ, số lượng lực tập trung > 5 nên ta có thể quy về tảiphân bố

+ Gió nửa trái:

2.3 Hoạt tải cầu trục

Tải trọng cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực hãmngang, các thành phần được xác định như sau:

vào vị trí bất lợi nhất, xác định được các tung độ yi của đường ảnh hưởng, từ đóxác định được áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lêncột:

+ Trị số của mômen lệch tâm tương ứng:

Mmax = Dmax x e = 116,632 x 0,55 = 64,148 (kNm)

Mmin = Dmin x e = 36,353 x 0,55 = 19,994 (kNm)

Đường ảnh hưởng phản lực

B=3880 K=2900 P max

B=3880 K=2900 980

0.5167

Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục

b) Lực hãm ngang của cầu trục

+ Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray:

T1tc = 0,5 kf (Q+Gxe )/ n0 = 0,5.0,1.(63 + 5,90)/2 = 1,723 (kN)

Trong đó:

kf - hệ số ma sát, lấy bằng 0,1 với cầu trục có móc mềm

Gxe - trọng lượng xe con, tra catalô

Q - sức nâng thiết kế của cầu trục

n0 - số bánh xe cầu trục ở một bên ray

+ Lực hãm ngang của toàn cầu trục truyền lên cột đặt vào cao trình dầm hãm

(giả thiết cách vai cột 1,0 m)

T = nc γp Σ T1

tc yi = 0,85 x 1,1 x 1,723 x 3,0 = 4,833 (kN)

64,148kNm

116,632kN 36,353 kN

vi Xác định nội lực trong khung ngang, tổ hợp nội lực

1 Xác định nội lực

Nội lực trong khung ngang được xác định với từng trường hợp chất tải bằng phầnmềm SAP 2000 Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng các biểu đồ và bảngthống kê nội lực, dữ nguyên quy ước dấu trong phần mềm

Sau khi dùng phầm mềm SAP 2000 để lấy kết quả nội lực với các phương án chấttải khác nhau, hình dạng và trị số của biểu đồ nội lực cho nửa khung bên trái đượcthể hiện như hình vẽ dưới đây Đơn vị tính là kN, kN.m Riêng nội lực do hoạt tảichất cả mái xác định bằng cách cộng nội lực do 2 trường hợp chất hoạt tải mái nửatrái và nửa phải

LỰC HÃM LÊN CỘT PHẢI

1800

4300 4,833kN

LỰC HÃM LÊN CỘT TRÁI

4,833kN

1800

4300

2 Tổ hợp nội lực

Từ kết quả tính toán nội lực như trên ta tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực để tìm

ra trường hợp nội lực bất lợi nhất để tính toán tiết diện khung Với cột ta xét 4 tiếtdiện: đầu cột, vai cột (2 tiết diện), chân cột Với xà ngang ta xét 3 tiết diện: đầu xà,1/3 xà, đỉnh xà Tại mỗi tiết diện có các trị số M, N, V

+ Ta xét 2 loại tổ hợp:

- Tổ hợp cơ bản 1: gồm tĩnh tải thường xuyên và 1 hoạt tải

- Tổ hợp cơ bản 2: gồm tải trọng thường xuyên và nhiều hoạt tải nhân với hệ số

tổ hợp 0,9Kết quả cụ thể được ghi trong bảng tổ hợp

Biểu đồ momen tĩnh tải

Biểu đồ lực cắt tĩnh tải

Biểu đồ lực dọc tĩnh tải

Biểu đồ lực dọc hoạt tải trái

Biểu đồ lực cắt hoạt tảI trái

Biểu đồ momen hoạt tải trái

Biểu đồ momen hoạt tảI phải

Biểu đồ lực cắt hoạt tảI phải

Biểu đồ lực dọc hoạt tải phải

Biểu đồ lực dọc hoạt tảI mái

Biểu đồ lực cắt hoạt tải mái

Biểu đồ momen hoạt tải mái

Biểu đồ momen gió trái

Biểu đồ lực cắt gió trái

Biểu đồ lực dọc gió trái

Biểu đồ lực dọc gió phải

Biểu đồ lực cắt gió phải

Biểu đồ momen gió phải

Biểu đồ momen Dmax trái

Biểu đồ lực cắt Dmax trái

Biểu đồ lực dọc Dmax trái

Biểu đồ lực dọc Dmax phải

Biểu đồ lực cắt Dmax phải

Biểu đồ momen Dmax phải

Biểu đồ momen Tmax trái

Biểu đồ lực cắt Tmax trái

Biểu đồ lực dọc Tmax trái

Biểu đồ lực dọc Tmax phải

Biểu đồ lực cắt Tmax phải

Biểu đồ moomen Tmax phải

tải mái trái

Hoạt tải mái phải

Hoạt tải cả mái

Gió trái

Gió phải Dmax trỏi Dmax phải T trỏi T phải

1 Thiết kế tiết diện cột

a) Xác định chiều dài tính toán

Chọn phương án cột tiết diện không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột đã

giả thiết là bằng nhau ta có:

b) Chọn và kiểm tra tiết diện

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:

A : diện tích tiết diện ngang

Wx : mô men chống uốn của tiết diện theo trục x-x

Tra bảng IV.5 phụ lục – với loại tiết diện số 5, ta có :

Với Af / Aw = 0,5:

(1,75 0,1 ) 0,02(5m x m x) x

=(1,75 - 0,1.4,08) - 0,02(5 -4,08).1,604 = 1,31Với Af / Aw ≥ 1 :

(1,9 0,1 ) 0,02(6m x m x) x

=(1,9-0,1.4,08)- 0,02(6- 4,08).1,604 = 1,43Với Af / Aw = (1.20)/(0,6.38) = 0,877 ta có η=1,339

Từ đó: m e =ηm x = 1,339.4,08 =5,463 <20  Không cần kiểm tra bền

Với λx=1,604 và m e= 5,463 ; tra bảng IV.3 phụ lục, nội suy có ϕe=0,221

Điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung được kiểm tra

0,221.62,8

x e

N A

σϕ

=+

Với λy=46,64 , tra bảng IV.2 phụ lục, nội suy có ϕy=0,827

Do vậy điều kiện ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng đượckiểm tra theo công thức:

' 2.0,6.27,19 2.1.20 72,63( 2) 62,8( 2)

 không cần kiểm tra lại các điều kiện

ổn định tổng thể

Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ kết quả tính toán bằng phần mềm SAP

2000 trong tổ hợp tĩnh tải và tải trọng gió trái tiểu chuẩn là ∆ =x 3,02cm

=> Vậy tiết diện đã chọn là đạt yêu cầu

2 Thiết kế tiết diện xà ngang

w t

⇒ Chọn h = 40cm

* Kiểm tra tiết diện

+ Kiểm tra bề dày bản bụng từ điều kiện chịu cắt

Mặt cắt ngang của tiết diện xà

+ Tính các đặc trưng hình học của tiết diện

+ Mô men kháng uốn

150,70.10 38

w x

phải đặt sườn cứng ngang)

Với chiều cao tiết diện cột là h = 40cm, theo các công thức (2.60) và (2.61) trong

“Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp” - Trường ĐHKT HN

Ta xác định mô men uốn và lực cắt tại chỗ liên kết công - xôn vai cột với bản cánhcột, sơ đồ tính dầm vai như hình vẽ:

do phản lực dầm cầu trục truyền vào, theo công thức :

47,56.10 38

943,6 40

dv w dv

Cấu tạo vai cột + Chọn chiều cao đường hàn liên kết dầm vai vào cột hf = 0,6cm

Chiều dài tính toán của các đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột xác địnhnhư sau:

Phía trên cánh (2 đường hàn) l w =20 1 19(− = cm)

Phía dưới cánh (4 đường hàn) l w =0,5.(20 0,8) 1 8(− − ≈ cm)

chân cột, cấu tạo chân cột liên kết ngàm với móng như hình vẽ:

Trong đó trị số c1 chọn sơ bộ trong khoảng (5 ÷10) cm ; Chọn c1 = 7cm

Chiều dài của bản đế xác định từ điều kiện chịu ép cục bộ của bê tông móng

c 21.1

f γ

b) Tính toán dầm đế

Kích thước của dầm đế chọn như sau:

+ Chiều cao: h dd phụ thuộc vào đường hàn liên kết dầm đế vào cột phải đủ khả năng truyền lực do ứng suất phản lực của bê tông móng

+ Bề rộng: b dd = B bd =34cm

+ Bề dày (đã chọn) t dd =0,8cm

Lực truyền vào một dầm đế do ứng suất phản lực của bê tông móng :

N dd =(12 10).34.0,24 168,96(+ = kN)

Theo cấu tạo, chọn chiều cao của đường hàn liên kết dầm đế vào cột là hf = 0,7cm

Từ đó xác định được chiều dài tính toán của 1 đường hàn liên kết dầm đế vào cột:

s s

Vs

Theo cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn liên kết sườn A vào bản bụng cột

hf = 0,6cm Diện tích tiết diện và mô men chống uốn của các đường hàn này là:

2

2

3

2.0,7.(20 1) 22,8( )0,6.(20 1)

s s

e) Tính toán bu lông neo

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực ở chân cột gây kéo nhiều nhất cho các

2 3 64 2 33,5 3 20,8( )

3 6 64 33,5 / 3 6 46,8( )

bd bd

83,90.10 113,57.20,8

128,80( )46,8

2 1

Trong đó Lb : khoảng cách giữa 2 dãy bu lông neo ở hai biên của bản đế

Do T2 < T1 nên đường kính bu lông neo đã chọn là đạt yêu cầu

f) Tính toán các đường hàn liên kết cột vào bản đế

Các đường hàn liên kết tiết diện cột vào bản đế được tính toán trên quan niệm mômen và lực dọc do các đường hàn ở bản cánh chịu, còn lực cắt do các đường hàn ởbản bụng chịu Nội lực để tính toán đường hàn chọn trong bảng tổ hợp nội lựcchính là cặp đã dùng để tính toán bu lông neo

Lực kéo trong bản cánh cột do mô men và lực dọc phân vào theo công thức:

283,90.10 113,57

a) Tính toán bu lông liên kết

Chọn bu lông cường độ cao cấp bền 8.8, đường kính bu lông dự kiến là d =20mm

Bố trí bu lông thành 2 dãy với khoảng các bu lông tuân thủ các quy định trong bảng I.13 phụ lục “ Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp” phía ngoài của cột bố trí một cặp sườn gia cường cho mặt bích, với kích thước lấy như sau:

f - cường độ tính toán chịu kéo của bu lông tra bảng I.9 phụ lục "Thiết kế tb

khung thép nhà công nghiệp một tầng, mộtnhịp " f tb =400( /N mm2) 40(= kN cm/ 2)

bn

A - diện tích tiết diện thực của thân bu lông (Bảng I.11phụ lục) A bn =2,45(cm2)

Bố trí bu lông trong liên

n - số lượng mặt ma sát của liên kết, n f =1

Theo điều 6.2.5 TCXDVN 338-2005, trong trường hợp bu lông chịu cắt và kéođồng thời thì cần kiểm tra các điều kiện chịu cắt và chịu kéo riêng biệt

Lực kéo tác dụng vào một bu lông ở dãy ngoài cùng do mô men và lực dọc phânvào (do mô men có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bu lông phía trongcùng) theo công thức:

Do Nbmax = 13,63 kN < [ ]N tb =98(kN)nên các bu lông đủ khả năng chịu lực

+ Kiểm tra khả năng chịu cắt của các bu lông:

Tổng chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh ngoài (kể cả sườn)

∑l w =4.(9,6 1) 2.(9 1) 50,4(− + − = cm)

Lực kéo trong bản cánh ngoài do mô men và lực dọc phân vào theo công thức:

230,96.10 20,13

Cấu tạo mối nối cột với xà ngang

Đây là cặp nội lực trong tổ hợp nội lực do các trường hợp tải trọng 1,4 gây ra

Tương tự như trên chọn bu lông cường độ cao cấp bền 8.8, đường kính bu lông dự

kiến d = 20mm (lỗ loại C) Bố trí bu lông thành 2 hàng, ở phía ngoài của 2 bản

cánh xà ngang bố trí 2 cặp sườn gia cường cho mặt bích, kích thước như sau:

+ Khả năng chịu cắt của các bu lông được kiểm

tra theo công thức:

1 max 1

⇒ Kết hợp cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn là hf = 0,7cm

Cấu tạo mối nối đỉnh xà

Chiều cao cần thiết của đường hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng xà ngang theo công thức:

Kết hợp cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn hf = 0,7 (cm)

Tiến hành tương tự, chọn chiều cao đường hàn liên kết bản cánh với bản bụng cột

là : hf = 0,7 (cm)

viii tài liệu tham khảo

1 Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp.

TS Phạm Minh Hà (chủ biên), TS Đoàn Tuyết Ngọc

( Bộ môn kết cấu thép - gỗ, Trường đại học Kiến Trúc Hà Nội)

2 TCXDVN 338 - 2005 : Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế

3 Phạm Văn Hội (chủ biên) Kết cấu thép: Cấu kiện cơ bản Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2006

4 Phạm Văn Hội (chủ biên) Kết cấu thép 2 : Công trình dân dụng và công nghiệp Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 1998