đồ án kết cấu thép kích thước sơ bộ, tải trọng và nội lực khung ngang; thiết kế kết cấu khung ngang; chọn các chi tiết của khung ngang; hệ giằng và kết cấu bao che

 Chiều cao tiết diện ngang bé nhất của dầm vì kèo: Trọng lượng bản thân kết cấu khung: chương trình Sap tự tính...  Kiểm tra tiết diện theo ứng suất tiếp lớn nhất:  Kiểm tra tiết diệ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

THUYẾT MINH 3

I CƠ SỞ THIẾT KẾ : 3

I.1 Danh mục tiêu chuẩn kỹ thuật, quy chuẩn xây dựng và tài liệu sử dụng : 3

I.2 Số liệu và Vật liệu sử dụng : 3

I.2.1 Số liệu: 3

I.2.2 Vật liệu: 3

I.3 Danh mục các phần mềm sử dụng : 4

II KÍCH THƯỚC SƠ BỘ, TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC KHUNG NGANG: 5

II.1 Kích thước sơ bộ của khung ngang: 5

II.2 Tải trọng khung ngang: 6

II.2.1 Tĩnh tải: 6

II.2.2 Hoạt tải: 6

II.2.3 Tải gió: 7

II.3 Nội lực khung ngang: 8

II.3.1 Các trường hợp tải: 9

II.3.2 Tổ hợp tải trọng: 14

II.3.3 Nội lực: 15

III THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG NGANG: 17

III.1 Thiết kế vì kéo thép: 17

III.1.1 Nội lực tính toán: 17

III.1.2 Tính toán và chọn tiết diện lớn nhất: 17

III.1.3 Tính toán và chọn tiết diện tại đỉnh nóc: 19

III.1.4 Tính toán liên kết hàn cánh và bụng: 20

III.2 Thiết kế cột thép: 21

III.2.1 Nội lực tính toán: 21

III.2.2 Kiểm tra tiết diện: 21

III.2.3 Tính toán đường hàn cánh với bụng cột : 26

III.3 Thiết kế các chi tiết liên kết: 27

III.3.1 Thiết kế mối nối đỉnh của dầm vì kèo : 27

III.3.2 Thiết kế mối nối trung gian dầm vì kèo : 28

III.3.3 Thiết kế chân cột – liên kết cột với móng : 30

III.3.4 Thiết kế liên kết kèo với cột ( nách khung): 34

IV HỆ GIẰNG VÀ KẾT CẤU BAO CHE: 44

IV.1 Hệ giằng: 44

IV.1.1 Tải trọng tính toán: 45

IV.1.2 Nội lực trong các thanh giằng mái và giằng cột: 46

IV.1.3 Kiểm tra khả năng chịu lực của hệ giằng: 47

IV.2 Kết cấu đỡ cầu trục : 48

IV.2.1 Dầm đỡ cầu trục: 48

IV.2.2 Vai cột: 55

IV.3 Kết cấu bao che: 57

IV.3.1 Kết cấu mái: 57

THUYẾT MINH

I CƠ SỞ THIẾT KẾ :

I.1 Danh mục tiêu chuẩn kỹ thuật, quy chuẩn xây dựng và tài liệu sử dụng :

[1] TCVN 338 – 2005 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế.

[2] TCVN 2737 – 1995 Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.

[3] Hướng dẫn đồ án kết cấu thép – Tác giả : Th.S Lê Văn Tâm.

[4] TCXDVN 356 :2005 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế I.2 Số liệu và Vật liệu sử dụng :

I.2.1 Số liệu:

L CR

(ft)

H R (m)

C (T)

Loại cầu trục

Số cầu trục

Bước cột

B (m)

Số bước cột

Vùng địa hình

Loại địa hình

Với: M 1,1lấy theo điều 4.1.4, TCXDVN 338:2005

fv là cường độ tính toán chịu cắt của thép (Bảng 4, TCXDVN 338:2005)

Chọn boulon cấp 8.8, chế tạo từ thép tròn cấp SS400 với:

 b  1: hệ số điều kiện làm việc của liên kết boulon (Bảng 38, TCXDVN 338:2005)

 f tb  400MPa: cường độ tính toán khi làm việc chịu kéo của boulon ( Bảng 10,

TCXDVN 338:2005)

 f ub  400MPa : cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của boulon

 f ba  0, 4f ub  0, 4.400 160  MPa: cường độ tính toán chịu kéo của boulon neo.(Điều 4.2.4, TCXDVN 338:2005)

 f vb  0, 4f ub  0, 4.400 160  MPa: cường độ tính toán chịu cắt của boulon (Bảng 4 – TCXDVN 338:2005)

I.2.2.4 Bê tông móng/ cổ cột:

II KÍCH THƯỚC SƠ BỘ, TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC KHUNG NGANG:

II.1 Kích thước sơ bộ của khung ngang:

Tra catalog loại cầu trục TRSG với mã hiệu cầu trục A0560300, ta có:

 Nhịp cầu trục: L CR 18290mm 18, 29( )m

 Bề rộng cầu trục: N 3100(mm) 3,1( ) m

 Khoảng cách giữa 2 bánh xe cầu trục: W 2590mm 2,59 m

 Khoảng cách từ đỉnh ray tới điểm cao nhất của cầu trục: D480mm

 Khoảng cách từ tim ray đến đầu mút của cầu trục: H 150mm

 Trọng lượng của cầu trục (không kể xe con): B W 4480kg 44,80kN

 Trọng lượng của xe con: T W 410kg 4,10kN

 Áp lực thẳng đứng lớn nhất của bánh xe cầu trục: P max 3590kg 35,90(kN)

 Chiều cao tiết diện ngang bé nhất của dầm vì kèo:

 Trọng lượng bản thân kết cấu khung: (chương trình Sap tự tính)

II.2.2 Hoạt tải:

 Hoạt tải mái: Sử dụng mái tone nhẹ, theo TCVN 2737:1995 ta có: p roof 30daN m/ 2

 10 2 1,3.30.8 10 2 3,12 / 

u

girder Q roof

 Hoạt tải cầu trục: Hai cầu trục hoạt động song song, có N 3100mm B8000mm

 Áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất: với trọng lượng bản thân dầm đỡ cầu trục vàray là: w r.w  1kN m/ 

II.2.3 Tải gió:

 Áp lực gió tiêu chuẩn vùng IIA: W 0 83daN m/ 2

 

3 10 1, 2.1.0,5.83.10 8 3,98 /

r

w,s Q o e o

II.3 Nội lực khung ngang:

 Kích thước khung ngang:

 Chiều rộng khung ngang: L20 m

 Chiều cao:

min ax

0,37,5 1,5 0,8 9,95( )

Hình 2.2: Mô hình khung ngang 3D

II.3.1 Các trường hợp tải:

Hình 2.3: Tĩnh Tải (TT)

Hình 2.4: Hoạt tải mái (HTM)

Hình 2.5: ax

Trai m

D (DTR)

Hình 2.6: ax

Phai m

D (DPH)

Hình 2.7: T trai vao (TTRV)

Hình 2.8: T trai ra (TTRR)

Hình 2.9: T Phai vao (TPHV)

Hình 2.10: T Phai ra (TPHR)

Hình 2.11: Gió trái (GT)

Hình 2.12: Gió phải (GP)

II.3.2 Tổ hợp tải trọng:

trai m

TH TT HTM ax

trai m

Hình 2.14: Bao lực dọc

Hình 2.15: Bao lực cắt

III THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG NGANG:

III.1 Thiết kế vì kéo thép:

III.1.1 Nội lực tính toán:

Phần tử Mặt cắt MminkN m.  V s.minkN M maxkN m.  V s m axkN V maxkN

5

0.000 -159.41 -41.51 134.51 26.45 -41.512.512 -72.60 -28.61 74.76 21.06 -30.075.025 -22.81 -7.85 28.95 15.35 -18.947

0.000 -22.81 -7.85 28.95 15.35 -18.94

III.1.2 Tính toán và chọn tiết diện lớn nhất:

III.1.2.1 Kiểm tra theo điều kiện bền uốn:

 Tính cho tiết diện I200x8x800x6, ta có đặc trưng hình học của tiết diện ngang:

x x

t w (mm)

b f (mm)

t f (mm)

I x (cm 4 )

→ Ta thấy với tiết diện I150x8x500x6 cho kết quả gần sát và thỏa mãn điều kiện bền

→ Vậy ta lấy tiết diện I150x8x500x6 để kiểm tra các điều kiện tiếp theo.

 Kiểm tra tiết diện theo ứng suất tiếp lớn nhất:

 Kiểm tra tiết diện theo ổn định tổng thể:

 Bố trí các thanh giằng cánh dưới tại mỗi vị trí xà gồ ( cách nhau 1,5m)

 Tính f

o

l b

III.1.3 Tính toán và chọn tiết diện tại đỉnh nóc:

 Tính cho tiết diện I200x8x300x6, ta có đặc trưng hình học của tiết diện ngang:

x x

t w (mm)

b f (mm)

t f (mm)

I x (cm 4 )

→ Ta thấy với tiết diện I150x8x150x6 cho kết quả gần sát và thỏa mãn điều kiện bền

→ Vậy ta lấy tiết diện I150x8x150x6 để kiểm tra các điều kiện tiếp theo.

 Kiểm tra tiết diện theo ứng suất tiếp lớn nhất:

 2ax

 Kiểm tra tiết diện theo ổn định tổng thể:

 Bố trí các thanh giằng cánh dưới tại mỗi vị trí xà gồ ( cách nhau 1,5m)

 Tính f

o

l b

  Vậy ta không cần kiểm tra ổn định tổng thể

III.1.4 Tính toán liên kết hàn cánh và bụng:

 Thiết kế đường hàn góc liên kết cánh và bụng dầm với que hàn N46, phương pháp

N max (kN)

M s.max (kN.m)

M max (kN.m)

N s.max (kN)

M min (kN.m)

N s.min (kN)

Cột dưới -160.31 -120.10 25.79 -94.05 259.37 14.54 -232.02 -68.71Cột trên -47.59 102.59 29.01 -129.29 159.41 -44.36 -134.59 25.61

III.2.2 Kiểm tra tiết diện:

 Chiều dài tính toán :

 Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung :

Tra bảng D.1 với sơ đồ tính như hình, ta lấy 1  2;

      chọn 2  3

Cột dưới: l x1 1H L  2.7500 15000(  mm)Cột trên: l x2 2H U  3.1500 4500(  mm)

 Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng khung: là

khoảng cách giữa các điểm kiềm chế

III.2.2.1 Kiểm tra bền:

Với :c0,95 là hệ số điều kiện làm việc của cột ( Bảng 3 – TCXDVN 338:2005)

 Kiểm tra cho tiết diện I200x8x800x6:

x x

→ điều kiện thỏa

 Tương tự với các cặp nội lực còn lại, ta có bảng tóm tắt kết quả sau:

M

(kN.m)

N (kN)

A n (cm 2 )

Wx

(kN/cm 2 ) c.f (kN cm/ 2 )-120.10 -160.31 80 1908 0.95 22.27 21.16 8.30-94.05 25.79 80 1908 0.95 22.27 21.16 5.25259.37 14.54 80 1908 0.95 22.27 21.16 13.78-232.02 -68.71 80 1908 0.95 22.27 21.16 13.02

→ Điều kiện bền thỏa, tuy nhiên tiết diện vẫn còn lớn, ta đi giảm bớt kích thước tiết diện

và kiểm tra lại điều kiện Ta xét tiết diện I150x10x600x8, ta có bảng tóm tắt kết quả sau: M

(kN.m)

N (kN)

A n (cm 2 )

→ Tiết diện I150x10x600x8 thỏa điều kiện và có kết quả sát nhất, nên ta lấy tiết diện

này để kiểm tra các điều kiện tiếp theo

III.2.2.2 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung:

f

c e

x x

 Tính chi tiết cho cặp nội lực: Nmin  160,31kN M; s.min  120,1kN m. 

 Độ lệch tâm tương đối:

2120,1.10 78

Wx 160,31 1365

M A m

→ Điều kiện thỏa.

 Tính tương tự cho các cặp nội lực còn lại, ta có bảng tóm tắt kết quả như sau:

→ Vậy tiết diện I150x10x600x8 thỏa điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung III.2.2.3 Kiểm tra điều kiện ổn định ngoài mặt phẳng khung:

.f y c

N

y

 – hệ số lấy theo điều 5.3.2.1 – TCXDVN 338:2005

 Tính toán chi tiết cho cặp nội lực: Nmin  160,31kN M; s.min  120,1kN m. 

x

l I

Wx 160,31 1365

M A m

→ Điều kiện thỏa

 Tính tương tự cho các cặp nội lực còn lại, ta có bảng tóm tắt kết quả như sau:

→ Vậy tiết diện I150x10x600x8 thỏa điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung III.2.2.4 Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng:

o

b b

 

 

  - là hệ số xác định theo bảng 35, TCXDVN 338:2005

Với: 0,8   2,15 4 , ta có:

    4 f

 Bản bụng có thể bị mất ổn định khi chịu tải, theo điều 5.6.2.6 – TCXDVN 338:2005,

ta phải gia cường các sườn cứng ngang, khoảng cách giữa các sườn là:

Hình 3.3: tiết diện ngang cột

III.2.3 Tính toán đường hàn cánh với bụng cột :

 Thiết kế đường hàn góc liên kết cánh và bụng dầm với que hàn N46, phương pháp hàn tự động và bán tự động

 

160,31

0,013( ) 0,13( ) 0,95.20 900 1 0,7

III.3 Thiết kế các chi tiết liên kết:

III.3.1 Thiết kế mối nối đỉnh của dầm vì kèo :

w

31,92 212,8( )0.15

b PL

 Theo tiết diện biên nóng chảy:

f f

Hình 3.4: chi tiết nối đỉnh vì kèo

III.3.2 Thiết kế mối nối trung gian dầm vì kèo :

w

28,95

193( ) 0.15

b PL

40 60 50

50 60 40 6

150

Hình 3.5: chi tiết mối nối trung gian dầm vì kèo.

III.3.3 Thiết kế chân cột – liên kết cột với móng :

III.3.3.1 Nội lực tính toán:

Phần tử N min

(kN)

M s.min (kN.m)

N max (kN)

M s.max (kN.m)

M max (kN.m)

N s.max (kN)

M min (kN.m)

N s.min (kN)

Hình 3.6: kích thước sơ bộ của bản đế

 Kiểm tra điều kiện bền nén của bê tông móng, ứng với các cặp nội lực:

2

.min min

 Kiểm tra lại diện tích bản đế cho cặp nội lực: M max  259,37kN m N. ; s m ax  14,54kN

 Độ lệch tâm của tải trọng:

 c 9,5cm là khoảng cách từ trọng tâm của nhóm boulon chịu kéo đến mép bản

đế ( lựa chọn phương án chân cột có 8 boulon)



5

3

2.10 7, 4127.10

s b

E r

E

là tỷ số module đàn hồi của thép và bê tông

 Tổng lực kéo trong nhóm (4 boulon) kéo:

T

→ Chọn boulon 36 tra bảng B.4, TCXDVN 338:2005, ta có Abn 8,16cm2

 Kiểm tra lại y:

Giá trị y là nghiệm của phương trình bậc 3: y3K y1 2K y K2  3  0

 Mô ment uốn lớn nhất dưới bản đế:

c

M t



chọn bản đế dày 4 (cm)

 Kiểm tra diện tích bản đế ứng với các cặp nội lực còn lại, ngoại trừ cặp nội lực

N max ;M s.max : Tính toán và kiểm tra điều kiện tương tự, , ta có bảng kết quả tóm tắt như

T (kN)

III.3.3.3 Kiểm tra boulon neo với tổ hợp Nmax 25,79kN; M s.max 94,05kN m   :

 Tổng lực kéo trong 4 boulon neo:

2 ax ax 94,05.10 25,79 167, 08

III.3.3.4 Tính chiều dày bản đế khi chịu nhổ:

Xem như toàn bộ lực kéo trong loulon neo đều được truyền từ bản cánh sang (tức là toàn bộ lực kéo do bản cánh chịu)

 Moment uốn trong bản đế - do sự nhấc lên của cánh:

0,5 / 8 167, 08 11 0,5.3,6 / 8 192,14

 Chiều dày của bản đế - do sự nhấc lên của cánh:

 Đường hàn góc liên kết cánh cột vào bản đế:

 Nội lực tính toán: Tf lg max T T T 1 ; ; 2 3 max 162,82;108,33; 287,86   287,86kN

Trong đó:

2 min min

 Đường hàn góc liên kết bụng cột vào bản đế:

 Nội lực tính toán: Vmax  71, 01kN

Hình 3.7: chi tiết cấu tạo chân cột

III.3.4 Thiết kế liên kết kèo với cột ( nách khung):

 Tiết diện cột: I150x10x600x8.

 Tiết diện kèo: I150x8x500x6.

 Chọn kiểu liên kết có 2 boulon ở mỗi hang, giả sử liên kết gồm 10 boulon, sử dụng boulon 20có A bn 2,54cm2

III.3.4.1 Tính toán boulon cánh ngoài:

III.3.4.1.1 Nội lực tính toán:

665660

298

77187243293

2

III.3.4.1.3 Tính ứng suất trong các phần tử và kiểm tra khả năng chịu lực:

 Ứng suất kéo trong hàng boulon ngoài cùng:

III.3.4.1.4 Tính chiều dày bản nối (mặt bích):

 Lực kéo trong các boulon:

min

h  mm : Bảng 43 – TCXDVN 338:2005

 Nội lực tính toán: Tính với lực kéo trong sườn: T g 11,17kN

 Theo tiết diện kim loại đường hàn:

III.3.4.2 Tính toán boulon cánh trong:

III.3.4.2.1 Nội lực tính toán:

Y1

X1 o

Hình 3.11: tọa độ y so với trục cơ sở X 1 0Y 1

(cm 2 )

Y (cm)

140 249 304 1

Y

Xoy=30,58(cm)

Y1

X1 o

Hình 3.12: vị trí trục trung hòa và cánh tay đòn d

 Xác định moment quán tính:

(cm 2 )

d (cm)

2

III.3.4.2.3 Tính ứng suất trong các phần tử và kiểm tra khả năng chịu lực:

 Ứng suất kéo trong hàng boulon ngoài cùng:

III.3.4.2.4 Tính chiều dày bản nối (mặt bích):

 Lực kéo trong các boulon:

   

2 2.11,68

1,56 / f 20,04 /15.1

BOULON CƯỜNG ĐỘ CAO Þ 20

Hình 3.13: chi tiết liên kết kèo với cột (nách khung)

IV HỆ GIẰNG VÀ KẾT CẤU BAO CHE:

o Đối với hệ giằng cột: đường kính 32

IV.1.1 Tải trọng tính toán:

IV.1.1.1 Tải trọng gió:

 Áp lực gió tiêu chuẩn vùng IIA: W 0 83daN m/ 2

IV.1.1.3 Tải trọng gió tác dụng vào các nút:

 Diện tích đón gió của các nút:

IV.1.2 Nội lực trong các thanh giằng mái và giằng cột:

 Các thanh xiên của hệ giằng mái:

 Giả thiết tiết diện các thanh xiên đều nhau là 25, do đó ta chọn thanh có giá trị nội lực lớn nhất để kiểm tra: X2  38,91kN

→ Điều kiện thỏa, thanh xiên của hệ giằng mái đủ khả năng chịu lực

 Các thanh chống dọc của hệ giằng mái:

 Các đặc trưng hình học của thanh:

 Các thanh xiên của hệ giằng cột:

 Giả thiết tiết diện các thanh xiên đều nhau là 32, do đó ta chọn thanh có giá trị nội lực lớn nhất để kiểm tra: X b2  70, 69kN

 Khả năng chịu lực:

    2      

2 0.4f 1.0, 4.40.(0, 75 .3, 2 / 4) 96,50 max 1 , 2 70,69

→ Điều kiện thỏa, thanh xiên của hệ giằng cột đủ khả năng chịu lực

 Các thanh chống dọc của hệ giằng cột:

 Các đặc trưng hình học của thanh:

→ Điều kiện thỏa, thanh chống dọc của hệ giằng mái đủ khả năng chịu lực

 Kết luận: các thanh chống dọc và thanh xiên đều đủ khả năng chịu lực Như vậy giả thiết sơ bộ tiết diện các thanh chống dọc và thanh xiên là đạt yêu cầu chịu lực IV.2 Kết cấu đỡ cầu trục :

IV.2.1 Dầm đỡ cầu trục:

 Giả thiết tiết diện dầm đỡ cầu trục: giả thiết dầm đỡ cầu trục là dầm đơn giản, tiết diện như sau:

 Tiết diện chữ I: I150x10x500x8 thép tổ hợp hàn từ thép tấm, kích thước như hình vẽ.

 Tiết diện chữ C: C20, thép định hình với kích thước như hình vẽ.

Y

Y

X X

Giả thiết lấy hệ trục X Y I0 I làm hệ trục cơ sở, ta có hệ đối xứng qua trục OY, vậy ta có:

 Ta có trục trung hòa X-X như hình vẽ bên dưới

 Moment quán tính của tiết diện quay quanh trục X-X là:

Hình 4.4: trục trung hòa của tiết diện ngang dầm đỡ cầu trục

 Các kí hiệu, giá trị tính dầm đỡ cầu trục:

 n  c 0,85: hệ số tổ hợp khi 2 cầu trục hoạt động sóng đôi

  Q 1,1: là hệ số độ tin cậy của tải trọng

 imp 1,1: là hệ số động của tải trọng

 w rw  1kN m/  : là trọng lượng bản thân của dầm đỡ cầu trục và ray

 I X: là moment quán tính của tiết diện quanh trục X-X:

*

Y

I : là moment quán tính quanh trục Y-Y của chữ C và nửa phần trên chữ I

 Pmax  35,9kN : Áp lực thẳng đứng lớn nhất của bánh xe cầu trục

 Pmin  11, 2kN: Áp lực thẳng đứng nhỏ nhất của bánh xe cầu trục

IV.2.1.1 Tải trọng, nội lực, chuyển vị:

 Moment uốn (quanh trục X-X và Y-Y):

IV.2.1.2 Kiểm tra khả năng chịu lực, độ võng:

 Ứng suất pháp ở cánh dưới (kéo):

Khi không cần kiểm tra mỏi (số chu kì tải trọng n  Q 105

):

 2  2

22,98.100

0,196 / f 0,9.22, 27 20, 04 / 11728