TRƯ Ờ N G ĐẠI HỌC KIÊN T R Ú C H À NỘI ■ ■ ■ BỘ MÔN K Ế T CẤU T H É P - G ỗ T S PHẠ M MINH HÀ (Chủ biên) - T S Đ O À N T U Y Ế T N G Ọ C THIẾT KÊ KHUNG THÉP NHÀ CiNG NGHIỆP MỘT TÁNG, MỘT NHỊP ■ ■ (Tái bản) NHẢ XUẤT BẢN XÂY D ự N G H À NỘI -2010 * m m LỜI NÓI ĐẦU T ron g thời g ia n g ầ n đây, loại khung thép nhẹ với cột xà ngan g tiế t d iện đặc chữ tổ hợp hàn sử dụ n g r ấ t rộng rã i tron g công tr in h xảy dự ng công ngh iệp d â n dụn g nhờ nhữ ng ưu đ iể m b ậ t g iả m đ n g k ế chi p h í v ậ t liệu, q u trìn h c h ế tạo tự đ ộ n g hố, việc th i cơng dự ng lắp nh anh thuận tiện Cùng với việc Bộ X â y dự n g ban hàn h Tiêu chuẩn th iết k ế kết cấu thép TC X D 3 -2 0 x u ấ t p h t từ tinh hỉnh thực tiễn , th cần th iết p h ả i biên soạn tà i liệu n ày đ ể sinh viên ngành X ây dựng dán d ụ n g cơng nghiệp có tài liệu tham- khảo tro n g qu trin h học tập m đ án m ôn học C húng xin chăn th àn h cảm ơn GS N guyễn T rảm th ầ y cô g iá o Bộ m ôn K ết cấu thóp-gỗ Trường Đ i học K iến trú c H N ội đ ã đóng góp n h iều ý kiến qu ỷ háu tron g trin h biên soạn Vi k h ả n ă n g trin h độ có hạn nên chắn khơng tránh khỏi thiếu só t, r ấ t m ong bạn đọc g óp ỷ p h ê binh đ ể tà i liệu có th ế hoàn chỉnh tốt C ác tác giả TRONG TÀI LIỆU s DỤNG CÁC KÍ HIỆU SAU a) C ác đặc trưng hình học A diện tích tiết diện nguyên An diện tích tiết diện thực A| diện tích tiết diện cánh Aw diện tích tiết diện bụng A hn diện tích tiết diện thực bulông b chiều rộng b, chiều rộng cánh b chiều rộng phần nhò cánh h chiều rộng sườn ngang h chiều cao tiết diện chiều cao bàn bụng h, chiều cao đường hàn góc h lv khoảng cách trục cánh dầm i bán kính quán tính tiết diện ix, iy bán kính quán tính tiết diện trục tương ứng x-x, y-y I| m ôm en qn tính tiết diện nhánh I, m ơm en qn tính xoắn Ix, Iy m ơm en qn tính tiết diện nguyên trục tương ứng x-x y-y Inx, Iny mơmen qn tính tiết diện thực trục tương ứng x-x y-y L chiều cao đứng, cột chiều dài nhịp dầm / chiều dài nhịp /„ chiều dài tính tốn cấu kiện chịu nén /x, ly chiều dài tính tốn cấu kiện mặt phẳng vng góc với trục tương ứng x-x, y-y /w chiều dài tính tốn đường hàn s m ôm en tĩnh t chiều dày tị , tw chiều dày củ a cánh bụng W nmin m ôm en chống uốn nhỏ tiết diện thực trục tính tốn W x, W y m ôm en chống uốn tiết diện nguyên đối VỚI trục tương ứng x -x , y -y b) N goại lực nội lực F, p ngoại lực tập trung M m ôm en uốn M x, M y m ôm en uốn trục tương ứng x-x, y-y N lực dọc V lực cắt c) Cường độ ứng suất E m ôđun đàn hồi f cường độ tính tốn thép chịu kéo, nén, uốn lấy theo giới hạn chảy fv cường độ tính tốn chịu cắt thép fc cường độ tính tốn thép ép m ặt theo m ặt phẳng tì đầu (có gia cơng phẳng) fuh cường độ kéo đứt tiêu chuẩn bulông fth cường độ tính tốn chịu kéo bulơng fvh cường độ tính tốn chịu cắt buiơng fth cường độ tính tốn chịu ép m ặt bulơng fbá cường độ tính tốn chịu kéo bulơng neo fhh cường độ tính tốn chịu kéo bulơng cường độ cao fw cường độ tính tốn m ối hàn đối đầu chịu nén, kéo, uốn theo hạn chảy fwv cường độ tính toán m ối hàn đối đầu fwf cường độ tính tốn đường hàn góc (chịu cắt quy ước) theo kim loại m ối hàn fws cường độ tính tốn đường hàn góc (chịu cắt quy ước) theo kim loại biên nóng chảy fwun cường độ tiêu chuẩn kim loại đường hàn theo sức bền kéo đứt ứng suất pháp ơc ứng suất pháp cục chịu cắt x, y ứng suất pháp song song với trục tương ứng x-x, y-y cr ,ơc cr ứng suất pháp tới hạn ứng suất cục tới giới hạn X ứng suất tiếp \-r ứng suất tiếp tới hạn K í hiệu th ô n g sô e độ lệch tâm lực rn độ lệch tâm tương đối mc độ lệch tâm tương đối tính đổi nv số lượng mặt cắt tính tốn Pr ps hệ số để tính tốn đường hàn góc theo kim loại đường hàn biên nóng chảy thép Y, hệ số điều kiện làm việc kết cấu Yb hệ số điều kiện làm việc liên kết bulông VYp hệ số độ tin cậy tải trọng (hệ số vượt tải) nc hệ số tổ hợp nội lực 'H hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện độ mảnh cấu kiện I độ mảnh quy ước A vv độ mảnh quy ước bụng A.x , Xy độ mảnh tính tốn cấu kiộn m ặt phẳng vng góc với trục tương ứng x-x, y-y hệ số chiều dài tính tốn cột hệ số uốn dọc , cần kiểm tra ô bụng theo quy định điều 5.6.1 TC X D V N 338-2005 [1] 30 2.9 TH IẾ T K Ê CÁC CHI TIẾT 2.9.1 Vai cột Vai cột làm nhiệm vụ đỡ dầm cầu trục truyền tải trọng cầu trục vào cột Trong khung thép nhẹ, vai cột (dầm vai) thường có tiết diện đối xứng chữ I tổ hợp hàn (h ìm 2.11) Sơ đồ tính dầm cơng-xon, có nhịp khoảng cách từ trọng tâm dầm cầu :rục đến m ép củá cánh cột khung, chịu tải trọng tập trung áp lực đứng tiọng lượng thân dầm cầu trục truyền vào (hình 2.12) N ội lực dầm vai chỗ ngàm với cánh cột xác định theo cơng thức sức bền vật liệu: M = (Dmax+ G d, ) ( L 1- h ) ; (2.60) V = D max+ G dct (2.61) Chiều cao bụng dầm vai ( hfvv ) chọn từ điều kiện chịu lực hai đường hàn liên kết bụng dầm vai với cánh cột Bề dày cánh dầm vai chọi: sơ khoảng (1-2) cm, bề rộng chọn phụ thuộc vào bế rộng cánh cột kđv bf Ir " " ’" tả xi ịt 1-1 31 Bể dày bụng dầm vai xác định từ điều kiện chịu ép cục phản lực dầm cầu trục truyền vào: max +G.dct (2 ) < fy c (b a c + ^ v ; R út ra: dct (2 ) (b dct+ C ) f Y c đó: t^v - bế dày bụng dầm vai; bdct - bề rộng sườn gối dầm cầu trục, lấy theo phần thiết k ế dầm cầu trục chọn sơ khoảng (20-30) cm; tf - bề dày cánh dầm vai, chọn sơ khoảng (1-2) cm; Tiết diện dầm vai chọn cần kiểm tra theo điều kiện bền uốn, cắt ứng suất tương đương chỗ ngàm với cánh cột: M = (2 ) w.dv (2 ) > h dvf V “ w Av T c ( 66 ) + x 2ị M A< trên: dv h w hdv ’ V S fV Jd v X w L, - h Wxdv, I^v - m ôm en chống uốn m ơm en qn tính tiết diện dầm vai; h^,v - chiều cao bụng dầm vai; tdv m ôm en tĩnh cánh dầm vai trục trung hoà N goài ra, cần kiểm tra điểu kiện ổn định cục © cánh bụng dầm vai, tương tự vói dầm thép thơng thường 32 Hình 2.12 Sơ đồ tính dầm vai C hiều cao đường hàn góc liên kết dầm vai vào cột chon sơ dựa vào quan niệm coi lực cắt đường hàn liên kết bụng chịu, còrì m ô men đường hàn liên kết cánh chịu Các đường hàn kiểm tra theo điều kiện: (2.67) đó: A w, Ww - diện tích tiết diện mơ men chống uốn đường hàn liên kết dầm vai vào cánh cột 2.9.2 C hân cột a) Trường hợp chân cột liên kết khớp với m óng Diện tích cần thiết đế xác định từ điều kiện chịu ép cục bêtơng móng: ( 68 ) đó: N - lực nén tính tốn chân cột; \ụ - hệ số lấy ứng suất bêtơng m óng phân bố đều, 0,75 ứng suất bê tơng móng phân bố khơng đều; R b |OC- cường độ tính tốn chịu nén cục bêtơng m óng, R b io c = a - hệ số lấy mác bêtông m óng khơng q B25; ọ b - hệ số tăng cường độ bê tông nén cục bộ, (pb = < 1,5 (thường chọn sơ khoảng 1,1-1,2); A m - diện tích mật móng; A bd - diện tích bề mặt đế; R b - cường độ nén tính tốn bêtơng móng Từ điều kiện (2.68) chọn bề rộng B^i chiểu dài LM đ ế chân cột, cho thoả m ãn điểu kiện: ơ= (2.69) Với: - ứng suất phản lực bêtơng m óng đ ế chân cột 33 N bulống neo 11I I I 1111111 l í E l i 111 LU II III ] — t ị u 1 * ^ * * -* ttttt Ị o ; L U im A U U iU u iim u m iim u m iiiii j f ị ■ý- CQ cq Ị > u L bd a) Trường hợp khơng có sườn gia cường L hd b ) Trường hợp có sườn gia cường Hình 2.13 Cấu tạo cltân cột liên kết khớp với mỏn\> Bể dày đ ế xác định từ điểu kiện bền uốn đ ế chịu ứng suất phản 1ực bê tơng m óng, coi phân bố (xem phần tính tốn chân cột liên kết ngàm đây) Bề dày đ ế chọn không nhỏ 12 m m Trường hợp bề dày đ ế q u í 1ớn cần cấu tạo thêm sườn đ ế (hình 2.13b) Bu lơng neo chọn theo cấu tạo, đường kính (2 24) mm Số lượng bu lông thường chọn cái, tuỳ thuộc vào kích thước chân :ộ't b) Trường hợp chán cột liên kết ngàm với m ón g Cấu tạo chân cột liên kết ngàm với m óng khung thép nhẹ thường bao g ổ m đế, dầm đ ế có thêm sườn Các dầm đ ế sườn có tác dụng phân p h ố i nội lực chân cột xuống đế, đồng thời giảm kích thước ỉế từ giảm bề dày đế Hình 2.14 thể hai phương án cấu tạo châi c ộ t tuỳ thuộc vào độ lệch tâm e = M /N H ình 2.14a áp dụng cho trường hợp e < L ^/6 (kiỏing có vùng chịu kéo bê tơng m óng) H ình 2.14b áp dụng cho trường hợp e > ^ M/6 (có vùng chịu kéo bê tơng m óng) Bề rộng chiều dài đế chọn trước theo cấu tạo chân cột: ®bd —b + 2C ị; L m = h + tdd + c • Chiều dài đ ế thường khơng nên chọn vượt 30cm so với chiều cao tiết diện c ộ t để kích thước cổ m óng khơng q lớn Các kích thước c l t c 2, t dd chọn sơ b ện ỉh sau: Cị = ( - ) c m ; c2 = ( - 15)cm ; t dd = ( , - , )c m 34 ĩ ~u * Ạ * * -■Hi -l d«i JtUc Idđ Í/J b) Hình 2.14 Cáu lạo cliâu cột liên kết ngâm với móng Sau chọn Bw Lw, cần kiểm tra lại điều kiện ép cục bêtông móng: N 6M + — -— < V|/R, R I R ĩ " H' 1Xb'lw ‘ 'bd^hd Du k,|L| bd^hd ^max (2.70) Bé dày cúa đế chân cột xác định từ điểu kiện chịu uốn đ ế tác dụng ứng suất phản lực bêtơng móng (lưu ý ứng suất phản lực ô đế phân bố không đểu để thiên an tồn lấy giá trị ứng suất lớn ô xét): 6M l lx l - (2.71) fYc đó: M - giá trị lớn mômen uốn ô đế: M, = a „ ,d “ (2.72) M, - trị sô inỏmen uốn ỏ đ ế thứ 1; dị - nhịp tính tốn cùa ô đê thứ ; ơ, - ứng suất phản lực bêtòng móng thứ i , xác định theo (2.69) (2.70) a h - hệ số tra bảng, phụ thuộc vào loại ô tỷ số cạnh chúng (bảng 2.3, 2.4) 35 Với cơng xơn (hình 2.15a): d = c ; a b = 0,5; Với cạnh (hình 2.15b>: d = a ; a b tra bảng 2.4 theo tỷ số b 2/a (a2 chiều dài biên tự do; b2 cạnh vng góc với biên tự do); Với kê cạnh: Lấy cạnh với kích thước hình 2.15c; Với kê cạnh (hình 2.15d): d = a ị ; a b tra bảng 2.3 theo tỷ số bj/aj (aj cạnh ngắn bản) a: h Hình 2.15 Các kích thước bán đ ế cơng thức (2.72) Bảng 2.3 Hệ sô a b với kê bôn cạnh V a, ab 1,1 1,2 1.3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,9 1,8 >2 0,048 0,055 0,063 0,069 0,075 0,081 0,086 0,091 0,094 0,098 0,100 0,125 B ảng 2.4 Hệ sô a b với kê ba cạnh hai cạnh liền kề t) 2/íỉ 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,2 1,4 >2 ab 0,06 0,074 0,088 0,097 0,107 0,112 0,120 0,126 0,132 0,133 Trường hợp bề dày đ ế tính theo (2.71) q lớn, cần giảm kích thước đê cách bơ trí thêm sườn ngăn, từ giảm m ô m en uốn ô, Bề dày đ ế thường chọn khoảng (1,2-3) cm không lấy nhỏ 1,2 cm Dầm đ ế sườn, tuỳ thuộc vào cấu tạo chân cột, tính tốn dầm đơn giản dầm cơng-xơn, chịu tải trọng ứng suất phản lực bê tơng móng với diện truyền tải tương ứng Bề dày thép làm dầm sườn thường chọn trước theo cấu tạo khoảng (0,8-1,2) cm C hiều cao tiết diện dầm đ ế sườn cần kiểm tra theo điều kiện chịu uốn phải đủ chứa đường hàn liên kết chúng với thân cột Bu lông neo bắt chặt vào đ ế chân cột Số lượng bu lông tối thiểu V ật liệu bu lơng thép bon thép hợp kim thấp Bu lơng neo đưẹc tính toán với cập nội lực gây kéo lớn cho chân cột Trong vùng bê tông chịu nén đế, coi ứng suất phản lực bê tông m óng m ép biên đ ế đ ạt đến :ường độ nén tính tốn bê tơng m óng T phương trình cân m m en tror.g tâm 36 vùng b ê tơng chịu nén (hình 2.16a) xác định tổng lực kéo thân bu lông neo m ộ t phía chân cột: T,= M -N a (2.73) Với: Tị - tổng lực kéo thân bu lông neo m ột phía chân cột; a , y - khoảng cách từ trọng tâm vùng bê tông chịu nén đến trọng tâm tiết diện cột đến trục bu lơng neo chịu kéo phía đối diện N gồi quan niệm tính tốn nêu trên, chân cột khung thép nhẹ thường tồn cặp nội lực gây kéo thân bu lông neo với lực dọc lực kéo (hình 2.16b), với cặp c ần xác định tổng lực kéo lớn thân bu lơng neo m ột phía chân cột [ 10, 11 ]: M N T2 = — + — L„ (2.74) Với: L b - khoảng cách dãy bu lông neo hai biên đế D iện tích tiết diên cần thiết bu lông neo xác định từ điều kiện: A yc — ba - Tm ax (2.75) n ifba Với: Tmax - trị sô' lớn trị số T ,, T2 xác - định theo (2.73) (2.74); số bu lơng neo phía chân cột; fba - cường độ tính tốn chịu kéo thép bu lông neo (bảng 1.10 phụ lục) m in max< Trọng tảm vùng bẻ lông chịu nén * a) A * I 1+ * *"Ị : ♦ b) Hình 2.16 Tính tốn bu lơng neo 37 Các đường hàn liên kết tiết diện cột vào đ ế tính tốn dựa quan niệm coi mơ m en lực dọc đường hàn cánh chịu, lực cắt đường hàn (V bụng chịu Cặp nội lực để tính tốn đường hàn thường cặp dùng để tính tốn bu lông neo Lực kéo cánh cột m ôm en lực dọc phân vào: (2.76) Với: A, Wx - diện tích tiết diện m ôm en chống uốn tiết diện cột Chiều cao đường hàn liên kết cánh bụng cột với đ ế xác định theo công thức sau: Ở cánh: N„ hf = (2.77) S /lw (P fw )m inY c V Ở bụng: (2.78) hr = S /2w(Pfw)minYc đó: x / lw - tổng chiều dài tính tốn đường hàn liên kết m ột cánh cột (kể đường hàn dầm đ ế sườn có) vào đế; X Ỉ2w ■ tổng chiều dài tính tốn đường hàn liên kết bụng cột với đế; V - trị số lớn lực cắt chân cột bảng tổ hợp nội lực 2.9.3 Liên kết cột xà ngang Liên kết cột xà ngang thông qua m ặt bích bu lơng (thường dùng bu lỏng cường độ cao) Đường kính bu lơng thường chọn d = ( - ) m m Các bu lơng bố trí thành hàng hai phía bụng cột, tuỳ thuộc vào kích thước tiết diện xà cột chỗ liên kết Dưới giới thiệu kiểu bố trí bu lơng theo hàng trường hợp thường gặp Tuỳ theo khoảng cách dãy bu lơng bố trí phạm vi tiết diện có hai kiểu bố trí (hình 2.17) as ■ a4 a4 a4 a3 a,< 34 25-30 - r - ❖ a- “t t ty ị n ^ Ạ : £ * _ $ * / suờn A / c < 600 Khơng có sườn tăng cứng, c < 600 mm \s l a, -IM* N c ^600 bì Có sườn tâng cứng (sườn B), c >600mm Hỉnh 2.17 Bố trí bu lơng liên kết xà với cột khung 38 vsuờn B K hoảng cách bu lông liên kết cần tuân thủ theo quy định quy phạm [1] (bảng 1.13 phụ lục) Có thể tham khảo trị số bảng 2.5 [10] Báng 2.5 K hoảng cách bỏ trí bu lỏng liên kết cột với xà ngang (tham khảo) Khoảng cách bố trí bu lơng, mm Đường kính bu lơng, ram a, a.ì a4 as b| d < 24 105 60 60 100 45 100 d > 24 135 80 60 120 55 120 Nếu khoảng cách dãy bu lông sát với cánh phía tiết diện c > 600 m m bố trí thêm sưòn B gia cường (hình 17b) Trìnli tự tính tốn liên kết tiến hành sau: a) C họn cặp nội lực nguy hiểm (M, N, V) từ báng tổ hợp nội lực, thường cặp ( M min,N IU) b) Chọn loại bu lông phù hợp vào cấu tạo bố trí trước số bu lông vào liên kết c) Xác định lưc kéo tác dụng vào bu lơng diìv ngồi mơ men lực dọc phân vào (coi tâm quay trùng với dãy bu lơng phía cùng): = (2.79) 2£h? n đó: hj - khoảng cách từ dãy bu lòng thứ i liên kết đến tâm quay (hình 2.18b); h, - khoảng cách dãy bu lơng ngồi cùng; 2- số hàng bu lông d) K iểm tra khả nãng chịu lực cúa bu lơng liên kết (ở dãy biên ngồi cùng): Chịu m ôm ến lực dọc: N bmux< [N ]tby , (2.80) Chịu lực cắt (coi lực cắt phân vào bu lông): - < [ N ] bỴ, n (2.81) đó: [N ]tb ,[N ]b - khả chịu kéo khả chịu trượt bu lông cường độ cao; V - lực cắt tiết diện liên kết, tổ hợp với m ô m en lực dọc trên; n - số bu lông liên kết Nếu không thỏa m ãn cần tăng đường kính bu lơng tăng số lượng bu lơng (nếu có thể) kiểm tra lại bước c d V ì II IuuuuầUẲẳiLuẵưiiẫiẨẰuuiiẲiUẵiAuu & ịị -b \ i suờn A J Ị j s \ suừn B h A-A a) b) Hỉnh 2.18 Cấu tạo tính tốn liên kết cột với xà ngang e) Bề dày m ặt bích thường chọn khoảng ( l , - , ) c m , xác định từ điều kiện cân giới hạn chịu uốn [4,12], lấy trị số lớn hai trị sô sau: b ,N bmax , (2.82) (b + b ,) f ’ t * 1,1 b Ì N , (2.83) (b + h ,)f đó: Nj - lực kéo tác dụng lên m ột bu lông dãy thứ i : N i = N b m a x —i - ’' , hi b - bề rộng mặt bích, thường lấy bề rộng cánh cột Kiểm tra chiều dày bụng cột chỗ liên kết theo điều kiện chịu cắt: (2.84) ” ■ đó: Sị - m ơm en tĩnh cánh cột trục x-x tiết diện; I v - m ơm en qn tính tiết diên cột 40 g) C hiểu cao đường hàn liên kết tiết diện cột (xà ngang) với m ặt bích tính tốn kiểm tra tương tự đường hàn liên kết tiết diện cột với đế, theo công thức (2.77) (2.78) 2.9.4 M ối nối xà M ối nôi xà ngang thường mối nối khuyếch đại công trường Các đoạn xà ngang liên kết với nhdu bàng mặt bích bu lơng cường độ cao, tương tự mối nối cột xà ngang Tuỳ theo khoảng cách dãy bu lơng bố trí phạm vi tiết diện có hai kiểu bố trí (hình 2.19) bi sườn A o cw ò~, fN ' cd suừn B ~"*Ầ o I L ã CN $ cÍbN cà' cd o & cd' Hình 2.19 Bố trí bu lơng mối nối xà ngang a) Khơng có sườn cứng; b) có sườn tăng cứng Khoảng cách bu lông liên kết cần tuân thủ quy định quy phạm [1] (bảng 1.13 phụ lục) Có thể tham khảo trị số bảng 2.6 [10] B ảng 2.6 Khoảng cách bơ trí bu lơng mối nối xà ngang (th a m khảo) Đường kính Khoảng cách bố trí bu lơng, mm bu lơng, ram *I a2 a3 a4 a5 b, d 24 135 80 60 120 55 120 Trình tự tính tốn liên kết dược tiến hành sau: a) Chọn cặp nội lực nguy hiểm (M, N, V) từ bảng tổ hợp nội lực, thường cặp lA im a x ’ 1N ) tu ' • 41 b) Chọn loại bu lông phù hợp vào cấu tạo bố trí trước số bu lông vào liên kết c) Xác định lực kéo tác dụng vào m ột bu lông (ở dãy biên cùng) mô m en lực dọc phân vào theo cơng thức (2.79) (hình 2.20) d) K iểm tra khả chịu lực bu lông liên kết theo (2.80), (2.81) e) Xác định chiều dày m ật bích theo điều kiện (2.82), (2.83) f) K iểm tra bề dày bụng xà ngang chỗ liên kết theo (2.84) g) Tính đường hàn liên kết tiết diện xà ngang với m ặt bích theo (2.77), (2.78) L b , , tâm quay * ! 1£ TTTTTrmrr m rrrm rsT r =t w