Đồ án kết cấu thép số LIỆU và NHIỆM vụ THIẾT kế

Số liệu thiết kế Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp có cầu trục. Các số liệu thiết kế: Nhịp khung: L = 20 m. Bước khung: B = 7 m; toàn bộ nhà dài 15B = 105 m. Sức trục: Q = 12,5 tấn; Số cầu trục làm việc trong xưởng là 2 chiếc, chế độ làm việc trung bình. Cao trình đỉnh ray: H1 = 9 m. Chiều cao dầm cầu trục: h dct = 0,6 m; Chiều cao ray: hr = 0,15 m. Tải trọng gió: + Vùng gió: IIB + Dạng địa hình xây dựng công trình: B Vật liệu: Thép CCT34; hàn tự động, que hàn N46 (d = 35mm) hoặc tương đương.

SỐ LIỆU VÀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

1 Số liệu thiết kế

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp có cầu trục Các số liệu thiết kế:

- Nhịp khung: L = 20 m

- Bước khung: B = 7 m; toàn bộ nhà dài 15B = 105 m

- Sức trục: Q = 12,5 tấn; Số cầu trục làm việc trong xưởng là 2 chiếc, chế độ làm việc trung bình

- Tải trọng gió: + Vùng gió: IIB

+ Dạng địa hình xây dựng công trình: B

- Vật liệu: Thép CCT34; hàn tự động, que hàn N46 (d = 35mm) hoặc tương đương Bê tông móng cấp độ bền B20

- Kết cấu bao che: Tường xây gạch cao 1,5 m ở phía dưới, quây tôn ở phía trên

2 Nhiệm vụ thiết kế

- Thuyết minh tính toán:

+ Thành lập sơ đồ kết cấu: Xác định kích thước khung ngang, lập mặt bằng lưới cột, bố trí hệ giằng mái, hệ giằng cột

+ Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang: Tải trọng mái, tải trọng cầu trục, tải trọng gió

+ Thiết kế xà gồ

+ Tính nội lực khung ngang Vẽ biểu đồ nội lực M, N, V cho từng trường hợp tải trọng Lập bảng thống kê nội lực, bảng tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặc trưng của cột và xà mái

+ Thiết kế khung ngang gồm cột và xà Tính các chi tiết: Chân cột, vai cột, liên kết xà với cột, mối nối xà

- Bản vẽ thể hiện: 01 bản vẽ khổ A1

+ Sơ đồ khung ngang

+ Hệ giằng mái, giằng cột

+ Cột khung, các mặt cắt và chi tiết của thân cột

+ Xà, các mặt cắt và chi tiết của xà

+ Bảng thống kê vật liệu, ghi chú và chỉ dẫn cần thiết

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

1 Sơ đồ kết cấu khung ngang

Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diện không đổi liên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu cấu tạo thoát nước, chọn

của khung ngang chịu tải trọng bản thân và tải trọng gió là chủ yếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở vị trí nách khung thường lớn hơn nhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp Cấu tạo xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảng biến đổi tiết diện cách đầu cột một đoạn (0,35  0,4) chiều dài nửa xà Tiết diện còn lại lấy không đổi

Cửa mái chạy dọc suốt chiều dài nhà, mang tính chất thông gió, sơ bộ chọn chiều cao cửa mái là 1,5m và chiều rộng cửa mái là 3m

Hình 1.1 Sơ đồ khung ngang

1.1 Kích thước theo phương đứng

hdct = 0,6 m là chiều cao dầm cầu trục

Giá trị này được tra trong catalo cầu trục

0,5 m là khoảng cách an toàn từ điểm cao nhất của xe con đến xà ngang

1.2 Kích thước theo phương ngang

- Nhịp nhà (lấy theo trục định vị tại mép ngoài cột) là: L = 20m

Lấy gần đúng nhịp cầu trục là: S = 18 m, khoảng cách an toàn từ trục ray đến mép

- Sơ bộ chọn kích thước tiết diện khung ngang:

a Tiết diện cột

Kích thước tiết diện cột thường chọn sơ bộ theo các điều kiện sau:

- Chiều cao tiết diện: h = (1/10  1/15)H, bề rộng b = (0,30,5)h và b = (1/20 1/30)H

Chọn sơ bộ kích thước tiết diện cột:

L: là nhịp nhà

h: là chiều cao tiết diện cột S: là nhịp cầu trục

Z = 0,5*(20 – 2*0,6 – 18) = 0,4 (m)

b Tiết diện xà mái

Kích thước tiết diện cột thường chọn sơ bộ theo các điều kiện sau:

thường lấy bề rộng cánh dầm bằng bề rộng cột; chiều cao tiết diện đoạn dầm không đổi h2 = (1,5  2)b

30 Chọn sơ bộ kích thước tiết diện dầm:

c Tiết diện vai cột

Kích thước tiết diện vai cột phụ thuộc vào tải trọng cầu trục (lực tập trung do áp lực đứng của cầu trục và trọng lượng bản thân dầm cầu trục, trọng lượng ray, dầm hãm, dàn hãm và hoạt tải trên cầu trục) và nhịp dầm vai (khoảng cách từ điểm đặt lực tập trung đến mép cột) Sơ bộ chọn tiết diện dầm vai:

1.3 Hệ giằng

Hệ giằng là bộ phận kết cấu liên kết các khung ngang lại tạo thành hệ kết cấu không gian Hệ giằng bảo đảm sự bất biến hình và độ cứng không gian cho nhà; chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, vuông góc với mặt phẳng khung như gió thổi lên tường đầu hồi; bảo đảm ổn định cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu: thanh dàn, cột Hệ giằng còn góp phần tạo điều kiện thuận lợi, an toàn cho việc dựng lắp, thi công Hệ giằng bao gồm hai nhóm: Hệ giằng mái và hệ giằng cột

Hệ giằng cột: Chiều cao cột H =11,59m > 9m, bố trí hai lớp giằng cột: hệ giằng cột trên (từ mặt dầm hãm đến đầu cột) và hệ giằng cột dưới (từ mặt nền đến mặt dầm vai) Do cột nhà cao nên phải chia đôi và dùng thêm thanh chống phụ Hệ giằng cột được bố trí ở giữa khối nhà; chiều dài nhà =105m nên đặt thêm hệ giằng tại hai khối gần kề hai đầu nhà (hình 1.2) Sức trục Q =12,5 tấn, thanh giằng bằng thép tròn 20 Trên tiết diện ngang của cột, giằng cột đặt vào giữa tiết diện

Hệ giằng mái: Hệ giằng mái với tiết diện thanh giằng 20, được bố trí ở hai gian đầu nhà và ở chỗ có hệ giằng cột Theo chiều cao tiết diện xà, giằng mái bố trí lệch lên phía trên (để giữ ổn định cho xà khi chịu tải bình thường – cánh trên của xà chịu nén); khi khung chịu tải gió, cánh dưới của xà chịu nén nên phải gia cường bằng các thanh giằng chống xiên (liên kết lên xà gồ) Tiết diện thanh chống không nhỏ hơn L50x5, điểm liên kết với xà gồ cách xà 680 mm ~ 800 mm

Hình 1.4 Chi tiết thanh chống xà gồ

2 Xác định tải trọng tác dụng lên khung

2.1 Tải trọng thường xuyên

- Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái:

- Tải trọng bản thân của dầm, dàn hãm:

Bảng 2.1 Tĩnh tải mái

tiêu chuẩn

Hệ số vượt tải

Tải trọng

khung

Tổng tải trọng

3 Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm khung 115,5

- Sơ đồ tải trọng thường xuyên được thể hiện trong hình vẽ minh họa

2.2 Hoạt tải sửa chữa mái

- Theo tiêu chuẩn tải trọng và tác động, TCVN 2737-1995, với mái tôn không sử dụng

sửa chữa mái phân bố trên xà mái được xác định như sau:

ptc = 30 B và ptt = np 30 B

- Khi qui về tải trọng phân bố theo xà thì giá trị tải trọng được nhân với cos

Bảng 2.2 Hoạt tải sửa chữa mái

t chuẩn

Hệ số vượt tải

Tải trọng tính toán

Bước khung

Tổng tải trọng

2 Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm khung 268,9

- Sơ đồ hoạt tải sửa chữa mái được thể hiện trong hình vẽ minh họa

2.3 Tải trọng gió

Áp lực gió tác dụng lên khung được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737 -1995

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

k: là hệ số phụ thuộc vào độ cao C: là hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu

B: là bước khung

a, Trường hợp gió thổi ngang nhà:

Hình 2.1 Mặt bằng khung chịu gió a) gió ngang nhà; b) gió dọc nhà

Hình 2.2 Sơ đồ tra hệ số khí động Ce, trường hợp gió thổi ngang nhà

Kích thước chính của sơ đồ:

Bảng 2.3 Tải trọng gió theo phương ngang nhà

t.chuẩn

Hệ số k

Hệ số c

Hệ số vượt tải

Bước khung

Tổng tải trọng

* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung

b, Trường hợp gió thổi dọc nhà:

Khi này, hệ số khí động trên hai mặt mái có giá trị bằng -0,7; hệ số khí động trên cột là giá trị Ce3, phụ thuộc vào tỉ lệ L/B (B- chiều dài toàn nhà) và H/B Công trình có L/B1 và H/B0,5 nên Ce3 =-0,4, tức là gió có chiều hút ra ngoài cho cả hai cột

Hình 2.3 Sơ đồ tra hệ số khí động Ce, trường hợp gió thổi dọc nhà

Bảng 2.4 Tải trọng gió theo phương dọc nhà

t.chuẩn

Hệ số k

Hệ số c

Hệ số vượt tải

Bước khung

Tổng tải trọng

* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung

2.4 Hoạt tải cầu trục

a, Áp lực đứng:

- Thông số cầu trục: Cầu trục ABUS; Sức trục : Q = 12,5 tấn; Nhịp cầu trục: S = 18m Tra trong catalo cầu trục có:

+ Khoảng cách hai bánh xe: R = 2900 mm

n = 1,1- Hệ số độ tin cậy;

ở gối bằng 1

Bảng 2.5 Áp lực đứng của cầu trục lên vai cột

pp

Hình 2.4 Đường ảnh hưởng phản lực gối

b, Áp lực ngang( lực hãm ngang):

Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương

1

này cũng di động như lực thắng đứng P và do đó sẽ gây lực ngang tập trung T cho cột Cách tính giá trị T cũng xếp bánh xe trên đ.a.h Lực T truyền lên cột qua dầm hãm hoặc các chi tiết liên kết dầm cầu trục với cột nên điểm đặt tại cao trình mặt dầm cầu trục (hoặc mặt dầm hãm), có thể hướng vào hoặc hướng ra khỏi cột

( Tính tải trọng qui ra mặt bằng nhà nên các giá trị tải trọng phân bố trên mặt

mái được chia cho hệ số cos)

Trong đó: c

m

pc _ hoạt tải sửa chữa mái;

- Tải trọng tính toán theo phương x và phương y:

- Tải trọng tiêu chuẩn theo phương x và phương y:

c x

x

c y

Với trường hợp dùng một thanh giằng xà gồ ở giữa nhịp thì cần kiểm tra độ

a, Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ:

- Tải trọng gió tính toán:

108,5.7

8

3.2 Thiết kế xà gồ dùng thép dập nguội

7000 mm và theo sơ đồ có một thanh căng ở giữa, tra bảng S200 sẽ được số hiệu xà gồ

Z20024 (xem phụ lục 3- sách “Thiết kế khung thép nhà công nghiệp”)

4 Tính nội lực khung:

4.1 Mô hình hóa kết cấu khung trong phần mềm Sap2000

a, Sơ đồ kết cấu

- Tính toán kết cấu khung theo sơ đồ khung phẳng

- Trục tính toán khung lấy qua trọng tâm tiết diện; trục dầm lấy qua trọng tâm phần không đổi

- Liên kết giữa cột với móng là liên kết ngàm, liên kết giữa cột với dầm là liên kết cứng

Hình 4.1 Sơ đồ khung ngang

Hình 4.2 Hình dạng tiết diện khung và vị trí tiết diện tính toán

b, Sơ đồ chất tải trọng

Hình 4.3 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng lên khung

Hình 4.4 Sơ đồ hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa trái khung

Hình 4.5 Sơ đồ hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa phải khung

Hình 4.6 Sơ đồ áp lực đứng lớn nhất của cầu trục tác dụng lên cột trái

Hình 4.7 Sơ đồ áp lực hãm ngang của cầu trục tác dụng lên cột trái

Hình 4.8 Sơ đồ tải trọng gió ngang

Hình 4.9 Sơ đồ tải trọng gió dọc

4.2 Nội lực và tổ hợp nội lực

a, Nội lực:

Sử dụng phần mềm Sap2000 phân tích kết cấu khung, cho kết quả là giá trị nội lực của cấu kiện cột, xà theo các trường hợp tải trọng riêng biệt Lấy kết quả nội lực tại các tiết diện đặc biệt của khung:

- Tại cột: tiết diện chân cột (ký hiệu là tiết diện A), đỉnh cột (ký hiệu là tiết diện B), tiết diện phía trên vai cột (ký hiệu là tiết diện Ctr) và dưới vai cột (ký hiệu là Cd)

- Tại xà: tiết diện hai đầu và giữa xà, tiết diện thay đổi

b, Tổ hợp nội lực:

Có hai loại tổ hợp cơ bản 1 và tổ hợp cơ bản 2 Tổ hợp cơ bản 1 gồm nội lực do

mỗi tiết diện tìm được 3 cặp nội lực:

Kết quả nội lực và tổ hợp nội lực được thể hiện trong bảng sau:

Hình 4.10 Biểu đồ mômen do tĩnh tải tác dụng lên khung

Hình 4.11 Biểu đồ mômen do hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa trái khung

Hình 4.12 Biểu đồ mômen do hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa phải khung

Hình 4.13 Biểu đồ mômen do áp lực đứng lớn nhất của cầu trục tác dụng lên cột trái

Hình 4.14 Biểu đồ mômen do áp lực hãm ngang của cầu trục tác dụng lên cột trái

Hình 4.15 Biểu đồ mômen do tải trọng gió ngang

Hình 4.16 Biểu đồ mômen do tải trọng gió dọc

-N -19,48 -21,69 -19,52 -6,04 -5,43 -27,73 -24,96 2,32 2,09 -2,32 -2,09 0,95 0,85 0,95 0,85 55,10 49,59 55,92 50,32 Cột

B

V 9,55 5,99 5,39 5,99 5,39 11,98 10,78 9,52 8,57 9,52 8,57 2,93 2,64 2,93 2,64 -22,23 -20,01 -36,35 -32,71

Bảng nội lực xà mái (đơn vị kN, kNm)

M -59,77 -54,32 -48,89 -32,72 -29,45 -87,04 -78,34 32,81 29,53 -19,03 -17,12 11,62 10,46 6,78 6,10 229,39 206,45 163,21 146,89

N -12,79 -9,66 -8,70 -6,95 -6,25 -16,61 -14,95 -8,97 -8,07 -12,83 -11,55 2,73 2,45 3,05 2,75 31,46 28,32 45,51 40,96 1-1

V -17,52 -20,32 -18,29 -4,90 -4,41 -25,23 -22,71 3,94 3,55 -1,06 -0,95 1,44 1,30 0,42 0,38 50,41 45,37 48,75 43,88

M -4,84 5,88 5,29 -13,10 -11,79 -7,22 -6,50 17,05 15,35 -14,79 -13,31 5,84 5,26 5,08 4,57 61,11 55,00 12,05 10,85

N -11,47 -7,80 -7,02 -6,95 -6,25 -14,75 -13,28 -8,97 -8,07 -12,83 -11,55 2,73 2,45 3,05 2,75 31,46 28,32 45,51 40,96 Đoạn 1

2-2

V -10,04 -9,78 -8,80 -4,90 -4,41 -14,68 -13,21 3,94 3,55 -1,06 -0,95 1,44 1,30 0,42 0,38 33,74 30,36 26,83 24,14

M -4,84 5,88 5,29 -13,10 -11,79 -7,22 -6,50 17,05 15,35 -14,79 -13,31 5,84 5,26 5,08 4,57 61,11 55,00 12,05 10,85

N -11,47 -7,80 -7,02 -6,95 -6,25 -14,75 -13,28 -8,97 -8,07 -12,83 -11,55 2,73 2,45 3,05 2,75 31,46 28,32 45,51 40,96 1-1

V -10,04 -9,78 -8,80 -4,90 -4,41 -14,68 -13,21 3,94 3,55 -1,06 -0,95 1,44 1,30 0,42 0,38 33,74 30,36 26,83 24,14

M 17,02 12,03 10,83 12,03 10,83 24,07 21,66 -5,39 -4,85 -7,70 -6,93 2,31 2,08 2,31 2,08 -40,92 -36,83 -34,05 -30,64

N -6,53 -2,79 -2,51 -4,54 -4,09 -7,33 -6,60 -9,45 -8,51 -13,52 -12,17 2,96 2,66 3,27 2,95 13,72 12,35 39,08 35,17 Đoạn 2

2-2

V 1,15 5,61 5,05 -4,32 -3,89 1,29 1,16 3,97 3,57 -0,86 -0,78 1,46 1,32 0,36 0,33 5,60 5,04 -6,89 -6,20

-Ntu;Vtu M+ ;Vtu M - ;Vtu

M + max

Ntu;Vtu

M max

Bảng tổ hợp nội lực xà mái (đơn vị kN, kNm)

-Ntu;Vtu M+ ;Vtu M - ;Vtu

M + max

Ntu;Vtu

M max

5 Kiểm tra tiết diện cột, xà

5.1 Kiểm tra tiết diện cột:

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.1 Kích thước hình học tiết diện

b.I

G = H.I

(lấy ở tiết diện cách nút khung 0,4b)

lx=.H = 1,23 11,59 = 14,26 (m)

khoảng cách từ chân cột (mặt móng) đến trục của thanh chống dọc:

Ly = 5 (m)

- Đặc trưng hình học tiết diện cột:

Bảng 5.3 Đặc trưng hình học tiết diện

c, Kiểm tra điều kiện cường độ

N

f A 



- Độ mảnh qui ước của cột:

f E

2,1.e

đến ổn định của cột theo phương vuông góc với mặt phẳng uốn (phương ngoài mặt

1 c

m φ 1 φ

20000

1922 f 21000,12.0, 664.130

t h

nén của bản bụng, với tiết diện đối xứng thì y1 = y2 = hw/2

5.2 Kiểm tra tiết diện xà:

* Kiểm tra tiết diện tại nách khung

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.4 Kích thước hình học tiết diện

- Chiều dài tính toán xà:

- Đặc trưng hình học tiết diện xà:

Bảng 5.5 Đặc trưng hình học tiết diện

b, Kiểm tra điều kiện cường độ

Nhận thấy lực dọc trong xà không lớn (N = 500 daN) nên chỉ cần kiểm tra bền:

Vì khi tính nội lực khung, trục xà được lấy theo trục tiết diện nhỏ của xà nên tại các tiết diện lớn gần đầu cột, lực dọc N sẽ có lệch tâm so với trọng tâm tiết diện Khi

Hình 5.2 Tiết diện xà tại nách khung

kiểm tra bền thì phải kể thêm mô men lệch tâm: MN=M  N.e (lấy dấu cộng hay trừ tùy thuộc lực N làm tăng hay giảm mô men)

Kết luận: Vế trái < Vế phải; Xà ổn định tổng thể

* Kiểm tra tiết diện nhỏ

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.6 Kích thước hình học tiết diện

Hình 5.3 Tiết diện xà không đổi

- Đặc trưng hình học tiết diện xà:

Bảng 5.7 Đặc trưng hình học tiết diện

b, Kiểm tra điều kiện cường độ

Nhận thấy lực dọc trong xà không lớn (N = 700 daN) nên chỉ cần kiểm tra bền:

Trong đó:  - là chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh cột do tổ hợp nguy hiểm nhất của tải trọng tiêu chuẩn gây ra và H - là chiều cao cột

- Giá trị  tính theo tổ hợp tĩnh tải với tải trọng gió:

Nhận thấy chuyển vị ngang đỉnh cột vượt quá giá trị cho phép Để giảm chuyển

vị ngang đỉnh cột, đề xuất phương án: tăng tiết diện cột Cụ thể tăng chiều cao tiết diện

từ h = 600mm lên 700mm, chiều dày bản cánh và bản bụng giữ nguyên Đặc trưng hình học tiết diện cột mới lớn hơn đặc trưng tiết diện cột ban đầu nên không cần kiểm tra lại tiết diện cột Tính lại chuyển vị đỉnh cột:

a, Giá trị  tính theo tổ hợp tĩnh tải với tải trọng gió:

Hình 5.4 Sơ đồ chuyển vị do tĩnh tải và tải trọng gió

(Tiết diện cột I600)