Đồ án môn học kết cấu thép II, phù hợp cho các bạn sinh viên đang học tại các trường kỹ thuật xây dựng tham khảo. Trong file đính kèm có đầy đủ thuyết minh, bảng tính nội lực, bản vẽ, file nội lực...Chúc các bạn thành công với tài liệu tham khảo này.
Trang 1Trang - 1 -
TÍNH TOÁN KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG
I XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG:
1 Số Liệu Về Khung Ngang:
Nhịp khung L = 21m (trục đđịnh vị trùng với tim cột) đ
Bước khung B = 6 m
Chiều cao đỉnh ray Hl = 6 m
Chiều dài nhà ∑B = 72m
Mái lợp bằng panel BTCT Dầm, cột, thép chữ I, L tổ hợp
Nhà được xây dựng tại khu vực có dạng địa hình A, vùng áp lực gió II (theo bản đồ phân vùng áp lực gió
trên lãnh thổ VN do viện khí tượng thủy văn công bố) => giá trị áp lực gió 2
/ 83 ,
Wo =
Nhà có cần trục chế độ làm việc trung bình, sức trục Q = 125 Kn = 12,5 T
2 Kích Thước Theo Chiều Đứng:
Chiều cao của cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà ngang
H= Hl + H2 + H3 = 6 + 1,3 + 0 = 7,3 m
Trong đó:
H3: phần cột chôn dưới nền, coi mặt móng ở cốt + 0,000 (H3 = 0)
H2: chiều cao từ mặt ray cần trục đến đáy xà ngang
H2 = Hk + Bf = 1,09 + 0,2 = 1,29 m
Bf = 0,2 m – khe hở an toàn giữa cần trục và xà ngang
Hk = 1,09 m – chiều cao gabarit của cầu trục (tra trong catalo cần trục)
Chọn H2 = 1,3m
Chiều cao đỉnh cửa trời,lấy Hct = 1,2 m
Chiều cao của phần cột trên là:
1 ( ) 10
1 8
3 Kích Thước Theo Chiều Ngang :
Khoảng cách từ mép ngoài cột biên đến trục định vị:
Trang 2
T Q
T Q T
T Q
75
75 30
Với Q = 12,5 T nên lấy a = 0 mm
Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray:
= 750 mm khi nhà có cầu trục Q 75 T
Nhịp của cầu trục là khoảng cách giữa hai tim ray:
) ( 5 , 19 75 , 0
* 2 21
L
Lct = − = − =
Tra bảng cataloge cầu trục ứng với sức trục Q = 12,5 T ta thấy có nhịp Lct =19,5 m
Nên chọn = 750 mm là phù hợp
Mặt khác để cầu trục khi di chuyển không chạm vào cột thì phải đảm bảo điều kiện :
) (
Chiều rộng tiết diện phần cột trên:
Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột (a = 0) Khoảng cách từ trục định vị đến trục cần trục:
m L
L
75 , 0 2
5 , 19 21 2
Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu độ cứng:
m H
20
1 15
1 ( ) 20
1 15
m h
L
Z = 1− = 0 , 75 − 0 , 4 = 0 , 35 min = 0 , 18
Chiều rộng cửa trời chọn Lct = 4 m
Trang 3Trang - 3 -
i =15%
i =15%
Hình 1: Các kích thước chính của khung ngang
II Tải trọng tác dụng lên khung ngang
1 Sơ đồ tính khung ngang
Do sức trục không lớn nên chọn tiết diện cột không thay đổi, với độ cứng là I1 Vì nhịp khung là 21m nên
chọn phương án có xà ngang có tiết diện thay đổi hình nêm, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách xà 3,5m
Với đoạn xà dài 3,5m, độ cứng ở đầu và cuối xà là I1 và I2 là tương ứng (giả thiết độ cứng của xà và cột tại
vị trí liên kết xà cột như nhau) Với đoạn xà dài 7m, độ cứng ở đầu và cuối xà giả thiết bằng I2 (tiết diện
không đổi) Già thiết sơ bộ tỷ số độ cứng I1/I2= 2,818 ( tức là tiết diện xà và cột được khai báo trong phần
mềm SAP2000 chính là các tiết diện tính toán) Do nhà có cần trục nên chọn kiểu liên kết giữa cột khung
và móng là ngàm tại mặt móng (cốt +0,000) Liên kết giữa cột với xà ngang và liên kết tại đỉnh xà ngang
là cứng Trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn giản hóa tính toán và thiên về an toàn Sơ đồ tính
khung như hình 2.1
2 Tải trọng tác dụng lên khung ngang
2.1 Tải trọng thường xuyên
Độ dốc mái I = 15% –› α = 8’31’ (sinα = 0,148 ; cosα = 0,989)
Tải trọng thường xuyên ( tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm
Tôn + lớp cách nhiệt + xà gồ = 0,15 kN/m2
Trọng lượng bản thân của tơn và xà gồ cửa trời lấy bằng 0,15 kN/m2.Quy thành tải tập trung tại đỉnh cột cửa
trời:
P’ = 1,1.0,15.6.1 = 0.99 kN
Trọng lượng bản thân dầm khung lấy gần đúng = 0,1 kN/m
Tổng tĩnh tải phân bố lên xà ngang
1 kN / m
989 , 0
6 15 , 0 1 ,
Trọng lượng bản thân của tole tường và xà gồ tường lấy tương tự với mái là 150 daN/m2 Quy thành tải tập
trung tại đỉnh cột:
1 , 1 0 , 15 6 7 , 3 = 7 , 227 kN
Trọng lượng bản thân dầm cần trục chọn sơ bộ là 1kN/m Quy thành tải tập trung và mô men lệch tâm đặt
tại cao trình cột vai:
1 , 05 1 6 = 6 3 kN
6 , 3 ( L1− 0 , 5 h ) = 6 , 3 0 , 55 = 3 , 47 kN
Trang 4Trang - 4 -
Hình 2: Sơ đồ tính khung với tĩnh tải 2.2 Hoạt tải mái
Theo TCVN 2737 – 1995 tải trọng tạm thời tiêu chuẩn trên mái là :
ptc = 0,3 kN/m2 mặt bằng với hệ số vượt tải np = 1,3
Tải trọng tạm thời tính toán trên mái phân bố đều lên khung ngang là:
m kN.
37 , 2 989 , 0
6 3 , 1 3 , 0
=
Hình 3: Sơ đồ tính khung với hoạt tải 1
Hình 4: Sơ đồ tính khung với hoạt tải 2
Trang 5Trang - 5 -
2.3 Tải trọng gió
Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm hai thành phần gió tác dụng vào cột và gió tác dụng lên mái
(cửa trời) Theo TCVN 2737-1995, công trình thuộc phân vùng gió IV-A, áp lực gió tiêu chuẩn
2/ 83 ,
Wo = , hệ số vượt tảûøi 1.2
Căn cứ vào hình dạng mặt bằng nhà và góc dốc của mái, các hệ số khí động có thể xác định theo sơ đồ
hình Nội suy ta có:
Hình 5: Sơ đồ xác định hệ số khí động
- Tải trọng gió tác dụng lên cột
+ Phía đón gió:
m
kN /
78 , 4 6 8 0 0 , 1 83 ,
0
2
,
- Tải trọng gió tác dụng trên mái:
+ Phía đón gió:
m
kN /
15 , 2 6 36 , 0 0 , 1 83 ,
0
2
,
- Tải trọng gió tác dụng trên cửa trời:
+ Phía đón gió:
m
kN /
12 , 4 6 7 , 0 0 , 1 83 ,
0
2
,
Trang 6Trang - 6 -
Hình 6: Gió từ trái sang
Hình 7: Gió từ phải sang
2.4.Hoạt tải của cần trục:
Theo catalo cần trục, các thông số cần trục sức nâng 12,5 T như sau:
Tải trọng cần trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực hãm ngang xác định như sau:
a) Aùp lực đứng của cần trục
Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cần trục tác dụng lên cột thông qua dầm cần trục được xác định bằng
cách dùng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh xe của hai cần trục sát nhau vào vị
trí bất lợi nhất, xác định được các tung độ yi của đường ảnh hưởng, từ đó xác định được áp lực thẳng đứng
lớn nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cần trục lên cột
);
( 15 , 214 717 , 2 3 , 84 1 , 1 85 , 0
D = cp i = =
Ơû trên: yi = 0 358 + 0 842 + 1 + 0 517 = 2 717
Các lực Dmax và Dmin thông qua ray và dầm cần trục sẽ truyền vào vai cột, do đó sẽ lệch tâm so trục cột là e
= L1 – 0.5h = 0,55 m Trị số của môment lệch tâm tương ứng:
; 78 , 117 55 , 0 15 , 214
Trang 7Trang - 7 -
6000 6000
Hình 8: Đường ành hưởng để xác định Dmax Dmim
Hình 9: Dmax tác dụng lên cột trái
Hình 10: Dmax tác dụng lên cột phải
b) Lực hãm ngang của cần trục:
Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương chuyển động Lực hãm xe con,
qua các bánh xe cầu trục, truyền qua dầm hãm vào cột
Lực hãm ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe :
kN n
G Q
3 , 3 2
) 03 , 8 125 ( 05 , 0 ) (
05 0
0
Trong đó : Gxc = 0,803 T là trọng lượng xe con
n0 = 2 là số bánh xe ở 1 bên cầu trục
Lực hãm ngang tc
T1 truyền lên cột thành lực T đặt vào cao trình dầm hãm Gía trị T được xác định theo lí thuyết đường ảnh hưởng bằng cách xếp các bánh xe cầu trục giống như xác định Dmax , Dmin
Trang 8Hình 11: Lực hãm lên cột trái
Hình 12: Lực hãm lên cột phải
III.Xác định nội lực
Nội lực trong khung ngang được xác định với từng trường hợp chất tảibằng phần mềm SAP2000 Kết quả
tính toán được thể hiện dưới dạng các biểu đồ và bảng thống kê nội lực Dấu của nội lực lấy theo quy định
chung trong sức bền vật liệu
Dưới đây thể hiện hình dạng biểu đồ nội lực cho nữa khung bên trái với các trường hợp chất tải Đơn vị
tính là kN, kN.m Riêng nội lực do hoạt tải chất cả mái xác định bằng cách cộng nội lực do 2 trường hợp
chất hoạt tải nữa mái trái và nửa mái phải
Trang 9PHƯƠNG ÁN CHẤT TẢI TĨNH TẢI HT MÁI
TRÁI
HT MÁI PHẢI
HT CHẤT ĐẦY
GIÓ TRÁI
GIÓ PHẢI
Dmax TRÁI
Dmax PHẢI T TRÁI T PHẢI
M 36.85 31.62 14.36 45.98 -69.78 -49.68 68.56 19.31 4.68 0.05
N -32.60 -19.62 -5.42 -25.03 30.87 29.48 -239.35 -56.70 -0.62 0.62
V -15.49 -9.74 -9.74 -19.47 33.94 14.12 -13.33 -13.33 -5.22 3.16 trên vai cột
M 33.38 31.62 14.36 45.98 -69.78 -49.68 -48.62 -10.89 4.68 0.05
N -26.30 -19.62 -5.42 -25.03 30.87 29.48 1.80 -1.80 -0.62 0.62
V -15.49 -9.74 -9.74 -19.47 33.94 14.12 -13.33 -13.33 -5.22 3.16 đỉnh cột
Trang 10Trang - 10 -
BẢNG TỔ HỢP NỘI LỰC CẤU
KIỆN
TIẾT
DIỆN
NỘI LỰC
Trang 11SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 11 -
IV Thiết kế tiết diện cấu kiện
1 Thiết kế tiết diện cột:
a ) Xác định chiều dài tính toán
Chọn phương án tiết diện chọn không thay đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột đã giả thiết là bằng nhau, ta
H
I L
I
; 36 , 1 14 , 0 347 , 0
56 , 0 347 , 0 14 , 0
56 ,
+
+
= +
m H
lx = = 1 , 36 7 , 3 = 9 , 928
Chiều dài tính toán của cột theo phương mặt ngoài của khung (ly) lấy bằng khoảng cách giữa các điểm cố
định không cho cột chuyển vị theo phương dọc nhà (dầm cầu trục, giằng cột, xà ngang….) Giả thiết bố trí
giằng cột dọc nhà bằng thép hình chữ C tại cao trình +3,000, tức là khoảng giữa phần cột tính từ mặt móng
đến dầm hãm, nên ly = 3,0m
b ) Chọn và kiểm tra tiết diện
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:
1
Bề rộng tiết diện cột chọn theo các điều kiện cấu tạo và độ cứng:
) 20 12 ( ) 5 , 0 3 0
1
Diện tích tiết diện cần thiết của cột xác định sơ bộ theo:
2 2
) 18 , 64 89 , 53 ( 107 , 271 40
10 14 , 144 ) 8 , 2 2 , 2 ( 25 , 1 [ 1 21
1 ( chọn tw= 0,7 cm
Tiết diện cột chọn như sau
+ Bản cánh: (1,2 x 20) cm
+ Bản bụng: (0,7 x 37,6) cm
Trang 12SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 12 -
Tính các đặc trưng hình học của tiết diện đã chọn:
; 32 , 74 ) 20 2 , 1 ( 2 6 , 37 7 ,
; 21171 ]
12
6 , 37 ) 7 , 0 20 ( 5 , 0 [ 2 12
20 2 , 1 2 12
7 , 0 6 ,
3 3
cm
; 55 , 1058 40
/ 2
);
( 87 , 16 32 , 74
21171
cm
32 , 74
1601
cm
; 120 ] [ 85 , 58 87
, 16
10 928 ,
10 0 ,
; 86 , 1 10 1 , 2
21
85 ,
104 1 , 2
21
66 ,
; 73 , 3 55 , 1058
32 , 74 107
, 271
10 14 , 144
W
A N
20 2 , 1
A
; nội suy có = 1 , 42
Từ đó: me = mx = 1 , 42 4 , 96 = 5 , 29 20 →Không cần kiểm tra bền
Với me = 5 , 29 và x = 1 , 86, tra bảng IV.3 phụ lục và nội suy có e = 0 , 202
Điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung được kiểm tra theo công thức:
/ 21 /
55 , 18 32 , 74 202 , 0
107 ,
cm kN f
cm kN A
N
c c
Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung cần tính trị số momen ở 1/3 chiều
cao của cột dưới kể từ phía có mômen lớn hơn Vì cặp nội lực dùng để tính cột là tại tiết diện dưới vai cột
và do các trường hợp tải trọng (1,4,7,9) gây ra nên trị số của mômen uốn tại tiết diện chân cột tương ứng là
:
− 40 , 59 + ( − 51 , 38 + 1 , 91 − 21 , 42 ) 0 , 9 = − 104 , 39 ( kNm ).
Vậy trị số của mômen tại 1/3 chiều cao cột dưới, kể từ tiết diện vai cột:
Trang 13SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 13 -
).
( 29 , 61 3
] 14 , 144 39 , 104 [ 14 ,
; 29 , 61 max(
) 2
; max(
M
Tính độ lệch tâm tương đối theo M’:
87 , 1 55 , 1058
32 , 74 107
, 271
10 07 , 72
W
A N
21
10 1 , 2 14 , 3
14 , 3
87 , 1 7435 , 0 1
1
=
+
=
c
Với y = 64 , 66 tra bảng phụ lục IV.2 và nội suy chọn y = 0 , 8
Do vậy điều kiện ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng được kiểm tra theo công thức:
/ 21 /
91 , 10 32 , 74 8 , 0 418 , 0
107 ,
cm kN f
cm kN A
c
N
c y
10 1 , 2 ) 86 , 1 1 , 0 36 , 0 ( ] [ 04 , 8 2
, 1
) 7 , 0 20 ( 5 ,
=
f o
f
o
t
b t
xác định theo công thức sau:
+ Với bảng bụng cột; do mx = 3,73 > 1; x = 1 , 86 2 và khả năng chịu lực được quyết định bởi điều kiện
ổn định tổng thể trong mặt phẳng ( dox y) nên theo bảng 2.2 ta có :
51 , 57 21
10 1 , 2 ) 86 , 1 15 , 0 3 , 1 ( )
35 , 0 3 , 1 ( ]
[
4 2
h
x w
21
10 1 , 2 1 , 3 1 , 53 7 , 0
6 ,
6 ,
w
w
t
h t
h
do vậy bản bụng cột không bị mất ổn định cục bộ, có thể coi toàn
bộ tiết diện vẫn còn làm việc
Trang 14SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 14 -
Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ kết quả tính toán bằng phần mềm SAP200 trong tổ hợp tĩnh tải và
tải trọng gió tiêu chuẩn là x = 2 cm Do đó:
300
1 365
1 3 7
02
a ) Đoạn xà 3.5m (tiết diện thay đổi)
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:
21
10 81 ,
2
cm fy
M W
Chiều cao của tiết diện xà xác định từ điều kiện tối ưu về chi phí vật liệu theo công thức sau, với bề dày
bản bụng xà chọn sơ bộ là 0.7cm
) )(
25 , 34 8 , 32 ( 7 , 0
5 , 570 ) 2 , 1 15 , 1
t
W k
Trang 15SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 15 -
) ( 11 , 0 1 12 40 2
11 , 35 3 7
; 2
Hình 15: Tiết diện dầm
Tính lại các đạc trưng hình học
);
( 32 , 74 ) 20 2 , 1 ( 2 6 , 37 7 ,
; 21171 ]
12
6 , 37 ) 7 , 0 20 ( 5 , 0 [ 2 12
2
Wx = =
56 , 17 55 , 1058
32 , 74 9
, 47
10 81 ,
W N
A M
m
Do mx = 17,56 < 20 -> Không cần kiểm tra bền
Tại tiết diện đầu xà có mô men uốn và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng suất tương đương tại chỗ
tiếp xúc giữa bảng cánh và bảng bụng:
c
1 2
10 81 ,
h
h W
6 , 465 1 , 35
cm kN t
I
VS
w x
/ 24,15
= 1,15x21x1
= 15 , 1 /
76 , 10 6 , 10 1 , 1
Trang 16SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 16 -
; 8 15 21
10 1 , 2 2
1 2
1 04 , 8 2
, 1
) 7 , 0 20 ( 5
f
E t
b
f
o
174 21
10 1 , 2 5 , 5 5
, 5 7 , 53 7 , 0
6 ,
10 1 , 2 2 , 3 2
, 3 7 , 53 7 , 0
6 ,
f
E t
10 1 , 2 5 , 2 5
, 2 7 , 53 7 , 0
6 ,
h
w
w
Vậy tiết xà đã chọn là đạt yêu cầu Tỷ số độ cứng tiết diện xà ( ở chỗ tiếp giáp với cột) và cột đã chọn phù
hợp với giả thiết ban đầu là bằng nhau
b) Đoạn xà 7m (tiết diện thay đổi)
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:
Đây là cặp nội lực tại tiết diện dưới vai, trong tổ hợp nội lực do các trường hợp tải tải trọng 1,4 gây ra
Mô men chống uốn cần thiết của tiết diện xà ngang xác định theo công thức:
2 , 258 1
21
10 223 ,
2
cm fy
M W
Chiều cao của tiết diện xà xác định từ điều kiện tối ưu về chi phí vật liệu theo công thức sau, với bề dày
bản bụng xà chọn sơ bộ là 0.7 cm Chọn chiều cao tiết diện xà xác định từ điều kiện tối ưu về chi phí vật
liệu
2) 05 , 23 08 , 22 ( 7 , 0 / 2 , 258 )
2 1 15
3
38 , 6 8 , 28
2 ) 12
6 , 27 7 , 0 2
30 2 , 258 ( )
Theo các yêu cầu cấu tạo và ổn định cục bộ, kích thước tiết diện của bảng cánh được chọn là
20
; 2
,
tf = f =
Trang 17SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 17 -
Hình 16: Tiết diện dầm
Tính lại các đạc trưng hình học
; 32 , 67 ) 20 2 , 1 ( 2 6 , 27 7
4 3
3
5 , 11185 ]
12
6 , 27 ) 7 , 0 20 ( 5 , 0 [ 2 12
30 20
cm
);
( 7 , 745 30 / 2 5 ,
59 , 13 7 , 745
32 , 67 997
, 35
10 223 ,
W N
A M
m
Do mx = 13,59 < 20 -> Không can kiểm tra bền
Tại tiết diện đầu xà có mô men uốn và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng suất tương đương tại chỗ
tiếp xúc giữa bảng cánh và bảng bụng:
6 , 345 2 / ) 2 , 1 30 ( ) 2 , 1 20
; / 89 , 6 30
6 , 27 7
, 745
10 223 ,
6 , 345 32 , 4
cm kN t
I
VS
w x
= 21x1 1,15
= 15 1 /
9 , 6 89 , 6 19 , 0
Vậy tiết xà đã chọn là đạt yêu cầu Tỷ số độ cứng tiết diện xà ( ở chỗ tiếp giáp với cột) và cột đã chọn phù
hợp với giả thiết ban đầu là bằng nhau
V Thiết kế các chi tiết
1 Vai cột
Với chiều cao tiết diện cột là h = 40 cm, theo sau xác định được mô men uốn và lực cắt tại chỗ liên kết
công son với bản cánh cột:
kNm h
L x G D
M = ( max + dct) ( 1− ) = ( 214 , 15 + 6 , 3 ) ( 0 , 75 − 0 , 4 ) = 77 , 16
kN G
D
V = ( max+ dct) = 214 , 15 + 6 , 3 = 220 , 45
Trang 18SVTH: ĐÀO THANH HƯNG - 0951160032 Trang - 18 -
Bề rộng bản cánh dầm vai chọn bằng bề rộng cánh cột bdv cm
f = 20 Giả thiết bề rộng của sườn gối dầm cần trục bdct = 20 cm Chọn sơ bộ bề dày các bản cánh dầm vai tdv f = 1 cm Từ đó bề dày bản bụng dầm
vai xax1 định từ điều kiện chịu ép cục bộ do phản lực dầm cầu trục truyền vào, theo công thức sau:
= +
+
fy t b
G D t
c dv f dct
dct dv
1 21 ) 1 2 20 (
45 , 220 )
2 (
V h
c v dv w
dv
1 12 8 , 0
45 , 220 2
3
2
3
5 , 18871 12
38 ) 8 , 0 20 ( 5 , 0 2 12
40 20
cm
3
6 , 943 40
2 5 , 18871
cm
3390 5 , 19 ) 1 20
Sdv f = =
Trị số của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại chỗ tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng dầm vai:
; / 77 , 7 40
38 6
, 943
10 16 ,
M
dv
dv w
390 45 , 220
cm kN t
I
VS
w dv