ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUỐC PHONG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUỐC PHONG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP TẦNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 85.80.201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng - Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Người cam đoan LÊ QUỐC PHONG ii ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP TẦNG Học viên: LÊ QUỐC PHONG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD VÀ CN Mã số: 85.80.201 Khóa: K35 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Kết cấu ống thép nhồi bê tơng có ưu điểm như: khả chịu lực cao, chống ăn mòn tốt, tăng độ cứng chống uốn, ổn định với cơng trình nhà cơng nghiệp có chiều cao lớn, sức trục lớn, nhịp nhà bước cột lớn việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông giải pháp kết cấu hợp lý Tuy nhiên kết cấu liên hợp thép bê tông ứng dụng vào cơng trình cầu, nhà cao tầng… cấu kiện cột chịu lực nén lớn mà chưa ứng dụng vào cơng trình nhà cơng nghiệp Do để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông vào nhà công nghiệp cần có phân tích đánh giá hiệu với kết cấu truyền thống (chủ yếu kết cấu thép) Trong luận văn tác giả đánh giá hiệu việc sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông nhà công nghiệp tầng nhịp Kết nghiên cứu cho thấy, với đặc điểm nhà công nghiệp tầng nhịp Lực dọc tác dụng vào cột nhỏ nhiều so với khả chịu lực cột, mơ men tác dụng lớn việc sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông cho hiệu không đáng kể so với kết cấu thép truyền thống Từ khóa: Ống thép nhồi bê tơng; nhà cơng nghiệp, độ cứng, chuyển vị, nén EFFICIENCY ASSESSMENT OF THE SOLUTION CONCRETE FILLED STEEL TUBE STRUCTURE IN 1-FLOOR INDUSTRIAL BUILDING Abstract : Concrete filled steel tube structure has advantages such as: high bearing capacity, good corrosion resistance, increased bending resistance, more stable so for industrial buildings with high height, large shaft power, with large span, the use of Concrete filled steel tube structure will be a reasonable structural solution However, at present, the concrete steel structure is only applied to constructions such as bridges, high-rise buildings, etc where the column structure is subjected to a large compressive force but has not been applied to industrial buildings Therefore, to consider using concrete steel structure in industrial buildings, it is necessary to analyze and evaluate its effectiveness with traditional structures (mainly steel structures) In this thesis, the author only assesses the effectiveness of the use of steel structure of concrete pipes in 1-storey 1-floor industrial building The research results show that, with the characteristics of a one-stage one-storey industrial house, the vertical force acting on the column is much smaller than the bearing capacity of the column, while the torque is very large, the use of The use of concrete column steel column structure gives negligible effect compared to traditional steel structure Keywords: Concrete steel pipe; industrial house, hardness, displacement, compression iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhà công nghiệp 1.1.1 Các phận cấu tạo nhà công nghiệp 1.1.2 Đặc điểm nhà công nghiệp ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu 1.2 Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp tầng 1.3 Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 10 1.4 Khả chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông 12 1.5 Kết luận chương 13 CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CƠNG NGHIỆP TẦNG SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ KẾT CẤU THÉP 14 2.1 Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp tầng nhịp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 14 2.1.1 Mặt kết cấu nhà xưởng kích thước khung ngang 14 2.1.2 Xác định tải trọng tác dụng vào khung ngang 17 2.1.3 Nội lực tổ hợp nội lực 20 2.1.4 Thiết kế cấu kiện cột kết cấu: 20 2.2 Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp tầng sử dụng kết cấu thép 25 2.2.1 Các bước thiết kế khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép 25 2.2.2 Tính tốn cấu kiện cột 26 2.3 Nhận xét kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu thép 32 2.4 Kết luận chương 32 iv CHƯƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP KẾT CẤU CFT TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP TẦNG 33 3.1 Thiết kế nhà công nghiệp tầng nhịp sử dụng kết cấu cột CFT kết cấu thép 33 3.1.1 Tính tốn thiết kế cột nhà cơng nghiệp sử dụng kết cấu thép 36 3.1.2 Tính tốn thiết kế cột nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 41 3.1.3 Đánh giá độ cứng khung ngang 45 3.2 Đánh giá hiệu sử dụng vật liệu 48 3.2.1 Nhận xét khả chịu lực 48 3.2.2 Đánh giá sử dụng vật liệu 49 3.2.3 Đánh giá độ cứng kháng uốn tiết diện 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu chữ chữ La tinh CFT Kết cấu ống thép nhồi bê tông L (l) : Chiều dài nhịp, chiều dài tính tốn ổn định d: Chiều rộng đường kính ống thép C: Hệ số với giá trị cố định E: Mô đun đàn hồi F: Lực tác dụng I: Mô men quán tính K: Hệ số độ cứng L: Chiều dài M: Mơ men uốn MRd: giá trị tính tốn mơ men bền tiết diện uốn MSd: giá trị tính tốn mơ men ngoại lực N:Lực dọc, số lượng liên kết PR: Sức bền chịu cắt liên kết Q: Hoạt tải Rd: Sức bền tính tốn tiết diện Sd: Nội lực tính tốn tải trọng gây V: Lực cắt, lực trượt W: Mô men chống uốn a: Khoảng cách b: Chiều rộng d: Đường kính, chiều cao e: Độ lệch tâm f: Cường độ fck: Cường độ đặc trưng nén bê tông fsk: Giới hạn đàn hồi đặc trưng kéo thép fy: Giới hạn đàn hồi kéo thép kết cấu h: Chiều cao vi i: Bán kính quán tính k: Các hệ số tính tốn t: Chiều dày α: Gốc, hệ số β: Gốc, hệ số ᵞ: Hệ số an toàn η: Hệ số λ: Độ mảnh σ: Ứng suất χ: Hệ số uốn dọc A: Diện tích mặt cắt ngang ống thép Chữ viết tắt CFT Concrete Filled steel Tube BTCT Bê tông cốt thép vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 1.1 Chiều cao nhà cơng nghiệp tầng khơng có cần trục treo 1.2 So sánh đặc điểm số loại cấu kiện chịu nén 13 2.1 Kích thước hình học tiết diện cột 29 2.2 Đặc trưng hình học tiết diện cột 29 3.1 Tổ hợp nội lực cột thép khung L=24m 37 3.2 Tổ hợp nội lực cột CFT khung L=24m 42 3.3 Bảng giá trị đương cong tương tác M-N cột CFT D600 43 3.4 Các cặp nội lực : (Mmax, Ntư); (Mmin, Ntư) ; (Mtư, Nmax) Cột D600 45 3.5 Thống kê chuyển vị đỉnh cột khung theo tải trọng q tác dụng 47 3.6 Tiết diện cột thép cột CFT trường hợp khảo sát 49 3.7 Tỉ lệ sai lệch diện tích cột thép cột CFT trường hợp 49 3.8 Độ cứng cột thép cột CFT trường hợp tính tốn 50 bảng viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Nhà công nghiệp 1.2 Cấu tạo cầu trục 1.3 Các phận nhà công nghiệp 2.1 Mặt cắt ngang nhà 14 2.2 Mặt nhà 15 2.3 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông 16 2.4 Đường ảnh hưởng phản lực gối tựa 18 2.5 Sơ đồ chất tải Dmax, Dmin khung 18 2.6 Sơ đồ tải xô ngang T khung 19 2.7 Các hướng gió tính tốn 19 2.8 Đường cong tương tác lực nén mô men uốn 23 2.9 Phân bố mô men dọc chiều dài cột 23 2.10 Phương pháp cột liên hợp chịu nén chịu uốn theo phương 24 2.11 Sự phân bố mô men cột 25 2.12 Thanh ngắn chịu nén tâm 26 2.13 Biểu đồ quan hệ lực nén biến dạng 27 2.14 Hệ số chiều dài cột 27 3.1 Sơ đồ khung ngang nhà công nghiệp 33 3.2 Các tải trọng tác dụng vào khung L=24m 35 3.3 Biểu đồ đường cong tương tác M-N 42 3.4 Ứng suất phân bố tiết diện 43 3.5 Đồ thị đường cong tương tác M-N cột CFT D600 45 3.6 Tải trọng q lên khung nhà cột thép 46 3.7 Tải trọng q lên khung nhà cột CFT 46 3.8 Biểu đồ quan hệ tải q tác dụng chuyển vị đỉnh cột khung 47 3.9 Biểu đồ quan hệ nhịp diện tích 50 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled steel Tube – CFT) sử dụng phổ biến nhiều nước giới Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc đặc tính kết cấu như: Thép nằm chu vi bên ngồi, nơi làm việc hiệu việc chịu kéo chống lại mô men uốn Độ cứng CFT tăng cường đáng kể thép có mơ đun đàn hồi lớn nhiều so với bê tơng nằm xa trọng tâm, nơi đóng góp lớn vào mơ men qn tính Bê tơng tạo thành lõi lý tưởng để chịu tải trọng nén làm trì hỗn, ngăn chặn vênh cục ống thép, đặc biệt kết cấu CFT hình chữ nhật Về phương diện thi công kết cấu ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn thời gian thi cơng xây dựng cơng trình so với kết cấu bê tơng cốt thép Cơng trình nhà công nghiệp với chức phục vụ cho sản xuất nhằm tạo sản phẩm Do nhà cơng nghiệp có đặc điểm khác biệt so với nhà dân dụng ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu như: Nhịp nhà bước khung lớn nhiều so với nhà dân dụng Chiều cao cột lớn; Có cầu trục hoạt động; Chiều dài nhà lớn độ cứng ngang nhà bé nhiều so với phương dọc; Nhiệt độ phát sinh cao trình sàn xuất; Thiết bị có tải tọng lớn tần số hoạt động lớn Như với công trình nhà cơng nghiệpviệc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông giải pháp hợp lý Tuy nhiên kết cấu liên hợp thép bê tơng ứng dụng vào cơng trình cầu, nhà cao tầng… cấu kiện cột chịu lực nén lớn mà chưa ứng dụng vào cơng trình nhà cơng nghiệp Do để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tơng vào nhà cơng nghiệp cần có phân tích đánh giá hiệu với kết cấu truyền thống (chủ yếu kết cấu thép) Đó lí để luận văn thực đề tài “ Đánh giá hiệu giải pháp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông nhà công nghiệp tầng ” Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan nhà công nghiệp, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông giải pháp kết cấu sử dụng nhà cơng nghiệp - Tính tốn thiết kế khung nhà công nghiệp tầng nhịp sử dụng hai giải pháp kết cấu CFT kết cấu thép - Phân tích, đánh giá hiệu việc sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông kết cấu thép khung ngang nhà công nghiệp tầng nhịp Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nhà công nghiệp tầng nhịp 2 - Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá hiệu giải pháp cột CFT cho khung nhà công nghiệp tầng với kết cấu khung thép Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết quy trình thiết kế nhà cơng nghiệp tầng sử dụng kết cấu CFT kết cấu thép - Phân tích so sánh hiệu giải pháp kết cấu CFT cho nhà công nghiệp Kết dự kiến - Tính tốn thiết kế cơng trình cụ thể sử dụng kết cấu CFT kết cấu thép - Các phân tích, đánh giá hiệu cột ống thép nhồi bê tông với cột thép thiết kế khung ngang nhà công nghiệp tầng nhịp Bố cục đề tài Mở đầu: Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến Chương Tổng quan kết cấu CFT Chương Cơ sở tính tốn thiết kế khung nhà công nghiệp tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu thép Chương Phân tích, đánh giá hiệu giải pháp kết cấu CFT nhà công nghiệp tầng Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN Trong chương thực tổng quan nhà công nghiệp đặc điểm ảnh hưởng đến giải pháp thiết kế kết cấu Thực tổng quan giải pháp kết cấu ống thép nhồi bê tông hợp lý việc sử dụng kết cấu kết cấu nhà công nghiệp Tổng quan đánh giá hiệu sử dụng kiểu kết cấu ứng dụng thực tế xây dựng cơng trình dân dụng 1.1 Tổng quan nhà cơng nghiệp Nhà cơng nghiệp tầng loại hình chiếm tỷ trọng lớn lĩnh vực xây dựng Kiểu nhà thường sử dụng cho nhà xưởng sản xuất, xí nghiệp, nhà kho cơng nghiệp dùng phân phối, bán lẻ giải trí Kích cỡ thay đổi từ xưởng nhỏ vài trăm mét vuông đến kho phân phối lớn bao phủ diện tích trăm ngàn mét vng Chức chúng phục vụ cho sản xuất người lao động đó, nhằm tạo sản phẩm phục vụ cho nhu cầu xã hội người Cơng nghệ sản xuất – cơng xí nghiệp xác định cấu cấu trúc tổng mặt xí nghiệp cơng nghiệp, xác định thơng số xây dựng mặt – hình khối nhà sản xuất, cơng trình phục vụ kĩ thuật, xác định sơ đồ tổ chức mạng lưới cung cấp kỹ thuật, sơ đồ giao thông vận chuyển xí nghiệp Hiện với phát triển mạnh mẽ vật liệu xây dựng, cơng trình cơng nghiệp thiết kế phải thỏa mãn cao yêu cầu kĩ thuật sản xuất vừa thỏa mãn khả kĩ thuật xây dựng yêu cầu cao thẩm mỹ kiến trúc xã hội Hình 1.1 Nhà công nghiệp Với nhà công nghiệp đặc điểm cần tìm hiểu sau: Nhà cơng nghiệp phải đáp ứng yêu cầu cao yêu cầu chức năng: cơng nghệ thiết bị bố trí tòa nhà phải hợp lý nhất, đáp ứng tốt yêu cầu sản xuất, kinh doanh tạo môi trường tiện nghi cho người lao động, giải pháp mặt – hình khối kết cấu tịa nhà phải đảm bảo thõa mãn yêu cầu thay đổi hoàn thiện công nghệ, thiết bị sản xuất … mà không ảnh hưởng lớn đên cấu trúc tòa nhà Một yêu cầu quan trọng thiết kế kiến trúc thiết kế điển hình hóa thống hóa Để sản xuất hàng loạt thành phẩm xây dựng xây dựng giới hàng loạt để xây dựng với tốc độ cao chất lượng tốt giá thành hạ cần theo đường cơng nghiệp hóa xây dựng tức chuyển ngành xây dựng thành trình sản xuất theo dây chuyền công nghệ ngành công nghiệp khác Để làm sở cho việc thiết kế hình khối mặt giải pháp kết cấu nhà cơng nghiệp q trình điển hình hóa mơ đul hóa xây dựng, nên tn theo số quy định sau: - Mặt hình khối nên thiết kế dạng chữ nhật mái không chênh lệch - Nhà công nghiệp tầng thiết kế với độ hướng nhịp L chiều cao nhà H - Không cho phép giật cấp mái 2.4m - Quy định độ: Không cần cầu trục: L =12, 18, 24m Có cầu trục: L =18, 24,30m, bội số 6m - Quy định chiều cao - Bước cột b = 6m, bước mở rộng 12m tùy khả kiến trúc - Lưới cột nhà công nghiệp quy định phân chia trục định vị Bố trí lưới cột bước quan trọng trình bố trí mặt nhà cơng nghiệp Khi chọn lưới cột phải vào diện tích yêu cầu sản xuất, đặc tính sản xuất bố trí thiết bị mà chọn hệ lưới cột hợp lý sở so sánh kĩ thuật kinh tế Tham số chủ yếu để thiết kế lưới cột mặt xưởng kích thước độ bước cột - Khẩu độ kích thước tính từ khoảng cách trục phân dọc nhà liên tiếp - Bước cột kích thước tính từ khoảng cách trục phân ngang nhà liên tiếp Để đơn giản cho việc thiết kế chế tạo thơng số kích thước mặt nhà công nghiệp tầng quy định sau: - Nhịp L >12m lấy bội số 6m: 12, 18, 24m, nhịp L < 12m lấy bội số 3m: 6, m - Bước cột b =6m hay bước mở rộng bmr = 12m Theo kinh nghiệm cho thấy lưới cột lớn diện tích sản xuất tăng lên cho phép bố trí linh hoạt đáp ứng yêu cầu thay đổi kĩ thuật Phân tích lưới cột khác nhiều ngành sản xuất cho thấy lưới cột lớn tiết kiệm diện tích sử dụng Trên sở thiết kế mặt ta tiến hành thiết kế mặt cắt ngang nhằm chọn hệ thống kết cấu, giải khơng gian nhà, giải vấn đề nước mưa mái thơng gió chiếu sáng Đối với nhà công nghiệp tầng độ cao nhà quy định sau: - Với nhà khơng có cần trục cầu Q có cần trục treo độ cao nhà tính từ mặt mép kết cấu mang lực mái - Với nhà có cần trục cầu Q độ cao nhà tính từ mặt mép ray cầu trục Việc xác định độ cao nhà vào cá yếu tố sau: - Căn vào độ cao thiết bị - chủ yếu để xác định độ cao nhà Nếu gian bố trí nhiều thiết bị có độ cao thấp khác lúc xác định độ cao gian phải vào độ cao thiết bị cao - Căn vào độ cao vận chuyển lắp ráp thiết bị Đối với gian xưởng có cần trục để vận chuyển vật liệu, sản phẩm lắp ráp thiết bị sản xuất xưởng (lắp máy) cần thêm độ cao cần thiết cần trục hoạt động - Căn vào u cầu thơng gió chiếu sáng tự nhiên Khi xác định độ cao nhà theo yêu cầu cần kiểm tra lại độ cao có phù hợp với u cầu chiếu sáng thơng gió tự nhiên để chọn độ cao cho hợp lý Bảng 1.1 Chiều cao nhà công nghiệp tầng cần trục treo Nhịp nhà (m) Tải trọng cần trục treo (T) Chiều cao nhà (m) Theo bội số (m) 6; 9; 12 15; 18 0.5 ÷ 10 0.5 ÷ 10 3.6; 4.8; 5.4; 4.8 0.6 18;24 0.5 ÷ 10 5.4; 6; 7.2; 10.8; 12.6 0.6 ÷ 1.2 Trong nhà công nghiệp cầu trục thiết bị quan trọng để vận chuyển nguyên vật liệu, bán thành phẩm thành phẩm thiết bị sản xuất lắp ráp sửa chữa Cần trục hay gọi cần trục kiểu cầu sử dụng để vận chuyển hàng hóa theo hai phương ngang, dọc nhà cơng nghiệp tầng hỗn hợp Cầu trục có nhiều loại: - Loại nhỏ có sức nâng ÷ 50 T - Loại trung bình 50 ÷ 250 T - Loại nặng 250 ÷ 630 T Để kinh tế cầu trục thường có hai móc cẩu có sức nâng khác móc cẩu có sức nâng lớn móc cẩu có sức nâng nhỏ ( ví dụ: cầu trục có sức nâng 30T có thêm móc cẩu 5T, có ký hiệu Q = 30/5 T) hai móc cẩu sức nâng để nâng vật có kích thước lớn Cầu trục tạo thành từ ba phận chính: - Xe nâng có pa lăng điện, móc cẩu (một hai) – chạy cầu theo phương ngang nhà - Kết cấu chịu lực theo phương ngang kiểu dầm kiểu giàn, có hệ bánh xe mô tơ đẩy chạy theo phương dọc nhà - Cabin cho người điều khiển Hình 1.2 Cấu tạo cầu trục Như vậy, nhà cơng nghiệp có bố trí cầu trục ảnh hưởng đến làm việc kết cấu Tải trọng cầu trục loại tải trọng lặp, động lực, dễ gây hư hại hao mòn cho kết cấu Bởi thiết kế cần ý đến cường độ hoạt động cầu trục gọi tên chế độ làm việc cầu trục Toàn hệ thống cầu trục chạy hai ray đặt mặt dầm cầu chạy tựa lên vai cột dọc nhà làm việc cầu trục chia theo ba chế độ sau (không phụ thuộc sức trục): - Chế độ làm việc nhẹ: Thời gian mở máy ít, cẩu vật nặng tải Q, có thời gian làm việc chiếm 15 ÷ 25% thời gian ca sản xuất Đó cầu trục dùng để sửa chữa, lắp đặt thiết bị - Chế độ làm việc trung bình: Cầu trục xưởng sản xuất hàng loạt lớn, nhà kho, xưởng rèn dập, thời gian làm việc từ 25 ÷ 40% - Chế độ làm việc nặng: Thời gian làm việc liên tục, thường xuyên cẩu vật có trọng lượng với sức tải tối đa, thời gian làm việc từ 40 ÷ 80% Vật liệu làm khung nhà công nghiệp Nhà công nghiệp hay nhà xưởng tiến hành q trình sản xuất nên có đặc điểm riêng khác nhà dân dụng ( Nhịp nhà thường rộng, Chiều cao lớn, Có cầu trục hoạt động) Để tạo nên kết cấu chịu lực nhà xưởng, nước ta dùng chủ yếu hai loại vật liệu: Thép; Bê tông cốt thép Việc lựa chọn loại vật liệu dựa phân tích hợp lý về: Mặt kinh tế - kỹ thuật; Căn vào kích thước nhà; Sức nâng cầu trục; Các yêu cầu công nghệ sản xuất vấn đề cung cấp vật tư; Thời hạn xây dựng cơng trình Các kiểu hình thức kết cấu cho nhà cơng nghiệp tầng: - Kết cấu nhà có độ nhỏ: độ loại thường 12m Do độ cao không lớn, tải trọng không lớn nên không cho phép dùng kết cấu thép Thường sử dụng cột gạch cột bê tông cốt thép Kết cấu chịu lực mái gỗ bê tơng cốt thép dựa vào yêu cầu chịu lửa độ bền vững nhà mà định Trong cơng trình phụ dùng cột gạch cột bê tông cốt thép, kết cấu chịu lực mái dùng dàn gỗ dạng tam giác Trong xưởng sản xuất nên dùng vật liệu không cháy để làm kết cấu chịu lực kết cấu bao che Sử dụng kết cấu bê tông cốt thép kết hợp bê tông cốt thép thép Nhà có độ lớn: nhà cơng nghiệp có độ lớn tính từ mặt mép ray cầu chạy từ – 30m cao Khẩu độ từ 18 – 60m Bước cột 6m mở rộng 12m, đực biệt 18,24m Nhà công nghiệp độ lớn đơn giản L = 18-36m Kết cấu chịu lực nhà khung ngang chịu lực sử dụng bê tông cốt thép, thép, bê tơng cốt thép hỗn hợp Nhà có độ lớn Kết cấu không gian Do thành tựu khoa học kĩ thuật, kết hợp phương pháp tính tốn mới, kỹ thuật thi cơng ngày nâng cao, gần người ta đưa nhiều dạng kết cấu áp dụng vào nhà công nghiệp ưu điểm dạng kết cấu nhẹ nhàng, tiết kiệm vật liệu với nhà có độ lớn lưới cột lớn Loại kết cấu làm tồn khối lắp ghép 1.1.1 Các phận cấu tạo nhà công nghiệp Về cấu tạo kiến trúc nhà công nghiệp phân thành : - Hệ thống kết cấu chịu lực - Hệ thống kết cấu bao che - Hệ thống kết cấu sàn, nền, kết cấu phụ khác Hình 1.3 Các phận nhà cơng nghiệp a) Hệ thống kết cấu chịu lực: bao gồm kết cấu móng, dầm móng, cột, dầm cầu chạy, kết cấu mang lực mái, kết cấu đỡ sàn, hệ khung chống gió, hệ giằng… Kết cấu chịu lực nhận tải trọng nhà truyền xuống đất Hệ thống kết cấu chịu lực phân thành kết cấu chịu lực theo phương đứng (như móng, cột) theo phương ngang (như kết cấu mang lực mái, dầm cầu chạy, hệ giằng…) Trong số trường hợp kết cấu chịu lực theo phương đứng phương ngang kết cấu kiểu vòm b) Hệ thống kết cấu bao che: kết cấu giới hạn khơng gian nhà với nhiệm vụ bảo vệ cho cơng trình khỏi tác động điều kiện khí hậu Hệ thống kết cấu bao che tựa vào kết cấu chịu lực vị trí nằm bên bên ngồi cột kết cấu mang lực mái Kết cấu bao che phân thành kết cấu bao che theo phương đứng (tường, cửa sổ, cửa đi, cửa mái đứng…) kết cấu bao che theo phương ngang ( mái, cửa mái nằm ngang) c) Hệ thống kết cấu sàn, kết cấu phụ khác: kết cấu sàn có nhà công nghiệp nhiều tầng Các kết cấu phụ khác gồm vách ngăn hệ khung đỡ vách ngăn, hệ sàn công tác, cầu thang… 1.1.2 Đặc điểm nhà công nghiệp ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu Cơng trình nhà cơng nghiệp với chức phục vụ cho sản xuất người lao động nhằm tạo sản phẩm phục vụ cho nhu cầu xã hội người Do nhà cơng nghiệp có đặc điểm khác biệt so với nhà dân dụng ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu Các đặc điểm là: - Nhịp nhà bước khung lớn nhiều so với nhà dân dụng - Chiều cao cột lớn - Có cầu trục hoạt động - Chiều dài nhà lớn độ cứng ngang nhà bé nhiều so với phương dọc - Nhiệt độ phát sinh cao trình sàn xuất - Thiết bị có tải tọng lớn tần số hoạt động lớn Như vậy, với đặc điểm riêng biệt cơng trình cơng nghiệp giải pháp kết cấu phải đảm bảo vượt nhịp lớn, sử dụng vật liệu giải pháp tính tốn thiết kế đáp ứng làm việc nhà cơng nghiệp Kết cấu nhà xưởng có chế độ làm việc nặng hay nặng chịu tác động xung kích liên tục, nên thiết kế phải ý đảm bảo yêu cầu đặc biệt tính tốn cấu tạo quy định quy phạm 1.2 Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp tầng Kết cấu chịu lực nhà công nghiệp tầng đa dạng Việc lựa chọn dạng kết cấu chịu lực nhà công nghiệp tầng phải dựa yêu cầu đặc điểm công nghệ sản xuất, khả làm việc vật liệu, lưới cột thiết bị vận chuyển cần thiết nhà, yêu cầu tổ chức chế độ vi khí hậu phịng, yêu cầu thẩm mỹ kiến trúc kinh tế xây dựng…Kết cấu nhà công nghiệp nhà dân dụng thiết kế phải đáp ứng độ bền, độ cứng tuổi thọ theo thiết kế Thuận tiện cho việc lắp đặt thiết bị máy móc đảm bảo hiệu kinh tế (người thiết kế cần chọn giải pháp kết cấu hợp lý, chọn loại vật liệu phù hợp, tận dụng tối đa tính cơng nghiệp hóa định hình hóa giai đoạn thiết kế, gia công chế tạo, thi công lắp dựng kết cấu) Hiện nay, kết cấu khung phẳng bê tông cốt thép, thép hỗn hợp sử dụng phổ biến xây dựng cơng nghiệp chúng có khả chịu lực tốt, thiết kế, chế tạo thi cơng đơn giản khả cơng nghiệp hóa cao Loại kết cấu hình thành từ khung ngang (móng, cột, xà ngang) kết cấu giằng dọc Các khung ngang liên kết với hệ giằng dọc tạo nên hệ khung chịu lực ổn định - Khung bê tông cốt thép nhà cơng nghiệp tầng có nhiều dạng khác tồn khối lắp ghép, sử dụng cầu trục không song phổ biến khung lắp ghép với cấu kiện điển hình - thống Chúng sử dụng rộng rãi thiết kế, chế tạo, thi công đơn giản đáp ứng yêu cầu cơng nghiệp hóa xây dựng Loại khung đáp ứng hình dáng u cầu cơng nghệ kiến trúc, đặc biệt hợp lý kinh tế nhịp nhà =15m, nhịp L rộng L>=24m ) Bước cột B lớn (B>=12m , cầu trục nặng (Q>=50t ) 1.3 Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT) sử dụng phổ biến kết cấu nhà cửa nhiều nước giới Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc Kết cấu ống thép nhồi bê tông dạng kết cấu hỗn hợp gồm ống thép lõi bê tông làm việc Bê tông đổ lịng ống q trình đơng cứng chặt bê tơng ống thép tạo thành kết cấu liên hợp chịu lực chung Trong ống thép có tác dụng vỏ bao bọc chặt bê tơng Ống thép có nhiều dạng tiết diện, trịn đa giác kín Cường độ bê tơng mác trung bình mác cao Ưu điểm kết cấu là: Độ bền lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức lớp áo bọc chặt bên ngoài) tăng khoảng lần so với độ bền bê tông thường; Cách xếp vật liệu trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ độ cứng cấu kiện Cốt thép phân bố chu vi tiết diện nên phát huy hiệu làm việc cao chịu mô men uốn Bê tông tạo lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén q trình làm việc, trì hỗn chống lại bất ổn định cục ống thép đặc biệt cấu kiện có tiết diện hình vng chữ nhật Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông lõi bê tông làm tăng cường độ chịu nén độ dẻo 11 dai cấu kiện CFT; Việc nhồi bê tông vào ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục thành ống làm tăng khả chống móp méo vỏ ống thép va đập; Giá thành tổng thể cơng trình làm kết cấu ống thép nhồi bê tơng nói chung nhỏ nhiều so với giá thành cơng trình tương tự làm kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường Khối lượng kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ so với kết cấu bê tơng việc vận chuyển lắp ráp dễ dàng đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng Kết cấu ống thép nhồi bê tơng kinh tế so với kết cấu bê tơng cốt thép khơng cần ván khn, giá vịm, đai kẹp chi tiết đặt sẵn, có sức chịu đựng tốt hư hỏng va đập Do khơng có cốt chịu lực cốt ngang nên đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng (tỉ lệ N/X lấy nhỏ hơn) dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao Tuy nhiên, kết cấu nhược điểm như: chưa hiểu rõ tương tác hai vật liệu gây khó khăn việc xác định thuộc tính kết hợp mơ men qn tính, mơdul đàn hồi; chi tiết liên kết cột CFT sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép tương đối phức tạp Các ứng xử, chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa hiểu rõ gây khơng khó khăn cho tính tốn thiết kế cấu tạo liên kết; Hiện nay, hạn chế tồn loại kết cấu CFT tiếp tục nghiên cứu để dần hoàn thiện u cầu mặt cấu tạo, lý thuyết tính tốn nhận thức sâu ứng xử loại kết cấu So với kết cấu bê tông cốt thép kết cấu bê tông cốt cứng, loại kết cấu có điểm vượt trội hẳn: – Có tính dẻo tốt BTCT làm việc gần đồng thời vỏ thép lõi bê tơng nên khả kháng chấn cơng trình tốt BTCT – Khắc khục tính dịn lớn bê tơng cường độ cao bê tơng bị gị chặt ống thép – Có khả chịu mài mòn vỏ thép va đập tốt Trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc mẫu cách ly nhỏ – Trong kết cấu cốt thép dọc hay cốt thép đai, q trình thi cơng thuận tiện độ chặt sít bê tơng đảm bảo – Việc tu bảo dưỡng đơn giản hỏng lớp sơn chống rỉ mặt ngồi vỏ thép cần sơn bảo vệ lại Do đảm bảo tính bền vững khơng bị xâm thực phá hoại trực tiếp kết cấu bê tơng cốt thép t – Có thể giảm đến gần nửa kích thước tiết diện, tăng khơng gian sử dụng, giảm 12 tải trọng thân, vượt độ nhịp lớn hiệu cao mặt kinh tế kỹ thuật Như vậy, qua tổng quan thấy đặc tính ưu việc kết cấu bê tông cốt thép so với loại kết cấu khác Những ưu đảm bảo việc ứng dụng rộng rãi linh hoạt kết cấu xây dựng đại Tuy nhiên, việc sử dụng kết cấu vào thực tế cịn nhiều khó khăn chưa có dẫn thiết kế cụ thể đặc biệt cơng trình vượt nhịp lớn nhà cơng nghiệp điều kiện Việt Nam Do cần thiết lập trình tự tính tốn thiết kế theo tiêu chuẩn hành để thiết kế nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cần thiết nhằm ứng dụng kết cấu vào thực tế xây dựng 1.4 Khả chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông hệ thống gồm cấu kiện chịu lực ống thép nhồi đặc bê tông cường độ cao trung bình Hệ thống kết cấu CFT có nhiều ưu điểm độ cứng, cường độ, khả chống biến dạng khả chống cháy Nói chung loại kết cấu nghiên cứu áp dụng cho nhiều loại cơng trình xây dựng nhà dân dụng, cơng nghiệp cơng trình cầu đường, dạng cơng trình kỹ thuật khác nước quan tâm Khác với loại ống thép bình thường, ống thép nhồi bê tông hiệu chịu nén, cịn khả chịu kéo nhỏ nhiều tương tự kết cấu bê tông cốt thép Do hệ thống chịu lực ta nên chọn kết cấu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu nén, nhiên số trường hợp dùng làm cấu kiện chịu kéo số lý như: Để chống gỉ cho mặt ống thép tăng độ cứng chống uốn Các kết cấu ống thép nhồi bê tông dùng xây dựng thường kết cấu cột liên hợp, cấu kiện chịu nén dọc trục Nhưng thực tế cột khơng chịu nén mà cịn chịu uốn lực nén đặt lệch tâm Tiêu chuẩn chung cột liên hợp phần tử thép có tác động liên hợp với phần tử bê tơng, phần tử thép bê tông tham gia kháng lại lực nén, vỏ thép có tác dụng chịu kéo chịu mô men uốn cột Các dạng lõi bê tơng lý tưởng có tác dụng chống lại tải trọng nén cản trở trạng thái oằn cục ống thép Vì nên sử dụng cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông vị trí chịu lực nén lớn, giãn nở bị động thành bên tạo ống thép làm tăng cường độ, tính mềm dẻo, biến dạng bê tơng Có thể so sánh kết cấu: bê tông cốt thép thường (RC), bê tông cốt thép thường có lõi cốt thép cứng (SRC), kết cấu thép (S), kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) sau: 13 Bảng 1.2 So sánh đặc điểm số loại cấu kiện chịu nén Tính chất Kết cấu RC SRC S CFT Độ cứng Rất tốt Rất tốt Khá Tốt Chống cháy Rất tốt Rất tốt Khá Tốt Tính dễ uốn Khá Tốt Rất tốt Rất tốt Thi công Tốt Khá Rất tốt Rất tốt Khá Tốt Rất tốt Rất tốt Áp dụng cho cơng trình chịu tải trọng lớn Như với kết nghiên cứu tổng hợp tác giả [] cho thấy, với phạm vi sử dụng cho cơng trình nhà cao tầng, cơng trình cầu chịu tải trọng dao động lớn, kết cấu ống thép nhồi bê tông tỏ hiệu so với kết cấu truyền thống kết cấu thép kết cấu bê tông Điều cho phép tác giả mạnh dạn việc nghiên cứu tính hiệu kiểu kết cấu vào cơng trình nhà cơng nghiệp nhằm có đánh giá kiến nghị việc sử dụng kết cấu vào xây dựng nhà công nghiệp 1.5 Kết luận chương Trong chương thực tổng quan nhà công nghiệp đặc điểm khác biệt nhà công nghiệp so với nhà dân dụng ảnh hưởng đến giải pháp thiết kế kết cấu Luận văn giới thiệu kết cấu ống thép nhồi bê tơng Những đặc tính tốt loại kết cấu phù hợp cho việc ứng dụng vào công trình nhà cơng nghiệp bên cạnh kết cấu truyền thống (kết cấu thép, BTCT) Tuy nhiên để áp dụng vào thực tế thiết kế cịn gặp khó khăn chưa có đánh giá mức độ hiệu kết cấu ống thép nhồi bê tông sử dụng nhà công nghiệp so với kết cấu truyền thống Chương chương luận văn trình bày cụ thể trình tự thực thiết kế nhà công nghiệp tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tơng kết cấu thép với so sánh đánh giá để cung cấp có hiểu biết việc sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông nhà công nghiệp 14 CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CƠNG NGHIỆP TẦNG SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VÀ KẾT CẤU THÉP Như trình bày Chương cho thấy kết cấu ống thép nhồi bê tơng có ưu điểm như: khả chịu lực cao, chống ăn mòn tốt, tăng độ cứng chống uốn, ổn định với cơng trình nhà cơng nghiệp có chiều cao lớn, sức trục lớn, nhịp nhà bước cột lớn việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông giải pháp tốt Tuy nhiên kết cấu liên hợp thép bê tông ứng dụng vào cơng trình cầu, nhà cao tầng… cấu kiện cột chịu lực nén lớn mà chưa ứng dụng vào cơng trình nhà cơng nghiệp Do để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tơng vào nhà cơng nghiệp cần có phân tích đánh giá hiệu với kết cấu truyền thống (chủ yếu kết cấu thép) Trong luận văn tác giả bàn đến việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông nhà công nghiệp tầng nhịp Nhằm làm sở cho việc tính tốn đánh giá hiệu kết cấu ống thép nhồi bê tông nhà công nghiệp tầng nhịp chương tác giả xin trình bày hai giải pháp kết cấu kết cấu thép kết cấu ống thép nhồi bê tơng lý thuyết tính tốn cụ thể cho trường hợp 2.1 Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp tầng nhịp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông Các bước thiết kế kết cấu thép khung nhà công nhiệp tầng nhịp 2.1.1 Mặt kết cấu nhà xưởng kích thước khung ngang 2.1.1.1 Mặt kết cấu nhà xưởng: Từ nhiệm vụ thiết kế vẽ mặt cắt ngang nhà xưởng lập mặt kết cấu nhà xưởng (Khung, Cột, Dầm cầu trục, ) Hình 2.1 Mặt cắt ngang nhà 15 Hình 2.2 Mặt nhà 2.1.1.2 Xác định số liệu tính tốn - Với cầu trục có sức trục Q ta xác định số liệu sau: + Khoảng cách từ đỉnh ray đến đỉnh xe cầu trục là: K1 + Khoảng cách tối thiểu từ tim ray đến mặt cột là: Zmin + Khoảng cách từ trục định vị đến mặt cột là: a - Với Q L ta xác định số liệu sau: + Nhịp cầu trục: Lcc= S +Khoảng cách từ tim ray đến trục định vị (λ) : λ = (L- Lcc)/2 - Khoảng cách từ đỉnh xe đến đỉnh cột (mặt kết cấu xà nằm ngang mặt trần nhà): Khi nhà có mái dốc cho nhịp Trường hợp xà ngang dầm mái kèo cánh song song có: ∆a = 200 ÷ 500 (mm) Trường hơp xà ngang kèo có cánh năm ngang (như giàn tam giác, giàn hình thang, ) có: Δa= 100 + Δv (mm) Δv độ võng max kèo, lấy theo độ võng giới hạn Δv = L/250 2.1.1.3 Kích thước cột - Chiều cao cột + Chiều cao cột trên: Htr = K1 + hdcc + hr+ ∆a + Chiều cao cột dưới: Hd = H1 - hdcc - hr + hch + Chiều cao toàn cột: H = Htr + Hd - Chọn tiết diện cột + d 235 90. 90 t fy Trong đó: d: đường kính cột CFT t: bề dày ống thép f y : giới hạn đàn hồi thép 16 Mặt cắt C-C Khung ngang nhà Hình 2.3 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tơng - Chọn kích thước vai cột: công xôn ngắn tiết diện chữ I +Bề cao tiết diện vai cột: hv ≥ λ – h + Chiều rộng vai cột chọn theo bề rộng cột 2.1.1.4 Kích thước dầm mái kết cấu cửa mái Dầm mái tiết diện đặc dạng chữ I Dầm chia thành đoạn lắp ghép, đoạn đầu (liên kết với cột) có tiết diện thay đổi, đoạn có tiết diện khơng thay đổi - Nhịp dầm mái: Ld = L + 2a – h (nhịp tính tốn dầm nhịp tính tốn khung, Ld = Lk= Ltt) - Chiều dài nhịp đoạn dầm tiết diện thay đổi Ld1 ≈ (0,35 ÷ 0,4)L/2 - Tiết diện dầm mái + Bề cao tiết diện dầm nách khung: hd1 ≥ L/40 + Bề cao tiết diện đoạn giữa: hd2 ≥ 0,6hd1 + Bề rộng cánh: bd = (0,2 ÷ 0,5)hd1 ; bd ≥ 180 mm + Bề dày cánh bụng : tw = (1/70 ÷ 1/100)hd , tw ≥ mm, tf ≥ bd /30; tf ≥ tw ; tf ≤ 60 mm - Kết cấu cửa mái: Khi thơng gió tự nhiên, khơng cần chiếu sáng tự nhiên Hcm , Lcm lấy sau + Chiều cao kết cấu cửa mái : Hcm = (1000 ÷ 1500) mm + Nhịp kết cấu cửa mái : Lcm = (1/5 ÷ 1/3)L + Độ vươn cơng xôn dầm cửa mái: La ≥ 500 mm + Tiết diện kết cấu cửa mái (cột dầm): Dùng thép hình chữ I + Độ dốc nước mái: Mái lợp tơn, độ dốc nước thường chọn i≥ 0,175 Chọn i = tgα, có góc nghiêng mái α (nên chọn i = 0,2) + Chiều cao mái: Chiều cao từ điểm giao cánh dầm mái với cánh 17 cột đến đỉnh dầm mái Hm = L.tgα/2 = L.i/2 + Chiều cao mái ứng với đoạn dầm mái (thay đổi TD) Hm1 = Ld1.tgα = Ld1.i + Chiều cao mái ứng với đoạn dầm mái giáp đỉnh mái (TD không đổi) Hm2 = Hm – Hm1 2.1.1.5 Hệ giằng nhà xưởng Hệ giằng kết cấu dầm mái Hệ giằng cột Hệ giằng hệ KC giàn mái 2.1.2 Xác định tải trọng tác dụng vào khung ngang Tải trọng xác định theo tải trọng tiêu chuẩn Tĩnh tải - Tĩnh tải mái: + Trường hợp xà ngang dầm mái: Đưa tải phân bố dầm mái g gc= (g1c+ g2c).B + Trường hợp xà ngang giàn mái: Đưa tải tập trung nút giàn mái G Gc= gcd1; G =gd1 (lưu ý: tải nút biên = gd1/2) Trong : g1c trọng lượng tơn lợp, xà gồ: g1c= (0.1 ÷ 0.15) kN/m2 g2c trọng lượng thân kết cấu, hệ giằng mái lấy gần đúng: g2c= (0.1 ÷ 0.2) kN/m2 - Trọng lượng dầm cầu trục: Gdct =αdctLdct2; (trọng lượng dầm cầu trục xác định gần theo công thức xem bao gồm ray đệm, Gdct đặt vai cột Ldct nhịp dầm cầu trục (Ldct = B) đơn vị tính m; αdct= 24 ÷ 37 Hoạt tải sửa chữa mái: Hoạt tải sửa chữa mái từ xà gồ truyền xuống dầm mái gần xem tải phân bố dầm mái (p) Hoạt tải xét với trường hợp tác dụng khung là: chất nửa nhịp trái, nửa nhịp phải toàn nhịp khung ngang Giá trị p xác định sau: + Khi xà ngang dầm mái p = pc.B.cosα = 0.75.B.cosα (kN/m) + Khi xà ngang giàn mái, P đặt vào nút giàn P=pd (daN); (tải nút biên = pd/2) Hoạt tải cầu trục: Từ sức trục Q , nhịp cầu trục Lcc tra bảng số liệu cầu trục (bảng 4.2 phụ lục sách ‘Thiết kế khung thép nhà cơng nghiệp’) có : - Áp lực bánh xe lên ray: Pmax= Rmax; Pmin = Rmin 18 - Bề rộng cầu trục Bct= 2LK - Số lượng bánh xe bên cầu trục n0 = - Khoảng cách hai bánh xe cầu trục R - Trọng lượng xe cầu trục Gxecon Xác định áp lực thẳng đứng cầu trục lên vai cột (Dmax Dmin): (Xem sách ‘Thiết kế kết cấu thép nhà cơng nghiệp’ trang 15, 16) Hình 2.4 Đường ảnh hưởng phản lực gối tựa ∑yi= y1+y2+y3+y4 Dmax = nc.Pmax.∑yi = 0,85.Pmax ∑yi Dmin = nc.Pmin ∑yi = 0,85.Pmin ∑yi Hình 2.5 Sơ đồ chất tải Dmax, Dmin khung Xác định lực xô ngang T vào cột lực hãm xe con: (Xem sách ‘Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp’ trang 16, 17; T1c= 0,05.(Q + Gxecon)/n0 T =nc.T1c ∑yi = 0,85.T1c ∑yi (Lực T đặt vị trí cột cách trục vai cột đoạn hv/2+hdct) 19 Hình 2.6 Sơ đồ tải xô ngang T khung Tải trọng gió: - Tải trọng gió ngang nhà: Tải trọng gió tác dụng khung xác định theo TCVN 2737-1995 + q = W0.k.c.B k hệ số độ cao, để an tồn lấy tải gió cột với k cao độ đỉnh cột, gió dầm mái với k cao độ đỉnh mái cửa trời C hệ số khí động, xác định theo hình khối nhà W0: Tải gió tiêu chuẩn (tra bảng) Hình 2.7 Các hướng gió tính tốn a) Gió ngang nhà; b) Gió dọc nhà * Xác định hệ số khí động C: Ta xác định hệ số khí động thơng qua thơng số: góc nghiêng α; Hc ; L B tra bảng theo sơ đồ TCVN2737-1995 L *Xác định hệ số độ cao k: Cơng trình xây dựng địa điểm có dạng địa hình tra bảng 1.2 phụ lục sách 20 “Thiết kế khung thép nhà cơng nghiệp” có hệ số độ cao tải trọng gió cột mái là: kcột; kmái Đối với xà ngang giàn mái, tải trọng gió mái lực tập trung Qmi vng góc với mặt mái đặt nút giàn: Qmi = qmid1 (tải nút biên = qmid1/2, d1 khoảng cách bố trí xà gồ mặt mái) 2.1.3 Nội lực tổ hợp nội lực 2.1.3.1 Nội lực - Sử dụng phần mềm sap2000 V20 phân tích kết cấu khung, cho kết giá trị nội lực cấu kiện cột, xà theo trường hợp tải trọng riêng biệt Lấy kết nội lực tiết diện đặc biệt khung: - Tại cột: tiết diện chân cột (ký hiệu tiết diện A), đỉnh cột (ký hiệu tiết diện B), tiết diện phía vai cột (ký hiệu tiết diện Ctr) vai cột (ký hiệu Cd) - Tại xà: tiết diện hai đầu xà, tiết diện thay đổi 2.1.3.2 Tổ hợp nội lực: Theo tiêu chuẩn Eurocode - Tổ hợp gây mô men dương lớn Mmaxvà lực nén, lực cắt tương ứng Ntư, Vtư; - Tổ hợp gây mô men dương nhỏ Mminvà lực nén, lực cắt tương ứng Ntư, Vtư; - Tổ hợp gây lực dọc lớn Nmax mô men, lực cắt tương ứng Mtư, Vtư; 2.1.4 Thiết kế cấu kiện cột kết cấu: Dựa vào tiêu chuẩn Eurocode để thiết kế cột Có hai phương pháp tính toán: Phương pháp thứ phương pháp tổng quát, yêu cầu tính đến ảnh hưởng làm việc phi tuyến chế tạo khơng xác Phương pháp áp dụng cho tiết diện khơng đối xứng cột có tiết diện thay đổi Cách tính dùng phương pháp số tính tốn theo chương trình tính tốn riêng mà tiêu chuẩn thiết kế không nêu Phương pháp thứ sở để thành lập tiêu chuẩn thiết kế số nước châu Âu trước thành lập tiêu chuẩn chung sau Eurocode Phương pháp sử dụng đường cong cột thép có kể đến chế tạo khơng xác thống nước gọi đường cong uốn dọc châu Âu Chúng giới hạn cho cột có tiết diện khơng đổi có hai trục đối xứng - Giả thiết hai phương pháp là: +Tương tác thép bê tơng hồn tồn cột bị phá hoại + Sự chế tạo không xác hình học kết cấu kể đến tính tốn +Tiết diện ngang ln phẳng cột bị biến dạng * Điều kiện ổn định cục lõi thép 21 d 235 90. 90 t fy Đối với cột rỗng nhồi bê tông Trong đó: d: đường kính cột t: bề dày ống thép f y : giới hạn đàn hồi thép a Thiết kế cột chịu nén tâm - Theo điều kiện bền – phương pháp tính đơn giản + Khả chịu nén tối đa cấu kiện ống rỗng nhồi bê tông: N pl,Rd Aa fy Ma Ac f ck c As f sk s Trong đó: Aa, Ac, As diện tích tiết diện ngang lõi thép, bê tông cốt thép mềm fy, fck, fsk giới hạn đàn hồi lõi thép, cường độ chịu nén đặc trưng bê tông giới hạn đàn hồi cốt thép Ma , c , s hệ số an tồn vật liệu lõi thép, bê tơng thép - Theo điều kiện ổn định + Lực tới hạn Ncr cột tính sau: N cr EI c l2 Trong đó: (EI)c độ cứng cột liên hợp l: chiều dài tính tốn cột tách từ kết cấu, với kết cấu khung nút cứng chiều dài hình học L Với tải trọng ngắn hạn lấy: EI c Ea I a 0.8Ecd I c Es I s Với: Ia, Ic, Is mơ men qn tính tiết diện lõi thép, bê tông cốt thép với trục trung hịa tiết diện Ecd mơ đun đàn hồi tính tốn bê tơng ; Ecd Ecm c Ecm mô đun đàn hồi ban đầu bê tơng c hệ số an tồn tính độ cứng bê tông; c 1.35 Với tải trọng dài hạn lấy: 22 Trong cơng thức thay Ecd Ec N Ec Ecd 1 0.5 G ,Sd N Sd Trong NG,Sd nội lực tải dài hạn gây nên NSd Việc điều chỉnh mô đun đàn hồi cần thiết độ mảnh theo phương mặt phẳng uốn xét vượt 0.8/(1-δ) e/d 6mm - Chiều dày cánh tf chọn khoảng (1/28÷1/35)b Kiểm tra tiết diện cột - Cột chịu nén lệch tâm, tiết diện đối xứng Nội lực lớn M, N, V Bảng 2.1 Kích thước hình học tiết diện cột Chiều cao tiết diện Cánh H (cm) Bf (cm) tf (cm) Cánh hw (cm) tw (cm) Cánh bf (cm) tf (cm) Bảng 2.2 Đặc trưng hình học tiết diện cột Jx Wx rx Jy Wy ry A cm4 cm3 cm cm4 cm3 cm cm2 - Chiều dài tính tốn cột: 30 + Trong mặt phẳng khung lx: cho phép tính lx=µ.H với hệ số chiều dài tính tốn µ (Bảng 5.4), phụ thuộc vào tham số: GT b.I c H I xà Trong đó: b, H - chiều dài nửa xà, chiều cao cột Ιc, Ιxà mơ men qn tính cột xà (lấy tiết diện cách nút khung 0,4b) + Chiều dài tính tốn cột ngồi mặt phẳng uốn ly lấy khoảng cách hai điểm ngăn cản chuyển vị cột theo phương mặt phẳng uốn, tức khoảng cách điểm giằng cột - Kiểm tra điều kiện khống chế độ mảnh: - Độ mảnh cột: x I Ix ; y y ry rx - Độ mảnh qui ước cột: x x f f ; y y E E Độ mảnh giới hạn cột: theo bảng 25 TCXDVN 338:2005: [ ] 180 60. với N c A f c So sánh max( x ; y ) với [ ] max( x ; y ) [ ] thỏa mãn khơng phải tính lại - Kiểm tra điều kiện bền Độ lệch tâm tương đối: m e M A N Wx - Độ lệch tâm tính đổi: me .m ; Hệ số η kể đến ảnh hưởng hình dạng tiết diện lấy theo bảng D.9 phụ lục D TCXDVN 338:2005 Nếu me>20 cần kiểm tra theo điều kiện bền N M f c cịn me20 cần kiểm tra ổn định tổng thể với cấu kiện chịu uốn (mơmen M) kiểm tra theo điều kiện sau: M f c b Wc Tính b theo phụ lục E, TCXDVN 338:2005 (phụ thuộc hệ số α hệ số ) 31 l t Tính hệ số: 8. f h fk b f a.t w , 1 b t f f Trong đó: l0=ly; hfk khoảng cách trọng tâm hai cánh - a=0.5 hfk Tra bảng E.1 (TCXDVN 338:2005) ta có: ψ = 2.25 + 0.07α 0.1 ≤ α ≤ 40 ψ = 3.6 + 0.04α – 3.5.10-5α2 40 < α ≤ 400 J h E từ tính giá trị 1 y b J x l0 f φb = φ1 φ1 ≤ 0.85 φb = min(0.68 + 0.21 φ1; 1.0) φ1 > 0.85 - Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể mặt phẳng khung N c. y A f c Trong đó: hệ số c kể đến ảnh hưởng mơ men uốn Mx hình dáng tiết diện đến ổn định cột theo phương vng góc với mặt phẳng uốn (phương ngồi mặt phẳng uốn) c phụ thuộc vào mx: mx Mx A N Wx Cột bị khống chế chuyển vị theo phương vng góc với mặt phẳng tác dụng mơmen nên momen Mx mômen lớn khoảng 1/3 chiều dài cột, không nhỏ 0,5 lần mômen lớn chiều dài - Kiểm tra ổn định cục cánh cột b0 f tf b f tw b ; Trong đó: b0 f t Tra bảng 35 TCXDVN 338: 2005 độ mảnh giới hạn phần cánh nhô cột (độ mảnh quy ước E b0 t 0.36 0.1 f - Kiểm tra ổn định cục bụng cột Bản bụng phải đảm bảo điều kiện ổn định cục theo công thức: hw hw tw tw + Nếu độ lệch tâm tính đổi me> 20 cần kiểm tra ổn định bụng với cấu 32 kiện chịu uốn theo công thức: hw E 3.2 tw f + Điều kiện ổn định tổng thể cột định điều kiện ổn định tổng thể mặt phẳng uốn nên cần phải tính hệ số α ứng suất tiếp trung bình τ 1 N M N M ; 1.4(2 1) ; 1 K1 ; K1 ; An J x An J x V hw t w hw (2 1) E 4.35 (2 4 tw 2.3 Nhận xét kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu thép Qua lý thuyết thiết kế khung ngang nhà công nghiệp tầng nhịp cho hai kiểu kết cấu ống thép nhịi bê tơng kết cấu thép, vài nhận xét rút sau: Với cột CFT kích thước tiết diện đảm bảo cho kết cấu chịu lực ổn định theo hai phương Trong đó, cột thép tính tốn bố trí tiết diện chủ yếu theo phương ngang nên độ cứng hai phương chênh lệch lớn Kết cấu ống thép nhồi bê tông xét đến độ ổn định tổng thể, kết cấu thép vừa xét ổn định tổng thể ổn định cục Với tiết diện đặc nhồi bê tông nên khả chịu nén lớn độ cứng tiết diện lớn nhiều so với kết cấu thép 2.4 Kết luận chương Trong chương luận văn trình bày cách chi tiết trình tự thực thiết kế khung ngang nhà công nghiệp tầng nhịp sử dụng cột ống thép nhồi bê tông kết cấu thép Từ sở lý thuyết chương thực ví dụ cụ thể thiết kế nhà công nghiệp sử dụng hai kiểu kết cấu thực khảo sát đánh giá tính hiệu hai kết cấu 33 CHƯƠNG PHÂN TÍCH , ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP KẾT CẤU CFT TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP TẦNG Hiện kết cấu nhà cơng nghiệp nước ta việc sử dụng kết cấu thép chủ yếu, nhiên qua q trình phân tích, đánh giá đặc điểm ưu điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông từ chương cho thấy giải pháp kết cấu dùng nhà công nghiệp Nhưng vấn đề ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông chưa sử dụng nhà cơng nghiệp chưa có phân tích đánh giá cụ thể hiệu mà kết cấu mang lại nhà công nghiệp nên thông qua ví dụ tính tốn cơng trình cơng nghiệp cụ thể để làm sở tính tốn phân tích làm việc hiệu kết cấu ống thép nhồi bê tơng mang lại cơng trình nhà cơng nghiệp tầng , 1nhịp 3.1 Thiết kế nhà công nghiệp tầng nhịp sử dụng kết cấu cột CFT kết cấu thép Với mục đích đánh giá tính hiệu hai kết cấu, cơng trình nhà cơng nghiệp sử dụng ví dụ thực tính tốn thiết kế cho cột CFT cột thép Các yếu tố khác kích thước xà ngang, vai cột, tải tọng tác dụng cho trước (những thông số tính tốn chi tiết khơng đề cập phần này) Hình 3.1.Sơ đồ khung ngang nhà cơng nghiệp •Nhịp khung: L = 24 m 34 •Bước khung: B = m; toàn nhà dài 96 m •Sức trục: Q = 20 tấn; Số cầu trục làm việc xưởng chiếc, chế độ làm việc trung bình •Cao trình đỉnh ray: H1= 10 m •Vùng gió: IIB •Chiều cao dầm cầu trục: hdct= 0.75 m; Chiều cao ray: hr= 0,15m •Mái lợp tơn múi dày 0,51mm •Vật liệu: Ống thép trịn ống thép hàn xoắn AWWA C200 sử dụng thép Q235, có fy= 235 MPa, E = 21×104 Mpa Bê tơng móng, cột CFT sử dụng C25/30 có fck = 25MPa, Ecm= 33×103 Mpa •Biết kích thước xà mái chọn thép hình I thay đổi tiết diện: I(750×350×11×14)mm đầu cột I(450×350×11×14) cách đầu cột đoạn 4.5m •Với tải trọng tiêu chuẩn sau: Tĩnh tải Hoạt tải Dmax trái 35 Dmax phải T trái T phải Gió trái Gió phải Hình 3.2 Các tải trọng tác dụng vào khung L=24m 36 3.1.1 Tính tốn thiết kế cột nhà cơng nghiệp sử dụng kết cấu thép a Chọn tiết diện cột - Chiều cao tiết diện: h ( 1 ) H 11.8 0.472m 25 25 Chọn h=600mm Kiểm tra khoảng hở dầm cầu trục cột (lấy trục định vị cách mép cột a=250mm): z L1 (h 0.25) 0.75 (0.6 0.25) 0.40m 0.18m thỏa yêu cầu - Bề rộng tiết diện: b ( 1 1 ) H ( )11.8 (0.39 0.59)m 20 30 20 30 Và b (0.3 0.5)h (0.3 0.5) x0.6 (0.18 0.3)m Chọn b=350mm - Chiều dày bụng tw nên chọn vào khoảng (1/70 ÷1/100)h Để đảm bảo điều kiện chống gỉ, không nên chọn tw mỏng: tw> 6mm tw 600 8.6mm Chọn tw=11 mm 70 100 - Chiều dày cánh tf chọn khoảng (1/28÷1/35)b 1 t f 350 10 12.5mm Chọn tf=14 mm 28 35 b Tổ hợp nội lực - Sử dụng phần mềm Sap2000 V20 để tính tốn nội lực khung: + Tính tốn kết cấu khung theo sơ đồ khung phẳng + Nhịp tính tốn khung lấy theo khoảng tim trục cột; trục xà gãy khúc điểm đổi tiết diện (nối tâm tiết diện nách xà với tâm tiết diện chỗ đổi, đoạn lại lấy trùng với trục tiết diện bé) +Liên kết cột với móng liên kết ngàm, liên kết - Ta tiến hành chất tải trọng gồm: Tĩnh tải, hoạt tải , DMAX trái, DMAX phải, T trái, T phải, gió trái, gió phải tải trọng tiêu chuẩn lên hệ khung Trọng lượng thân cột xà ngang để phần mềm tự tính.Ta tiến hành tổ hợp nội lực theo Eurocode sau: G,i GK , j Q,i QK ,1 0,i Q,i QK ,i Trong đó: γG,j = 1,35 Gk,j có tác động bất lợi lên ổn định kết cấu; γG,j = 1,0 Gk,j có tác động có lợi lên ổn định kết cấu Qk,1 tải trọng thay đổi có tính định tổ hợp, γQ,1 = γQ,I = 1,5 Qk,i tải trọng thay đổi phụ thuộc Trường hợp thơng dụng với gió ψ0,i=0,6 TH1=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX trái +1.5T trái +0.9 Gió trái 37 TH2=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX phải +1.5T trái +0.9 Gió trái TH3=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX trái +1.5T phải +0.9 Gió trái TH4=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX phải +1.5T phải +0.9 Gió trái TH5=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX trái +1.5T trái +0.9 Gió phải TH6=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX phải +1.5T trái +0.9 Gió phải TH7=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX trái +1.5T phải +0.9 Gió phải TH8=1.35TT + 1.5HT + 1.5DMAX phải +1.5T phải +0.9 Gió phải TH9=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX trái +1.5T trái +1.5 Gió trái TH10=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX phải +1.5T trái +1.5 Gió trái TH11=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX trái +1.5T phải +1.5 Gió trái TH12=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX phải +1.5T phải +1.5 Gió trái TH13=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX trái +1.5T trái +1.5 Gió phải TH14=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX phải +1.5T trái +1.5 Gió phải TH15=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX trái +1.5T phải+1.5 Gió phải TH16=1.35TT + 0.9HT + 1.5DMAX phải +1.5T phải+1.5 Gió phải TH17=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX trái +0.9T trái+1.5 Gió phải TH18=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX phải+0.9T trái+1.5 Gió trái TH19=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX trái+0.9T phải +1.5 Gió trái TH20=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX phải+0.9T phải +1.5 Gió trái TH21=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX trái+0.9T trái +1.5 Gió phải TH22=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX phải+0.9T trái +1.5 Gió phải TH23=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX trái+0.9T phải +1.5 Gió phải TH24=1.35TT + 0.9HT + 0.9DMAX phải+0.9T phải +1.5 Gió phải Theo phụ lục I: tổ hợp nội lực cho cột; Bảng I.1: Thống kê trường hợp tổ hợp gây cho cột thép khung L=24m, ta lập g giá trị sau: Bảng 3.1 Tổ hợp nội lực cột thép khung L=24m Mmax Ntư Qtư Mmin Ntư Qtư Nmax Mtư Qtư kNm kN kN kNm kN kN kN kNm kN CHÂN CỘT 283.21 -484.58 46.46 -547.47 -242.92 -108.33 -555.26 -445.34 -108.33 VAI CỘT 430.18 -539.74 -84.09 31.06 -112.84 -12.98 -539.74 430.18 -84.09 DƯỚI VAI CỘT 242.92 -105.38 -84.09 -156.20 -24.39 -18.24 -105.38 242.92 -84.09 TRÊN ĐỈNH CỘT 426.03 -100.78 -59.35 -81.04 -19.79 -37.44 -100.78 426.03 -59.35 TIẾT DIỆN c Kiểm tra tiết diện cột Cột chịu nén lệch tâm, tiết diện đối xứng, đặc Nội lực lớn M, N, V lấy tiết 38 diện chân cột - Nội lực tính tốn: M= - 547.465 kNm N= - 242.918 kN Q= -108.332 kN - Vật liệu: Thép Q235 có: fy= 235 MPa, E = 21×104 Mpa Chiều dài tính tốn cột: Chiều dài tính tốn mặt phẳng uốn: lx= .H Trong xác định phụ thuộc vào hệ số K (theo bảng 3.1) - Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp - Đoàn Định Kiến J xa J cot 11.8 1.672 10 K : 0.812 L H 24 1.013 10 Tra bảng ta được: =1.2 Chiều dài tính tóan mặt phẳng uốn: lx= .H = 1.2x11.8 = 14.16 (m) Giả thiết bố trí giằng cột dọc nhà thép hình chữ C cao trình +9.1m nên chiều dài tính tốn theo phương mặt phẳng uốn: ly=9.1m Xác định diện tích cần thiết Ayc: Theo giả thiết phần kích thước khung ta có chiều cao tiết diện cột: h=0,6m Theo yêu cầu cấu tạo độ cứng, bề rộng tiết diện cột: b (0.3 0.5).h (0.3 0.5).600 (180 300)mm b( 1 1 ).l y ( ).9100 (303 455)mm 20 30 20 30 → Chọn b= 350 mm Diện tích tiết diện cần thiết cột: e 242.918 547.465 1.25 (2.2 2.8) h 235 1.25 (2.2 2.8) 242.918 0.6 98.35 121.65cm 1 1 Chiều dày bụng: t w ( ).h ( )600 (6 8.6)mm 70 100 70 100 Ayc N c f Chọn sơ chiều dày bụng tw = 11mm Chiều dày cánh chọn: tf = 14mm Diện tích tiết diện chọn: A 2b f t f t w hw 16092mm2 160.92cm Xác định đặc trưng hình học tiết diện: - Mơ men qn tính tiết diện: JX b f h 12 0.5(b f t w ).hw 12 = 1013033744 mm4 =101303cm4 39 3 t f b f t h J Y w w 100172460 mm4 =10017.246 cm4 12 12 - Bán kính quán tính: ix IX 25.09cm A iy Iy A 7.89cm - Mô men chống uốn: WX 2.J X 101303 3376.77cm H 60 - Độ mảnh độ mảnh quy ước tiết diện: x lx f 23.5 56.437 1.888 56.437