đồ án thép hai kết cầu nhà công nghiệp

ĐỒ ÁN THÉP 2 GVHD NGUYỄN DANH HOÀNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC KẾT CẤU THÉP SỐ 2 “THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG 1 NHỊP” PHẦN THUYẾT MINH TÍNH TOÁN PHẦN I SƠ BỘ VỀ KẾT CẤU KHUNG THÉP CẦN THIẾT KẾ Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghiệp chế tạo vật liệu thép và sự tiến bộ của các công nghệ thi công, công trình nhà công nghiệp sử dụng kết cấu dạng khung thép tiền chế tiết diện đặc ở nớc ta ngày càng tăng Đáp ứng tình hình đó, bộ môn Kết cấu Thép Gỗ trường ĐH Kiến trú.

đó, bộ môn Kết cấu Thép - Gỗ trường ĐH Kiến trúc HN đã tổ chức những nhóm sinhviên tìm cách thiết kế dạng kết cấu trên.

Nhà công nghiệp yêu cầu thiết kế là nhà công nghiệp một tầng một nhịp Khungngang đợc làm bằng thép tiền chế tiết diện chữ I thay đổi phù hợp với nội lực trongkhung theo chiều dài nhịp Khung gồm hai bộ phận chính là Cột khung liên kết ngàmvới Dầm khung Khung ngang liên kết ngàm với móng

* Nhiệm vụ chính của đồ án:

1. Với các kích thớc và tải trọng cần thiết kế, xác định kích thớc tiết diện khung.Tiêu chí:

+ Đảm bảo điều kiện cờng độ

+ Đảm bảo điều kiện biến dạng

+ Đảm bảo điều kiện ổn định

+ Tiết kiệm vật liệu

+ Chế tạo đơn giản

2. Với khung như thiết kế, tính toán các chi tiết liên kết: Cột-Dầm; Dầm; Cột-Móng)

Dầm-* Những nhận định cơ bản:

Khung thép trên thực chất chính là loại kết cấu bằng thép có tiết diện thay đổi nh

đã đợc học trong môn “Kết cấu thép” tại trờng và giải pháp liên kết ngàm tại móng làgiải pháp thông minh để có đợc mặt bằng sản xuất rộng rãi nhất

Tuy nhiên vấn đề cơ bản đặt ra là :

Kết cấu thay đổi tiết diện thì độ cứng sẽ thay đổi, Giải quyết vấn đề này nh thếnào?

Làm thế nào để biết đợc sự biến thiên của nội lực trong các tiết diện khung?

Làm thế nào để tiết kiệm đợc càng nhiều càng tốt vật liệu mà chế tạo lại đơn giảnnhất?

Thay đổi tiết diện nhưng thay đổi như thế nào? Tại đâu? Có thể có những tiết diệnkhông đủ khả năng chịu lực thì sao?

* Quá trình tư duy - phương pháp thiết kế:

Trước hết ta thấy các vấn đề trên có thể thực hiện đợc bằng những kiến thức đã đợctrang bị trong trờng Những định hớng, khống chế cơ bản phải tuân theo sự hướng dẫncủa GVHD

Tiết diện kết cấu thay đổi thay đổi thì J sẽ không thể cố định tuy nhiên dầm và cộtkhung vẫn phải có một độ cứng nào đó Vậy ban đầu ta sẽ giả thiết trớc về tỉ lệ độcứng giữa dầm khung và cột khung

Giải quyết vấn đề nội lực, chúng ta đã có một phương pháp truyền thống để giảicác bài toán không tuyến tính đó là phương pháp “chia nhỏ đối tợng”, áp dụng vào tr-ờng hợp này, nội lực trong dầm, cột ứng với các trờng hợp tải trọng sẽ đợc xác định từnhiều các mặt cắt tại các vị trí khác nhau và đợc đa vào tổ hợp trong bảng tại các tiếtdiện có vị trí tơng ứng Nội lực có giá trị lớn nhất tại mỗi tiết diện lấy từ bảng tổ hợp

sẽ đợc chọn để đa vào thiết kế

Sau khi đã có kích thớc cụ thể của các tiết diện, ta sẽ tiến hành thay đổi tiết diệntheo các đoạn có kích thớc biến đổi tuyến tính Sẽ có nhiều các phơng án thay đổi tiếtdiện khác nhau cho ta các hình dạng khác nhau và trọng lượng khung sẽ khác nhau

Để có các số liệu ban đầu, ta phải giả thiết trớc trọng lượng khung theo kinhnghiệm Sau khi có tiết diện khung sơ bộ tức là đã có tĩnh tải gần với thực tế So sánhvới tĩnh tải giả thiết nếu chênh lệch nhiều thì thiết kế lại đến khi chênh lệch khôngnhiều

Tiết diện luôn phải đợc kiểm tra về cường độ, độ võng và đỗ ổn định

Các khung lại đợc thiết kế nh vậy với các tỉ lệ độ cứng giữa dầm và cột khác nhau.Mỗi thông số thay đổi cho ta một phương án Việc thiết kế sẽ xoay vòng chính xácdần

Các phương án sẽ đợc so sánh và phơng án tiết diện đợc chọn theo ý kiến chủ quan

sẽ là phương án hội tụ nhiều nhất các tiêu chí như đã đặt ra

* Một số giới hạn

Thực tế cho thấy thực hiện đợc những điều trên đòi hỏi khối lượng tính toán ương đối lớn Để giảm bớt khối lợng tính toán cho sinh viên, các thầy cô giáo trong bộmôn đã cho phép giả thiết trước độ cứng của Dầm khung và Cột khung bằng nhau.Nhà công nghiệp chỉ một tầng, một nhịp, có cầu trục

t-* Công cụ thực hiện:

Các bước tính toán thiết kế được thực hiện chủ yếu bằng phần mềm EXCEL, mỗibước tính sẽ được lập thành một bảng, trong bảng đó sẽ có những cột tương ứng vớicác thông số có thể thay đổi được, điều cơ bản là ta liên tục thay đổi các thông số để

so sánh và chọn đợc phương án khung “tốt nhất” với tiêu chí đặt ra Tập hợp các bảng

sẽ tạo thành một dây chuyền mà đầu vào là các yêu cầu thiết kế và đầu ra là sản phẩmkhung thép

Nội lực và tiết diện còn được kiểm tra bằng phần mềm SAP 2000 Các phần mềmMicrosoft Word 2010 và AutoCAD 2007 dùng để trình bày thuyết minh và thể hiệnbản vẽ

Q(T)

B(m)

i(%)

Số lượngkhung

Vùng dạng địahình

Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, với các số liệu sau:

- Xà ngang tiết diện thay đổi (chữ I)

- Số lượng cầu trục: 2 (chiếc)

- Sức nâng của cầu trục: Q (T)

- Hàn tay, dùng que hàn N46

- Tải trọng, hệ số vượt tải lấy theo TCVN 2737:1995

- Bê tông móng cấp độ bền B20 có Rb=1.15 kN/cm2

- Vật liệu bulông liên kết và bulông neo tự chọn

A.CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU:

Sơ đồ kết cấu khung ngang nhà công nghiệp

Trọng lượng(T)

áp lực bánh xelên ray (kN)

Cầutrục(G)

Xecon(Gxc) Pmax

Với: HK = 1.33 m - chiều cao gabarit của cầu trục.

bK = 0.3 m -khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang

H3 - phần cột chôn dưới nền,coi mặt móng ở cốt ± 0.000( H3 = 0)

- Chiều cao của phần cột trên, tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang:

b Theo phương ngang:

- Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột (a=0) Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray cầu trục: l= (18-16.5)/2= 0.75(m)

- Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu về độ cứng:

Thỏa món điều kiện.

- Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:

( )

min

z l a-h 0,75 0 0.55 0.2m z= + = + − = > =0.18 m

mặt c ắt ng ang nhà

q = 20t

c Sơ đồ tớnh khung ngang

- Do sức nõng cầu trục khụng lớn nờn chọn phương ỏn cột cú tiết diện khụng đổivới độ cứng là I1.Vỡ nhịp khung là 18m nờn chọn phương ỏn xà ngang cú tiết diện thayđổi ở vị trớ (0,35-0,4) ở nữa xà hỡnh nờm, dự kiến vị trớ thay đổi tiết diện cỏch đầu xà3,5 m Với đoạn xà dài 3.5m , độ cứng của cột là I1 và xà dưới là I2 và xà trờn là I3 Donhà cú cầu trục nờn chọn kiểu liờn kết giữa cột khung với múng là ngàm tại mặtmúng( cốt ±0.000) Liờn kết giữa cột với xà ngang và liờn kết tại đỉnh xà ngang làcứng Trục cột khung trựng với trục định vị để đơn giản hoỏ tớnh toỏn và thiờn về antoàn.Ta cú sơ đồ tớnh khung ngang như hỡnh 3

1

I3

vị trí thay đổi tiết diện xà

đoạn xà 2

đoạn xà 1

1

1

SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG NGANG

ĐÁNH SỐ PHẦN TỬ THANH

3 Thiết kế xà gồ mái

Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái và trọng lượng bản thân của xà gồ Lớpmái và xà gồ được chọn trước Sau đó được kiểm tra lại theo điều kiện bền và điều kiện biến dạng của xà gồ

* Tấm lợp mái: Chọn như sau:

HÌNH DẠNG TẤM LỢP MÁI

- Các thông số kỹ thuật:

Số hiệu Chiều dày

(mm)

Trọng lượng 1 tấm(kN/m2)

Diện tích 1tấm(m2)

Iy(cm4)

Wy(cm3)

Trọnglượng(kN/m)

Chiều dày(mm)

Diệntích(cm2)8CS4×10

- Tải trọng tác dụng lên xà gồ gồm: tải trọng tôn lợp mái, tải trọng bản thân xà gồ

và tải trọng do hoạt tải sửa chữa mái

- Chọn khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt bằng là a = 1.5 m

vượt tải chuẩn

b. Kiểm tra lại xà gồ đã chọn

Xà gồ dưới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiên

Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ C tác dụng theo 2 phương với trục x-x tạo với phương ngang một góc α = 6.83o

MẶT CẮT XÀ GỒTải trọng tác dụng theo các phương x-x và y-y là:

0cos 0.627 cos6.83 0.624 /

tc tc x

0cos 0.776 cos6.83 0.772 /

tt tt x

- Theo điều kiện bền:

y x

x y

M M

- Theo điều kiện biến dạng:

Công thức kiểm tra :

3

15.10200

x

q B

cm EI

B

∆

Vậy xà gồ C 8CS4 105( × )

đảm bảo điều kiện cường độ và điều kiện độ võng

4 Tác dụng và cách bố trí hệ giằng mái, giằng cột

*Tác dụng của hệ giằng trong nhà công nghiệp dùng kết cấu khung thép nhẹ:

- Bảo đảm tính bất biến hình và độ cứng không gian của hệ khung

- Giảm chiều dài tính toán của xà và cột khung theo phương ngoài mặt phẳng, từ

đó tăng khả năng ổn định tổng thể cho khung ngang

- Truyền tải trọng gió và lực hãm cầu trục theo phương dọc nhà xuống móng

- Bảo đảm cho việc thi công dựng lắp được an toàn và thuận tiện

a Tác dụng của các hệ giằng

- Giằng mái:

+ Bảo đảm ổn định cho dàn theo phương ngoài mặt phẳng uốn

+ Dàn gió chịu tác dụng của tải trọng gió theo phương dọc nhà

+ Hệ giằng dọc theo đầu cột tăng độ cứng theo phương dọc nhà và truyền tải trọng ngang như tải trọng gió, lực hãm cầu trục ra các khung lân cận

- Giằng cột :

+ Bảo đảm sự bất biến hình học

+ Bảo đảm độ cứng dọc nhà và giữ ổn định cho cột

+ Tiếp nhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà như tải trọng gió lên tường hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục

b Cách bố trí hệ giằng

5 Tải trọng tác dụng lên khung ngang

a Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

- Độ dốc mái i = 12% →α = 6.83° ( sinα = 0.118 ; cosα = 0.992)

- Tải trọng thường xuyên tác dụng lên khung ngang bao gồm trọng lượng các lớpmái, trọng lượng bản thân xà gồ, trọng lượng bản thân khung ngang và dầm cầu trục

- Trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy bằng

- Trọng lượng bản thân xà ngang: sơ bộ chọn tc 1( / )

18000

b Hoạt tải mái

+ Theo TCVN 2737-1995 , trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái mái lợp tôn) là ptc = 0.3kN/m2, hệ số vượt tải là n = 1.3

+ Quy đổi về tải trọng phân bố đều trên xà ngang:

2.34 2.34

18000

c.Tải trọng gió tác dụng lên khung

+ Tải trọng gió gồm hai thành phần: phần tĩnh và phần động Với nhà công nghiệp

1 tầng, 1 nhịp có chiều cao < 36 m và tỉ số chiều cao/ nhịp<1.5 nên bỏ qua thành phần động của tải trọng gió

+ Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm: gió tác dụng vào cột và gió tácdụng trên mái Theo TCVN 2737- 1995 phân vùng gió IIIA-B có áp lực gió tiêuchuẩn là

W0= 1.1 (kN/m2)- Giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió

c - là hệ số khí động: c = +0.8 với phía gió đẩy

k: Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụ thuộc vào dạng địahình.Với

dạng địa hình B, hệ số k được xác định:

+ Mức đỉnh cột, cao trình 9.4 m ⇒ =k1 0.985

H L

120 6.6 2 18

+ Phía khuất gió:q4 =1.2 1.1 1× × × −( 0.503)× = −6 3.96 kN / m( )

Tải trọng tác dụng trên mái:

d Hoạt tải cầu trục

Tải trọng cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực hãmngang, xác định như sau:

*áp lực đứng của cầu trục:

+ Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầm cầutrục được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm và xếpcác bánh xe của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất, xác định được các tung độ yicủa đường ảnh hưởng, từ đó xác định được áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhấtcủa bánh xe cầu trục lên cột:

nc = 0.85 - hệ số tổ hợp khi xét tải trọng do 2 cầu trục có chế độ làm việc trungbình.

γc = 1.1 - hệ số vượt tải của hoạt tải cầu trục

(0.259 0.82 1 0.51) 2.589

i

∑

+ Các lực Dmax và Dmin thông qua ray và dầm cầu trục sẽ truyền vào vai cột, do đó

sẽ lệch tâm so với trục cột 1 khoảng là

+ Lực hãm ngang T của cầu trục tác dụng vào cột khung thông qua dầm hãm xác

định theo công thức: c p 1 i

T n T= γ ∑y

Trong đó: γp = 1.1 - hệ số vượt tải;

T1 - Lực hãm ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe cầu trục:

T1 = T0/n0 T0 - Lực hãm ngang của toàn bộ cầu trục;

Quy í c chiÒu d ¬ng cña néi l ùc theo SBVL

18000

- Phương án 4: Hoạt tải cả mái

2.34 2.34

Hoạt tải cả mỏi

Hoạt tải nửa mái trái :

Hoạt tải nửa mái phải :

Gió trái

Gió phải

Hoạt tải do D max trái

Hoạt tải do D max phải

Lực hãm lên cột trái

Lực hãm lên cột phải

1. THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CỘT

 Xác địnhchiều dài tính toán:

+ Chọn phương án cột tiết diện không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột đó giả thiết là bằng nhau

n n

+ Chiều cao của tiết diện chọn theo độ cứng: h=(1/15ữ1/20)H =(0,62ữ47)cm+ Chọn h = 50 (cm)

+ Bề rộng tiết diện cột chọn theo yêu cầu độ cứng, ổn định cục bộ và cấu tạo:

b 18

f

f f

+ Chiều rộng tf chọn thoả mãn : t w ≤ ≤t f 3t w ⇒ ≤ ≤6 t f 18(mm)

⇒

Chọn tf = 1(cm)

hf = 6 mm

+ Tiết diện cột chọn như sau:

x x

( ) ( )

41549.6

21.6 c88.8

4500.9

7.188.8

x x

y y

I

A I

x x

y y y

y y

l i

f E l

i

f E

f w

A A

+ Theo phương trong mặt phẳng khung:

Kiểm tra theo công thức:

e

N f A

+ Theo phương ngoài mặt phẳng khung:

Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung cần tínhtrị số mômen ở 1/3 chiều cao của cột dưới kể từ phía có mômen lớn hơn Vì cặp nộilực dùng để tính toán cột là tại tiết diện chân cột và do các trường hợp tải trọng 1,7,10gây ra nên mômen uốn tại tiết diện trên vai cột tương ứng là:

x

x

M A m

+ Bề rộng của phần bụng cột này là:

( )

1 0.85 w 0.85 0.6 80 40.8

w w

Không cần kiểm tra lại các điều kiện ổn định tổng thể.

Kiểm tra chuyển vị ngang ở đỉnh cột:

- Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ kết quả tính toán bằng phần mềm SAP

2000 trong tổ hợp tĩnh tải và tải trọng gió tiêu chuẩn là:

( )

1.899 0.59 1.309

 Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu.

Với tiết diện đã chọn được của cột trên và cột dưới để thiên về an toàn ta chọn tiết diện cột trên cho toàn cột

23 1

yc x

118

f f

w w

0,725

x x

11,15 2013,26 1313,7

x

x

M A m

Trong đó:

2

2 1

37,29 10 23

2,61 /1313,7 25

w x

+ Vậy tiết diện đã chọn là đạt yêu cầu.Tỷ số độ cứng của tiết diện xà (ở chỗ tiếp giáp với cột) và cột đã phù hợp với giả thiết ban đầu.

163

23 1

yc x

118

f f

x x

37,5 10 18

9.39 /359,2 20

w x

 Xác định kích thước và đặc trưng hình học:

- Vai cột là 1 dầm côngxon có tiết diện không đổi Vai cột chịu tác dụng của tảitrọng Dmax và tĩnh tải G của dầm cầu trục Tải trọng tính toán tác dụng lên vai cột là:

( )

max max

288,06 6 0,75 0.5 73,51288,06 6 294,06

dct dct

x x

 Kiểm tra bền, ổn định tiết diện dầm vai.

- Kiểm tra bền uốn:

2

273,51 10

73,51 10 40

4,98 /1404,1 42

dv w

dv f

* Tính liên kết dầm vai với cột:

- Vai và cột liên kết với nhau bằng đường hàn góc, đường hàn chịu đồng thời M vàV

- Chiều cao đường hàn phải thoả mãn điều kiện cấu tạo:

min min

1.2 1.2 0.8 0.96

5

f f

Chiều dài tính toán của các đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột:

+ Phía trên cánh ( 2 đường hàn) l w =30 1 29− = ( )cm

+ Phía dưới cánh ( 4 đường hàn) l w =0.5 (30 0.8) 1 14× − − ≈ ( )cm

- Vậy chiều cao đường hàn

- Căn cứ vào kích thước tiết diện đã chọn, dự kiến chọn phương án cấu tạo chân cột cho trường hợp có vùng kéo trong bê tông móng với 4 bulông neo ở một phía châncột Từ đó xác định được bề rộng của bản đế:

2 2

1.0824.5

(Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp - Trường Tra bảng 2.4

trang 36 Đại học Kiến trúc Hà nội) nội suy ta được: α =b 0.115

2 2

0.54020

Tra bảng 2.4 trang 36 (Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp -

Trường Đại học Kiến trúc Hà nội) nội suy ta được: α =b 0.06

+ Chiều cao : hdđ phụ thuộc vào đường hàn liên kết dầm đế vào

cột phải đủ khả năng truyền lực do ứng suất phản lực của bê tông móng

- Lực truyền vào một dầm đế do ứng suất phản lực của bê tông móng:

(12.5 31 54 0.58 1362.42) ( )

dd

- Theo cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn liên kết dầm đế vào cột là hf = 1cm Từ

đó xác định được chiều dài tính toán của 1 đường hàn liên kết dầm đế vào cột:

- Sơ đồ tính sườn là dầm công-xôn ngàm vào bản bụng cột bằng 2 đường hàn liên kết Ta có:

- Tương tự như trên với bề rộng diện truyền tải vào sườn là

- Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực ở chân cột gây kéo nhiều nhất cho các bulông neo:

236,0610,9864,8

- Chiều dài vùng bêtông chịu nén dưới bản đế là c = 57.5 (cm) Chọn khoảng cách

từ mép biên bản đế chân cột đến tâm bulông neo là 10(cm), xác định được:

236,06 10 10,98 36.8

368,882.8

( )2 1