đồ án kết cấu công trình thép

đồ án kết cấu công trình thép

Phần I : KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG

- Vật liệu thép cĩ R= 21E4 kN/m2 , E=21E7 kN/m2 , µ=0.3, γ=78.5kN/m2

- Panel lợp bằng mái BTCT cĩ trọng lượng 150daN/cm2

II Chọn sơ bộ kết cấu :

1 Xác định kích thước theo phương đứng :

- Theo số liệu ta chọn được cầu trục :

o Loại ray thích hợp : KP-70

KIỂU

RAY

BỀ RỘNG

MẶT

RAY

BỀ RỘNG ĐẾ RAY

MOMEN QUÁN

MÉT DÀI

o Chiều cao : Hk = 2750 (mm)

o Bề rộng cầu trục : Bct = 6300 (mm)

o Nhịp cầu trục : Lk = 31.5 (m)

o Khoảng cách giữa hai trục bánh xe cầu trục : K = 5.1 (m)

o Khoảng cách từ tim ray đến mép ngoài : B1= 300 (mm)

o Chiều cao từ mặt ray đến kết cấu chịu lực (cánh dưới của dàn):

Ta lấy : f=300 (m) => H2 = Hk+100+f = 2750+100+300 = 3150 (mm)

o Chiều cao của xưởng,từ nền đến đáy ví kèo :

H = H1 + H2 = 12.5+3.15=15.65 (m) Chọn H là bội số của 1.8m theo QPXD 57-73,chọn : H =16.2 (m)

o Kìch thước thật của cột trên Ht từ vai đỡ dầm cầu trục đến dạ vì kèo :

Ht = H2 + Hdct + Hr Trong đó :

Hdct = 0.6 (m) : chiều cao dầm cầu trục,sơ bộ chọn khoảng (1/8-1/10) bước cột ;

Hr : chiều cao ray và đệm ,sơ bộ chọn Hr = 200 (mm)

2 Xác định kích thước theo phương ngang :

- Cầu trục làm việc theo chế độ bính thường , Q < 70(T) nên ta chọn : a = 250(mm)

- Bề rộng phần cột trên : ht = (1/10 ÷ 1/12)Ht , chọn ht = 400 (mm)

- Để cầu trục khi chuyển động không chạm vào cột,khoảng cách λ từ trục ray đến

trục định vị phải đảm bảo đủ lớn :

λ ≥ B1 + (ht-a) + D Trong đó :

B1 : phần đầu cầu trục bên ngoài ray,lấy theo catalo

D: khe hở an toàn giửa cầu trục và mặt trong cột ; lấy bằng 60-75 (mm) ; Chọn : D = 70 (mm)

Vậy : λ = 300 + (400-250) + 70 = 520 (mm)

- Bề rộng cột dưới : hd = a + λ = 250 + 520 =770 (mm)

Do yêu cầu độ cứng hd ≥ (1/15 ÷ 1/20)H ; là bội số của 250 để tiện cho việc thi cơng Chọn hd = 1000 (mm).Vậy λ = 750 (mm)

- Nhip cửa mái Lcm=(1/2÷1/4)L = (9÷18) m, chọn Lcm= 12 (m)

- Khoảng cách giữa các nút dàn : Chọn mái lợp bằng tấm panel BTCT cĩ kìch thước 1.5x6 (m) Khi đĩ phải sử dụng hệ dàn vì kèo cĩ hệ thanh bụng nhỏ

o Khoảng cách giữa các nút của thanh cánh dưới : 3 (m)

o Khoảng cách giữa các nút của thanh cánh trên : 1.5 (m)

- Chọn chiều cao đầu dàn mái là : 2.2 (m)

III Bố trí lưới cột và hệ giằng :

1 Hệ giằng ở mái :

Hệ giằng mái bao gồm các thanh giằng bố trí trong phạm vi từ cánh dưới dàn trở lên Được bố trí nằm trong các mặt phẳng cánh trên dàn, mặt phẳng cánh dưới dàn, mặt phẳng đứng giữa các dàn

a Hệ giằng trong mặt phẳng cánh trên :

Giằng trong mặt phẳng cánh trên gồm các thanh chéo chữ thập trong mặt phẳng cánh trên và các thanh chống dọc nhà Tác dụng chính là ổn định cho thanh cánh trên chịu nén của dàn, tạo nên những điểm cố kết không chuyển dịch ra ngoài mặt phẳng dàn

Thanh chống dọc nhà dùng để cố định những nút quan trọng của nhà: nút đỉnh nóc dàn, nút đầu dàn, nút dưới chân cửa mái

b Hệ giằng trong mặt phẳng cánh dưới :

Giằng trong mặt phẳng cánh dưới được đặt tại vị trí có giằng cánh trên Nó cùng với giằng cánh trên tạo một khối cứng không gian bất biến hình Hệ giằng cánh dưới tại đầu hồi nhà dùng làm gối tựa cho cột hồi, chịu tải trọng gió thổi trên tường hồi, nên còn gọi là dàn gió

Vì cầu trục của nhà có sức trục Q = 50 (T) nên có thêm hệ giằng cánh dưới theo phương dọc nhà Hệ giằng này đảm bào sự làm việc cùng nhau cùng nhau của các khung, truyền tải trọng cục bộ tác dụng lên một khung sang các khung lân cận

4 3 2

4 3 2

HÊ GIÃNG CÁNH DUOI

SƠ ĐỒ BỐ TRÍ HỆ GIẰNG CỘT TL:1/500

11 12 13 3

c Hệ giằng đứng :

Hệ giằng đứng đặt trong mặt phẳng các thanh đứng, có tác dụng cùng với

các giằng nằm tạo nên khối cứng bất biến hình, giữ vị trí và cố định cho

dàn vì kèo khi dựng lắp

2 Hệ giằng ở cột :

Hệ giằng ở cột bảo đảm sự bất biến hình học và độ cứng của toàn nhà

theo phương dọc nhà, chịu tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà và đảm

bảo ổn định cột

KÍNH BẬ U C Ử A THÉ P HÌNH DÀ N C Ử A MÁ I

DÀ N VÀ HỆ G IẰ NG THÉ P

C Á C LỚ P MÁ I

TẤ M PANEL BTC T 1,5X6 m LỚ P C Á C H NHIỆ T BẰ NG BÊ TÔ NG XỈ LỚ P XI MĂ NG LÓ T 1.5 c m

LỚ P C HỐ NG THẤ M 2 G IẤ Y + 3 DẦ U

2 LỚ P G ẠC H LÁ NEM VÀ VỮ A LÓ T

1) Tải trọng thường xuyên :

 Tải trọng thường xuyên của các lớp mái:

c m

0.995

t m

 Trọng lượng bản thân dàn và hệ giằng :

- Theo công thức kinh nghiệm : gcd = 1.2αdL

 Trọng lượng kết cấu cửa mái:

- Theo công thức kinh nghiệm: gccm = αcm.Lcm

 Trọng lượng cánh cửa mái và bậu cửa mái:

Theo kinh nghiệm, trọng lượng bậu cửa : 100-150 (daN/m)

- Trọng lượng bậu cửa trên và dưới : gcb = 120 (daN/m2) = 1.2 (kN/m)

Trọng lượng cửa kính và khung cánh cửa: 35-40 (daN/m2) => chọn gck= 0.4 (kN/m2)

 Tải trọng tập trung ở chân cửa trời (tại nút dàn) :

Gkb=1.1(gck *1.5 * 6 + gcb* 6) = 1.1*(0.4*1.5*6 + 1.2*6) = 11.88 (kN) Lực tương đương phân bố đều trên mặt bằng nhà:

2) Tải trọng tạm thời (Hoạt tải sữa chữa trên mái) :

Tài trọng tam thời do sử dụng trên mái lấy theo nhiệm vụ thiết kế.Khi không có yêu cầu đặc biệt thì lấy theo TCVN 2737-1995

- Lấy ptc = 75 (daN/m2) = 0.75 (kN/m2) với hệ số vượt tải n = 1.3

Tải trọng tạm thời tính toán tác dụng lên khung ngang :

 Do trọng lượng của dầm cầu trục :

Trọng lượng của dầm cầu trục tình sơ bộ theo công thức : 2

 nc= 0.85 : hệ số kết hợp đồng thời khi 2 cầu trục đứng gần

Tương ứng ở bên kia ta có áp lực Dmin :

P=1

 Do trong lượng bản thân cột :

Ta chọn sơ bộ trọng lượng cột trên : gtc= 200 (daN/m) = 2 (kN/m)

G n g H   (kN) : tác dụng tại chân cột trên

Ta chọn sơ bộ trọng lượng cột dưới : gdc = 250 (daN/m) = 2.5 (kN/m)

G n g H  33.55 (kN) : tác dụng tại chân cột dưới

 Tải tác dụng tổng cộng tại cân cột dưới : G cG c d G c t 33.55 8.8 42.35 (kN)

 Do trọng lượng sườn tường panel:

Chọn kết cấu sườn tường bao che là tấm panel BTCT dày 60 (mm) Ta bố trí panel sườn tường từ vai cột trở lên với chiều cao bố trí panel là:

Ht + H0 = 4 + 2.2 = 6.2 (m)

Tải trọng panel sườn tường tại chân cột trên :

st

G = n*b*Hpn*gpn=1.1 * 6 * 6.2 * 1.5 = 61.38 (kN);Với : gpn = 150 (daN/m) =1.5 (kN/m)

4) Tải trọng giĩ tác dụng lên khung :

Tải trọng giĩ tác dụng lên khung gồm :

- Giĩ thổi lên mặt tường dọc, được chuyển về thành lực phân bố trên cột khung

- Gió tác dụng lên mái kể từ cánh dưới ví kèo, được chuyển thành lực tập trung nằm ngang đặt ở các cao trính như hính vẽ

Tải trọng phân bố đều lên cột được tính theo công thức:

 k : hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình

 c , c' : hệ số khì động phìa đón gió và trái gió lấy theo bảng (Theo “ TẢI TRỌNG GIÓ THEO TIÊU CHUẨN 2737 – 90” )

C3

Để tiện tính toán,có thể đổi tải trọng này thành phân bố đều suốt chiều dài cột,bằng cách

nhân trị số q ở độ cao dưới 10m với hệ số α.Ví Hdvk=16.2 (m) nên α = 1.1 ;

Áp lực gió tiêu chuẩn ở khu vực III-A : Wo= 110 (daN/m2) = 1.1 (kN/m2)

- Tại cao trính đáy dàn ví kèo : Hdvk= 16.2 (m) => k = 1.252

- Tại cao trính đỉnh cửa mái : Hdcm= 22.7 (m) => k = 1.312

1.252 1.312 2

1.282

Gió trong phạm vi mái,từ đáy ví kèo trở lên,được chuyển thành lực tập trung nằm ngang

đặt tại cao trính đáy dàn ví kèo :

- Phía trái gió (gió hút) :

g=31.86 kN/m p=5.88 kN/m

q = 9.54 kN/m

A=573.48 kN A'=105.84 kN

q' = 5.91 kN/m

Dmax = 716.04 kN Dmin = 253.6 kN Mmax = 363.96 kN.m Mmin =132.74 kN.m

I GIẢI KHUNG TÌM NỘI LỰC VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN :

A/ Sơ Đồ Tính Khung Ngang:

1) Các giả thiết:

- Để đơn giản sơ đồ tính, thay dàn vì kèo bằng xà ngang đặc có độ cứng tương ứng đặt tại thanh cánh dưới dàn Chiều cao tính toán tính từ chân cột dưới đến thanh cánh dưới dàn Nhịp tính toán là khoảng cách giữa 2 trục trọng tâm của cột trên

- Khi tính toán khung đối xứng với tải trọng thẳng đứng đối xứng tác dụng trực tiếp lên xà ngang (như g và p) thì chuyển vị ngang rất nhỏ có thể bỏ qua, lúc đó chỉ còn ẩn số là góc xoay tại liên kết giữa dàn và cột

- Khi tính khung với tải trọng không phải thẳng đứng tác dựng trực tiếp lên xà ngang (như Dmax, Dmin , T, W, W‟, q, q‟ ) thí xem xà ngang là cứng vô cùng, lúc đó chỉ còn ẩn số là chuyển vị ngang

2) Sơ đồ tính khung ngang:

Khi giải khung ta tìm nội lực tại 4 tiết diện : A , Cd , Ct , B

B/ Tính toán nội lực trường hợp điển hình bằng phương pháp chuyển vị :

1) Sơ Bộ Chọn Tỷ Số Độ Cứng Giữa Các Bộ Phận Khung :

 Lập các tỉ số:

Dựa theo kinh nghiệm J1 : J2 = 7  10 nên chọn 1

2 10

J

J 

Dựa theo kinh nghiệm Jd : J2= 25  40 nên chọn

2 35

1 10 1 9

J J

2) Tính Khung Với Tải Trọng Phân Bố Đều Trên Xà Ngang :

Dùng phương pháp chuyển vị, ẩn số là góc xoay 1 , 2 và 1 chuyển vị ngang  ở đỉnh cột Trường hợp ở đây là khung đối xứng, tải trọng đối xứng nên 1 = 2 =  ,  = 0 Ẩn số còn lại là 2 góc xoay ở 2 nút khung Phương trình chính tắc: r11R1p  0

Trong đó: r11 là tổng mômen phản lực tại nút khung khi góc xoay  = 1

R1p là tổng mômen phản lực tại nút khung do tải trọng ngoài gây ra

q B

C

A

Để tím r11 , cần tính M B xa và McotB là các mômen ở nút cứng B của xà và cột khi 2 nút của khung cùng xoay  = 1

1

1

0.236

     

40.2516.2

t

H H

B

EJ

Qui ước mômen dương là mômen làm căng thớ bên trong của cột và dàn

r11 = M xa B - McotB = (0.2 + 0.037)EJ1 = 0.237EJ1

578.35 A

M A

 Mômen sinh ra do trọng lượng dầm cầu trục, ray, cột trên, sườn tường:

1

* * 15.37 * 7.69

d dct r dct r dct r

3.32

BC

Mtt

-54.58

92.69A

B

C

Mp-23.61

3) Tính Khung Với Tải Trọng Tạm Thời Trên Xà Ngang:

Ta có ngay biểu đồ nội lực do tải trọng tạm thời gây ra bằng cách nhân biểu đồ nội lực của tải trọng thường xuyên (M„g+MA) với hệ số 5.88

4) Tính Khung Với Mômen Cầu Trục M max , M min :

Mmax , Mmin đồng thời tác dụng ở 2 cột Ở đây Mmax xuất hiện ở cột trái,

Mmin ở cột phải Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang có độä cứng vô cùng, ẩn số chỉ còn chuyển vị ngang của nút

-511.72

-309.42

505.44A

BC

Mg-111.57

EJ H

1 2

EJ H

Cắt ngang khung tại đầu cột có lực cắt rồi chiếu xuống phương ngang ta tìm được r11:

e

M M

và min 132.74

0.77 172.04

M  *  

- Đối với cột trái:

2 1

5) Tính Khung Với Lực Hãm Ngang T :

Ta xét lực T ở cột trái, hướng từ trái sang phải Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang có độä cứng vô cùng, ẩn số chỉ còn chuyển

vị ngang của nút

Biểu đồ M do 1 gây ra giống như trường hợp tải Dmax , Dmin nên ta cũng xác định được:

AC

C B C

B

3 4

] 2 ) 2 [(

) ( ] 2 ) 2 [(

) 1 (

2

2 2

AC

A B A

B

3 4

)]

2 ( 2 3 [ ) ( )]

2 ( 2 3 [ )

1

(

2

2 2

t

H H

Cột bên phải không có ngoại lực tác dụng nên momen và phản lực

Nhân biểu đồ M do =1 gây ra với  vừa tìm được sau đó cộng với biểu

đồ nội lực Mp ta được biểu đồ nội lực cuối cùng:

o T

M  *  

- Đối với cột trái:

2 1

A

6) Tính Khung Với Tải Trọng Giĩ :

Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang có độä cứng vô cùng,

ẩn số chỉ còn chuyển vị ngang của nút

M  *  

Đối với cột trái:

2 1

 Tổ hợp tải trọng:

- Tổ hợp cơ bản 1 : gồm tĩnh tải và 1 tải còn lại

- Tổ hợp cơ bản 2: gồm tĩnh tải và tất cả các hoạt tải nguy hiểm

ctrái

D cphải

T trái

T phải

Giĩ trái

Giĩ phải Tương ứng

M N N nhanh M N N nhanh M N N nhanh M N N nhanh Q

Phần IV : THIẾT KẾ CỘT

 Chiều dài hình học các cột Ht = 5.4 m; Hd = 10.5 m

 Tỷ số momen quán tính chọn là : và

1) Xác Định Chiều Dài Tính Toán Cột : a) Nội lực tính toán cột trên và cột dưới :

Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn ra cặp nội lực có Nnh max để tính tiết diện cột :

b) Chiều dài tính toán:

* Trong mặt phẳng khung:

J

J 

2 35

d

J

J 1

1 2.46  1

2 1

2.46

3.68 0.717

2) Thiết Kế Tiết Diện Cột Trên :

a) Chọn tiết diện :

Cột trên chọn tiết diện đặc, chữ I đối xứng, tổ hợp hàn

Do chiều cao tiết diện đã chọn sơ bộ từ trước ht = 400 (mm) khơng thỏa nên chọn

 Độ lệch tâm : 774.31 1.16

668.74

x

M e N

b) Tính các đặc trưng hình học của tiết diện cột trên :

 Diện tích tiết diện :

A 46 1.2 2 2 40      215.2 (cm2)

 Momen quán tính của cả tiết diện lấy đối với trục trung hịa :

 Momen kháng uốn của cả tiết diện lấy đối với trục trung hịa :

 Bán kính quán tính :

 Độ mảnh và độ mảnh quy ước của cột trên :

c) Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung:

W 4077.88

e e A m

x x

x x

x x

lx r



2 340

34.17 9.95

y y

ly r

   

Hệ số ảnh hưởng của tiết diện:

Ta thấy :

Tra bảng II.4 phụ luc trang 110 tím được : 1.4 0.02 x 1.4 0.02 2.24 1.36  

Độ lệch tâm qui đổi : m1*m 1.36 6.12   8.32

Dựa vào x và m1 ,tra Bảng II.2 phụ lục trang 106, nội suy ta được hệ số ổn định tổng thể của cột đặc chịu nén lệch tâm : lt= 0.144

Điều kiện ổn định:

668.74 100

2158 0.144 215.2

d) Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung :

Mômen tính toán tại tiết diện B là MB = -744.31 (kN.m) do các tải trọng 1+2+4+6+8 nên mômen tính toán tại tiết diện Ct là : Mc = -365.85 (kN.m) Theo T32 TCXD 338:2005, giá trị dùng để kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung là mômen M‟ lớn nhất tại tiết diện 1/3 cột

A A







Theo Bảng D.8 TCXD 338:2005 ,bảng II.5 phụ lục trang 105 từ y  34.17 nên

e) Kiểm tra ổn định cục bộ:

 Ổn định cục bộ bản cánh :

Chiều dài tự do của bảnh cánh: 40 1.2 19.4

c b o

0 x  nên giá trị giới hạn là:

Điều kiện ổn định: 19.4 9.7 17.65

= > Đảm bảo điều kiện ổn định

 Ổn định cục bộ bản bụng:

Khả năng chịu lực của cột được xác định dựa theo điều kiện sự ổn định

tổng thể trong mặt phẳng khung nên tỷ số giới hạn 

= >Đảm bảo điều kiện ổn định

3) Thiết Kế Tiết Diện Cột Dưới :

a) Hình dạng và các yêu cầu cấu tạo tiết diện :

- Do chiều cao cột khá lớn và cần phải mở rộng kích thước tiết diện cột cho phù hợp với kích thước cầu trục nên ta dùng cột rỗng

o

x c

- Cột dưới rỗng bao gồm 2 nhánh : nhánh ngoài (nhánh mái) tổ hợp của 1 thép bản và 2 thép góc ; nhánh trong (nhánh cầu trục) là thép chữ I tổ hợp hàn

- Cột dưới có lực cắt lớn nên dùng hệ bụng dạng hệ thanh giằng Các thanh giằng là 1 thép góc bố trí theo hệ tam giác có thanh ngang

b) Chọn tiết diện cột dưới :

- Dựa vào bảng tổ hợp nội lực ta chọn cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh 1 (nhánh cầu trục) là:

0)

(

2 1

2 1

2 1

2 1

C M y

C N N

M M

 Nhánh cầu trục (Nhánh 1):

Tính lực nén lớn nhất: 1 1

 Nhánh mái (Nhánh 2) :

Tính lực nén lớn nhất: 2 2

2

1873.67 10

101.830.8 2300 1

ct

yc nh

nh

N A

Chọn các kích thước tiết diện nhánh mái là tổ hợp :

Chọn các kích thước tiết diện nhánh mái là tổ hợp :

c) Các đặc trưng hình học của tiết diện cột :

 Nhánh cầu trục:

d) Xác định hệ thanh bụng:

Bố trí hệ thanh bụng như hình vẽ Khoảng cách các nút giằng a1 = 100 (cm) Thanh giằng hội tụ tại trục nhánh cột dưới

 Thanh xiên :

100 96.98 139.3

Với a = 100 (cm) : khoảng cách các mắt giằng trên thanh cánh

 Góc giữa trục nhánh và trục thanh xiên là: 100 1.03

96.98

a tg C

 Lực cắt lớn nhất Qmax = 149.09 (kN)

 Nội lực nén trong thanh xiên :