ĐỒ ÁN THÉP

ĐỒ ÁN THÉP ( ĐẠI HỌC THUỶ LỢI ) THIẾT KẾ CỘT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CÔNG TRÌNH- BỘ MÔN XDDD&CN

ĐỒ ÁN KẾT CẤU NHÀ THÉP THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG, MỘT

- Chiều dài nhà: 17B( 17 bước khung)

- Chiều cao dầm cầu trục: Hdct=700mm

- Chiều sâu chôn cột dưới cốt +0.000m là H3= 800mm

- Số cầu trục làm việc trong xưởng: 2 chiếc, chế độ làm việc trung bình

- Vật liệu thép: BCT3, hàn tay, que hàn N46 hoặc tương đương

- Hoạt tải mái, pc =75 daN/m2

- Bê tông móng mác 200, tường gạch tự mang

I XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC KHUNG NHÀ

1 Kích thước cầu trục và đường ray

Chọn cốt nền nhà trùng với cốt +0,00m để tính các thông số chiều cao Ta có cao trình đỉnh ray Hr= 8,5m, nhịp nhà L=24m (theo đề bài)

Trọng lượng(10kN)

tc m

P mintc

con Cầu trục22,5 3150 300 500 2500 6300 5250 KP-80 46,5 11,8 18 66,5

Bảng 1.2: Thông số kĩ thuật của loại ray KP-80

2 Kích thước theo phương đứng

a, Chiều cao H 2 từ mặt ray đến cao trình cánh dưới dàn

H2=Hc+100+f

Trong đó:

+ Hc: chiều cao Gabarit của cầu trục, tính từ mặt ray đến điểm cao nhất của xe con, Hc= 3150mm

+ 100: Khe hở an toàn giữa xe con và kết cấu

+ f: Khe hở phụ xét đến độ võng của giàn lấy trong khoảng 200÷400 (mm)

=> H2=3150+100+350=3600 (mm) = 3,6 (m)

b, Chiều cao từ mặt nền đến cao trình mặt dưới dàn

H=H1+H2= 8,5 + 3,6 = 12,1 (m)

c, Chiều dài phần cột trên

Ht= H2+Hdct+hrTrong đó:

+ H3: phần cột chôn bên dưới cốt mặt nền, H3= 800 (mm)

=> Hd= 12100 −4500 + 800 =8400 (mm) = 8,4 (m)

3 Kích thước theo phương ngang

a, Chọn bề rộng tiết diện cột trên (tức chiều cao tiết diện cột trên)

+ a: là khoảng cách từ mép ngoài cột đến trục định vị do sức trục

Q = 50t < 75t nên ta chọn a = 250mm

+ λ = 750mm là khoảng cách từ trục định vị đến tim ray

+ B1 = 300 tra theo cataloge cầu trục

Thay vào ta được:

+ H: Chiều cao từ nền đến thanh dàn dưới

+ Theo điều kiện cấu tạo ta chọn: hd = a + λ = 250+750 = 1000(mm)

⇒ Vậy hd = 1000 (mm)

Chú ý: Trong đồ án này ta cho tiết diện cột trên là tiết diện đặc còn tiết diện cột dưới là

tiết diện cột rỗng

Chọn dạng dàn mái do L≥24m, vì kèo dạng hình thang, liên kết cứng với cột:

+ Chiều cao đầu dàn: Hđd=2,2m

+ Độ dốc cánh trên i=1/10 như vậy chiều cao giữa dàn là:

c, Chiêu cao ô cửa

- Chiều cao ô cửa mái: Hcm = Hk + (Ht+Hb)

Nằm trong mặt phẳng các thanh đứng, được bố trí ở những ô có giằng cánh trên và

giằng cánh dưới (thường bố trí ở giữa giằng và hai đầu gối tựa).

C C

*Hệ giằng cột:

Bao gồm có hệ giằng cột trên và hệ giằng cột dưới

- Ở cột trên ta bố trí giằng ở những ô có giằng cánh trên và giằng cánh dưới

- Ở cột dưới ta bố trí giằng ở gian giữa nhà để tránh gây hiệu ứng nhiệt nên ta không bố trí giằng cột dưới ở hai đầu nhà

18

102000

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1

2 l?p g?ch dá nem dày 1,5 cm/l?p

2 l?p v? a lát dày 1,5 cm/l?p

BT x? dày 12 cm

BT ch?ng th?m dày 4 cm Mái panel su?n panel BTCT 1,5 x 6 m

II TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

2.1 Tải trọng tác dụng lên dàn

2.1.1.Tải trọng tác dụng thường xuyên

a, Tải trọng mái

Theo cấu tạo của các lớp mái ta có bảng thống kê các tải trọng mái như sau:

STT Cấu tạo các lớp mái Gtc(daN/m2) n Gtt(daN/m2)

Bảng 2.1: Tải trọng mái tác dụng lên dàn

Đổi ra phân bố đều trên mặt bằng:

+ n: hệ số vượt tải lấy 1,1

+ 1,2: hệ số kể đến trọng lượng các thanh giằng

+ αd: hệ số trọng lượng giàn lấy bằng 0,6÷0,9 đối với nhịp 24÷36 (m), lấy αd = 0,8

=> gct = 1,2.0,5.12 = 7,2 (daN/m2mặt bằng)

d, Trọng lượng bậu cửa trời + cửa kính

- Trọng lượng cửa kính: gkc =40 daN/m2 (lấy từ 35 ÷ 40 daN/m2 cánh cửa)

- Trọng lượng bậu cửa: gbc =150 daN/m2 (lấy từ 100 ÷ 150 daN/m2 bậu)

Hình 2.1: Sơ đồ tính của tĩnh tải mái

2.1.2 Tải trọng tạm thời (hoạt tải)

- Hoạt tải lấy theo TCVN 2737-1995:

pc =75 kG/m2 mặt bằng, hệ số vượt tải n = 1,3

- Hoạt tải phân bố đều trên dàn là:

Hình 2.2: Sơ đồ tính của hoạt tải mái

2.2 Tải trọng tác dụng lên cột

2.2.1 Tải trọng do phản lực của dàn: V=A

- Do tải trọng thường xuyên:

Áp lực lớn nhất của một bánh xe cầu trục lên ray xảy ra khi xe con mang

vật nặng ở vào vị trí sát nhất ở cột phía đó Trị số tiêu chuẩn ax

c m

P được tra trong cataloge cầu trục bảng phụ lục VI.1.2 khi đó, phía ray bên kia có áp lực nhỏ nhất:

+ Với số bánh xe cầu trục ở một bên ray no= 2 (với Q = 50T)

+ G: Trọng lượng toàn bộ cầu trục

Áp lực bánh xe lên ray Trọng lượng

Pmax(kN) Pmin(kN) con(kN)Xe Cầu trục(kN)

⇒ Pmin = (500 + 665)/2 − 465= 118 (kN)

Tải trọng áp lực thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông

qua dầm cầu trục được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng của phản lực

gối của dầm và xếp các bánh xe của hai cầu trục sát nhau ở vị trí bất lợi nhất Áp

lực lớn nhất Dmax (do Pmaxc) và nhỏ nhất Dmin (do Pminc) do các dầm cầu trục tác

dụng lên cột được xác định nhờ đường ảnh hưởng của phản lực tựa của hai dầm

cầu trục ở hai bên cột, khoảng cách từ mép ngoài đến tâm của bánh xe con là:

Dmax=n.nc.Pmaxc ∑yi

Tương tự bên kia có Dmin:

Dmin=n.nc.Pminc ∑yi

Trong đó: n = 1,2 hệ số vượt tải

nc = 0,85 hệ số tổ hợp khi xét tải trọng do hai cầu trục chế độ làm

việc nhẹ hay trung bình

yi: Các tung độ của đường ảnh hưởng

6000 6000

525 525 5250

y3 y1

y2

Hình 2.3: Sơ đồ tính toán tung độ các đường ảnh hưởng

Các tải trọng Dmax và Dmin đặt vào trục nhánh đỡ dầm cầu trục của cột, nên

lệch tâm với trục cột dưới một đoạn e= hd/2 = 1/2 = 0,5m Do đó tại vai cột có sinh

ra mô men lệch tâm:

234,702

Hình 2.5: Sơ đồ tính do D max phải

2.2.4 Do lực hãm xe con

Lực ngang tiêu chuẩn của một bánh xe con cầu trục do hãm:

T1c = 0,05(Q+Gxc)/n0 = 0,05(24 + 18)/2 =1,05 (T)

Với no = 2: số bánh xe ở một bên cầu trục

Các lực ngang T1c truyền lên cột thành lực T đặt ở cao trình dầm hãm, giá trị T

cũng xác định bằng cách xếp bánh xe trên đường ảnh hưởng như khi xác định

Hình 2.7: Sơ đồ tính do T max phải

3 Tải trọng gió tác dụng lên khung

Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737-1995 Nhà công nghiệp 1 tầng 1

nhịp chiều cao nhỏ hơn 36m nên chỉ tính phần gió tĩnh Tải trọng gió tác dụng lên

+ Gió thổi lên tường dọc được chuyển về thành phân bố trên khung.

+ Gió trong phạm vi mái từ cách dưới dàn vì kèo trở lên được chuyển thành

lực tập trung ở cao trình cánh dưới dàn vì kèo

- Địa điểm xây dựng công trình là huyện Quế Võ – Bắc Ninh, thuộc vùng II.B

Tra TCVN 2737-1995, áp lực gió tiêu chuẩn: W0 = 95 daN/m2

- Vì bước cột B = 6m nên ta có tải trọng gió phân bố đều tác dụng lên cột được

Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang từ đỉnh cột trở xuống lấy là phân bố đều:

+ Phía gió đẩy => qđ = 1,04.1,2.95.1,0336.0,8.6 = 588,209(kg/m) = 5,882 (KN/m)

+ Phía gió hút => qh =1,04.1,2.95.1,0336.0,6.6= 441,157(kg/m) = 4,412 (KN/m)

Phần tải trọng tác dụng lên mái đưa về lực tập trung tác dụng vào đầu cột:

Lấy k lấy trị số trung bình: k = 1 2 1,0336 1,11

Hình 2.9: Sơ đồ tính toán gió trái

Hình 2.10: Sơ đồ tính toán gió phải

Vp= 7,02T

Vg=38,865T Vp= 7,02T

Dmax= 92,489(T) Dmin= 23,470(T) Max=46,244 (T.m) Mmin=11,735(T.m) T= 2,088(T)

Gdct= 1,55(T) Gct= 66,5(T) Gxc= 18(T)

Hình 2.11: Sơ đồ chất tải cho khung ngang nhà công nghiệp

III TÍNH TOÁN NỘI LỰC CHO KHUNG NGANG

3.1 Sơ đồ tính khung

Tính khung nhằm mục đích xác định nội lực khung: Mômen uốn, lực cắt, lực dọc trong các tiết diện khung Việc tính khung cứng có các thanh rỗng như dàn, cột khá là phức tạp, nên trong thực tế đã thay sơ đồ tính toán thực của khung bằng sơ đồ đơn giản hoá, với các giả thiết sau:

- Thay dàn bằng một xà ngang đặc có độ cứng tương đương đặt tại cao trình cánh dưới của dàn

- Khi tính khung với tải trọng không phải là tải trọng đứng tác dụng lên dàn thì xem dàn cứng vô cùng

Hình 3.1 : Sơ đồ xác định độ cứng khung dàn

3.2 Tính khung với tải trọng phân bố đều trên xà ngang

- Dùng phương pháp chuyển vị, ẩn số góc xoay ϕ1,ϕ2 và chuyển vị ngang ∆ở đỉnh cột

+ r11: Tổng phản lực mômen các nút trên của khung khi xoay góc ϕ =1;

+ R1p: Tổng mômen phản lực ở nút đó do tải trọng ngoài

- Qui ước dấu: Moment phản lực và góc xoay là dương khi nút cột trái quay theo chiều kim đồng hồ, nút cột phải quay ngược chiều kim đồng hồ

R

3.2.1 Moment tính toán tại các tiết diện

a, Ở đỉnh cột

1 1

Hình 3.3: Biểu đồ momen do tải trọng phân bố đều trên xà ngang

3.2.2 Moment phụ sinh ra do lệch tâm giữa trục cột trên và trục cột dưới

Me = A.e = A.(hd - ht)/2 = 23,141.(1 – 0,5)/2 = 5,785 (T.m)

Khung đối xứng, tải trọng A đối xứng nên có thể xem xà ngang có độ cứng vô cùng và không có chuyển vị ngang Nội lực trong khung do Me gây ra có thể tìm được dựa vào công thức trong bảng III.2 phụ lục đối với cột hai đầu ngàm Dấu Me ngược với dấu trong bảng

M

(T.m)

A

Hình 3.4: Biểu đồ momen do lệch tâm giữa trục cột

3.2.3 Momen sinh ra do trọng lượng dầm cầu trục, ray, cột trên, sườn tường

- Tải trọng cột và panel:

+ Trọng lượng cột trên chọn sơ bộ gt

c = 200daN/m => Gt

c = n.gt

c.Ht =1,1.200.4,5 = 990 (daN/m) = 0,99 (T)+ Panel bao che BTCT dày 60mm bố trí từ vai cột trở lên với chiều cao panel bao che là: Hst= Ht + Ho = 4,5 + 2,2 = 6,7 (m)

- Nội lực khung tìm được bằng cách nhân biểu đồ MA với hệ số tt 2,7875,785 0, 481

A

M

(T.m)

tt

Hình 3.5: Biểu đồ mômen tổng tác dụng lên cột

- Trọng lượng của dầm cầu trục, ray, cột trên, sườn tường và A là tải trọng thường xuyên nên ta có thể cộng biểu đồ momen do Mtt và MA gây ra trực tiếp với biểu đồ nội lực do g gây ra lên dàn và cột

B C

A

M(T.m) g

18,668

1,638 6,926

20,677

Hình 3.6: Biểu đồ mômen tổng do tải trọng thường xuyên

3.2.4 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

0.0451,087

3,866

Hình 3.7: Biểu đồ nội lực do tải trọng tạm thời

3.2.5 Tính khung với momen cầu trục M max , M min

- Mmax, Mmin đồng thời tác dụng ở hai cột Ở đây Mmax xuất hiện ở cột trái, Mmin ở cột phải Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang có độ cứng vô cùng, ẩn số chỉ còn chuyển vị ngang của nút

- Phương trình chính tắc: r11.∆ + R1p = 0

Trong đó: r11 là phản lực của liên kết thêm vào tại nút khung do nút có chuyển vị đơn ∆ =

1 Dấu của phản lực và chuyển vị tại liên kết thêm theo quy ước chiều từ trái sang phải là dương

RB

Hình 3.8: Sơ đồ tính nội lực do D max và D min

Dùng bảng III.1 phụ lục tính được momen và phản lực ngang đầu cột B:

Đối với cột bên phải momen và phản lực có giá trị giống cột bên trái nhưng khác dấu Ta

có biểu đồ nội lực của khung khi cho ∆ =1:

1,293BC

Hình 3.9: Biểu đồ mômen với ∆ =1

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

Biểu đồ nội lực do Mmax, Mmin gây ra trong hệ cơ bản được xác định bằng cách nhân biểu

đồ nội lự do MA gây ra với hệ số:

ax 46, 244

7,9945,785

m e

M M

2,0295,785

e

M M

(Vì Mmax và Mmin đặt cùng vị trí với Me nhưng ngược chiều)

- Đối với cột trái (Mmax):

A

7,607

12,35626,178

6,6423,135

7,184

12,196 26,338

6,802 2,975

1,507

MD

(T.m)

Hình 3.11: Biểu đồ nội lực tổng do M M

3.2.6 Tính khung với lực hãm ngang T

Lực T đặt ở cao trình mặt trên dầm cầu trục, cách vai cột 0,7 (m) Ta xét lực T ở cột trái, hướng từ trái sang phải Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang

có độ cứng vô cùng, ẩn số chỉ còn chuyển vị ngang của nút

Hình 3.12: Sơ đồ tính nội lực do lực hãm T ngang

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

= -3,019 (T.m)

M(T.m)

T

3,019

1,1490,775

6,953

0

Hình 3.13: Biểu đồ nội lực do T gây ra với cột trái

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

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:

3,815EJ 1, 475H

M =− + ( 6,953) = -11, 221(T.m)−

0,4260,052

11,221

1,907

0,723

5,627

Hình 3.14: Biểu đồ momen do lực hãm T ngang gây ra

3.2.7 Tính khung với tải trọng gió

Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với xà ngang có độ cứng vô cùng, ẩn số chỉ còn chuyển vị ngang của nút

- Đối với cột trái:

0,4852,709

10,368

0,0363,562

IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỘT

- Hệ số điều kiện làm việc: γ = 1

4.1 Xác định chiều dài tính toán cột

4.1.1 Chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng khung

4.1.2 Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng khung

+ Khoảng cách giữa những điểm cố kết ngăn cho cột không chuyển vị theo phương dọc nhà:

- Nội lực tính toán (một cặp nội lực duy nhất vì tiết diện đối xứng):

N = 45190 daN (bỏ qua trọng lượng bản thân của cột trên)

=> Không cần kiểm tra bền vì Ath = Ang và m1 < 20

b, Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn

Điều kiện ổn định trong mặt phẳng uốn được thỏa mãn

c, Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn

Momen ở tiết diện B: M1 = -275,4 kN.m (tổ hợp: B 1,2,3,6,7)

Momen tương ứng ở đầu kia (Ct): M2 = 35,1 (kN.m)

Tra bảng II.1:

y

λ = 61,42 => ϕy= 0,825

2 2 y

R

λ δ

→   = + = + =

 

Ta thấy 47,6 < 48,4 => thỏa mãn

476 500

- Lực dọc phải kể thêm trọng lượng bản thân cột:

Vì khi tổ hợp nội lực ta chưa kể đến trọng lượng bản thân cột nên ta cần tính thêm trọng lượng bản thân cột

Gc,∑N chính là Ntư lấy trong bảng tổ hợp ∑N= 1428,5 kN = 142850 daN

- Với cột dưới chọn k = 0,27 ; R = 2150 daN/cm2 = 2150.104 daN/m2

Z o

h C

Hình 4.2: Chọn tiết diện cột dưới rỗng

- Chiều cao tiết diện: h =1m

2 1

, 1

2 2

, 2

1221,198

0.8 1 21,5 915,720

R

ϕγ ϕγ

- Diện tích toàn tiết diện: A = Anh1 + Anh2 = 90,6 + 72,1 = 162,7cm2

- Khoảng cách từ trục trọng tâm toàn tiết diện tới trọng tâm mỗi nhánh:

nh 2 1

- Thanh giằng hội tụ tại trục các nhánh

- Chiều dài thanh xiên:

Chọn thanh xiên là thép góc: L80x8 với Atx = 12,16 cm2 , rmintx =1,45 cm

* Kiểm tra thanh bụng xiên:

λ = = = < λ =

Tra bảng II.1, ta có: ϕmin tx = 0,546

Hệ số điều kiện làm việc: γ = 0,75

x x

x

l r

Qqư < Q = 79,2 kN => không cần phải tính lại thanh bụng xiên và λtd

- Thanh bụng ngang tính theo lực cắt Qqư = 15,67 kN Vì Qqư = 15,67

=> Chọn L50x5 có 96,6 62,72 [120]

1,54

4.3.3 Kiểm tra tiết diện cột

a, Nhánh cầu trục (nhánh 1)

- Lực dọc tính toán tính lại:

2 1 nh1 1

Hình 4.4: Mặt cắt tiết diện cột dưới

4.3.4 Tính liên kết thanh giằng vào các nhánh cột

- Ta có: Ntx = 69,47 kN

Sử dụng que hàn ∃ 46 , Rgh = 2000 daN/cm2

- Giả thiết chiều cao đường hàn là hs=8mm , hm=6mm.

Chiều dài cần thiết của đường hàn :

4.3 Thiết kế các chi tiết cột

4.3.1 Nối phần cột trên và phần cột dưới

- Ta dùng liên kết hàn đối đầu để nối cột trên và cột dưới Mối nối sẽ ở vị trí cao hơn vai cột một khoảng là 500mm Nội lực dùng để tính toán là nội lực tại tiết diện Ct (tiết diện ngay sát vai cột) Từ bảng nội lực ta chọn ra cặp nội lực nguy hiểm nhất cho các nhánh :

Nhánh trong:

Mmax = 114,9 kNm ; Ntư = 535,1 kN Nhánh ngoài:

Các cặp nội lực Mmin < 0 => Do tiết diện cột trên đối xứng ta lấy Mmin để tính đường hàn của mối nối cánh ngoài cột trên và nhánh ngoài cột dưới

* Nhánh trong:

Chọn bản thép “K” có chiều dày và chiều rộng đúng bằng chiều rộng bản cánh của cột

- Chiều dài đường hàn bằng chiều rộng cánh cột trên lh = 28 – 2.0,5 cm

- Chiều cao đường hàn bằng chiều dày bản cánh δ =h 1,2cm

Nội lực lớn nhất trong cánh trong cột trên (mối nối cánh trong với bản “K” phải chịu) là: