Thuyết Minh Đồ Án Kết Cấu Thép.docx

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 1 GVHD TH S VŨ HUY HOÀNG THUYẾT MINH ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP P1 ĐỀ BÀI Thiết kế hệ dầm sàn bằng thép với các số liệu tính toán kèm theo cho trong bảng L (m) B(m) tcp (kN/m2) Loại dầm Sàn[.]

THUYẾT MINH

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP P1

ĐỀ BÀI:

Thiết kế hệ dầm sàn bằng thép với các số liệu tính toán kèm theo cho trong bảng:

L (m) B(m) p (kN/m tc 2) Loại dầm Sàn

Vật liệu thép số hiệu CCT38s, có cường độ tính toán:

f=230 N/mm2; fv= 133 N/mm2; f u=380 /N mm f2; wt=180 /N mm2

Độ võng giới hạn cho phép: của bản sàn [ / lD ]=1/150; của dầm phụ [D/B]=1/250; của dầm chính [ D/L]=1/400

Hệ số vượt tải: của tĩnh tải g g=1,05; của hoạt tải g P=1,2.

Hàn tay, dùng que hàn N42

Thiết bị chuyên chở có độ dài 9m

Chiều dài bản thép tối đa nhà máy đang có là 8m

I TÍNH TOÁN BẢN SÀN

1 Chọn kích thước bản sàn

Căn cứ vào hoạt tải đó cho p =15 kN/ tc 2

m =0,015 N/ 2

mm chọn sơ bộ chiều dày bản

sàn t s=10mm Xác định nhịp bản sàn theo công thức sau:

s s

l

t =

4 0

15 ptc

n

+

Trong đó:

s s

l

t là tỷ số cần tìm giữa nhịp sàn và chiều dày sàn.

n0 = [l/ D] = 150

E1=

5

2,1.10

E

n =

- - = 2,307.105 N/mm2



5 4

4.150 72.2,307.10

s

s

l

=127,495

 lS = 127,495.9 = 1147,456 (mm)

Ta chọn l S = 1050 mm

2 Kiểm tra sàn

Cắt 1 dải sàn bề rộng 1m theo phương cạnh ngắn có sơ đồ tính như sau:

q

f

Hình 1 Sơ đồ tính toán sàn

+ Tải trọng tiêu chuẩn:

qtc s = ( p tc+t s.r ).l = (15,0+0,01.78,5).1=15,785 kN/m

+ Tải trọng tính toán:

qtt s =g g.t s.r +g p.ptc= (1,05.0,01.78,5+1,2.15,0)=18,824 kN/m

a Kiểm tra độ võng của sàn:

Độ võng do tải trọng tiêu chuẩn và lực kéo H tác dụng: D=D0.

1

1+a Trong đó: D0 là độ võng ở giữa nhịp của bản có sơ độ làm việc như dầm đơn giản do

qtc s gây ra

0

D =

4

1

tc

s s x

q

E I

Với Ix =

l 1.0,01

s

t

=

= 8,333 10- 8 (m)

=> D0=

4

5 15,785.1,05

384 2,307.10 8,333.10- = m

+ Hệ số  xác định từ công thức: a (1 + a )2 = 3

2 0 2

s

t

D

a (1 + a )2 =

2 2

0,013

0,01 =

Bằng cách giải phương trình bậc 3 ta được a = 1,124

 Độ võng của sàn: D=D0.

1

1+ =a

1 0,013

1 1,124+ = 0,00612 m.

s

l

D

=

0,00612

1 =0,00612 < l

é ùD

ê ú

=

1

150 =0,00667

 Bản sàn đảm bảo điều kiện độ võng cho phép

b Kiểm tra cường độ sàn:

Kiểm tra sàn theo điều kiện cường độ:

f

As- diện tích tiết diện sàn rộng 1m: As=1.0,01= 0,01 m2

Ws- mômen kháng uốn của tiết diện dải sàn rộng 1 m

Ws=

1.t 1.0,01

s =

=1,67.10- 5

m3

Mômen lớn nhất ở giữa nhịp sàn: max 0

  

s s 0

q l 18,824 1,05



Lực kéo H:

H =

8 1

3,14 1 1,2 .2,307.10 0,01 303,281

l

p

Vậy ứng suất lớn nhất trong sàn:

max

5

303,281 1,221

W 0,01 1,67.10

A

-=103441 (kN/m2)£ f.g c=230000 (kN/m2)

 Kết luận: Sàn đảm bảo khả năng chịu lực.

c Tính liên kết hàn:

Đường hàn liên kết bản sàn với dầm phụ phải chịu được lực H Chiều cao đường hàn

được xác định theo công thức: f ( ) min

H h

f

³ Với thép CCT38s dùng que hàn N42 có:

fwf =180 (N/mm2); fws=0,45.fu=0,45.380=171(N/ mm2)

Dùng phương pháp hàn tay nên: b f =0,7; b s=1.

W min

( b f ) =min (0,7.180; 1.171)=126 (N/ mm2

)

Thay số vào ta có:

303,281 126

f

h ³

=2,407 mm

Ta lấy chiều cao đường hàn liên kết bản sàn với dầm phụ là hf =5 mm thoả mãn yêu cầu cấu tạo

q=19,765 kN

Mmax=91,932 kN.m

Vmax=60,283 kN

6100m m

II TÍNH TOÁN DẦM PHỤ

1 Sơ đồ tính toán dầm phụ

Sơ đồ tính toán dầm phụ là dầm đơn giản nhịp B = 6,1 m chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều từ sàn truyền vào

2 Tải trọng

Tải trọng tác dụng lên dầm phụ là tải trọng ptc và trọng lượng của sàn thép

+Tải trọng tiêu chuẩn:

qtc dp = ( ptc+t s.r ).ls= (15,0+0,01.78,5).1,05=16,574 (kN/m).

+Tải trọng tính toán:

qtt dp=(p tc g p+t s.r .g g).ls= (15,0.1,2+0,01.78,5.1,05).1,05=19,765 kN/m

3 Xác định nội lực tính toán

Mmax=

2

8

tt dp

q B

=

2

19,765.6,1

8 = 91,932 kN/m

Vmax=

2

tt dp

q B

=

19,765.6,1

2 = 60,283 kN

`

`

Hình 3 Sơ đồ tính toán dầm phụ.

4 Chọn kích thước tiết diện dầm

Mô men kháng uốn cần thiết cho dầm có xét đến biến dạng dẻo:

max

1,12

x

c

f g

³

=

2

91,932.10 1,12.23 = 356,879 cm3

Tra bảng thép cán sẵn, chọn thép chữ I 30 có các đặc trưng hình học:

Wx = 472 cm3 g = 36,5 kg/m

bf = 135 mm d=tw=6,5 mm

Sx = 268 cm3 Ix = 7080 cm4

5 Kiểm tra lại tiết diện

a Kiểm tra bền có kể đến trọng lượng bản thân dầm:

M bt=

2

8

g g B g

=

2

1,05.36,5.6,1

8 = 178,259 kg.m

V bt =

2

g g B g

=

1,05.36,5.6,1

2 = 116,891 kg =1,169 kN

+ Ứng suất pháp lớn nhất:

max

* max

1,12 X

M

max

1,12

bt X

W

+

=

3

91,932.10 178,259.10

1,12.472.10

+

=177,275 N/mm2

smax< f g c 230 /= N mm2

 Dầm đã chọn đảm bảo điều kiện bền uốn

+ Ứng suất tiếp lớn nhất:

max=

*

max

X

X w

max

bt X

X w

V S

I t

+

=

4

(60,283.10 1,169.10 ).268.10

7080.10 6,5

+

=35,787 N/mm2

max =35,787 N/mm2 < c.fv=0,58 f y/g M =0,58.240/1,05= 133 N/mm2

 Dầm đã cho thoả mãn điều kiện chịu cắt

b Kiểm tra võng theo công thức:

3

384

tc tc x

=

B

é ù D

£ê ú ë û

3

5 (16,574 0,365).6,1

384 2,1.10 7080.10

=

=0,00336 B

é ù D

<ê ú ë û

=

1

250 =0,004

c Kiểm tra ổn định cục bộ

- Không phải kiểm tra ổn định cục bộ vì: Dầm phụ làm từ thép hình, do đó đã được tính toán tại nhà máy để đảm bảo ổn định cục bộ

d Kiểm tra ổn định tổng thể

- Không cần kiểm tra ổn định tổng thể của dầm phụ vì phía trên dầm phụ có bản sàn thép hàn chặt với cánh của dầm

Kết luận : Dầm chọn đạt yêu cầu cả về cường độ và độ võng.

III TÍNH TOÁN DẦM CHÍNH

1 Sơ đồ tính toán của dầm chính: là dầm đơn giản chịu tác dụng của các tải trọng coi

như phân bố đều

2 Tính tải trọng tác dụng

Tải trọng phân bố đều lên dầm chính có xét đến trọng lượng bản thân dầm phụ:

qtc dc=2 tc ( tc tc) (16,574 0,365).6,1 103,328

dp dp dp

qtt dc=2.V dp tt=(q dp tt +g dp tt ).l=(19,765 0,365.1,05).6,1 122,904+ = kN/m

3 Xác định nội lực tính toán

Mmax =

2

8

tt dc

q L

=

2

122,904.10,5

8 = 1693,771 kN.m

Vmax = 2

.L

q tt dc

=

122,904.10,5

2 = 645,246 kN.m

1693,771 KNm 645,246 KN

L=10500

122,904KN

Hình 5 Sơ đồ tính toán dầm chính.

4 Thiết kế tiết diện dầm

a Chọn chiều cao tiết diện dầm h theo điều kiện:

20%

d kt

í

î (Trong đó h max không hạn chế)

+ Chiều cao hmin có thể tính gần đúng theo công thức:

hmin =

f L

L

é ù

ê úD

=

4 8

5 23.10 103,328

24 2,1.10 122,904 = 0,8057 m.

+ Chiều cao hkt của dầm tính theo công thức: hkt = k

max

k

t = f t

Hệ số k = 1,15 - tổ hợp dầm hàn

Chọn t w =10 mm.

hkt = 4 3

1693,771 1,15

23.10 10.10

-=0,987 m

 Chọn h =1,1 m.

+ Kiểm tra lại chiều dày của bản bụng:

Sơ bộ chọn t f = 0,02 m

 hw= h – 0,04 = 1,1 - 0,04 = 1,06 m

tw=10mm

max

1,5

w v

V

h f

³

645,246

1,06.133.10 =0,00458 m=4,58 mm (Thoả mãn).

b Chọn kích thước bản cánh dầm

- Diện tích tiết diện cánh dầm xác định theo công thức gần đúng sau:

3

2

w

f f f

A b t

= (

1693,771.10 110 1.106

) 2

2

108 =52,43 cm2

Chọn kích thước tiết diện cánh bf =40 cm, tf =2cmthoả mãn các điều kiện: + bf  18 cm

+ bf = 5)

1

2

1

( 

h = ( 22 55¸ ) cm.

+ tw=0,01 < tf =0,02£ 3tw = 0,03m

+

0,4

20 0,02

f

f

b

< 30, 22

E

400

10

5 Thay đổi tiết diện dầm

Điểm thay đổi tiết diện cách gối tựa một đoạn: x =(1/5 ¸ 1/6)L=(1/5¸ 1/6).10,5

 Lấy x = 2 m.

Do chiều dài thép lớn nhất là 8m, nên chọn đoạn thay đổi tiết diện sẽ gia công trong nhà máy và một đoạn tính từ đầu dầm đến khoảng cách 2,5 m sẽ gia công tại công trường Tính Mx: M = x

.x

2

tt dc

=

122,904.2.(10,5 2)

2

= 1044,684 kN.m Diện tích tiết diện bản cánh cần thiết tại vị trí thay đổi:

w

.h 2 1044,684.10 110 1.106 2

x

f f f

→ Chọn b'f = 18 cm.

6 Kiểm tra bền cho dầm

- Tính mô men do trọng lượng bản thân dầm:

Mbt = (hw.tw+2 bf tf ).g g. g.

2

8

L

= (1,06.0,01 + 2.0,4.0,02).78,5.1,05

2

10,5

8 = 30,22 kN.m

- Mômen quán tính thực của tiết diện dầm:

Ix =

3

12

w w

t h

+

2

2

f

f f

h

b t

=

3

1.106

2

108 2.40.2

4 = 565811 cm4

- Mômen kháng uốn thực của dầm:

Wx =

.2 565811.2

110

x I

h =

= 10287,479 cm3

 Kiểm tra ứng suất pháp tại tiết diện giữa nhịp:

max

max

bt x

W

=

3

1693,771.10 30,22.10 10287,479.10

+

=167,581 N/mm2 2

max 167,581N mm/

s = < f g=230 N/ mm2

 Kiểm tra ứng suất tiếp tại gối tựa:

' max

'

w

.t

bt x

v c x

V

f I

Vbt = (hwtw+2bf tf )g g. g 2L=(0,01.1,06 + 2.0,4.0,02).78,5.1,05.10,52 = 11,51 kN

.

108 1.106 106

f

x f f

2

.

f

h

t h

'

Wx=

'.2

x

I

3

309203.2

5621,873

ax

w

(V ).S (645,246 11,51).10 3348,5.10

x

V

I

 Kiểm tra ứng suất pháp trong đường hàn đối đầu nối cánh:

(0,01.1,06 2.0,4.0,02 78,5.1,05 2,19) /

tt

'

bt

M =

g x

2

tt

dc L x

-=

2,19.2.(10,5 2)

18,62

-=

' 6 6

w

1044,684.10 18,62.10

189,137 / m

x bt

x

x

t c

s

g

 Kiểm tra ứng cục bộ tại nơi đặt dầm phụ:

l

c

z w

P

t

s =

=

3

2 max

2.( ) 2.(60,283 1,169).10

70,231 / m ( 2 ) (135 2.20).10

dp dp bt

dp dc

70,231

c

s = N/mm2 £ g c.f =230 N/mm2

 Kiểm tra ứng suất tương đương tại nơi tiết diện dầm thay đổi:

2 w

182,259 / m

x bt

x

h

10,5 ( ) 122,904.( 2) 399,438

10,5 ( ) 2,19.( 2) 7,118

tt

x dc

tt

bt dc

L

L

2

w

(V ).S (399,438.10 7,118.10 ).3348,5.10

44,03 / mm

x bt x

x

V

N I

= 176,540 N / mm2

d 176,540 / 1,15 264,5 /

7 Kiểm tra ổn định dầm

- Kiểm tra tỷ số

0 f

l

b :



1 0,41 0,0032 0,73 0,016

4

105

2,63 18,91

Với l0 là khoảng cách giữa các dầm phụ =1,05 m = 105 cm.

 Kiểm tra ổn định cục bộ:

+ Kiểm tra ổn định bản cánh:

Khi chọn tiết diện của bản cánh đã chọn để đảm bảo ổn định cục bộ

 Do vậy ta không cần kiểm tra

+ Kiểm tra ổn định cục bộ cho bản bụng:

Kiểm tra theo điều kiện ổn định:

w

w

     

; Ta có

W 106 23 4

1 2,1.10

 Bụng dầm mất ổn định dưới tác dụng của ứng suất tiếp

Do đó bản bụng phải cấu tạo sườn ngang cho bản bụng không bị mất ổn định.

+ Khoảng cách lớn nhất của các sườn ngang là : a 2.hw 2.106212(cm)

Chọn a= 180 (cm); bố trí 5 sườn

530

1120

10500 3

+ Bề rộng và chiều dày của sườn:

s

80

6 30 40

 Chọn ts=6 mm

Các sườn được hàn vào bụng và bản cánh dầm bằng đường hàn theo cấu tạo

 Kiểm tra ứng suất trong các ô:

 Kiểm tra ô bụng 1:

- Điểm kiểm tra cách đầu dầm 1 đoạn x có giá trị là: x1=112 cm

- Mômen ở ô bụng 1:

M

  

1

q.x l x



122, 904 2,19 1,12 10,5 1,12

657, 094(kN.m) 2

- Lực cắt tại ô bụng 1:

V q x 122, 904 2,19 1,12 516, 638(kN)

- Ứng suất pháp trong ô 1:

6

2

x

M h 657, 094.10 1060

- Ứng suất tiếp trong ô 1:

3

2 1

V 516, 638.10

48, 739(N / mm )

h t 1060.10

Ta có  c 70, 231(N / mm )2

- Ứng suất pháp cực hạncr :

Ta có:

w

a 1,8

1, 7

h 1, 06 >0,8 với





c 70, 231

0, 624

112, 631

       

 

 

 



cr

w

C f

với Ccr - hệ số tính ứng suất giới hạn, phụ thuộc vào 

Tra bảng 3-4 trang 145 – Sách Kết cấu thép, Ccr 33,57



2 cr

w

C f 33,57.230

626, 708(N/ mm ) 3,51

- Ứng suất cục bộ giới hạn là:

   



1

w a

;

2t E

a 180 23 4

2.1 2,1.10

0,849 2.h 2.106 và  2, 415 Giá trị C1 đối với dầm hàn là C1 17,293



2 1

a

C f 17, 293.230

448, 486(N / mm ) 2,978

- Ứng suất tiếp cực hạn cr

:

w

   

w

a 180

1, 70

  

2 v

ow

f

1, 7 3,51

Ta có:

          

c

c

112, 631 70, 231 48, 739

0, 483 1

626, 708 448, 486 140, 433

 Kiểm tra ô bụng 1 (ở vị trí mới):

- Điểm kiểm tra cách đầu dầm 1 đoạn x có giá trị là: x1=53 cm

- Mômen ở ô bụng 1:

M

  

1

q.x l x



122, 904 2,19 0,53 10,5 0,53

330,505(kN.m) 2

- Lực cắt tại ô bụng 1:

V q x 122, 904 2,19 0,53 590, 444(kN)

- Ứng suất pháp trong ô 1:

6

2

x

M h 330,505.10 1060

- Ứng suất tiếp trong ô 1:

3

2 1

V 590, 444.10

55, 702(N / mm )

h t 1060.10

Ta có  c 70, 231(N / mm )2

- Ứng suất pháp cực hạncr :

Ta có:

w

a 1,8

1, 7

h 1, 06 >0,8 với





c 70, 231

1, 24

56, 651

       

 

 

 



cr

w

C f

với Ccr - hệ số tính ứng suất giới hạn, phụ thuộc vào 

Tra bảng 3-4 trang 145 – Sách Kết cấu thép, Ccr 33,57



2 cr

w

C f 33,57.230

626, 708(N/ mm ) 3,51

- Ứng suất cục bộ giới hạn là:

   



1

w a

;

2t E

180 23

2.1 2,1.10

;

w

0,849 2.h 2.106 và  2, 415 Giá trị C1 đối với dầm hàn là C1 17,293



2 1

a

C f 17, 293.230

448, 486(N / mm ) 2,978

- Ứng suất tiếp cực hạn cr

:

w

   

w

a 180

1, 70

  

2 v

ow

f

1, 7 3,51

Ta có:

c

c

56,651 70, 231 55,702

0, 467 1

626, 708 448, 486 140, 433

8 Tính liên kết giữa cánh dầm và bụng dầm

Đường hàn liên kết cánh và bụng dầm chịu lực trượt do V gây ra Liên kết giữa cánh và bụng là đường hàn nên ta tính chiều cao đường hàn theo công thức:

 

2 2

f

1 (645,246 11,51).3348,5 122, 904

 Chọn chiều cao đường hàn theo điều kiện cấu tạo là h f 7(mm); hàn suốt chiều dài dầm

9 Tính mối nối đầu dầm

- Bản cánh nối bằng đường hàn đối đầu, bản bụng nối bằng bản ghép và dùng đường hàn góc

+ Nội lực tại mối nối:

      

1

q.x l x (122, 904 2,19).2, 5 10,5 2,5

1

Mối nối coi như chịu toàn bộ lực cắt và phần mômen của bản bụng:

x

với

4

b

t h 1.106

Chọn bản ghép có tiết diện: Chiều cao bản ghép bằng chiều cao bản bụng trừ đi 10cm Vậy ta có h g 106 10 96(cm)ta có tiết diện bản ghép là (96x1) cm

Bề rộng 10cm

Kiểm tra tiết diện bản ghép: 2.Abg 2.96.1 192 Aw 106.1 106

Mối hàn đặt lệch tâm so với vị trí tính nội lực, do đó có momen lệch tâm là:

e

M 344, 009.5 1720, 045(KN.cm)

Chọn chiều cao đường hàn hf  10(mm) thoả mãn:

Ta có:

f

2 h 1 h 2 96 1 1

A 2 h 1 h 2 96 1 1 190(cm )

Kiểm tra ứng suất đường hàn:

 

 

b e

w min c

 Thoả mãn.

10 Tính sườn đầu dầm

Sườn đầu dầm chịu phản lực gối tựa: V =645,246+11,51= 656,756 (kN) Dùng phương án sườn đặt ở đầu dầm, dầm đặt phía trên gối khớp với cột

Bề rộng sườn đầu dầm lấy bằng bề rộng của bản cánh:b s b'f 18(cm)

Tiết diện của sườn đầu dầm phải đảm bảo về điều kiện ép mặt

u c

1,05 1,05 N/mm =2 36,19 /N cm 2



s

V 656, 756

b f 18.36,19.1

Chọn sườn có kích thước : b ts s (18 1)(cm)

+ Kiểm tra sườn theo điều kiện ổn định cục bộ:

4 w

s

os s

s

+ Kiểm tra sườn theo điều kiện ổn định tổng thể:

4

2

3

max

2,1.10 0,65 0,65.1 19,64( )

23 (18.1) 19,64 37,64( )

487,637( )

487,637

3,6( ) 37,64

106

29,44 0,935 3,6

s qu

w

s s s

s s

w s

E

f

t E f

b t

I

A h

i

V





3

2

656,756.10

186,613( / ) 230( / )