Đồ án kết cấu thép 2 (thuyết minh bản vẽ) khung ngang nhà CN 1 tầng 1 nhịp

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG MỘT NHỊP 1. SỐ LIỆU THIẾT KẾ Thiết kế khung thép nhà công nghiệp nhẹ một tầng một nhịp (nhà có 2 cầu trục hoạt động, chế độ làm việc trung bình, móc mềm). Với các thông số thiết kế như sau: Nhịp khung, L (m) Bước cột, B (m) Số bước cột, n Sức nâng cầu trục, Q (T) Cao trình ray, H1 (m) Độ dốc mái, i (%) Địa điểm Địa Hình 33 6,2 11 10,0 10,8 12 Huyện Yên Minh Hà Giang C Các dữ liệu khác: mác thép CCT34. Sử dụng phương pháp hàn tay, không bản lót, que hàn N42. Loại bulông chịu lực của kết cấu là bulông tinh. Mái lợp tôn, có một hệ giằng xà gồ. Bê tông B20.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG

NGHIỆP MỘT TẦNG MỘT NHỊP

1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ

Thiết kế khung thép nhà công nghiệp nhẹ một tầng một nhịp (nhà có 2 cầu trụchoạt động, chế độ làm việc trung bình, móc mềm) Với các thông số thiết kế như sau:

n

Sức nângcầu trục,

Q (T)

Cao trìnhray,

Độ dốcmái,

ĐịaHình

Các dữ liệu khác: mác thép CCT34 Sử dụng phương pháp hàn tay, không bảnlót, que hàn N42 Loại bulông chịu lực của kết cấu là bulông tinh Mái lợp tôn, có một

hệ giằng xà gồ Bê tông B20

2 THIẾT KẾ HỆ GIẰNG

2.1 Hệ giằng mái

Hệ giằng mái sử dụng khung thép nhẹ được bố trí theo phương ngang nhà tạihai gian đầu hồi (hay gần đầu hồi), đầu các khối nhiệt độ và ở một số gian giữa nhà tùythuộc chiều dài nhà, sao cho khoảng cách giữa các giằng bố trí không quá 5 bước cột

Bản bụng của hai xà ngang cạnh nhau được nối bởi các thanh giằng chéo chữthập Các thanh giằng chéo này có thể là thép tròn hay cáp thép mạ kẽm đường kínhkhông nhỏ hơn 12 mm (khi sức trục từ 5 tấn trở xuống), thép góc (khi sức trục lớn).Ngoài ra, cần bố trí các thanh chống dọc bằng thép hình (thường là thép góc) Độmảnh của thanh chống không được vượt quá 200

A B

Hình 1 Hệ giằng mái

Trường hợp nhà có cầu trục với sức nâng trên 10 tấn, cần bố trí thêm các thanhgiằng chéo chữ thập dọc theo đầu cột để tăng độ cứng cho khung ngang theo phươngdọc nhà và truyền các tải trọng ngang như tải trọng gió, lực hãm cầu trục ra các khunglân cận Nếu sức trục dưới 10 tấn thì không cần.

Theo chiều cao tiết diện xà, giằng mái bố trí lệch lên phía trên (khi chịu tảitrọng bình thường, cánh trên của xà là cánh nén); khi chịu tải trọng gió, cánh dưới của

xà chịu nén nên phải gia cường bằng các thanh giằng chống xiên (liên kết với xà gồ).Tiết diện thanh chống không nhỏ hơn , điểm liên kết với xà gồ cách xà khoảng

Hình 2 Chi tiết thanh giằng chống xiên liên kết giữa xà ngang với xà gồ

1.2.2 Hệ giằng cột

Hệ giằng cột có tác dụng đảm bảo độ cứng dọc nhà và giữ ổn định cho cột, tiếpnhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà như tải trọnggió lên tường đầu hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục

± 0.000

Hệ giằng cột thường bố trí hai lớp:

- Hệ giằng cột trên (từ mặt dầm hãm đến đầu cột)

- Hệ giằng cột dưới (từ mặt nền đến mặt dầm vai)

Hệ giằng cột gồm các thanh giằng chéo được bố trí trong những gian có hệgiằng mái Trường hợp nhà không có cầu trục hoặc nhà có cầu trục với sức nâng dưới

15 tấn có thể dùng thanh giằng chéo chữ thập bằng thép tròn đường kính không nhỏhơn 20 mm Nếu sức trục trên 15 tấn cần dùng thép hình, thường là thép góc Độ mảnhcủa thanh giằng không được vượt quá 200

3 THIẾT KẾ XÀ GỒ

3.1 Xà gồ cán nóng

a Tải trọng tác dụng

Độ dốc mái:

Khoảng cách bố trí giữa hai xà gồ:

Mái lợp tôn múi tráng kẽm dày 0,7 mm có trọng lượng:

Chọn sơ bộ tiết diện xà gồ dạng chữ [ có số hiệu [10 với các thông số của tiết

diện sau:

Hoạt tải tác dụng được xác định theo TCVN 2737-1995:

Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán tác dụng lên xà gồ:

b.Sơ đồ tính

Tải trọng tác dụng lên xà gồ được phân theo hai phương:

Hình 4 Mặt cắt ngang xà gồ

Sơ đồ tính và biểu đồ mômen: thanh giằng xà gồ là thép tròn có

Hình 5 Sơ đồ tính và biểu đồ mô men của xà gồ

c Kiểm tra về cường độ

Mômen uốn theo phương x và y trong xà gồ:

Kiểm tra bền cho tiết diện:

THỎA

d Kiểm tra về biến dạng

Do có hệ giằng xà gồ theo phương x nên ta chỉ xét độ võng của xà gồ theo phương y Độ võng của xà gồ được xác định như sau:

Kiểm tra độ võng:

THỎA

Vậy tiết diện xà gồ đã chọn thỏa mãn điều kiện về biến dạng

* Ngoài ra, cần kiểm tra xà gồ chịu tác dụng của tải trọng gió bốc Công trình

Tải trọng gió và thành phần của tỉnh tải mái ngược chìu nhau nên tải trọng (theophương y của xà gồ ) tác dụng vào xà gồ là:

Kiểm tra độ bền xà gồ trong trường hợp này theo công thức:

THỎAVậy tiết diện xà gồ đã chọn thõa mãn điều kiện về cường độ

3.2 Xà gồ dập nguội

và theo sơ đồ có một thanh giằng ở giữa, tra bảng III.2 phụ lục III

chọn số hiệu thép Z15024 làm tiết diện xà gồ.

4 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG

4.1 Theo phương đứng

Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang:

trong đó:

H K = 1,010m (tra catalo cầu trục);

b K = 0,3m (khe hở an toàn giữa dầm cầu trục và xà ngang).

Chiều cao của phần cột tính từ mặt móng đến mặt trên của vai cột:

4.2 Theo phương ngang

Vì sức trục < 30T nên coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột (lấy a = 0).

Khoảng cách từ trục định vị tới trục ray cầu trục là:

Chiều cao tiết diên cột chọn theo yêu cầu độ cứng:

chọn:

Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:

4.3 Sơ đồ tính khung ngang

Do sức nâng của cầu trục không lớn nên chọn phương án tiết diện cột không

đổi, với độ cứng là I1 Vì nhịp của khung L = 33m, nên chọn phương án xà ngang có

tiết diện thay đổi hình nêm, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 6,5m Với đoạn

xà 10,0m (tiết diện thay đổi), độ cứng ở đầu xà và cuối xà là I1 và I2 Với đoạn xà 10,0

m (tiết diện không đổi), độ cứng là I2.

Giả thiết sơ bộ tỷ số I1/I2 = 2,5 Do nhà có cầu trục nên chọn kiểu liên kết giữa

cột và móng là ngàm tại mặt móng (cốt 0.000) Chiều dài dầm vai chọn sơ bộ:

Hình 6 Sơ đồ tính khung ngang

5 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

5.1 Tải trọng thường xuyên ( tĩnh tải )

Để đơn giản việc tính toán,trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và

xà gồ mái lấy 0,15 kN/m2

Trọng lượng kết cấu cửa mái có thể lấy khoảng 0,15 kN/m2 mặt bằng cửa mái:

Trọng lượng trần treo; trần thạch cao khoảng 0,15 kN/m2

Trọng lượng bản thân của kết cấu hệ giằng được lấy 15% trọng lượng xà ngang(chọn sơ bộ trọng lượng bản thân xà ngang 1kN/m)

Tổng tải trọng phân bố đều trên xà ngang:

Trọng lượng bản thân của tôn tường và xà gồ tường lấy tương tự như mái là0,15 kN/m2 Quy thành tải tập trung đặt tại đỉnh cột:

Trọng lượng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1 kN/m Quy thành lực tậptrung và mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:

3,429 kN/m

12,481 kN

6,820 kN

12,481 kN6,820 kN

Hình 7 Sơ đồ tính khung khung với tĩnh tải 5.2 Hoạt tải mái

Theo TCVN 2737-1995, trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữamái phụ thuộc vào loại mái.Với mái lợp vật liệu nhẹ như :tôn,fibroximang…trị số tiêu

Quy đổi về tải trọng phân bố lên xà ngang:

Hình 8 Sơ đồ tính khung khung với hoạt tải

5.3 Hoạt tải cầu trục

Hoạt tải cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực hãmngang của cầu trục Các loại tải trọng này thông qua bánh xe cầu trục truyền xuống vai

cột Theo bảng II.3 phụ lục [1], các thông số cầu trục sức nâng 10T như sau:

B k (mm)

Bề rộngđáy

(mm)

T

lượngcầu trục

Áp lực đứng D max , D min của cầu trục truyền qua dầm cầu trục thành tải trọng tập

trung đặt tại vai cột Trị số của D max ,D min có thể xác định bằng đường ảnh hưởng củaphản lực gối tựa dầm cầu trục khi các bánh xe cầu trục di chuyển đến vị trí bất lợinhất Với khung 1 nhịp, nhà có 2 cầu trục hoạt động, cần xét đến tải trọng của 2 cầutrục đặt sát nhau

85,473 kN

Hình 11 lên cột phải

b Lực hãm ngang của cầu trục

Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray:

Lực hãm ngang T của toàn cầu trục tác dụng vào cột khung thông qua dầm hãm(giả thiết cách vai cột 0,7 m):

Hình 12 lên cột trái

Hình 13 lên cột phải

5.4 Tải trọng gió

Chiều cao đỉnh mái được xác định như sau:

chọn Địa điểm Huyện Yên Minh – Hà Giang (vùng I), áp lực gió

a gió theo phương ngang:

Với các kích thước của nhà, tra bảng hệ số khí động ta có được các hệ số khíđộng như sau:

- Hệ số khí động trên mặt tường đón gió:

Tải trọng gió phân bố trên khung được xác định như sau:

- Trên cột đón gió:

- Trên xà mái đón gió:

- Trên xà mái khuất gió:

- Trên cột khuất gió:

2,366 kN/m 1,479 kN/m

1,116 kN/m 1,190 kN/m

b Gió phải

Hình 14 Sơ đồ tính khung với tải trọng gió ngang nhà

b gió theo phương dọc nhà

Hệ số khí động trong trường hợp này như sau:

Tải trọng gió phân bố trên khung được xác định như sau:

- Trên cột:

- Trên xà mái:

550011000

Hình 15 Sơ đồ tính khung với tải trọng gió dọc nhà

6 XÁC ĐỊNH VÀ TỔ HỢP NỘI LỰC

6.1 Chọn sơ bộ tiết diện cột và xà ngang

a Tiết diện cột và tiết diện đầu xà thay đỗi tiết diện

Chiều cao tiết diện cột chọn từ điều kiện độ cứng

Chọn Theo các điều kiện cấu tạo và ổn định cục bộ chọn các kích thước tiết diện cột:

Chọn Chọn

b Tiết diện cuối xà thay đỗi tiết diện và tiết diện xà không thay đỗi tiết diện

Mômen quán tính đối với trục x của tiết diện cột

Theo giả thuyết ban đầu

Chọn phương án thay đỗi tiết diện dầm là giảm chiều cao, nên tiết diện tại vị tríthay đỗi, các kích thước chọn giống như tiết diện cột

Mômen quá tính theo trục x của tiết diện tại vị trí thay đỗi tiết diện

Giải phương trình trên ta thu được nghiệm: chọn

c Tiết diện dầm vai

Chiều rộng bản cánh dầm vai: 30cm

Chiều dày bản cánh dầm vai: 1,2cm

Chiều dày bản bụng dầm vai được xác định từ điều kiện chịu ép cục bộ do phảnlực dầm cầu trục truyền vào, theo công thức:

Để tiết kiệm vật liệu (phù hợp với biểu đồ momen uốn), chiều cao dầm vai tại

vị trí trọng tâm dầm cầu trục lấy nhỏ hơn ở đầu côngxon, chọn góc nghiên .Chiều cao của bản bụng dầm vai tại vị trí này được tính như sau:

a Tiết diện tại đầu dầm vai b Tiết diện tại vị trí trọng tâm dầm cầu trục

Hình 18 Tiết diện dầm vai

6.2 Xác định nội lực

Nội lực trong khung ngang được xác định với từng trường hợp chất tải bằngphần mềm SAP2000 Trọng lượng bản than kết cấu khung ngang được khai báo trongSAP Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng biểu đồ và bảng thống kê nội lực Dấucủa nội lực lấy theo quy định chung trong sức bền vật liệu

- Với cột khung: cần xác định nội lực tại các tiết diện đỉnh cột, chân cột và vaicột (trường hợp không có dầm vai cột đỡ cầu trục thì xác định tại tiết diện giữa cột)

- Với xà ngang: trường hợp xà có tiết diện không đổi thì cần xác định nội lực ởcác tiết diện hai đầu và giữa nhịp Nếu xà có tiết diện thay đổi tì cần xác định nội lực ở

cả tiết diện hai đầu và chổ thay đổi tiết diện

Dữ liệu đầu vào:

Hình 19 Sơ đồ phần tử trong SAP2000

Hình 20 Sơ đồ tên tiết diện khung trong SAP2000

Hình 21 Sơ đồ tiết diện khung trong SAP2000

Hình 22 Tĩnh tải tác dựng vào khung

Hình 23 Hoạt tải mái trái tác dụng vào khung

Hình 24 Hoạt tải mái phải tác dụng vào khung

Hình 25 Hoạt tải cả mái tác dụng vào khung

Hình 26 Gió thổi theo phương ngang (X) từ trái sang phải lên khung

Hình 27 Gió thổi theo phương ngang (X) từ phải sang trái lên khung

Hình 28 Gió theo phương dọc (Y) tác dụng lên khung

Hình 29 Dmax trái tác dụng lên khung

Hình 30 Dmax phải tác dụng lên khung

Hình 31 Tmax trái tác dụng vào khung

Hình 32 Tmax phải tác dụng vào khung

Nội lực được tính bằng chương trình SAP2000 Advanced 14.2.2

Kết quả bảng nội lực như sau:

P: Lực dọc N (kN)V2: Lực cắt V (kN)M3: Momen M (kN.m)

BẢNG NỘI LỰC

TABLE: Element Forces - Frames

XA2 0 HTMAIT LinStatic -16,132 -16,441 0,500XA2 11,08051 HTMAIT LinStatic -12,908 10,157 35,316

XA2 11,08051 HTMAIP LinStatic -14,961 -6,779 35,316

XA3 11,08051 HTMAIT LinStatic -14,961 -6,779 35,316

XA3 11,08051 HTMAIP LinStatic -12,908 10,157 35,316

XA4 0 HTMAIP LinStatic -17,744 -29,740 -127,428

6.3 Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh cột

Chuyển vị ngang ở đỉnh cột khung nhà công nghiệp một tầng gây ra bởi tổhợp tĩnh tải và tải trọng gió tiêu chuẩn:

Kết quả chuyển vị đỉnh cột trái do TT gây ra

Kết quả chuyển vị đỉnh cột trái do GXT gây ra

Ta có:

THỎA

6.4 Tổ hợp nôi lực

Sau khi tính khung với từng loại tải trọng cần tổ hợp nội lực để tìm nội lực nguyhiểm nhất tại các tiết diện đặc trưng Khi tiến hành tổ hợp nội lực cần tuân thủ theomột số nguyên tắc cơ bản sau:

- Nội lực do tĩnh tải cần kể đến trong mọi trường hợp

- Không kể đến đồng thời nội lực do Dmax và Dmin ở cùng một phía cột

- Nếu kể đên nội lực hãm ngang T thì phải kể đến nội lực do áp lực đứng Dmax

và Dmin Ngược lại, có thể kể nội lực do áp lực đứng Dmax và Dmin mà không cần

+ Tổ hợp cơ bản 2: gồm nội lực do tĩnh tải và các loại hoạt tải bất lợi (trị

số của nôi lực do các hoạt tải gây ra cân nhân với hệ số tổ hợp nc = 0,9)

- Tại một tiết diện đặc trưng cần tìm 3 cặp nội sau:

BẢNG TỔNG HỢP NỘI LỰC

Tên Cấu

Kiện DiệnTiết Phần TửTên MặtCắt LựcNội

CÁC LOẠI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG (kN.m, kN)

TT HTMAI HTMAIT HTMAIP GXT GXP GY DMAXT TMAXT

(-)

TMAX

T DMAXP

TMAX P (-) TMAXP

BẢNG TỔNG HỢP NỘI LỰC

Mặt Cắt NộiLực

CÁC LOẠI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG (kN.m, kN)

TT HTMAI HTMAIT HTMAIP GXT GXP GY DMAXT TMAXT

(-)

TMAX

T DMAXP

TMAX P (-)

TMAX P

BẢNG TỔ HỢP NỘI LỰC

N (kN) -80,821 - -80,821 -84,829 - -88,320

7 THIẾT KẾ CỘT

7.1 Xác định chiều dài tính toán

Theo TCVN 5575 – 2012, với khung một nhịp có lien kết giữa cột với xà ngang

là ngàm, liên kết cột với móng là ngàm hệ số xác định như sau:

Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột xác định theo công thức:

Chiều dài tính toán của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung lấy bằngkhoảng cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị theo phương dọc nhà(giằng cột, dầm cầu trục… ) Giả thiết bố trí giằng cột dọc nhà bằng thép hình chữ [ tạicao trình +4.000m, khoảng giữa phần cột tính từ mặt móng đến dầm hãm, nên

7.2 Kiểm tra tiết diện

Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực tại tiết diện dưới vai cột để kiểm tratiết diện cột như sau:

Xác định các đặc trưng hình học cho tiết diện cột:

a Kiểm tra bền cho cột

Xác định độ lệch tâm tương đối

không cần kiểm tra bền

b Kiểm tra ổn định tổng thể cho cột

Ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng uốn (trục x) được kiểm tra:

- Xác định momen tại 1/3 chiều cao cột dưới, kể từ phía có momen lớn hơn

- Xác định momen quy ước M’

c Kiểm tra ổn định cục bộ cho cột

Ổn định cục bộ của bản cánh cột được kiểm tra theo công thức:

- Tiết diện cột có dạng chữ I và nên độ mảnh giới hạn của bản cánh cột được xác định theo công thức sau:

- Độ mảnh của bản cánh cột:

- Kiểm tra ổn định:

THỎA

Ổn định cục bộ bản bụng cột được kiểm tra theo công thức:

- Độ mảnh giới hạn của bản bụng được xác định theo công thức sau:

Ta có:

- Độ mảnh của cột:

- Kiểm tra ổn định :

THỎAĐiều kiện đặt sườn ngang:

Không đặt sườn ngang

d Kiểm tra với các cặp nội lực khác

8 THIẾT KẾ XÀ NGANG

8.1 Đoạn xà thay đổi tiết diện

Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực tại tiết diện đầu xà để kiểm tra tiếtdiện cột như sau:

a Kiểm tra bền cho xà thay đổi

Xác định độ lệch tâm tương đối m x:

bản bụng không bị mất ổn định cục bộ dưới tác dụng của ứng suất pháp nén(nên không phải đặt sườn dọc)

bản bụng không bị mất ổn định dưới tác dụng của ứng suất tiếp (nên khôngphải đặt sườn cứng ngang)

bản bụng không bị mất ổn định dưới tác dụng của ứng suất pháp ứng suấttiếp (nên không phải kiểm tra ô bụng).

8.2 Đoạn xà không thay đổi tiết diện

Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực tại tiết diện đầu xà để kiểm tra tiếtdiện cột như sau:

Xác định các đặc trưng hình học tại tiết diện đầu xà không đổi:

a Kiểm tra bền cho xà không thay đổi

Xác định độ lệch tâm tương đối m x:

Không cần kiểm tra bền

Tại tiết diện đầu xà có momen và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứngsuất tương đương giữa bản cánh và bản bụng:

THỎA

b Kiểm tra ổn định cục bộ cho xà thay đổi

Do tiết diện đoạn xà không thay đổi tiết diện đã chọn có kích thước nhỏ hơnđoạn xà thay đổi tiết diện nên không cần kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh và bảnbụng của xà