Nghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép nhẹ nhà công nghiệp

LVTS14 Nghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép nhẹ nhà công nghiệpĐăng ngày 02072011 07:16:00 AM 432 Lượt xem 1102 lượt tảiGiá : 0 VNDNghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép nhẹ nhà công nghiệpHãng sản xuất : UnknownĐánh giá : 0 điểm 1 2 3 4 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-PHẠM NGỌC HIẾU

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC KHÔNG GIAN

CỦA KHUNG THÉP NHẸ TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨCHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

VÀ CÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI - 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-PHẠM NGỌC HIẾUKHÓA: 2008-2011 LỚP: CH2008X1

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC KHÔNG GIAN

CỦA KHUNG THÉP NHẸ TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨCHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

MÃ SỐ: 60.58.20

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHẠM MINH HÀ

HÀ NỘI - 2011

Lời cảm ơn

Trước hết tôi xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới tất cả các thày cô giáo trong Khoa Sau đại học – Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội vì những giúp đỡ và chỉ dẫn hữu ích trong quá trình học tập cũng như khi tiến hành làm luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trong Tiểu ban đánh giá đề cương chi tiết và kiểm tra tiến độ - Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho bản thảo của luận văn Đặc biệt, tôi xin cảm ơn TS Phạm Minh Hà đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu và

động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Tác giả

Phạm Ngọc Hiếu

Lêi cam ®oan danh dù

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªutrong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch­a tõng ®­îc ai c«ng bè trong bÊt cø c«ngtr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶

Ph¹m Ngäc HiÕu

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, do yêu cầu của thực tế nên hiện có rấtnhiều công trình công nghiệp đã và đang được xây dựng trên khắp mọi miền đấtnước Một đặc điểm dễ nhận thấy là kết cấu chịu lực chính của hầu hết các công trìnhnày là khung thép nhẹ tiền chế có tiết diện đặc dạng chữ I tổ hợp hàn với kết cấu baoche rất gọn nhẹ Ưu điểm nổi bật của loại khung này là giảm được đáng kể chi phíchế tạo và chi phí vật liệu thép, giảm được kích thước móng nhờ trọng lượng nhẹ, dễvận chuyển và thi công nhanh, có thể áp dụng được công nghệ hiện đại trong gia công

và hàn liên kết các cấu kiện và chi tiết

Trong thiết kế, để đơn giản hoá người ta thường sử dụng mô hình khungphẳng Điều này là khá phù hợp với những nhà dài, chịu tải trọng phân bố đều.Tuy nhiên, trong thực tế các khung không đứng riêng lẻ và giữa chúng có cácliên kết dọc với nhau thông qua hệ giằng, mái cứng, dầm cầu trục tạo thành hệkhông gian Vì vậy khi có tải trong tác dụng cục bộ lên một khung thì các khunglân cận sẽ cùng tham gia chịu lực, do đó nội lực và chuyển vị của khung sẽ giảm

đi Trong một số trường hợp, để xét đến sự làm việc không gian của khung, người

ta thường sử dụng các hệ số không gian trong quá trình tính toán Các hệ số này

được xác định bằng các phương pháp của cơ học công trình thông qua việc xét

ảnh hưởng riêng biệt của một số yếu tố đến sự làm việc không gian của khung,chẳng hạn như hệ giằng, tấm mái Vấn đề này đã được trình bày tóm tắt trongmột số tài liệu [4,8,10,11] Ngoài ra, đối tượng và kết quả khảo sát chủ yếu làkhung thép của nhà công nghiệp theo kiểu của Liên-xô cũ có cột bậc và sử dụngtấm lợp panen BTCT Đối với khung thép nhẹ hiện được áp dụng phổ biến trongthực tế, hầu như chưa có sự nghiên cứu, khảo sát sự làm việc không gian của loại

khung này Vì lý do kể trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp”với mục đích đánh giá

sự làm việc không gian của khung thép nhẹ và ảnh hưởng của nó đến nội lực vàchuyển vị của khung thông qua việc sử dụng phần mềm phân tích kết cấu hiện

đại

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu sự làm việc không gian, đánh giá ảnh hưởng của nó đến nộilực và chuyển vị của khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Khung thép nhẹ của nhà công nghiệp một tầng một nhịp (có hoặc không

có cầu trục)

- Nghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép trong nhà côngnghiệp một tầng có xét đến ảnh hưởng của hệ giằng và dầm cầu trục

Chương 1 Tổng quan về khung thép nhẹ của nhà công nghiệp

1.1 Giới thiệu chung

Nhà công nghiệp một tầng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xâydựng công nghiệp Kết cấu chịu lực có thể dùng vật liệu thép hoặc bêtông Khidùng cột bêtông, vì kèo thép thì kết cấu gọi là khung liên hợp Khi dùng tất cảcác cấu kiện bằng thép, thì khung được gọi là khung toàn thép (Hình 1.1) Việcchọn vật liệu phải dựa trên cơ sở hợp lý về kinh tế – kỹ thuật, trước hết căn cứvào kích thước nhà, tải trọng cầu trục, các yêu cầu về công nghệ sản xuất, kể cảnhững vấn đề liên quan đến cung cấp vật tư, và thời gian xây dựng công trình.Tải trọng cầu trục ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của khung nhà côngnghiệp Đây là tải động và lặp, dễ làm kết cấu bị phá hoại do hiện tượng mỏi Khithiết kế, cần quan tâm đến cường độ làm việc của cầu trục gọi là chế độ làm việccủa cầu trục

Từ các điều kiện kinh tế kỹ thuật, kết cấu thép áp dụng hợp lý và có hiệuquả cho nhà công nghiệp trong các điều kiện sau:

- Nhà có độ cao lớn, nhịp rộng, bước cột lớn, cầu trục nặng - do thép cótính năng cơ học cao

- Dùng khung thép cho nhà có cầu trục chế độ làm việc rất nặng, nhà chịutải trọng động liên tục là rất hợp lý vì kết cấu thép làm việc chịu tác động lặp củatải trọng động lực an toàn hơn các kết cấu khác

- Nhà trên nền đất lún không đều, vì kết cấu thép vẫn chịu lực tốt trong

điều kiện móng lún không đều

- Nhà xây dựng tại những vùng xa, điệu kiện vận chuyển khó khăn Kết cấuthép nhẹ dễ vận chuyển, lắp dựng nhanh, sớm đưa vào sử dụng

a) khung thÐp truyÒn thèng

b) Khung thÐp nhÑ

H×nh 1.1 Khung thÐp nhµ c«ng nghiÖp

a) Cầu trục dầm đơn b) Cầu trục dầm đôi

Hình1.2 Cầu trục trong nhà công nghiệp

Trong các hình ảnh trên, hình 1.1.a là khung nhà công nghiệp truyền thốngvới tiết diện cột bậc rỗng, mái là dàn thép, tấm lợp dạng panel bêtông cốt thép rấtnặng nề Loại khung này có kích thước rất cồng kềnh nên việc vận chuyển vàdựng lắp khó khăn, chi phí chế tạo cao, tốn kém vật liệu, do đó làm tăng đáng kểchi phí xây lắp, hiệu quả kinh tế thấp Hình 1.1.b giới thiệu về hình ảnh là công

nghiệp khung nhẹ được sử dụng rất rộng rãi trong các nhà công nghiệp ở ViệtNam với tiết diện cột, dầm chữ I Hiện nay, khoảng 70% các công trình côngnghiệp đều dùng loại nhà này Loại khung này có trọng lượng và kích thước rấtgọn nhẹ và đa dạng về hình thức Toàn bộ các cấu kiện, bộ phận đều được thiết

kế và sản xuất đồng bộ tại nhà máy và đem ra lắp dựng ngoài công trường Khivận chuyển đến công trường, chỉ cần thao tác lắp dựng để tạo nên một công trìnhhoàn chỉnh, do vậy dễ kiểm soát được chất lượng, tính chuyên nghiệp hoá cao,giảm thiểu được thời gian thi công công trình

Tuy nhiên vấn đề thiết kế khung thép nhẹ hiện nay chủ yếu theo tiêu chuẩnnước ngoài, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn tương đương, nên cần thiết đầu tư vàonghiên cứu để có thể mở rộng và phát triển loại khung này ở Việt Nam

1.2 Đặc điểm cấu tạo của nhà công nghiệp sử dụng khung thép nhẹ

Hình 1.3 dưới đây thể hiện cấu tạo điển hình một nhà công nghiệp sử dụngkhung thép nhẹ

Hình 1.3 Cấu tạo chung nhà công nghiệp khung thép nhẹ

1 Kèo hồi; 2 Xà gồ mái; 3 Khung thép; 4 Cửa trời; 5 Tấm lợp mái; 6 Tấm lấy sáng; 7 Máng nước; 8 Cửa chớp tôn; 9 Cửa đẩy; 10 Tấm lợp thưng tường; 11 Cửa sổ; 12 Cột khung; 13 Giằng cột, giằng mái; 14 Tường xây bao; 15 Xà gồ

tường; 16 Cửa cuốn, cửa đẩy; 17 Mái hắt; 18 Cột hồi.

Nhìn chung, cá bộ phận chính của nhà khung thép nhẹ bao gồm:

- Kết cấu khung ngang chịu lực

- Hệ giằng mái, giằng cột

- Dầm cầu trục

- Kết cấu mái

- Tường bao che

1.2.1 Kết cấu khung ngang chịu lực

Kết cấu khung là thành phần chính chịu lực của nhà Tiết diện dầm, cột códạng tổ hợp chữ I, có chiều cao không đổi hoặc vát Việc lựa chọn sơ đồ khungphù hợp có vai trò rất quan trọng vì có ảnh hưởng trực tiếp đến việc sử dụng vàgiá thành công trình Sơ đồ kết cấu khung hợp lý không chỉ liên quan đến tínhhiệu quả trong chi phí vật liệu mà còn làm cho cấu tạo khung đơn giản, thuậntiện cho việc định hình hoá, kết cấu làm việc hợp lý, việc thi công dựng lắpnhanh chóng Khi lựa chọn sơ đồ kết cấu cần chú ý tới một số yếu tố cơ bản sau:yêu cầu sử dụng và công năng của công trình, việc thoát nước mái, hướng củacông trình, bước cột

Từ yêu cầu của chủ đầu tư, căn cứ vào công năng, sự làm việc hợp lý của kếtcấu, sự phát triển trong tương lai, mà người thiết kế lựa chọn ra sơ đồ khung tối ưu.Các kiểu khung thép nhẹ trong thực tế thường rất đa dạng

1.2.2 Hệ giằng mái, giằng cột

Đối với nhà công nghiệp, hệ giằng đóng vai trò rất quan trọng

Hệ giằng mái trong nhà công nghiệp sử dụng khung thép nhẹ được bố trítheo phương ngang nhà tại hai gian đầu hồi (hoặc gần đầu hồi), đầu các khốinhiệt độ và ở một số gian giữa nhà tuỳ thuộc vào chiều dài nhà, sao cho khoảngcách giữa các giằng bố trí không quá 5 bước cột Bản bụng của hai xà ngang cạnhnhau được nối bởi các thanh giằng chéo chữ thập Các thanh giằng chéo này cóthể là thép góc, thép tròn hoặc cáp thép mạ kẽm đường kính không nhỏ hơn

góc) tại những vị trí quan trọng như đỉnh mái, đầu xà (cột), chân cửa mái

Trường hợp nhà có cầu trục, cần bố trí thêm các thanh giằng chéo chữ thậpdọc theo đầu cột để tăng độ cứng cho khung ngang theo phương dọc nhà và

truyền các tải trọng ngang như tải trọng gió, lực hãm cầu trục ra các khung lâncận.

Hệ giằng cột có tác dụng 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 nhưtải trọng gió lên tường hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục Hệ giằng cột gồm cácthanh giằng chéo được bố trí trong phạm vi cột trên và cột dưới tại những gian có

hệ giằng 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 khôngnhỏ hơn 20mm Nếu sức trục trên 15 tấn cần dùng thép hình, thường là thép góc

Độ mảnh của thanh giằng không được vượt quá 200

Trước đây hệ giằng chưa được chú ý đúng mức, chỉ được xem có tác dụngchủ yếu chịu gió, mà chưa xét tới tác dụng trong các mặt khác Qua nghiên cứu

và thực nghiệm đã chứng tỏ hệ giằng có tác dụng sau:

+ Làm cho sườn nhà có độ cứng tốt, độ cứng này đảm bảo được cho kết cấu

sử dụng được bình thường

+ Giảm chiều dài tự do để tăng ổn định tổng thể của các cấu kiện Bảo đảmcho kết cấu có cường độ và độ ổn định tốt cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu:dầm, cột,… Vì nó giảm chiều dài tính toán của cột theo phương trong và ngoàimặt phẳng uốn

+ Bảo đảm cho kết cấu làm việc không gian, tăng độ cứng ngang và hướngdọc của kết cấu, tiết kiệm vật liệu xây dựng Bảo đảm sự bất biến hình của kếtcấu

+ Chịu tác dụng của lực gió và lực hãm của xe cầu chạy, tác dụng theophương dọc nhà vuông góc với phương mặt phẳng khung, đồng thời làm cho nộilực từ điểm tác dụng truyền đến móng của nhà xưởng theo con đường ngắn nhất

+ Bảo đảm việc dựng lắp kết cấu được vững chắc, an toàn và tiện lợi.

+ Do thiết bị treo gây ra tải trọng trực tiếp tác dụng lên kết cấu mái, nhờ có

hệ giằng sẽ đem tải trọng gió đó phân phối lại cho các cấu kiện chịu lực chủ yếucủa nhà xưởng

a) Cấu tạo giằng cột

b) Liên kết giằng mái với xà Hình 1.4 Cấu tạo giằng cột, giằng mái

1.2.3 Dầm cầu trục

Dầm cầu trục trong nhà công nghiệp dùng khung thép nhẹ thường là dầm đơngiản Khi chất tải tìm nội lực bất lợi nhất phải xét đến tải trong do một hoặc haicầu trục làm việc đồng thời trong một nhịp Nếu cầu trục điều khiển bằng cáp hoặccabin cần xét tới ảnh hưởng của lực hãm Tiết diện dầm cầu trục thường có dạngchữ I tổ hợp Việc thiết kế dầm cầu trục cần tuân thủ các yêu cầu và quy địnhchung trong quy phạm

Hình 1.5 Dầm cầu trục trong nhà công nghiệp khung thép nhẹ

1.2.4 Kết cấu mái

Trong nhà công nghiệp dùng khung thép nhẹ, kết cấu mái thông thường làloại mái có xà gồ, dùng để đỡ các tấm lợp nhẹ Tấm lợp thường là tôn mạ hoặcsơn sẵn Màu sắc, hình dạng và kích cỡ của các tấm lợp rất đa dạng Có thể phânthành 2 nhóm chính là loại có sẵn lớp cách nhiệt và loại không có lớp cách nhiệt.Việc lựa chọn tấm lợp được quyết định bởi chủ đầu tư, các yêu cầu kiến trúc, yêucầu cách âm và chiếu sáng, điều kiện nhiệt độ và công năng sử dụng của côngtrình

a) Tấm lợp tôn

b) Tấm lợp có lớp cách nhiệt Hình 1.6 Cấu tạo một số loại tấm lợp thông dụng

Độ dốc của mái được lựa chọn phụ thuộc vào nhịp khung Khi lựa chọn độdốc cần đảm bảo yêu cầu thoát nước nhanh và độ ổn định của mái Tăng độ dốccủa mái mặc dù làm giảm được độ võng cho nhịp nhưng sẽ làm tăng diện tíchtấm lợp và tăng trị số của tải trọng gió tác dụng vào đầu cột

Xà gồ đỡ tấm lợp thường sử dụng thép hình U, I cán nóng hoặc thép thànhmỏng dập nguội C, Z Loại thép hình dập nguội hiện được sử dụng rộng rãi vì cótrọng lượng rất nhẹ, dễ cấu tạo mối nối liên tục tại các điểm nối của xà gồ Xà gồtrong thường có tiết diện chữ Z, xà gồ biên dùng tiết diện chữ C (để tăng ổn địnhcho vùng biên của mái và tạo góc)

Khoảng cách giữa các xà gồ phụ thuộc vào kích thước tấm lợp, thôngthường khoảng từ 1,5 đến 2m Để xà gồ được liên tục và đảm bảo khả năng chịulực của mối nối xà gồ, với tiết diện chữ Z đặt phủ chồng lên nhau, tiết diện chữ

C đặt quay lưng vào nhau (hình ) và bắt bu lông Chiều dài mối phủ chồng cần

đủ khả năng truyền lực và cấu tạo liên kết Bu lông liên kết có đường kính khôngnhỏ hơn 12 mm

Hình 1.7 Xà gồ mái

Khi nhịp xà gồ nhỏ hơn 6m và khoảng cách giữa 2 xà gồ nhỏ, chiều dàimối nối chồng là 130 mm (mỗi bên 65 mm) Khi nhịp xà gồ từ 6 đến 9m, chiềudài mối nối chồng chọn bằng 770 mm Khi nhịp xà gồ lớn trên 9m, khoảng cáchhai xà gồ lớn, đoạn nối chồng là 1500 mm

1.2.5 Tường bao che

Kết cấu tường bao che thường sử dụng hệ dầm tường, liên kết làm khung

để đỡ các tấm kim loại (thường là cùng loại với tấm lợp mái) Hệ dầm tường làcác thép hình dập nguội chữ Z, C, được liên kết liên kết liên tục vào hệ khungchịu lực thông qua các gối đỡ là các thép góc Khoảng cách giữa các dầm tườngthường chọn từ 2 đến 3,5m Hệ dầm tường thường chọn cùng loại với xà gồ đỡmái

Dầm tường bên thường chọn cùng loại với xà gồ đỡ mái Các điểm nốidầm dùng mối nối chồng liên tục và dài

Dầm hiên dùng loại tiết diện C uốn nguội, có chiều cao tiết diện 180 mm,chiều dày từ 2 đến 2,5mm, đặt ở góc để đỡ tấm mái Dầm hiên được tính toánnhư các dầm tường khác Tuy nhiên ngoài tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió còncần kể tới lực dọc trục do hệ giằng gây ra

Hình 1.8 Hệ dầm tường bao che

1.3 Nguyên tắc thiết kế khung thép nhẹ

Việc thiết kế khung thép nhẹ được thực hiện theo quy định thiết kế tương

tự như khung thép truyền thống, bao gồm:

- Xác định kích thước khung, sơ bộ tiết diện cột xà

- Thiết kế xà gồ

- Xác định tải trọng tác dụng: tĩnh tải, hoạt tải mái, tải cầu trục, tải gió

- Đưa vào mô hình tính, chạy bằng các phần mềm thông dụng như Sap,Etab, StapPro,…

- Tổ hợp nội lực: các nguyên tắc tổ hợp, chọn cặp nội lực nguy hiểm ở châncột, đỉnh cột, đỉnh xà

- Kiểm tra các điều kiện bền các cấu kiện, điều kiện độ biến dạng củakhung Thường đối với khung thép, điều kiện bền dễ đảm bảo, điều kiện độ võngkhó đảm bảo, đặc biệt là tính toán với khung phẳng Vấn đề độ cứng khung càng

được coi trọng, và là vấn đề quyết định trong thiết kế Khung thiết kế ra có tiếtdiện sai lệch không nhiều với khung giả thiết ban đầu, thoả mãn khung thiết kế

- Kiểm tra các điều kiện ổn định tổng thể, ổn định cục bộ

- Thiết kế các chi tiết: bản đế chân cột, vai cột, mối nối đỉnh cột, đỉnh xà.Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có quy định riêng về thiết kế khung thép nhẹ.Khung thép nhẹ được thiết kế theo khung phẳng, chưa có tài liệu kể đến sựlàm việc không gian của khung nhà

Các vấn đề về ổn định, về chiều dài tính toán của cột vát chưa có quy địnhtrong tiêu chuẩn

Chương 2 Nghiên cứu Sự làm việc không gian

đầu cột) đã được đề cập đến trong một số tài liệu [4,8,14] Với sự trợ giúp củacác phần mềm phân tích kết cấu đủ mạnh hiện nay chúng tôi đã thực hiện việckhảo sát nội lực và chuyển vị của khung thép nhẹ sử dụng mô hình không giancủa nhà có thể thực hiện tương đối dễ dàng

2.1 Tính toán khung phẳng [7]

Lấy một khung điển hình (khung giữa nhà) tính toán với các thông số sau:Nhịp khung (L), bước cột (B), cao trình đỉnh ray (H1), độ dốc mái (i%), sức nângcầu trục (Q) và chế độ làm việc của cầu trục

cầu trục, xác định theo yêu cầu sử dụng và công nghệ;

H - phần cột chôn dưới cốt mặt nền, lấy sơ bộ 1 m trở lại

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

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

bKz

và cột khoảng (1 3 )

Khi lựa chọn tiết diện cột xà cần chú ý các điểm sau:

- Với sức trục lớn nên chọn phương án cột bậc, trong đó cột dưới có thể đặchoặc rỗng Tiết diện dầm, cột nên chọn theo biểu đồ bao mô men của tải trọng đểtiết kiệm vật liệu

- Giảm tối thiểu các liên kết trong dầm và cột bằng cách tăng tối đa chiềudài các đoạn nối Các mối nối cần bố trí ở vùng có nội lực nhỏ Chiều dài các

đoạn nối (đoạn chuyên chở) nên lấy mô đun 3m (3, 6, 9, 12 m) Khi chọn kíchthước các đoạn nối, ngoài điều kiện chịu lực cần chú ý đến điều kiện chuyên chở

và cẩu lắp (chiều dài tối đa của đoạn nối là 12m, trọng lượng không quá 2 tấn);

- Nếu thay đổi tiết diện dầm hay cột thì chỉ nên thay đổi bề rộng bản bụngcòn tiết diện bản cánh không thay đổi;

- Mối nối tại hiện trường nên dùng liên kết mặt bích bằng các bu lông;

- Bề rộng của bản bụng dầm không nhỏ hơn 180mm và không quá 1500mm; bề dày không nhỏ hơn 3mm và không quá 12mm Tiết diện bản cánh dầmchọn bề rộng trong khoảng từ 130 đến 380mm; bề dày từ 5 đến 25mm [11,12];

- Bề rộng của bản cánh trên và dưới như nhau Chiều dày giữa các đoạn nốicủa bản cánh có thể khác nhau, nhưng không chênh lệch quá 6mm Mối nối cánhcần vuông góc với trục bản cánh Cánh trên dầm cần nối thẳng, cánh dưới có thểnối xiên gãy khúc với góc nghiêng chênh lệch không quá 280;

- Tại vùng nách khung, chiều cao tiết diện dầm tốt nhất là bằng chiều caotiết diện cột để dễ cấu tạo và tránh thay đổi đột ngột độ cứng Trường hợp theo

điều kiện chịu lực, chiều cao tiết diện dầm và cột khác nhau thì độ chênh lệchkhông chọn quá 200 mm

2.1.3 Mô hình tính toán

Cột và xà ngang trong khung thép nhẹ thường có dạng tiết diện chữ I tổhợp hàn Tiết diện cột khung có thể không đổi hoặc thay đổi tuyến tính (cột váthình nêm) Trong trường hợp chiều dài của xà ngang lớn, có thể chia thành các

đoạn chuyên chở Chiều dài của các đoạn chuyên chở được chọn căn cứ vào điềukiện vận chuyển, chế tạo (chiều dài của thép cán), kết hợp làm vị trí thay đổi tiếtdiện căn cứ vào sự phân bố mô men trong xà Thông thường, chiều dài đoạn

Liên kết giữa cột với xà ngang thường cấu tạo là ngàm (liên kết cứng) đểtăng độ cứng và giảm biến dạng của khung Liên kết cột khung với móng có thể

là ngàm hoặc khớp Liên kết khớp thường dùng để giảm kích thước móng hoặckhi nền đất yếu để không có mô men ở chân cột (Hình 2.2a) Liên kết ngàm được

dùng để tăng độ ổn định cho khung ngang trong trường hợp khung chịu tải trọngkhá lớn (nhà có cầu trục) hoặc khi chiều cao hay nhịp khung lớn (Hình 2.2b).

a) Cột liên kết khớp với móng b) Cột liên kết ngàm với móng

Hình 2.2 Sơ đồ tính khung ngang

2.1.4 Tải trọng tác dụng lên khung ngang

Tải trọng tác dụng lên khung ngang thông thường bao gồm tải trọngthường xuyên (tĩnh tải), hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái, tải trọng cầu trục và tảitrọng gió

- Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang bao gồm:

+ Trọng lượng của tấm lợp và xà gồ

+ Trọng lượng bản thân kết cấu và hệ giằng

+ Trọng lượng dầm cầu trục

- Hoạt tải mái

Theo TCVN 2737-1995 [3], trị số của hoạt tải sửa chữa hoặc thi công máiphụ thuộc vào loại mái Với mái lợp vật liệu nhẹ như tôn, fibrôximăng trị sốtiêu chuẩn của hoạt tải mái p =0,3tc kN/m2, hệ số vượt tải tương ứng γp 1,3

- Hoạt tải cầu trục

Hoạt tải cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lựchãm ngang của cầu trục Các tải trọng này thông qua các bánh xe cầu trục truyềnlên vai cột.

Trị số của áp lực đứng và lực hãm ngang tính toán của cầu xác định theocông thức:

T - lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục;

e - độ lệch tâm, là khoảng cách từ trục ray cầu trục đến trục cột ;

i

y - tung độ đường ảnh hưởng của phản lực vai cột

Hình 2.3 Sơ đồ chất tải để xác định D max

- Tải trọng gió

Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang phụ thuộc vào địa điểm xây dựng vàhình dáng công trình Trị số của tải trọng gió tác dụng lên cột và xà ngang có thểxác định theo công thức:

c - hệ số khí động, phụ thuộc vào hình dạng nhà (Hình 2.5);

B - bề rộng diện truyền tải trọng gió vào khung (bước khung)

Hình 2.4 Sơ đồ xác định hệ số khí động với tải trọng gió trái

Trị số của w0,k, c có thể xác định theo bảng tra Trường hợp nhà có chiều

cao trên 10m, tải trọng gió phân bố theo quy luật hình thang, do đó để thuận tiệntrong tính toán có thể quy đổi thành tải trọng phân bố đều trên suốt chiều cao của

cột bằng cách nhân trị số của q với hệ số quy đổi αH, lấy như sau: αH 1- nếu

H 10 m; αH 1,04- nếu H 10 15  m; αH 1,1- nếu H 15 20  m

2.1.5 Xác định nội lực

Nội lực trong khung ngang được xác định với từng loại tải trọng, bằng cácphần mềm tính toán kết cấu thông dụng như SAP, STAAD, KP Kết quả tính toánnội lực cần thể hiện dưới dạng bảng thống kê và các biểu đồ nội lực (M ,,N V ).Cần tìm nội lực tại các tiết diện đặc trưng đối với từng cấu kiện khung là cột và xàngang:

- Với cột khung: cần xác định nội lực tại các tiết diện đỉnh cột, chân cột và

vai cột (trường hợp không có vai cột đỡ dầm cầu trục thì xác định tại tiết diệngiữa cột)

- Với xà ngang: trường hợp xà có tiết diện không đổi thì xác định ở các tiết

diện 2 đầu và giữa nhịp Nếu xà có tiết diện thay đổi thì cần xác định nội lực ởcác tiết diện 2 đầu và chỗ thay đổi tiết diện

2.1.6 Tổ hợp nội lực

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

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

- Không được xét đồng thời nội lực do Dmax và Dmin ở cùng một phía cột

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

- Cần xét hai tổ hợp cơ bản:

+ Tổ hợp cơ bản 1: gồm nội lực do tĩnh tải và một hoạt tải gây ra(hệ số tổ hợp nội lực n =1c )

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

số của nội lực do các hoạt tải gây ra cần nhân với hệ số tổ hợp

c

n =0,9)

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

+ max tu

- Xác định chiều dài tính toán

Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột tiết diện không đổi xác

định theo công thức:

μx

Trong đó:

H- chiều dài thực tế của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột;

μ - hệ số chiều dài tính toán, tính toán theo TCXDVN 338-2005

Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột vát xác định theo côngthức:

x 1

Trong đó:

μ - hệ số chiều dài tính toán bổ sung (xem [7])

Chiều dài tính toán của cột vát theo phương ngoài mặt phẳng khung xác địnhtương tự như với cột tiết diện không đổi

- Chọn tiết diện

Tiết diện cột được chọn sơ bộ theo các điều kiện ứng suất pháp Iasinxki

và điều kiện cấu tạo như ổn định cục bộ, theo các công thức:

- Kiểm tra tiết diện

Tiết diện chọn được kiểm tra theo các điều kiện về bền, ổn định tổng thể,

ổn định cục bộ và kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh cột:

- Chän tiÕt diÖn

Xµ ngang chän theo c¸c ®iÒu kiÖn chèng tÝnh to¸n vµ cÊu t¹o sau:

yc x

Wh=k

- Kiểm tra tiết diện

Xà kiểm tra theo các điều kiện bền, ứng suất tương đương và ổn định:

ổn định tổng thể của xà không cần kiểm tra Điều kiện ổn định cục bộ của bảncánh và bản bụng xà ngang được kiểm tra tương tự với dầm thép thông thường:

0 f

w w w

2.2 Tính toán khung có xét đến sự làm việc không gian

Về sự làm việc không gian của khung thép truyền thống, trong một số tàiliệu [4,8,14] đã đề cập đến bằng cách:

- Thay thế ảnh hưởng không gian của hệ giằng bằng gối đàn hồi đầu cột

- Đưa các hệ số không gian vào trong quá trình tính toán

2.2.1 Thay thế ảnh hưởng không gian của hệ giằng bằng gối đàn hồi đầu cột

Để xác định được hệ số đàn hồi ta làm qua các bước sau:

- Xác định hệ số đàn hồi không gian k của các khung ngang:

Coi xà ngang là cứng vô cùng Gọi ki là hệ số đàn hồi của gối tựa thứ i Về

ý nghĩa, ki là chuyển vị của khung thứ i khi khung chịu một lực ngang P=1 tại vịtrí liên kết giữa khung và giằng

Dùng phương pháp lực, phương pháp chuyển vị kết hợp tính chất đối xứngcủa hệ, ta dễ dàng xác định được chuyển vị ngang đỉnh cột do P=1 đặt tại đỉnhcột Hệ số đàn hồi k, phụ thuộc vào các đặc trưng hình học và cấu tạo của khung

c) d) Hình 2.5 Đặc trưng hình học và cấu tạo khung

Công thức cụ thể được thiết lập cho các trường hợp sau:

+ Khung ngang một nhịp, cột có tiết diện không đổi, liên kết giữa cột và xàngang là khớp (hình 2.17a)

3Hk=

1 2 1 2 2

z44i

2i

e) (M z4 1 )

Hình 2.6 Hệ số khi xét đến sự làm việc của khối 5 khung

- Xác định hệ số đàn hồi kkg của hệ khung giằng làm việc đồng thời: Coi

xà ngang là cứng vô cùng và hệ giằng coi như một dầm liên tục đặt trên các gốitựa đàn hồi, ở đây gối tựa đàn hồi thay thế tác dụng cho các khung ngang Về ýnghĩa, kkgi là chuyển vị của gối tựa thứ i khi gối chịu một lực nén bằng đơn vị.Theo quy pham, việc xác định sự làm việc khung không gian chỉ cần xét sự làmviệc của 4 khung lân cận (2 khung mỗi phía)

Từ tính chất đối xứng của hệ sử dụng phương pháp chuyển vị, ta xác định

2.2.2 Đưa các hệ số không gian vào trong quá trình tính toán

Khung không gian của nhà công nghiệp trong tính toán thường được phântích các khung phẳng và kết cấu dọc khi tính toán chịu tải trọng đứng đặt vào xàngang và tải trọng gió tác dụng đều lên các khung ngang Đây là giải pháp phùhợp Tải trọng cầu trục chỉ tác dụng lên một vài khung ngang (thường là 3khung) Các khung còn lại được liên kết với các khung chịu tải bằng kết cấu dọc(mái, giằng dọc trên dàn mái, kết cấu hãm…) sẽ tạothành hệ không gian chịu lực

và làm giảm chuyển vị ngang của cột khung và phân bố lại cũng như giá trị củamômen ở khung chịu tải nhiều nhất

Việc tính toán chính xác khung thép nhà công nghiệp một tầng chịu tảitrọng cầu trục có thể thực hiện bằng máy tính Sơ đồ tính dùng hệ thanh khônggian, tạo thành từ 5-7 khung phẳng, liên kết với nhau ở mức xà ngang và kết cấu

đỡ cầu trục bằng các phân tố dọc có độ cứng hữu hạn (Hình 2.8a)

Nếu tính toán khung phẳng thì ảnh hưởng của các khung ngang khác liênkết với khung khảo sát bằng các phân tố dọc có thể kể đến trong sơ đồ tính bằngcác gối tựa biến dạng đàn hồi (Hình 2.8b)

Với các dầm cầu trục có sơ đồ đơn giản, độ lớn của sức kháng tại vị trí liênkết chúng vào cột là không đáng kể và thực tế hầu như không ảnh hưởng đến độlớn và sự phân bố nội lực trong cột khung Trong sơ đồ tính gối tựa biến dạng đànhồi ở mức kết cấu cầu trục có thể bỏ qua Trong trường hợp này, việc kể đến sựlàm việc không gian có thể kể đến bằng cách xác định phản lực R ở mức xàngang hoặc chuyển vị tương ứng của khung trong hệ không gian  , điều này làkgtiện lợi khi tính khung bằng phương pháp chuyển vị

Chuyển vị của khung chịu tải trọng cầu trục trong hệ không gian kg nhỏ

số kg/ gọi là hệ số làm việc không gian αkg

Chuyển vị tỷ lệ với lực gây chuyển vị, nênαkg có thể biểu diễn dưới dạng:

d – hệ số quy đổi cột bậc sang cột tiết diện không đổi có chuyển vị tương

đương;

H – chiều cao của cột;

Khi liên kết cột - xà ngang là khớp:

Trong đó:

'

b

phụ thuộc vào ε = H /Hb ; n= I /IB H

Để xác định độ cứng tổng cộng của giằng và tấm mái, có thể xác định độcứng uốn tương đương của mái

hệ không gian, còn trong thực tế tải trọng đứng và lực hãm ngang của cầu trục ở

vị trí bất lợi nhất với khung khảo sát sẽ tác dụng đồng thời lên khung này và cáckhung lân cận Thông thường cần xét ảnh hưởng của tải trọng đến 2 khung lâncận

Giá trị F và' F (nội lực tác dụng lên 2 khung lân cận) xác định được quan"

hệ tải trọng tác dụng lên khung giữa và 2 khung lân cận với nó (hình 2.20.f)

' " ' "

khảo sát của việc chất tải một phần tải cầu trục các khung lân cận

Khi đó, áp lực bánh xe cầu trục là như nhau, ta có:

Chuyển vị của khung có kể đến sự làm việc không gian: