BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP 2 HAY VÀ CHI TIẾT

- Chịu tải trọng gió giằng gió, tải do lực hãm cầu trục giằng dọc và 2 dàn lân cận tạo khối cứng bất biến hình, làm điểm tựa cho các dàn khác.. ỉ Giằng cột: - Đảm bảo độ cứng theo ph ươ

.1 Chương 1: Kết cấu thép nhà CN

Đ1 Đại cương về Nhà CN bằng thép

ỉ Đặc điểm chung

- Kết cấu đa dạng Vượt nhịp L lớn (Nếu sử dụng khung thép)

- Thường có cầu trục, tải trọng lớn (Khác với các loại nhà khác)

- Phân loại nhà theo chế độ làm việc của cầu trục:

- Chế độ làm việc nhẹ: thời gian làm việc ≤15%

- Chế độ trung bình: thời gian làm việc ≤20ữ25%

- Chế dộ làm việc nặng: thời gian làm việc ≤40ữ60%

- Chế độ làm việc rất nặng: thời gian làm việc >60%

ỉ Yêu cầu cơ bản khi thiết kế Nhà CN 1 tầng

- Yêu cầu sử dụng:

- Bố trí lưới cột, hệ giằng: Thuận tiện khi lắp đặt máy móc thiết bị

- Kết cấu bảo đảm độ bền, cứng theo 2 phương dọc và ngang của công

trình

- Đảm bảo thông gió, chiếu sáng

- Yêu cầu kinh tế: Rẻ

(Điển hình hoá cấu kiện đến mức tối đa, chi phí sản xuất, bảo dưỡng, sửa

chữa,…)

Tuỳ theo yêu cầu từng công trình cụ thể để chọn giải pháp thiết kế:

- Khung liên hợp

- Khung toàn thép

(Chọn L, B theo 2 yêu cầu cơ bản của thiết kế Nhà CN)

- Khoảng cách khe nhiệt độ: Max 200m

(Bước cột ngoài cùng lùi vào 500 để bố trí sườin tường và tấm panen bịt đầu hồi)

ỉ Tính khung ngang vì độ cứng theo phương dọc nhà lớn)

- Kích thước khung ngang 1 nhịp : Theo 2 phương (đứng, ngang)

- Theo phương đứng

ỉ H t : chiều cao đoạn cột trên

H t = H 2 + H dct + H r

H 2 = H c + 100 + f

ỉ Hc : Khoảng cách từ mặt ray đến điểm cao nhất của dầm cầu trục (Catalo)

ỉ H d : chiều cao đoạn cột dưới

H d = H - H t + H 3

ỉ H r : chiều cao tổng của đệm và ray (thường lấy bằng 200 (theo số liệu ray))

ỉ f = 200 ữ 400: Độ võng dàn, bố trí giằng dưới

ỉ H 3 : chiều sâu chôn cột dưới nền; H 3 = 600 ữ 1000

ỉ H: chiều cao toàn cột

- Theo phương ngang

ỉ a= 0 khi Q < 30T ( hoặc không có cầu trục )

ỉ a= 250 khi 30T ≤ Q ≤ 75T

ỉ a= 500 khi Q > 75T

ỉ h t = (1/10 ữ1/12)Ht (Từ yêu cầu độ cứng của cột)

ỉ Kiểm tra khe hở an toàn để cầu trục không chạm vào cột

ỉ Kích thước khung ngang nhiều nhịp :

- Giảm chiều dài tính toán, tăng ổn định tổng thể cho cấu kiện

- Chịu tải trọng gió (giằng gió), tải do lực hãm cầu trục (giằng dọc)

và 2 dàn lân cận tạo khối cứng bất biến hình, làm điểm tựa cho các dàn khác

- Giằng cửa mái: Tương tự nhưng không có giằng cánh dưới

ỉ Giằng cột:

- Đảm bảo độ cứng theo ph ương dọc nhà, ổn định cho cột (Phương dọc

của khung nhà CN có độ cứng rất bé, coi cột lk khớp với móng, cấu tạo giằng cột tạo thành miếng cứng bất biến hình để các cột khác tựa vào)

- Giằng cột trên: được bố trí thêm ở đầu hồi, đầu khe nhiệt độ để nhận lực gió đầu hồi và lực hãm của cầu trục → giằng cột dưới → móng

- Khoảng cách từ đầu hồi → giằng gần nhất: 75m

- Khoảng cách 2 giằng trong khối nhiệt độ: <50 ữ 60m

- Góc nghiêng của giằng so với phương ngang hợp lý 35 ữ 55 o → Khi cột cao thì làm 2 đoạn giằng cho 1 cột hoặc dùng thanh chống phụ

ỉ Tính toán hệ giằng:

- Hệ giằng mái:

- Hệ giằng cánh dưới:

+ Phương ngang nhà: Chịu lực gió W (Chỉ tính thanh chịu kéo, bỏ

qua thanh chịu nén, lúc đó coi thanh nén không làm việc)

(i) + Phương dọc nhà: Chịu ảnh hưởng của lực hãm ngang T (Sơ đồ tính:

Dầm liên tục trên các gối đàn hồi, phụ thuộc chuyển vị đầu khung)

Thường thì tiết diện giằng b → Chọn theo độ mảnh của thanh ( [λ]

=400 với thanh ch̃u k o; [λ] =200 với thanh ch̃u n n; )

- Hệ giằng cánh trên: Theo cấu tạo hệ giằng cánh d ưới (giằng này phải

tính trong trường hợp không có hệ giằng cánh dưới)

- Hệ giằng đứng: Theo cấu tạo hệ giằng cánh dưới

Đ3 Tính toán khung ngang 1 nhịp

Đ Sơ đồ tính khung ngang

Đ Chọn sơ đồ tính gần sát với sơ đồ thực tế → Kết quả chính xác nhất

Đ Giả thiết độ cứng của khung: J 1 /J 2 = 7 ữ 10 ; Jd /J 2 = 25 ữ 40; Liên kết giữa các kết cấu (Khung - móng, dàn - cột)

Đ Trục tính toán ≅ trục trọng tâm tiết diện

Đ Nếu xà ngang là dàn: Trục tính toán ≅ trục cánh dưới

Nếu xà ngang là dầm: Trục tính toán ≅ trục trung bình

(Sau khi tính nội lực → chọn tiết diện các cấu kiện → tính lại J Nếu sai khác >

30% so với giả thiết thì phải giả thiết lại và tính lại)

Đ áp lực đứng: D max , D min xác định theo đường ảnh hưởng

Khi xe con mang vật nặng ở sát bên cột → áp lực lớn nhất của 1 bánh xe cầu trục lên ray là P max (được tra theo Catalo)

Như vậy ta có: P max (Catalo)

max o

n

G Q

D max = n.n c P max Σyi → Mmax =D max e

D min = n.n c P min Σyi → Mmax =D min e

(Khi thiết kế giả thiết e=(0.45 ữ0.55)h d)

Với: n c : Hệ số tổ hợp TCVN

n: Hệ số vượt tải

Σy i: Tổng tung độ đường ảnh hưởng phản lực gối tựa ở vị trí bánh xe cầu trục

Đ áp lực ngang T (do xe con hãm: đặt ở cao trình dầm hãm)

T max = n.n c T 1 Σy i

o

on

T

T1 = ;

xc

' xc xcn

n)

GQ.(

) f: Hệ số ma sát

- Tải trọng do sửa chữa mái: Tính theo m 2 mặt bằng nhà (do TCVN quy định)

- Tải trọng gió:

ỉ Tải trọng gió tác dụng lên khung tính theo từng đoạn:

Khi chiều cao cột H<10m → q = TCVN Khi chiều cao cột H>10m → q = 22

H

M

(M là mômen tại chân cột conxon)

→ Tải trọng này được quy thành phân bố đều trên cột: q = n.c.k.qo B

n=1.3: Hệ số vượt tải c: Hệ số khí động k: Hệ số độ cao

q o : Gió tiêu chuẩn (TCVN)

ỉ Tải trọng gió tác dụng từ đáy xà trở lên → Lực tập trung W

q 1 : Tải trọng gió tại cao trình đáy xà ngang q2: Tải trọng gió tại cao trình đỉnh nhà

- Các tải trọng khác: Do cháy, nổ, động đất … (Tính theo quy phạm)

Đ Tính nội lực khung:

Yêu cầu tính nội lực hkung 1 tầng, 1 nhịp (Cơ học kết cấu:Giải nội lực thủ công, máy, …)

Đ4 Kết cấu mái

(Chọn KC mái phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ, thông gi , chi u sáng, t nh kinh t )

Gồm:

Đ Kết cấu mang lực mái: Dàn, vì kèo, …

Đ Kết cấu bao che: Tấm lợp, panen,

Đ Hệ giằng

Đ Mái có xà gồ

Đ Xà gồ liên kết vì kèo này với vì khèo khác để đỡ các tấm mái có kích thước nhỏ

Đ Bước xà gồ phụ thuộc vào kích thước các tấm mái, liên kết tại nút dàn đỡ

Đ Nhịp xà gồ là khoảng cách các xà gồ

Đ Hình dạng tiết diện: Thường là thép [ Khi nhịp lớn hơn 12m → dùng dạng dàn

ỉ Xà gồ tiết diện đặc:

Tải trọng tác dụng vào xà gồ g

α

b q n

q c - tải trọng tiêu chuẩn trên 1m 2 mặt nghiêng mái

g - trọng lượng bản thân xà gồ n - hệ số vượt tải

Xà gồ chịu uốn xiên → Tải trọng phân bố đều trên xà gồ:

Phương x: q x = q.sinα → Tính được M x Phương y: q y = q.cos α → Tính được M y

W

M W

M

y

y x

x y

=

Khi tấm mái liên kết chặt với xà gồ:

- Không phải kiểm tra ổn định tổng thể của xà gồ vì khoảng cách liên kết giữa xà gồ và tấm mái là nhỏ

- Xà gồ coi như không bị uốn trong mặt phẳng mái (phương x) Chỉ uốn theo phương y với lực q y Kiểm tra

2001

l q l

f

x c y

Đ Đặc điểm tính toán dàn mái (xà)

- Sơ đồ dàn (Xem Thép 1)

- Hình dạng dàn phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng, yêu cầu công nghệ

- Các dạng dàn: Tam giác, hình thang, …

- Độ dốc cánh trên phụ thuộc yêu cầu thoát nước mái, loại tấm lợp

14

- Gió (nếu là dàn mái nhẹ)

- Cầu trục treo (nếu có)

→ Ph©n t¶i thµnh lùc tËp trung t¹i nót dµn

- Néi lùc dµn: Cã thÓ gi¶i b»ng nhiÒu c¸ch

- ChiÒu dµi tÝnh to¸n vµ chän tiÕt diÖn thanh dµn: (Xem ThÐp 1)

- CÊu t¹o vµ tÝnh to¸n nót (m¾t) dµn

Ø Nót liªn kÕt víi cét:

- D¹ng khíp: Xem ThÐp 1

- D¹ng ngµm:

h h

A hV

l h

V

ì

ì

=2

e H l

)

61(,)

(2

1

A h

g h

h

e H

R l

β γ

Trong đó: l h : Chiều dàI đường hàn liên kết bản 1 và 2

e: Khoảng các từ lực H đến diểm giữa đường hàn

A b R

2

→

a R

b H

s

s ≤0.4

δ

Đ Tính bu lông liên kết bản gối nút dưới với cột (Khi lực H gây kéo)

- B? trí tru?c kho?ng cách bu lông, loại bu lông

→ Kiểm tra: + Lực kéo lớn nhất ở 1 bu lông dưới cùng

4

2 b k k

hay kiểm tra đường kính bu lông (phần qua ren)

b k

b o

R

Nd

azHbN

z: khoảng cách từ H tới hàng bu lông trên cùng (tâm quay) Chú ý: Nếu H= 0 (tức là không có M + ) thì đặt bu lông theo cấu tạo

Vl

g h

A

)(2

5.1min

+β

≥

Tính toán nút trên:

Đ Bề dày bản gối xác định từ điều kiện chịu uốn do H

Đ Đường hàn liên kết bản mã và sườn gối được kiểm tra theo: (Tương tự nút dưới

R hpn =V a )

min 2

τ

τh = hV + hpn ≤γβ g ; Với

h h

pn hpn

lh

R

ì

ì

=τ

e H l

)

61()

(2

1

pn h

g h

h

eH

Rl

βγ

≥

Trong đó: l h : Chiều dàI đường hàn liên kết bản 1 và 2

e: Khoảng các từ lực H đến diểm giữa đường hàn

H max : max( H ;+ H− )

R hpn : Phản lực dàn phân nhỏ

Đ Nếu lực H gây kéo → Tính bu lông tương tự nút dưới Ngược lại H gây nén thì chọn bu lông theo cấu tạo

Đ5 Cột thép nhà CN

1 Các loại cột nhà công nghiệp

2 Cột không thay đổi tiết diện: Q < 20T và H < 10m

3 Cột thay đổi tiết diện (cột bậc): Q lớn

4 Chiều dài tính toán cột có tiết diện không đổi (Không giảng: Y/c SV tham khảo tàI liệu)

JKcột

xà ì

=

Bảng 1.1 Giá tr̃ hệ số à đối với cột ti t diện không đổi ở đầu trên liên k t cứng

Liên kế t đầu dưới của

ly2 = Ht - Hdcc

ly1 = Hd

2 Cơ sở để xác định chiều dài tính toán cột bậc

(trong mặt phẳng khung)

Khung 1 nhịp l.kết khớp khi mất ổn định cột được xem là công sôn

Khung 1 nhịp liên kết cứng khi mất ổn định cột được xem là 1 đầu ngàm, 1 đầu ngàm trượt

Khung nhiều nhịp liên kết khớp khi mất ổn định cột được xem là 1 đầu ngàm, 1 đầu khớp

Khung nhiều nhịp liên kết cứng khi mất ổn định cột được xem là 2 đầu ngàm

d 2JH

1 d

t

N

NJ

JHH

×γ

≤

×ϕ

Ngoµi mÆt ph¼ng (y-y):

R A

=

α

β

1xm,,β

b b δ

h h δ

,036,

,035,

,038,

Chó thÝch: khi λ < 0,8 lÊy λ = 0,8 vµ khi λ > 4 lÊy λ = 4

§é m¶nh giíi h¹n cña b¶n bông 

h δ

B¶ng 1.3 §é m¶nh giíi h¹n cña b¶n bông cét chÞu nÐn lÖch t©m

Nrçng

lt

×γ

≤

×ϕ

=

E

Rtd

td =λ ×

4 Vai cột (Nối cột trên và dưới)

- Vai cột tiết diện không đổi

- Dầm vai chịu M = D.e và Q = D( cột đặc )

- Liên kết chịu N 1 = D.(h+e)/h và N 2 = D.e/h( cột rỗng )

- Vai cột của cột bậc

5 Vị trí nối: + Tại mặt trên vai cột

+ Cách mặt trên vai cột 300 ữ500mm (dễ nối)

6 Tính toán mối nối:

2

Nh

MStr+

=

+ Cánh ngoài: Chịu lực S ngoài + Cánh trong: Chịu lực S trong (M, N chọn từ bảng tổ hợp nội lực sao cho có S max ở nhánh đang tính)

7 Tính dầm vai

- Chiều dày bản bụng được xác định theo:

em bd s

dct max dv

R)b

(

GD

ìδ

ì+

MS

t

tr = − +

- Chứa đủ 4 đường hàn (hoặc 2 đường hàn nếu không kéo bản bụng dầm vai qua) liên kết chịu D max +G ct +V b

- Chứa được 2 đường hàn chịu V a

- Chịu uốn với M dv và Q dv = V a → σ= ≤Rγ

8 Chân cột

- Chân cột đặc

ứng suất max dưới đáy bản đế: mcb Rn

LB

ML

A

A

m = ; A m : diện tích mặt móng; Chọn trước B rồi tìm L

Mômen ở bản đế: M=αìσ1ìa

a - nhịp tính toán của ô bản; α - hệ số tra bảng

σ1 - ứng suất lớn nhất tại mép ô bản

Chiều dày bản đế:

R

Mb

ìγ

- Chân cột rỗng

Tính riêng cho từng nhánh với sơ đồ cột chịu nén đúng tâm (lực là N nhánh ) ứng suất dưới đáy bản đế ( phân bố đều )

n cb nh nh

LB

Chiều dày bản đế; dầm đế; sườn ngăn tính toán như chân cột đặc

N bl = − ì

a: khoảng cách từ trọng tâm vùng nén tới trọng tâm cột

y: khoảng cách từ trọng tâm vùng nén đến trục bu lông neo

Ch©n cét rçng

0

y

y N M

bl neo

bl

Rn

N

:

neo bl

2 Hệ sườn tường

- Mục đích: Đỡ các tấm tường

- Gồm: Cột, Xà (dầm), các thanh giằng

- Hệ sườn tường chia làm 2 loại: + Hệ sườn tường dọc nhà

+ Hệ sườn tường ngang nhà (đầu hồi)

Độ mảnh giới hạn cột tường [ ] λ =150

Diện tích 1 ô tường không lớn hơn 12 m 2

3 Tính toán hệ sườn tường

Dầm tường

- TảI trọng:

- Tải trọng gió tác dụng vào dầm tường

Với tường panen:

α

2

a b P

Với tường gạch:

α

2

a b P

Bảng 1.5 Giá trị hệ số α

- Tải trọng tường xây gạch

b < 0,75a xem toàn bộ ô tường truyền vào dầm ≥ 0,75a lấy trọng lượng ở ô có chiều cao bằng 0,6a

- Tính toán: Kiểm tra dầm chịu uốn xiên

W

M W

M gió y

ì

≤+

σ

- Khi tường là panen:

RW

MW

M

nh c y

y

x

gió

ìγ

≤+

=

W y cánh : mô men kháng uốn của tiết diện cánh dầm

- Khi tường là tôn: bỏ qua trọng lượng tường

R W

- Khi chiều cao cột lớn → Dùng dầm phụ làm gối trung gian

- Liên kết dầm tường vào cột tường: dùng liên kết bu lông

- Sơ đồ tính cột sườn tường: 2 đầu khớp

- Trạng thái ứng suất: nén lệch tâm

Thanh giằng:

Khi L lín, H lín → Dïng gi»ng

2 C ác dạng tiết diện dầm cầu trục

Thép định hình có gia cường cánh trên

Tiết diện tổ hợp không đối xứng

Hai dạng này dùng khi sức trục Q nhỏ 5 ữ10T

4 Tải trọng tác dụng lên dầm cầu trục

n n k

n = 1,1

n c = 0,85 với cầu trục chế độ làm việc nhẹ và trung bình

n c = 0,95 với cầu trục chế độ làm việc rất nặng

k 1 , k 2 tra bảng sau

Bảng 1.4 Giá trị của hệ số động k 1 , k 2

GiảI nội lực: + Đường ảnh hưởng

M y = maxì ;

P

T Q

Q y = maxì

2 Tính toán tiết diện:

- Về độ bền:

Dầm chịu uốn xiên do M x , M y và chịu xoắn do đặt lệch tâm → Cách tính chính xác theo

Lý thuyết thanh thành mỏng Cách tính gần đúng là coi thành phần gây xoắn bé có thể

bỏ qua Khi đó:

W

M W

M

A ydh

y A x

- Là công trình đòi hỏi thiết kế, thi công phức tạp, cần có tri thức, kinh nghiệm, kinh tế

- Định nghĩa Nhà cao tầng phụ thuộc từng quốc gia, từng giai đoạn gắn với điều kiện kinh tế, chính trị, xã hội

- Theo Uỷ ban Quốc tế về NCT (1971): “ Nhà Cao tầng là công trình mà ở 1 vùng tại 1 thời kỳ nào đó nó quyết định các điều kiện thiết kế, thi công, sử dụng khác với các công trình thông thường khác”

- Phân loại NCT: Mang tính chất tương đối, một công trình cụ thể có thể có nhiều cách gọi tên khác nhau:

+ Theo ĐK sử dụng: - Nhà ở

- Bệnh viện

- Siêu thị + Theo chiều cao nhà

Phải kể đến tải trọng gió, nhiệt độ, đặt tải trọng lệch,

Công trình dễ dao động khi chịu tải → Giải pháp:

+ Phân bố tải trọng hợp lý theo chiều cao công trình

+ Sử dụng vật liệu nhẹ hoặc VL cường độ cao để giảm khối lượng dao động

Nhà cao tầng

2

Đòi hỏi biện pháp thi công phức tạp, kỹ thuật cao, máy móc hiện đại

Giao thông chủ yếu theo phương đứng → ảnh hưởng đến tâm lý người sử dụng

Nhà cao tầng

3

Đ2 Tổ hợp kết cấu nhà cao tầng

3 Sơ đồ khung chịu lực nhà cao tầng

4 áp dụng cho mặt bằng vuông và chữ nhật (đa giác ít SD)

5 Các khung ngang và dọc liên kết tạo thành hệ không gian

6 Các KC phải đủ cứng để truyền tải ngang và tải đứng

7 Nút liên kết cứng để đảm bảo độ cứng tổng thể

8 Chuyển vị ngang của khung gồm 2 thành phần:

- Chuyển vị do uốn khung (như một thanh công xôn) chiếm 20%

- Chuyển vị do biến dạng uốn các thanh thành phần chiếm 80% (biến dạng dầm lớn hơn biến dạng cột)

9 Hệ khung có độ cứng ngang bé → Khả năng chịu tải trọng ngang bé

10 Lưới cột khung 6m ữ 9m

Nhà cao tầng

4

11 Sơ đồ giằng

12 Là hệ hỗn hợp gồm kết cấu cứng theo phương đứng (lõi vách) và các cột 2 đầu khớp liên

kết với nhau bởi các tấm sàn của các tầng

13 Cột liên kết qua các tấm sàn ở dạng khớp → Nhận tải đượứng theo diện chịu tải

14 Tải trọng ngang (gió, động đất) do vách, lõi cứng chịu

15 Sàn phải đủ cứng trong mặt phẳng để chịu tải đứng và truyền tải trọng ngang vào khung

cứng

a Hệ vách chịu lực trong sơ đồ giằng

16 Một số bước (hoặc nhịp) của cột khớp bố trí thanh chống xiên tạo thành dàn giằng

17 Dàn giằng làm 2 nhiệm vụ:

- Chịu tải trọng đứng (theo diện chịu tải)

Nhµ cao tÇng

5

- ChÞu t¶i träng ngang

Nhà cao tầng

6

a Hệ lõi chịu lực trong sơ đồ giằng

18 Giằng đứng bố trí 4 mặt ở một hoặc nhiều ô

19 Kết hợp ô bố trí giằng làm thang máy, thang bộ hoặc đường ống theo phương đứng

a Hệ hộp chịu lực trong sơ đồ giằng

20 Bước cột biên bố trí mau hơn ở bên trong

21 Cột biên cùng dầm biên và thanh chéo tạo độ cứng lớn

22 Kết cấu cứng theo phương đứng tạo thành hộp