Đồ Án Kết Cấu Thép Nhà Công Nghiệp Nhịp 21m

Nhịp 21m, cao trình đỉnh ray 8.7m, sức trục 100kN, vật liệu lợp panel bê tông cốt thép, bề rộng cầu trục 6.3m, nhịp cầu trục 20m. Được thực hiện bởi sinh viên trường đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, đạt kết quả cao. GVHD: ThS. Ngô Vi Long

LỜI GIỚI THIỆUSinh viên Bách Khoa sau khi được học môn kết cấu thép 1 và kết cấu thép 2 được phép làm đồ án dưới sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn.

Thiết kế kết cấu thép khung nhà công nghiệp một tầng là một trong các đồ án chuyên nghành quan trọng của các sinh viên đại học nghành Xây dựng dân dụng và Công nghiệp thuộc hệ chính quy và không chính quy

Thiết kế khung thép nhà công nghiệp 1 tầng cũng là công việc thường gặp của các kỹ sư kết cấu Do đó tầm quan trọng của đồ án này là rất lớn.

Đồ án này được nhận ngày 10/10/2007 và hoàn thành ngày 20/12/2007

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ngô Vi Long đã hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này.

Sơ đồ khung Công Nghiệp 1 tầng cần thiết kế.

H r

A SỐ LIỆU THIẾT KẾ:

I Các số liệu chung:

- Gió vùng II : q0 = 83 daN/m2

- Bước cột :B = 6m

- Chiều dài công trình : 90 – 150 m

- Tuổi thọ công trình : 50 năm

- VL thép : R= 21 KN/cm2

E = 2.1*104 , µ= 0.3 ,  = 7850 kg/m2

- Que hàn : E42, E42A hay tương đương

Hàn tay, kiểm tra đường hàn bằng siêu âm

Bê tông móng đá 1*2, Mác ≥ 250, Bulông độ bền lớp 5.6, 6.6, hoặc 5.8

II Số liệu thiết kế riêng:

- Nhịp nhà : L = 21 m

- Cao trình đỉnh ray : Hr = 8.7 m

- Sức trục : Q = 100 KN

- Vật liệu lợp : Panel Bêtông cốt thép

III Các số liệu tra bảng:

Từ số liệu thiết kế , chọn cầu trục có các đặc trưng :

- Nhịp cầu trục : Lk = 20000mm

- Hk = 1900 mm

- Bề rộng cầu trục : Bk = 6300 mm

- Nhịp cầu trục : Lk = 20 m

- Khoảng cách 2 trục bánh xe : K = 4400 mm

- Khoảng cách tim ray đến mép ngoài cùng của cầu trục : B1 = 260 mm

- Áp lực bánh xe lên ray : Pc max = 14.5 T, P c min = 3.5 T

- Trọng lượng xe con : G = 5.6 T

- Trọng lượng toàn cầu trục: 26 T

B.TÍNH TOÁN KHUNG NGANG

I XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG :

1 Kích thước theo phương đứng :

- Chiều cao thực cột trên :

H t h r h dccH k  100  f

Chiều cao ray và đệm : giả định lấy Hr = 200 mm

Chiều cao dầm cầu chạy lấy: hdcc=1/10 B = 600 mm

Không bố trí đoạn cột chôn dưới đất : hm = 0

Chiều cao gabarit cầu trục : Hk = 1900 mm

Độ võng dàn mái : 1/100 nhịp nhà : f = 210 mm

2 Xác định kích thước theo phương ngang :

- Khoảng cách từ tim ray đến trục định vị :

L L K 500mm

2

20000 21000

Trục định vị trùng tim cột trên

Với D = 60 mm: khe hở an toàn đầu mút cầu trục và mép trong cột trên

-Bề rộng cột dưới xác định theo công thức :

hd = + a = 500 + 180 = 680 mm

II XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG :

1Tĩnh tải mái :

Trọng lượng các lớp mái :

Panen cỡ lớn : 150daN /m2 , n = 1.1

Bêtông cách nhiệt: 40daN/m2 , n = 1.2

Lớp chống thấm 10daN/m2, n = 1.2

Vữa tô trát 80 daN/m2 , n = 1.2

Gạch lá nem 120 daN/m2 , n = 1.1

Tổng tải trọng tính toán :

- Trọng lượng kết cấu cửa mái :

2 Tải trọng sửa chữa mái :

Theo TCVN -1995 :

Mái lợp panen btct : 75 daN/ m2 mặt bằng nhà xưởng n = 1.3

Độ dốc mái: i = 1/10

Giá trị tính toán : 1 3 98 ( / ).

)) 10 / 1 ( cos(arctan

Tra bảng cầu trục có được : Pmax = 145 KN

Tổng trọng lượng cầu trục : G = 26 T

Số bánh xe một bên ray : n0 = 2

2

260 100

max 0

KN P

y3 y2

y1

95 1

3 2

4 Lực xô ngang của cầu trục :

Các số liệu :

Gxc = 56 kN

Móc mềm có : fms = 0.1

n’ xc = 2 : số bánh xe hãm

nxc = 4 : tổng số bánh của xe con

Lực hãm ngang tác dụng lên toàn bộ cầu trục :

KN x

n f n

'

Lực ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe lên cầu trục do hãm :

9 3 2

Lực xô ngang ở cao trình mặt trên dầm cầu chạy cách vai cột 0.6m tức là ở cao trình 8.6m

5 Tải trọng gió :

Bề rộng cửa mái lấy 8 m (12 31) nhịp nhà

Cao trình thanh cánh dưới : H = 3.2 + 8 = 11.2 m  k = 1.08

Cao trình đỉnh mái : H = 11.2 +2.2+ 10.5*1/10 + 1.5 = 15.95 m  k = 1.09

-Tải phân bố tác dụng lên cột

Với độ cao 10m trở xuống, áp lực gió được xem là không đổi và bằng: 83daN/m2

q1 =q0.n.c.k.B = 83x1.3x0.8x1x6 = 517.92 daN/m = 5.18 kN/m

Từ độ cao 10m đến 11.2m, áp lực gió phân bố theo quy luật hình thang

Giá trị q tại độ cao 11.2m:

q2= q0.n.c.k.B = 83x1.3x0.8x1.08x6 = 559.35 daN/m = 5.59 kN/m

085 1 2

09 1

Moment do lực tập trung gây ra tại chân cột:

M= ( 11 2 10 ))

3

2 10 ( 2

0 10 2 11 ) (

2

2 11

1 2

2 11 18

qd= M x 5 222kN/m

2 11

55 327 2 2 11

5 0 222 5 8 0

5 0





Tải tập trung đặt tại đáy vì kèo



n q kB c i h i

.

c3=-0.536 -0.6

W

-0.6 -0.6 0.7

III XÁC ĐỊNH NỘI LỰC TRONG KHUNG NGANG :

Thay sơ đồ tính toán thực của khung bằng sơ đồ đơn giản hóa, 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 Độ cứng của xà ngang tương đương với dàn được tính bằng công thức:

Jd =( 2 2 ) 

d d tr

F  Trong đó: F tr , F d là tiết diện cánh trên và cánh dưới của dàn kèo

ztr, zd: khoảng cách từ trọng tâm của cánh trên và cánh dưới đến trục trung hòa của dàn ở tiết diện giứa nhịp

: Hệ số kể đến độ dốc của cánh trên và sự biến dạng của các thanh bụng -Đối với cột bậc, trục cột dưới được làm trùng với trục cánh trên; lấy nhịp tính toán là khoảng cách giữa hai trục cột trên Khi đó đối với tải trọng truyền từ cột trên xuống phải kểđến moment lệch tâm ở chỗ đổi tiết diện cột:

Cột dưới ngàm ở bản đế chân cột Chiều cao tính toán khung lấy từ bản đế cột đến đáy vì kèo

-Giả thiết tính toán :  6 ;  25

ct

d ct

cd

J

J J

18 ( / 2 )

g tt

 Chọn sơ bộ bề rộng cửa mái:Bcm = 9 m

Ta quy trọng lượng cửa mái về lực phân bố đều trên xà ngang:

29.803kN 29.803kN

M

BT1 BT2

Giải bài toán 1 :

-Hệ cơ bản :

-Phương trình chính tắc : r111 + R1P = 0

-Vẽ biểu đồ đơn vị M1 và biểu đồ moment do tải ngoài gây ra trên hệ cơ bản 0

P M

BR

1

M

Quy ước:

Moment phản lực mang dấu dương khi có xu hướng làm cho nút quay ngược chiều kimđồng hồ

Phản lực mang dấu dương khi hướng từ phải sang trái

Chuyển vị xoay mang dấu dương khi nút xoay thuận chiều kim đồng hồ

Moment trong cột dương khi căng thớ trong của cột

Moment trong dàn dương khi căng thớ trên của dàn

Tính:

 = a/h = 0 286

8 2 3

2 3

n = 0.167

6

11

cd

ct J

J J J

Ta có:

5 1 6

12 1

* 4 4

KB’ = 1 726

9 4

41 1

* 6 6

Vậy moment và lực cắt tại đỉnh cột do chuyển vị xoay bằng đơn vị gây ra:

EJ K

M EJ L d E J h cd h EJ cd

BC

44 4 )

2 11 / 21 (

) 6 / 25 ( 2 4

*Trường hợp tải trọng tác dụng lên hệ cơ bản :

Ta có biểu đồ moment

B

A

C

ql 12

2

2

ql 24

0 P

2 2

kNm x

2 2

kNm x

R

* 48 204

-Vẽ biểu đồ moment trong hệ ban đầu: MP =  M1M0P

Giá trị moment ở chân cột:

M pA  204 48 * * 0 81 * 0 166 25 (kNm)

h

EJ EJ

M BC  204 48 ( 4.44 ) 1095 26 186 45 (kNm)

h

EJ EJ

M nhip  186 45 1456 44 ( )

8

21

* 803 29 8

2 2

KNm M

2 3

n = 0.167

6

11

cd

ct J

J J J

Ta có:

5 1 6

12 1

* 4 4

KB’ = 1 726

9 4

41 1

* 6 6

Moment lệch tâm chỗ vai cột :

M tt N2.e 312 93x0 16  50 07 (kNm)

Moment và phản lực tại đỉnh cột :

9.4

12.14)286.01(41.13)286.01(4

)1(3)1

M K

C B

MB=7.05 kNm

9 4

) 286 0 1 ( 43 2 41 1 ) 286 0 1 ( 6 )

1 ( )

1 (

A B

17.96

Biểu đồ moment cuối cùng của khung ngang trong trường hợp tĩnh tải :

100.09 50.02 1463.49

88 5





q p

29.25

35.4

19.75

3 Aùp lực đứng của cầu trục lên vai cột :

Dmax, Dmin đặt tại nhánh trong cả cột dưới (nhánh cầu trục),khi đưa về trục cột dưới sẽ xuất hiện moment lệch tâm đặt tại vai cột

BT1 BT2

min

D

Ta có thể tách thành hai bài toán:

-Bài toán BT1 với các cột được nắn trục thẳng lại, các lực Dmax, Dmin đặt tại trục cột

- Bài toán BT2 với các moment Mmax, Mmin đặt tại vai cột

Các lực Dmax, Dmin đặt tại trục cột chỉ gây ra lực dọc trong cột dưới chứ không gây ra

moment trong khung Do đó, ta chỉ cần giải bài toán BT2

Moment lệch tâm được xác định như sau:

Mmax = Dmax

2

d h

= 280x 0.34 =95.2 kNm Mmin = Dmin.h2d

= 67.6x0.34 = 22.98 kNm

-Hệ cơ bản :

Do tải trọng không tác dụng trực tiếp lên xà ngang nên ta quan niêm độ cứng của xà ngang bằng vô cùng EJd=, dẫn đến các chuyển vị xoay ở đỉnh cột triệt tiêu.Hệ chỉ còn lại một ẩn chuyển vị ngang tại đỉnh cột 

3 3

3 '

2 2

2

22.4)

95.572.1(

95.5

12

72.1

6

h

EJ h

EJ h

Q M M

h

EJ h

EJ K

A h

EJ K Q

h

EJ h

EJ K

B h

EJ K M

cd cd

B B A

cd cd

cd B B

cd cd

cd B B

*Biểu đồ moment do tải ngoài gây ra trên hệ cơ bản:

Dùng kết quả tính toán ở bài toán 2 phần trên, nhân với hệ số tỉ lệ:

tt

M M

,



Từ đó:

-Moment ở cột trái:

Moment và phản lực tại đỉnh cột :

) 13 4

07 50

2 95 (

* 05 7 ) ( max

t B

M

M M

) 12 75

07 50

2 95 ( 71 6 ) ( max

t B

M

M Q

Moment ở tiết diện II-II trên vai cột , thuộc phần cột trên :

) 27 4

07 50

2 95 ( 41 14 ) ( max

t II

M

M M

Moment tại tiết diện III-III dưới vai cột thuộc cột dưới :

) 67 80

07 50

2 95 ( 66 35 ) ( max

t III

M

M M

Moment tại chân cột :

) 47 883

07 50

2 95 ( 96 17 ) ( max

t

M M

-Moment ở cột phải:

Moment và phản lực tại đỉnh cột :

) 3 23

07 50

98 22 ( 05 7 ) ( min

p B

M

M M

) 3 08

07 50

98 22 ( 71 6 ) ( min

p B

M

M Q

Moment ở tiết diện II-II trên vai cột , thuộc phần cột trên :

) 6 62

07 50

98 22 ( 41 14 ) ( min

p II

M

M M

Moment tại tiết diện III-III dưới vai cột thuộc cột dưới :

07 50

98 22 ( 66 35 ) ( min

p IIi

M

M M

Moment tại chân cột :

) 8 25

07 50

98 22 ( 96 17 ) ( min

p A

M

M M

34.19

Mp0

-Xác định r 11 và R 1P :

Sử dụng một mặt cắt bao quanh thanh xà ngang và chiếu tất cả các lực lên phương

ngang ta xác định được r 11

r 11 5.95EJ c d / h 3 5.95E J cd / h 3 12.75 3.08

R 1P

11 (5.95 5.95) 3 11.9 3

h

EJ h

11

9 11

67 9

-Vẽ biểu đồ moment cho hệ kết cấu ban đầu :

46.71

2.3

27.63 67.57

4.26

M

4 NỘI LỰC DO LỰC XÔ NGANG :

Lực xô ngang T đặt tại cao trình dầm hãm, khi tính toán chỉ cần tính một trường hợp hướng ra (hay hướng vào) cột Ta bỏ qua lực dọc phát sinh trong cột do nó có giá trị rất nhỏ,

do vậy không có moment lệch tâm tại vai cột

Các số liệu : T = 7.529 kN , tại cao trình 8.6 m

-Hệ cơ bản:

Do tải trọng không tác dụng trực tiếp lên xà ngang nên ta quan niêm độ cứng của xà ngang bằng vô cùng EJd=, dẫn đến các chuyển vị xoay ở đỉnh cột triệt tiêu.Hệ chỉ còn lại một ẩn chuyển vị ngang tại đỉnh cột 

-Vẽ các biểu đồ M1;M0P

Biểu đồ M1 đã được vẽ ở III.3

Xét hệ cơ bản M0P :

Tính:

 = a/h = 0 286

8 2 3

2 3

n = 0.167

6

11

cd

ct J

J J J

Ta có:

5 1 6

C B

A B

K B' (1 )2 3 2 (2 ) ( )2 3 2 (2 )

Tính ra: '

B

K =0.7815 ' 0 798 7 529 6 01

Hệ cơ bản :

Do tải trọng không tác dụng trực tiếp lên xà ngang nên ta quan niêm độ cứng của

xà ngang bằng vô cùng EJd=, dẫn đến các chuyển vị xoay ở đỉnh cột triệt tiêu.Hệ chỉ còn lại một ẩn chuyển vị ngang tại đỉnh cột 

-Vẽ các biểu đồ M1;M0P

Biểu đồ M1 đã được vẽ ở III.3

Xét hệ cơ bản M0P :

Tính cho cột trái:

Tính:

 = a/h = 0 286

8 2 3

2 3

n = 0.167

6

11

cd

ct J

J J J

Ta có:

5 1 6

2 2 2 * 5 222 11 2 2

9 4 12

12 1 8 03 1 41 1 9 12

8 9

x x

x x

x qh

K

C BF

M B      

M B   34 78 kNm

Q B K B' qh



9 4 2

03 1 43 2 3 12 1 41 1 2 2

3 2

x x

x x x

x qh

K

AF BC

2

2 2

264 3





d

h q q

P 0

M

34.78

69.19 43.25

21.74 22.23 13.89

348.39 374.33

Ta tiến hành tổ hợp các tải trọng một cách bất lợi nhất để xác định được các nội lực tính toán mà chọn tiết diện khung.

Nội lực dọc N trong cột được xác định như là khi dàn liên kết khớp với cột, ta chỉ cần dồn tải trọng đứng về cột một cách bình thường (việc giải bằng khung cứng mất nhiều thời gian nhưng kết quả không khác nhau nhiều) Khi tính, phần cột dưới chịu thêm Dmax, Gddc và trọng lượng tường treo nếu có

Đối với cột, xét 4 tiết diện tiêu biểu

Ta tìm 2 tổ hợp tải trọng:

-Tổ hợp cơ bản 1: bao gồm tĩnh tải và một hoạt tải nguy hiểm nhất tham gia, với hệ số tổ hợp bằng 1

-Tổ hợp cơ bản 2: bao gồm tĩnh tải (với hệ số tổ hợp bằng 1) và tất cả các hoạt tải nguy hiểm

BẢNG TÓM TẮT NỘI LỰC TRONG KHUNG

BẢNG TỔ HỢP NỘI LỰC

BẢNG TỔ HỢP NỘI LỰC

TD

M

(kNm) N(kN)

M(kNm) N(kN)

N(kN)

M+(kNm)

M(kNm)

-M(kNm) N(kN)

M(kNm) N(kN) N (kN) M+(kNm) M-(kNm)B-

-89.60 312.93 282.25- 312.93 374.67 - -214.80 -87.73 312.93 329.64- 368.50 368.50 -119.59 -329.64II-

-76.06 100.09- 119.84- 374.67 374.67 - -119.84 -48.23 312.93 131.99- 368.50 368.50 -66.00 -131.61III-

-25.99 312.93 117.59- 592.93 592.93 -117.59 -28.39 312.93 139.22- 620.50 620.50 -37.27 -139.22A-

496.66 312.93 226.07- 312.93 592.93 144.00 602.85 442.27 219.68- 564.93 620.50 511.52 -193.35

D THIẾT KẾ CỘT

Cột trên và cột dưới coi như cấu kiện nén lệch tâm trong mặt phẳng khung , nén đúng tâm ngoài mặt phẳng khung

Tóm tắt các số liệu đã có:

Ht = 3.2m; Hd = 8m;  6

ct

cd J J

Chiều cao tiết diện cột trên ht = 360mm; hd= 680mm

Nội lực tính toán được xác định từ bảng tổ hợp nội lưc:

- Phần cột trên: Do đoạn cột có tiết diện đối xứng nên ta chọn cặp nội lực nguy

hiểm là tổ hợp có moment uốn với giá trị tuyệt đối lớn nhất và lực dọc tương ứng

M= -329.64 kNm; Ntư = 368.5 kN

- Phần cột dưới:

Cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh cầu trục

M= -219.68 kNm; Ntư =564.93 kN

Cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh mái:

M=602.85 kNm; Ntư =442.27 kN

1 Xác định chiều dài tính toán :

a)Trong mặt phẳng khung :

Các thông số :

79 0 53 1

6 8

2 3

53 1 5 368

93 564

42 0 2 3

8 6 1

1

1

2 1

d

d t t

mJ

J H

H c

N

N m

H

J H

J i

i K

Bằng cách nội suy có được : 1 = 1.93

2 Thiết kế tiết diện cột trên :

a) Chọn tiết diện sơ bộ :

m N

M

5 368

64 329

Chọn sơ bộ bề rộng bản cánh bc =200 mm

Chọn sơ bộ chiều dày bản cánh c=14mm

b) Kiểm tra tiết diện đã chọn :

F 2x20x1(36 2x1.4)x189.2cm2

12

4 1 20 6 16 4 1 20 ( 2 12

2 33

2 3

x x x

1101 05

36

19819 2

20 4 1 2

3 3

43 1869

l



56 79

58 4

2100 46

R

x



c)Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn :

Độ lệch tâm tương đối m :

5 76

05 1101

2 89 89

Hệ số kể đến ảnh hưởng hình dáng  , tra ở phụ lục 6 có :

68 1 1

Nên:

  1 4  0 02  =1.4-0.02*1.66 = 1.3668

Độ lệch tâm tính đổi: m1 =  m = 1.3668x5.76 = 7.87

Tra bảng phụ lục 4 , theo m1 và  2x , có được lt = 0.162

Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn :

2 2

2 89 162

0

5 368

d) Kiểm tra ổn định ngoài mặt phẳng uốn :

Từ2y  56 79 , tra phụ lục 3 có được hệ số uốn dọc 2y = 0.84

Với cặp nợi lực đang xét là tổ hợp của 1+2+4+6+8 , xác định được moment tương ứng đầu kia của cột là -126.12kNm

Moment lớn nhất ở 1/3 đoạn cột trên :

5 368 / 21680 /

N M e m

x

tt x

Xác định các hệ số :

1



x m

5 368

21000 )

66 1 1 0 36 0 ( 2 )

1 0 36 0 (

2 285

14

b

c

c c

5 0 9 0 ( 29

14 0

h

b

b b





Vậy tiết diện đã chọn thỏa mãn các điều kiện chịu lực và ổn định

3 Thiết kế tiết diện cột dưới :

a) Dạng tiết diện :

Thiết kế cột dưới dạng tiết diện rỗng:

+ Nhánh ngoài cấu tạo dạng chữ U, gồm một bản thép lưng và hai thép góc làm cánh + Nhánh trong thường cấu tạo dạng chữ I tổ hợp từ 3 tấm thép ghép lại

b) Chọn tiết diện :

Cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh cầu trục:

M1= -219.68 KNm; N1 =564.93 kN

Cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh mái:

M2=602.85 kNm; N2 =442.27 kN