Bài giảng kết cấu thép 2

- Việc lựa chọn loại vật liệu thép hay BTCT làm kết cấu chịu lực của nhà xưởng cần căn cứ vào: + Kích thước nhà + Sức nâng của cầu trục + Các yêu cầu của công nghệ sản xuất + Vấn đề cung

CHƯƠNG 6

NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG BẰNG KẾT CẤU THÉP

6.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP

6.1.1 ĐẶC TÍNH VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG

- Quá trình sản xuất công nghiệp được thực hiện trong một công trình đặc biệt Công trình đó được gọi là Nhà công nghiệp (NCN) hay nhà xưởng

- KCT của NCN gồm những cấu kiện bằng thép tạo nên sườn chịu lực như: khung, cột, mái, dầm đỡ cầu trục

- Phổ biến nhất là NCN 1 tầng, với các yêu cầu: nhịp rộng, chiều cao lớn, có cầu trục hoạt động

- Việc lựa chọn loại vật liệu (thép hay BTCT) làm kết cấu chịu lực của nhà xưởng cần căn cứ vào:

+ Kích thước nhà + Sức nâng của cầu trục + Các yêu cầu của công nghệ sản xuất + Vấn đề cung cấp vật tư, thời hạn xây dựng công trình

- NCN 1 tầng hầu như bằng KCT, NCN nhiều tầng thường bằng BTCT

- Phụ thuộc vào chế độ làm việc của cầu trục, người ta chia nhà công nghiệp thành 2 loại:

+ Nhà công nghiệp có cầu trục: là loại công nghiệp sản xuất ra các công cụ sản xuất như: nhà máy nhiệt điện, xi măng, sắt thép, cơ khí…

- Nhẹ : sức trục Q < 20 T

- Trung bình : sức trục Q≈ 20T  75T

- Nặng : sức trục Q< 150T

- Rất nặng : sức trục Q> 150T + Nhà công nghiệp không có cầu trục: ví dụ như nhà máy dệt may, da, giầy, pin, … nói chung các nhà công nghiệp không có cầu chạy

Trong chương này ta chỉ xét các nhà công nghiệp nặng

6.1.2 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CẦU TRỤC

- Trong NCN thì tải vận chuyển khá lớn, không khiêng được,

để khắc phục nó người ta đưa ra loại KC cầu chạy (gọi là cầu trục)

- Tải trọng cầu trục là loại tải trọng lặp, động lực, dễ gây hư hại kết cấu nên khi thiết kế cần chú ý đến chế độ làm việc của cầu chạy

- Mỗi gian thường có 2 cầu chạy hoạt động, khi hoạt động có thể hoạt động độc lập hoặc song đôi

- Sức trục thường từ 5- 350 T Nếu cầu trục có sức nâng Q 0

= 30/5T tức là:

+ Khi cẩu vật nặng< 5T dùng móc cẩu nhỏ

+ Khi cẩu vật nặng > 5T dùng móc cẩu lớn ( <30T)

Ta gọi K - số ngày làm việc trong một năm; n K g - số giờ làm việc trong một ngày

Các hệ số K này được tính theo % so với sức trục tối đa

- Cầu trục có chế độ làm việc nhẹ: K ≤ 20%

- Cầu trục có chế độ làm việc trung bình: K ≤33%

- Cầu trục có chế độ làm việc nặng: K ≤60%

- Cầu trục có chế độ làm việc rất nặng: K ≤80% Ngoài ra người ta còn quan tâm đến hệ số lần mở máy trong một phút và hệ số này rất quan trọng vì nó làm cho cầu trục từ trạng thái đứng yên sang hoạt động nên cần có thời

6.1.3.CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG

Hình 1 Kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng 1- cột; 2- dàn vì kèo; 3- dầm cầu trục; 4- của mái; 5 – hệ giằng

a Khung: Nhịp khung L; Bước khung B;

- Độ cứng của khung theo phương ngang được quyết định bởi:

+ Số nhịp;

+ Liên kết giữa các bộ phận kết cấu (giữa cột & móng, cột & dàn hoặc dầm)

Sơ đồ khung với bước khung lớn ở nhịp giữa

b Cửa mái:

- Để thông thoáng, chiếu sang

- Dàn cửa mái có nhịp = 1/3 -> 1/2 nhịp dàn

c Hệ giằng:

- Là một bộ phận quan trọng của kết cấu nhà

- Gồm: hệ giằng mái, hệ giằng cột

e Kết cấu cầu chạy

- Dầm cầu chạy: là kết cấu trực tiếp đỡ cầu chạy, chịu tải trọng di động và tải trọng động

- Cầu chạy: mang vật nặng từ vị trí này đến vị trí khác trong một gian

- Cách ly môi trường bên trong với môi trường bên ngoài

- Là vách ngăn giữa các ngăn trong nhà

- Cách âm, cách nhiệt

Tải trọng tác dụng lên cột sườn tường:

- Tải trọng bản thõn

- Tải trọng do cỏc tấm vỏch ngăn liờn kết trực tiếp với cột sườn tường

- Tải trọng giú do giú thổi vào tấm vỏch tỏc dụng lờn cột sườn tường

- Tải trọng của dầm sườn tường

Sơ đồ tính của cột sườn tường

- Khi cột sườn tường cú chiều cao lớn thỡ ở giữa cột cần bố trớ thờm dàn giú phụ làm gối trung gian cho cột

- Liờn kết giữa cột và mỏi là liờn kết

+ tải trọng giú từ vỏch ngăn truyền

vào cột dưới dạng phõn bố đều a Sơ đố cấu tạo; b Khớp dạng bản; c

sơ đồ tớnh toỏn

6.1.4 BỐ TRÍ MẠNG LƯỚI CỘT

Bố trí mạng lưới cột là xác định vị trí các cột trên mặt bằng Và đây là công việc quang trọng đầu tiên của người

làm công tác xác định ngay từ thiết kế sơ bộ

 Yêu cầu kỹ thuật và thao tác:

+ Phụ thuộc dây chuyền sản xuất công nghệ và hệ kỹ thuật của công trình Thỏa mãn việc bố trí các đường ống ngầm (dẫn nước, điện, khí) Vị trí đặt thiết bị máy móc, thuận tiện khi sửa chữa hoặc bảo trì

+ Đảm bảo không gian thao tác cho người thợ

+ Đủ ánh sáng thông thoáng, không gian để giao lưu không khí trong quá trình làm việc

 Yêu cầu về kết cấu

+ Làm sao kết cấu có độ cứng cao nhất, đặc biệt là theo phương ngang;

+ Hệ lưới cột bố trí nằm trên cùng 1 đường thẳng;

+ Làm sao để liên kết giữa các bộ phận là cứng nhất;

+ Làm sao để theo hệ môđun thống nhất

 Yêu cầu về phát triển

Thỏa mãn việc thay đổi công nghệ của nhà máy

 Yêu cầu về kinh tế

Tìm ra được khoảng cách lợi nhất giữa các cột

+ Nhịp L: thường được

quyết định bởi điều kiện sử

dụng, là bội số của 6m hoặc

3m Thường lấy L= 18, 21,

24, 27, 30, 33, 36m…

Bố trí cột nhà công nghiệp một tầng; I, II – trục ngang và dọc

Nhằm đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn hóa và định hình hóa, nhịp nhà và bước nhà được chọn theo môđun thống nhất: 6m

Do cần có khoảng cách để bố trí sườn tường và để tấm mái không bị hụt, ở đầu hồi trục cột lùi vào so với trục định vị 500mm

Bố trí cột trong nhà công nghiệp nhiều nhịp

a – theo các nhịp song song; b – theo các nhịp vuông góc với nhau; I, II – các

6.1.5 KHE NHIỆT ĐỘ

- Các loại tải trọng tác dụng

lên công trình: trọng lượng

bản thân, hoạt tải sử dụng,

do thiên nhiên: gió, nhiệt độ,

trên suốt chiều dài khi nhiệt

độ thay đổi, trong kết cấu gây

ra ứng suất do nhiệt khá lớn

Hình Bố trí cột trong nhà nhiều nhịp Khe nhiệt độ và khe lún

- Biến dạng nhiệt độ gây phá hoại công trình Tính kết cấu theo nhiệt độ là tính theo biến dạng do nhiệt độ gây ra

- Biến dạng do nhiệt độ: l  .t 0 l.

Trong đó: + α: hệ số giãn nở nhiệt độ, phụ thuộc vào vật liệu

+ l : biến dạng do nhiệt độ + 0

Bảng 1 – Khoảng cách lớn nhất giữa các khe nhiệt độ của khung

thép nhà và công trình một tầng

Đơn vị tính: m

Đặc điểm của nhà và công trình

Khoảng cách lớn nhất Giữa các khe nhiệt

độ

Từ khe nhiệt độ hoặc từ đầu mút nhà đến trục của

hệ giằng đứng gần

nhất

Theo dọc nhà

Theo ngang nhà – Nhà có cách nhiệt

Ghi chú: Khi trong phạm vi khối nhiệt độ của nhà và công trình có hai hệ giằng

đứng thì khoảng cách giữa các trục của chúng không vượt quá: 40  50m đối với nhà; 25  30m đối với cầu cạn lộ thiên

Tại vị trớ cú khe nhiệt độ, trục định vị đi qua giữa khe nhiệt độ, trục hai cột

kề cận cũng lựi vào so với trục định vị 500mm

Chọn giải pháp khung ngang gồm:

+ Xác định sơ đồ khung (bao nhiêu nhịp, liên kết cứng hay khớp)

+ Các kích thước cơ bản của khung

+ Bố trí khung trên mặt bằng nhà

Khung nhà công nghiệp nhiều nhịp

6.2.2 SƠ ĐỒ KHUNG NGANG

Liên kết khớp giữa cột và xà ngang;

+ Nhà 1 nhịp nên áp dụng sơ đồ này Tuy nhiên liên kết cứng khó thực hiện

6.2.3 CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG

6.2.3.1 Xác định kích thước theo phương ngang

Gồm L, nhịp cửa mái L cm, nhịp cầu

chạy L ct , chiều cao tiết diện cột

trên, chiều cao tiết diện cột dưới,

- Khoảng cách  từ trục ray đến

trục định vị lấy như sau:

D )

a h

B : phần đầu cầu trục từ ray đến

mép ngoài lấy theo Catalô cầu trục

D: khoảng hở an toàn giữa cầu trục

- Bề rộng cột dưới h do theo d

yêu cầu độ cứng, lấy không nhỏ

hơn (1/20)H khi nhà có cầu trục

chế độ làm việc trung bình; không

nhỏ hơn (1/15)H khi nhà có cầu

- Với L ct- nhịp cầu chạy,

khoảng cách 2 trục của cầu chạy

(tra bảng cầu trục)

Kích thước ngang của cột khung

nhà công nghiệp

6.2.3.2 Xác định kích thước theo phương đứng

Chiều cao sử dụng là chiều

H - chiều cao dầm cầu trục, giả thiết sơ bộ 1/8-1/10 nhịp

dầm

r

H - chiều cao ray và đệm ray, thường lấy 200mm

Chiều cao cột dưới tính từ mặt móng đến vị trí thay đổi tiết diện: H d  H  H t  H 3

Chiều cao cửa mái H cm chọn theo điều kiện thông thoáng

và lấy sáng Thường lấy cao 1250, 1500, 1750mm

6.2.4 CÁCH BỐ TRÍ KHUNG NGANG ĐỐI VỚI NCN MỘT TẦNG NHIỀU NHỊP

Phụ thuộc 3 yếu tố chính: - Yêu cầu về kiến trúc và kết cấu;

- Yêu cầu về các điều kiện vật lý kiến trúc;

- Yêu cầu về kinh tế sản xuất

Nguyên tắc chung: Cố gắng các nhịp có chiều cao lợi về kết cấu (cao độ xà ngang bằng nhau -> độ cứng phương ngang lớn nhất)

Nếu khi thiết kế các nhịp có chiều cao chênh lệch <1m

-> nên đưa về cùng chiều cao

- Nếu chênh lệch khá lớn-> bắt buộc khác chiều cao

a NCN nhiều nhịp cùng chiều cao: 3 phương án

Phương án 1: đặt cửa trời theo phương dọc nhà

- Chiếu sáng: Cho ánh sáng tổng thể toàn nhà không tốt

- Chế tạo: + Chuẩn hóa cửa trời

- Thông gió: Tương đối tốt ở từng nhịp

 Được dùng nhiều trong các nhà xưởng

Phương án 2: đặt cửa trời theo phương ngang nhà

Ưu điểm:

- Các vì kèo thường có cánh song song -> Chiều cao đầu dàn bằng chiều cao dàn nên dễ liên kết cứng với cột-> làm khung cứng đồng thời dàn có cánh song song dễ chuẩn hóa trong chế tạo

- Cho phép lấy ánh sáng tổng thể trong nhà tốt nên thường dùng cho những nhà cần độ sáng tổng thể lớn

Phương án 3: có 2 mái dốc 2 phía

- Áp dụng trong trường hợp điều kiện kỹ thuật bắt buộc thoát nước ra ngoài (VD: lò cao luyện kim vì khi có nước sẽ gây nổ)

- Ưu điểm hơn 2 phương án trên là: không cần phải có hệ thống thoát nước trong nhà

b NCN nhiều nhịp khác chiều cao

- Áp dụng khi điêu kiện sử

dụng hoặc những điều kiện

về vật lý kiến trúc bắt buộc

phải thay đổi

- Về kết cấu: cố gắng đạt

yêu cầu cao độ của cánh trên

dầm cầu chạy nhịp trong bằng

cao độ cánh hạ của dàn vì kèo

nhịp ngoài Có thể làm hệ

giằng của cánh trên dầm cầu

chạy nhịp trong trùng với hệ

giằng cánh hạ dàn vì kèo nhịp

ngoài sẽ tăng độ cứng của

khung

Khung nhiều nhịp cùng độ cao, h d  2,

 lấy trị số lớn hơn trong hai nhịp cạnh cột

Khung nhiều nhịp khác độ cao,

'

h d     Nếu do yêu cầu sử dụng, hai nhịp lân cận có tường ngăn cách kích thước '

còn phải thỏa mãn điều kiện:

6.3 HỆ MÁI NHÀ CÔNG NGHIỆP

6.3.1 CÁC LOẠI HỆ MÁI

- Hệ mái chịu tải trọng mái và truyền tải trọng này lên khung

- Có nhiều phương án hệ mái, phụ thuộc vào:

+ Yêu cầu của kiến trúc

+ Yêu cầu sử dụng

+ Hệ lưới cột ( nhịp, bước khung)

- Tổng quát có thể chia làm 3 loại:

+ Hệ mái có xà gồ

+ Hệ mái không có xà gồ

+ Hệ mái phức tạp

+ Fibroximang: g=30kg/m2: bền hơn tôn, điều kiện cách nhiệt tốt

+ Tấm ximang lưới thép: tính cụ thể vì thiết kế tùy chiều dày, tốt nhưng không chuẩn hóa được (khó khăn trong thi công: đổ tại công trình rồi lắp lên)

+ Tấm lợp đặc biệt: theo yêu cầu kỹ thuật và kiến trúc

Mỗi loại tấm lợp có một độ dốc nhất định để thoát nước được quy định trong quy phạm

+ Tôn : α = 12-15 0 ; + Fibroximang : α = 18-23 0 + XMLT : α = 18-23 0 ; + Ngói : α = 28-33 0 (Nếu theo yêu cầu kiến trúc -> α có thể lớn hơn)

Các dạng xà gồ: + Xà gồ định hình: B=6m

+ Xà gồ dạng dàn: B=n.6m

b Hệ mái không có xà gồ (mái nặng): Là hệ mái có tấm

lợp đặt trực tiếp lên xà ngang

Thường lợp bằng tấm panen BTCT với kích thước chuẩn được môđun hóa: 1,5m x6m hoặc có khi 3mx6m (không dùng panen có chiều rộng> 3m vì nặng, không có lợi) Có thể dùng panen hộp, rỗng ở giữa với công trình yêu cầu cách âm và cách nhiệt lớn

- Trên panen thường cấu tạo

+ Bê tông chống thấm t≈ 2cm-5cm, lưới thép Ф3-Ф4 để chống nứt cho bê tông

+ Bê tông xốp cách âm và nhiệt = 500-800kg/m3

- Trọng lượng mái ≈350-400kg/m2(nặng)

- Liên kết panen và mái:

+ Tại chân panen chôn sẵn thép góc (râu thép neo vào panen)

+ Trên thanh cánh thượng hàn sẵn tấm thép đệm

+ Hàn chân panen và tấm thép đệm

- Thực tế ít dùng mái nặng (mái lợp panen), khó sửa chữa khi bị hư hỏng, không thích ứng với khí hậu nước ta Trong đồ án tính toán mái nặng vì kho hơn nhiều so với hệ mái nhẹ

6.3.2 XÀ GỒ

a Xà gồ định hình: dùng với tấm lợp nhẹ

Là xà gồ dùng thép định hình đúc sẵn, thường dùng thép C

hoặc Z (vì chịu uốn xiên tốt)

Liên kết xà gồ vào cánh thượng dàn vì kèo

q n

q

c



Trong đó: q c- tải trọng tiêu chuẩn trên 1 m 2 mái;

 - góc nghiêng mặt mái so với phương ngang;

b – khoảng cách giữa các xà gồ;

g- trọng lượng bản thân xà gồ;

n – hệ số vượt tải, lấy theo quy phạm

Các thành phần tải trọng tác dụng lên xà gồ tính như sau:



sin q

q x  ; q y  q cos

Ứng suất max do Mx, My: f

W

M W

M

c y

y x

x y

2 , 1

M W

12 , 1

M

c y

y x

- Chúng đều có độ cứng ngoài mặt phẳng kém, cần tăng cường

sự ổn định ngoài mặt phẳng bằng các thanh căng

- Xà gồ rỗng tạo bởi thép hình có độ cứng lớn, trọng lượng nhẹ, được dùng rộng rãi

6.3.3 DÀN VÌ KÈO VÀ DÀN ĐỠ KÈO

a Dàn vì kèo: Thường sử dụng: dàn hình thang vì yêu

cầu về vật liệu lợp, chiều cao tối thiểu đầu dàn để đảm bảo liên kết cứng với cột

Dạng a: hệ thanh bụng tam giác -> có lợi về phương diện chịu lực vì thanh cánh thượng chịu nén, thanh cánh hạ chịu kéo

Dạng b: dàn chữ nhật dùng khi đặt cửa trời theo hướng ngang, chế tạo đơn giản nhưng không

có lợi về vật liệu vì xà gồ dạng dàn

Dạng c: dùng khi công trình có cột giữa hoặc thoát nước về một bên nhà

Dạng d: tăng chiều cao ở giữa nhà, dùng khi công trình gia công nhiệt hoặc do kiến trúc

Dạng e: dàn hình thang đặt ngược, thoát nước một bên

c Đặc điểm tính toán dàn:

Xác định tải trọng: tải trọng tính toán phải quy về thành lực tập trung đặt đúng mắt dàn, khi cần thiết phải cấu tạo thêm dàn phân nhỏ

 Tĩnh tải

- Trọng lượng mái: phụ thuộc vào cấu tạo mái

- Trọng lượng bản thân dàn và hệ giằng:

g d = n.1,2.α.L(kg/m2)

- Trần treo và các thiết bị treo trên trần (nếu có): tính toán

cụ thể nhưng gtr không lấy nhỏ hơn 30kg/m2

Chú ý: Tĩnh tải và tải trọng bản thân dầm đưa về lực tập trung tại các mắt trên

Nếu có trần treo, trọng lượng bản thân chia ½ cho mắt trên và ½ cho mắt dưới Trần phải có thanh treo để tránh uốn cục bộ cho thanh cánh hạ

Khi dàn liên kết cứng với cột, có momen đầu dàn Giải khung tìm Mmax, quy về thành ngẫu lực N=M/h0, có phương nằm ngang đặt tại nút trên và nút dưới đầu dàn

 Hoạt tải: chủ yếu là hoạt tải sửa chữa mái

- Hoạt tải sửa chữa mái:

hoạt tải nửa dàn trái, nửa

- Do cặp momen đầu dàn gồm các dạng gây nguy hiểm sau:

Dạng a: gây nguy hiểm thêm cho thanh cánh thượng

Dạng b: Gây nguy hiểm đối với thanh cánh hạ vì ở một số khoang đầu, thanh cánh hạ từ chịu kéo chuyển sang chịu nén

Dạng c: Gây nguy hiểm cho hệ thanh bụng vì hệ thanh bụng bị xoắn, chịu lực lớn, momen tăng

 Sau khi tính xong, lập bảng tổng hợp tải trọng, bảng tổ hợp nội lực cho các thanh dàn Khi tổ hợp theo nguyên tắc; tĩnh tải luôn luôn có, hoạt tải lúc có lúc không chỉ kể vào khi

nó tăng nguy hiểm cho thanh đang tính toán