Thiết kế hệ thống kết cấu bằng thép của một nhà xưởng 1 tầng, 1 nhịp có cầu trục hoạt động

PHẦN 1: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG Từ các số liệu ban đầu: nhịp nhà L= 27m, sức cẩu của cầu trục Q= 300kN tra catalogue của cầu trục đề chọn ra cầu trục phù hợp... PHẦN 3:

Trong thời gian thực hiện đồ án, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy, các bạn và gia đình đã giúp tôi có được những kiến thức quý báu và sức khỏe tốt để thực hiện đồ án này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Thầy Ngô Vi Long, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Một lời cảm ơn chân thành tới các bạn tôi, đã cho tôi những ý kiến, đóng góp để tôi hoàn thiện đồ án

Và một lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình tôi, đã là nguồn động viên, khích lệ tôi và giúp tôi có được những điều kiện tốt nhất để hoàn thành đồ án

Xin chúc tất cả mọi người sức khỏe, hạnh phúc và thành công

Thành phố Hồ Chí Minh tháng 11 – 2011

Thành phố Hồ Chí Minh tháng 11 – 2011 3 Thành phố Hồ Chí Minh tháng 12 – 2010 3

-Địa điểm xây dựng: vùng ngoại ô thành phố Hồ Chí Minh

-Quy mô: nhà xưởng, 1 tầng, 1 nhịp số lượng cầu trục cùng hoạt động là 2, chế độ làm việc trung bình

-Kích thước bước cột 6m, chiều dài nhà 120-150m

1.Xác định kích thước khung ngang

2.Xác định tải trọng tác dụng lên khung

-Chọn tiết diện thanh dàn

-Tính mắt dàn (chọn một trong hai mắt: mắt gối dàn hoặc mắt đỉnh dàn)

PHẦN 1: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG

NGANG

Từ các số liệu ban đầu: nhịp nhà L= 27m, sức cẩu của cầu trục Q= 300kN tra catalogue của cầu trục đề chọn ra cầu trục phù hợp chọn:

- loại ray thích hợp: KP70

- bề rộng cầu trục B=6300mm( tính từ hai mép ngoài cùng của cầu trục)

- nhịp cầu trục Lk= 25.5m( khoảng cách giữa hai tim ray)

- khoảng cách giữa hai trục bánh xe của cầu trục K= 5100mm(cầu trục có hai bánh

xe hai bên)

I Xác định kích thước theo phương đứng

Các số liệu:

- Chọn sơ bộ chiều cao dầm cầu chạy:

- không bố trí đoạn cột chôn dưới đất, hm = 0

- khe hở an toàn: chọn 100mm

- độ võng của dàn mái lấy bằng 1/100 nhịp nhà: f= 27000/100= 270mm

Tính chiều cao cột dưới: Hcd = Hr- hr – hdcc + hm = 13500-500-600+0=

12400mm

Chiều cao phần cột trên:

II Xác định kích thước theo phương ngang:

Các số liệu ban đầu:

- nhịp nhà L= 27m

- chiều cao phần cột trên: Hct = 4220mm ( đã xác định ở trên)

- chiều cao cột dưới: Hcd= 12400mm ( đã xác định ở trên)

- khe hở an toàn giữa đầu mút cầu trục và mép trong cột trên, chọn D= 60mmTính:

Ta chọn a=250 mm tức là trục định vị trùng vời tim cột trên

Bề rộng cột dưới xác định theo công thức:

PHẦN 2: XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG

I Cấu tạo dàn mái:

Độ dốc cánh trên của dàn khi lợp panen bê tông cốt thép

Chọn i=0.125=> chiều cao giữa dàn: 3887mm=> chọn 3900mm

Chọn chiều cao mái thông khí =2200mm

KÍCH THƯỚC, CẤU TẠO DÀN MÁI

II Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang:

1 Tải trọng thường xuyên:

Trọng lượng các lớp lợp mái như bảng sau:

Tấm panen bê tông cốt

Lớp bê tông nhẹ cách nhiệt

Lớp chống thấm 2 giấy, 3

Các lớp vửa tô trát, tổng

Hai lớp gạch lá nem, dày

TẢI TẬP TRUNG TẠI NÚT DÀN

2 Tải trọng sửa chữa mái :

p c =75daN m/ 2, n= 1.3 Mặt phẳng mái nghiêng một góc 7.2o

75 1.3

98.26 /cos 7.2

tt ht

q xB= x = daN m =5.9kN/m

3 Áp lực của cầu trục lên vai cột:

Từ bảng catalogue của cầu trục ta tra ra các giá trị:

-Pmax=330kN( tra bảng)

-Pmin=102kN( tra bảng)

-Tổng trọng lượng cầu trục: G=566kN

-Số bánh xe một bên ray n= 2

Từ kích thước của cầu trục B = 6300 mm, k= 5100 mm

Sắp xếp các bánh xe như sơ đồ dưới đây :

6000

6000

5100 1200

5100

TRƯỜNG HỢP 1

SƠ ĐỒ SẮP XẾP BÁNH XE CỦA CẦU TRỤC VÀ ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG

PHẢN LỰC CỦA GỐI TỰA

y1=1

6 5.1

0.156

y = − y =

; y3, y4=0=> ∑ = +y i 1 0.15 1.15=

6000 6000

1200

TRƯỜNG HỢP 2

SƠ ĐỒ SẮP XẾP BÁNH XE CỦA CẦU TRỤC VÀ ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG

PHẢN LỰC CỦA GỐI TỰA

6 5.1

0.156

y = − y =

; y4=0=> ∑ = +y i 1 0.15 0.8 1.95+ = >1.15

Các tải trọng áp lực của cầu trục được xác định theo công thức:

max c max i

D =n n P ∑y =1.1*0.9*330*1.95=637 kN

min c min i

D =n n P ∑y =1.1*0.9*102*1.95 =196.91 kN

4 Lực xô ngang của cầu trục:

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

0 1 0

3316.52

T =n n T ∑ =y x x x = kN (lực này được đặt ở cao trình cách mặt

trên của dầm cầu chạy, cách vai cột 0.6m)

n: hệ số vượt tải n=1.3

k: hệ số độ cao và địa hình ở độ cao 16.62m(cánh dưới dàn vì kèo mái)=> k=1.26

qh=83*1.3*0.5*1.26*6=407.86daN/m=4.08kN/mTải trọng gió từ đáy vì kèo lên đến đỉnh mái được quy về Wđ và Wh Với

h0=2.2m ;h1=1.2m; h2=2.2m; h3=0.6m (theo cấu tạo dàn)

0 i i

W W n k B= ∑c h

Tại độ cao 16.62 m=> k=1.26

Tại độ cao 22.72 m => k=1.16

Lấy trung bình của hai trường hợp này k=(1.26+1.16)/2= 1.21

C: hệ số khí động lấy theo hình vẽ dưới, riêng C1, C3 tra bảng 6, sơ đồ 2 TCVN 2737-1995=> C1= -0.597, C3= -0.54

Wđ=83*1.3*1.21*6*(0.8*2.2+(-0.5)*1.2+0.7*2.2+(-0.8)*0.6)=1739daN =17.39 kNWh=83*1.3*1.21*6*(0.6*0.6+0.6*2.2+0.6*1.2+0.54*2.2)=28.107daN = 28.107 kN

PHẦN 3: XÁC ĐỊNH NỘI LỰC KHUNG NGANG

Sử dụng phần mềm sap2000 để tính toán nội lực trong khung ngang

Giả thiết đơn giản hóa sơ đồ tính: thay cột bằng các thanh thẳng (có khả năng chịu uốn và chịu lực dọc) đặt trùng với tim cột, có độ cứng bằng với độ cứng cột

-Tĩnh tải tác dụng lên mái g pb m=30.42kN m/ (tính ở trên)

-Trọng lượng cột trên lấy sơ bộ trong khoảng 1.8-2.4kN/m=> chọn 2kN/m

-trọng lượng bản thân: sap2000 tự tính

-trọng lượng các lớp lợp mái quy về tải tập trung tại nút:

Dàn mái

Các nút giữa -nhịp 3m(mắt trung gian):

N=qttxBx3=456.6*6*3=8218.8 daN=82.19kNCác nút biên -nhịp 3m: (mắt đầu giàn): :

N=qttxBx3=456.6*6*1.5=4109.4 daN = 41.09kNDàn cửa mái

Các nút giữa nhịp 1.5m(mắt trung gian): N=qttxBx3=456.6*6*1.5=4109.4

daN=41.09 kN

Các nút biên nhịp 1.5m(mắt đầu giàn): N=qttxBx3=456.6*6*(1.5/2)=2054.7 daN=20.55 kN

TRƯỜNG HỢP TĨNH TẢI MÁI

2 Hoạt tải mái:

Tải trọng sửa chữa mái dồn vào một khung thành tải phân bố đều:

5.9 /

tt ht

Momen lệch tâm đặt tại vai cột:

Mlt= N.e = 79.65x0.25=19.9 kNmQuy thành tải tập trung tại mắt dàn:

TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI MÁI

3 Áp lực đứng của cầu trục lên vai cột

Các tải trọng áp lực của cầu trục được xác định theo công thức:

max c max i

D =n n P ∑y =637 kN (tính ở trên)

min c min i

D =n n P ∑y =196.91 kN (tính ở trên)

Độ lệch tâm e’= e+e1 =500+250=750mm

Momen lệch tâm sinh ra do Dmax

d lt

h

TRƯỜNG HỢP Dmax PHẢI

TRƯỜNG HỢP Dmax TRÁI

4 Trường hợp tải trọng gió:

TRƯỜNG HỢP GIÓ TRÁI

TRƯỜNG HỢP GIÓ PHẢI

5 Lực xô ngang của cầu trục:

1 1

i 31.85

T =n n T ∑ =y kN đã tính ở trên (lực này được đặt ở cao trình cách mặt trên

của dầm cầu chạy, cách vai cột 0.6m tức ở cao độ 13m so với mặt đất)

TRƯỜNG HỢP LỰC XÔ NGANG PHẢI

TRƯỜNG HỢP LỰC XÔ NGANG TRÁI

II Kết quả nội lực:

1 Tỉnh tải:

LỰC DỌC TRƯỜNG HỢP TĨNH TẢI

MOMEN TRƯỜNG HỢP TĨNH TẢI

2 Hoạt tải mái

LỰC DỌC TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI

MOMEN TRƯỜNG HỢP HOẠT TẢI

3 Dmax phải:

LỰC DỌC TRƯỜNG HỢP Dmax phải

MOMEN TRƯỜNG HỢP Dmax phải

4 Dmax trái

LỰC DỌC TRƯỜNG HỢP Dmax trái

MOMEN TRƯỜNG HỢP Dmax trái

5 Tmax phải + trái:

MOMEN TRƯỜNG HỢP Tmax phải

MOMEN TRƯỜNG HỢP Tmax trái

6 Gió phải+ trái:

MOMEN TRƯỜNG HỢP GIÓ phải

MOMEN TRƯỜNG HỢP GIÓ trái

PHẦN 4: TỔ HỢP NỘI LỰC

Gồm hai tổ hợp cơ bản:

-Tổ hợp cơ bản 1: tỉnh tải + một hoạt tải nguy hiểm nhất(hệ dố tổ hợp là 1)

-Tổ hợp cơ bản 2: tỉnh tải(hệ số tổ hợp là 1) + tất cả các hoạt tải nguy hiểm (hệ số tổ hợp là 0.9)

Các nguyên tắc tổ hợp:

-Khi có Dmax tr( 3) thì không có Dmax P (4) và ngược lại

- Khi có T trái (5) thì không có T ph (6) và ngược lại

-Lực hãm ngang có thể hướng từ trái sang phải hay ngược lại do đó nội lực T gây ra

VỊ TRÍ MẶT CẮT TIẾT DIỆN

BẢNG NỘI LỰC TRONG KHUNG

1+2+4+6+8 -524.589 414.846

1+2…

414.846

+4+6+8 -524.589

-156.966 428.551

1+2 428.551 -156.966

1+3+5+7

1+2+8 -157.386 421.471

1+2…

421.471

+8 -134.257

11.894 357.751

1+3 -251.707 992.907

1+3 992.907 170.828

1+7

1+2+3+5+8 -271.979 993.111

1+2+3…

993.111

+5+8 -271.979

1277.973 391.82

1+7 -622.95 391.82

1+ 3

1027 341.536

1+2+ 4+5+8 1582.382 634.419

1+2+3

1027.18

+5+7 -685.955

PHẦN 5: THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CỘT

I Thiết kế tiết diện cột trên: Hct=4220mm

1 Xác định chiều dài tính toán:

Trong mặt phẳng khung:

Các thông số:

2 1 1

1027.18

2.48414.846

d t

N m N

1

4.22 8

0.611 12.4 2.48

1.85

30.611

C

µ

(phụ lục 8: hướng dẫn đồ án môn học, tác giả: ths.Ngô Vi Long)

Vậy chiều dài tính toán của các phần cột trong mặt phẳng khung là :

2 Chọn sơ bộ tiết diện cột trên:

- Dầm tổ hợp hàn tiết diện chữ I đối xứng chiều cao hct= 500mm(đã chọn ở phần trước)

- Chiều dày thép bản bụng được chọn để đảm bảo ổn định cục bộ, sao cho không phải bố trí sườn gia cường, đồng thời đảm bảo yêu cầu chống rỉ sét

Số liệu đã có: R=240 Mpa, M=-524.589kNm, N= 414.846kN, Hct=4220mm,

Hcd=12400mm

Xác định sơ bộ diện tích cột trên:

Cột trên chọn đặt , tiết diện chữ I đối xứng ,chiều cao tiết diện cột đã chọn trước : ht =500mm

500

SƠ BỘ TIẾT DIỆN CỘT TRÊN

3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

Số liệu đã có: R=240 Mpa, M=-524.589kNm, N= 414.846kN, Hct=4220mm, Hcd=12400mm

x x

y y

ox x

x

l r

oy y

y

l r

2591.3650

x x

h

 Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn:

Độ lệch tâm tương đối:

/ 52458.9 / 414.846

6.97/ 2591.36 /142.8

=39445.6 142.8 5.24 5414.846 2591.36= > =>α =0.9(tra bảng phụ lục 7)

Với bản bụng cột ,vì khả năng chịu lực của cột được xác định theo điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn nên tỉ số giới hạn [ ho/ δ b] xác định theo bảng 3.4.

500

TIẾT DIỆN CỘT TRÊN

II Thiết kế tiết diện cột dưới: Hcd=12400mm

1 Chọn sơ bộ tiết diện cột:

Cột dưới rỗng có tiết diện không đối xứng , bao gồm hai nhánh : nhánh ngoài ( nhánh mái )

và nhánh trong ( nhánh cầu chạy ) Nhánh ngoài dùng tiết diện tổ hợp của một thép bản với hai thép góc , nhánh trong dùng tiết diên tổ hợp từ 3 thép bản dạng ( chữ I)

Dựa vào bản nội lực ta có cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh trong cầu trục là :

M1 =Mtư = -685.955 kN.m ; N1 =Nmax = 1027.18 kN

Cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh mái là :

M2 =Mtư = 1429.137 kNm ; N2 = Nmax = 1027.18kN

Lực cắt lớn nhất Q thucte =123.37kN

SƠ BỘ TIẾT DIỆN NHÁNH CẦU TRỤC

Đối với nhánh mái: dạng chữ C tổ hợp, gồm

2 Các đặc trưng hình học của tiết diện:

a Đối với nhánh cầu trục:

Diện tích tiết diện nhánh :

Fnh1 = 37.2x1.0+ 2*20*1,4 =93.2 cm2 > Fctyc =62.48cm2

Momen quán tính đối với trục x (vuông góc mặt phẳng khung) :

4 x1

J

cm F

1 y1

J

cm F

Độ mảnh của nhánh cầu trục:

1 1 1

100

22.3264.479

nh x x

l r

1 1 1

1240

75.4716.43

y y y

l r

λ = = = (l y1=H cd =12400mm=1240cm)

(giả định khoảng cách các điểm liên kết thanh giằng vào nhánh cột l nh1 =100cm)

b Đối với nhánh mái:

x nm nh

S

F

cm F

2 y2

J

cm F

Độ mảnh của nhánh mái:

2 1 2

100

28.483.511

nh x x

l r

2 2 2

1240

90.4413.71

y y y

l r

λ = = = (l y2 =H cd =12400mm=1240cm)

c Đối với toàn bộ tiết diện cột dưới:

1 2294

48.4647.34

điễm giằng đã chọn là 1m do vậy góc nghiêng của thanh xiên là:

3 Kiểm tra tiết diện đã chọn:

Xác định lại lực dọc trong mỗi nhánh:

1

1027.18 0.377 685.955

1109.250.9675 0.9675

1109.25

16.51 / 24 /0.721 93.2

nh nh

N

kN cm kN cm

σϕ

 Đối với nhánh mái:

1 28.48

x

λ = ;λ =y2 90.44 =>λ =max 90.44 tra bảng =>ϕ =0.614

2 1

1

2104.07

23.47 / 24 /0.614 146

nh nh

 Kiểm tra ổn định cột dưới trong mặt phẳng khung:

Trong mặt phẳng khung cột dưới làm việc như một thanh tiết diện rỗng chịu nén lệch tâm Kiểm tra theo hai cặp nội lực nguy hiển trên:

Cặp thứ nhất: M1 =Mtư = -685.955 kN.m ; N1 =Nmax = 1027.18 kN

1 1

1

685.955

0.6678 66.781027.18

66.78 239.2 59.05

1.7593536157.25

d d

21000

td

R E

Cặp thứ hai: M2 =Mtư = 1429.137 kNm ; N2 = Nmax = 1027.18kN

2 2

2

1429.137

1.3913 139.131027.18

139.13 239.2 37.7

2.34536157.25

d d

21000

td

R E

 Kiểm tra lại tỉ lệ độ cứng thực tế so với giả thiết:

 Kiểm tra thanh bụng đã chọn:

Do Q qu <Q thucte =123.37kNnên lấy Q Q= thucte =123.37kN để tính

Lực nén trong thanh xiên do lực cắt Q gây ra là:

123.37

88.722sin 2sin 44 3'

gx tx

tx

l r

với trục thực của thanh xiên)

88.72

20.17 / 24 / 0.75 0.538 10.9

Liên kết hàn giữa thanh xiên với nhánh cột có thể tính đơn giản như sau:

8.4

h

Chiều dài đường hàn mỗi bên là: 11.56/2=5.78mm

Thanh bụng ngang do lực Qqu khá nhỏ nên chỉ cần chọn tiết diện theo độ mảnh cho phép, đường hàn theo cấu tạo:

Chọn thép C8 có: r x =3.16;r y =1.18=>rmin =1.18 0 [ ]

min

96.75

81.99 1501.18

b

l r

PHẦN 6: TÍNH TOÁN DÀN MÁI

I Phân loại thanh dàn:

TÊN CÁC PHẦN TỬ THANH DÀN MÁI

Vì hệ dàn đối xứng nên chỉ cần tính một nửa bên trái, nửa bên phải sẽ lấy kết quả đối xứng qua

II Tổ hợp nội lực dàn mái:

Dựa vào kết quả nội lực trong sap2000 ta có bảng sau:

BẢNG TỔ HỢP NỘI LỰC TRONG DÀN MÁI

NỘI LỰC TÍNH TOÁN

Nmax(kN) Nmin(kN) Nmax(kN) Nmin(kN) Nmax(kN) Nmin(kN)

III Thiết kế tiết diện các thanh dàn mái

1 Tính toán thanh xiên đầu dàn:

Chọn dạng tiết diện ghép bởi thép góc không đều cạnh , ghép cạnh dài Tra bảng chọn hai

x ,y <[] =120 thõa mãn điều kiện ổn định

=>λmax = y =95.87 tra bảng=> ϕ =0.5765

Kiểm tra lại tiết diện theo điều kiện bền :

 =N/ (.F) =0,5765 50.6621.308 =21.3kN cm/ 2 < =R 24kN cm/ 2

×

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Chọn tiết diện đối với thanh xiên đầu dàn số 45 :

x ,y <[] =120 thõa mãn điều kiện ổn định

N=328.096kN;l ox = =l 0.8 3950 3160x = mm l; oy = =l 3950mm(không có hệ dàn phân

nhỏ)

Được tính toán như một thanh chịu kéo đúng tâm:

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 18 :

x ,y <[] =150 thõa mãn điều kiện ổn định

=>λmax = x =129.06 tra bảng=> ϕ =0.376

Kiểm tra lại tiết diện theo điều kiện bền :

0.376 21.2x = kN cm < =R kN cm

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 19 :

Được tính toán như một thanh chịu kéo đúng tâm:

Kiểm tra lại tiết diện theo điều kiện bền :

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 21 :

Vì thanh 21 chịu lực rất nhỏ và chiều dài tính toán nhỏ hơn thanh 20 nên chọn tiết

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 22 :

N=47.294kN;l ox =0.8xl=0.8 2200 1760x = mm l; oy = =l 2200mm(không có hệ dàn phân

nhỏ)

Được tính toán như một thanh chịu kéo đúng tâm:

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 23 :

Độ mảnh cho phép của thanh xiên chịu nén là [ ]λ =150 Tính bán kính quán tính của tiết

x ,y <[] =150 thõa mãn điều kiện ổn định

=>λmax = x =109.26 tra bảng=> ϕ =0.489

Kiểm tra lại tiết diện theo điều kiện bền :

 =N/ (.F) =0, 489 13.72101.657 =15.15kN cm/ 2 < =R 24kN cm/ 2

×

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 25 :

N=1.243kN;l ox =0.8l=0.8 3335 2668x = mm l; oy = =l 2950mm(không có hệ dàn phân

nhỏ)

Vì thanh 21 chịu lực rất nhỏ và chiều dài tính toán nhỏ hơn thanh 20 nên chọn tiết

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 27 :

N=25.1719 kN;l ox =0.8l=0.8 3700 2960x = mm l; oy = =l 3700mm (không có hệ dàn

phân nhỏ)

Được tính toán như một thanh chịu kéo đúng tâm:

Diện tích thép yêu cầu: yc N 25.1719 2

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 42 :

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 44 :

Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 46 :

N=116.03 kN;l ox =0.8l=0.8 2510 2008x = mm l; oy = =l 2510mm (không có hệ dàn phân

nhỏ)

Được tính toán như một thanh chịu kéo đúng tâm:

Chọn tiết diện đối với thanh bụng số 47 :

Độ mảnh cho phép của thanh bụng chịu nén là [ ]λ =150 Tính bán kính quán tính của tiết

x ,y <[] =150 thõa mãn điều kiện ổn định

Được tính toán như một thanh chịu kéo đúng tâm:

Diện tích thép yêu cầu: