Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp có cầu trục

Do tính chất làm việc của khung ngang chịu tải trọng bản thân và tải trọnggió là chủ yếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở vị trí nách khungthường lớn hơn nhiều nội lực tại vị t

SỐ LIỆU VÀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

* Số liệu thiết kế

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp có cầu trục.Các số liệu thiết kế:

- Nhịp khung: L = 30 m

- Bước khung: B = 6 m; toàn bộ nhà dài 22B = 132 m

- Sức trục: Q = 20 tấn; Số cầu trục làm việc trong xưởng là 2 chiếc, chế độlàm việc trung bình

- Cao trình đỉnh ray: H1 = 9.5 m

- Chiều cao dầm cầu trục: hdct = 1

10 B = 0,6 m; Chiều cao ray: hr = 0,15 m

- Tải trọng gió: + Vùng gió: II-A, W0=95dkN/m2

+ Dạng địa hình xây dựng công trình: B

- Vật liệu: Thép CT3; hàn tự động, que hàn N42 (d=3÷5mm) hoặc tươngđương Bê tông móng cấp độ bền B20

- Kết cấu bao che: Tường xây gạch cao 1,5 m ở phía dưới, quây tôn ở phíatrên

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

1 Sơ đồ kết cấu khung ngang

Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diệnkhông đổi liên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu cấu tạothoát nước, chọn xà ngang có độ dốc với góc dốcα = 5.710 ( tương đương i =1/10) Do tính chất làm việc của khung ngang chịu tải trọng bản thân và tải trọnggió là chủ yếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở vị trí nách khungthường lớn hơn nhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp Cấu tạo xà ngang có tiết diệnthay đổi, khoảng biến đổi tiết diện cách đầu cột một đoạn (0,35 ÷ 0,4) chiều dàinửa xà Tiết diện còn lại lấy không đổi

Sơ đồ kích thước khung ngang

1.1Kích thước theo phương đứng.

- Chiều cao cột dưới: Hd

hdct = 0,6 m là chiều cao dầm cầu trục

hr = 0,15 m là chiều cao ray

hch = 1 m là chiều sâu chôn chân cột

Hd = 9,5 – (0,6 + 0,15) + 1 = 9.75 (m)

- Chiều cao cột trên: Htr

Trong đó:

K1 = 1,33 m là khoảng cách từ đỉnh ray đến điểm cao nhất của xe con

Giá trị này được tra trong catalo cầu trục

0,5 m là khoảng cách an toàn từ điểm cao nhất của xe con đến xà ngang

- Nhịp nhà (lấy theo trục định vị tại mép ngoài cột) là: L = 30m

Lấy gần đúng nhịp cầu trục là: S = 28 m, khoảng cách an toàn từ trục ray đếnmép trong cột: Zmin = 180 mm

- Sơ bộ chọn kích thước tiết diện khung ngang:

Kích thước tiết diện cột thường chọn sơ bộ theo các điều kiện sau:

- Chiều cao tiết diện: h = (1/15÷ 1/20)H= (1/15 ÷ 1/20)x12,33=(0,82 ÷ 0,62)mChọn h =0,7m

bề rộng b = (0,3÷0,5)h = (0,3 ÷ 0,5)x0,7=(0,21 ÷ 0,35)m

Chọn b =0,35m

- Chiều dày bản bụng tw nên chọn vào khoảng (1/70 ÷ 1/100)h=(0.01 ÷ 0,007)mChọn tw =1,0cm

Để đảm bảo điều kiện chống gỉ, không nên chọn tw quá mỏng: tw> 6mm

- Chiều dày bản cánh tf chọn trong khoảng (1/28 ÷1/35)b

Kiểm tra lại khe hở giữa cầu trục và cột khung:

Z= L1 –h = 1,0 - 0,7 = 0,3(m) > Zmin = 0,18

b Tiết diện xà mái

Kích thước tiết diện cột thường chọn sơ bộ theo các điều kiện sau:

- Chiều cao tiết diện nách khung: h1> 1 L

40 ; bề rộng b = (0,2 ÷0,5)h1 và b ≥180mm, thường lấy bề rộng cánh dầm bằng bề rộng cột; chiều cao tiết diện đoạndầm không đổi h2 = (1,5 ÷ 2)b

- Chiều dày bản bụng tw nên chọn vào khoảng (1/70 ÷ 1/100)h Để đảm bảo điềukiện chống gỉ, không nên chọn tw quá mỏng: tw> 6mm

- Chiều dày bản cánh tf= 1 b

30 Chọn sơ bộ kích thước tiết diện dầm đầu dầm

700 676 10

c Tiết diện vai cột

Kích thước tiết diện vai cột phụ thuộc vào tải trọng cầu trục (lực tập trung do áplực đứng của cầu trục và trọng lượng bản thân dầm cầu trục, trọng lượng ray,dầm hãm, dàn hãm và hoạt tải trên cầu trục) và nhịp dầm vai (khoảng cách từđiểm đặt lực tập trung đến mép cột)

Sơ bộ chọn tiết diện dầm vai:

10

476 500

Tiết diện vai cột

+ Chiều cao tiết diện: h = 50 cm

HỆ GIẰNG CỘT ( Nhà công nghiệp mái nhẹ, sức trục trung bình và lớn)

6000

5500 36000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 36000 6000 5500 500 500

SƠ ĐỒ HỆ GIẰNG MÁI

Hệ giằng mái: Hệ giằng mái với tiết diện thanh giằng φ20, được bố trí ở hai gianđầu nhà và ở chỗ có hệ giằng cột Theo chiều cao tiết diện xà, giằng mái bố trílệch lên phía trên (để giữ ổn định cho xà khi chịu tải bình thường – cánh trêncủa xà chịu nén); khi khung chịu tải gió, cánh dưới của xà chịu nén nên phải giacường bằng các thanh giằng chống xiên (liên kết lên xà gồ) Tiết diện thanhchống không nhỏ hơn L50x5, điểm liên kết với xà gồ cách xà 680 mm ~ 800mm

2 Xác định tải trọng tác dụng lên khung

2.1 Tải trọng thường xuyên

- Tải trọng do mái tôn, hệ giằng, xà gồ: gtc = 15 daN/m2 mặt bằng mái

- Hệ số độ tin cậy của tải trọng thường xuyên ng = 1,1

- Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái:

α = 30 62 = 1080 daN

- Tải trọng bản thân của dầm, dàn hãm:

Gdh = 500 daN (lấy theo kinh nghiệm)

Ta có bảng tĩnh tải mái

9 10 11 12 13 14 15 21 22 23

132000 6000

5500 36000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 36000 6000 5500 500 500

A

B

STT Loại tải Tải trọng

tiêuchuẩn

Hệ sốvượt tải

Tải trọngtính toán Bước

khung

Tổng tảitrọng(daN/m2) (daN/m2)(m) (daN/m)

1 Tôn lợp mái 8 1,1 8,8 6 52,8

3 Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm khung 99

Sơ đồ tĩnh tải (tải trọng thường xuyên)

2.2 Hoạt tải sửa chữa mái

- Hệ số độ tin cậy của hoạt tải sửa chữa mái np = 1,3

- Theo tiêu chuẩn tải trọng và tác động, TCVN 2737-1995, với mái tôn không sửdụng ta có giá trị hoạt tải sửa chữa mái tiêu chuẩn là 30 daN/m2 mặt bằng nhà do

đó hoạt tải sửa chữa mái phân bố trên xà mái được xác định như sau:

ptc = 30 B.cosα=30x6x0,995=179,1daN/m

ptt = np ptc=1,3x179,1=232,8 daN/m

Sơ đồ hoạt tải sửa chữa bên mái trái

Sơ đồ hoạt tải sửa chữa bên mái phải

2.3 Tải trọng gió

Áp lực gió tác dụng lên khung được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995

q = n.W0.k.C.B (daN/m)

Trong đó: q: là áp lực gió phân bố trên mét dài khung

W : là áp lực gió tiêu chuẩn, gió ở vùng II – A có W = 95 daN/m2

n = 1,2: là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió.

k: là hệ số phụ thuộc vào độ cao

C: là hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu

B: là bước khung

a, Trường hợp gió thổi ngang nhà:

Mặt bằng khung chịu gió

a) gió ngang nhà; b) gió dọc nhà

Hệ số k phụ thuộc vào dạng địa hình và chiều cao công trình Công trình

ở khu vực thuộc dạng địa hình B Chiều cao cột 12,33m lấy gần đúng hệ số k

=0,9 đối với giá trị tải trọng gió phân bố trên thân cột và k = 1 đối với giá trị tảitrọng gió phân bố trên mái

Bảng 2.3 Tải trọng gió theo phương ngang nhà

t.chuẩn

Hệ sốk

Hệ sốc

Hệ sốvượt tải

Bướckhung

Tổng tảitrọng

* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung.

Sơ đồ tải trong gió ngang tác dụng từ bên trái

Sơ đồ tải trọng gió ngang tác dụng từ bên phải

b, Trường hợp gió thổi dọc nhà:

- Xác định hệ số khí động Ce:

Khi này, hệ số khí động trên hai mặt mái có giá trị bằng -0,7; hệ số khíđộng trên cột là giá trị Ce3, phụ thuộc vào tỉ lệ L/ΣB (ΣB- chiều dài toàn nhà) vàH/ΣB Công trình có L/ΣB<1 và H/ΣB<0,5 nên Ce3 =-0,4, tức là gió có chiềuhút ra ngoài cho cả hai cột

Bảng 2.4 Tải trọng gió theo phương dọc nhà

t.chuẩn

Hệ sốk

Hệ sốc

Hệ sốvượt tải

Bướckhung

Tổng tảitrọng

* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung

Sơ đồ tải trong gió dọc nhà

2.4 Hoạt tải cầu trục

+Khoảng cách giữa hai bánh xe: R = 5000 mm

nc = 0,85 Hệ số tổ hợp; khi có hai cầu trục chế độ làm việc nhẹ và trung bình

tung độ ở gối bằng 1

Bảng 2.5 Áp lực đứng của cầu trục lên vai cột

Sơ đồ áp lực đứng cầu trục tác dụng lên vai cột bên trái

Sơ đồ áp lực cầu trục tác dụng lên vai cột bên phải

b, Áp lực ngang( lực hãm ngang):

Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương

1

T ,các lực này cũng di động như lực thắng đứng P và do đó sẽ gây lực ngang tập

trung T cho cột Cách tính giá trị T cũng xếp bánh xe trên đ.a.h Lực T truyềnlên cột qua dầm hãm hoặc các chi tiết liên kết dầm cầu trục với cột nên điểm đặttại cao trình mặt dầm cầu trục (hoặc mặt dầm hãm), có thể hướng vào hoặchướng ra khỏi cột.

Lực xô ngang cầu trục tác dụng lên cột phải

3 Thiết kế xà gồ:

3.1 Thiết kế xà gồ dùng thép cán nóng

- Dùng xà gồ bằng thép hình dạng tiết diện C Sơ đồ giằng xà gồ:

( Tính tải trọng qui ra mặt bằng nhà nên các giá trị tải trọng phân bố trên mặt

Trong đó: c

m

pc_ hoạt tải sửa chữa mái;

d_ khoảng cách giữa hai xà gồ theo phương ngang, d = 1,2 m;

- Tải trọng tính toán theo phương x và phương y:

- Tải trọng tiêu chuẩn theo phương x và phương y:

theo hai phương:

y x

a, Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ:

- Tải trọng gió tính toán:

- Tính toán kết cấu khung theo sơ đồ khung phẳng.

- Trục tính toán khung lấy qua trọng tâm tiết diện; trục dầm lấy qua trọng tâmphần không đổi

- Liên kết giữa cột với móng là liên kết ngàm, liên kết giữa cột với dầm là liênkết cứng

Sơ đồ khung ngang

Biểu đồ momen tĩnh tải

Biểu đồ lực cắt tĩnh tải

Biểu đồ lực dọc tĩnh tải

Biểu đồ momen hoạt tải trái

Biểu đồ lực cắt hoạt tải trái

Biểu đồ lực dọc hoạt tải trái

Biểu đồ momen hoạt tải phải

Biểu đồ lực cắt hoạt tải phải

Biểu đồ lực dọc hoạt tải phải

Biểu đồ lực cắt Dmax trái

Biểu đồ lực dọc Dmax trái

Biểu đồ momen Dmax phải

Biểu đồ lực cắt Dmax phải

Biểu đồ lực dọc Dmax phải

Biểu đồ momen Tmax trái

Biểu đồ lực cắt Tmax trái

Biểu đồ lực dọc Tmax trái

Biểu đồ momen Tmax phải

Biểu đồ lực cắt Tmax phải

Biểu đồ lực dọc Tmax phải

Biểu đồ momen gió trái

Biểu đồ lực cắt gió trái

Biểu đồ lực dọc gió trái

Biểu đồ momen gió phải

Biểu đồ lực cắt gió phải

Biểu đồ lực dọc gió phải

- Tại cột: tiết diện chân cột (ký hiệu là tiết diện A), đỉnh cột (ký hiệu là tiết diệnB), tiết diện phía trên vai cột (ký hiệu là tiết diện Ctr) và dưới vai cột (ký hiệu làCd).

- Tại xà: tiết diện hai đầu và giữa xà, tiết diện thay đổi

b, Tổ hợp nội lực:

Có hai loại tổ hợp cơ bản 1 và tổ hợp cơ bản 2 Tổ hợp cơ bản 1 gồm nội lực dotải trọng thường xuyên và một hoạt tải (hệ số tổ hợp nc =1) Tổ hợp cơ bản 2gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và nội lực các hoạt tải gây ra (hệ số tổhợp nc= 0,9) Tại mỗi tiết diện tìm được 3 cặp nội lực:

- Tổ hợp gây mô men dương lớn nhất Mmax và lực nén, lực cắt tương ứng Ntư,Vtư;

Vtư;

- Tổ hợp gây lực dọc lớn nhất Nmax và mô men, lực cắt tương ứng Mtư, Vtư;

Kết quả nội lực và tổ hợp nội lực được thể hiện trong bảng sau:

5 Kiểm tra tiết diện cột, xà

5.1 Kiểm tra tiết diện cột:

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.1 Kích thước hình học tiết diện

Trong đó - Jxa , L, lần lượt là mômen quán tính đầu xà và chiều dài nửa xà củaxà

- Jcot, H lần lượt là mômen quán tính và chiều cao của cột

Từ K dựa vào bảng 1.1 giáo trình thép trang 45 ta tìm được µ = 1,226

Chiều dài tính toán cột:

a=34,4 cm: là khoảng cách từ trọng tâm tiết diện cánh đến trọng tâm cột

Af: là diện tích của tiết diện bản cánh

=

8580,63

7,523 151,6

129,6 7,523

Max (λx; λy) = λy = 129,6⇒ Max (λx; λy) < [ λ ] (Thoả mãn)

c, Kiểm tra điều kiện cường độ

c

10725, 24 31784, 23.10

959,6 f 2100 151,6 3575,9

w

A 1,69 5, m 5, 0,63

-Kiểm tra tổng thể trong mặt phẳng uốn

được:

⇒ c

e

N 10725, 24

918,8 f 2100 A 0,077.151, 6 = = < γ =

e, Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung:cần tính trị số

momen ở 1/3 chiều cao của cột dưới kể từ phía có momen lớn hơn.Vì vậy cặpnội lực dùng để tính toán cột là tại tiết diện dưới vai cột và do các trường hợp tảitrọng) gây ra nên trị số của momen uốn tại tiết diện chân cột tương ứng là:10195,8 (daN.m) vậy trị số momen tại 1/3 chiều cao cột dưới, kể từ tiết diện vaicột:

x

m = 2,5⇒

x

β c

1α.m

= +

t = 10 = < 21 =

Vậy không phải đặt sườn ngang

5.2 Kiểm tra tiết diện xà:

* Kiểm tra tiết diện tại nách khung

Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.4 Kích thước hình học tiết diện

Trong đó mx là độ lệch tâm tương đối

Giả thiết độ lệch tâm là 0,15

Ta có M= M0 +N.e = 32715,72 +4746,03.0,15= 33423,12 (daN.m)

3 x

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.6 Kích thước hình học tiết diện

- Đặc trưng hình học tiết diện xà:

Bảng 5.7 Đặc trưng hình học tiết diện

b, Kiểm tra điều kiện cường độ

Trong đó mx là độ lệch tâm tương đối

Giả thiết độ lệch tâm là 0,15

Ta có M= M0 +N.e = 9755,82 +1865,64.0,15= 10035,7(daN.m)

3 x

56,62 54.99

900

175 175

Hình 6.1 Chi tiết chân cột

số ψ = 0,75 (vì ứng suất dưới bản đế phân bố không đều )

Cường độ Rb,loc (Cường độ ứng suất chịu nén tính toán cục bộ của bê tôngmóng )=>Rb,loc= α φb.Rb= 1.1,2.115= 138 daN/cm2

Để tính chiều dày bản đế, tính ứng suất tại biên mỗi ô bản

2

= 24,6/33,9 = 0,9 có hệ số α

b

=0,107

Trong đó a

2

là chiều dài biên tự do, b

2 chiều dài cạnh vuông góc với biên tự doM=0.107.54,99.33,9

2 = 5085,8 daN.cm-Ô 2 (Bản kê 2 cạnh kề nhau)

Do chiều dày dầm đế tsđ = 12 mm nên chiều cao nhỏ nhất của đường hàn góc hf

= 6mm, chọn hf = 7mm, chiều cao dầm theo điều kiện truyền lực

Tải trọng gây uốn gần đúng phân bố đều, có giá trị bằng

6 80

2 )

- Tính toán sườn ngăn

Sườn ngăn như dầm côngxôn , ngàm tại bản bụng cột nên nhịp dầm bằng 24,6

cm Vì lân cận sườn ngăn, ứng suất dưới bản đế có phần chịu nén và phần chịunên chỉ có phần ứng suất nén gây uốn cho sườn.Gần đúng, coi tải trọng phân bốđều, giá trị σ ở giữa ô, chiều dài bằng đoạn phân bố ứng suất nén tại điểm cáchmép ngoài bản đế một đoạn ( 10,8+1,2+29,4:2)= 26,7cm

σ 41, 74 26, 7

62,53 41,74

−

=

Vậy σ = 28,43daN/cm

2

Tải trọng tác dụng lên sườn ngăn: q = 28,43.17,04 = 484,44daN/cm

* Lựa chọn tiết diện dầm vai:

- Mô men uốn và lực cắt tại tiết diện ngàm:

4

chi tiÕt 4

2 w

1 x

A là tiết diện thực của bu lông A bn=2,45 cm2

Lực kéo tác dụng vào 1 bu lông ở dãy ngoài cùng do momen và lực dọc phânvào có dấu âm nên coi tâm quay trùng với đãy bu lông phía trong cùng

1

2 1

-Khả năng chịu cắt của một bulông được tính theo công thức

Tổng chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh ngoài(kể cả sườn):

Chiều cao cần thiết của các đường hàn liên kết bản bụng cột với mặt bích(coicác đường hàn này chịu lực cắt lớn nhất ở đỉnh cột xác định từ bảng tổ hợp nộilực

Liên kết giữa cột và xà

6.4 Chi tiết nối xà tiết diện thay đổi và không thay đổi

Nội lực ở cuối xà tiết diện thay đổi

A là tiết diện thực của bu lông A bn=2,45 cm2

Lực kéo tác dụng vào 1 bu lông ở dãy ngoài cùng do momen và lực dọc phânvào có dấu âm nên coi tâm quay trùng với đãy bu lông phía trong cùng

1

2 1

=>Nên các bu lông đủ khả năng chịu lực

-Khả năng chịu cắt của một bulông được tính theo công thức

Vậy chiều dày bản bích là tbb = 10mm

Tổng chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh ngoài(kể cả sườn):

Liên kết đinh xà Phía ngoài của cột bố trí một cặp sườn gia cường cho mặt bích với kích thước

A là tiết diện thực của bu lông A bn=2,45 cm2

Lực kéo tác dụng vào 1 bu lông ở dãy ngoài cùng do momen và lực dọc phânvào có dấu âm nên coi tâm quay trùng với đãy bu lông phía trong cùng

1

2 1

-Khả năng chịu cắt của một bulông được tính theo công thức

Tổng chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh ngoài(kể cả sườn):

Chiều cao cần thiết của các đường hàn liên kết bản bụng cột với mặt bích(coicác đường hàn này chịu lực cắt lớn nhất ở đỉnh cột xác định từ bảng tổ hợp nộilực