đồ án kết cấu thép 2

Đồ án kết cấu thép 2; Do sức nâng của cầu trục không lớn nên chọn phương án tiết diện cột không đổi, với độ cứng là I1. Vì nhịp của khung L = 27 m, nên chọn phương án xà ngang có tiết diện thay đổi hình nêm, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 4,5 m. Với đoạn xà 4,5 m (tiết diện thay đổi), độ cứng ở đầu và cuối xà là I1 và I2. Với đoạn xà 9 m (tiết diện không đổi), độ cứng là I2. Giả thiết sơ bộ tỷ số I1I2 = 2,8. Do nhà có cầu trục nên chọn kiểu liên kết giữa cột và móng là ngàm tại mặt móng (cốt  0.000).

q tt x

M = x, max q B

tt x

M = y, max q B

tt y

tc m

995,0

5,13,0074,0

5,13,1.3,005,1.074,0

tc m g

tc m

αγ

Hình 1.2 Sơ đồ tính và biểu đồ mômen theo 2 phương x, y

1.3 Kiểm tra về cường độ

c

M M

x

q B

cm EI

PHẦN 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHUNG NGANG

2.1 Xác định các kích thước chính của khung ngang

2.1.1 Theo phương đứng

- Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang:

H2 = HK + bK = 0,87 + 0,3 =1,17 (m)

Trong đó:

HK = 0,87 m (tra catalo cầu trục);

bK = 0,33m (khe hở an toàn giữa dầm cầu trục và xà ngang)

H3: phần cột chôn dưới cốt mặt nền, coi mặt móng ở cốt ± 0.000 (H3 = 0)

- Chiều cao của phần cột tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang:

2.1.2 Theo phương ngang

- Vì sức trục < 30T nên coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột (lấy a = 0).

- Khoảng cách từ trục định vị tới trục ray cầu trục là:

( )1

2.1.3 Sơ đồ tính khung ngang

Do sức nâng của cầu trục không lớn nên chọn phương án tiết diện cột không đổi, với

độ cứng là I 1 Vì nhịp của khung L = 27 m, nên chọn phương án xà ngang có tiết diện thay

đổi hình nêm, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 4,5 m Với đoạn xà 4,5 m (tiết

diện thay đổi), độ cứng ở đầu và cuối xà là I 1 và I 2 Với đoạn xà 9 m (tiết diện không đổi),

độ cứng là I 2 Giả thiết sơ bộ tỷ số I 1 /I 2 = 2,8 Do nhà có cầu trục nên chọn kiểu liên kết giữa

cột và móng là ngàm tại mặt móng (cốt ± 0.000) Liên kết giữa cột và xà ngang và liên kết tại đỉnh xà ngang là cứng.Trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn giản hoá tính

toán và thiên về an toàn Sơ bộ tính khung ngang như hình 2.2.

Hình 2.2 Sơ đồ tính khung ngang

2.2 Tải trọng tác dụng lên khung ngang

2.2.1 Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

- Độ dốc mái i = 10% →α =5,710 (sinα = 0,0995; cosα = 0,995)

- Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm: trọng lượng của các lớp mái, trọng lượng bản thân xà gồ, trọng lượng bản thân khung ngang và dầm cầu trục

- Tải trọng mái và xà gồ được truyền xuống xà ngang dưới dạng lực tập trung đặt tại đầu các xà gồ nhưng do số lượng xà gồ nhiều nên có thể quy về tải phân bố

- Trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy 0,15 kN/m2 Tổng tĩnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang:

- Trọng lượng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1 kN/m Quy thành lực tập trung

và mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:

1,05.1.6 = 6,3 (kN)

6,3.(L1 – 0,5h) = 6,3.(0,75 – 0,5.0,55) = 2,99 (kNm)

10,197 kN6,3 kN2,99 kNm

Hình 2.3 Sơ đồ tính khung với tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

2.2.2 Hoạt tải mái

- Theo TCVN 2737-1995, trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái (mái lợp tôn) là 0,3 kN/m2; hệ số vượt tải là 1,3

- Quy đổi về tải trọng phân bố lên xà ngang: 1,3.0,3.6 2,35( / )

Hình 2.4 Sơ đồ tính khung với hoạt tải mái

2.2.3 Tải trọng gió

- Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm 2 thành phần là gió tác dụng vào cột

và gió tác dụng trên mái Theo TCVN 2737-1995, địa điểm phân vùng gió II-B, có áp lực

tiêu chuẩn W o = 0,83 kN/m2; hệ số vượt tải 1,2 Căn cứ vào dạng mặt bằng nhà và góc dốc của mái, các hệ số khí động có thể xác định theo sơ đồ trong bảng III.3 phụ lục [1] Nội suy

ta có: ce1 = - 0,357; ce2 = - 0,4; ce3 = - 0,5; k = 1,0048

- Tải trọng gió tác dụng lên cột:

Phía đón gió: 1,2.0,83.1,0048.0,8.6.1,04 = 4,99 (kN/m)

Phía khuất gió: 1,2.0,83.1,0048.0,5.6.1,04 = 3,12 (kN/m)

- Tải trọng gió tác dụng lên mái:

Phía đón gió: 1,2.0,83.1,0048.0,357.6 = 2,15 (kN/m)

Phía khuất gió: 1,2.0,83.1,0048.0,4.6 = 2,4 (kN/m)

2.2.4 Hoạt tải cầu trục

- Theo bảng II.3 phụ lục [1], các thông số cầu trục sức nâng 5T như sau:

Zmin

(mm)

Bề rộnggabarit

BK

(mm)

Bề rộng đáy

KK

(mm)

T.lượng cầu trụcG(T)

Hình 2.7 Đường ảnh hưởng để xác định D max , D min

- Từ đó xác định được áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột:

- Các lực D max và D min thông qua ray và dầm cầu trục sẽ truyền vào vai cột, do đó sẽ

lệch tâm so với trục cột là: e = L1 – 0,5h =0,75 – 0,5.0,55 = 0,475 m Trị số của các mômen lệch tâm tương ứng:

55,4 kN 26,32 kNm

D max lên cột trái

116,41 kN 55,29 kNm

55,4 kN 26,32 kNm

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

1

1,372

xe tc

2.3 Chọn sơ bộ tiết diện cột và xà – Xác định nội lực trong khung ngang

2.3.1 Chọn sơ bộ tiết diện khung

a Xác định sơ bộ tiết diện cột

* Xác định chiều dài tính toán

- Chọn phương án cột tiết diện không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột giả thiết là bằng nhau, ta có:

n n

- Vậy chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột xác định:

( )1,318.10,3 13,575

x

- Chiều dài tính toán cột theo phương ngoài mặt phẳng khung (l y) lấy bằng khoảng cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị theo phương dọc nhà (dầm cầu trục,

giằng cột, xà ngang …) Giả thiết bố trí giằng cột dọc nhà bằng thép hình chữ [ tại cao trình

+4.000, tức là khoảng giữa phần cột tính từ mặt móng đến dầm hãm, nên l y = 4 m

* Chọn sơ bộ tiết diện cột

- Chiều cao tiết diện cột chọn từ điều kiện độ cứng:

10.1,2

2125

Hình 2.10 Tiết diện cột và tiết diện đầu xà 4,5m (chọn sơ bộ)

b Xác định sơ bộ tiết diện xà tại vị trí thay đổi tiết diện

- Theo giả thiết ban đầu:

( )4 2

2

8,2

3,463798

,

I

- Chọn phương án thay đổi tiết diện dầm là giảm chiều cao, nên tiết diện tại vị trí

thay đổi các kích thước khác (b f , t f , t w) chọn giống như tiết diện cột

- Mômen quán tính theo trục x của tiết diện tại vị trí thay đổi tiết diện:

( )

2

4 2

*Biểu đồ nội lực

M

N

Nội lực do tĩnh tải

M

N

Nội lực do hoạt tải chất cả mái

M

Nội lực do hoạt tải nửa mái phải

M

N

Nội lực gió trái

M

N

Nội lực gió phải

M

N

Nội lực do áp lực đứng của cầu trục lên cột trái

M

N

Nội lực do áp lực đứng của cầu trục lên cột phải

M

N

Nội lực do lực hãm ngang của cầu trục lên cột trái

M

N

Nội lực do lực hãm ngang của cầu trục lên cột phải

4 Kiểm tra tiết diện cấu kiện

2.4.1 Kiểm tra tiết diện cột:

- Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực tính toán:

Hình 3.12 Tiết diện cột và tiết diện đầu xà 4,5m

- Đặc trưng hình học của tiết diện:

x

x

M A m

N W

+ Xác định độ lệch tâm quy đổi m e:

Tra bảng IV.5 phụ lục [1], với loại tiết diện số 5

m =ηm = = < → Không cần kiểm tra bền.

- Kiểm tra ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung:

Với λ =x 1,94và m e=7, 21; tra bảng IV.3 phụ lục [1], nội suy: φ =e 0,168

- Kiểm tra ổn định tổng thể của cột ngoài mặt phẳng khung:

+ Xác định trị số mômen ở 1/3 chiều cao cột dưới kể từ phía có mômen lớn hơn Vì cặp nội lực dùng tính cột là tại tiết diện dưới vai cột và do các trường hợp tải trọng 1,2,7,9 gây ra nên trị số của mômen uốn tại tiết diện chân cột tương ứng là:

M = 126,56 kNm+ Vậy trị số của mômen tại 1/3 chiều cao cột dưới, kể từ tiết diện vai cột:

x

x

M A m

N W

+ Do: m x = <3 5; nên ta có c αm x

β+

=

o f

b t

o

t

b t

b

thỏa

+ Với bản bụng cột:

Do m x=5,97 1> ; λ =x 1,94 2< và khả năng chịu lực của cột được quyết định bởi điều

kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn (σx >σy) nên:

(1,3 0,15 ) (1,3 0,15.1,94) 2,1.104 50,31

21

w

x w

h

.4

w w

  do vậy bản bụng bị mất ổn định cục bộ, coi như

chỉ có phần bản bụng cột tiếp giáp với hai cánh còn làm việc Bề rộng của phần bản này là:

( )

1 0,85 w 0,85.0,8.50,31 34, 21

w w

Vậy không cần thay đổi tiết diện cột và kiểm tra lại các điều kiện ổn định tổng thể

2.4.2 Kiểm tra tiết diện xà 4,5m

x

M A m

235, 23.10 53

13, 44 /1686,52 55

w x

h M

kN cm

W h

( 2)1

→ Bản bụng không bị mất ổn định dưới tác dụng của ứng suất tiếp (không phải đặt sườn cứng ngang)

→ Bản bụng không bị mất ổn định dưới tác dụng của ứng suất pháp và ứng suất tiếp (không phải kiểm tra các ô bụng ).

- Vậy tiết diện xà 4,5m đã chọn là đạt yêu cầu

2.4.3 Kiểm tra tiết diện xà 9m

- Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực tính toán:

yc x

- Chọn sơ bộ chiều dày bản bụng là t w = 0,8 cm Chiều cao của tiết diện xà xác định

từ điều kiện tối ưu về chi phí vật liệu:

yc f

Hình 3.13 Tiết diện cuối xà 4,5m và tiết diện xà 9m

- Đặc trưng hình học của tiết diện:

( )2

28.0,8 2.25.1 72, 4

x

M A m

2

2 1

94,11.10 28

798, 6 30

w x

h M

kN cm

W h

( 2)1

- Với chiều cao tiết diện cột là h = 55 cm, xác định mômen uốn và lực cắt tại chỗ liên

kết côngxôn vai cột với bản cánh cột:

- Bề rộng cánh dầm được chọn bằng bề rộng cánh cột b f dv = 25 cm Giả thiết bề rộng

sườn gối dầm cầu trục b dct = 20 cm.Chọn sơ bộ bề dày các bản cánh dầm vai là t f dv = 1 cm

Từ đó, bề dày bản bụng dầm vai được xác định từ điều kiện chịu ép cục bộ do phản lực dầm cầu trục truyền vào, theo công thức:

( ) 3 ( )

3

4

25 0,8 2825.30

dv x

dv x

24,54.10 28

798,6 30

dv w dv

x dv

h M

- Theo cấu tạo chọn đường hàn liên kết dầm vai vào cột h f = 0,6 cm

- Chiều dài tính toán của các đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh của cột xác định như sau:

Phía trên cánh (2 đường hàn): l w = 25 – 1 = 24 cm

Phía dưới cánh (4 đường hàn): l w = 0,5(25 – 0,8) – 1 ≈ 11 cm

s

Chọn: b s = 5 cm





+

≥

loc b bd loc

b bd loc

b bd

M R

B

N R

B

N L

,

2

, ,

62

- Ở trên giả thiết bê tông móng có mác B20 có Rb = 1,15 kN/cm2 và hệ số tăng cường

độ φb = 1,16; tương ứng với mặt móng có kích thước (0,4x0,8)m; từ đó xác dịnh được Rb,loc= 1,33 kN/cm2

- Theo cấu tạo và khoảng cách bố trí bulông neo, tính chiều dài của bản đế với giả

thiết c 2 = 13,2 cm và bề dày của dầm đế là 0,8 cm:

→ M 1 = αbσ1 d 1 2 = 0,0866.0,385.27,52 = 25,21 (kNcm)+ Ô2 (bản kê 2 cạnh):

a 2 = d 2 = 23,2 (cm); b 2 = 10,8 (cm); b 2 /a 2 = 10,8/23,2 = 0,47Tra bảng 2.4 [1], nội suy có: αb = 0,06

→ M 2 = αbσ2d 2 2 = 0,06.0,566.23,22 = 18,27 (kNcm)+ Vậy bề dày của bản đế xác định theo:

2,6821.1

đủ khả năng truyền lực do ứng suất phản lực của bê tông móng

- Lực truyền vào một dầm đế do ứng suất phản lực của bê tông móng:

(14 13, 75 39.0,385 416, 66) ( )

dd

- Theo cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn liên kết dầm đế vào cột là h f = 0,6 cm Từ

đó xác định chiều cao tính toán của 1 đường hàn liên kết dầm đế vào cột:

q l

( )5,74.19,1 109, 63

s s

s s

2 2

2

2 1

2 1

32.8,0

36,261332

.8,0

98,1724.6

3τσ

132.6,0

e Tính toán bulông neo

- Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực ở chân cột gây kéo nhiều nhất cho các bulông neo:

N = -14,79 kN

M = -211,73 kNm

V = 53,18 kN

- Đây là cặp nội lực đã dùng để tính toán cột, do các tải trọng 1,5 gây ra

- Tổng lực kéo trong thân các bulông neo ở một phía chân cột:

( )

2 1

- Chọn loại bulông chế tạo từ thép hợp kim thấp mác 09Mn2Si, tra bảng I.10 [1] có

f ba = 190 N/mm = 19 kN/cm2 Diện tích tiết diện cần thiết của một bulông neo:

1

290,81

3,824.19

yc bn

f Tính toán đường hàn liên kết cột vào bản đế

- Các đường hàn liên kết tiết diện cột vào bản đế được tính toán trên quan niệm mômen và lực dọc do các đường hàn bản cánh chịu, còn lực cắt do các đường hàn bản bụng chịu Nội lực để tính toán đường hàn chọn trong bảng tổ hợp nội lực chính là cặp dùng để tính toán các bulông neo

- Lực kéo trong bản cánh cột do mômen và lực dọc phân vào:

- Đây là cặp nội lực do các trường hợp tải trọng 1,2,8,11 gây ra.

a Tính toán bu lông liên kết

- Chọn bulông cường độ cao cấp bền 8.8, đường kính bulông dự kiến là d = 20 mm

(lỗ loại C) Bố trí thành 2 dãy với khoảng cách các lỗ bulông tuân thủ theo quy định.

- Phía cánh ngoài cột bố trí một cặp sườn gia cường cho mặt bích, với kích thước lấy như sau:

ftb: cường độ tính toán chịu kéo của bulông, ftb = 400N/mm2 = 40 kN/cm2;

Abn: diện tích tiết diện thực của thân bulông, Abn = 2,45 cm2

- Khả năng chịu trượt của một bu lông cường độ cao [2]:

Sườn A Sườn B

Dầm đế

[ ]N f A n f ( )kN

b b hb

7,1

25,0.1.14,3.110.7,0

A: diện tích tiết diện của thân bu lông;

γb1: hệ số điều kiện làm việc trong liên kết, γb1 = 1 do số bulông trong liên kết n

> 10;

µ, γb2: hệ số ma sát và hệ số độ tin cậy của liên kết Với giả thiết là không gia công bề mặt cấu kiện [2] nên µ = 0,25; γb2=1,7;

nf: số lượng mặt ma sát trong liên kết, n f = 1

- Theo điều 6.2.5 TCXDVN 338-2005 [3], trong trưòng hợp bulông chịu cắt và kéo đồng thời thì cần kiểm tra các điều kiện chịu cắt và kéo riêng biệt

- Lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy ngoài cùng do mômen và lực dọc phân vào (do mômen có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bulông phía trong cùng):

Mh N

- Do: N bmax = 80,27 kN < [N] tb = 98 kN nên các bulông có đủ khả năng chịu lực

- Kiểm tra khả năng chịu cắt của các bulông:

c Tính toán đường hàn liên kết tiết diện cột (xà ngang) với mặt bích

- Tổng chiều dài tính toán các đường hàn phía cánh ngoài (kể cả sườn) (hình 3.18):

đường hàn này chịu lực cắt lớn nhất ở đỉnh cột xác định từ bảng tổ hợp nội lực):

- Đây là cặp nội lực trong tổ hợp nội lực do các tải trọng 1,2 gây ra Tương tự trên,

chọn bulông cường độ cao cấp bền 8.8, đường kính bulông dự kiến là d = 20 mm (lỗ loại

C) Bố trí bulông thành 2 hàng, ở phía ngoài của 2 bản cánh xà ngang bố trí 2 cặp sườn gia cường cho mặt bích, kích thước như sau:

N h

Mh N

i b

,

N h

8 bul«ng

Ø20

- Kết hợp với cấu tạo, chọn chiều cao đường hàn h f = 0,6 cm

- Tiến hành tương tự, chọn chiều cao đường hàn liên kết bản cánh với bản bụng cột

là: h f = 0,6 cm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS Phạm Minh Hà và TS Đoàn Tuyết Ngọc (2009) Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, NXB Xây dựng.

[2] PGS TS Phạm Văn Hội (2006) Kết cấu thép công trình dân dụng và công nghiệp,

NXB Khoa học và Kỹ thuật

[3] PGS TS Phạm Văn Hội và cộng sự (2006) - Kết cấu thép (Cấu kiện cơ bản) - NXB

Khoa học và Kỹ thuật

[4] TCVN 5575 - 2012 (Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép).

[5] TCVN 2737 - 1995 (Tiêu chuẩn tải trọng và tác động).