đồ án thép 1 mẫu cho sinh viên

Tài liệu dùng cho thiết kế: • “Kết cấu thép”- Đoàn Định Kiến chủ biên- Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật • TCVN 5575 :1991 Kết cấu thép - tiêu chuẩn thiết kế • Ví dụ tính toán đồ án kết

Trường đại học kiến trúc hà nội

Khoa xây dựng

Bộ môn kết cấu thép gỗ

Đồ án thép số 1 thiết kế mạng dầm thép

Giáo viên hướng dẫn : Ths vũ trọng huy

Sĩnh viên thực hiện : nguyễn hoàng long

Lớp : 99X3

Ngày hoàn thành: : 10/5/2003

Hà nội 2003

Lời nói đầu

Đồ án kết cấu thép 1 là một trong những đồ án môn học trong chương trình

đào tạo kỹ sư hệ chính quy của trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Việc làm đồ án đã giúp cho sinh viên nắm vững và hệ thống tốt hơn kiến thức học được trên lớp

Trong quá trình làm đồ án em đã được sự chỉ bảo hết sức tận tình của Thầy giáo Ths Vũ Trọng Huy, em vô cùng biết ơn về sự chỉ bảo của Thầy Song do sự tiếp thu kiến thức còn hạn chế nên có thể sẽ không tránh khỏi những sai sót Em mong muốn được sự chỉ bảo của Thầy nhiều hơn nữa để hoàn thiện thêm kiến thức bản thân

Em xin chân thành cảm ơn

B Nội dung tính toán

I.Tính toán kích thước bản sàn theo điều kiện cường độ và biến dạng

II Tính toán thiết kế dầm phụ:

1.Chọn sơ đồ tính

2 Xác định tải trọng tính toán

3 Xác định nội lực tính toán

4 Chọn kích thước tiết diện dầm

5 Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ và biến dạng

III.Tính toán thiết kế dầm chính

1.Chọn sơ đồ tính

2 Xác định tải trọng tính toán

3 Xác định nội lực tính toán

4.Thiết kế tiết diện dầm

5 Thay đổi tiết diện dầm

6 Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện cường độ và biến dạng

7 Tính liên kết cánh với bụng dầm

8 Kiểm tra ổn định của dầm

9 Tính toán các chi tiết khác của dầm

b Tính liên kết dầm phụ với dầm chính

f

=

250 1

f

=

400 1

Theo tiêu chuẩn TY 14-1-3023-80 có cường độ tính toán

Phần thể hiện: Dùng bản vẽ khổ A1:

Tài liệu dùng cho thiết kế:

• “Kết cấu thép”- Đoàn Định Kiến (chủ biên)- Nhà xuất bản khoa học và

kỹ thuật

• TCVN 5575 :1991 Kết cấu thép - tiêu chuẩn thiết kế

• Ví dụ tính toán đồ án kết cấu thép 1( trường đại học kiến trúc Hà Nội)

Chính vì thế tính toán sàn thép là xác định chiều dày thép làm bản sàn và nhịp của bản sàn

1)Các bước tiến hành :

Xác định chiều dày bản ,nhịp dầm phụ l

Bố trí nhịp dầm phụ theo đúng tỉ lệ l/svà khoảng cách đều theo kích thước

Thiết kế thực tế cần theo 1 số phương án khác nhau Tính toán và chọn phương án hợp lí hơn(là phương án làm bản và

hệ dầm có lượng thép ít hơn mà cấu tạo kết cấu không phức tạp)

2)Xác định kích thước bản sàn:

Kinh nghiêm thiết kế cho thấy rằng dùng nhiều dầm mà bản mỏng thì lượng thép làm kết cấu sẽ ít hơn là bản dày và ít dầm

Với hệ dầm xác định ,để chọn kích thước hợp lí của bản sàn (gồm nhịp và chiều dày bản)thì có thể dựa vào đồ thị quan hệ giữa

q,l/s,[f/l] hoặc biểu thức xác định gần đúng giá trị của tỉ số giữa nhịp lớn nhất và chiều dầy bản sàn:

ì

0 0

1 0

s

s

q n

E 72 1 15

n 4 δ l

Trong đó :

s s

1 − ν

υ: Hệ số Poatxông

Từ các dữ liệu trên ặ

s s

3)Tính toán và kiểm tra:

q tc = ( tc + tc) 1

Trong đó :

ptc :hoạt tải tiêu chuẩn

gtc =7850 δ(tĩnh tải tiêu chuẩn)

m p n g n

p

tc g

tt = ( + ) 1

Trong đó ;

ng : hệ số vượt tải của tĩnh tải

np : hệ số vượt tải của hoạt tải

*sơ đồ tính:

Trong cấu tạo bản sàn được hàn với dầm Khi tải trọng tác dụng lên sàn thì bản chịu uốn và bị biến dạng (bị võng)

Đường hàn bản với dầm giữ không cho bản sàn biến dạng xoay của bản tại các gối(tại chỗ hàn)vì vậy tại các gối tựa sẽ phát sinh lực kéo H và mô men âm làm giảm mô men nhịp cho bản >Trong tính toán bỏ qua mômen âm mà chỉ xét ảnh hưởng của lực kéo H (để thiên về an toàn)

Xét dải bản 1m ặcoi như dầm đơn giản có hai gối tựa cố

định,chịu tải trọng phân bố đều có sơ đồ tính như hình vẽ

f H l q

+

= 1

0 max

M M

Trong đó;

α 1

1 f

.l q 384

5 f

1

4 s tc

0 =

α được xác định bằng tỉ số giữa lực kéo H và lực tới hạn ơle và

được xác định theo phương trình

2 o 2

δ

f 3 α)

H lực tác dụng tại gối tựa của bản được tính theo công thức

l

f 4

π

2 2

=

α

1

1 f

f 0 Với [f] độ võng cho phép xác định theo bảng I.3 phụ lục I “kết cấu thép 1”

*Kiểm tra theo điều kiện cường độ;

σ =

W

M A

A diện tích tiết diện Khi cả hai điều kiện trên được thoả mãn ta tính toán liên kết cho bản vào dầm

b)Tính toán liên kết

chiều cao đường hàn được xác định theo công thức

γ

β ) ( g min

h R

H

h ≥

Chú ý:

Khi tính võng tính với qtc

* Tính toán dầm phụ :

Nội dung thiết kế gồm các vấn đề:

Chọn tiết diện dầm(chọn loại thép hình làm dầm) Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về : Độ bền

Cấu tạo và tính toán các chi tiết của dầm

1)Chọn tiết diện của dầm hình :

c

1000 500

b

1000 1000

1000 1000 1000

3

500 1000 1000

dầm chính dầm phụ

mặt bằng truyền tải vào 1 dầm phụ

Sơ đồ tính là dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều như hình vẽ

Trong đó gtc,ptc là tĩnh tải và hoạt tải tiêu chuẩn

gtcbt tải trọng tiêu chuẩn bản thân Chú ý :

Trong trường hợp chưa có tải trọng bản thân thì nhân hệ số 1,02 đối với tất cả các trường hợp tải trọng để tiến hành lựa chọn tiết diện được sát hơn

*Tải trọng tính toán

qtt=ptc.a.np+gtc.a.ng+gtc

bt.ng (kg/m2)

c)H×nh d¹ng tiÕt diÖn

Tuú theo tÝnh chÊt lµm viÖc cña dÇm mµ chän tiÕt diÖn cho phï hîp

I :Khi dÇm chÞu uèn ph¼ng [ :Khi dÇm chÞu uèn xiªn

2

q.l

Qmax =

e)KÝch th−íc tiÕt diÖn

Tõ ®iÒu kiÖn bÒn cña cÊu kiÖn chÞu uèn tÝnh m«men chèng uèn cña tiÕt diÖn theo:

Sau khi tính được Wyc ta dựa vào bảng qui cách thép cán sẵn ,chọn loại thép hình có tiết diện phù hợp với sơ đồ và tính chất làm

chọn

2)Kiểm tra tiết diện chọn:

Mômen lớn nhất :

8

2

.l q

M max = tt Lực cắt lớn nhất :

2

.l q Q

tt

= max

a)Kiểm tra bền

*Theo điều kiện chịu uốn:

các giảm yếu thì không cần kiểm tra điều kiện chịu uốn Trường hợp trái lại thì cần kiểm tra điều kiện uốn theo công thức

giảm yếu nếu có)của tiết diện cần kiểm tra γ:hệ số điều kiện làm việc của vật liệu

R:cường độ tính toán của thép làm dầm

*Kiểm tra theo điều kiên chịu cắt

.γ R δ

J

.S Q

b x

x

≤

= maxmax

Trong đó:

b

Chú ý:

Nếu bản bụng dầm tại tiết diện bị giảm yếu tại vị trí kiểm tra bởi các bu lông đinh tán hay do nguyên nhân khác thì giá trị trên cần nhân với hệ số α=a.(aưd)

Với a: khoảng cách tâm hai lỗ đinh

*Kiểm tra bản bụng dầm chịu ứng suất cục bộ

Khi có lực tập trung tác dụng ở cánh trên của dầm mà tại đó bản bụng không có sườn đứng gia cường thì cần kiểm tra điều kiện bền của bản bụng theo công thức

γ.R z.δ

P σ

b

Trong đó : P: giá trị lực tập trung cục bộ Z=b+2t: chiều dài vùng nén cục bộ qui ước b: chiều dài thực tế truyền tải trọng tập trung lên dầm t: chiều dày bản cánh thép hình

b)Kiểm tra võng

Dầm đ−ợc thiết kế cần đủ độ võng để trong suốt quá trình sử dụng không võng quá độ võng qui định

Độ cứng đ−ợc kiểm tra theo công thức

Nếu dầm chọn có tiết diện không thoả mãn điều kiện bền

và võng thì chọn tiết lớn hơn và tiến hành tính toán và kiểm tra lại

c)Kiểm tra ổn định tổng thẻ dầm hình

.R , W

M σ

cn d

95 0

≤

=

ϕ max

Trong đó :

các tiết diện giảm yếu)lấy với cánh nén

d

1 d

1 0,21.

0,68 0,85⇒ ϕ = + ϕ ≤

Giá trị ϕ1 đ−ợc xác định theo công thức

R

E l

h J

J ψ.

o x

1 =  

ϕ

kết của dầm ở gối tựa ,vào dạng và vào vị trí của tải trọng tác dụng lên dầm,vào tham số α

Với dầm chữ I thì tham số α đ−ợc xác định theo công thức:

2 54

J ,

y xn

Trong đó :

H: chiều cao tiết diện dầm

(Khoảng cách giữa hai điểm cố kết cánh chịu nén không cho chuyển vị ngang)

cơ sở tính toán :

Do hệ dầm phụ đỡ toàn bộ sàn chịu tải trọng do sàn truyền vào Dầm làm việc chỉ chịu uốn nên ta chọn tiết diện dầm chữ I đối xứng do có mômen kháng uốn đối với trục x-x lớn nên thích hợp với sự làm việc chịu uốn phẳng

Tải trọng không lớn lắm nên dầm hình có đủ khả năng chịu lực nên ta dùng dầm định hình để làm dầm phụ cho hệ dầm sàn sẽ có hiệu quả kinh tế cao do nó có những −u điểm nh− sau:

Cấu tạo đơn giản Chi phí chế tạo dầm không lớn và do đó giá thành dầm hình không cao hơn giá thành dầm tổ hợp

III.tính toán dầm chính

*Khi nhịp và tải trọng lớn(L>12m,q>2000daN/m).Nếu dùng dầm hình thì hoặc không đủ bền hoặc không đủ cứng hay không đảm bảo điều kiện tổng thể và nếu đảm bảo được các yêu cầu đó thì nặng

nề tốn thép trong trường hợp đó dùng dầm tổ hợp sẽ có hiệu quả kinh tế hơn

*Trình tự thiết kế dầm tổ hợp bao gồm các bước sau:

Chọn tiết diện dầm Kiểm tra tiết diện chọn về cường độ ,độ cứng,độ ổn định Thay đổi tiết diện dầm

Cấu tạo và tính toán các chi tiết của dầm(liên kết cánh với bụng,nối dầm,sườn đầu dầm…)

tt tt

dc

tc dc

tc dc tc

dc

g L

p n q

g L

p n q

+

=

+

=

Trong đó :

n số lượng tải tập trung đặt vào 1 nhịp của dầm chính L:nhịp dầm chính

b)Lựa chọn sơ đồ tính

Tuỳ theo quan niệm về tải trọng là tập trung hay phân bố ta có các sơ đồ tính toán tương ứng

Và ứng với mỗi sơ đồ ta có các biểu đồ nội lực tương ứng(cong hay gãy khúc)

Các sơ đồ và biểu đồ nội lực như hình vẽ Tải phân bố

Chiều cac dầm quyết định mức độ kinh tế của tiết diện dầm được chọn(bởi các kích thước khác phụ thuộc rất chặt chẽ vào chiều cao dầm)

Chiều cao tiết diện dầm được chọn phù hợp và phải đảm bảo các

hmax) Chiều cao tiết diện phải thoả mãn biểu thức sau:

max min h h h

l f

l E

192 1 4 6765

74 8063

, , , =

q n

b

M k h

δ

. max

‘KÕt cÊu thÐp”

ÆTõ c¸c ®iÒu kiÖn trªn ta chän chiÒu cao ®−îc chiÒu cao dÇm

h d ≈h kt

cho tØ sè :

100 ữ

=

b b

h

δ

*Chọn chiều dày bản bụng

Chiều dày bản bụng chọn phải thoả mãn các điều kiện sau:

+)Thoả mãn điều kiện chịu cắt (đảm bảo bản bụng đủ khả năng chịu lực cắt lớn nhất tác dụng lên dầm)

b c

Q

, 5 max1

≥

δ

Trong đó:

h:Chiều cao bụng dầm +)Thoả mãn điều kiện ổn định cục bộ (đảm bảo cấu kiện không mỏng quá không cong vênh)

theo công thức kinh nghiệm như sau:

, cm

b ≥ 0 8

δ

*Chon kích thước tiết diện cánh dầm:

Cơ sở để chọn kích thước cánh dầm là dựa vào mômen quán tính của dầm bằng tổng mômen quán tính của bụng dầm và cánh dầm

2 3

2 3

3

2 12 2

2

2 12

12 2

c

b b d yc c

c

c c c c b c

b b b

d yc

yc d

c b d

h

h h

W b

h b

b J

h J

h W J

J J J

.

.

.

.

.

δ δ

δ

Sau khi có được diện tích cánh ta tiến hành chọn kích thước cánh theo một trong hai cách sau:

-Giả thiết δcặbc -Giả thiết bcặδcKhi chọn bề rộng cánh dầm cần chú ý tới các yêu cầu sau:

liên kết dầm theo phương ngang với các cấu kiện khác theo phương ngang và để đảm bảo ổn định tổng thể cho dầm)

=30.2=60(cm)(với dầm tiết diện đối xứng ,để ứng suất pháp phân bố

đều theo chiều rộng cánh chịu kéo cũng như đảm vảô ổn định cục

bộ cho thanh chịu nén)

30,2 2300

2,1.10 R

*Mục đích:

Để tiết kiệm thép ,giảm trọng lượng dầm ặkhi thiết kế nên giảm tiết diện dầm tại vị trí có mômen uốn bé

*Đặc điểm :

Việc thay đổi tiết diện dầm làm tăng chi phí chế tạo dầm nên chỉ

có hiệu quả kinh tế đối với dầm có nhịp L>10 m,các dầm có nhịp nhỏ nếu thay đổi tiết diện sẽ làm tăng giả thành chung của dầm

*Các phương án thay đổi tiết diện dầm:

Giảm chiều cao ở gối tựa (làm cho cấu tạo dầm phức tạp hơn) Giảm bề rộng cánh dầm (cách này hay được dùng ):Có thể giảm tiết diện theo các cách

-Giảm bề rộng cánh dầm ở nhiều vị trí (giảm nhiều lần) -Giảm dần dần(giảm liên tục) theo chiều dài dầm

Chú ý:

-Thường với dầm đơn giản nhịp L≤30 m chỉ nên giảm tiết diện một lần,vì nếu thay đổi nhiều lần thì các lần sau lượng thép giảm không được nhiều mà cấu tạo lại phức tạp

=

Từ điều kiện bền chịu uốn của tiết diện x,xác định mômen kháng uốn cần thiết

1 1 1

d

c

h b

b b

mm b

≥

≥

+)Cách 2:

khác không thay đổiặtìm vị trí đặc biệt

2

) (

.

2

2 12

2

.

2 1

3 1

1 1

1 1

x L x q M

h b

h J

h

J W

R W M

c b c b

b d

=

=

=

δ δ

δ γ

dầm

3)Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợp

a)Theo điều kiện bền:

+)Theo ứng suất pháp(tại vị trí chỉ có mômen tác dụng,lực cắt bằng không)

γ

.

R W

M σ

Wx :Mômen kháng uốn của tiết diện với trục x

R : Cường độ tính toán của thép

γ : Hệ số điều kiệnlàm việc +)Theo ứng suất tiếp(tại vị trí có lực cắt Q,còn mômen bằng không M=0)

γ δ

J

S Q

≤

=

Trong đó : Q: Lực cắt tại tiết diện kiểm tra

+)Theo ứng suất tương đương(vị trí có đồng thời lực cắt Q và mômen M)

b

c x

d

b x td

S J Q h

h W M

R

δ τ

σ

τ σ σ

1 1

1 1

1

1 1

2 1

2

1 3 1 15

.

,

=

=

≤ +

=

Trong đó:

+)Kiểm tra khi có lực tập trung:

Khi có lực tập trung tác dụng lên cánh dầm mà không có sườn gia cường thì cần kiểm tra bền bản bụng

b x

S J Q h

h W M

δ τ

σ

1 1

1 1

1

1 1

-Sườn đứng cần được liên kết với bản bụng dầm(hàn hay đinh tán hoặc bu lông) trên suốt chiều cao của bản bụng

b)Kiểm tra võng(theo TTGH 2)

tc 4 384

5

= max

Với dầm 1 nhịp hai gối tựa cố định:

E.J

.l P f

tc

max 48

3

=

Với dầm conson:

E.J

.l P

max 3

3

=

c)Kiểm tra ổn định của dầm tổ hợp

*ổn định tổng thể của dầm

Nguyên nhân : Khi tải trọng đạt giá trị tới hạn ặdầm vị mất ổn

định tổng thể ,mặt phẳng bị uốn xoay 1 góc ϕ và dịch chuyển 1 khoảng ∆ nào đó ặdầm làm việc ở chế độ uốn xoắn nên khả năng chịu lực giảm nhanh chóng ặcấn kiểm tra ổn định

.R , W

M σ

cn d

95 0

≤

=

ϕ max

Trong đó :

tiết diện giảm yếu)lấy với cánh nén

h J

J ψ.

o x

1 =  

ϕ

kết của dầm ở gối tựa ,vào dạng và vào vị trí của tải trọng tác dụng lên dầm,vào tham số α

Với dầm chữ I thì tham số α đ−ợc xác định theo công thức:

c c

b c

c

c o

.δ b

.a δ h

b

.δ l α

(Khoảng cách giữa hai điểm cố kết cánh chịu nén không cho chuyển vị ngang)

b

b , ,

b , , b

l

c

c c

c c

+

=

δ δ

0

δ=1 khi dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi

δ lấy theo bảng 7 TCVN 5574-91.Khi dầm làm việc trong môi trường đàn hồi dẻo

*ổn định cục bộ của cánh dầm

-Coi bản cánh nén của dầm nhe một bản chữ nhật dài tựa trên một cạnh dài là bản bụng dầm.Chịu ứng suất nén đều trên tiết diện vuông góc với cạnh dài của bản

-Mất ổn định là bản bụng bị cong vênh ra khỏi mặt phẳng

ứng suất tới hạn với cánh nén của dầm

2

25

o o

o

c o

b b b

b E

R:cường độ tính toán của thép E:môdul đàn hồi của thép -Độ mảnh quy ước giới hạn có giá trị như sau:

[ ]λb = 3, 2 Tải trọng tĩnh

[ ]λb = 2, 2 Tải trọng động

dưới ứng suất tiếp trước khi dầm mất khả năng chịu lực về bền

ặNếu dầm thiết kế có λb ≥[ ]λb thì cần gia cường các cặp sườn ở hai bên bụng dầm

Kích thước sườn như sau:

Khoảng cách giữa hai sườn(a) lấy

2 3

Chiều cao sườn lấy băng khoảng cách trong của hai cánh dầm

*Kiểm tra sau khi gia cướng sườn

+)Theo ứng suất tiếp:

Sau khi gia cường thì độ mảnh giới hạn quy ước của bụng dầm

được tăng lên

[ ]λb = 3, 5 Tải trọng tĩnh

[ ]λb = 2, 5 Tải trọng động Vậy khi dầm thiết kế có các cặp suờn đứng có khoảng cách đảm bảo

(a≤ 2 h o Khi λb f 3 , 2vàa≤ 2 , 5 h o Khi λb ≤ 3 , 2) đồng thời thoả

tra ổn định cục bộ của bản bụng nữa

+)Mất ổn định của bụng dầm dưới ứng suất pháp Những vùng dầm chủ yếu chịu mômen uốn

Dưới tác dụng của ứng suất pháp vùng chịu nén của bản bụng dầm bị phồng ra ngoài mặt phẳng chịu uốn của dầm

2

b kp

b

o ≥ 5, 5

bị mất ổn định dưới ứng suất pháp

Để khắc phục hiện tượng này ta gia cường thêm cặp sườn ở vùng chịu nén của bụng và phải kiểm tra từng ô theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép

+)ổn định ô bụng dưới tác dụng đồng thời ứng suất pháp và ứng suất tiếp

ứng suất tới hạn của bản bụng chịu đồng thời ứng suất pháp và ứng suất tiếp nhỏ hơn ứng suất giới hạn của riêng từng trạng thái ứng suất)

-Trường hợp không có lực tập trung cục bộ tác dụng ở cánh nén

1

2 2

σ

Trong đó

b b

o d o

h Q h

h W M

δ τ

σ σ

Chú ý :

-Nếu trong phạm vi ô kiểm tra mà mômen và lực cắt đổi dấu thì giá trung bình của chúng lấy trên phần ô có giá trị tuyệt đối lớn hơn Các giá trị σo và τo xác định nh− sau:

, ,3 1 0762 2

2 0

b

kp

λ

R C

σ =

(SGK “Kết cấu Thép”) phụ thuộc t =

Ray cầu chạy đ−ợc hàn chắc chắn

Thì kiểm tra ổn định theo công thức

σσ

σσ

ττ

Trong đó:

M ≤ σ : σcb = R.γ

.z σ

Q

b b

, ,3 1 0762 2

Tiªu chuÈn kÕt cÊu thÐp ph©n thµnh c¸c tr−êng hîp sau:

>2 th× lÊy b»ng 2

.

C1

4)TÝnh liªn kÕt b¶n c¸nh vµo b¶n bông:

*)Khi kh«ng cã lùc tËp trung côc bé:

Lùc t¸c dông lªn ®−êng hµn (Theo h×nh vÏ trªn)

.

.

.

min

c g

S Q R

cb

S = τ + ρ

2 2

S Q R

d

c g

h

.

min γ β

5)TÝnh to¸n c¸c chi tiÕt kh¸c

γ τ

σ

σtd = + 2 ≤ R g h.

1

2 1

Gi¶ thiÕt : (β.Rg)min lµ βh.Rgh

h h h

h g

h h h

h g

d

b h

g

l h A

l h W

A Q

h

h M M W M

2 3

.

)

(

2

1 1

* 1 1

* 1 1

β β τ σ

( )

12

2 12

2

3 1

3 1 1 1

b s

s

s s

b b s

s q

x C J

x C

b F

δ δ

δ δ

δ δ δ

.

.

−

+ + +

=

+ + +

=

12 12

3 1 3 1

b s

s z

b s

s q

C b J

C b

F

δ δ

δ δ

.

.

V q

γ ϕ

J r r h

=

=

λ

c TÝnh liªn kÕt s−ên ®Çu dÇm vµo bông dÇm:

h g

h

l R

h g h

R ) min ;

chiÒu cao ®−êng hµn