Bai giang Môn học: Kết cấu nhà thép

NỘI DUNG GỒM: Lý thuyết (45 tiết) vàĐồ án Lý thuyết, có các chương: Chương 1: Kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng Chương 2: Kết cấu thép nhà nhịp lớn Chương 3: Kết cấu thép nhà cao tầng Chương 4: Kết cấu thép bản BÀI 1.ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP I.Đặcđiểm chung Nhà công nghiệp một tầngđượcsử dụng rộng rãi trong công trình xây dựng công nghiệp. Kết cấu có thể làkhung liên hợp (cột BTCT và và vì kèo thép) hoặctoàn thép (tất cả kết cấu sử dụng bằng thép). Cầu trục là yếu tốảnh hưởng lớn nhấtđến sự làm việc của kết c ấu (tải trọngđộng, lặp và gây hiện tượng mỏi).

Môn học: Kết cấu nhà thép

PGS.TS Võ Thanh Lương

Bộ môn: Xây dựng Nhà và CTCN Tel: 0913217722

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Tài liệu tham khảo:

CHƯƠNG 1:

KẾT CẤU THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

BÀI 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP

Nhà công nghiệp, khung thép dàn mái thép

Nhà công nghiệp, khung thép (cột và xà ngang)

Nhà công nghiệp, cột BTCT mái sử dụng kết cấu thép

- Đối với xưởng sản xuất nhỏ, xưởng cơ khí lắp ráp, sửa chữa thiết bị:

+ Chế độ làm việc nhẹ: (15% thời gian sử dụng)

+ Chế độ làm việc trung bình: (20% thời gian sử dụng)

- Đối với dây chuyền sản xuất lớn, xưởng chế tạo kết cấu và xưởng cán thép, luyện kim

+ Chế độ làm việc nặng: (40-60% thời gian sử dụng)

+ Chế độ làm việc rất nặng: (hơn 60% thời gian sử dụng)

II Các yêu cầu khi thiết kế khung ngang

- Đảm bảo điều kiện thông gió và chiếu sáng cho nhà: liên quan đến nhịp nhà, nhịp cửa trời và chiều cao cửa kính

2 Yêu cầu về kinh tế

- Chi phí thép và công chế tạo thấp (giá thành vật liệu, chế tạo

MỘT VÀI HÌNH ẢNH

VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

Khung nhà công nghiệp

Kết cấu khung nhà công nghiệp

Khung nhà công nghiệp

Kết cấu khung nhà công nghiệp

Kết cấu khung nhà công nghiệp

Khung nhà xưởng

Khung nhà xưởng

BÀI 2 CẤU TẠO NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

I Bố trí hệ lưới cột

Xuất phát từ điều kiện sử dụng vật liệu, công nghệ và các thiết bị máy móc như số lượng cầu trục, chế độ làm việc và còn tính đến khả năng thay đổi công nghệ trong tương lai

- Nhịp khung: Thường lấy các giá trị 12,0m, 18,0m, 24,0m, 30,0m, 36,0m hoặc các nhịp có kích thước 21,0m, 27,0m

- Bước cột: Thống nhất môdun là 6,0m (loại 6,0m, 12,0m); khi chọn bước cột cần so sánh phương án (sử dụng bước cột B=12m khi nhịp L>30m, chiều cao H>15m, sức trục Q>30t)

Các yêu cầu khác:

+ Khe nhiệt độ: khoảng cách giữa các khe lấy không quá 200m;

+ Đầu hồi trục cột cần lùi vào 0,5m để bố trí sườn tường và

để tấm panen mái không bị hụt đầu

+ Cột kề cần khe nhiệt độ cũng lùi vào 0,5m

Mặt bằng bố trí lưới cột nhà một nhịp

Mặt bằng bố trí lưới cột nhà nhiều nhịp

Mặt bằng bố trí lưới cột nhà nhiều nhịp

1 Sơ đồ khung ngang

- Hệ khung một nhịp hoặc nhiều nhịp phụ thuộc kiến trúc của nhà

- Kết cấu chính của khung nhà, gồm cột (cột đặc, cột rỗng có tiết diện thay đổi hoặc không thay đổi), xà ngang (giàn kèo hoặc dầm) với liên kết (khớp hoặc liên kết cứng)

II Kích thước khung ngang

Sơ đồ khung ngang (khung một nhịp)

Pmin Pmax Pmax Pmin

Sơ đồ khung ngang (khung nhiều nhịp)

Pmax Pmin

Sơ đồ khung ngang (khung nhiều nhịp)

Sơ đồ khung một nhịp (đầu cột khớp hoặc cứng)

Sơ đồ khung một nhịp (chân cột khớp hoặc ngàm)

2 Kích thước chính của khung một nhịp

a) Kích thước theo phương đứng:

- Chiều cao sử dụng, (H)

Tính từ mặt nền đến cánh dưới vì kèo (hoặc xà ngang), phụ thuộc yêu cầu công nghệ; lấy bội số của 1,2m khi H<10,8m Ngược lại, lấy bội số 1,8m

H=H1+H2

- Khoảng cách từ mặt nền đến cao độ mặt ray cầu trục (H1)

Cao trình ray được lấy theo nhiệm vụ thiết kế

- Chiều cao cột dưới, khoảng cách mặt ray cầu trục đến mép dưới vì kèo hoặc xà (H2)

H2=Hc+100mm+

trong đó: Hc - kích thước từ mặt ray đến điểm cao nhất của cầu trục;

100mm - khe hở an toàn giữa cầu trục và vì kèo;

 - kích thước xét đến độ võng của vì kèo và việc bố trí hệ giằng thanh cánh dưới, thường  =200400mm;

Phụ thuộc vào kích thước cầu trục, lấy môđun là 0,2m

- Chiều cao cột trên, từ vai đỡ dầm cầu trục đến mép dưới vì kèo (Ht)

Ht=H2+Hdcc+Hr trong đó: Hdcc - chiều cao dầm cầu trục, Hdcc=(1/81/10)B;

Hr - chiều cao tổng cộng ray và đệm, phụ thuộc cầu trục, lấy

Hr = 200mm;

Hd - chiều cao thực của cột dưới, từ mặt móng đến vị trí thay đổi tiết diện,

Hd=H - Ht + H3

H3 - phần cột chôn dưới cao trình nền H3=6001000mm;

Ho - chiều cao đầu giàn phụ thuộc vào chiều cao vì kèo tại gối tựa

b) Kích thước theo phương ngang:



d t

Kích thước chi tiết theo phương ngang

- Khoảng cách từ mép ngoài cột đến trục định vị, (a)

a = 0 Nhà không có cầu trục hoặc chiều cao thấp với cầu trục bé Q<30t

a = 500mm Nhà có cầu trục lớn hơn Q>75t hoặc chế độ làm việc nặng cần bố trí lối đi ở giữa cột trên

a = 250mm Cho các trường hợp còn lại

- Chiều cao cột trên, (ht)

Chiều cao cột trên lấy từ (1/10-1/12) chiều dài đoạn cột trên

- Chiều cao cột dưới, (hd)

Chiều cao cột dưới lấy từ (1/15-1/20) chiều dài đoạn cột dưới

trong đó: B1 - Phần đầu cầu trục từ ray đến mép ngoài;

D - Khe hở an toàn giữa đầu cầu trục và mép cột; D = 60-75mm Trị số  được lấy như sau:

 = 750mm khi nhà có cầu trục Q<75t;

 = 1000mm khi nhà có cầu trục Q>75t;

 = 1250mm khi nhà có cầu trục rất nặng, có lối đi ở cột trên;

3 Kích thước của khung nhiều nhịp

Khung nhiều nhịp có cùng độ cao, việc xác định kích thước theo phương đứng và phương ngang lấy như trên; ở cột giữa trục định vị trùng với trục cột, bề rộng cột dưới bd = 2

Khi khung nhiều nhịp có độ cao khác nhau, việc xác định kích thước riêng lẻ làm theo cách trên, bề rộng cột dưới

bd=+’;

Do yêu cầu sử dụng, hai nhịp lân cận có tường ngăn cách thì

’> a+bt+B1+D+450 mm

III Hệ giằng nhà công nghiệp

* Tác dụng:

- Đảm bảo độ cứng không gian của nhà (do cấu kiện bằng thép có tiết diện thường nhỏ và có độ mảnh lớn);

- Tăng ổn định tổng thể của các cấu kiện;

- Chịu tải trọng gió tác dụng ở đầu hồi và lực hãm ngang cầu trục;

1 Hệ giằng ở mái

Hệ giằng mái nhà công nghiệp

Hệ giằng mái nhà công nghiệp

a) Hệ giằng trong mặt phẳng cánh trên

Hệ giằng cánh trên

Bố trí theo phương ngang tại hai đầu hồi, đầu khối nhiệt độ và giữa nhà, hình thức tạo thành hệ chữ thập ngoài ra còn có thanh chống dọc nóc tạo điều kiện cho thi công lắp ghép

b) Hệ giằng trong mặt phẳng cánh dưới

Hệ giằng cánh dưới

- Hệ giằng ngang cấu tạo và bố trí tại vị trí giằng cánh trên (cùng với giằng cánh trên tạo thành khối cứng tại hai đầu hồi và giữa nhà và làm điểm tựa cho hệ sường tường đầu hồi và tiếp thu tải trọng gió - hệ giằng còn gọi là giàn gió),

- Hệ giằng dọc bố trí dọc theo đầu cột (truyền lực hãm cục bộ của cầu trục phân phối sang khung lân cận, chỉ áp dụng cho nhà

có cầu trục lớn

- Khoảng cách bố trí các hệ giằng dọc:

Không quá 60m - nhà có cầu trục làm việc chế độ nặng;

Không quá 90m - các nhà khác;

c) Hệ giằng đứng

Hệ giằng đứng (đầu giàn, giữa giàn)

Bố trí trong mặt phẳng thanh đứng cùng với hệ giằng khác tạo khối cứng bất biến hình và làm điểm tựa cho các giàn khác Theo phương ngang nhà khoẳng cách giữa các giằng đứng từ 12m đến 15m Theo phương dọc nhà giằng đứng bố trí tại vị trí

có giằng cánh trên và giằng cánh dưới

d) Hệ giằng cửa mái

Bố trí tương tự hệ giằng mái, tuy nhiên chỉ có giằng cánh trên

và giằng đứng

2 Hệ giằng cột

Hệ giằng cột nhà công nghiệp

Hệ giằng cột

- Đảm bảo độ cứng dọc nhà và ổn định cho cột

- Hệ giằng cột trên (bố trí ở trục cột), hệ giằng cột dưới (bố trí

ở hai nhánh cột), nhận lực gió đầu hồi và lực hãm dọc của cầu trục

- Khoảng cách từ đầu hồi đến hệ giằng <75m, khoảng cách hệ giằng trong khối nhiệt độ <50m, khi nhà dài >120m cần bố trí đối xứng

- Khi B<12m cấu tạo dạng chữ thập, khi cột cao phải chia đôi

có thanh chống phụ, góc nghiêng thanh giằng là 350-550

3 Đặc điểm tính toán hệ giằng

Wd

T

W W W/2

W

W/2

Sơ đồ tính hệ giằng mái nhà công nghiệp

W/2

T W/2

T

kd kd kd kd kd kd kd kd kd kd

Sơ đồ tính giằng dọc nhà công nghiệp

- Giằng ngang: Do được cấu tạo để chịu tải trọng gió ở đầu hồi và hệ sườn tường truyền vào, sơ đồ tính như giàn chịu tải trọng ngang với thanh cánh là thanh cánh giàn chính, các thanh

bụng chữ thập khi chịu lực có một thanh kéo và một thanh nén,

bỏ qua thanh nén coi như giàn tĩnh định

- Giằng dọc: Coi như giàn liên tục gối trên gối tựa đàn hồi là các khung ngang, hệ số đàn hồi được xác định bằng chuyển vị đầu khung

- Giằng cột: Được tính như giàn gió chịu lực hãm dọc do cầu trục và tải trọng gió ở đầu hồi

Các thanh giằng được chọn theo độ mảnh giới hạn [] = 400 đối với thanh kéo, [] = 200 đối với thanh nén, liên kết giàn và giằng dùng bulông 1820

BÀI 3 TÍNH TOÁN KHUNG NGANG

- Khi góc nghiêng xà và cột nhỏ coi xà nằm ngang

7 10

I   , d

t cot

II Tải trọng tác dụng lên khung

1 Tải trọng thường xuyên

Gồm trọng lượng bản thân kết cấu, trọng lượng mái và trọng

lượng hệ giằng và được đưa về phân bố đều trên xà ngang

o

q q B

qo - tải trọng tính toán phân bố đều trên mặt bằng

a) Tải trọng các lớp vật liệu trên mái

b) Trọng lượng kết cấu mái và hệ giằng

Tính trên diện tích mặt bằng nhà (kN/m2), theo kinh nghiệm:

1,2 - hệ số kể đến trọng lượng thanh giằng;

c) Trọng lượng kết cấu cửa trời

Tính trên diện tích mặt bằng nhà (kN/m2), được lấy theo kinh

ct ct

g  L , trong đó: ct - hệ số , ct =0,005; L ct - nhịp cửa trời, m Hoặc trọng lượng kết cấu cửa trời quy về lực tác dụng có thể lấy từ 0,12  0,18 kN/m2 mặt bằng nhà

d) Trọng lượng dầm cầu trục đặt tại vai cột

- Lấy theo kinh nghiệm:

P P

G G

q = q Bo

Sơ đồ tính khung với tải trọng thường xuyên

2 Tải trọng cầu trục

Gồm trọng lượng vật nặng (sức trục Q), trọng lượng bản thân cầu trục và xe con chạy trên cầu trục, tải trọng tác dụng lên khung theo phương thẳng đứng thông qua phản lực tại vai cột

P

y =11

P P

Xác định tải trọng cầu trục

Dùng lý thuyết đường ảnh hưởng xác định lực lớn nhất Dmaxtác dụng lên cột bằng cách cho bánh xe di chuyển đến vị trí bất lợi nhất

Tải trọng này tính cho hai cầu trục hoạt động trong một nhịp, khi tính cho nhà nhiều nhịp không quá bốn cầu trục hoạt động trong hai nhịp

Khi một phía có áp lực lớn nhất Dmax tác dụng, tương ứng phía bên kia lực tác dụng lên vai cột là lực bé nhất Dmin tác dụng

trong đó: n - hệ số vượt tải; n c - hệ số tổ hợp xét đến xác suất xảy ra đồng thời tải trọng tối đa của nhiều cầu trục, phụ thuộc sức trục và chế độ làm việc của cầu trục; yi - tổng tung độ đường ảnh hưởng phản lực gối tựa tại vị trí có bánh xe cầu trục;

Pmax - áp lực lớn nhất của một bánh xe cầu trục lên ray khi xe con mang vật nặng vào vị trí sát cột phía đó, trị số tiêu chuẩn

Pmax được lấy theo Catalô cầu trục

Pmin - tương ứng phía bên kia, áp lực xe con lên ray nhỏ nhất;

cột dưới một khoảng là e (e - khoảng cách trục dầm cầu trục và

trục cột dưới), khi thiết kế thường giả thiết e = (0,45  0,55)hd,

đối với cột giữa thì e = 0,5hd;

Xác định tải trọng cầu trục

Khi cầu trục hoạt động còn sinh ra áp lực ngang do xe con hãm Lực hãm thông qua bánh xe cầu trục truyền lên dầm hãm

vào cột bằng phản lực tựa dầm hãm, gọi là T Lực T xác định tương tự như Dmax và Dmin

o

T T

n





ở đây: Q - sức trục của cầu trục, tính theo đơn vị lực; G xc - trọng

lượng xe con; n xc - tổng số bánh xe của xe con; n’ xc - Số bánh xe

hãm; thông thường n’ xc = 0,5n xc ; f - hệ số ma sát được lấy;

f = 0,1 đối với móc mềm, f = 0,2 đối với móc cứng

Sơ đồ tính khung với tải trọng cầu trục tác dụng

T

T

3 Tải trọng tạm thời trên mái

Gồm trọng lượng do người và thiết bị, vật liệu dùng để sửa chữa mái khi hư hỏng được lấy theo TCVN 2737-1995

Sơ đồ tính khung với hoạt tải mái tác dụng

4 Tải trọng gió

Được lấy theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995

- Tác dụng lên tường dọc đưa về phân bố đều trên cột khung

- Gió tác dụng lên mái kể từ cánh dưới vì kèo trở lên đưa thành lực tập trung đặt ngang cao trình đáy vì kèo

a) Tải trọng gió tính toán tác dụng lên khung

Tải trọng gío tác dụng lên khung

b) Khi gió phân bố lên cột khung chiều cao lớn hơn 10m

Gió phân bố không đều và thay bằng lực phân bố đều theo công thức:

2

2

td

M q

III Tính nội lực khung

1 Các phương pháp tính nội lực khung

Để tính nội lực khung có thể dùng một trong các phương pháp của cơ học kết cấu

p p p

X X X

b) Phương pháp thực dụng tính khung

Các giả thiết đơn giản hoá tính toán:

- Bỏ qua biến dạng của xà ngang, nếu thoả mãn điều kiện:

   ,

ở đây:

I1 - mômen quán tính phần cột dưới;

I2 - mômen quán tính phần cột trên;

Ixa - mômen quán tính của giàn:

- Thay giàn bằng một xà ngang đặc có độ cứng tương đương đặt tại cao trình cánh dưới vì kèo, với mômen quán tính tương đương:

xa t t d d

I  A Z  A Z 

At, Ad - diện tích thanh cánh trên và thanh cánh dưới giàn;

Zt, Zd - khoảng cách từ trọng tâm tiết diện thanh cánh trên và thanh cánh dưới giàn tại tiết diện giữa nhịp;

 - hệ số kể đến độ dốc thanh cánh trên và sự biến dạng của các thanh bụng giàn, (i=1/8 thì =0,7; i=1/10 thì =0,8; i=0 thì

=0,9)

- Để tính khung, giả thiết trước mômen quán tính của giàn, cột dưới và cột trên theo các công thức sau:

max d xa

M h I

 - hệ số kể đến biến dạng của thanh bụng giàn, phụ thuộc góc nghiêng của thanh cánh, xác đinh như trên;

NA - lực dọc tại tính toán tại chân cột do tải trọng mái gây ra;

Dmax - áp lực do cầu trục; k1 - hệ số, k1=2,5  3,0 khi bước cột 6m, k1 = 3,2  3,8 khi bước cột 12m; k2 - hệ số , k2=1,2  1,8 khi giàn liên kết cứng, k1=1,8  2,3 khi liên kết khớp

- Nhà nhiều nhịp có chiều cao như nhau có thể bỏ qua chuyển

vị ngang đầu cột và tính như thanh không chuyển vị;

- Khung đối xứng, tải trọng tác dụng lên khung gần đối xứng,

có thể bỏ qua chuyển vị ngang

- Khi tính toán hệ khung phức tạp, cho phép tách riêng từng phần chính phụ để tính toán phần phụ, sau đó truyền lực lên phần chính

c) Tính khung bằng phần mềm SAP2000

2 Các trường hợp chất tải khung

a) Tải trọng thường xuyên đặt trên xà ngang

2,05 kN/m

8,22 kN8,22 kN

Tải trọng thường xuyên đặt trên xà ngang (tĩnh tải)

b) Tải trọng cầu trục

178,5 kN 53,3 kN

89,25 kNm 89,25 kNm

178,5 kN 53,3 kN

89,25 kNm 89,25 kNm

Áp lực đứng cầu trục lên cột trái và cột phải

Áp lực ngang cầu trục lên cột trái và cột phải

c) Hoạt tải mái

2,35 kN/m 2,35 kN/m

Hoạt tải mái (nửa trái và nửa phải)

Hoạt tải gió (gió trái và gió phải)

3 Nội lực khung cho các trường hợp chất tải

a Tính khung với tải trọng đặt trên xà ngang:

- Phương trình chính tắc:

r   R 

Trong đó:

r 11 - Tổng phản lực ở các nút khung khi xoay góc =1;

R 1p - Tổng phản lực tại nút khung do tải trọng ngoài;

- Trị số mô men cuối cùng trong hệ siêu tĩnh bằng mô men trong hệ cơ bản do góc xoay đơn vị nhân với  và cộng với mô men do tải trọng ngoài gây ra:

op

M  M  M ;

- Mô men lệch tâm do lệch trục cột trên và cột dưới:

.

e

M V e;

V- Phản lực đầu xà truyền lên cột;

e- Độ lệch tâm cột trên và cột dưới;

Tính khung với tải trọng xà ngang

b Tính khung với tải trọng cầu trục:

c Tính khung với tải trọng gió:

Tính nội lực khung tương tự như tải trọng cầu trục, ẩn số cũng

là chuyển vị tại nút khung:

Tính khung với tải trọng cầu trục và tải trọng gió

IV Sự làm việc không gian của nhà

T

Ảnh hưởng giằng mái đến sự làm việc không gian

Khi xác định chuyển vị ngang ở nút khung có thể kể đến làm việc đồng thời các khung phẳng; khi khung không đứng riêng lẻ, giữa chúng có các liên kết dọc nhà như hệ giằng, mái cứng, dầm cầu trục Vì vậy, khi tải trọng tác dụng lên khung nào đó, các khung lân cận cũng tham gia chịu lực

1 Ảnh hưởng của hệ giằng dọc

Hệ giằng dọc được tính như dầm liên tục gối trên gối tựa đàn

hồi dưới tác dụng của P tđ (P tđ - tổng lực cục bộ lên cột đưa về tại cao trình giằng)

Khi tính khung kể đến sự làm việc không gian của nhà,

chuyển vị đầu khung sẽ giảm đi:  kg kg và lực đặt lên khung

i kg td

trong đó: kg    1   '(  1)

2 Ảnh hưởng của mái cứng

Khi tính khung kể đến sự làm việc không gian của nhà, chuyển vị đầu khung sẽ giảm đi:  kg kg

+ m = 0,95, nhà hai ba nhịp có hoặc không có cửa trời

 - tỷ số giữa lực tác dụng lên khung thứ hai với lực tác dụng

lên cả ba khung:

max

P D

   .