thuyết minh đồ án thép khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

Các giả thiết đơn giản hoá khi giải khung Tính khung nhằm mục đích xác định nội lực khung: mômem uốn, lực cắt, lực dọc trong các tiết diện khung.. Việc tính khung cứng có các thanh rỗng

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN THÉP KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

Yêu cầu thiết kế: Khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp.

Các số liệu của nhà:

+ Nhà công nghiệp 1 tầng có nhịp L = 30m

+ Bước cột: B = 6m

+ Chiều dài nhà: 15B = 156 = 90m

+ Cao trình đỉnh ray: HR = 8.5m

+ Aùp lực gió tiêu chuẩn: W0 = 55daN/m2

+ Chiều cao cửa mái: hcm = 2.3m

+ Chiều cao đầu dàn: h0 = 2.2m

+ Độ võng của dàn: f = 1 30 0.3

+ Loại ray thích hợp: KP70

+ Cao trình từ đỉnh ray đến đỉnh xe con : H1 = 2.4m

+ Nhịp cầu trục: Lct = 28.5m

+ Bề rộïng dầm cầu chạy: Bct = 6.3m

+ Khoảng cách tim ray đến mép ngoài: B1 = 0.28m

+ Khoảng cách hai bánh xe dầm cầu chạy: K = 5m

+ Khoảng cách an toàn từ cánh dưới của dàn đến vị trí cao nhất của xe con:

c = 0,1m

+ Aùp lực bánh xe lên cầu trục lớn nhất : Pmax = 25.5T

+ Aùp lực bánh xe lên cầu trục bé nhất : Pmin = 7.8T

+ Trọng lượng xe con : Gxc = 8.5T

+ Số bánh xe : no = 2

+ Trọng lượng dầm cầu trục : Gdcc = 46.5T

+ Chiều cao tiết diện ray : hr = 0.15m

+ Chiều sâu chôn móng : (hm) = 1.5m

+ Khoảng cách từ mép ngoài cột đến tâm trục định vị cột: a = 0.25m (a phụ thuộc vào chế độ làm việc của cầu trục)

+ Khoảng cách từ trục định vị đến tâm ray:



  

 (L-Lct) = 0.5(30-28.5) = 0.75m

Vật liệu:

+ Dùng thép CT34 có: f = 2100KG/cm2, fv = 1500KG/cm2, E = 2.1106KG/cm2

+ Bulông cấp độ 5.8 có: ftb = 2100KG/cm2, fvb = 1500KG/cm2, fcb =3400KG/cm2

+ Que hàn N42 có: f = 2100KG/cm2, fwf = 1800KG/cm2

+ Dùng phương pháp hàn tay nên βf 0.7;βs 1

+ Trọng lượng riêng của thép: thép = 7.85T/m3

+ Bê tông móng đá 12, cấp độ bền B20 có: Rb = 11.5MPa, Rbt = 9MPa

I THÀNH LẬP SƠ ĐỒ KẾT CẤU

Từ số liệu yêu cầu thiết kế là loại khung nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp, chịutải trọng cầu trục lớn do đó chọn sơ đồ khung có liên kết dàn, cột là liên kết cứngvà dàn khung hình thang có mái dốc

SƠ ĐỒ KHUNG 1 NHỊP

II XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG NGANG NHÀ

1 Xác định kích thước theo phương đứng

2 Xác định kích thước theo phương ngang

a Chiều cao tiết diện cột trên

ht = (121 ÷81 )Ht =(121 ÷81 )3.6 = (0.30.45)

 chọn ht = 0.5m

Với Ht – Khoảng cách từ vai cột đến trục thanh cánh dưới của dàn vì kèo

b Chiều cao tiết diện cột dưới

+ Theo điều kiện cấu tạo ta chọn:

hd = a +  = 0.25 + 0.75 = 1m+ Kiểm tra theo điều kiện độ cứng của khung:

III XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

* Tải trọng tác dụng lên dàn

Lớp vữa láng làm phẳng và tạo dốc 100 1.3 130

Trọng lượng bản thân kết cấu chịu

lực: vì kèo, dàn cửa mái, hệ giằng 40 1.1 44

+ Tổng tải trọng tính toán : Gtt

0 = 538 KG/m2 = 5.38KN/m2

+ Độ dốc của mái: i = 10%   = arctg i = arctg 0.1 = 5.7

+ Tải trọng tính toán quy đổi về tải trọng phân bố đều trên diện tích mặt bằng

gtt

o = Gtto

cosα = o

5.38cos 5.7 = 5.407KN/m2

+ Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang

Gtt

m = Bgtt

o = 65.407 = 32.44KN/m

2 Hoạt tải

Đối với mái panel BTCT tra TCVN 2737-1995 có:

+ Tải trọng tạm thời Ptc

o = 0.75KN/m2,hệ số vượt tải n= 1.2+ Hoạt tải tác dụng lên khung ngang (tải trọng tính toán quy đổi trên diện tích mặt bằng)

Ptt

m= nBPott = 1.260.75 = 5.4KN/m

3 Tải trọng đứng lớn nhất (D max ) và nhỏ nhất (D min ) của cầu trục tác dụng lên vai cột

+ Aùp lực của bánh xe cầu trục

Aùp lực bánh xe truyền qua dầm cầu trục thành lực tập trung đặt vào vai cột Khi xe con chạy về một phía của cầu trục, lực truyền xuống phía đó là

Dmax, còn đầu kia là Dmin

Để xác định tải trọng đứng của cầu trục truyền xuống cột ta tiến hành vẽ

+ Tra phụ lục 13 ta có áp lực bánh xe cầu trục:

Pmax = 255KN ; Pmin = 78KN+ Tính áp lực Dmax và Dmin

y1 = 0.78

6000

5000 6000

y1 = 0.17

i=1 i 3

y = y1 + y2 + y3 = 1 + 0.78 + 0.17 = 1.95Vậy:

Dmax = nncPmax 

i=1 i 3

y = 1.10.92551.95 = 492.3KN

Dmin = nncPmin 

i=1 i 3

y = 1.10.9781.95 = 150.58KNVới:

n – Hệ số vượt tải, n = 1.1

nc – Hệ số làm việc cấu kiện, nc = 0.9

y

Khi cầu trục hoạt động nếu xe con đang chạy mà hãm lại tạo ra lực hãm

ngang Aùp lực ngang trên 1 bánh xe

Ttt

o =  xc

o

0.05 Q + GnTrong đó:

no – Số bánh xe cầu trục một bên ray, no = 2

Gxc – Trọng lượng xe con, Gxc = 85KN (tra phụ lục 13)  Ttt

o = 0.05 200 + 85 2  = 7.125KNVậy:

T = 1.10.97.1251.95 = 13.75KN

5 Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang

Vùng xây dựng ở Đồng Nai Địa hình tương đối trống trải, có một số vật cản thưa thớt cao không quá 10m  ta chọn dạng địa hình B Giá trị áp lực giótiêu chuẩn Wo = 55daN/m2 = 0.55KN/m2

+ Theo TCVN 2737 - 95 Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm:

- Gió thổi lên mặt tường dọc được chuyển về thành lực phân bố trên cột khung

- Gió thổi trong phạm vi mái, từ cánh dưới dàn vì kèo trở lên, được chuyển về thành lực tập trung tại cao trình cánh dưới dàn vì kèo

+ Tải trọng gió phân bố đều ở phía đón gió

qd

w = nWokocBTrong đó:

Cao trình đáy vì kèo: HA = Hd + Ht = 9.25 + 3.6 = 12.85m

n = 1.3

c - Hệ số khí động ở phía đón gió, c = +0.8

ko - Hệ số kể đến áp lực gió theo độ cao và địa hình  tra bảng lấy dạng địa hình B ứng với độ cao  15m, lấy ko1 = 1.08

 qd

w = 1.30.551.080.86 = 3.71KN/m+ Tải trọng gió phân bố đều ở phía hút gió

qh

w = nWokoc’BVới:

c’ - Hệ số khí động ở phía hút gió, c = -0.5

 qh

w = 1.30.551.08(-0.5)6 = -2.32KN/m

b Lực tập trung gió tác dụng lên dàn

+ Tải trọng tập trung ở phía đón gió

Wd = nWoktbB c hi i

Cao trình đỉnh mái: HB = Hd + Ht + ho + (tg5.79) + hcm + (tg5.76)

= 9.25 + 3.6 + 2.2 + 0.9 + 2.3 + 0.6 = 18.85m

 tra bảng lấy dạng địa hình B ứng với độ cao  20m, lấy ko2 = 1.13

Trong khoảng từ cao độ cánh dưới dàn đến đỉnh mái, hệ số k được lấy trung bình của các giá trị nêu trên :

ktb = ko1 ko2

2

 = 1.08 1.13

2

 = 1.105

 Wd = 1.30.551.1056(0.82.2 - 0.70.9 + 0.72.3 - 0.80.6) = 10.71KN

+ Tải trọng tập trung ở phía hút gió

Wh = nWoktbB c h,i i

= 1.30.551.1056(-0.52.2 - 0.60.9 - 0.62.3 - 0.60.6) = -16.02KN

IV XÁC ĐỊNH NỘI LỰC TRONG KHUNG NGANG

1 Các giả thiết đơn giản hoá khi giải khung

Tính khung nhằm mục đích xác định nội lực khung: mômem uốn, lực cắt, lực dọc trong các tiết diện khung Việc tính khung cứng có các thanh rỗng như giàn ,cột khá là phức tạp, nên trong thực tế đã thay sơ đồ tính toán thực của khung bằng sơ đồ đơn giản hoá, với các giả thiết sau:

- Thay giàn vì kèo bằng dầm ngang đặc có độ cứng tương đương đặt tại cao trình cánh dưới dàn, thay cột dưới (rỗng) bằng thanh đặc có độ cứng tương đương

- Chiều cao cột tính từ đế cột đến đáy giàn vì kèo Nhịp tính toán là khoảng cách giữa hai trục cột trên.

- Khi tính với các tải trọng thẳng đứng đặt trực tiếp lên dầm ngang thì bỏ quachuyển vị ngang ở đầu cột ( = 0)

- Khi tính với các tải trọng không đặt trực tiếp lên dầm ngang thì xem dầm ngang cứng vô cùng, tức là không có chuyển vị ngang ở nút khung (EJ3 =  

a Xác định nội lực biểu đồ (1-a)

Gọi K là tỷ số về độ cứng giữa dầm ngang và cột

2 tt m

LG12K

Tra bảng Tab 1.2.1 ta có: A

122.14

b Xác định nội lực biểu đồ (1-b)

Tra bảng Tab 1.2.3 ta có:

A B C D

+ MC = -203.05 + 86.98 = -116.07KNm+ MD = -203.05 - 34.67 = -237.72KNm

- Lực cắt và lực dọc trong biểu đồ M1

Q1 = Q(1-a) + Q(1-b) (KN)

N1 = N(1-a) + N(1-b) (KN)

- Gía trị của lực cắt (Q) bằng độ dốc của biểu đồ moment (M)

- Từ biểu đồ lực cắt (Q) suy ra biểu đồ lực dọc (N)

 Biểu đồ nội lực do tĩnh tải mái gây ra

3.Tính nội lực do hoạt tải mái

Tỷ số giữa hoạt tải và tĩnh tải mái:

m =

tt m tt m

Hoạt tải P 5.4 0.17Tĩnh tải G 32.44 (Nội lực của hoạt tải mái bằng 0.17 lần nội lực của tĩnh tải mái)

8.27

Q 2

(KN)

a Xác định nội lực trong biểu đồ M∆

+ Moment lệch tâm trong cột

Khoảng cách từ tâm cột dưới đến tâm dầm cầu chạy:

e = hd

2 = 2

1 = 0.5m

M = D e = 150.580.5 = 75.29KNm

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: A

b Xác định biểu đồ nội lực MoP

Tra bảng Tab 1.2.3 ta có:

A B C D

* Giá trị moment bên cột phải:

+ MA = KAMmin = 0.36475.29 = 27.41KNm+ MB = KBMmin = -0.13575.29 = -10.16KNm+ MC = KCMmin = -0.71575.29 = -53.83KNm+ MD = KDMmin = 0.28575.29 = 21.46KNm

c Lập phương trình chính tắc do chuyển vị ∆ gây ra

r11 + R1P = 0   = 1P

11

Rr

d Gía trị nội lực của biểu đồ M3 = M∆  ∆ + MoP

* Giá trị moment bên cột trái:

54.93

118.52 1.51

20.36 71.25

5 Tính nội lực do tải trọng đứng cầu trục (D max bên phải ; D min bên trái)

- Tính nội lực trong biểu đồ M4: ta lấy đối xứng biểu đồ nội lực M3 ta được giá trị và biểu đồ nội lực M4

174.9

3.78 47.17

-1.7 1.7

18.74 18.75

18.74 18.75

6 Tính nội lực do tải trọng ngang của cầu trục đặt tại cột bên trái

+ Sơ đồ tải trọng:

a Giá trị nội lực của biểu đồ M∆

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: A

Ta có:

A B C D

+ MA = KA(-T)h = -0.078(-13.75)12.85 = 13.78KNm + MB = KB(-T)h = -0.105(-13.75)12.85 = 18.55KNm

+ MA = KA(-T)h = 0.07(-13.75)12.85 = -12.37KNm + MA = KA(-T)h = 0.08(-13.75)12.85 = -14.14KNm

c Hệ số chuyển vị ∆

* Lập phương trình chính tắc:

r11 + R1P = 0   = 1P

11

Rr

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: '

 = 1P

11

Rr

1

1950 0.0104EJ 18.55 1.73KNmEJ

1

1950 0.00031EJ 12.37 12.97KNmEJ

1

1950 0.002EJ 14.14 18.04KNmEJ

1

1950 0.0104EJ 20.28KNmEJ

1

1950 0.00031EJ 0.6KNmEJ

1

1950 0.002EJ 3.9KNmEJ

 Lực cắt và lực dọc trong biểu đồ M5

1.73

0.6 3.9 20.28

(KNm)

+ -

0.73 5.46

-0.73

-+ 8.3

5.46

7 Tính nội lực do tải trọng ngang của cầu trục đặt tại cột bên phải

- Tính nội lực trong biểu đồ M6: ta lấy đối xứng biểu đồ nội lực M5 ta được giá trị và biểu đồ nội lực M6

1.73

18.04 12.97

63.7 49.92

0.6 3.9

a Giá trị nội lực của biểu đồ M

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: A

Tra bảng Tab 1.2.5 ta có:

A B C

+ Mc = Kcq dw h = 0.0333.7112.852 2 = 20.22KNm

* Giá trị moment bên cột phải:

+ MA = KAq hw h = -0.105(-2.32)12.852 2 = 40.22KNm + MB = KBq hw h = -0.053(-2.32)12.852 2 = 20.3KNm

+ Mc = Kcq wh h = 0.033(-2.32)12.852 2 = -12.64KNm

c Xác định hệ số chuyển vị 

* Lập phương trình chính tắc:

r11 + R1P = 0   = 1P

11

Rr

Tra bảng Tab 1.2.2 ta có: '

 = 1P

11

Rr

23.62 16.04 81.6 93.77

9 Xác định nội lực do tải trọng gió thổi từ phải qua trái

- Tính nội lực trong biểu đồ M8: ta lấy đối xứng biểu đồ nội lực M7 ta được giá trị và biểu đồ nội lực M8

3.71KN/m 2.32KN/m

10.71KN/m 16.02KN/m

M 8

345.1 321

23.62 16.04

81.6 93.77

M 8

(KNm)

+ -

+ -

57.05 47.19

5.85 5.85

V TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CỘT

- Chiều dài hình học các cột: Hd 9.25m, hd 1m;Ht 3.6m, ht 0.5m

- Liên kết khung nhà, cột liên kết với móng ở đầu dưới và với tường ngang (dàn hoặc dầm) ở đầu trên Các liên kết này là liên kết ngàm

1 Xác định nội lực và chiều dài tính toán

a Xác định nội lực trong cột

Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn ra cặp nội lực nguy hiểm nhất để tính toán + Tại cột trên (tiết diện I) cặp nội lực |N|max - Mtư dùng thiết kế cột có giá

trị:

M = -483.08KNm ; N = -569.3KN + Tại cột dưới (tiết diện IV)

- Nhánh cầu trục (Nnh

b Xác định chiều dài tính toán

* Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung xác định riêng cho từng phần cột

- Tỷ số độ cứng đơn vị giữa hai phần cột trên và cột dưới (n)

* Chiều dài tính toán được xác định cho từng đoạn cột như sau:

- Chiều dài tính toán của các phần cột trong mặt phẳng khung (theo

+ Cột dưới:

l1oy = Hd = 9.25m+ Cột trên:

L2oy = Ht - h = 3.6 - 0.6 = 3mdcc

2 Thiết kế tiết diện cột trên

a Chọn tiết diện cột trên

Tiết diện cột trên chọn dạng chữ H đối xứng Hình dạng này đơn giản cho chế tạo Tiết diện cột được ghép từ 3 bản thép, với chiều cao tiết diện đã chọn trước ht 0.5m

Ta có: N = -569.3KN ; M = -483.08KNm

+ Độ lệch tâm của tải trọng

e = M 483.08 0.85m

N  569.3 

Sơ bộ giả thiết hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện   và diện tích yêu

cầu của tiết diện tính theo công thức gần đúng:

N - Lực dọc trong tiết diện cột trên

 - Hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện, lấy  = 1.25

R - Cường độ tính toán của thép, R = 210MPa = 21 kN/cm2 c

 - Hệ số điều kiện làm việc của cột, lấy c = 1

* Chọn sơ bộ tiết diện cột trên:

+ Bề rộng bản cánh:

* Kiểm tra tiết diện cột trên đã chọn

Tính các đặc trưng hình học của tiết diện

+ Moment quán tính của tiết diện đối với trục x và y (J ,J ):x y

x

b c

46.4 1.82

2



 + Bán kính quán tính của tiết diện:

x x

Chọn min = min(x, y) = y = 42.63

+ Độ mảnh quy ước:

b Kiểm tra tiết diện đã chọn

+ Kiểm tra độ bền của cột trên

   (lt - Hệ số uốn dọc của cấu kiện đặc chịu nén lệch tâm, phụ thuộc vào độ lệch tâm qui đổi m1 và độ mảnh qui ước  )

Do m1 < 20, cột bị phá hoại về ổn định Khả năng ổn định của cột nén lệch tâm không chỉ phụ thuộc vào độ mảnh mà còn chịu ảnh hưởng của hình dạng tiết diện và của moment uốn ở một hoặc cả hai mặt phẳng chứa hai trục chính của tiết diện cột

- Ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung của cột được kiểm tra theo công thức:

Với m1 = 6.7 > 5   = 0.9 (tra phụ lục 7/133 sách HDĐA của Ngô Vi Long)

- Hệ số ảnh hưởng của moment

Với m = 4.78 < 5 nên hệ số kể đến ảnh hưởng của moment uốn và hình dạngtiết diện đối với ổn định của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung là C đượcxác định:

c Kiểm tra độ ổn định cục bộ của tiết diện

+ Đối với bản cánh

+ Đối với bản bụng

Do khả năng chịu lực của cột xác định theo điều kiện ổn định tổng thể trong

mặt phẳng khung nên tỷ số giới hạn h /  được xác định:b b

Với  = 1.35 > 0.8 và m = 4.78 > 1 ta có:

3 Thiết kế tiết diện cột dưới

Do cầu trục có sức trục lớn nên cần thiết phải mở rộng tiết diện cho phù hợp với kích thước cầu chạy, cho nên cột dưới sử dụng cột rỗng

Cột dưới của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp này có tiết diện không đối xứng, bao gồm hai nhánh: nhánh ngoài (nhánh mái) và nhánh trong (nhánh cầu trục) Nhánh ngoài dùng tổ hợp của 1 bản thép và 2 thép góc Nhánh trong dùng tiết diện tổ hợp từ 3 bản thép

Do cột dưới có lực cắt lớn nên dùng hệ bụng dạng thanh giằng Các thanh giằng là thép góc bố trí theo hệ tam giác có thanh ngang Trục thanh giằng hội tụ

ở trục nhánh cầu trục và ở trục của nhánh mái

a Tính toán, chọn tiết diện nhánh và xác định các đặc trưng hình học

Khi chịu uốn quanh trục rỗng x-x, cột rỗng làm việc như một dàn hai cánh song song Việc chọn tiết diện xuất phát từ điều kiện bền của từng nhánh riêngrẽ Moment uốn Mx và lực dọc N của cột gây ra lực dọc Nnh trong các nhánh cột Xác định Nnh cho từng nhánh riêng rẽ.

Dựa vào bảng tổ hợp nội lực chọn ra được cặp nội lực nguy hiểm cho từng nhánh:

- Đối với nhánh cầu trục:

C = hd = 1m+ Khoảng cách giữa các mắt của hệ thanh bụng: l = a = 0.965mox

+ Khoảng cách từ trục trọng tâm toàn bộ tiết diện tới nhánh cầu trục (x-x đến

- Tính lực nén lớn nhất trong mỗi nhánh

+ Lực nén lớn nhất trong nhánh cầu trục:

- Chọn và bố trí tiết diện mỗi nhánh

Giả thiết hệ số ổn định  = 0.8 ta có diện tích tiết diện yêu cầu cho từng nhánh riêng rẽ

+ Diện tích tiết diện nhánh cầu trục:

ct x ct

- Chọn tiết diện nhánh mái:

Nhánh mái được tổ hợp từ hai thép góc đều cạnh và một thép bản

+ Chọn thép góc:

Ta có : L = bc 200 100mm

 chọn 2 thép góc L10014 có:

xg yg 2

- Các đặc trưng hình học của nhánh mái

+ Mômen quán tính của nhánh mái đối với trục x2 – x2:

 2

2 3

2 m

2 oy

- Đối với toàn bộ tiết diện cột dưới

+ Diện tích tiết diện của cột dưới:

- Đặc trưng hình học toàn cột dưới

+ Moment quán tính toàn tiết diện với trục trọng tâm x - x:

- Xác định hệ thanh bụng

Bố trí hệ thanh bụng xiên và ngang, khoảng cách giữa các nút giằng lox = a =0.965m, thanh giằng hội tụ tại trục nhánh

+ Chiều dài của thanh giằng xiên:

 Tra bảng 4.6 trang 201 KCT1 ta có: k = 28

+ Chọn thanh giằng xiên là một thép góc L 756 có:

Ftx = 8.73cm2, rtx = 2.89cm

+ Chọn thanh giằng ngang thép góc L 505 có: Ftn = 4.8cm2

(tra bảng 1.5/287 KCT1)+ Độ mảnh quy ước của cột dưới: