Đồ án mẫu kết cấu thép 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG Á KHOA KT XÂY DỰNG4/Tiêu chuẩn thiết kế : Theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam 5/Địa điểm xây dựng: Khu công nghiệp Hòa Khánh-TP Đà Nẵng II/BẢNG SỐ LIỆU: Lm: 24

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG Á KHOA KT XÂY DỰNG

4/Tiêu chuẩn thiết kế : Theo các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam

5/Địa điểm xây dựng: Khu công nghiệp Hòa Khánh-TP Đà Nẵng

II/BẢNG SỐ LIỆU:

L(m): 24 D(m): 120 Hr(m): 10 Q(T): 100/20

III/NHIỆM VỤ THIẾT KẾ:

1/Bố trí mặt bằng ,mặt cắt ngang khung nhà và hệ giằng

2/Thiết kế cột khung và dàn mái

3/Tính toán cấu tạo chi tiết và liên kết cấu thép các bộ phận của khung ngang

IV/ HÌNH THỨC THỂ HIỆN :

1/Thuyết minh :

Viết tay sạch sẽ,rõ ràng kèm theo hình vẽ trên giấy A4 ,đóng tập

2/Bản vẽ: Bố trí các hình vẽ trên bản vẽ A1

THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP

Thiết kế khung ngang nhà xưởng một tầng, một nhịp có hai cầu trục sức nâng100/20 T, chế độ làm việc trun g bình, nhịp nhà L = 24 m dài 120 m; bước cột B=6 m,cao trình đỉnh ray 10 m, mái lợp Panen Bêtông cốt thép Nhà xây dựng vùng gió IIB.Vật liệu làm kết cấu chịu lực thép C CT34 Móng Bêtông cấp độ bền B15

1 CHỌN SƠ ĐỒ KẾT CẤU.

1.1 Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp (Hình 1)

Khung ngang gồm có cột và rường ngang Liên kết cột với rường ngang là cứnghoặc khớp, ở đây trong đồ án môn học ta chọn cứng cho tổng quát Cột thường là bộcthang, phần trên đặc, phần dưới đặc hoặc rỗng Dàn hình thang hai mái dốc với máilợp bằng BTCT Độ dốc từ 1/8 đến 1/12 Đồ án này chọn 1/10

1.2.Kích thước chính của khung ngang

Xác định các kích thước chính của khung, cũng như của cột, dàn, là dựa vào nhịpkhung L Bước khung B, sức nâng cầu trục Q và cao trình mặt ray H r

H - Chiều cao Gabarit cầu trục

100 – Khe hở an toàn giữa xe con và kết cấu

f = 400m – Khe hở phụ xét độ võng của kết cấu và thanh giằng lấy bằng 200 –

h = 170mm - Chiều cao ray

Chiều cao phần cột dưới:

h - Phần cột chôn dưới mặt nền lấy 600 – 1000 mm, chọn 820 mm

Bê tong phần cột trên chọn: b t  600mm không nhỏ hơn 1/12 chiều cao h t

a =500mm – Khoảng cách từ trục định vị đến mép ngoài của cột

 - Khoảng cách từ trục định vị đến trục đường ray, được xác định:

Hệ thanh bụng là loại thanh hình tam giác có thanh đứng Khoảng mắt cánh trên3000mm Bề rộng cửa trời lấy 12m (trong khoảng 0.3 – 0.5 nhịp nhà), chiều cao cửatrời gồm một lớp kính 1.5m, bậu trên 0.2m và bậu dưới 0.8m.

1.1.Tải trọng thường xuyên

a)Tải trọng các lớp mái tính toán theo cấu tạo của mái lập theo bảng sau

Cấu tạo của lớp mái Tải trọng tiêu

/

Kg m mái

Hệ sốvượt tải

Tải trọng tínhtoán KG m/ 2 mái

Đổi ra phân bố trên mặt bằng với độ dốc i = 1/10 có cos 0.995

  - Hệ số trọng lượng dàn lấy bằng 0.6 đên 0 9 đối với nhịp 24 – 36m

c)Trọng lượng kết cấu cửa trời

Có thể tính theo công thức kinh nghiệm:

g  Kg m

d)Trọng lượng cánh cửa trời và bậu cửa trời

- Trọng lượng cánh cửa (kính + khung)

Tải trọng g ct và g Kb chỉ tập trung ở những chân cửa trời

Để tiện tính toán khung, ta thay chúng bằng lực tương đương phân bố đều trên mặtbằng nhà g ct

p  Kg m mặt bằng với hệ số vượt tải n p  1.4

Tải trọng tính toán phân bố đều trên rường ngang

1.4 75 6 630 / 0.63 /

tc p

Pn p  B x x  Kg m T m

2.Tải trọng tác dụng lên cột

a)Do phản lực của dàn

Tải trọng thường xuyên

b)Do trọng lượng dầm cầu trục

Trọng lượng dầm cầu trục tính sơ bộ theo công thức:

G đặt ở vai đỡ dầm cầu trục là tải trọng thường xuyên

c)Do áp lực đứng của bánh xe cầu trục

Tải trọng áp lực thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầmcầu trục được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng của phản lực gối tựa củadầm và xếp các bánh xe của h ai cầu trục sát nhau ở vào vị trí bất lợi nhất Cầu trục100T có áp lực thẳng đứng tiêu chuẩn lớn nhất của 1 bánh xe là:

1max

2 max

42 43

100 125

43 13.3 4

d)Do lực hãm của xe con

Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương chuyểnđộng Lực hãm xe con, qua các bánh xe cầu trục, truyền lên dầm hãm vào cột

Lực hãm ngang của xe con:

Lực hãm ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe tính:

1

0

7.1 1.8 4

tc ng

3.Tải trọng gió tác dụng lên khung

Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737 – 90 Nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịpchiều cao nhỏ hơn 36m nên chỉ tính thành phần tĩnh của gió Áp lực gió tiêu chuẩn ở

độ cao 10m trở xuống thuộc khu vực IIB (có thể kể đến ảnh hưởng của gió bão):

0.569 0.518

C C

 



  

 120

5 24

h - Chiều cao từng đoạn có ghi hệ số khí động C i.

K = 1.131 ở 20.1m trong khoảng từ độ cao 14.2m đến 20.1m, dùng hệ số trungbình của K: K = 1.099

Vậy:

0

W

1.3 95 1.099 6 (0.8 2.2 0.569 0.6 0.7 2.5 0.8 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.518 2.2)4925

III.Tính nội lực khung

1.Sơ bộ chọn tỷ số độ cứng giữa các bộ phận khung

Moment quán tính dàn:

ax

2

m d d

h  cm - Chiều cao giữa giàn (tại tiết diện có M max)

 - Hệ số kể đến độ dốc cánh trên và sự biến dạng của các thanh bụng,  0.8khi i = 1/10

Vậy:

t d

d I

I   nên chọn

1

3

d I

I Các tỷ số đã chọn này thỏa mãn điều kiện:

1 1

2.Tính khung với tải trọng phân bố đều trên xà ngang

Dùng phương pháp chuyển vị, ẩn số là góc xoay  1, 2 và một chuyển vị ngang 

ở đỉnh cột Trường hợp ở đây, khung đối xứng và tải trọng đối x ứng nên   0 và

R - Tổng moment phản lực ở nút đó do tải trọng ngoài

Để tìm r11 cần tính M xa B và McotB là các moment ở nút cứng B của xà và cột khi gócxoay   1 ở hai nút khung, M B xa tính theo công thức CHKC

1

1

0.25 24

xa

d B

Từ đây về sau quy ước dấu như sau:

Moment dương khi làm căng thớ bên trong của cột và dàn Phản lực ngang làdương khi có chiều hướng từ bên trong ra bên ngoài Tức là đối với cột trái thì hướng

từ phải sang trái, ta hiểu phản lực là lực do nút tác dụng lên thanh

434.526 /

p

R

EI r

  

Moment cuối cùng ở đỉnh cột:

15.21

C

B B

Biểu đồ moment vẽ ở hình 7a

Moment phụ sinh ra ở vai cột do sự lệch của trục cột trên với trục cột dưới bằng:

2.69

e B

3.Tính khung với tải trọng tạm thời trên mái (hoạt tải)

Ta có ngay biểu đồ do hoạt tải gây ra bằng cách nhân các trị số của moment do tảitrọng thường xuyên ở biểu đồ hình 7c với tỷ số:

4.Tính khung với trọng lượng dầm cầu trục

Trọng lượng dầm cầu trục G dcc 1.73T đặt vào trục nhánh đỡ DCT và sinh ramoment lệch tâm:

dcc dcc dcc

750 2

d dcc

 (vì 2 momentnày đặt cùng 1 vị trí nhưng ngược chiều)

G vào D max,Dmin và tính luôn M max,Mmin như ở điểm 5 tiếp theo bỏ qua điểm 4 này

5.Tính khung với moment cầu trục M max,Mmin

ax

m

M ,Mmin đồng thời tác dụng ở 2 cột, M max cột trái hoặc có thể cột phải Dưới đâyxét trường hợp M max ở cột trái, Mmin ở cột phải

Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với sơ đồ xà ngang cứng vô cùng Ẩn sốchỉ còn là chuyển vị ngang của nút.

1 2

1 3

3.765 /

M M R h  EI h

Cột bên phải các trị số moment và phản lực có cùng trị số nhưng khác dấu

Biểu đồ moment vẽ ở hình 10a

3

r  R R    EI h

1 p

R - Phản lực trong liên kết thêm do tải trọng ngoài gây ra trong hệ cơ bản

Vẽ biều đồ moment do M max,Mmin gây ra dùng các công thức ở phụ lục Cũng cóthể sử dụng ngay biểu đồ moment lệch tâm M e của tải trọng mái (hình 7b) nhân với hệsố:

9.413 /

p R

h EI r

6.Tính khung với lực hãm ngang

Lực T đặt ở cao trình hãm cách vai cột 0.75m

Lực T có thể tác dụng ở cột trái hay cột phải, chiều hướng vào cột hoặc đi ra khỏicột Dưới đây giải khung với trường hợp lực T đặt vào cột trái hướng từ trái sang phải.Các trường hợp khác của T có thể suy ra từ trường hợp này

Trình tự tính toán giống như tính với M max,Mmin

Vẽ biểu đồ M do   1 gây ra trong hệ cơ bản và đã tính được:

Tính moment tại tiết diện C và A, ngoài ra tính M T ở tiết diện D (chỗ đặt T).

Ở đây tính với trường hợp gió thổi từ trái qua phải Với gió thổi từ phải qu a trái chỉviệc thay đổi trị số cột (Sơ đồ tải trọng gió ở hình 4b)

Đã có biểu đồ M do   1 gây ra trong hệ cơ bản (hình 10a) và có:

1.Xác định chiều dài tính toán của cột

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực nguy hiểm để chọn tiết diện cột là cặp M,

Các cặp khác có trị số nhỏ rõ ràng là không nguy hiểm bằng cặp đã chọn

a)Xác định trọng lượng bản thân của mỗi đoạn cột

Khi chọn tiết diện mỗi phần cột cần kể thêm trọng lượng b ản thân của cột (hoặcđoạn cột).

Đối với cột trên: N N tuN max  37.714T

Đối với cột dưới:

K   đối với cột dưới chọn K = 0.4

 - Hệ số cấu tạo, trọng lượng các chi tiết làm tăng tiết diện cột

h - Chiều dài đoạn cột

Đối với cột trên: h c  h t 5.12m

Đối với cột dưới: h c h d  9.9m

Đối với cột trên:

37714

1.4 7850 78.948 / 0.25 2100

+Nhánh mái:

156435

1.4 7850 204.669 / 0.4 2100

2

0.842

t d

2.Chọn tiết diện cột trên

Nội lực nguy hiểm cho cột trên là:

Tiết diện cột trên chọn dạng chữ H đối xứng, ghép từ 3 bản thép, với chiều cao tiếtdiện đã chọn trước.

c)Chiều rộng tiết diện b và bề dày các bản t t f, w

Dựa theo yêu cầu

512 17.067

30 30

t f

Bản bụng (60-1.6x2)x1.2 = 68.2 cm2

A = 164.2cm2

d)Kiểm tra tiết diện đã chọn

Các đặc trưng hình học của tiết diện

x x

y y

cm h

Moment tính toán khi kiểm tra ổn định ngoài mặt phẳng khung là moment lớn nhấttại tiết diện ở phần 3 cột.

Vậy c xác định theo công thức:

Trong đó  và  là các hệ số xác định theo bảng 4.9 sách “Kết cấu thép cấu kiện

Với  y  2.08  2.5   y  0.798

Điều kiện ổn định ngoài mặt phẳng khung:

Với bản bụng được kiểm tra theo công thức:

t   f  không phải đặt sườn ngang

Vậy tiết diện đã chọn như hình là thỏa mãn

3.1.Dạng tiết diện và chiều cao h của tiết diện

Cột dưới rỗng có tiết diện không đối xứ ng, bao gồm 2 nhánh: nhánh ngoài (nhánhmái) và nhánh trong (nhánh cầu trục) Nhánh ngoài dùng thép bản và 2 thép góc.Nhánh trong dùng thép cán hình chữ I hoặc dùng tiết diện tổ hợp từ 3 thép bản Do cộtdưới có lực cắt lớn nên dùng hệ bụng dạng thanh giằ ng

Chiều cao tiết diện h chính là b d đã chọn là hb d  1500mm 1.5m

Cột rỗng thanh giằng các nhánh được xác định như cột đặc chịu nén đúng tâm, với

1 , 2

f f

a)Chọn tiết diện nhánh

Xác định gần đúng khoảng cách y1 từ trọng tâm toàn tiết diện đến trọng tâm nhánh

1 và y2 đến trọng tâm nhánh 2 như sau:

Giả thiết độ mảnh của cột là:  gt 75

Từ  gt và f tra bảng II.1 phụ lục II có hệ số  sách KCT cấu kiện cơ bản

0.749

 ( 0.7 0.9  nằm trong khoảng này)

Diện tích yêu cầu các nhánh là:

1

142761

91 0.749 2100 1

f f

2 2 2

147905

94 0.749 2100 1

f f

2 1.4 25 32.2 0.8

3647 12

x

1 1

1

3647

6.17 95.8

x x

25 35 (25 0.8) 32.2

21994 12

y

1 1

21994

15.15 95.8

y y

I

A

Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng nhánh – với độ mảnh75

19.9

65.35 115.15

w

60.9

h t

116.56

i i i

Các đặc trưng hình học của tiết diện

2

1972

4.11 116.56

x x

2

16888.37

12.04 116.56

y y

116.56 146.62

80.48 95.8 116.56

x y

Sơ bộ chiều cao dầm vai bằng 800mm

Chiều cao còn lại của cột 11900 -800 =11100mm

Chia làm 6 đoạn của phần cột còn lại

Thanh giằng hội tụ tại trục nhánh

Chiều dài thanh xiên

Nội lực nén trong thanh bụng xiên do lực cắt thực tế V

+Kiểm tra khả năng chịu lực:

Tra bảng hệ số  ở phần phụ lục II.1 sách KCT cấu kiện cơ bản

Theo  max  107.7 và 2

210 /

f  N mm được min  0.54

Hệ số điều kiện làm việc của thanh xiên  c  0.75

(Kể đến sự lệch tâm giữa trục liên kết và trục thanh)

Thanh bụng ngang tính theo lực cắtV f  1608.2daN

Vì V f rất nhỏ, chọn thanh bụng ngang theo độ mảnh giới hạn    150

1

990 65.3 15.15

990 82.2 12.04

f x

1 1 60.14 (95.8 116.56) 80.48

0.9 1136010

2 2 65.01 (95.8 116.56) 66.14

0.8 1136010

Cột đã chọn đảm bảo khả năng chịu lực

d)Tính liên kết thanh giằng vào các nhánh cột

Đường hàn liên kết thanh giằng xiên vào nhánh cột chịu lực N d  12977.7daN

Với que hàn N42, mối hàn được thực hiện bằng thủ công có

Các đường hàn góc cạnh đều thỏa mãn

Đường hàn thanh bụng ngang L60x5 v ào nhánh cột tính chịu đủ lực cắt

0.9 0.9 1136010

10.2 100199

0.9 là hệ số kể đến biến dạng của thanh giằng

Sai số so với tỷ lệ đã chọn để giải khung là:

Cánh ngoài nối bằng đường hàn đối đầu thẳng ,

Chiều dài đường hàn: l w  b 2t 60 2 1.6    56.8cm

Chiều cao đường hàn lấy bằng chiều dày thép cánh cột trên t w t tmin  1.6cm

Ứng suất trong đường hàn đối đầu nối cánh ngoài

2.Tính dầm vai

Dầm vai tính như dầm đơn giản nhịp lb d  1.5m 1500mm

Dầm vai chịu uốn bởi lực S tr 34.593T truyền từ cánh trong của cột trên Sơ đồtính toán như hình vẽ

13.837 1.5

Chọn chiều dày bản đậy mút nhánh cầu trục của cột.

u c M

2 w

Chọn h dv  800mm 0.5b d  0.5 1500x  750mm

Chiều dày bản cánh dưới dầm vai bằng 16mm

Chiều cao bản bụng dầm vai h dv 800 (20 16) / 10     76.4cm 764mm

Kiểm tra điều kiện chịu uốn của dầm vai Cánh dưới dầm vai là 1 bản thép nằmngang nối bản bụng của 2 nhánh cột dưới Cánh trên của dầm vai là 2 bản thép (bảnđậy mút nhánh cầu trục và bản sườn lót) kích thước 2 bản thép này lấy bằng nhau do

đó tiết diện ngang của dầm vai về 2 phía của lực S tr (Hai phía dvax

m

M ) như nhau

Để kiểm tra uốn dầm vai chịu dvax

m

M Tính moment chống uốn của tiết diện dầm vai

và tìm vị trí trục trọng tâm x-x Khi điều kiện uốn thỏa mãn, cần phải tính liên kết giữacánh và bụng dầm tiết diện chữ I không đối xứng

41.53 415.3 207.6

c x c

88870 45136 86619 220625 220625

41.53

x x

x

c

cm I

cm y

ax ax

bd

t

y y t

Các cặp nội lực để tính toán chân nhánh cột vẫn là các cặp nội lực tính toán tiếtdiện nhánh cột.

-Nhánh cầu trục:

min 95296 158461

max

103012 158461

A A

Bê tông móng B15 có R b 8.5MPa 85daN cm R/ 2 ; bt  0.75MPa 7.5daN cm/ 2

Diện tích yêu cầu của bản đế nhánh mái là:

2

147905

1450 1 1 1.2 85

f yc

1 2 1

142761

1400 1 1 1.2 85

f yc

1450

30.9 47

1400

29.8 47

Cấu tạo chân cột như hình vẽ Bản đế được các dầm đế và sườn ngăn, nhánh cộtchia thành các ô có các biên tựa khác nhau Theo các kích thước cạnh ô và loại ô, tínhmoment uốn trong các ô này:

Tính cho nhánh cầu trục:

Bản đế nhánh cầu trục có kích thước BxL là 47 30cm Theo cách cấu tạo thì các ôbản đế nhánh cầu trục có kích thước như hình vẽ.

  , bé hơn ứng suất dưới bản đế nhánh mái

Vì vậy, lấy chiều dài bản đế nhánh cầu trục t bd nhct t bd nhm  3.5cm 35mm

b)Tính kích thước dầm đế

Toàn bộ lực N f truyền từ nhánh cột xuống bản đế thông qua 2 dầm đế và đôi sườnhàn vào bụng của nhánh Vì vậy dầm đế chịu tác dụng của phần phản lực  f thuộcdiện truyền tải của nó

Tải trọng truyền lên dầm đế ở nhánh mái: dd 5 1 35 14.75

c d

1 w min

.( ) 46410.88 (15 4.03)

33.672 1 15 8 / 10 1260

2 w min

16.493 1 15 6 / 10 1260

Kiểm tra dầm đế về uốn và cắt

Nhịp tính toán của dầm đế: ldd 134.7 18 152.7   mm

2 dd dd

1326.025 152.7 / 10

 2 2

Chọn chiều dày sườn: b s 1cm 10mm

Chiều cao của sườn: 6. 6 286367.999 28.6

s s

Moment chống uốn của sườn ngăn :

Chọn chiều cao đường hàn h f  10mm, hàn suốt

Sườn hàn công xôn A và đường hàn đủ khả năng chịu lực

Dầm đế có kích thước tiết diện 450 10mm

Sườn ngăn có kích thước tiết diện 400 12mm

Chung cho cả 2 nhánh

-Tính chiều cao các đường hàn ngang

Các kết cầu sườn như dầm đế, sườn A, bụng củ a nhánh cột đều liên kết với bản đếbằng 2 đường hàn ngang ở 2 bên sườn Chiều cao đường hàn cần thiết cho mỗi liên kết

d)Tính bu lông neo

Bu lông neo được tính với tổ hợp nội lực gây kéo lớn nhất giữa bản đế với móng.Nghĩa là gây lực kéo lớn nhất trong nhánh cột Như vậy, N phải nhỏ nhất và M phảilớn nhất (ở tiết diện chân cột A-A).

Ở đây lực gây kéo lớn nhất cho nhánh ngoài là tổ hợp (1,7)

t b

g t

t b t

Đối với cột rỗng có chân cột riêng rẽ cho từng nhánh Lực kéo trong bu lông cũng

là lực kéo lớn nhất của nhánh tại tiết diện chân cột

.

bl

M N y N

C





Trong đó:

146.62

C  cm - Khoảng cách giữa 2 trục trọng tâm của 2 nhánh

y - Khoảng cách từ trục trọng tâm của toàn tiết diện đến trục của nhánh đối diện

M, N là cặp nội lực ở tiết diện chân cột gây kéo nhiều nhất cho nhánh (với mỗinhánh có một cặp khác nhau)

Cặp nội lực lớn nhất gây kéo lớn nhất cho nhánh mái là:

67.638

26.705