Tính toán thiết kế hệ thống kết cấu khung thép nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp có cầu trục hoạt động

* Hệ giằng:- Nhiệm vụ của hệ giằng trong nhà công nghiệp : Đảm bảo tính bất biến hình của hệ thống kết cầu khung nhà xưởng.. Đảm bảo sự làm việc không gian của hệ thống khung nhà xưởng,

PHẦN I XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH

CỦA KHUNG NGANG

* Nội dung đồ án : tính toán thiết kế hệ thống kết cấu khung thép nhà công nghiệp 1

tầng, 1 nhịp có cầu trục hoạt động :

Các số liệu chung :

* Địa điểm xây dựng : thành phố Cần Thơ với áp lực gió tiêu chuẩn ứng với vùng IIA, ít

chịu ảnh hưởng của bão, q0 = 83 daN/m2

* Qui mô công trình :

- Sức nââng cầu trục Q = 10 (T) - Chế độ làm việc trung bình

- Chiều dài công trình b =74 (m), bước cột khung B = 6 (m)

- Chiều rộng nhịp L = 30 (m)

- Cao trình đỉnh ray Hr = 6 (m)

lượngcầutrục G(T)

I.XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG:

I.1: Xác định kích thước theo phương đứng:

Chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang:

H2 = HK + bK = 0.96 + 0.3 (m) > Chọn: H2 =1.26(m)

o bK= 0.3 (m) khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang

Điều kiện: bK≥ 0.2 (m) Chiều cao của khung ( tính từ móng đến đáy xà ngang)

H = H1 + H2 +H3 = 6 + 1.26 + 0 =7.26 (m)

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

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

Ht = H2 + Hr + Hdct = 1.26 + 0.2 + 0.6 = 2.06 (m)

o Hr = 0.2 (m) chiều cao của ray và đệm

Hdct = 0.6 (m) chiều cao dầm cầu trục

I.2 Xác định kích thước theo phương ngang nhà:

Khoảng cách từ tim ray cho tới trục định vị ( vì Q 10 (T) < 30 (T) nên trục định vị trùng vớimép ngoài của cột => a = 0) :

Z = L1 – h = 1 – 0.5 = 0.5 (m) > Zmin = 0.18 (m)  thỏa

I.3 Kích thước dàn mái và hệ giằng:

* Dàn mái: có cấu tạo như hình vẽ

* Hệ giằng:

- Nhiệm vụ của hệ giằng trong nhà công nghiệp :

Đảm bảo tính bất biến hình của hệ thống kết cầu khung nhà xưởng Ổn định hệ khung khi dựng lắp

Giảm bớt tải trọng theo phương dọc nhà

Đảm bảo sự làm việc không gian của hệ thống khung nhà xưởng, nhất là khi chịu lực hãm ngang của cầu trục

- Cấu tạo : gồm 2 hệ thống :

Giằng cột, bao gồm giằng cột dưới và giằng cột trên Giằng cột dưới bố trí tại giữa khối nhiệt độ, giằng cột trên được bố trí tại giữa khối nhiệt độ (trên hệ giằng cột dưới), và hai đầu khối nhiệt độ

Giằng mái, gồm các khối hộp sáu mặt trên mái, được bố trí tại giữa khối nhiệt độ, hai đầu khối nhiệt độ và cách nhau khoảng 10-30 m Mỗi khối hộp gồm 2 mặt bên là 2 dàn mái, mặt trên ờ 2 đầu khối hộp là 2 giằng đứng đầu dàn Các dàn khác không nằm trong khối hộp sẽ tựa vào các khối hộp thông qua panen mái, hệ giằng đứng giữa dán, xà gồ thanh chống …

* Hệ thống giằng cánh trên và dưới:

2

THANH CHỐNG DỌC

6000 66000

GIẰNG CÁNH TRÊN

6000

6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000

6000 3

2

6000 6000

6000

7 6 66000 6000

9

6000 8

6000 6000 6000

* Hệ giằng đứng :

6000 30000 6000

1-1

SƠ ĐỒ GIẰNG ĐỨNG TL: 1/250

* Hệ giằng ở cột:

6000 66000

THANH CHỐNG DỌC

I.4 – Thiết kế xà gồ mái:

Xà gồ mái trong khung thép nhẹ thường dùng thép tạo hình thép nguội thành mỏng tiết

diện chữ C hoặc chữ Z ( ta chọn tiết diện chữ C để thiết kế) Vì xà gồ có độ cứng nhỏ khi

chịu uốn theo phương trong mặt phẳng mái nên thường cấu thêm hệ giằng xà gồ bằng

thép tròn có đường kính þ12 - 20

Xà gồ được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiên Sơ đồ tính là dầm đơn giản hoặc

dầm liên tục ( tùy vào cấu tạo của mối nối xà gồ của hệ giằng xà gồ)

Tải trọng tính toán tác dụng lên xà gồ:

q tc xg=(g tc m∗γg+p tc m∗γp)∗ a xg

cos α +gtc xg∗γg=(20∗1 2+30∗1 3) 3

0 989+14 2∗1 2=208 1(kg /m)+trong đó: - Chọn thép chữ C số hiệu 16

o g tc m = 20 (kg/m2) – Trị số tiêu chuan của trọng lượng các lớp mái

o p tc m = 30 (kg/m2) – Trị số tiêu chuan của hoạt tải mái

o g tc xg = 14.2 (kg/m2) – Trị số tiêu cuẩn của trọng lượng bản than xà gồ

o γg = 1.2 – Hệ số vượt tải của tĩnh tải mái.

o γp = 1.3 – Hệ số vượt tải của hoạt tải mái.

o axg = 3 - Khoảng cách bố trí xà gồ trên mặt bằng

o α = 8.530 – Góc dốc của mái

Phân loại tải theo 2 phương:

PHẦN 2 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG

I XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG LÊN KHUNG NGANG:

I.1 - Tĩnh tải:

* Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang bao gồm :

- Trọng lượng bản thân của kết cấu chịu lực (xà ngang, giằng mái, cửa mái, xà gồ … )

- Trọng lượng bản thân cột, dầm cầu chạy, dầm hãm, các hệ giằng cột trên và cột dưới

- Vật liệu lớp mái (tole sắt tráng kẽm…)

- Kết cấu bao che xung quanh (tole sắt tráng kẽm)

* Tải trọng thường xuyên :

Trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực của mái : (tải trọng tính toán đã nhân hệ số vượt tải)

- Mái tole thiếc đòn tay thép hình : 20 (daN/m2)

=> Trọng lượng tiêu chuẩn Trọng lượng toán của mái là:

g tc m=20=20( daN /m2)

g tt m=gtc m∗n=20∗1 2=24 (daN /m2)

o Với độ dốc i = 15% ta có cos = 0.989

- Trọng lượng của cầu mái và hệ giằng: g tc d=30(daN /m2)=30( kg/m2)

g tt d=gtc d∗n=30∗1 2=36( kg/m2)

-Trong đó :

o n = 1.2 : hệ số vượt tải

=> Vậy tổng tải trọng phân bố đều trên sườn ngang :

Tải trọng sửa chữa mái là tải trọng do người và thiết bị sửa chữa, vật liệu sửa chữa mái Đối với trường hợp mái lợp tole sắt tráng kẽm (vật liệu nhẹ) theo quy phạm về tải trọng và tác động TCVN – 2737 – 1995 lấy bằng 30 daN/m2 Với hệ số hoạt tải n = 1.3

- Ta có:

Dmax= n∗nc∗ Pmax∗ ∑ Yi

Dmin= n∗nc∗ Pmin∗ ∑ Yi

+Trong đó:

o n = 1.1 - Hệ số vượt tải

o nc = 0.9 – Hệ số tổ hợp xét đến xác suất xảy ra đồng thời tải tối đa của 2 cầu trục hoạt động cùng nhịp

o ∑Yi : Tổng tung độ của đường ảnh hưởng phản lực gối tựa tại vị trí bánh xe của

-Và:

o Q = 16 (T) – Sức nâng thiết kế của cầu trục

o G = 11.18 (T) – Trọng lượng toàn bộ cầu trục

o n0 = 2 – Số bánh xe cầu trục 1 bên ray

Vậy trị số áp lực đứng tính toán của cầu trục truyền lên vai cột:

=>Mmin = Dmin * e = 5400* 0.75 =4050 (kg.m)

Lực xô ngang của cầu trục:

-Ta giả định cầu trục sử dụng móc mền ( fms = 0.1)

-Tổng lực hãm ngang tác dụng lên toàn cầu trục

T0=Q+G xc

n xc ∗f ms∗n ' xc=16+0 833

4 ∗0 1∗2=0 84165 (T )+Trong đó:

o nxc = 4 – Số bánh xe của xe con

o fms = 0.1 – Hệ số ma sát giữa thép và thép

o n’xc = 2 – Số bánh được hãm của xe con ( n xc

-Công trình được xây dựng tại thành phố Cần Thơ có vùng gió II.A:

q=q0∗ n∗c∗k∗B=83∗1 3∗c∗k∗6

-Trong đó:

o q0 = 83 (kg/m2)

o n = 1.3 - Hệ số vượt tải

o c = +0.8 – Hệ số khí động ( đón gió)

o k : Hệ số cao trình ( TPCT có dạng địa hình A)

Bảng II-1: Hệ số cao trình k

Phía khuất gió: q h m=q0∗n∗Ce2∗ktb∗B=83∗1 3∗0 4∗1 19∗6=308 (kg/m)

PHẦN 3

XÁC ĐỊNH NỘI LỰC KHUNG NGANG

Để xác định nội lực của khung ngang, có thể xác định bằng phương pháp chuyển vị (tính toán thủ công bằng tay), hoặc tính theo phường pháp phần tử hữu hàn (nhờ máy tính chương trình Sap 2000) Ta chọn phương án tính toán trên máy tính với chương trình Sap

2000

I-Các trường hợp tải trọng tác dụng lên khung:

Xét các tổ hợp cơ bản:

+Tổ hợp gồm nội lực do tĩnh tải và một hoạt tải gây ra ( hệ số tổ hợp nội lực nc = 1)

+Tổ hợp gồm nội lực do tĩnh tải và các hoạt tải bất lợi gây ra ( hệ số tổ hợp nội lực nc = 0.9)

a Thống kê tải trọng:

1 TT: Tĩnh tải

2 HTM: Hoạt tải mái chất đầy

3 HTGP: Gió phải

4 HTGT: Gió trái

5 HTDmax T: Hoạt tải cầu trục trái

6 HTDmax P: Hoạt tải cầu trục phải

7 HTLHT: Hoạt tải lực hãm trái

8 HTLH P: Hoạt tải lực hãm phải

b Các trường hợp tổ hợp tải:

TTH1: TT+HTM+HTGT+HTDmaxT+HTLHTTH2: TT+HTM+HTGP+HTDmaxP+HTLHTTH3: TT+HTM+HTDmaxT+HTLHT

TH4: TT+HTM+HTDmaxP+HTLHP TH5: TH1+TH2+TH3+TH4

3.3 – Sơ đồ tải:

1.Tỉnh tải:

2.Hoạt tải mái chất đầy:

3.Gió phải:

4.Gió trái:

5.Hoạt tải cầu trục trái:

6.Hoạt tải cầu trục phải:

7.Hoạt tải lực hãm trái:

8.Hoạt tải lực hãm phải:

PHẦN 4 THIẾT KẾ CỘT, VAI CỘT VÀ LIÊN KẾT CHÂN CỘTI- THIẾT KẾ CỘT:

Cột được coi như những cấu kiện chịu nén lệch tâm trong mặt phẳng khung và nén đúng tâm ngoài mặt phẳng khung Trong trường hợp tính ổn định mặt ngoài khung đối vớicột cần kể đến ảnh hưởng của mômen tác dụng trong mặt phẳng khung

Các công việc thiết kế cột bao gồm : xách định chiều dài tính toán cột trong và noài mặt phẳng khung, thiết kế tiết diện cột, thiết kế các chi tiết cột : chân cột và vai cột Cột trong nhà công nghiệp một tầng, phạm vi đồ án này, chọn cột có cấu tạo theo dạng tiết diện đặc, có dạnh chữ I

+ Số liệu thiết kế:

Vật liệu thép mac CCT34 có cường độ: với γ M=1 05 , γc=1

- f = 2100 (kg/cm2)

- fu = 3400 (kg/cm2)

- fy = 2200 (kg/cm2)

- Môdun đàn hồi: E = 2.1*106 (kg/cm2)

a) Chiều dài tính toán của cột trong và ngoài mặt phẳng khung (tiết diện không đổi):

- Chiều dài hình học của cột được tính từ mặt móng đến liên kết đầu tiên với dàn

 Hc = H +hd = 7.26 + 5.2 = 12.46 (m)

Ta có liên kết cột khung với móng là ngàm:

μ= √ n+0.56 n+0.14 = √ 0 43+0 56 0.43+0 14 =1 318

-Trong đó:

o μ : hệ số chiều dài tính tóan

o n : là tỷ số độ cứng đơn vị của xà và cột Với :

=> ly = 3.5 (m)

c-Kiểm tra tiết diện đã chọn:

 Momen quán tính của tiết diện đối với trục x:

=>hệ số uốn dọc ( Tra bảng D.8-trang 99/ TCVN 338:2005).

- Phương pháp nội suy theo 2 phương

=>hệ số uốn dọc ( Tra bảng D.8-trang 99/ TCVN 338:2005)

- Phương pháp nội suy theo 2 phương

α= N

ϕ Af γ c=

25096

0 870∗129.9∗2100∗1=0.106 => [ ] = 180 - 60 = 180 – 60*0.106 = λ] = 180 - 60α = 180 – 60*0.108 = α:173.64

+Trong đó: -An: diện tích thực của tiết diện cột

-Wxn: momen chống uốn thực của tiết diện cột

- Chỉ kiểm tra đối với tiết diện bi giảm yếu hoặc khi độ lệch tâm quy đổi me > 20

++ Vì me = 0.734 < 20 => không cần kiểm tra bền

b.2)Kiểm tra ổn định tổng thể:

1.5 0.716 0.656 0.647

 chọn e = 0.637 < = 0.948 (thỏa)φ đối với các cấu kiện φ đối với các cấu kiện

-Ổn định tổng thể của cột theo 2 phương trong và ngoài mặt phẳng khung được kiểm tra ứng suất pháp:

Ứng suất pháp theo phương x:

Ứng suất pháp theo phương y:

b.3) Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng:

Ổn định cục bộ của bản cánh:

- Coi phần bản bụng cột tiếp giáp với 2 bản cánh còn làm việc Bề rộng của phần bụng cột tiếp giáp với bản cánh:

C1=0 85 tw[h w

t w]=0 85∗0 7∗54 02=32 14(cm)

Bố trí sườn ngang

Diện tích tiết diện cột, không kể đến phần bản bụng mất ổn định cục bộ:

II THIẾT KẾ VAI CỘT:

- Với chiều cao tiết diện cột là h = 60 (cm)

-Chọn sơ bộ bề rộng bản cánh dầm vai bf

dv=30 cm Bề rộng sườn gối dầm cầu trục

bdct=30 cm Bề dày bản cánh dầm vai tf dv=1.5cm

o bdct: Bề rộng sườn gối dầm cầu trục, lay theo phần thiết kế dầm cầu trục

hoặc chọn sơ bộ khoảng (20-30)cm

o t w dv: Bề dày bản bụng dầm vai

o tf dv: Bề dày bản cánh dầm vai, chọn khoảng (1-2)cm.

-Chiều cao dầm vai được xác định sơ bộ từ điều kiện bản bụng dầm vai đủ khả năng chịu cắt:

 Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bụng dầm vai:

+ Phía trên cánh ( 2 đường hàn): lw = 30 – 1 = 29 (cm)

+ Phía dưới cánh (4 đường hàn): lw = 0.5*(30-0.8)-1 = 13.6 (cm)

+ Ở bản bụng ( 2 đường hàn): lw = 57 – 1 = 56 (cm)

- Diện tích tiết diện của các đường hàn liên kết dầm vai vào bản cánh cột

- Kích thước của cặp sườn gia cường cho bụng dầm vai lấy:

III.THIẾT KẾ CHÂN CỘT:

a) Tính toán bản đế:

 Ta có cặp nội lực:

M = -1021316 (kg.cm)

N = -13721.89 (kg)

- Chân cột có 4 bu lông neo ở phía chân cột > chân cột liên kết ngàm với móng

+ Bề dày bản đế: Bbđ = b + 2*C1 = 20 + 2*10 = 40 (cm) ; C1 = (5÷10)cm > chọn C1=10(cm)

+ Chiều dài bản đế: Lbđ = h+2tdđ+2C2 = 50+2*0.8+2*11.2 = 74 (cm)

o C2 = (10÷15)cm > chọn C2 = 11.2 (cm)

o tdđ = (0.8÷1.2)cm > chọn tdđ = 0.8 (cm)

- Kiểm tra điều kiện ép cục bộ của bê tông móng:

o Giả sử bê tông móng B20 có Rb = 115 (kg/cm2) và hệ số tăng cường độ φb= 1.16 –Tương ứng với kích thước mặt móng (42x74)cm

Rb lọc=α*φb*Rb = 1*1.16*115 = 133 (kg/cm2)



ψ: Hệ số ứng suất trong bê tông móng

ψ = 0.75 (ứng suất phân bố không đều)

ψ = 1 ( ứng suất phân bố đều)

Abd : diện tích bề mặt của bản đế

Rb: cường độ nén tính toán của bê tông móng

- Úng suất phản lực của bê tông móng phía dưới bản đế.

- Bề dày của bản đế chân cột được xác định từ điều kiện chịu uốn của bản đế do ứng suất ( ứng suất phản lực trong các ô bản đế phân bố không đều vì vậy để htie6n về an toàn ta lấy giá trị ứng suất trong ô đang xét)

+ Ta có Ô1 ( bản kê 3 cạnh)

Bảng 2.4:hệ số αb với ba cạnh hoặc hai cạnh liền kề

b2/

a2

αb 0.06 0.074 0.088 0.097 0.107 0.112 0.12 0.126 0.132 0.133 Dùng phương pháp nội suy: b2/a2 = (20.6/25) = 0.824 > αb = 0.0994

o d2: nhịp tính toán của ô bản đế thứ 2

- Trị số momen uốn trong ô bản đế thứ 2:

o Bề dày bản đế thường được chọn từ 1.2÷3 cm

o Bề dày của thép tấm làm dầm hoặc sườn được chọn theo cấu tạo 0.8÷1.2cm

o Số lượng bu lông ít nhất là 4 cái

b) Tính toán dầm đế:

- Kích thước dầm đế:

- Chọn chiều cao của đường hàn liên kết vào cột là hf = 0.6 (cm)

- Chiều dài tính toán của 1 đường hàn liên kết dầm đế vào cột:

l w= N dđ

2h f(βff w)minγ c=

23069 22∗0 6∗1260∗1=15 26(cm)

> chọn chiều cao dầm đế: hdđ = 44 (cm)

c) Tính toán sườn cứng:

Sườn A:

- Chọn chiều dày sườn: ts = 0.8 (cm) Chiều cao sườn:

h s≥√6 M s

t s fγ c=√6∗124867 930 8∗2100∗1=21 1(cm)

> chọn hs = 25 (cm)+ trong đó:

+ Momen chống uốn của đường hàn: Ww = [2*0.6*(25-1)2]/6 = 115.2 (cm3)

+ Khả năng chịu lực của đường hàn:

-Bề rộng tiết diện truyền tải vào sườn 1.5ls = 1 5*11.2 = 16.8 (cm)

¿(βff w)minγ c=(0 7∗1800)∗1=1260(kg /cm 2)

> thỏad) Tính toán bu lông neo:

- Chiều dài vùng bê tông chịu nén dưới bản đế C= 431.3 (mm) = 43.13 (cm) – hình bản đế

- Chọn khoảng cách từ mép biên bản đế chân cột đến tâm bu lông neo là 6 (cm)

* a: Khoảng cách từ trọng tâm vùng bê tông chịu nén đến trọng tâm tiết diện cột

o Lb : Khoảng cách giữa 2 dãy bu lông neo ở 2 biên của bản đế

2)

trong đó:

o Tmax: Giá trị lớn nhát giữa T1 và T2

o n1=2 – số lượng bu lông neo ở 1 phía chân cột

o fba: Cường độ tính toán chịu kéo của thép bu lông neo ( Bảng 12-trang 18/TCVN 338:2005)

e) Tính toán các đường hàn liên kết cột vào bản đế:

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

 Tổng chiều dài tính t6oa1n của các đường hàn liên kết bản bụng cột với bản đế:

=> hf = 0.6 (cm) (thỏa điều kiện)V: Trị số lớn nhất của lực cắt tại chân cột trong bảng nội lực

PHẦN 5: THIẾT KẾ DÀN MÁI

Dàn mái có kích thước hình học :

Số hiệu

thanh

a-b1

b-c1

c-d2

d-e2

e-f3

i-h13

i-j12

i-a11

g-i10

a-c4

c-j5

j-d6

j-e7

e-i8

i-f9

+ gt: độ mảnh giả thiết

+  : hệ số điều kiện làm việc

+ l : chiều dài thanh dàn

- Đối với thanh a-b do dàn được liên kết trực tiếp với cột nên ta chỉ cần tính toán tại nút a và b

- Đối với các nút mà tại đó số thanh chịu nén lớn hơn hoặc bằng số thanh chịu kéo thì

ta coi nút đó có liên kết khớp

- Ta có nội lực lớn nhất trong thanh bụng N= -14241.92 (kg)

 Chọn bề dày bản mã  = 1.2 (cm)-TCVN 1656-1975

I-CHỌN VÀ KIỂM TRA TIẾT DIỆN THANH DÀN:

- Chọn tiết diện thanh dàn gồm 2 thép góc ghép lại Thép góc sử dụng là loại thép góc

đều cạnh

a) Thanh cánh trên: (chịu nén)

- Dàn có nhịp 24 m < L =30 m < 36 m => để tiết kiệm vật liệu ta thay đổi tiết diện thanh cánh trên và cánh dưới

- Đối với thanh cánh trên ta chọn đoạn g-f có giá trị lực nén lớn nhất (trong các thanh cánh trên N= -14241.92 (kg) để thiết kế chung cho toàn bộ thanh

- Ta chọn: [ λ ] =120 ; c =1 ; f =2100 kg/cm2 (cường độ tính toán của thép dàn)

- Do thanh có chiều dài lớn (l= 3.305 m) mà nội lực lại bé(N= -4583 kg)

- Do thanh có 2 đầu khớp nên  =1

lx = 3.305 m và ly =6 m (khoảng cách giữa 2 điểm cố kết theo phương ngang)

o Chọn tiết diện thanh theo độ mảnh giới hạn

Chọn tiết diện thanh

 Bán kính quán tính yêu cầu của tiết diện thanh: