Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng

Thiết kế khung ngang nhà x-ởng bằng thép 1 tầng, 1 nhịp có cửa mái và 2 cầu trục, sức nâng Q = 75/20 T - chế độ làm việc trung bình, nhịp khung L = 30m ; b-ớc cột B = 6m, cao trình đỉnh ray H1 = 8,2m; mái lợp Panen bêtông cốt thép có s-ờn với các lớp chống thấm và cách nhiệt cần thiết. T-ờng gạch tự mang, công trình đ-ợc xây dựng trọng vùng gió IIB Vật liệu làm kết cấu chịu lực thép BCT3, c-ờng độ R = 2100KG/cm2 Rc =1300KG/cm2; Rem = 3200 KG/cm2 ; Móng BTCT mác 200#; Nhà x-ởng dài S B = 132 m.

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp 1 tầng

Số liệu thiết kế:

Thiết kế khung ngang nhà xưởng bằng thép 1 tầng, 1 nhịp có cửa mái và

2 cầu trục, sức nâng Q = 75/20 T - chế độ làm việc trung bình, nhịp khung L =

30m ; bước cột B = 6m, cao trình đỉnh ray H1 = 8,2m; mái lợp Panen bêtông

cốt thép có sườn với các lớp chống thấm và cách nhiệt cần thiết Tường gạch

tự mang, công trình được xây dựng trọng vùng gió IIB Vật liệu làm kết cấu

chịu lực thép BCT3, cường độ R = 2100KG/cm2 Rc =1300KG/cm2; Rem = 3200 KG/cm2 ; Móng BTCT mác 200#; Nhà xưởng dài Σ B = 132 m

I Chọn sơ đồ kết cấu

1 Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp

Khung ngang cấu tạo gồm có cột và rường ngang Liên kết cột với rường ngang là liên kết cứng Rường ngang có dạng hình thang hai mái dốc

phía trên lợp bằng panen BTBT có sườn, độ dốc mái i = 1/10 Cột thép tiết

diện thay đổi, liên kết ngàm với móng Sơ đồ của khung ngang thể hiện trên

18.4m 19.0 m

-0.80

2 Kích thước chính của khung ngang

Xác định các kích thước chính của khung, cũng như cột, dàn dựa vào nhịp khung L, bước khung B, sức trục Q và cao trình đỉnh ray H1

2.1.Kích thước cột

Cầu trục 2 móc với sức nâng Q = 75/20 T tra theo phụ lục VI.2 sách “ Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp” – NXB KHKT Hà Nội trang 138 có các số liệu như sau:

Loại ray sử dụng: KP – 100: H=150mm , g=88.96kg/m

áp lực của bánh xe lên ray: P1 = 38 T, P2 = 39 T, trọng lượng xe con 38 T, trọng lượng toàn cầu trục 135 T

Chiều cao Hc của cầu trục Hc = 4000 mm

Chiều cao H2 từ đỉnh ray đến cao trình cánh dưới dàn:

H2 = (Hc + 100) + f = (4000 + 100) + 300 = 4400 mm

Trong đó:

Hc- Chiều cao Gabarit của cầu trục

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

f - Khe hở phụ xét đến độ võng của kết cấu và thanh giằng giá trị lấy từ (200 ữ 400) mm

kp - 100

h2: tiết diện ngang ray

Chiều cao phần cột trên tính từ vai cột đến cánh dưới rường ngang:

1 ( ữ

a - Khoảng cách từ trục định vị đến mép ngoài cột a = 250 mm đã chọn

λ - Khoảng cách từ trục ray đến trục định vị Lấy λ = 750 mm với sức trục Q ≤ 75 T và thoả mãn điều kiện:

λ > B1 + (ht - a) + D = 400 + (500 - 250) + 60 = 710 mm

⇒ chọn λ = 750 mm

Vậy: hd = 250 + 750 = 1000 mm

Trong đó:

B1 - Khoảng cách từ trục ray cầu chạy đến đầu mút cầu chạy bằng 400 mm

D - Khe hở tối thiểu lấy 60 mm

Kiểm tra xem cầu trục có vướng vào cột không-theo công thức:

2200 +

2

30000 10

Hệ giằng là một bộ phận trọng yếu của kết cấu nhà Có tác dụng:

- Đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng không gian của kết cấu chịu lực

- Chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, theo phương vuông góc với mặt phẳng của khung như: gió lên tường hồi, lực hãm của cầu trục

- Bảo đảm sự ổn định cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu: Thanh dàn, cột

…

- Góp phần làm cho công tác lắp dựng được an toàn, thuận tiện

Hệ giằng bao gồm:

3.1.Hệ giằng mái

Hệ giằng mái bao gồm các thanh giằng bố trí trong phạm vi từ cánh dưới dàn trở lên Chúng được bố trí nằm trong các mặt phẳng cánh trên dàn, mặt phẳng cánh dưới dàn và mặt phẳng đứng giữa các dàn

Hệ giằng cánh trên ( TL: 1/500)

3.1.1.Giằng trong mặt phẳng cánh dưới

Giằng trong mặt phẳng cánh dưới được đặt tại các vị trí có giằng cánh trên

Đồng thời đối với công trình này sức tải của cầu trục Q > 10 T (theo quy định

ta cần có hệ giằng cánh dưới theo phương dọc nhà để đảm bảo sự làm việc

đồng thời giữa các khung, truyền tải trọng cục bộ tác dụng lên 1 khung sang các khung lân cận Hệ giằng cánh dưới được bố trí như sau:

250 250

1500

1250

30000

hình 4: hệ giằng trong mặt phẳng cánh dưới

hình 5: hệ giằng đứng

3.1.3.Hệ giằng đứng

Hệ giằng đứng đặt trong mặt phẳng các thanh đứng, có tác dụng cùng với các giằng nằm tạo nên khối cứng bất biến hình; giữ vị trí và cố định cho dàn vì kèo khi dựng lắp Hệ giằng đứng được bố trí tại các thanh đứng đầu dàn, thanh

đứng giữa dàn, dưới chân cửa trời, đảm bảo cho khoảng cách giữa chúng 12 ữ

15 m theo phương ngang nhà Theo phương dọc nhà chúng được đặt ở những gian có giằng nằm ở cả cánh trên và cánh dưới Sơ đồ giằng được bố trí như hình vẽ:

Đối với cửa mái hệ giằng cũng được bố trí tại các điểm tương tự như trên

2.1 Hệ giằng cột

Hệ giằng cột bảo đảm sự bất biến hình hình học và độ cứng của toàn nhà theo phương dọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà và bảo đảm ổn định cột

Công trình này có chiều cao cột dưới < 9m nên theo quy định đối với phần cột dưới ta cần phải làm 1 tầng giằng Giằng cột được bố trí tại 2 khoang giữa, nơi đã bố trí giằng cánh trên và giằng cánh dưới ở 2 đầu hồi nhà ta không làm giằng cột vì để chịu ứng suất khi nhiệt độ tăng ( hệ tự do dãn nở)

Sơ đồ bố trí giằng cột như hình vẽ:

hình 6: hệ giằng cột

II Tính tải trọng tác dụng lên khung

1 T¶i träng t¸c dông lªn dµn

1.1.T¶i träng th−êng xuyªn

1.1.1.T¶i träng c¸c líp m¸i tÝnh to¸n theo cÊu t¹o cña m¸i ®−îc lËp theo b¶ng sau:

chuÈn Kg/m2 m¸i

HÖ sè v−ît t¶i

T¶i träng tÝnh to¸n

1.1.4.Träng l−îng c¸nh cöa trêi vµ bËu cöa trêi

/ 385 995 , 0 383

/ 339 995 , 0 337

m KG g

m KG g

Vậy lực tập trung ở chân cửa trời do cánh cửa và bậu cửa là:

Gkb = (1.1::24Đ24::1,5ì6) + (1,1::24ỡ24::6) = 1006.5 KG

Tải trọng ggt và gkb chỉ tập trung ở những chân cửa trời

Để tiện tính toán khung, ta thay chúng bằng lực tương đương phân bố đều trên mặt bằng nhà:

Vậy tải trọng tổng cộng phân bố đều trên dàn là:

q = (gm + gd + g’ct).B = (385 + 30,24 + 17,48).6 = 2596,32 KG/m ≈ 2,6 T/m

1.2.Tải trọng tạm thời

Theo TCVN 2737 - 1990 thì tải trọng tạm thời do sử dụng trên mái lấy theo nhiệm vụ thiết kế khi không có yêu cầu đặc biệt (với mái bằng không có người lên) được lấy như sau:

2.2.Do trọng lượng dầm cầu trục

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

Gdct = n.αdct.L2

dct (KG) Trong đó:

5 1006 2 6 12 75 , 15

2

m kG B

L

g B L g

T L

q

2

30 6 , 2 2

=

T L

p

2

30 59 , 0 2

2.3.Do áp lực đứng của bánh xe cầu trục

Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầm cầu trục được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh xe của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất

Với sức nâng cầu trục Q = 75 T có thông số kỹ thuật sau:

áp lực bánh xe lên ray Trọng lượng

P1c max (T) P2c max (T) Xe con(T) Cầu trục(T)

Bề rộng của cầu trục: Bct = 8,8 m

Khoảng cách giữa các bánh xe: 840 + 4560 + 840 = 6240 mm

Số bánh xe ở 1 bên của cầu trục: n0 = 4

Đặt các bánh xe lên đường ảnh hưởng của phản lực tựa ta tính được:

áp lực thẳng đứng tiêu chuẩn nhỏ nhất của một bánh xe được tính theo công thức:

T P

max 0

min

Trong đó:

Q - Trọng lượng cẩu vật nặng nhất ( bằng sức trục của cầu trục)

G - Trọng lượng của toàn cầu trục:

T P

max 0

min

Đặt bánh xe như hình vẽ tính được các tung độ yi của đường ảnh hưởng

và tính áp lực thẳng đứng lớn nhất, nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột theo công thức:

Dmax = n.nc.( P c1 max Σyi + P c2 max Σyi ) = 1,1 0,85.[38 0,1 +39.( 1 + 0.86 + 0.573 + 0.43 ) ] = 107,9 T

Dmin = n.nc.( P c1 min Σyi + P c2 min Σyi ) = 1,1 0,85.[14,5 0,1 +13.5( 1 + 0.86 + 0.573 + 0.43 ) ] =49,5 T

Trong đó: nc =0,85 là hệ số tổ hợp khi xét tải trọng do hai cầu trục chế

độ trung bình

Các lực Dmax và Dmin đặt vào trục nhánh đỡ dầm cầu trục của cột , lệch tâm so với trục cột dưới 1 đoạn xấp xỉ = bd/2 Do đó tại vai cột sinh ra mô men lệch tâm

Mmax = Dmax.e = 107,9.0,5 = 53,95 Tm

Mmin = Dmin.e = 49,5.0,5 = 24,75 Tm

2.4.Do lực hãm ngang của một bánh xe:

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

Lực hãm ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe tính theo công thức:

T n

G Q

4

) 38 75 (

05 , 0 ) (

Trong đó : n0 = 4 là số bánh xe ở 1 bên cầu trục

Lực hãm ngang Ttc1 truyền lên cột thành lực T đặt vào cao trình dầm hãm; giá trị T cũng xác định bằng cách xếp bánh xe trên đường ảnh hưởng như khi xác định Dmax và Dmin:

T = nc.n.Ttc1.Σyi = 0,85.1,1.1,41.(0,1 + 1 + 0.86 + 0.573 + 0.43) = 3,90 T

3 Tải trọng gió tác dụng lên khung

Theo phụ lục V ( sách thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp) Tải trọng gió

đ−ợc tính theo TCVN 2737 - 95 Vùng áp lực gió II.B

c, c’ - Hệ số khí động phía đón gió và trái gió (tra bảng phụ lục V, sách Thiết

kế kết cấu thép nhà công nghiệp), ghi trên hình vẽ

Do cột có chiều cao H = 12,8m, tải trọng gió đ−ợc coi là phân bố đều trên toàn

30000

7.4m

0.00

12.8m 15.0m

18.4m 19.0 m

-0.5 +0.8

W

III Tính nội lực khung

h.M

2 2

hdàn - Chiều cao dàn tại tiết diện có mômen lớn nhất (Bằng chiều cao giữa dàn)

cm mm

x

10 2

h.M

Jd max dàn

2449964 8

, 0 2100 2

370 34763000

2

.

Cm

x R

h M

Mômen quán tính của tiết diện cột dưới được xác định theo công thức gần

đúng:

2 d 1

max A

R.K

D.2N

Dmax - áp lực do cầu trục

K1 - Hệ số phụ thuộc vào bước cột và loại cột

K1 = (2,5 ữ 3) khi bước cột là 6 m ta lấy K1 = 2,5

4 2

t 2

1 2

h

h.K

Trong đó:

K2 - Hệ số xét đến liên kết giữa dàn và cột

Với dàn liên kết cứng: K2 = (1,2ữ1,8); lấy K2 = 1,7

79426 100

10

Tỷ số độ cứng giữa dàn và phần cột dươi:

8 , 30 79426

Dựa theo kinh nghiệm chọn Jd/J1 = (3 ữ 6) Chọn Jd / J1 = 4,6

Các tỉ số đã chọn này thoả mãn điều kiện:

à

ν

1 , 1 1

6 +

≥

30

8 , 12 6 , 4 : :

J H

J L

J

J2

1 ư = ư =

=à

6 1 , 1 1

6

1 , 1 1

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

Dùng phương pháp chuyển vị, ẩn số là góc xoay ϕ1, ϕ2 và một chuyển

vị ngang ∆ ở đỉnh cột Trường hợp ở đây, khung đối xứng và tải trọng đối xứng nên ∆ = 0 và ϕ1 = ϕ2 = ϕ ẩn số là hai góc xoay bằng nhau của nút khung

Phương trình chính tắc: r11.ϕ + R1p = 0

Trong đó:

r11 - Tổng phản lực mômen ở các nút trên của khung khi góc xoay ϕ = 1

R1p - Tổng mômen phản lực ở nút đó do tải trọng ngoài

Để tìm R1p cần tính ΜXà

B và Μcột

B là các mômen ở nút cứng B của xà và cột khi góc xoay ϕ = 1 ở hai nút khung ΜXàB tính theo công thức của Cơ học kết cấu:

ΜXà

230

6 , 4 2

.

2

J E J

E L

EJ k

C

+

1

.

4

Từ đây ta qui ước dấu như sau:

Mômen dương khi làm căng thớ bên trong của cột và dàn Phản lực ngang là dương 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

355 , 7 794 , 1 3 393 , 1 418 , 3 4 3

4

158 , 1 6 403 , 0 1

1

393 , 1 6 403 , 0 1

1

974 , 1 6 403 , 0 1

1

418 , 3 6 403 , 0 1

.

1

403 , 0 2 , 8 4 , 5

4 , 5

6 1 7

1

2 2

4 4

3 3

2 2

=

+

=

= +

=

+

=

= +

=

+

=

= +

=

+

=

= +

= +

13

355

1 2

6 13

355 7

974 1 6 ) (

6

J E J

E H

H

J E k

B R

d t

R

Tm L

q M

P B p

P B

195

195 12

30 6 , 2 12

1

2 2

1

.

3 , 531

367

,

0

195

J E J E r

E EJ M

M

M

Tm J

E J E M

M

p B

3 , 531 31 , 0

29 , 30

3 , 531 057 , 0

1 1

1 1

−

=

−

= +

EJ R

A B R

Tm x

x

M k

C B

M

e B

e B

00 , 1 6 , 13

75 , 9 355

, 7

403 , 0 1 418 , 3 974 , 1 403

.

6

17 , 2 75 , 9 355

, 7

393 , 1 4 403 , 0 1 974 , 1 3

3 1

−

−

=

α α

α α

Biểu đồ mô men do Me gây ra như sau:

biểu đồ mô men do chênh lệch trục cột

Cộng biểu đồ ta được biểu đồ mômen cuối cùng do tải trọng thường xuyên gây ra toàn mái:

,

8

28 , 32

32,28 32,28

2,05 7,7

C'

B' B

C

q + v

3 Tính khung với hoạt tải mái:

Ta có ngay biểu đồ do hoạt tải gây ra bằng cách nhân các trị số của mô men do tải trọng thường xuyên ở biểu đồ Mq + V gây ra với tỷ số:

4 Tính khung với trọng lượng dầm cầu trục

Trọng lượng dầm cầu trục: Gdct = 1T đặt vào trục nhánh đỡ DCT và sinh ra mômen lệch tâm

Tm e

G

2

0 , 1 4 , 1

70 ,

Trọng lượng dầm cầu trục Gdct là tải trọng thường xuyên nên phải cộng biểu đồ mômen do Gdct với nội lực ở biểu đồ mômen để được mômen do toàn

bộ tải trọng thường xuyên lên dàn và lên cột:

biểu đồ mô men do toàn bộ tải trọng thường xuyên

tác dụng lên dàn

5 Tính khung với mômen cầu trục M max , M min

Mmax, Mmin đồng thời tác dụng ở 2 cột, Mmax cột trái hoặc có thể cột phải Dưới đây xét trường hợp Mmax ở cột trái, Mmin ở cột phải

Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với sơ đồ xà ngang cứng vô cùng ẩn số chỉ còn là chuyển vị ngang của nút

Phương trình chính tắc:

r11.∆ + R1P = 0

Trong đó: r11 - Phản lực ở liên kết thêm do chuyển vị đơn vị ∆ = 1 gây

ra ở nút trên

sơ đồ tính khung ngang chịu mô men cầu trục

Dấu của chuyển vị và dấu của phản lực trong liên kết thêm qui ước hướng từ trái sang phải là dương Dùng bảng phụ lục tính được mômen và phản lực ngang ở đầu B của cột:

1 3

1 3

1

2

1 2

1 2

1

'

58 , 5 '

355 , 7

418 , 3 12 '

355 , 7

974 , 1 6 ) (

EJ H

EJ H

H

EJ k

B

M

B

d t B

=

với H’= Ht + Hd

Biểu đồ mômen do ∆ = 1 gây ra còn đ−ợc dùng với các loại tải trọng khác nh− lực hãm ngang T hay tải trọng gió, nên ta tính luôn mômen tại các tiết diện của cột

Tại tiết diện vai cột:

2

1 3

1 2

1

'

64 , 0 4 , 5 '

58 , 5 '

61 , 1

H

EJ H

EJ H

EJ H

1 2

1

'

97 , 3 ' '

58 , 5 '

61 , 1 '

H

EJ H

H

EJ H

EJ H

R

M

Cột bên phải, các trị số mômen và phản lực có cùng trị số nh−ng khác dấu

(Biểu đồ mômen nh− hình vẽ.)

3

1 3

1 11

'

16 , 11 '

58 , 5 2

H

EJ H

EJ R

R

R1P – Phản lực trong liên kết thêm do tải trọng ngoài gây ra trong hệ cơ bản

Vẽ biểu đồ mômen do Mmax và Mmin gây ra dùng các công thức ở phụ lục Cũng có thể sử dụng ngay biểu đồ mômen lệch tâm Me của tải trọng mái nhân với hệ số:

53 , 5 75 ,

9

95 , 53

9

75 , 24

1.61 EJ /H'1 2

3.97 EJ /H'1 2

biểu đồ men do ngoại lực

1 11

'

16 , 11 / 93 , 3

EJ

H H

EJ r

H H

EJ M

Tm EJ

H H

EJ M

Tm EJ

H H

EJ M

Tm EJ

H H

EJ M

A

d C

t C B

79 , 10 18 , 8 ' 78 , 4 '

97 , 3

11 , 39 05 , 36 ' 78 , 4 '

64 , 0

80 , 14 86 , 17 ' 78 , 4 '

64 , 0

73 , 4 0 , 12 ' 78 , 4 '

52 , 1

1

2 2

1

1

2 2

1

1

2 2

1 1

2 2

1

−

= +

6,78

C 13,69

4,54 B

H H

EJ

M

Tm EJ

H H

EJ

M

Tm EJ

H H

EJ

M

Tm EJ

H H

1 '

1

2 2

1 '

1

2 2

1 '

1

2 2

1 '

= +

Biểu đồ mômen cuối cùng nh− hình vẽ

biểu đồ mô men do cầu trục

30000

21,93 A

o 4,73

6 Tính khung với lực hãm ngang T

Lực T đặt ở cao trình hãm cách vai cột 1m Lực T có thể tác dụng ở cột trái hay cột phải, chiều hướng vào cột hoặc đi ra khỏi cột Trong công trình này ta 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 Mmax, Mmin

Vẽ biểu đồ M trong do ∆ = 1 gây ra trong hệ cơ bản (H-17) và đã tính

được:

3

1 11

A B A

B R

Tm

H T k

C B C

B M

, 7

33 , 0 403 , 0 2 418 , 3 2 974 , 1 3 33 , 0 403 , 0 6 33 , 0 2 418 , 3 2 974 , 1

2 2

, 7

939 , 1 2 974 , 1 33 , 0 403 , 0 2 33 , 1 403 , 0 6 393 , 1 2 974 , 1 33 , 0 2

.

2 2

1

403 , 0 6 , 13 4 , 5 33

2 2

2 2

2 2

=

= +

ư

ư +

ư

ư + +

ư +

ư +

ư +

ư +

α à λ λ

λ α λ α à λ

λ

α λ

3 11

16 , 11

' 13 , 2

EJ

H EJ

H r

biểu đồ mô men do ngoại lực trong hệ cơ bản

Mômen cuối cùng tại tiết diện cột khung M =M.∆+MP

Cột trái:

T Q

Tm EJ

H H

EJ H

EJ

M H

R

M

M

Tm EJ

H H

EJ

M

Tm EJ

H H

EJ

M

Tm EJ

H H

EJ

M

A

T T t

B B

,

8

08 , 22

35

,

1

79 , 3 36 , 4 ' 56 , 2 1 4 , 5 '

58 , 5 '

08 , 22 92 , 11 ' 56 , 2 '

1 2

1

1

2 2

1

1

2 2

1 1

2 2

∆

− +

Tm EJ

H H

EJ M

Tm EJ

H H

EJ M

Tm EJ

H H

EJ M

A A C B

07 , 1 2

, 8

16 , 10 64 , 1

16 , 10 ' 56 , 2 '

97 , 3

64 , 1 ' 56 , 2 '

64 , 0

12 , 4 ' 56 , 2 '

61 , 1

'

1

2 2

1 '

1

2 2

1 '

1

2 2

1 '