Đồ án: Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

Đồ án Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp thực hiện cách lập mặt bằng kết cấu nhà xưởng, xác định các kích thước chính của khung ngang, tác dụng và cách bố trí hệ giằng mái, giằng cột, thiết kế xà gồ mái,... Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn chuyên ngành Kiến trúc - Xây dựng.

Đ  ÁN MễN H C K T C U NHÀ THẫPỒ Ọ Ế Ấ Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một

B (m)

Cao trình

đỉnh rayH1 (m)

Sức nâng cầu trục

Q (T)

Độ dốc mái

i %

Số lợng khung

Vùng gió -Dạng

+ Xác định các kích thớc chính của khung ngang

+ Tác dụng và cách bố trí hệ giằng mái, giằng cột

+ Thiết kế xà gồ mái

+ Xác định các loại tải trọng tác dụng vào khung ngang

+ Tính khung ngang với các loại tải trọng nói trên

+ Thiết kế cột và xà ngang đặc tiết diện chữ I tổ hợp hàn

xà

+ Tài liệu tham khảo

b) Bản vẽ:

Nội dung đồ án thể hiện trên khổ giấy A1 bao gồm:

+ Sơ đồ khung ngang, các kích thớc chính, các cao trình đặc trng, cấu tạo các lớp mái

+ Cấu tạo khung: các hình chiếu, mặt cắt của cột, xà ngang, các tiết diện

đặc trng, các chi tiết khung (vai cột, chân cột, liên kết xà - cột, nối xà) + Bảng thống kê thép (cho một khung)

+ Ghi chú: vật liệu thép, bu lông liên kết, bulông neo, đờng kính lỗ, đờng hàn, que hàn, phơng pháp hàn, sơn chống gỉ

ii Xác định kích thớc chính khung ngang

1 Lựa chọn dầm cầu trục, cầu trục, ray, lớp lót ray

1.1 Cầu trục

Với nhịp nhà L = 18m, sức trục Q = 6.3T (chế độ làm việc trung bình)

thì khoảng cách từ mép ngoài cột đến trục định vị a = 0, chọn =750

Hk(m)

Kh.cáchZmin(m)

Bề rộnggabarit

Bk (m)

Bề rộngđá

y Kk

(m)

T.lợng cầu trục G(T)

* Víi Hk = 0,81 (m) - tra catalo cÇu trôc (B¶ng II.3 phô lôc)

bk = 0,20 (m) - khe hë an toµn gi÷a cÇu trôc vµ xµ ngang

+ Chiều cao của cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà ngang

Các kích thớc chính của khung ngang 2.3 Sơ đồ tính khung ngang

Dựa trên sức nâng của cầu trục chọn phơng án cột có tiết diện không thay

có tiết diện không thay đổi Do nhà có cầu trục nên chọn kiểu liên kết giữa cột với móng là ngàm tại mặt móng (cốt 0.000) Liên kết giữa cột với

xà ngang và liên kết tại đỉnh xà ngang là cứng Trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn giản hoá tính toán và thiên về an toàn Sơ đồ tính

khung ngang nh hình vẽ

430 0

180 0

610 0 + 8.00

± 0.000

+ 4.30 + 6,10

a

21000

b

q = 6,3t

Sơ đồ tính khung ngang

iii tác dụng và cách bố trí hệ giằng máI, giằng cột

1 Tác dụng của hệ giằng mái, giằng cột

Hệ giằng là một bộ phận quan trọng của kết cấu nhà, có các tác dụng:+ Bảo đảm sự bất biến hình và độ cứng không gian của kết cấu chịu lực của nhà

+ Chịu các tải trọng tác dụng theo phơng dọc nhà, vuông góc với mặt phẳngkhung nh gió lên tờng hồi, lực hãm của cầu trục

+ Bảo đảm ổn định cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu: thanh dàn, cột

+ Đảm bảo cho việc thi công lắp dựng kết cấu đợc an toàn và thuận tiện

Hệ thống giằng của nhà xởng đợc chia thành hai nhóm: giằng mái và giằng cột

2 Bố trí hệ giằng mái, giằng cột

Iv ThiÕt kÕ xµ gå m¸i

+ T¹i mÐp biªn chän xµ gå ch÷ C m· hiÖu 6CS2,5x070

90000

525 0

525 0

525 0

240 00

gi»ng chÐo däc nhµ gi»ng chÐo

αcos =(0,074.1,1+0,3.1,3) 1,5

y q

qx

qy

5,7 1°

v Xác định các loại tải trọng tác dụng vào khung ngang

1 Tĩnh tải (tải trọng thờng xuyên)

Độ dốc mái i = 10% = 5,710 (sin = 0,099; cos = 0,995)

* Tải trọng thờng xuyên tác dụng lên khung ngang bao gồm:

+ Trọng lợng các lớp mái

+ Trọng lợng bản thân xà gồ

+ Trọng lợng bản thân khung ngang và dầm cầu trục

+ Trọng lợng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy là

qtc = 0,074 + (n.gtc B)/L = 0,074 + 0,168 = 0.243 (KN/m2)

+ Chọn sơ bộ trọng lợng xà ngang: q =1 (kN/m) phân bố đều lên chiều dài xà

g : hệ số vợt tải của tĩnh tải ( g = 1,1)

* Tổng tĩnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang:

Tải trọng xà gồ tờng và tấm tờng đa về thành lực tập trung G tác dụng ở

đỉnh cột và bỏ qua mômen gây ra bởi độ lệch tâm

Gtt = 0,234 x 1,1 x 6 x 6,1 = 9,78 (kN)

+ Tải trọng bản thân dầm cầu trục và ray:

Tải này tác dụng lên vai cột khi tính toán ta đa về tim cột dới dạng 1 lực tập trung và 1 mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:

Mtt = Gtt x e = 9,828 x (0,75 – 0,5 x 0,4) = 5,405 (kNm)

Sơ đồ tính khung với tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải)

2 Hoạt tải

2.1 Hoạt tải sữa chữa

Tải trọng hoạt tải xác định theo TCVN 2737-1995

Trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái (mái lợp tôn) là

ptc = 0,3 kN/m2, hệ số vợt tải là n = 1,3 Quy đổi về tải trọng phân bố đều trên xà ngang nh hình vẽ

+ Hoạt tải tính toán p tt =n p B / costc α =1,3 0,3 6/ cos5,71o =2,352(kN/m)

180 0

430 0

5,405kNm

9,78 kN 9,828 kN

± 0.000

+ 4.30 + 6.10

5,405kNm 9,828 kN 9,78 kN

3 0,5

e

Sơ đồ xác định hệ số khí động

Giá trị tính toán của thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao Z so với

Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số k lấy:

24000

+ Phía khuất gió:

q2tc = w0 k.C.B = (0,83 x 1,1096 x 0,5)x6 = 2,763(kN/m)

q2tt = γp x q1tc = 1,2 x 2,763 = 3,316 (kN/m)

+ Tải trọng gió lên mái: Trên thực tế tải này truyền lên khung dới dạng lực

tập trung tại điểm đặt các xà gồ, số lợng lực tập trung > 5 nên ta có thể quy về tải phân bố

+ Gió nửa trái:

2.3 Hoạt tải cầu trục

Tải trọng cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực hãm ngang, các thành phần đợc xác định nh sau:

a) áp lực đứng của cầu trục

theo đờng ảnh hởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh xe của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất, xác định đợc các tung độ yi của

đờng ảnh hởng, từ đó xác định đợc áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột:

B=3880 K=2900 980

0.5167

Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục

b) Lực hãm ngang của cầu trục

+ Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray:

T1tc = 0,5 kf (Q+Gxe )/ n0 =0,5.0,1.(63 + 5,90)/2 = 1,723 (kN)

Trong đó:

kf - hệ số ma sát, lấy bằng 0,1 với cầu trục có móc mềm

Gxe - trọng lợng xe con, tra catalô

Q - sức nâng thiết kế của cầu trục

n0 - số bánh xe cầu trục ở một bên ray

+ Lực hãm ngang của toàn cầu trục truyền lên cột đặt vào cao trình dầm hãm

(giả thiết cách vai cột 1,0 m)

T = nc γp Σ T1

tc yi = 0,85 x 1,1 x 1,723 x 3,0 = 4,833 (kN)

64,148kNm

116,632kN 36,353 kN

vi Xác định nội lực trong khung ngang, tổ hợp nội lực

1 Xác định nội lực

Nội lực trong khung ngang đợc xác định với từng trờng hợp chất tải bằng phần mềm SAP 2000 Kết quả tính toán đợc thể hiện dới dạng các biểu

đồ và bảng thống kê nội lực, dữ nguyên quy ớc dấu trong phần mềm

Sau khi dùng phầm mềm SAP 2000 để lấy kết quả nội lực với các phơng

án chất tải khác nhau, hình dạng và trị số của biểu đồ nội lực cho nửa khung bên trái đợc thể hiện nh hình vẽ dới đây Đơn vị tính là kN, kN.m Riêng nội lực do hoạt tải chất cả mái xác định bằng cách cộng nội lực do 2 trờng hợp chất hoạt tải mái nửa trái và nửa phải

lực hãm lên cột phải

1800

4300 4,833kN

lực hãm lên cột trái

4,833kN

1800

4300

2 Tổ hợp nội lực

Từ kết quả tính toán nội lực nh trên ta tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực

để tìm ra trờng hợp nội lực bất lợi nhất để tính toán tiết diện khung Với cột ta xét 4 tiết diện: đầu cột, vai cột (2 tiết diện), chân cột Với xà ngang

ta xét 3 tiết diện: đầu xà, 1/3 xà, đỉnh xà Tại mỗi tiết diện có các trị số

M, N, V

+ Ta xét 2 loại tổ hợp:

- Tổ hợp cơ bản 1: gồm tĩnh tải thờng xuyên và 1 hoạt tải

- Tổ hợp cơ bản 2: gồm tải trọng thờng xuyên và nhiều hoạt tải nhân với

hệ số tổ hợp 0,9Kết quả cụ thể đợc ghi trong bảng tổ hợp

Biểu đồ momen tĩnh tải

Biểu đồ lực cắt tĩnh tải

Biểu đồ lực dọc tĩnh tải

Biểu đồ lực dọc hoạt tải trái

Biểu đồ lực cắt hoạt tảI trái

Biểu đồ momen hoạt tải trái

Biểu đồ momen hoạt tảI phải

Biểu đồ lực cắt hoạt tảI phải

Biểu đồ lực dọc hoạt tải phải

Biểu đồ lực dọc hoạt tảI mái

Biểu đồ lực cắt hoạt tải mái

Biểu đồ momen hoạt tải mái

Biểu đồ momen gió trái

Biểu đồ lực cắt gió trái

Biểu đồ lực dọc gió trái

Biểu đồ lực dọc gió phải

Biểu đồ lực cắt gió phải

Biểu đồ momen gió phải

Biểu đồ momen Dmax trái

Biểu đồ lực cắt Dmax trái

Biểu đồ lực dọc Dmax trái

Biểu đồ lực dọc Dmax phải

Biểu đồ lực cắt Dmax phải

Biểu đồ momen Dmax phải

Biểu đồ momen Tmax trái

Biểu đồ lực cắt Tmax trái

Biểu đồ lực dọc Tmax trái

Biểu đồ lực dọc Tmax phải

Biểu đồ lực cắt Tmax phải

Biểu đồ moomen Tmax phải

BẢNG THỐNG K£ NỘI LỰC

( Đơn vị tính : KN, KN.m)

Phương án chất tải

tải

Hoạt tải mái trái

Hoạt tải mái phải

Hoạt tải

43.72

-117.4 6

15.33

41.57

BẢNG TỔ HỢP NỘI LỰC

( Đơn vị tính : KN, KN.m )

vii thiết kế tiết diện cấu kiện

1 Thiết kế tiết diện cột

a) Xác định chiều dài tính toán

cột đã giả thiết là bằng nhau ta có:

bằng khoảng cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị theo phơng dọc nhà (dầm cầu trục, giằng cột, xà ngang) Gỉa thiết bố trí giằng cột dọc nhà bằng thép hình chữ C tại cao trình +2.150 tức là ở vị

b) Chọn và kiểm tra tiết diện

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:

A : diện tích tiết diện ngang

Wx : mô men chống uốn của tiết diện theo trục x-x

Tra bảng IV.5 phụ lục – với loại tiết diện số 5, ta có :

Với Af / Aw = 0,5:

=(1,75 - 0,1.4,08) - 0,02(5 -4,08).1,604 = 1,31Với Af / Aw 1 :

=(1,9-0,1.4,08)- 0,02(6- 4,08).1,604 = 1,43Với Af / Aw = (1.20)/(0,6.38) = 0,877 ta có =1,339

Từ đó: m e =ηm x = 1,339.4,08 =5,463 <20  Không cần kiểm tra bền

=0,221 Điều kiện ổn định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung

0,221.62,8

x e

N A

σϕ

=21(kN/cm2)

Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung cần tính trị số mômen ở 1/3 chiều cao của cột dới kể từ phía có mômen lớn hơn Vì cặp nội lực dùng để tính toán cột là tại tiết diện dới vai và do các trờng hợp

tải trọng (1,4,7,9) gây ra nên trị số của mômen uốn tại tiết diện chân cột

=+

Do vậy điều kiện ổn định tổng thể của cột theo phơng ngoài mặt phẳng đợc kiểm tra theo công thức:

phần bản bụng cột tiếp giáp với hai bản cánh còn làm việc Bề rộng của

phân bụng cột này là :

w w

=> Vậy tiết diện đã chọn là đạt yêu cầu

2 Thiết kế tiết diện xà ngang

* Đoạn xà 10,50 m

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:

M = 150,70 (kNm)

yc x w

W

t

Chän h = 40cm

* KiÓm tra tiÕt diÖn

+ KiÓm tra bÒ dµy b¶n bông tõ ®iÒu kiÖn chÞu c¾t

γ

3

0,62

+ Tính các đặc trng hình học của tiết diện

1 3 1 1,15

Bản bụng không bị mất ổn định cục bộ dới tác dụng của ứng suất pháp

và ứng suất tiếp (không phải kiểm tra các ô bụng)

Vậy tiết diện xà đã chọn là đạt yêu cầu và cột đã chọn phù hợp với giả thiết ban đầu là bằng nhau

3 Thiết kế các chi tiết

3.1 Vai cột

(2.61) trong “Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp” - Trờng ĐHKT HN

Ta xác định mô men uốn và lực cắt tại chỗ liên kết công - xôn vai cột với bản cánh cột, sơ đồ tính dầm vai nh hình vẽ:

M h

từ điều kiện chịu ép cục bộ do phản lực dầm cầu trục truyền vào, theo công thức :

47,56.10 38

dv w dv

Cấu tạo vai cột + Chọn chiều cao đờng hàn liên kết dầm vai vào cột hf = 0,6cm

Chiều dài tính toán của các đờng hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột xác

BÒ dµy: t s 2b f E s =2.6 21 2,1.104 =0,38( )cm Chän ts = 0, 6cm

®iÒu kiÖn chÞu uèn:

11,74( )0,8.21.1

s s

Theo cấu tạo, chọn chiều cao đờng hàn liên kết sờn A vào bản bụng cột

này là:

2 2

điều kiện chịu uốn:

0,8.21.1

s s

tích tiết diện và mô men chống uốn của các đờng hàn này là:

2 2

Đây là cặp nội lực đã dùng để tính chân cột, do các tải trọng 1,5,8,10 gây

ra Chiều dài vùng bê tông chịu nén dới bản đế là c = 33,5cm Chọn khoảng cách từ mép biên bản đế chân cột đến tâm bu lông neo là 6cm, xác định đợc:

3 6 64 33,5 / 3 6 46,8( )

bd bd

46,8

y

I.10 phụ lục trong "Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp" ta có f ba =190( /N mm2)

Diện tích tiết diện cần thiết của một bu lông neo:

2 1

Trong đó Lb : khoảng cách giữa 2 dãy bu lông neo ở hai biên của bản đế

Do T2 < T1 nên đờng kính bu lông neo đã chọn là đạt yêu cầu

f) Tính toán các đờng hàn liên kết cột vào bản đế

Các đờng hàn liên kết tiết diện cột vào bản đế đợc tính toán trên quan niệm mô men và lực dọc do các đờng hàn ở bản cánh chịu, còn lực cắt do các đờng hàn ở bản bụng chịu Nội lực để tính toán đờng hàn chọn trong bảng tổ hợp nội lực chính là cặp đã dùng để tính toán bu lông neo

Lực kéo trong bản cánh cột do mô men và lực dọc phân vào theo công thức:

Sinh viên: NGUYễN QUANG CHIếN 56

dầm đế

SƯờN B

Cấu tạo chân cột 3.3 Liên kết cột với xà ngang

Cặp nội lực dùng để tính toán liên kết là cặp gây kéo nhiều nhất cho các bu

lông tại tiết diện đỉnh cột Từ bảng tổ hợp chọn đợc cặp nội lực:

phía ngoài của cột bố trí một cặp sờn gia cờng cho mặt bích, với kích thớc lấy nh sau:

Lùc kÐo t¸c dông vµo mét bu l«ng ë d·y ngoµi cïng do m« men vµ lùc däc ph©n vµo (do m« men cã dÊu ©m nªn coi t©m quay trïng víi d·y bu l«ng phÝa trong cïng) theo c«ng thøc:

c) Tính toán đờng hàn liên kết tiết diện cột (xà ngang) với mặt bích

Tổng chiều dài tính toán của các đờng hàn phía cánh ngoài (kể cả sờn)

Cấu tạo mối nối cột với xà ngang

3.4 Mối nối đỉnh xà:

Trong bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực gây kéo nhiều nhất cho các

bu lông tại tiết diện đỉnh xà (đỉnh mái):

M = -89,54 (kNm)

N = -46,36 (kN)

V = 4,10 (kN)

Đây là cặp nội lực trong tổ hợp nội lực do các trờng hợp tải trọng 1,4 gây

ra Tơng tự nh trên chọn bu lông cờng độ cao cấp bền 8.8, đờng kính bu lông dự kiến d = 20mm (lỗ loại C) Bố trí bu lông thành 2 hàng, ở phía

ngoài của 2 bản cánh xà ngang bố trí 2 cặp sờn gia cờng cho mặt bích, kích thớc nh sau:

Lùc kÐo t¸c dông vµo mét bu l«ng ë d·y díi cïng do m« men vµ lùc däc

ph©nvµo (do m« men cã dÊu d¬ng nªn coi t©m quay trïng víi d·y bu l«ng phÝa trªn cïng) theo:

(b b f+ ) (10 10).21+

1 1

Cấu tạo mối nối đỉnh xà

3.5 Liên kết bản cánh với bản bụng cột và xà ngang

Lực cắt lớn nhất trong xà ngang là tại tiết diện đầu xà Vmax = 49,31 (kN) Chiều cao cần thiết của đờng hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng xà ngang theo công thức:

Kết hợp cấu tạo, chọn chiều cao đờng hàn hf = 0,7 (cm)

Tiến hành tơng tự, chọn chiều cao đờng hàn liên kết bản cánh với bản bụng cột là : hf = 0,7 (cm)

viii tài liệu tham khảo

1 Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp.

TS Phạm Minh Hà (chủ biên), TS Đoàn Tuyết Ngọc

( Bộ môn kết cấu thép - gỗ, Trờng đại học Kiến Trúc Hà Nội)

2 TCXDVN 338 - 2005 : Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế

3 Phạm Văn Hội (chủ biên) Kết cấu thép: Cấu kiện cơ bản Nhà xuất