Thiết kế khung đầu hồi nhà xưởng công nghiệp

Khung ngang đầu hồi nhà công nghiệp 1 tầng, 2 nhịp gồm các cấu kiện: cột đặc khung đầu hồi, xà ngang (dầm), thanh chống ngang nhà và các giằng hệ giằng chéo. Để đảm bảo độ cứng theo phương ngang nhà thì liên kết giữa cột và dầm mái phải là liên kết cứng. Khung đầu hồi dùng xà ngang (dầm) có độ dốc 20%.Mái lợp bằng Tole, ở khung đầu hồi không bố trí cửa trời.Ngoài ra, khung đầu hồi có bố trí thêm các sườn ngang, giằng sườn (hình vẽ) và kết cấu bao che.Cột đầu hồi và các cột sườn tường sử dụng thép tổ hợp chữ I không thay đổi, do nội lực ở khung đầu hồi nhỏ hơn các khung khác, và để tiết kiệm vật liệu hơn là thiết kế cột rỗng.Xà ngang (dầm mái) ở khung trục BC sử dung dầm thay về sử dụng dàn vì kèo vì các liên kết giữa dầm và cột dễ thiết kết, thi công, nội lực nhỏ hơn khu điển hình.Sườn ngang: có tiết diện thông thường là thép định hình chữ I, chữ C hoặc tổ hợp đặt nằm ngang nhằm giảm chiều dài sườn dọc (làm tăng độ cứng cho sườn dọc). Thường được tính như dầm đơn giản chịu tải trọng gió và TLBT tường. ở phương án bài làm sử dụng thép chữ I để tiết kiệm dễ thi công.Ngoài ra còn bố trí thêm hệ giằng chéo để tăng cường độ cứng và chống biến dạng cho hệ sườn bao cheTiết diện cấu kiện khung đầu hồi nhỏ hơn tiết diện cấu kiện khung ngang để tiết kiệm. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn thì nhóm chọn giải pháp tiết diện các cấu kiện khung đầu hồi sẽ sơ bộ giống như các khung ngang còn lại.

NỘI DUNG BÀI TIỂU LUẬN

Cao trìnhĐỉnh ray Hr

(m)

Cầutrục

Q (T)

Vùng áplực gió

Chiều dàinhà (m)

Độdốc i

%

- Dạng địa hình để tính gió là dạng địa hình B;

- Nhịp giữa có 2 cần trục hoạt động với sức trục Q đã cho ở trên bảng

- Vật liệu lợp mái :Tole…

II GIẢI PHÁP BỐ TRÍ KHUNG ĐẦU HỒI

1 Lựa chọn sơ đồ kết cấu khung ngang đầu hồi

Khung ngang đầu hồi nhà công nghiệp 1 tầng, 2 nhịp gồm các cấu kiện: cộtđặc khung đầu hồi, xà ngang (dầm), thanh chống ngang nhà và các giằng hệ giằngchéo Để đảm bảo độ cứng theo phương ngang nhà thì liên kết giữa cột và dầm máiphải là liên kết cứng Khung đầu hồi dùng xà ngang (dầm) có độ dốc 20%

Mái lợp bằng Tole, ở khung đầu hồi không bố trí cửa trời

Ngoài ra, khung đầu hồi có bố trí thêm các sườn ngang, giằng sườn (hình vẽ)

và kết cấu bao che

- Cột đầu hồi và các cột sườn tường sử dụng thép tổ hợp chữ I không thay đổi,

do nội lực ở khung đầu hồi nhỏ hơn các khung khác, và để tiết kiệm vật liệuhơn là thiết kế cột rỗng

- Xà ngang (dầm mái) ở khung trục BC sử dung dầm thay về sử dụng dàn vìkèo vì các liên kết giữa dầm và cột dễ thiết kết, thi công, nội lực nhỏ hơn khuđiển hình

- Sườn ngang: có tiết diện thông thường là thép định hình chữ I, chữ C hoặc tổhợp đặt nằm ngang nhằm giảm chiều dài sườn dọc (làm tăng độ cứng chosườn dọc) Thường được tính như dầm đơn giản chịu tải trọng gió và TLBTtường ở phương án bài làm sử dụng thép chữ I để tiết kiệm dễ thi công

- Ngoài ra còn bố trí thêm hệ giằng chéo để tăng cường độ cứng và chống biếndạng cho hệ sườn bao che

- Tiết diện cấu kiện khung đầu hồi nhỏ hơn tiết diện cấu kiện khung ngang đểtiết kiệm Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn thì nhóm chọn giải pháp tiết diệncác cấu kiện khung đầu hồi sẽ sơ bộ giống như các khung ngang còn lại

2 Kích thước chính khung đầu hồi

2.1 Sơ bộ tiết diện cột

Chọn tf = 10mm

 Vậy kích thước sơ bộ của cột CG1, 2, 3, 4,

CG1-5 là I 400×200×8×10

2.2 Sơ bộ tiết diện xà ngang (dầm mái)

a Sơ bộ tiết diện dầm mái DM1-1:

Chọn tf = 8mm

 Vậy kích thước sơ bộ của dầm DM1-1 là I 250×180×6×8

c Sơ bộ tiết diện dầm chính DM 1-2, DM1-3:

Theo điều kiện ổn định cục bộ bản cánh chịu nén, tỷ số chiều rộng và chiều dày của bản cánh cần thỏa mãn điều kiện:

Chọn tf = 8mm

 Vậy kích thước sơ bộ của dầm DM1-2; DM1-3 là I 250×180×6×8

2.3 Sơ bộ các sườn, thanh giằng

- Các thanh sườn ngang tiết diện I 220×110×6×8

- Các thanh chống dọc nhà tiết diện Thép ống D130x5

- Các thanh giằng chéo tiết diện Thép ống D90x3,5

Hình 1: Sơ đồ tiết diện khung điển hình

III TRÌNH BÀY GIẢI PHÁP BỐ TRÍ CÁC HỆ GIẰNG

Hệ gằng có các tác dụng sau đây:

 Tăng độ cứng cho toàn bộ công trình: Vì vật liệu thép có cường độ cao nên tiếtdiện thiết kế nhỏ, độ mảnh lớn, khả năng mất ổn định cao Do đó, cần bố trí hệgiằng để liên kết các thành phần lại với nhau, tạo thành kết cấu không gian có

độ cứng cao

 Tác dụng thứ hai của hệ giằng mái là tạo điểm cố kết trên cánh nén của dầmchịu uốn, hoặc thanh chịu nén, nhằm làm giảm chiều dài tính toán, tăng tính ổnđịnh của các cấu kiện

 Tác dụng thứ ba là chịu tác dụng của các tải trọng dọc nhà như tải gió

 Cuối cùng, giằng mái làm cho việc lắp dựng an toàn, thuận lợi

Nguyên tắc tổng quát khi xem xét thiết kế thì vị trí các hệ giằng, tiết diện cácthanh giằng, liên kết các thanh giằng…cần được đưa vào sơ đồ tính Trong trườnghợp, không tính toán không gian, chỉ tính khung phẳng thì cần đặt theo cấu tạo

Hệ giằng ở nhà công nghiệp bao gồm 2 bộ phận: Hệ giằng mái và hệ giằng cột.

1 Hệ giằng mái

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

1.1 Giằng trong mặt phẳng cánh trên

Giằng trong mặt phẳng cánh trên gồm các thanh chéo chữ thập trong mặt phẳngcánh trên và các thanh chống đọc nhà Tác dụng chính của chúng là bảo đảm ổnđịnh cho cánh trên chịu nén của dàn, tạo nên những điểm cố kết không chuyển vị rangoài mặt phẳng dàn Các thanh giằng chữ thập nên bố trí ở hai đầu khối nhiệt độ.Khi khối nhiệt độ quá dài thì bố trí thêm ở quãng giữa khối, sao cho khoảng cáchgiữa chúng không quá 50 - 60m Các dàn còn lại được liên kết vào các khối cứngbằng xà gồ hay sườn của tấm mái

+ Có khe nhiệt ở khu trục 13 – 13’: Khoảng cách 1m

Hình 2: Sơ đồ bố trí hệ giằng cánh trên.

1.2 Giằng trong mặt phẳng cánh dưới

Hệ giằng cách dưới gồm có 2 bộ phận:

+ Hệ giằng ngang, cấu tạo và bố trí tại các vị trí có giằng cánhtrên

+ Hệ giằng dọc bố trí dọc theo đầu cột

Cùng với hệ giằng cánh trên, hệ giằng ngang cánh dưới tạothành các khối cứng ở giữa nhà Hệ giằng cánh dưới được bố trí ởkhung (2-3) và khung (24-25), khung đâu ta dung xà ngang (dầm)nên không giằng cánh dưới Mặt khác hệ giằng này là điểm tựa chocột sườn tường để tiếp thu tải trọng truyền vào Hệ giằng dọc nhàđược bố trí dọc theo đầu cột, với chiều rộng bằng chiều dài đầutiên của cánh dưới giàn, có tác dụng tạo độ cứng dọc nhà

Trong những nhà xưởng có cầu trục Q, hoặc có cầu trục chế độ làm việc nặng,

để tăng độ cứng cho nhà, cần có thêm hệ giằng cánh dưới theo phương dọc nhà Hệgiằng này bảo đảm sự làm việc cùng nhau của các khung, truyền tải trọng cục bộ tácdụng lên một khung sang các khung lân cận Bề rộng của hệ giằng thường lấy bằngchiều dài của khoang đầu tiên của cánh đưới dàn Trong nhà xưởng nhiều nhịp, hệgiằng dọc được bố trí dọc hai hàng cột biên và tại một số hàng cột giữa, cách nhau

60 - 90m theo phương bề rộng nhà Tại các vị trí đỉnh mái, đầu dầm, chân cửa trời

bố trí các thanh chống dọc

Cụ thể khoảng cách các giằng:

+ Giằng chéo cánh dưới trục B - C: Khoảng cách 6m ở khung trục (6-7); (19-20);(25-26)

+ Giằng dọc nhà với với khoảng cánh bằng bước cột 7m

Hình 3: Sơ đồ bố trí hệ giằng cánh dưới.

2 Hệ giằng cột

Hệ giằng ở cột bảo đảm sự bất biến hình học và độ cứng của toàn nhà theophương dọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà và bảo đảm ổn định của cột Trongmỗi trục dọc một khối nhiệt độ cần có ít nhất một tấm cứng; các cột khác tựa vàotấm cứng bằng các thanh chống dọc Tấm cứng gồm có hai cột, dầm cầu trục, các

thanh ngang và các thanh chéo chữ thập Các thanh giằng cột bố trí suốt chiêu caocủa hai cột đĩa cứng: trong phạm vi đầu dàn - chính là hệ giằng đứng của mái; lớptrên từ mặt dầm cầu trục đến nút gối tựa dưới của dàn kèo; lớp dưới, bên dưới dầmcầu trục cho đến chân cột Các thanh giằng lớp trên đặt trong mặt phẳng trục cột;các thanh giằng lớp dưới đặt trong hai mặt phẳng của hai nhánh.

Tấm cứng phải đặt vào khoảng giữa chiều dài của khối nhiệt độ để không cản trởbiến dạng nhiệt độ của các kết cấu dọc Nếu khối nhiệt độ quá dài, một tấm cứngkhông đủ để giữ ốn định cho toàn bộ các khung thì dùng hai tấm cứng, sao chokhoảng cách từ đầu khối đến trục tấm cứng không quá 75m và khoảng cách giữatrục hai tấm cứng không lớn quá 50m Sơ đồ các thanh của tấm cứng có nhiều dạng:chéo chữ thập một tầng - đơn giản nhất - hoặc hai tầng khi cột cao; kiểu khung cổngkhi bước cột 12m hoặc khi cần làm lối đi thông qua.

Hệ giằng cột được bố trí thành 2 lớp: giằng cột trên và giằng cột dưới Các thanhgiằng cột trên bố trí ở truc cột, các thanh giằng cột dưới bố trí ở cả hai nhánh cột.Ngoài ra ở đầu hồi nhà, đầu khối khe nhiệt độ thường bố trí giằng cột trên để nhậnlực gió từ đầu hồi một cách nhanh chống Các thanh giằng lớp trên này tương đốimảnh nên không gây ứng suất nhiệt độ đáng kể Các lực tác dụng dọc nhà truyềnxuống móng qua hệ giằng cột dưới Khi bố trí hệ giằng cột không vượt quá kinhthước sau: Khoảng cách từ đầu hồi đến hệ giằng gần nhất là 75m, khoảng cách giữahai hệ giằng trong một khối nhiệt độ là 50m

Hình 5: Sơ đồ bố trí hệ giằng cột trục B,C.

IV TẢI TRỌNG TÁC DỤNG VÀO KHUNG ĐẦU HỒI

1 Tĩnh tải

1.1 Tính toán tĩnh tải

• Tĩnh tải tác dụng lên khung bao gồm:

- Trọng lượng bản thân kết cấu gồm:

- Trọng lượng mái: Tole + Xà gồ

Tải trọng tiêu chuẩn :

Tải trọng tính toán :

Với n = 1,05 là hệ số vượt tải

- Trọng lượng hệ giằng mái:

Tải trọng tiêu chuẩn :

Tải trọng tính toán :

Với n = 1,05 là hệ số vượt tải

• Tải trọng truyền vào dầm mái là : Với B = 7,5 m là chiều dài bướccột

1.2 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng lên khung đầu hồi

- Khi nhập gán tĩnh tải vào SAP2000, ta sẽ chọn 1 Combo gồm: Dead Load + Tảihoàn thiện

+ Combo TT = Dead Load + Tải hoàn thiện

Tải hoàn thiện là phần tải tác tính toán tác dụng lên khung

Mô hình 1: Tĩnh tải khung đầu hồi

2 Hoạt tải

2.1 Tính toán hoạt tải mái

- Tải trọng tiêu chuẩn :

- Tải trọng tính toán :

Với là hệ số vượt tải (TCVN 2737-1995)

- Tải trọng truyền vào dầm mái :

Với B = 7,5 m là chiều dài bước cột

2.2 Sơ đồ hoạt tải tác dụng lên khung đầu hồi

Khi gán hoạt tải mái vào phần mềm SAP2000, tạo thành 3trường hợp tải:

- HT1: Tải trên mái nhịp L1

- HT2: Tải trên nửa mái trái nhịp L2

- HT3: Tải trên nửa mái phải nhịp L2

Mô hình 2: Hoạt tải 1 khung đầu hồi

Mô hình 3: Hoạt tải 2 khung đầu hồi

Mô hình 4: Hoạt tải 3 khung đầu hồi

3 Tải trọng gió

Theo TCVN 2737-1995, công trình có chiều cao H < 40m không kể đến thành

phần gió động, thành phần tĩnh được xác định như sau:

Với H = 17,2m (thiên về an toàn, ta lấy điểm cao nhất của khung hồi để tính)

=> Hệ số tính đến sư thay đổi áp lực k = 1,102

Khung biên chịu một nữa tải trọng của các khung điển hình.

* Trong đó : B = 7m – Chiều dài bước cột

3.2 Tính tải trọng gió theo phương x (ngang nhà)

Dựa vào sơ đồ 14 TCVN 2737-1995, ta tra được hệ số khí động của các mặttheo phương ngang nhà xưởng

 Gió trái :

• Khung đầu hồi :

Dựa vào sơ đồ 14 TCVN 2737-1995, ta tra được hệ số khí động của các mặt theophương ngang nhà xưởng

 Gió trái:

2 17,2 1,102 -0,326 -1,252

V LẬP MÔ HÌNH TÍNH KHUNG KHÔNG GIAN 3D

Mô hình 5: Tĩnh tải khung không gian 3D

Mô hình 6: Hoạt tải 1 khung không gian 3D

Mô hình 7: Hoạt tải 2 khung không gian 3D

Mô hình 8: Hoạt tải 3 khung không gian 3D

Mô hình 9: Gió X khung không gian 3D

Mô hình 10: Gió -X khung không gian 3D

Mô hình 11: Gió Y khung không gian 3D

Mô hình 12: Gió -Y khung không gian 3D

VI PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NỘI LỰC KHUNG

1 Khung đầu hồi.

- Tải trọng theo phương ngang nhà tác dụng vào khung đầu hồi chỉ bằngkhoảng một nữa tải trọng theo phương ngang tác dụng vào các khung điểnhình

- Khung đầu hồi là khung trực tiếp nhận tải trọng theo phương dọc nhà là gió Y

và gió –Y, nên việc thiết kế khung phải đảm bảo khả năng chịu lực theo cả haiphương là phương dọc và phương ngang nhà xưởng

Hình 6: Gió Y tác dụng vào nhà xưởng.

- Hầu như các loại tải trọng bao gồm : Tĩnh tải, Hoạt tải, Tải trọng cầu khục và Gió X không gây nguy hiểm cho khung đầu hồi

Hình 7 Biểu đồ lực dọc do tỉnh tải Hình 8 Biểu đồ momen 3-3 do tỉnh tải

Hình 9: Biểu đồ lực dọc do hoạt tải 2 Hình 10: Biểu đồ momen 3-3 do hoạt tải 2

- Nội lực nguy hiểm trong khung đầu hồi chủ yếu do tải trọng theo phương dọc

là Gió Y và Gió –Y tác dụng vào Để đảm bảo sự làm việc của khung ta thiết

kế các cột đầu hồi tiết diện chữ I chiều cao tiết diện đặt dọc theo hướng tácdụng của tải Gió Y và –Y

Hình 11: Biểu đồ momen 3-3 do tải Gió Y

2 Khung kế khung đầu hồi

- Khung kế đầu hồi chủ yêu làm việc theo phương ngang nhà Nội lực phát sinhchủ yếu do : Tĩnh tải, Hoạt tải, Tải trọng cầu khục và Gió X

- Khi tải trọng gió tác dụng vào khung đầu hồi, tải theo phương dọc đượctruyền qua các thanh giằng và thanh chống dọc truyền vào các khung kếkhung đầu hồi Sau đó trực tiếp được truyền từ cột xuống móng Như vậy,trong trường hợp này các thanh giằng ngoài mục đích tạo thành khối bất biếnhình còn có tác dụng truyền tải trọng một cách nhanh chóng vào cột và truyềnxuống móng Ta còn gọi hệ giằng này là hệ giằng gió

Hình 14: Biểu đồ momen 2-2 do tải Gió Y

4 Vai trò của hệ giằng gió

Từ việc xem xét ứng xử của các khung, ta có thể rút ra được vai trò của hệ giằnggió như sau :

- Tạo thành khối các khối cứng ngăn chuyển vị theo phương dọc nhà xưởng

- Truyền tải trọng theo phương dọc nhà xưởng từ khung dầu hồi vào các khung

kế đầu hồi

- Tăng sự ổn định hay giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng cho các cấukiện như giàn,…

- Tạo điều kiện thuận lợi, an toàn trong quá trình thi công lắp dựng nhà xưởng

VII THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN KHUNG ĐẦU HỒI

1 Thiết kế cột giữa khung đầu hồi CG1-3

1.1 Chiều dài tính toán

- Chiều dài tính toán trong mặt phẳng: LX = 5,9 m (Khoảng cách lớn nhất giữa các điểm giằng)

- Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng: LY = 17,2m (Chiều dài thực của cột)

1.2 Thiết kế thiết diện cột

a Nội lực thiết kế

 Chọn nội lực từ Bảng nội lực với tổ hợp: TT + Gió Y

Độ lệch tâm do cặp nội lực M, N gây ra với cột biên C1 là:

Ta chọn cột thép có tiết diện chữ I với 2 trục đối xứng

b Chọn sơ bộ tiết diện cột theo điều kiện bền (công thức gần đúng của Iasinsky):

+ N : lực dọc tác dụng lên cột thép

+ A : diện tích mặt cắt ngang cột thép

+ : hệ số uốn dọc

+ Mx : mô-men uốn tác dụng lên cột thép

+ Wx : mô-men kháng uốn của mặt cắt ngang cột thép

+ : hệ số điều kiện làm việc của cột thép

+ f : cường độ tính toán của vật liệu làm cột thép

Sơ bộ chọn =0.8 và

Trong đó h là chiều cao tiết diện cột CG1-3,

Theo các điều kiện cấu tạo và ổn định cục bộ, chọn kích thước tiết diện cột:

- Chiều dày bản bụng cột:

Vậy chọn

− Chiều rộng bản cánh bf : được sơ bộ theo điểu kiện bảo đảm ổn định ngoàimặt phẳng khung ngang (phương dọc nhà), cụ thể:

Vậy chọn b f = 200mm =20cm

− Chiều dày bản cánh tf : theo điều kiện đảm bảo ổn định cục bộ của bản cánh,

cụ thể:

Vậy chọn t f = 10mm =1cm

1.3 Kiểm tra tiết diện đã chọn.

 Các đặc trưng hình học của tiết diện cột giữa:

Tính toán các đặc trưng hình học của tiết diện: 400x200x8x10

- Diện tích tiết diện:

- Momen quán tính của tiết điện đối với trục X

- Momen quán tính của tiết diện đối với trục Y:

Trong đó là khoảng cánh trọng tâm 2 bản cánh của cột:

- Momen kháng uốn của tiết diện

- Bán kính quán tính của tiết diện:

5,35 (cm) 16,37 (cm)

- Độ mảnh của cột theo 2 phương x-x (trong mặt phẳng uốn) và y-y (ngoài mặtphẳng uốn):

110 = 105 (thỏa)

- Độ mảnh quy ước của cột theo 2 phương x-x (trong mặt phẳng uốn) và y-y (ngoài mặt phẳng uốn):

- Độ lêch tâm tương đối của cột theo phương x-x (trong mặt phẳng uốn):

213 > 20

 Kiểm tra điều kiện bền

• Kiểm tra điều kiện bền của cột giữa:

Điều kiện bền của cột giữa là (theo điểu 7.4.1.2 trang 30 TCVN 5575-2012);

 Vậy cột giữa CG1-3 thỏa điều kiện bền

• Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của cột giữa trong mặt phẳng khung

uốn (lực nén dọc trục có độ lớn không đáng kể, hầu như không gâyhiện tượng uốn dọc với cột) nên các bước kiểm tra tiết diện cộtgiữa được thực hiện tương tự như với dầm ngang là cấu kiện chịuuốn và cắt, không có lực dọc

- Kiểm tra sơ bộ xem tỉ số có thỏa bất đẳng thức sau đây (bảng 13trang 27 TCVN 5575-2012 áp dụng cho dầm thép chữ I cán nóng

và dầm chữ I thép tổ hợp hàn khi) khi không phụ thuộc vị trí đặt tảitrọng:

Trong đó:

+

+ h0 = h - tf = 40 – 1 = 39 cm

biên theo công thức kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể củadầm nằm ngang là (mục 7.2.2.1 – trang 24 – TCVN 5575-2012):

Kiểm tra ổn định tổng thể của cột giữa ngoài mặt phẳng khung

Điều kiện ổn định tổng thể của cột giữa ngoài mặt phẳng khung được xác định theo công thức (theo mục 7.4.2.4 ở TCVN 5575-2012):

Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột biên theophương ngoài mặt phẳng khung, ta cần tính độlớn của mô-men ( được xem là có độ lớn = mô-men gây uốn cột theo phương ngoài mặt phẳngkhung) theo công thức và hình vẽ minh họa sau:

Với cặp nội lực này thì được tínhnhư ở hình bên trái

(chỉ quan tâm đến độ lớn của mô-men)Theo bảng tính excel, ta tính được các giá trị M1 và M2 rất nhỏ