Đồ án Kết cấu thép 2 Đại học Xây dựng

Đồ án kết cấu thép 2, trường đại học Xây dựng, giáo viên hướng dẫn Nguyễn Như Hoàng, thiết kế khung ngang nhà công nghiệp, nhịp khung 27m. Đồ án kết cấu thép 2, trường đại học Xây dựng, giáo viên hướng dẫn Nguyễn Như Hoàng, thiết kế khung ngang nhà công nghiệp, nhịp khung 27m.

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG,

- Vùng gió IIA, dạng địa hình A.

- Mái lợp tôn múi dày 0,47 mm, lớp chống nóng và chống ồn dày 60 mm, (

2.1 Thuyết minh tính toán

- Thành lập sơ đồ kết cấu, xác định kích thước khung ngang, lập mặt bằng

lưới cột, bố trí hệ giằng mái và hệ giằng cột, bố trí sơ đồ kết cấu khung đầuhồi

- Xác định và vẽ sơ đồ tải trọng tác dụng lên khung ngang: tĩnh tải, hoạt tải

mái, hoạt tải gió

- Thiết kế xà gồ cán nóng và xà gồ dập nguội

- Tính nội lực khung ngang Thể hiện sơ đồ tải trọng và biểu đồ nội lực M, N,

V cho từng trường hợp tải trọng Lập bảng thống kê nội lực, bảng tổ hợp nộilực cho các tiết diện đặc trưng của cột và xà mái

- Thiết kế khung ngang gồm cột và xà ngang Thiết kế các chi tiết chân cột,

liên kết xà cột, mối nối xà

2.2 Bản vẽ thể hiện

Thể hiện 1 bản vẽ A1 gồm:

- Sơ đồ khung ngang, sơ đồ kết cấu khung đầu hồi.

- Hệ giằng mái và giằng cột.

- Cột khung, các mặt cắt và chi tiết thân cột

- Xà ngang và các chi tiết của xà

- Triển khai một số bản thép của cột và xà, thống kê vật liệu.

- Ghi chú và chỉ dẫn cần thiết.

II Tính toán thiết kế

1 Sơ đồ kết cấu khung ngang

Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diện khôngđổi liên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu kiến trúc và thoátnước, chọn xà ngang có độ dốc với góc dốc  = 100 (tương đương i = 17 %) Do) Dotính chất làm việc của khung ngang chịu tải trọng bản thân và tải trọng gió là chủyếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở vị trí nách khung thường lớn hơnnhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp Cấu tạo xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảngbiến đổi tiết diện cách đầu cột một đoạn (0,35  0,4) chiều dài nửa xà Tiết diệncòn lại lấy không đổi

Hình 1.1 Sơ đồ khung ngang

1.1 Kích thước theo phương đứng

H = H1 + hch

Trong đó: H1 là cao trình đỉnh cột, H1 = 7 m

hch là chiều sâu chôn chân cột, hch = 1 m

 H = 7 + 1 = 8 m

1.2 Kích thước theo phương ngang

Nhịp khung L = 27 m, trục định vị tại mép ngoài cột

b Tiết diện xà mái

- Chiều cao tiết diện nách khung:

- Vị trí thay đổi tiết diện xà cách đầu cột:

- Tạo điều kiện thuận lợi, an toàn cho việc dựng lắp, thi công

Hệ giằng bao gồm hai nhóm: hệ giằng mái và hệ giằng cột.

Hệ giằng cột:

Hệ giằng cột đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng của toàn nhà theo phươngdọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà và đảm bảo ổn định của cột Dọc theochiều dài nhà, hệ giằng cột bố trí giữa khối nhà và ở 2 đầu hồi nhà để truyền tảitrọng gió một cách nhanh chóng Theo tiết diện cột, hệ giằng cột được đặt vào giữabản bụng cột Chọn tiết diện thanh giằng làm từ thanh thép tròn 25 Trên đỉnh cột

bố trí thanh chống dọc nhà 2C20

Hình 1.2 Sơ đồ hệ giằng cột

Hệ giằng mái:

Hệ giằng mái được bố trí ở hai gian đầu nhà và ở chỗ có hệ giằng cột Hệ giằngmái bao gồm các thanh giằng xiên và thanh chống, trong đó yêu cầu cấu tạo thanhchống có độ mảnh  max  200 Thanh giằng xiên làm từ thép tròn tiết diện 25,thanh chống chọn 2C20 Theo chiều cao tiết diện xà, giằng mái bố trí lệch lên phíatrên (để giữ ổn định cho xà khi chịu tải bình thường – cánh trên của xà chịu nén).Khi khung chịu tải gió, cánh dưới của xà chịu nén nên phải gia cường bằng cácthanh giằng chống xiên (liên kết lên xà gồ), cách 3 bước xà gồ lại bố trí một thanhchống xiên Tiết diện thanh chống chọn L50x5, điểm liên kết với xà gồ cách xà

800 mm Ngoài ra bố trí thanh chống dọc nóc tiết diện 2C20 tạo điều kiện thuận lợikhi thi công lắp ghép

Hình 1.3 Sơ đồ hệ giằng mái

1.4 Sơ đồ kết cấu khung đầu hồi

Hình 1.4 Sơ đồ kết cấu khung đầu hồi

2 Tải trọng tác dụng lên khung

2.1 Tải trọng thường xuyên

- Trọng lượng lớp tôn lợp mái dày 0,47 mm: 1

0, 47 7850 3, 69 1000

kg/m2

- Trọng lượng lớp chống nóng, chống ồn dày 60 mm: 2

60 60 3, 6 1000

Tĩnh tải tiêu chuẩn phân bố lên xà: qtc.B = 14,29.7 = 100,03 kg/m

Tĩnh tải tính toán phân bố lên xà: qtt.B = 15,72.7 = 110,03 kg/m

2.2 Hoạt tải sửa chữa mái

- Hệ số độ tin cậy của hoạt tải sửa chữa mái np = 1,3

- Hoạt tải sửa chữa mái tiêu chuẩn là 30 kg/m2 mặt bằng nhà

- Hoạt tải tính toán: 30.1,3 = 39 kg/m2

- Hoạt tải tiêu chuẩn phân bố lên xà:

ptc = 30.B.cos = 30.7.cos100 = 206,81 kg/m

- Hoạt tải tính toán phân bố lên xà:

ptt = 39.B cos = 39.7.cos100 = 268,85 kg/m

2.3 Tải trọng gió

Áp lực gió tác dụng lên khung được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737 1995: q = n.W0.k.C.B (kg/m)

-Trong đó: q: là áp lực gió phân bố trên mét dài khung

W0: là áp lực gió tiêu chuẩn, gió ở vùng IIA có W0 = 83 kg/m2

n = 1,2: là hệ số độ tin cậy của tải trọng giók: là hệ số phụ thuộc vào độ cao

C: là hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu

B = 7 m: là bước khung

Hệ số k và C xác định theo TCVN 2737 – 1995, kết quả xác định tải trọng

gió được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1 Tải trọng gió theo phương ngang nhà

Dùng xà gồ bằng thép hình dạng tiết diện U14 Sơ đồ giằng xà gồ:

q B

kg.mKiểm tra bền theo công thức:

2100

y x

x y

M M

y

kg/cm2

 = 545,36 + 140,59 = 685,59 kg/cm2 < 2100 kg/cm2 => thỏa mãnKiểm tra võng theo công thức:

2 2

1 200

y x

là độ võng tương đối của xà gồ theo phương x và phương y

do tải trọng tiêu chuẩn qtc

x và qtc

y gây ra

1 200

  là độ võng tương đối cho phép của xà gồ lợp mái tôn

Với trường hợp dùng 1 thanh giằng xà gồ ở giữa nhịp thì cần kiểm tra độvõng của xà gồ tại điểm giữa nhịp và tại điểm cách đầu xà gồ 1 khoảng z = 0,21.B

- Độ võng tương đối tại điểm giữa nhịp:

b Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ

Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ là tổ hợp tĩnh tải và gió (chiếu lên phương gió y-y)

- Tải trọng gió tính toán:

Chọn xà gồ theo tải trọng gió (có chiều hướng ra khỏi mái), qgio = 91,39 kg/

m, nhịp 7000 mm và theo sơ đồ có một thanh căng ở giữa, tra bảng 3.5 thép hình

- Nhịp tính toán khung lấy theo tim của 2 trục cột, trục xà gãy khúc tại điểmđổi tiết diện (nối tâm của tiết diện nách xà với tâm của tiết diện tại chỗ đổi, đoạncòn lại lấy trùng với trục của tiết diện bé).

- Liên kết giữa cột với móng là liên kết ngàm, liên kết giữa cột với xà là liênkết cứng

Hình 4.3 Sơ đồ hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa trái khung

Hình 4.4 Sơ đồ tải trọng gió ngang trái

Hình 4.5 Sơ đồ tải trọng gió dọc

4.2 Nội lực và tổ hợp nội lực

a Nội lực

Sử dụng phần mềm sap2000 phân tích kết cấu khung, cho kết quả là giá trịnội lực của cấu kiện cột, xà theo các trường hợp tải trọng riêng biệt Lấy kết quảnội lực tại các tiết diện đặc biệt của khung:

- Tại cột: lấy nội lực tại tiết diện chân cột và đỉnh cột

- Tại xà: lấy nội lực tại đầu xà (đầu liên kết với cột), giữa xà (chỗ thay đổi

tiết diện) và cuối xà (đầu giữa khung)

b Tổ hợp nội lực

Có hai loại tổ hợp cơ bản 1 và tổ hợp cơ bản 2 Tổ hợp cơ bản 1 gồm nội lực

do tải trọng thường xuyên và một hoạt tải (hệ số tổ hợp nc =1) Tổ hợp cơ bản 2gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và nội lực các hoạt tải gây ra (hệ số tổ hợpnc= 0,9) Tại mỗi tiết diện tìm được 3 cặp nội lực:

- Tổ hợp gây mô men dương lớn nhất Mmax và lực nén, lực cắt tương ứng Ntư,

Hình 4.7 Biểu đồ mô men do hoạt tải sửa chữa mái tác dụng lên nửa trái khung

Hình 4.8 Biểu đồ mô men do tải trọng gió ngang trái

Hình 4.9 Biểu đồ mô men do tải trọng gió dọc

Bảng 4.1 Bảng tổng hợp nội lực

Mmax Ntu Qtu Mmin Ntu Qtu Nmax Mtu Qtu 24849.06 3120.71 7890.72 -13747.10 -5555.89 -3778.59 -7130.20 -11630.11 -3778.59

5 Kiểm tra tiết diện cột, xà

5.1 Kiểm tra tiết diện cột

- Nội lực tính toán:

Bảng 5.1 Các trường hợp nội lựcThành phần nội lực M (kg.m) N (kg) Q (kg)Trường hợp 1 Mmax, Ntu, Qtu 43970,49 5446,74 13712,31Trường hợp 2 Nmax, Mtu, Qtu -11630,1 -7130,2 -3778,59Trường hợp 3 Mmin, Ntu, Qtu -17187,6 -2048,54 -4460

- Vật liệu: thép CCT34:

f = 2100 kg/cm2

E = 2,1.106 kg/cm2

- Kích thước hình học tiết diện cột:

Bảng 5.2 Kích thước hình học tiết diện

h (cm) bf (cm) tf (cm) hw (cm) tw (cm)

- Đặc trưng hình học tiết diện cột:

Bảng 5.3 Đặc trưng hình học tiết diện

- Chiều dài tính toán cột:

Trong mặt phẳng khung lx: cho phép tính lx = .H với hệ số chiều dài tính

toán  (tra bảng 5.4) phụ thuộc tham số:

.

c T

xa

b I G

Ic = 208971,3 cm4: mô men quán tính của tiết diện cột

Ixa = 124436,1 cm4: mô men quán tính của tiết diện xà lấy ở vị trí thayđổi tiết diện

2,83 8.124436,1

2 điểm giằng cột Theo sơ đồ bố trí hệ giằng ta có: ly = 8 m

5.1.2 Kiểm tra điều kiện khống chế độ mảnh

l i

;

8.100

82 9,7

y y y

l i

W c

n x

f A

Ta có me = 26,89 > 20 => cần kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể như với

cấu kiện chịu uốn theo công thức: b.Wc c

M

f 

Tính b theo phụ lục E, TCXDVN 338:2005, (phụ thuộc hệ số  và hệ số như trong dầm có cánh chịu nén với một điểm cố kết ở giữa nhịp)

Ta có me = 5,43 < 20 => kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể như với cấu

kiện chịu nén theo công thức: e. c

N f

Hệ số uốn dọc e xác định theo phụ lục D, TCXDVN 338:2005: e = 0,24



7130,2

131,46 0,24.226

Ta có me = 27,95 > 20 => cần kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể như với

cấu kiện chịu uốn theo công thức: b.Wc c

b c

M

   < 2100 => thỏa mãn

5.1.5 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

Điều kiện kiểm tra: .y c

N f

x

m N



Cột bị khống chế chuyển vị theo phương vuông góc với mặt phẳng tác dụngcủa mômen nên momen Mx là mômen lớn nhất trong khoảng 1/3 giữa của chiều dàicột, nhưng không nhỏ hơn 0,5 lần mômen lớn nhất trên cả chiều dài thanh)

1 x y b

Hệ số uốn dọc y đối với trục y-y của tiết diện được xác định bằng cách trabảng D8, TCXDVN 338:2005, tương ứng với y = 82 ta có y = 0,708

1

0,08 15,28.0,708

8522,39.100 226

W 7130,2 5971

x x

1 x y b

Hệ số uốn dọc y đối với trục y-y của tiết diện được xác định bằng cách trabảng D8, TCXDVN 338:2005, tương ứng với y = 82 ta có y = 0,708

1

0,08 15,88.0,708

f f

66 66 1

Ta có me = 5,43 < 20, điều kiện ổn định tổng thể của cột được quyết định bởiđiều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn nên cần phải tính hệ số  và ứngsuất tiếp trung bình .

120,17

h t

5.1.8 Kiểm tra liên kết hàn bản cánh và bản bụng cột

Chọn cặp nội lực gây cắt lớn nhất để tính: (cặp nội lực 1 có Q = 13712,31kg)

Chiều cao đường hàn cánh – bụng:

w min

2( )

f f

x c

QS h



Sf = 2720 cm3: mô men tĩnh của 1 bản cánh cột với trục x-x

(fw)min = 1260 kg/cm2: cường độ tính toán đường hàn với que hàn N42

13712,31.2720

0,07 0,7 2.1260.208971,33.1

5.2 Kiểm tra tiết diện xà

5.2.1 Kiểm tra tiết diện xà tại nách khung

a) Thông số chung

- Nội lực tính toán: M = 29231,39 kg.m; N = 5697,75 kg; Q = 5892,51 kg

- Vật liệu: Thép CCT34: f = 2100 kg/cm2; E = 2,1.106 kg/cm2

Hình 5.2 Tiết diện xà tại nách khung

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.5 Kích thước hình học tiết diện

h (cm) bf (cm) tf (cm) hw (cm) tw (cm)

- Chiều dài tính toán xà:

+ Trong mặt phẳng khung: lx = L = 27 m

+ Ngoài mặt phẳng khung: ly = khoảng cách giữa 2 xà gồ = 1,18 m

- Đặc trưng hình học tiết diện xà:

Bảng 5.6 Đặc trưng hình học tiết diện

b) Kiểm tra điều kiện cường độ

- Điều kiện bền chịu uốn nén:

thỏa mãn

- Điều kiện bền chịu cắt:

2 max

5697,75 29231,39.100 66,8

w x

w

5892,51.2188,8

73,88 / 174581,03.1

f x x

c) Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của xà

o f

3, 2

6 w

Hình 5.3 Tiết diện đoạn xà có tiết diện không đổi

- Kích thước hình học tiết diện:

Bảng 5.7 Kích thước hình học tiết diện

h (cm) bf (cm) tf (cm) hw (cm) tw (cm)

- Đặc trưng hình học tiết diện xà:

Bảng 5.8 Đặc trưng hình học tiết diện

b) Kiểm tra điều kiện cường độ

- Điều kiện bền chịu uốn nén:

thỏa mãn

- Điều kiện bền chịu cắt:

2 max

2771,89.2272,08

50,61 1200 / 124436,1.1

- Kiểm tra điều kiện bền chịu đồng thời nén uốn và cắt:

2 1

4791,09 6574,71.100 56,8

w x

w

2771,89.1868,8

41, 63 / 124436,1.1

f x x

o f

l

0, 41 0,0032 f 0,73 0,016 f f o

3, 2

6 w

w min

2( )

f f

x c

QS h



Sf = 1868,8 cm3: mô men tĩnh của 1 bản cánh cột với trục x-x

(fw)min = 1260 kg/cm2: cường độ tính toán đường hàn với que hàn N42

3641, 46.1868,8

0,02 0, 2 2.1260.124436,1.1

5.3 Kiểm tra chuyển vị ngang tại cao trình đỉnh cột

- Chuyển vị ngang tại cao trình đỉnh cột do tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn của

tĩnh tải và tải trọng gió gây ra:  = 5,869 mm

3 m 1,5

b

bd

A A

; Am là diện tích mặt móng, Abd là diện tích mặt bản đế, tạmlấy b = 1,2

7130, 2 7130, 2 6.11630,11.100

30,31 2.60.0,75.174 2.60.0,75.174 60.0,75.174

- Với cặp nội lực 2:

2 2

5446,74 5446,74 6.43970, 49.100

58, 4 2.60.0,75.174 2.60.0,75.174 60.0,75.174

min 1

Tính mô men uốn trên 1 đơn vị dài trong các ô bản đế:

- Ô 1 (bản kê 3 cạnh) có: b2/a2 = 29,5/23 = 1,283, tra bảng có αb = 0,122

Hình 6.1 Sơ đồ tính toán chân cột

Chiều dày bản đế:

2, 4 2000.1

 Ndd = 5446,74/2 + 43970,49.100/68 = 67385,85 kg

Chiều cao dầm đế:

dd w

Dầm đế tính như công xôn ngàm tại cánh cột, nhịp tính toán:(60-40)/2=10cm

Mô men uốn dầm đế: Mdd = 1141,09.102/2 = 57054,5 kg.cm

Kiểm tra uốn dầm đế:

2 dd

dd dd

6 6.57054,5

213,95 / 2100 1.40

c) Tính bu lông

- Tính bu lông neo:

Chọn cặp nội lực (M,N) ở chân cột gây kéo lớn nhất giữa bản đế và móng (Mlớn nhất, N nhỏ nhất) Từ bảng tổ hợp nội lực chọn được: M = 43970,49 kg.m; N =5446,74 kg, trong đó: Ntt = -4925,55 kg; Nht = 10372,29 kg; Mtt = -9077,97 kg.m;

Mht = 53048,46 kg.m

Lực tính bu lông neo:

4925,55 0,9 0,9 10372,29 6342,3

Bu lông chịu lực nhổ Nt = -6342,3 kg và mô men tương ứng Mt = 45621,03kg.m

bl

Dùng bu lông neo làm từ mác 16MnSi có fba = 1900 kg/cm2, diện tích yêu cầucủa bu lông là: Abl = 53831,89/1900 = 28,33 cm2 Chọn 2 bu lông đường kính D =48mm, có diện tích là 2.14,8 = 29,6 cm2

Vậy chiều dày sườn đỡ đã chọn tsd = 1 cm đủ khả năng chịu lực

- Kiểm tra liên kết hàn giữa sườn đỡ và dầm đế:

Chọn chiều cao đường hàn hf = 9mm Sườn đỡ bu lông ở giữa hàn trước vàochân cột nên sẽ có 2 đường hàn 2 bên, 2 sườn đỡ còn lại có thêm 2 đường hàn bênngoài Tính mô men kháng uốn, diện tích tiết diện 4 đường hàn góc:

kg cm A

V = 529,11.29,5 = 15608,75 kg

Chiều cao sườn ngăn:

6 6.230228,99

25,65 1.2100.1

e) Tính đường hàn liên kết cột vào bản đế chịu mô men, lực dọc và lực cắt

Chọn chiều cao đường hàn hf = 10mm

Hình 6.2 Sơ đồ bố trí bu lông liên kết xà cột

Nội lực đỉnh cột: M = -29231,39 kg.m (kéo phía trong, nén phía ngoài); N=6792,26 kg (kéo); V = 4588,18daN

a) Theo quan niệm tính thứ nhất: Coi liên kết xoay quanh hàng bulông ngoài

cùng

* Chọn và kiểm tra bu lông:

Chọn 12 bu lông đường kính 22 loại 8.8 và bố trí bulông như hình vẽ 6.2,có: Diện tích thực của bu lông Abn= 3,52cm2; diện tích nguyên của bu lông Abl =4,52cm2; cường độ tính toán chịu kéo của bu lông là ftb = 4000kg/cm2; cường độtính toán chịu cắt của bu lông là fvb = 3200kg/cm2

- Kiểm tra bu lông chịu kéo:

Lực kéo lớn nhất ở hàng bulông ngoài cùng, bỏ qua ảnh hưởng của các bulông ở miền chịu nén (gần tâm quay): (h1= 69cm; h2= 59,5cm; h3 = 47,5cm; e =41cm)

Khả năng chịu kéo của bulông: [N]tb = Abn.ftb = 3,52.4000 = 14080kg Điều kiện: [N]tb= 14080kg > Nbmax = 10462,32kg => thỏa mãn

- Kiểm tra bu lông chịu cắt:

Khả năng chịu cắt một bu lông: [N] vb 4,52.0,9.3200 13018kg

Điều kiện: : [N]vb = 13018kg  382,35kg => thỏa mãn

Ở đây: y – khoảng cách từ mép ngoài bản bụng cột vùng nén đến trục trung hòa;

Af = bf tf = 40x2 = 80cm2

Rút gọn sẽ được phương trình: 80σn0,6yσn 3Z57.66(kN) (1)

- Phương trình cân bằng mô men với trọng tâm vùng ứng suất nén của mộtphần bản bụng:





; Trong đó: 50 = 70 -18 -2 cm là khoảng cách từ hàng bu lông thứ 2 đến mépbản bụng chịu nén

Chọn sử dụng 12 bu lông đường kính 24 loại 8.8 có: Diện tích thực của bulông Abn =3,52cm2; diện tích nguyên của bu lông Abl= 4,52 cm2; cường độ tính toánchịu kéo của bu lông là ftb = 4000daN/cm2

57.66y 0.6y 88.02y 1464.5