ĐỒ án môn học kết cấu THÉP số 2 (THIẾT kế KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG 1 NHỊPkèm bản vẽ)

* Những nhận định cơ bản: Khung thép trên thực chất chính là loại kết cấu bằng thép có tiết diện thay đổi nh đãđợc học trong môn “Kết cấu thép” tại trờng và giải pháp liên kết ngàm tại m

đó, bộ môn Kết cấu Thép - Gỗ trờng ĐH Kiến trúc HN đã tổ chức những nhóm sinhviên tìm cách thiết kế dạng kết cấu trên.

Nhà công nghiệp yêu cầu thiết kế là nhà công nghiệp một tầng một nhịp Khungngang đợc làm bằng thép tiền chế tiết diện chữ I thay đổi phù hợp với nội lực trongkhung theo chiều dài nhịp Khung gồm hai bộ phận chính là Cột khung liên kết ngàmvới Dầm khung Khung ngang liên kết ngàm với móng

* Nhiệm vụ chính của đồ án:

1 Với các kích thớc và tải trọng cần thiết kế, xác định kích thớc tiết diện khung.Tiêu chí:

+ Đảm bảo điều kiện cờng độ

+ Đảm bảo điều kiện biến dạng

+ Đảm bảo điều kiện ổn định

+ Tiết kiệm vật liệu

+ Chế tạo đơn giản

2 Với khung như thiết kế, tính toán các chi tiết liên kết: Cột-Dầm; Dầm-Dầm; Cột-Móng)

* Những nhận định cơ bản:

Khung thép trên thực chất chính là loại kết cấu bằng thép có tiết diện thay đổi nh đãđợc học trong môn “Kết cấu thép” tại trờng và giải pháp liên kết ngàm tại móng là giảipháp thông minh để có đợc mặt bằng sản xuất rộng rãi nhất

Tuy nhiên vấn đề cơ bản đặt ra là :

Kết cấu thay đổi tiết diện thì độ cứng sẽ thay đổi, Giải quyết vấn đề này nh thế nào?Làm thế nào để biết đợc sự biến thiên của nội lực trong các tiết diện khung?

Làm thế nào để tiết kiệm đợc càng nhiều càng tốt vật liệu mà chế tạo lại đơn giảnnhất?

Thay đổi tiết diện nhưng thay đổi như thế nào? Tại đâu? Có thể có những tiết diện

Trước hết ta thấy các vấn đề trên có thể thực hiện đợc bằng những kiến thức đã đợctrang bị trong trờng Những định hớng, khống chế cơ bản phải tuân theo sự hướng dẫncủa GVHD.

Tiết diện kết cấu thay đổi thay đổi thì J sẽ không thể cố định tuy nhiên dầm và cộtkhung vẫn phải có một độ cứng nào đó Vậy ban đầu ta sẽ giả thiết trớc về tỉ lệ độ cứnggiữa dầm khung và cột khung

Giải quyết vấn đề nội lực, chúng ta đã có một phương pháp truyền thống để giải cácbài toán không tuyến tính đó là phương pháp “chia nhỏ đối tợng”, áp dụng vào trờnghợp này, nội lực trong dầm, cột ứng với các trờng hợp tải trọng sẽ đợc xác định từnhiều các mặt cắt tại các vị trí khác nhau và đợc đa vào tổ hợp trong bảng tại các tiếtdiện có vị trí tơng ứng Nội lực có giá trị lớn nhất tại mỗi tiết diện lấy từ bảng tổ hợp

sẽ đợc chọn để đa vào thiết kế

Sau khi đã có kích thớc cụ thể của các tiết diện, ta sẽ tiến hành thay đổi tiết diệntheo các đoạn có kích thớc biến đổi tuyến tính Sẽ có nhiều các phơng án thay đổi tiếtdiện khác nhau cho ta các hình dạng khác nhau và trọng lợng khung sẽ khác nhau

Để có các số liệu ban đầu, ta phải giả thiết trớc trọng lượng khung theo kinh nghiệm.Sau khi có tiết diện khung sơ bộ tức là đã có tĩnh tải gần với thực tế So sánh với tĩnhtải giả thiết nếu chênh lệch nhiều thì thiết kế lại đến khi chênh lệch không nhiều

Tiết diện luôn phải đợc kiểm tra về cường độ, độ võng và đỗ ổn định

Các khung lại đợc thiết kế nh vậy với các tỉ lệ độ cứng giữa dầm và cột khác nhau.Mỗi thông số thay đổi cho ta một phương án Việc thiết kế sẽ xoay vòng chính xácdần

Các phương án sẽ đợc so sánh và phơng án tiết diện đợc chọn theo ý kiến chủ quan

sẽ là phương án hội tụ nhiều nhất các tiêu chí như đã đặt ra

* Một số giới hạn

Thực tế cho thấy thực hiện đợc những điều trên đòi hỏi khối lượng tính toán ương đối lớn Để giảm bớt khối lợng tính toán cho sinh viên, các thầy cô giáo trong bộmôn đã cho phép giả thiết trước độ cứng của Dầm khung và Cột khung bằng nhau Nhàcông nghiệp chỉ một tầng, một nhịp, có cầu trục

t-* Công cụ thực hiện:

Các bước tính toán thiết kế được thực hiện chủ yếu bằng phần mềm EXCEL, mỗibước tính sẽ được lập thành một bảng, trong bảng đó sẽ có những cột tương ứng vớicác thông số có thể thay đổi được, điều cơ bản là ta liên tục thay đổi các thông số để sosánh và chọn đợc phương án khung “tốt nhất” với tiêu chí đặt ra Tập hợp các bảng sẽtạo thành một dây chuyền mà đầu vào là các yêu cầu thiết kế và đầu ra là sản phẩmkhung thép

Nội lực và tiết diện còn được kiểm tra bằng phần mềm SAP 2000 Các phần mềmMicrosoft Word 2003 và AutoCAD 2007 dùng để trình bày thuyết minh và thể hiện bản

vẽ

i(%)

Số lượngkhung

Vùng dạng địahình

Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, với các số liệu sau:

- Xà ngang tiết diện thay đổi (chữ I)

- Số lượng cầu trục: 2 (chiếc)

- Sức nâng của cầu trục: Q (T)

A.Chọn sơ đồ kết cấu:

Sơ đồ kết cấu khung ngang nhà công nghiệp

Trọng lượng(T)

Áp lực bánh xe lên ray (kN)

Hk Zmin Bk K Cầu trục(G) Xe

con(Gxc) Pmax

DÇm cÇu trôc, Ray, Gabarit cÇu trôc

- Lấy chiều cao ray và lớp đệm, bụng C gia cường lấy sơ bộ khoảng:Hr 200 mm 

2 Các kích thước chính của khung ngang

Với: HK = 0.81 m – chiều cao gabarit của cầu trục

bK = 0.3 m – khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang

 Chọn H2 = 1.2 (m)

- Chiều cao cột khung tính từ mặt móng đến đáy xà ngang:

Trong đó: H1 - cao trình đỉnh ray, H1 = 5.2 m;

H3 - phần cột chôn dưới nền,coi mặt móng ở cốt ± 0.000( H3 = 0)

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

- Do sức nõng cầu trục khụng lớn nờn chọn phương ỏn cột cú tiết diện khụng đổi với

độ cứng là I1.Vỡ nhịp khung là 21m nờn chọn phương ỏn xà ngang cú tiết diện thay đổi hỡnh nờm, dự kiến vị trớ thay đổi tiết diện cỏch đầu xà 3.5 m Với đoạn xà dài 3.5m , độ cứng của cột là I1 và xà dưới là I2 và xà trờn là I3 Do nhà cú cầu trục nờn chọn kiểu liờn kết giữa cột khung với múng là ngàm tại mặt múng( cốt 0.000) Liờn kết giữa cộtvới xà ngang và liờn kết tại đỉnh xà ngang là cứng Trục cột khung trựng với trục định

vị để đơn giản hoỏ tớnh toỏn và thiờn về an toàn.Ta cú sơ đồ tớnh khung ngang như hỡnh3

2

đánh số phần tử thanh 1

3

5

Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái và trọng lượng bản thân của xà gồ.Lớp mái và xà gồ được chọn trước Sau đó được kiểm tra lại theo điều kiện bền và điềukiện biến dạng của xà gồ.

* Tấm lợp mái: Chọn như sau:

30

10 15

Chiều dày(mm)

Diệntích(cm2)8CS410

2 2

a Tải trọng tác dụng lên xà gồ

- Tải trọng tác dụng lên xà gồ gồm: tải trọng tôn lợp mái, tải trọng bản thân xà gồ vàtải trọng do hoạt tải sửa chữa mái

- Chọn khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt bằng là a = 1.5 m

 Khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt phẳng mái là: 1.5 1.51 m 

cos 5.71  (Độ dốc i = 10   = 5.710)

*Tĩnh tải

Vật liệu mái Hệ số vượt

tải

Tải trọng tiêuchuẩn Tải trọng tính toán

b Kiểm tra lại xà gồ đã chọn

Xà gồ dưới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiên

Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ C tác dụng theo 2 phương với trục x-x tạo với phương ngang một góc  = 5.71o

y

x x

MM

q B 0.0772 600 10

M =

qtt

m

y tt

          

- Theo điều kiện biến dạng:

Công thức kiểm tra :   

 

3

15.10

Vậy xà gồ C 8CS4 105   đảm bảo điều kiện cường độ và điều kiện độ võng

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

*Tác dụng của hệ giằng trong nhà công nghiệp dùng kết cấu khung thép nhẹ:

- Bảo đảm tính bất biến hình và độ cứng không gian của hệ khung

- Giảm chiều dài tính toán của xà và cột khung theo phương ngoài mặt phẳng, từ

đó tăng khả năng ổn định tổng thể cho khung ngang

- Truyền tải trọng gió và lực hãm cầu trục theo phương dọc nhà xuống móng

- Bảo đảm cho việc thi công dựng lắp được an toàn và thuận tiện

a Tác dụng của các hệ giằng

- Giằng mái:

+ Bảo đảm ổn định cho dàn theo phương ngoài mặt phẳng uốn

+ Dàn gió chịu tác dụng của tải trọng gió theo phương dọc nhà

+ Hệ giằng dọc theo đầu cột tăng độ cứng theo phương dọc nhà và truyền tải trọng ngang như tải trọng gió, lực hãm cầu trục ra các khung lân cận

- Giằng cột :

+ Bảo đảm sự bất biến hình học

+ Bảo đảm độ cứng dọc nhà và giữ ổn định cho cột

+ Tiếp nhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà như tải trọng gió lên tường hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục

b Cách bố trí hệ giằng

a Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

- Độ dốc mái i = 10%   = 5.71 ( sin = 0.099 ; cos = 0.995)

- Tải trọng thường xuyên tác dụng lên khung ngang bao gồm trọng lượng các lớpmái, trọng lượng bản thân xà gồ, trọng lượng bản thân khung ngang và dầm cầu trục

- Trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy bằng 0.15(kN/

m2)

- Trọng lượng bản thân xà ngang: sơ bộ chọn tc  

xn

g 1 kN / mTổng tĩnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang:

 1.1 0.15 6 6.4   6.336 kN

- Trọng lượng bản thân dầm cầu trục, ray và các lớp đệm: Tải này tác dụng lên vai cột, khi tính toán ta đưa về tim cột dưới dạng 1 lực tập trung và 1 mômen Sơ bộ chọn

Sơ đồ tính khung với tải trọng th ờng xuyên (tĩnh tải)

21000

2.05kN/m

6.34kN

3.47kNm 6.3kN

6.34kN

b Hoạt tải mỏi

+ Theo TCVN 2737-1995 , trị số tiờu chuẩn của hoạt tải thi cụng hoặc sửa chữa mỏi( mỏi lợp tụn) là ptc = 0.3kN/m2, hệ số vượt tải là n = 1.3

+ Quy đổi về tải trọng phõn bố đều trờn xà ngang: tt 1.3 0.3 6  

c.Tải trọng gió tác dụng lên khung

+ Tải trọng gió gồm hai thành phần: phần tĩnh và phần động Với nhà công nghiệp 1

tầng, 1 nhịp có chiều cao < 36 m và tỉ số chiÒu cao 1.5

nhÞp  nên bỏ qua thành phần động của tải trọng gió

+ Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm: gió tác dụng vào cột và gió tác dụngtrên mái Theo TCVN 2737- 1995 phân vùng gió I-A có áp lực gió tiêu chuẩn là

W0 = 0.65 (kN/m2), hệ số vượt tải là 1.2

q g p wo k C

Trong đó:

W0= 0.65 (kN/m2)– Giá trị tiêu chuẩn của áp lực gió

c - là hệ số khí động: c = +0.8 với phía gió đẩy

k: Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụ thuộc vào dạng địahình.Với

c - Hệ số khí động , được tra bảng theo sơ đồ sau đây:

 Nội suy tuyến tính được ce1 = - 0.3077

 Nội suy tuyến tính được ce2 = - 0.4

+ Phía khuất gió:q4 1.2 0.65 1    0.5 6 2.34 kN / m 

Tải trọng tác dụng trên mái:

Sơ đồ tính khung với tải trọng gió phải sang

d Hoạt tải cầu trục

Tải trọng cầu trục tỏc dụng lờn khung ngang bao gồm ỏp lực đứng và lực hóm

ngang, xỏc định như sau:

*Áp lực đứng của cầu trục:

+ Tải trọng thẳng đứng của bỏnh xe cầu trục tỏc dụng lờn cột thụng qua dầm cầu

trục được xỏc định bằng cỏch dựng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm và xếp

cỏc bỏnh xe của 2 cầu trục sỏt nhau vào vị trớ bất lợi nhất, xỏc định được cỏc tung độ yi

của đường ảnh hưởng, từ đú xỏc định được ỏp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất của

bỏnh xe cầu trục lờn cột:

B=3880 K=2900 Pmax

B=3880 K=2900 900

1 0.883 0.3530.517

đ ờng ảnh h ởng để xác đinh D mac, D min

tc max c c max i

D  n P y 0.85 1.1 39.7  0.517 1 0.837 0.353   100.48 kN

   

tc min c c min i

Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục Dmax lên cột trái

21000 55.26kNm

100.48kN

55.26kNm 100.48kN

Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục Dmax lên cột phải

* Lực hóm ngang của cầu trục:

+ Lực hóm ngang T của cầu trục tỏc dụng vào cột khung thụng qua dầm hóm xỏc định theo cụng thức:  T nc p 1Tyi

Trong đú: p = 1.1 – hệ số vượt tải;

T1 – Lực hóm ngang tiờu chuẩn của 1 bỏnh xe cầu trục:

Quy íc chiÒu d ¬ng cña néi lùc theo SBVL

2.05kN/m

6.34kN

3.47kNm 6.3kN

Sơ đồ tính khung với tải trọng th ờng xuyên (tĩnh tải)

- Phương ỏn 2: Hoạt tải nửa mỏi trỏi

55.26kNm 100.48kN

Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục Dmax lên cột trái

- Phương ỏn 8: Hoạt tải do Dmax phải

21000

55.26kNm 100.48kN

Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục Dmax lên cột phải

- Phương ỏn 9: Hoạt tải do lực hóm ngang cầu trục lờn cột trỏi

-7 7 3 1

-2 2 46

-21.11

-21.11

-1 9

2 45

-59.39

v-11.75

-11.75

-19.0

-5.02 -29.70

-2 9 7 0

-1 6 7 4

-1 2 17

-1 2 17

-11.75

-3 6 8

-3 6 8

-3 6 8

Hoạt tải cả mái

m

61.32

-39.73 -89.09

-89.0

-2 5 05

-23

-2 2 6 9

-1 4 35

-41.52

-25.12

1 1

n

n

D THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CỘT

*Xác địnhchiều dài tính toán:

+ Chọn phương án cột tiết diện không đổi Với tỷ số độ cứng của xà và cột là

xa

cot

II2

0.9856I1I 

*Chọn và kiểm tra tiết diện: Từ bảng tổ hợp nội lực chọn ra cặp nội lực tính toán:

+ Đây là cặp nội lực tại tiết diện đỉnh cột, trong tổ hợp nội lực do các trường hợp tải trọng 1,4 gây ra

+ Mômen chống uốn cần thiết của tiết diện xà:

 

2

x c

+ Mômen quán tính của tiết diện:

1 x

Ta có 24.15 18.86   o

100 21.9024.15

* Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng:



4 0

(không phải kiểm tra ô bụng)

+ Vậy tiết diện phần cột trên đã chọn là đạt yêu cầu

*Đối với phần cột dưới:

+ Tiết diện cột chọn như sau:

y y

y y y

 

2 x

A

Nội suy có  = 1.3

 Độ lệch tâm quy đổi: me mx 1.3 14.632 19.022 20  

 Không phải kiểm tra bền

Kiểm tra ổn định tổng thể của cột:

+ Theo phương trong mặt phẳng khung:

Kiểm tra theo công thức: x c

e

NfA

   

 Với  x 1.788, me 19.022 tra bảng phụ lục IV.3 trang 94 (Thiết kế khung thépnhà công nghiệp một tầng, một nhịp – Trường Đại học Kiến trúc Hà nội) ta được



+ Theo phương ngoài mặt phẳng khung:

Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung cần tính trị số mômen ở 1/3 chiều cao của cột dưới kể từ phía có mômen lớn hơn Vì cặp nội lực

dùng để tính toán cột là tại tiết diện chân cột và do các trường hợp tải trọng 1,4,6,8,10’ gây ra nên mômen uốn tại tiết diện trên vai cột tương ứng là:

Ta có

2 y 1

Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bụng cột:

+Với bản cánh: Do 0.8  x 1.788 nên4

0

x f

- Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ kết quả tính toán bằng phần mềm SAP

2000 trong tổ hợp tĩnh tải và tải trọng gió tiêu chuẩn là:

+ Vậy tiết diện đã chọn đạt yêu cầu

Với tiết diện đã chọn được của cột trên và cột dưới để thiên về an toàn ta chọn tiết diện cột trên cho toàn cột

1 x

* Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng:



4 0

4 w

(không phải kiểm tra ô bụng)

+ Vậy tiết diện đã chọn là đạt yêu cầu.Tỷ số độ cứng của tiết diện xà (ở chỗ tiếp giáp với cột) và cột đã phù hợp với giả thiết ban đầu

+ Diện tích tiết diện cần thiết của bản cánh xà ngang:

Ta có 21 14.74   o

100 29.8121

+ Tại tiết diện đầu xà II có M và V nên cần kiểm tra ứng suất tương đương tại chỗ tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng:

1 x

Do tiết diện xà đã chọn có kích thước nhỏ hơn đoạn 3.5 m nên không cần kiểm tra

- Xác định tiết diện vai cột:

Bề rộng bản cánh dầm vai chọn bằng bề rộng cánh của cột bdvf 18 cm  Giả thiết

bề rộng của sườn gối dầm cầu trụcbdct 18 cm  Chọn sơ bộ bề dày bản cánh dầm vai

* Kiểm tra bền, ổn định tiết diện dầm:

- Kiểm tra bền uốn:

- Kiểm tra theo điều kiện chịu ép mặt cục bộ do phản lực DCT truyền vào:

- Vậy điều kiện bền được thoả mãn

dv w

- Vai và cột liên kết với nhau bằng đường hàn góc, đường hàn chịu đồng thời M vàV

- Chiều cao đường hàn phải thoả mãn điều kiện cấu tạo:

Chọn sơ bộ chiều cao đường hàn: hf 6mm

Kiểm tra liên kết hàn chịu M, V theo công thức:

Chiều dài tính toán của các đường hàn liên kết dầm vai với bản cánh cột:

+ Phía trên cánh ( 2 đường hàn) lw 20 1 19 cm   

+ Phía dưới cánh ( 4 đường hàn) lw 0.5 (20 0.6) 1 8 cm     

 1- hệ số khi mác bê tông móng không quá B25

b- Hệ số tăng cường độ của bê tông khi chịu nén cục bộ:

m

3 b

bd

A1.5A

   chọn  b 1.2

Am : Diện tích mặt móng

100 10

- Bề dày của bản đế chân cột được xác định từ điều kiện chịu uốn của bản đế do ứngsuất phản lực trong bêtông móng Xét các ô bản đế: