I. SỐ LIỆU VÀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
Đồ án kết cấu thép
2
1. Số liệu thiết kế
Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp có cầu trục. Các số
kế liệu thiết
:
Nhịp khung: L = 24 m.
Bước khung: B = 7.5 m; toàn bộ nhà dài 15B = 112.5 m.
Sức trục: Q = 8 tấn; Số cầu trục làm việc trong xưởng là 2 chiếc, chế
độ làm việc trung bình.
Cao trình đỉnh ray: H1 = 9 m.
Vùng gió: IIIB
Dạng địa hình xây dựng công trình: B
Chiều cao dầm cầu trục: hdct = 0.75 m; Chiều cao ray: hr = 0,15 m.
Nhịp cửa trời: Lct = 4 m
Chiều cao cửa trời: Hct = 2 m
Mái lợp tôn múi dày 0,51mm
Vật liệu: Thép CCT34, hàn tự động, que hàn N42 (d = 35mm) hoặc tương
đương.
Bê tông móng cấp độ bền B15.
Kết cấu bao che: Tường xây gạch cao 1,5 m ở phía dưới, thưng
tôn ở phía trên.
2. Nhiệm vụ thiết kế
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, hệ giằng cột.
Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang: tải trọng mái, tải trọng
cầu trục, tải trọng gió.
Thiết kế xà gồ (2 phương án: tiết diện cán nóng và tiết diện dập nguội).
Tính nội lực khung ngang. Vẽ biểu đồ nội lực M, N, V cho từng
trường hợp tải trọng. Lập bảng thống kê nội lực, bảng tổ hợp nội lực
cho các tiết diện đặc trưng của cột và xà mái.
-1
T
h
i
ế
t
k
ế
à xà. Tính các chi tiết: Chân cột, vai cột, liên kết xà
xà.
Đồ án kết cấu thép
2 cột, mối nối
với
Thiết kế dầm cầu trục, cột sườn tường.
2.2. Bản vẽ thể hiện
01 bản vẽ khổ A1 gồm:
Sơ đồ khung ngang.
Hệ giằng mái, giằng cột.
k
h
u
n
g
n
g
a
n
g
g
ồ
m
c
ộ
t
v
-2
Cột khung, các mặt cắt và chi tiết của thân cột.
Xà, các mặt cắt và chi tiết của xà.
Bảng thống kê vật liệu, ghi chú và chỉ dẫn cần thiết.
II.
1.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Sơ đồ kết cấu khung ngang
Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I. Cột có tiết diện
không đổi liên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà. Theo yêu cầu kiến
trúc và thoát nước, chọn xà ngang có độ dốc với góc dốc = 10 0 (tương
đương i = 17 %). Do tính chất làm việc của khung ngang chịu tải trọng bản
thân và tải trọng gió là chủ yếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở
vị trí nách khung thường lớn hơn nhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp. Cấu tạo
xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảng biến đổi tiết diện cách đầu cột một
đoạn (0,35 0,4) chiều dài nửa xà. Tiết diện còn lại lấy không đổi.
Cửa trời chạy dọc chiều dài nhà, mang tính chất thông gió, sơ bộ chọn
chiều cao cửa trời là 2m và chiều rộng cửa trời là 4m.
Hình 1.1. Sơ đồ khung ngang
1.1. Kích thước theo phương đứng
Chiều cao cột dưới: Hd H1 ( hdct hr )
hch
Trong đó: H1 = 9 m là cao trình đỉnh ray
hdct = 0.75 m là chiều cao dầm cầu trục
hr = 0.15 m là chiều cao ray
hch = 1 m là chiều sâu chôn chân cột
Hd = 9 – (0.75 + 0.15) + 1 = 9.1 (m)
Chiều cao cột trên: Htr ( hdct hr ) K1 0.5 ;
Trong đó: + K1 = 0.9 m là khoảng cách từ đỉnh ray đến điểm cao nhất của
xe con. Giá trị này được tra trong catalo cầu trục (phụ thuộc vào sức trục
Q = 8T và nhịp
cầu trục S= 22m);
+ 0.5m là khoảng cách an toàn từ điểm cao nhất của xe con đến xà
ngang Htr= (0.75 + 0.15) + 0.9 + 0.5 = 2.3 (m)
.
Chiều cao toàn cột: H = Hd + Htr = 9.1+ 2.3 = 11.4 (m)
1.2. Chọn sơ bộ kích thước theo phương ngang
Nhịp nhà (lấy theo trục định vị tại mép ngoài cột) là: L = 24m. Lấy gần đúng
nhịp cầu trục là: S = 22 m ( theo catalog bảng 4.2 với cầu trục 2 dầm kiểu ZLK
tương ứng với sức
tải cẩu 8 tấn), khoảng cách an toàn từ trục ray đến mép
trong cột: Zmin = 160 mm.
a. Tiết diện cột
-diện:
Chiều cao tiết
h
1⎞
⎛1 1
11.4 0 .76 1.14m
⎞H ⎛ 1
⎜⎝ 10 15 ⎝⎟ ⎜⎝ 10 15 ⎝⎟
Chọn h = 75
cm
- Bề rộng tiết diện cột: b 0.3 ∼ 0.5h 0.3 ∼ 0.5 75 22.5 37.5cm
⎛1
và b
1
1⎞
1 ⎞ 1140 38 57cm
H⎛
⎝
⎝
⎝
⎝
⎜ 20 30 ⎟ ⎜ 20 30 ⎟
Chọn b = 30
cm
- Chiều dày bản bụng tw nên chọn vào khoảng (1/70 1/100)h. Để đảm bảo
điều kiện chống gỉ, không nên chọn tw quá mỏng: tw > 6mm.
⎛1
1⎞
t
1⎞
1
75 0.75 1.07cm
h⎛
w ⎜⎝ 70 100⎝ ⎟ ⎜⎝ 70 100⎝ ⎟
Chọn tw = 1.2 cm
Chiều dày bản cánh tf chọn trong khoảng (1/281/35)b.
⎛1
1⎞
t
1
⎞b ⎛ 1
30 0.86 1.07cm
⎝ ⎝
⎝
⎝
f ⎜ 28 35 ⎟ ⎜ 28 35 ⎟
Chọn tf = 2
cm
-
Kiểm tra lại khoảng cách an toàn từ ray cầu trục đến mép trong cột:
1
Z (L 2.h S)
2
Trong đó: L - là nhịp nhà ; h - là chiều cao tiết diện cột; S - là nhịp cầu trục
0.16m
1
Z 24 2 0.75 22 0.25m
m
Z2
i
Thỏa mãn điều kiện an toàn.
n
b. Tiết diện xà mái
1
1
- Chiều cao tiết diện nách khung: h L 24 0.6m
1 40 40
Chọn h1 = 75 cm.
- Bề rộng tiết diện nách khung : b = (01/2 1/5)h1 và b 180 mm, thường
lấy bề rộng cánh dầm bằng bề rộng cột.
⎛1 1⎞
⎛1 1⎞
b
h
75 15 37.5cm
⎜2 5⎟ 1 ⎜2 5⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
Chọn b = 30 cm.
- Chiều cao tiết diện đoạn dầm không đổi h2 = (1,5 2)b
h2 = (1.5 2)x30 = 45 60cm
Chọn h2 = 45 cm
- Chiều dày bản bụng tw nên chọn vào khoảng (1/70 1/100) h. Để đảm bảo
điều kiện chống gỉ, không nên chọn tw quá mỏng: tw > 6mm.
⎛1
1⎞
t
1⎞
1
75 0.75 1.07cm
h⎛
w ⎜⎝ 70 100⎝⎟ ⎜⎝ 70 100⎝ ⎟
Chọn tw = 1 cm
1
1
- Chiều dày bản cánh tf b t 30 1cm
f 30
30
Chọn tf = 1.6 cm
- Vị trí thay đổi tiết diện xà mái cách đầu cột một đoạn bằng (0.35 0.4)
chiều dài nửa xà.
Ltđ = (0.35 0.4 )*12= 4.2 4.8
Chọn Ltđ = 4.5 m.
c. Tiết diện vai cột
Kích thước tiết diện vai cột phụ thuộc vào tải trọng cầu trục (lực tập trung
do áp lực đứng của cầu trục và trọng lượng bản thân dầm cầu trục, trọng
lượng ray, dầm hãm và hoạt tải trên cầu trục) và nhịp dầm vai (khoảng cách
từ điểm đặt lực tập trung đến mép cột). Sơ bộ chọn tiết diện dầm vai như
sau:
Khoảng cách từ trục định vị tới trục ray cầu trục: λ = (L - S)/2 = (24 - 22)/2 =
1
+ Chiều dài vai (từ mép trong cột đến cạnh ngoài cùng vai cột):
Lv = λ – hc + 0.15= 1- 0.75 + 0.15 = 0.4 (m)
Khoảng cách từ trục ray cầu trục đến cạnh ngoài cùng vai cột lấy bằng
150mm.
+ Chọn chiều cao dầm tại điểm đặt Dmax: h = 30 cm
+ Chiều góc nghiêng bản cánh dưới với phương ngang là 200 thì chiều cao
tiết diện dầm vai tại ngàm:
hdv= 30 + 25xtg200 = 39.1 (cm)
Chọn hdv = 42 (cm) ( Z= 25cm).
+ Bề rộng tiết diện vai cột: bf = 30 cm
+ Chiều dày bản bụng vai cột:
tw = 0.8 cm
+ Chiều dày bản cánh vai cột:
tf = 1.2 cm
d. Tiết diện cửa trời
+ Chiều cao tiết diện cột cửa trời:
+ Bề rộng tiết diện cột:
hc_ct = 20 cm
bc_ct = 10 cm
+ Chiều dày bản bụng: tw = 0.8 cm
+ Chiều dày bản cánh: tf = 1 cm
1.3. Hệ giằng
Hệ giằng là bộ phận kết cấu liên kết các khung ngang lại tạo thành hệ kết
cấu không gian, có các tác dụng:
- Bảo đảm sự bất biến hình theo phương dọc nhà và độ cứng không gian cho
nhà;
- Chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, vuông góc với mặt
phẳng khung như gió thổi lên tường đầu hồi, lực hãm cầu trục, động
đất...xuống móng.
- Bảo đảm ổn định (hay giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng) cho
các cấu kiện chịu nén của kết cấu: thanh dàn, 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
phương dọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà và đảm bảo ổn định của cột.
Dọc theo chiều dài nhà, hệ giằng cột bố trí giữa khối nhà và ở 2 đầu hồi nhà
để truyền tải trọng gió một cách nhanh chóng. Hệ giằng cột được bố trí theo
2 lớp. Hệ giằng cột trên được bố trí từ mặt dầm hãm đến đỉnh cột, hệ giằng
cột dưới được bố trí từ mặt nền đến mặt dầm vai. Theo tiết diện cột, hệ giằng
cột được đặt vào giữa bản bụng cột. Do sức trục Q<10T, chọn tiết diện thanh
giằng làm từ thanh thép tròn 25. Trên đỉnh cột bố trí thanh chống dọc nhà.
Chiều cao cột H =11.4m > 9m, do đó bố trí thêm thanh chống dọc nhà tại
vị trí cao độ
+4.000m. Chọn tiết diện thanh chống dọc theo độ mảnh max 200 , chọn
2C20 (hình 1.2).
Đồ án kết cấu thép
2
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
giằng mái bao gồm các thanh giằng xiên và thanh chống, trong đó yêu cầu
cấu tạo thanh chống 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 phía trên (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 các
thanh giằng chống xiên (liên kết lên xà gồ), cách 3 bước xà gồ lại bố trí một
thanh chống 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 lợi khi thi công lắp ghép.
Hình 1.3. Sơ đồ hệ giằng mái
Hình 1.4. Chi tiết thanh chống xà gồ
2. Xác định tải trọng tác dụng lên
khung 2.1. Tải trọng thường
xuyên
- Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái:
Tải trọng do mái tôn, hệ giằng, xà gồ, cửa mái: gtc = 15 daN/m2 mặt bằng mái
(phân bố theo độ dốc mái).
Hệ số độ tin cậy của tải trọng thường xuyên ng = 1.1
qtc = gtcxB = 15x7.5 = 112.5 daN/m
qtt = ngxgtcxB = 1.1x15x7.5 = 123.75 daN/m
- Tải trọng kết cấu bao che:
gtc = 12 daN/m2
qtt = ngxgtcxB = 1.1x12x7.5 = 99 daN/m
- Tải trọng bản thân của dầm cầu trục:
Gdct =
.2
dct
L
dct
= 30x7.52 = 1687.5 daN
Trong đó:
dct
= 30 hệ số trọng lượng bản thân.
- Tải trọng bản thân của dầm, dàn hãm: Gdh = 500 daN (lấy theo kinh nghiệm)
Đồ án kết cấu thép
2
Bảng 2.1. Tĩnh tải mái
STT
1
2
3
Tải
Hệ số Tải
Bướ Tổng
trọng vượt trọng c
Loại tải
tải
tiêu tải
tính
khun trọng
chuẩn
toán
g
2
(daN/m
(daN/m
(m (daN/
2
)
)
)
m)
Tôn lợp mái
8
1.1
8.8
7.5
66
Xà gồ
7
1.1
7.7
7.5 57.75
Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm 123.75
khung
2.2. Hoạt tải sửa chữa mái
- Hệ số độ tin cậy của hoạt tải sửa chữa mái np = 1.3
- Theo tiêu chuẩn tải trọng và tác động, TCVN 2737-1995, với mái tôn
không sử dụng ta có giá trị hoạt tải sửa chữa mái tiêu chuẩn là 30 daN/m 2
mặt bằng nhà do đó hoạt tải sửa chữa mái phân bố trên xà mái được xác định
như sau:
ptc = 30xB và ptt = npx30xB
- Khi qui về tải trọng phân bố theo xà thì giá trị tải trọng được
nhân với cos: p = 30xBxcosα =
30x7.5xcos(10) = 221.58 daN/m
ptt = npx30xBx cosα = 1.3x30x7.5xcos(10)= 288.05 daN/m
Bảng 2.2. Hoạt tải sửa chữa mái
STT
Loại tải
1
Sửa chữa
mái
Tải
Hệ số Tải
trọng vượt trọng
t.
tải
tính
chuẩn
toán
2
(daN/m
(daN/m
2
)
)
30
1.3
39
Bướ Tổng
c
tải
khun trọng
g
(m) (daN/
m)
7.5 295.5
2
Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài
khung
Đồ án kết cấu thép
dầm2 288.05
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 (daN/m)
Trong đó: q: là áp lực gió phân bố trên mét dài khung.
W0: là áp lực gió tiêu chuẩn, gió ở vùng IIIB có W0 =
125 daN/m2. n = 1.2: là hệ số độ tin cậy của tải trọng
gió.
k: là hệ số phụ thuộc vào độ cao
C: là hệ số khí động phụ thuộc vào dạng
kết cấu. B: là bước khung.
Hình 2.1. Mặt bằng khung chịu gió
a) Gió ngang nhà; b) Gió dọc nhà
a) Trường hợp gió thổi ngang nhà:
- Xác định hệ số khí động Ce:
Hình 2.2. Sơ đồ tra hệ số khí động Ce, trường hợp gió thổi ngang nhà
Kích thước chính của sơ đồ tính toán:
+ Nhịp: L0 = 24 m
+ Chiều cao: Hc = 11.436 m; hm1 = 1.757m; hm2 = 1.670 m; hm3 = 0.93 m
Tra theo sơ đồ 8 trong tiêu chuẩn TCVN 2737 -1995 phụ thuộc vào góc α, tỉ
lệ B/L
(B- chiều dài toàn nhà) và H/L được giá trị Ce:
Ce1 = - 0.548 ; Ce2 = - 0.424 ; Ce3 = - 0.5 ; Ce4 = - 0.472
- Xác định hệ số k:
Hệ số k phụ thuộc vào dạng địa hình và chiều cao công trình. Công trình
ở khu vực thuộc dạng địa hình B. Tra bảng 5 trong TCVN 2737 -1995 chiều
cao cột 10,692 m, cao trình đỉnh cột 9,692m lấy gần đúng hệ số k =1,081 đối
với giá trị tải trọng gió phân bố trên thân cột.
Bảng 2.3. Tải trọng gió theo phương ngang nhà
ST
T
Loại
tải
T.T
Hệ số Hệ số Hệ số Bướ
tiêu
k
C
vượt
c
chuẩn
tải
khun
g
daN/m
m
Tổng tải
trọng
daN/m
2
1
Cột đón gió
125.0
1.02
3
0.800
1.2
2
Mái đón gió
125.0
1.05
1
-0.472
1.2
3
125.0
1.07
8
0.700
1.2
125.0
1.08
8
-0.548
1.2
125.0
1.08
8
-0.424
1.2
125.0
1.07
8
-0.600
1.2
7
Cột cửa trời đón
gió
Mái cửa trời đón
gió
Mái cửa trời hút
gió
Cột cửa trời hút
gió
Mái hút gió
125.0
1.05
1
-0.500
1.2
8
Cột hút gió
125.0
1.02
3
-0.500
1.2
4
5
6
7.
5
7.
5
7.
5
7.
5
7.
5
7.
5
7.
5
7.
5
920.68
-557.89
848.77
-670.36
-518.77
-727.52
-591.24
-575.42
* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung.
b) Trường hợp gió thổi dọc nhà:
- Xác định hệ số khí động Ce:
- 10
Khi này, hệ số khí động trên hai mặt mái có giá trị bằng -0,7; hệ số khí
động trên cột là giá trị Ce3, phụ thuộc vào tỉ lệ L/B (B- chiều dài toàn
nhà) và H/B.
Công trình có:
L/B = 24/112.5 = 0.213 1 và
H/B = (11.436+1.757+1.670+0.93)/112.5 = 0.14 0,5
Ce3 = -0.4, tức là gió có chiều hút ra ngoài cho cả hai cột khung và hai cột
cửa mái.
- 11
Hình 2.3. Sơ đồ tra hệ số khí động Ce, trường hợp gió thổi
dọc nhà Bảng 2.4. Tải trọng gió theo phương dọc
nhà
ST
T
Loại tải
T.T tiêu Hệ Hệ số Hệ số
chuẩn số k
C
vượt
tải
daN/m
Bước
khung
m
Tổng
tải
trọng
daN/m
2
1.02
1.2
7.5
3
0.400
2 Mái
125.0 1.05
1.2
7.5
1
0.700
3 Cột cửa mái 125.0 1.07
1.2
7.5
8
0.400
4 Cửa mái
125.0 1.08
1.2
7.5
8
0.700
* Dấu âm nghĩa là tải trọng gió hướng ra ngoài khung.
1
Cột khung
2.4. Hoạt tải cầu
trục a) Áp lực
đứng:
125.0
-460.34
-827.73
-485.01
-856.74
- Xem thêm -