Thuyết minh đồ án Thiết kế khung ngang Nhà công ngiệp 1 tầng 1 nhịp

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 2
Số liệu:
L
(m)
H
1
(m)
Q
(T)
B
(m)
i
(%)
Phân vùng gió-
Dạng địa hình
24 5,5 6,3 6 10 I-A/ B
- Sức nâng của cầu trục: Q (T)
- Nhịp khung: L (m)
- Bước khung: B (m)
- Chiều dài nhà: 132 (m)
- Cao trình đỉnh ray: H
1
=5,5 (m)
- Độ dốc mái (lợp tôn): i =10(%)
- Vật liệu thép CCT34 có: f = 21 kN/cm
2
; f
v
= 12 kN/cm
2
; f

c
= 32 kN/cm
2
- Hàn tay, dùng que hàn N42
- Móng BTCT cấp độ bền B15
- Vật liệu bulông cường độ cao 40Cr
THUYẾT MINH TÍNH TOÁN
1. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG
1.1 Theo phương đứng
Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang :
( )
2 K K
H H b 0,81 0,3 1,11 m
= + = + =
Với : H
K
= 0,81 (m) – tra catalo cầu trục
b
K
= 0,3 khe hở an toàn giữa dầm cầu trục và xà ngang .
 Chọn H
2
=1,1 (m) .
Chiều cao của cột khung,tính từ mặt móng đến đáy xà ngang :
1 2 3
H H H H 5,5 1,1 0 6,6
= + + = + + =

Trong đó :
H

1
: cao trình đỉnh ray , H
1
= 5,5 (m).
H
3
: phần cột chôn dưới cốt mặt nền,coi mặt móng ở cốt ± 0.000
Chiều cao của phần cột tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang :
t 2 dct
H H H H

= + +
Với
( )
dct
1 1
H . 0,75 0,6
8 10
 
 
= ÷ = ÷
 ÷
 
Chọn
dct
H 0,7 m
=
h
r
lấy theo cấu tạo: h

r
= 0,2 m
=>
t
H 1,1 0,7 0,2 2m
= + + =
Chiều cao của phần cột tính từ mặt móng đến mặt trên cuả vai cột :
d t
H H – H 6,6 2 4,6 m
= = − =
1.2 Theo phương ngang
Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột ( a=0 ) → Khoảng cách từ trục định vị tới
trục ray cầu trục là :
−
−
= = =
K
1
L L
24 22,5
L 0,75
2 2
.
Chiều cao tiết diện chọn theo yêu cầu độ cứng:
( )
   
= ÷ = ÷ = ÷
 ÷  ÷
   
1 1 1 1

h H .6,6 0,44 0,33 m
15 20 15 20
→ Chọn sơ bộ h = 40 cm
Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung :
1 min
z L – h 0,75 0,4 0,35 m z 0,18 m= = − = > =
+ 6.60
± 0.00
24000
a b
4600 2000
6600
+ 460
1.3 Sơ đồ tính khung ngang
Do sức nâng của cầu trục khá lớn nên chọn phương án tiết diện cột thay đổi, .Vì nhịp
của khung L = 24 (m) nên chọn phương án xà ngang có tiết diện thay đổi hình nêm ,dự
kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 4 (m) .Với đoạn xà có độ dài 4 (m) , độ cứng ở
đầu và cuối xà là I
2
và I
3
tương ứng (giả thiết độ cứng của xà và cột tại chỗ liên kết xà-
cột là như nhau ).Với đoạn xà dài 8 m,độ cứng ở đầu và cuối xà giả thiết bằng I
3
(tiết diện
không đổi). Giả thiết sơ bộ tỷ số độ cứng I
2
/I
3
≈ (tức là tiết diện của các cấu kiện xà và cột

được khai báo trong phần mềm SAP2000 chính là các tiết diện được chọn ). Do nhà có
cầu trục nên chọn kiểu liên kết giữa cột và móng là ngàm tại mặt móng (cốt ± 0.000).Liên
kết giữa cột và xà ngang và liên kết đỉnh xà ngang là ngàm.Trục cột khung lấy trùng với
trục định vị để đơn giản hoá tính toán và thiên về an toàn.Sơ bộ tính khung ngang như
hình vẽ:
i = 10%
a
b
± 0.00
+ 4.60
+ 6.60
+ 7.80
I1
I
2
I
2
I
3
I
3
I
3
®o¹n xµ 1
®o¹n xa 2
vÞ trÝ thay ®æi
tiÕt diÖn xµ
4000 40008000 8000
24000
2. THIẾT KẾ XÀ GỒ

2.1 Tải trọng tác dụng lên xà gồ
- Chọn sơ bộ trước xà gồ 7CS2,5x105, khoảng cách giữa các xà gồ theo mặt phẳng
nhà là 1,5 m. Có các số liệu như sau:
Số hiệu
Các số liệu chính
Trọn
g
lượn
g 1m
dài
kG
D
(mm
)
B
(mm
)
t
(mm
)
d
(mm
)
R
(mm
)
As
(cm
2
)

Ix
(cm
4
)
Iy
(cm
4
)
x
0
(cm
)
7CS2,5x10
5
180 64 2,7 22,5 4,8 8,77
413,7
3
47,8
7
1,94 6,82
x
x
y
180
64
- Chọn khoảng cách bố trí giữa các xà gồ là a
xg
=1,5 (m)
- Hoạt tải tác dụng được xác định theo TCVN 2737-2005 :
tc

m
p 0,3=
(kN/m
2
), n = 1,3
=> p
tt
= 0,3.1,3 = 0,39 kN/m2
Tên vật liệu
mái
Đơn vị Tải trong tiêu chuẩn Hệ số vượt tải Tải trọng tính toán
Tôn lợp mái kN/m
2
0,0547 1,1 0,06
Xà gồ mái kN/m 0,0682 1,05 0,0716
Với độ dốc i = 10% vậy α =5,71
0
Như vậy tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán tác dụng lên xà gồ ;
( )
= + + = + + =
α
xg
tc tc tc tc
m m xg
O
a
1,5
q (g p ). g  0,0547 0,3 . 0,0682 0,603 kN / m
cos cos 5,71
= + + = + + =

α
xg
tt tt tt tt
m m xg
0
a
1,5
q (g p ). g (0,06 0,39). 0,0716 0,75kN / m
cos cos5,71
• Sơ đồ tính xà gồ
Có mặt bằng bố trí xà gồ :
xà gồ
xà ngang
24000
Tớnh toỏn x g
Xà gồ tính toán theo 2 phơng đều là dầm đơn giản 2 đầu tựa lên xà ngang mô
men đạt giá trị lớn nhất ở giữa nhịp.
Xà gồ dới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa đợc tính toán nh cấu
kiện chịu uốn xiên.
Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ C tác dụng theo 2 phơng với trục x-x tạo với
phơng ngang một góc = 5,71
o
y
q
x
y
q

x
x

y
- Tải trọng tác dụng theo các phơng x-x và y-y là:
tc tc
x
q q .cos 0,603.cos5,71 0,6 kN / m
= = =
tc tc
y
q q .sin 0,603.sin 5,71 0,06 kN / m
= = =
tt tt
x
q q .cos 0,75.cos5,71 0,746 kN / m
= α = =
tt tt
y
q q .sin 0,75.sin5,71 0,075 kN / m
= α = =
M =
q
tt
6000
m
y
tt
q
b
y
2
32

y
M =
q
tt
6000
m
x
tt
q
b
x
2
8
x
• Kiểm tra điều kiện về cường độ











γσσσ
≤+=+=
Víi: γ
c

= 1 hÖ sè ®iÒu kiÖn lµm viÖc.
2
21 kN/cm
=
- cêng ®é cña thÐp xµ gå.Ta có :
= = =
tt 2
2
x
x
q .B
0,746.6
M 3,357 kN.m
8 8
= = =
×
= = =
= = =
− −
tt 2
2
y
y
3
x
x
y
3
y
0

q .B
0,075.6
M 0,084kN.m
32 32
2.I
2 413,73
W 45,97cm
D 18
I
47,87
W 10,733cm
B x 6,4 1,94
× ×
σ = σ + σ = + = + = < γ =
y
2 2
x
x y c
x y
M
M
3,357 100 0.084 100.
8,08 kN / cm f 21 kN / cm
W W 45,97 10,733
Vậy điều kiện độ bền thỏa mãn.
• Kiểm tra độ võng
Do có giằng xà gồ nên ta chỉ xét độ võng theo phương y(tức là do q
x
gây ra)
C«ng thøc kiÓm tra :

3
10.5
200
1
−
==






∆
<
∆

Trong ®ã:

∆ = ∆
- §é vâng cña xµ gå ( khi cã hÖ gi»ng xµ gå )
∆ = = =
tc 4
4
x
y
6
x
q .B
5 5 0,6.600
. . 1,16 cm

384 EJ 384 2,1.10 .413,73
→
− −
∆
∆
 
= = < = =
 
 
y
3 3
1,16 1
1,93.10 5.10
B 600 B 200
Vậy độ võng của xà gồ trong giới hạn cho phép.
⇒
Thỏa mãn
3. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG
3.1.Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải
Độ dốc mái i = 10% →α = 5,71
0
Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải) tác dụng lên khung ngang bao gồm:trọng lượng của
các lớp mái, trọng lượng bản thân xà gồ, trọng lượng bản thân khung ngang dầm và dầm
cầu trục.
-Trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy 0,15 kN/m
2
.
-Trọng lượng bản thân xà ngang chọn sơ bộ 1 kN/m . Tổng tĩnh tải phân bố tác dụng
lên xà ngang :
1,1.0,15.6 1,05.1 2,04kN / m

+ =
Trọng lượng bản thân của tôn tường và xà gồ tường lấy tương tự như với mái là 0,15
kN/m2. Quy thành tải tập trung đặt tại đỉnh cột:
=1,1.0,15.6.6,6 6,534 kN
Trọng lượng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1 kN/m. Quy thành tải tập trung và
mô men lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:
= =
P 1,05.1.6 6,3kN
M 6,3.(L1 0,5.h) 6,3.(0,75 0,5.0,4) 3,46kN.m= − = − =
2.04
2.04
6.3 6,534
6.3 6,534
3,46 3,46
4600 2000
Sơ đồ tính khung với tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)
3.2.Hoạt tải mái
Theo TCVN 2737-2005 ,trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái (mái
lợp tôn) là 0,3 (kN/m
2
),hệ số vượt tải là 1,3.Quy đổi về tải trọng phân bố lên xà ngang :
q 1,3.0,3.6 2,34 kN / m= =
2.34

2.34

3.3. Tải trọng gió
Giá trị tính toán của thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độ cao Z so với mốc tiêu chuẩn
tác dụng lên 1m
2

bề mặt thẳng đứng xác định theo công thức:
q = n.W
o
.k.C
Trong đó:
0
W
: Công trình thuộc vùng IA nên áp lực gió:
0
W 0,65 0,1 0,55= − =
kN/m
2
k: Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụ thuộc theo dạng địa
hình. áp dụng dạng địa hình B, hệ số k được xác định:
+ Mức đỉnh cột, cao trình 6,6 m
1
0,918→ =
+ Mức đỉnh mái, cao trình 7,8 m
2
0,947→ =
Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số k lấy theoα: Hệ số
quy đổi xét đến sự phân bố áp lực gió, hệ số α được xác định:
1α =
khi
( )
≤H 10 m
Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở lên đỉnh mái hệ số k lấy:
1 2
0,918 0,947
0,933

2 2
+
+
= = =
 

Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang được tính như sau:
p o
q W k c B = γ × × × ×
Với: B = 6 m - Bước cột
có
0
H 6,6
0,275
L 24
5,71

= =



α =

⇒
Nội suy tuyến tính được c
e1
= - 0,226; c
e2
= - 0,4
Vì

H 6,6
0,275 0.5
L 24
B
132
5,5 2
L 24

= = <




= = >


∑
→ c
e3
= - 0.5
c =-0,5
e3
c



=

-
0

,
4
e
2
c =+0,8
e
c



=

-
0
,
2
2
6
e
1
+ 6600
+7800
L = 24000
Tải trọng gió tác dụng lên cột
+ Phía đón gió:
( )
d
q 1,2 0,55 0,918 1 0,8 6 2,9 kN / m= × × × × × =
+ Phía khuất gió:
( )

h
q 1,2 0,55 0,918 1 0,5 6 1,82 kN / m= × × × × × =
Tải trọng tác dụng trên mái:
+ Phía đón gió:
( )
1
q 1,2 0,55 0,933 0,226 6 0,84 kN / m= × × × × =
+ Phía khuất gió:
( )
2
q 1,2 0.55 0,933 0,4 6 1,48 kN / m= × × × × =
1
.
1,98
3,17
3
,
2
2

1
.
3
,
2
2
1,98
3,17

3.4.Hoạt tải cầu trục

Theo bảng II.3 Phụ lục, các thông số cầu trục sức nâng 12,5 tấn như sau:
Nhịp
L
k
(m)
Ch.cao
gabarit
H
K
(mm)
Kh.cách
Z
min
(mm)
Bề rộng
gabarit
B
k
(mm)
Bề rộng
đáy
K
k
(mm)
T.lượng
cầu trục
G(T)
T.Lượng
xe con
G

xe
(T)
Áp lực
P
max
(kN)
Áp lực
P
min
(kN)
22.5 810 160 3880 3200 9,22 0,59 48.7 16,7
Tải trọng cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực hãm ngang,
xác định như sau :
a) Áp lực đứng của cầu trục :
Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua dầm cầu trục
được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các
bánh xe của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất (hình vẽ), xác định được các tung
độ y
i
của đường ảnh hưởng, từ đó xác định được áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất
của các bánh xe cầu trục lên cột
Hệ số tổ hợp với sức trục làm việc ở chế độ trung bình là: n
c
= 0,85
tc
max c c max i
tc
min c c min i
D n P y 0,85.1,1.48,7.(0,353 1 0,887 0,467) 123,26kN
D n P y 0,85.1,1.16,7.(0,353 1 0,887 0,467) 42,27kN

= γ = + + + =
= γ = + + + =
∑
∑
+ Trong ®ã: n
c
= 0,85 – hÖ sè tæ hîp khi xÐt t¶i träng do 2 cÇu trôc cã chÕ ®é lµm
viÖc trung b×nh
γ
c
= 1,1 – hÖ sè vît t¶i cña ho¹t t¶i cÇu trôc
i
y 0,353 1 0,887 0,467 2,707
= + + + =
∑
6000
6000
28003200
680
3200
2120
3880
1
0,467
0,887
0,353
3880
P
P
P

P
Các lực D
max
và D
min
thông qua ray và dầm cầu trục sẽ truyền vào vai cột, do đó sẽ lệch
tâm so với trục cột là: e = L
1
– 0,5h =0,75 – 0,5.0,4 = 0,55 (m).
Trị số của các mômen lệch tâm tương ứng:
max max
M D .e 123,26.0,55 67,8 kN.m
= = =
min min
M D .e 42,27.0,55 23,25 kN.m
= = =
b) Lực hãm ngang của cầu trục
Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray :
tc
xe
1
0
0,05(G G )
0,05.(63 5,9)
T 1,72kN
n 2
+
+
= = =
Lực hãm ngang của toàn cầu trục lên cột đặt vào cao trình dầm hãm

tc
c p 1 i
T n T y 0,85.1,1.1,72.2,707 4,35 kN= γ = =
∑
4. XÁC ĐỊNH NỘI LỰC TRONG KHUNG NGANG, TỔ HỢP NỘI LỰC
4.1. Sơ đồ tính kết cấu
Sơ đồ tính là hệ khung phẳng, các thanh liên kết với nhau bằng các nút cứng và chân cột
liên kết ngàm với móng:
i = 10%
a
b
± 0.00
+ 4.6
+ 6.6
+ 7.8
I1
I
2
I
2
I
3
I
3
I
3
®o¹n xµ 1
®o¹n xµ 2
vÞ trÝ thay ®æi
tiÕt diÖn xµ

4000 40008000 8000
24000
 !"#
4.2. Xác định nội lực khung
+ Sử dụng phần mềm SAP 2000 ta xác định được nội lực các phần tử thanh ứng với các
trường hợp tải.
+ Biểu đồ nội lực tương ứng với các trường hợp tải
Tĩnh tải
M
N
V
HT mái nửa trái
M
N
V
HT mái nửa phải
M
N
V
D trái
M
N
V
D phải
M
N
V
Gió trái
M
N

V
Gió phải
M
N
V
T trái
M
N
V
T phải
M
N
V
4.3. Tổ hợp nội lực
Từ kết quả tính toán nội lực như trên ta tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực để tìm ra
trường 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, Q.
Ta xét 2 loại tổ hợp
- Tổ hợp cơ bản 1: gồm tĩnh tải thường xuyên và 1 hoạt tải
- Tổ hợp cơ bản 2: gồm tải trọng thường xuyên và nhiều hoạt tải nhân với hệ số tổ hợp
0.9
5. THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CẤU KIỆN
5.1.Thiết kế tiết diện cột
a) Xác định chiều dài tính toán
Chọn phương án cột tiết diện không đổi. Với tỷ số độ cứng của xà và cột đã giả thiết
là bằng nhau, ta có :
cot
6,6
: 1. 0,275

24
   
= = =
 ÷  ÷
   

$ $

% 
Ta có :
0,56 0,275 0,56
1,418
0,14 0,275 0,14
+ +
= = =
+ +


µ
Vậy chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột xác định theo công thức:
x
l H 1,418.6,6 9,36(m)= µ = =
.
Chiều dài tính toán của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung (l
y
) lấy bằng khoảng
cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị theo phương dọc nhà (dầm cầu trục,
giằng cột, xà ngang ). Giả thiết bố trí giằng cột dọc nhà bằng hình chữ C tại cao trình
+3,5, tức là khoảng giữa phần cột tính từ mặt móng đến dầm hãm, nên l
y

= 3,5 m.
b) Chọn và kiểm tra tiết diện
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:
M = -124,61kNm
N = -173,36 kN
V = -55,13 kN
Đây là cặp nội lực tại dưới vai, trong tổ hợp nội lực do các trường hợp tải trọng
1,4,7,9 gây ra.
Chiều cao tiết diện cột chọn từ điều kiện độ cứng :
( )
1 1
h H 0,44 0,33 m
15 20
 
= ÷ = ÷
 ÷
 
⇒
Chọn h = 44 cm
Bề rộng tiết diện cột chọn theo các điều kiện cấu tạo và độ cứng:
b
f
=(0,3
÷
0,5)h = (13,2
÷
22)cm;
f y
1 1
b l (11,7 29,2)cm

20 30
 
= ÷ = ÷
 ÷
 
f
b 18cm≥
 chọn b
f
=20 cm.
Diện tích tiết diện cần thiết của cột xác định sơ bộ theo công thức:
( ) ( )
c
yc
yc
2
2
N M
1,25 (2,2 2,8)
f. N.h
A
A
173,36 124,61.10
1,25 2,2 2,8 42,95 51,86 cm
21.1 40.173,36
 
+ ÷
 ÷
γ
 

 
⇒ =
 
 
=
+ ÷ = ÷
Bề dày bản bụng:
w
1 1
t h 6cm
70 100
 
= ÷ ≥
 ÷
 
Chọn t
w
= 0,6 cm
Tiết diện cột chọn như sau:
Bản cánh: (1x20) cm
Bản bụng: (0,6x42) cm
Tính các đặc trưng hình học của tiết diện đã chọn: