Thuyết minh đồ án kết cấu thép II

ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP
TỐT NGHIỆP
THUYẾT MINH ĐỒ ÁN
THUYẾT MINH ĐỒ ÁN
KẾT CẤU THÉP II
KẾT CẤU THÉP II

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
THUYẾT MINH
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II
I. SỐ LIỆU THIẾT KẾ
- Nhịp khung ngang: L= 27 m
- Bước khung: B= 6,5 m
- Sức nâng cầu trục: Q= 10T
- Cao trình đỉnh ray : + 7,3 m
- Độ dốc mái: i= 15%
- Chiều dài nhà: 90m
- Phân vùng gió: III-B
- Địa hình: B
- Mác thép CCT38s , có cường độ:
f= 23 kN/cm
2
f
v
= 13,34 kN/cm
2
- Loại que hàn N42, khi tính toán coi như hàn tay hết, kiểm tra bằng mắt
thường.
- Số lượng cầu trục n

ct
= 2 cái.
- Bu lông liên kết và bu lông neo tự chọn.
- Bê tông móng cấp độ bền B20.
II. XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH CHÍNH CỦA KHUNG NGANG
1. Lựa chọn dầm cầu trục, cầu trục, ray, lớp lót ray
a. Cầu trục
Với nhịp nhà L= 27m, sức trục Q = 10T (sức trục trung bình) và chọn
λ=750mm, ta chọn cần trục có các thông số sau:
Bảng các số liệu cầu trục
Sức
trục
Kích thước gabarit chính
L
K
(m)
B
K
(mm)
K
K
(mm)
H
K
(mm)
10 25,5 4500 3800 960 180 77,3 27,7 11 0,833
b. Dầm cầu trục:
b. Dầm cầu trục:
Chiều cao dầm cầu trục chọn sơ bộ :
SVTH:

2
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
1 1 1 1
( ). ( ).6,5 0,65 0,8125( )
8 10 8 10
dct
H B m= ÷ = ÷ = ÷
Chọn H
dct
=0,8m
c. Ray và lớp lót ray:
c. Ray và lớp lót ray:
Lấy chiều cao ray và lớp đệm là
200=
r
H
mm


2. Theo phương đứng:
2. Theo phương đứng:
Xác định chiều cao cột và vai cột:
Chọn b = 300 mm là khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang.
+ H
2
=H
k
+ b = 0,96 + 0,3 = 1,26 (m)

→
chọn H
2
=1,3 m
Chiều cao của cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà ngang:
+ H= H
1
+ H
2
+ H
3
= 7,3+ 1,3+ 0= 8,6 (m).
+ H
t
= H
2
+ H
dct
+ H
r
= 1,3+ 0,8+ 0,2= 2,3 (m).
+ H
d
= H - H
t
= 8,6 – 2,3 = 6,3 (m)
ChiÒu cao ®Ønh dµn m¸i :
dmai
L 27
H = × i = × 0,15 = 2,025 m

2 2
q= 10T
± 0.00
+7.30
+8.60
A B
1
5
%
1
5
%
7.30 1.30
27000
MẶT CẮT NGANG NHÀ
SVTH:


3
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH




3. Theo phương ngang:
3. Theo phương ngang:
+ Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu về độ cứng:
1 1 1 1
( ). ( ).8,6 0,43 0,57( )
15 20 15 20

h H m
= ÷ = ÷ = ÷

Chọn h = 0,5 m
+Chọn trục định vị trùng với mép ngoài cột (a=0)
→
khoảng cách từ trục định
vị đến trục ray cầu trục:
27 25,5
0,75( )
2 2
k
L L
m
λ
−
−
= = =
Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:
z =
λ
-h =0,75-0,5 =0,25 (m) > z
min
=0,18 m
4. Sơ đồ tính khung ngang:
4. Sơ đồ tính khung ngang:
Do sức nâng của cầu trục không lớn nên chọn phương án cột có tiết diện không
thay đổi, với độ cứng là I
1
. Xà 27m nên chọn xà có tiết diện thay đổi, dự kiến

vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà 4,5m, độ cứng ở đầu và cuối xà là I
1
và
I
2
.Do nhà có cầu trục nên chọ kiểu liên kết giữa cột khung với móng là ngàm
tại mặt móng cốt ±0,000. Liên kết giữa cột với xà ngang và liên kết tại đỉnh xà
ngang là liên kết cứng. Trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn giản
hoá tính toán thiên về an toàn.
9000 4500
27000
6300 2300
vÞ trÝ thay ®æi
tiÕt diÖn xµ
I1
I1
I1
I2
vÞ trÝ thay ®æi
tiÕt diÖn xµ
4500 9000
SVTH:


4
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG NGANG
III. XÁC ĐỊNH CÁC LOẠI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG VÀO KHUNG NGANG
1. Tĩnh tải
Độ dốc mái i = 15% nên α = 8,53

0
a. Mái và xà gồ, các lớp cách nhiệt:
Trên thực tế tải này truyền lên khung dưới dạng lực tập trung tại điểm đặt các xà
gồ, số lượng lực tập trung lớn hơn 5 nên ta có thể quy về tải phân bố lấy = 0,15kN/m
2
q
tt
=
1,1.0,15.6,5
os8,53
o
c
= 1,08 kN/m
b. Tải trọng xà gồ tường và tấm tường:
Tải trọng bản thân của tôn tường và xà gồ tường lấy tương tự như với mái là
0,15kN/m
2
. Quy thành tải tập trung đặt tại đỉnh cột :
G
tt
= 1,1.0,15.6,5.8,6 = 9,22 (kN)
c. Tải trọng bản thân dầm cầu trục:
Trọng lượng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1kN/m. Quy thành tải tập
trung và mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:
+ Lực tập trung vai cột: 1,05.1.6,5 = 6,83(kN)
+ Mômen vai cột: 6,83.(λ - 0,5.h) = 6,83.(0,75 – 0,5.0,5) = 3,42 (kN.m).
Trọng lượng bản thân khung để phần mềm Sap2000 tự tính.
27000
6300 2300
6,83kN

3,42kNm
6,83kN
3,42kNm
9,22kN
1,08kN/m
9,22kN
1,08kN/m
SVTH:


5
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
2. Hoạt tải
a. Hoạt tải sữa chữa
Theo TCVN 2737- 1995, 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 đều trên xà ngang:
1,3.0,3.6,5
2,563( / )
0,989
kN m=

27000
6300 2300
2,563kN/m
27000
6300 2300
2,563kN/m

HOẠT TẢI MÁI NỬA TRÁI HOẠT TẢI MÁI NỬA PHẢI
b. Tải trọng thẳng đứng cầu trục
Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thong qua dầm cầu trục
được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm và xếp
bánh xe của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất, 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.
Áp lực thẳng đứng lớn nhất do cầu trục truyền lên vai cột D
max
xác định theo đường
ảnh hưởng phản lực:
max max
. . .
c p i
D n P y
γ
=
∑

min min
. . .
c p i
D n P y
γ
=
∑
SVTH:

6
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
Trong đó: n
c
= 0,85 là hệ số tổ hợp khi xét tải trọng do hai cầu trục chế độ nhẹ
hoặc trung bình.
=
−
= =
−
= =
− −
= =
6,5
6,5
6,5
1
1
6,5 3,8
. 0,415
2 1
6,5 0,7
. 0,892
3 1
6,5 0,7 3,8
. 0,308
4 1
y
y y
y y

y y
3800 350 1650
6500 6500
y = 1
1
y
3
y
4
y
2
max
2350 350
3800
700
P
max
P
max
P
max
P
Do đó, ta có:
max max
. . . 0,85.1,1.77,3.(1 0,415 0,892 0,308) 189( ).
c p i
D n P y kN
γ
= = + + + =
∑

min min
. . . 0,85.1,1.27,7.(1 0,415 0,892 0,308) 67,727( ).
c p i
D n P y kN
γ
= = + + + =
∑
Điểm đặt của D
max
, D
min
trùng với điểm đặt của dầm cầu trục. Tải trọng này tác dụng
lên vai cột khi tính toán ta đưa về tim cột dưới dạng 1 lực tập trung và 1 mômen.
max max max
. .( 0,5 ) 189.(0,75 0,5.0,5) 94,50( )M D e D h kNm
λ
= = − = − =


min min min
. .( 0,5 ) 67,727.(0,75 0,5.0,5) 35,864( )M D e D h kNm
λ
= = − = − =
SVTH:


7
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
27000 27000

189kN
94,50kNm
67,727kN
35,864kNm
6300 2300
189kN
94,50kNm
67,727kN
35,864kNm
D
max
lên cột trái D
max
lên cột phải
c. Hoạt tải do lực hãm ngang cầu trục
Theo bảng thông số về cầu trục:
1
max
0
0,5.0,1.( )
0,05.(100 8,33)
2,708( ).
2
xc
Q G
T kN
n
+
+
= = =

Lực hãm ngang
1
max
T
truyền lên cột được xác định theo đường ảnh hưởng như
đối với D
max
:
1
max max
. . 0,85.2,708.(1 0,415 0,892 0,308) 6,019( ).
tc
c i
T n T y kN
= = + + + =
∑


max max
. 1,1.6,019 6,621( ).
tc
T nT kN
= = =

Lực hãm ngang của toàn cầu trục truyền lên cột đặt vào cao trình dầm hãm
(cách vai cột 1,0m); cách đỉnh cột một đoạn y = 8,6– 6,3 – 1,0 = 1,3 m.
6,621kN
27000
6,621kN

27000
7300 1300
LỰC HÃM LÊN CỘT TRÁI LỰC HÃM LÊN CỘT PHẢI
SVTH:


8
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH

d. 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

0
W
: Giá trị áp lực gió tiêu chuẩn với W
0
= 1,25 kN/m
2
( Gió III-B )
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 8,6m → k
1
= 0,966

+ Mức đỉnh mái, cao trình 10,62 m → k
2
= 1
Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số k lấy:
k = k
1
=0,966
Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở lên đỉnh mái hệ số k lấy trung bình:
1 2
0,966 1
0,991
2 2
k k
k
+ +
= = =

Xác định hệ số khí động C với α=8,53
0
;
8,6
0,319
27
H
L
= =

→ C
e1
= -0,297; C

e2
= -0,4; C
e3
= -0,5.
6300 2300
27000
Ce=+0,8
Ce1=-0,297 Ce2=-0,4
Ce3=-0,5
SVTH:


9
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG C
Hệ số vượt tải: n = 1,2
- Tải trọng gió lên cột :
+ Phía gió đẩy:
q
đ
= n.k
1
.C
đ
.W
0
.a = 1,2.0,966.0,8.1,25.6,5 = 7,73 (kN/m)
+ Phía gió hút:
q
h

= n.k
1
.C
h
.W
0
.a = 1,2.0,966.0,5.1,25.6,5 = 4,831 (kN/m)
- Tải trọng gió lên mái :.
+ Gió nửa trái:
q
t
= n.k.C
e1
.W
0
.a = 1,2.0,991.0,297.1,25.6,5= 2,87 (kN/m)
+ Gió nửa phải:
q
p
= n.k.C
e2
.W
0
.a = 1,2.0,991.0,4.1,24.6,5= 3,865 (kN/m)
27000
7,73kN/m
2,87kN/m 3,865kN/m
4,831 kN/m
6300 2300
24000

7,73kN/m
2,87kN/m3,865kN/m
4,831 kN/m
GIÓ THỔI TRÁI SANG GIÓ THỔI PHẢI SANG
IV. THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI
1. Tải trọng
a. Tĩnh tải
- Chọn tấm lợp mái là tôn có q
tc
= 0,06
2
/kN m

- Chọn sơ bộ xà gồ chữ C mã hiệu 8CS2.5x105.
- Xà gồ chữ C mã hiệu 8CS2.5x105 có các thông số:
SVTH:


10
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
SH thép
D B x
0
J
x
S
x
J
y
S

y
A q
tc
cm cm cm cm
4
cm
3
cm
4
cm
3
cm
2
kN/m
6CS2.5X085 15 6,4 2,06 235,17 - 36,75 - 6,52 0,075
Khoảng cách giữa các xà gồ: 1,5/cos8,53
0
= 1,51 (m).
200
64
2.7
22.522.5
4
.
8
4
.
8
1.82
x

x
y
y
Vật liệu Đơn vị
Tải trọng tiêu
chuẩn
Hệ số vượt
tải
Tải trọng tính
toán
Tấm lợp kN/m
2
0,06
1,1 0,066
Xà gồ giữa kN/m 0,075
1,05 0,0788
b. Hoạt tải
Tải trọng hoạt tải xác định theo TCVN 2737-1995.

30,p
tc
=
kN/m
2
, n = 1,3
1,3 0,3 0,39
tt tc
p n p
= × = × =
kN/m

2
c. Tải trọng tác dụng lên xà gồ giữa do tĩnh tải và hoạt tải là:
q
tc
= (0,06+0,3).1,51+ 0,075 = 0,62 (kN/m).
q
tt
= (0,066+0,39).1,51 + 0,0788 = 0,764 (kN/m).

2. Tính toán xà gồ giữa.
Nhận thấy tổ hợp tải trọng do tĩnh tải và hoạt tải có giá trị tuỵêt đối lớn hơn tổ
hợp tải trọng do tĩnh tải và gió nên ta chỉ cần tính toán kiểm tra xà gồ theo tổ hợp
tải trọng lớn hơn, tải trọng tác dụng lên xà gỗ giữa lớn hơn xà gồ biên nên chỉ cần
kiểm tra xà gồ giữa.
SVTH:


11
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
a. Tải trọng tác dụng
Xét tải trọng tác dụng lên xà gồ theo hệ trục toạ độ Oxy có trục Ox tạo với
phương ngang 1 góc 8,53
0
0
0
0
0
.cos8,53 0,617.0,989 0,613( / )
.sin8,53 0,617.0,1483 0,092( / )
.cos8,53 0,766.0,989 0,756( / )

.sin8,53 0,766.0,1483 0,113( / )
tc tc
y
tc tc
x
tt tt
y
tt tt
x
q q kN m
q q kN m
q q kN m
q q kN m
= = =
= = =
= = =
= = =

q
x
q
y
x
x
y
y
b. Kiểm tra điều kiện bền xà gồ:
f.
W
M

W
M
y
y
x
x
td
γ≤+=σ
q
b
2
9
q
b
2
360
q
b
2
90
21672167 2167
q
b
2
9
q
t t
6500
m
q

b
y
2
8
x
q
t t
6500
m
x
y
Sơ đồ tính xà gồ
SVTH:


12
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH

2
2
2
2
.
0,756.6,5
3,993( )
9 9
.
0,113.6,5
0,149( )
90 90

tt
y
x
tt
x
y
q B
M kNm
q B
M kNm
= = =
= = =


d
3,993.100.10 0,143.100.(6,4 1,82)
. . 14,494
235,17 36,75
y
t
x
x y
M
M
y x
J J
σ
−
= + = + =
kN/cm

2

→ σ
tđ
< γ.f = 23 kN/cm
2
c. Kiểm tra độ võng xà gồ:
4
4
8 8
.
5 5 0,614.8,5
. . 0,035
384 . 384 2,1.10 .566,07.10
tc
y
y
x
q B
m
E J
−
∆ = = =

∆
x
xác định bằng Sap2000 ta được: ∆
x
= 0,000004657m.

2 2 2 2
0,035 0,000004657 0,035
x y
m⇒ ∆ = ∆ + ∆ = + =

Điều kiện kiểm tra:
3 3
0,035 1
4,12.10 5.10
8,5 200B B
− −
∆ ∆
 
= = < = =
 
 

→ Xà gồ đã chọn đảm bảo điều kiện chịu lực và võng.

V. XÁC ĐỊNH NỘI LỰC TRONG KHUNG NGANG, TỔ HỢP NỘI LỰC
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:
+ Giả thiết cột có kích thước như sau:
H=8600mm, h=500mm, b=250mm, t
w
= 8mm, t
f
=20mm
+ Xà ngang có kích thước:

Đầu xà: h=500mm, b=200mm, t
w
= 8mm, t
f
= 16mm
Đỉnh xà: h=300mm, b=200mm, t
w
= 8mm, t
f
= 16mm
Giữa xà: h=300mm, b=200mm, t
w
= 8mm, t
f
= 16mm
2. Xác định nội lực khung
+ Sử dụng phần mềm Sap2000 Version 15 ta xác định được nội lực các
phần tử thanh ứng với các trường hợp tải.
+ Biểu đồ nội lực tương ứng với các tổ hợp tải.
SVTH:


13
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
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, V.
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
Kết quả cụ thể được ghi trong bảng tổ hợp.
Quy ước chiều dương của nội lực
* Kiểm tra chuyển vị ở đầu cột
SVTH:


14
n

+
V

+
M

+
n

+
V

+
M

+
xµ ngang
cét

n +
V +
M +
n +
V +
M +
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
δ
δ
−
∆ = + = + = < = =
0,005051 0,032277 8,6
0,022 0,0287
1,05 1,2 1,05 1,2 300 300
giotr
tt
H
x m m
→ Đảm bảo chuyển vị ở đầu cột.
* Kiểm tra chuyển vị ở đỉnh xà
Theo tiêu chuẩn kiểm tra với cặp tổ hợp : TH2 = TT
TC
+ HT
TC
trong đó : TT
TC
- tỉnh tải tiêu chuẩn
HT
TC
- hoạt tải toàn mái tiêu chuẩn.

SVTH:


15
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
Từ kết quả SAP ta có độ võng ở đỉnh xà:
δ δ
∆ = + = + = < = =
0,034659 0,042592 27
0,0658 0,0675
1,05 1,3 1,05 1,3 400 400
tt HTmaiTP
L
z m m
Đảm bảo điều kiện chuyển vị đỉnh xà.
* Biểu đồ nội lực do tĩnh tải
(M)
SVTH:


16
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
(N)
(Q)
* Biểu đồ nội lực do hoạt tải mái nửa trái
SVTH:


17
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH

(M)
(N)
(Q)
* Biểu đồ nội lực do hoạt tải mái nửa phải
SVTH:


18
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
(M)
(N)
(Q)
SVTH:


19
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
* Biểu đồ nội lực do gió trái
(M)
(N)
SVTH:


20
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
(Q)
* Biểu đồ nội lực do gió phải
(M)
(N)
SVTH:

21
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
(Q)
* Biểu đồ nội lực do áp lực đứng của cầu trục lên cột trái
(M)
(N)
SVTH:


22
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
(Q)
* Biểu đồ nội lực do áp lực đứng của cầu trục lên cột phải
(M)
SVTH:


23
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
(N)
(Q)
* Biểu đồ nội lực do áp lực hãm ngang của cầu trục lên cột trái
(M)
SVTH:


24
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP II GVHD: PGS.TS VŨ QUỐC ANH

(N)
(Q)
* Biểu đồ nội lực do áp lực hãm ngang của cầu trục lên cột phải
SVTH:


25