đồ án kết cấu thép nhà công nghiệp

ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN KỸ THUẬT XÂY DỰNG
*************
ĐỒ ÁN
KẾT CẤU THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIỆN:





Trang 1
NĂM HỌC: 2011 – 2012
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
MỤC LỤC TRANG
Mục lục ………2
Phần I – Xác định kích thước khung ngang ……………………………………………………3
- Sơ đồ khung ngang ………………………………………………………… 3
I – Số liệu ……………………………………………………………………………….3
II – Xác định kích thước theo phương đứng ……………………………………………4
III – Xác định kích thước theo phương ngang ………………………………………….4
IV – Kích thước dàn mái và nội lực …………………………………………………….4
V – Sơ đồ tính khung ngang …………………………………………………………….6
Phần II – Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang ……………………………………… 7
I – Tĩnh tải ………………………………………………………………………………7
II - Hoạt tải mái ……………………………………………………………………… 8
III – Xác định nội lực ………………………………………………………………….13
- Bảng phân tích tổ hợp …………………………………………………………… 13

- Bảng tổng hợp moment……………………………………………………… 14 - 24
A – Biểu đồ moment các tổ hợp………………………………………………………… 25 - 41
Phần III - Thiết kế tiết diện cấu kiện
I - Thiết kế cột ……………………………………………………………………… 42
II – Thiết kế vai cột ……………………………………………………………………45
III – Thiết kế chân cột …………………………………………………………………47
IV – Thiết kế xà ngang ……………………………………………………………… 52
V – Liên kết cột với xà ngang …………………………………………………………55
Tài liệu tham khảo : - Sách giáo khoa kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp
- Bài tập thiết kế kết cấu thép – Trần Thị Thôn
- Tiêu chuẩn kết cấu thép 338 - 2005
Trang 2
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
ĐỒ ÁN NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG MỘT NHỊP
MÃ ĐỀ SỐ 62

Yêu cầu thiết kế: Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng có sử dụng 02 cầu trục nâng
hàng, chế độ làm việc trung bình.
Kích thước nhà, sức nâng cầu trục, chiều dài nhà, sức nâng cầu trục yêu cầu như sau:
-Chiều rộng nhà: L = 30 (m).
-Chiều dài nhà: 42 (m).
-Sức nâng của cầu trục Q = 16 (T).
-Cao trình đỉnh ray H
r
= 6.6 (m).
-Độ dốc mái i = 10%
0
71.5
≈⇒
α

-Bước khung chọn B = 6 (m).
-Vật liệu thép mác CCT34s có cường độ:
f = 21kN/cm
2
f
v
= 12kN/cm
2
f
c
= 32 kN/cm
2
Hàn tay, dùng que hàn N42.
PHẦN I
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG
Trang 3
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
Hình 1 : SƠ ĐỜ KHUNG NGANG
Khung ngang nhà cơng nghiệp một tầng, một nhịp bao gồm hai cấu kiện chính: cột và
dầm mái. Để đảm bảo độ cứng theo phương ngang nhà, liên kết giữa cột và dàn mái được thực
hiện là liên kết cứng, liên kết giữa chân cột và móng bê tơng cốt thép cũng là liên kết ngàm
cứng.
I.CÁC SỐ LIỆU TRA BẢNG:
- Từ các số liệu ban đầu: nhòp nhà L = 30 (m) sức cẩu của cầu trục
Q = 16 (T) tra catalogue của cầu trục để chọn ra cầu trục phù hợp với chế độ làm việc trung
bình:
-Chiều cao
k
H
= 1.14 (m) (chiều cao gabarit của cầu trục được tính từ cao trình đỉnh

ray cho đến điểm cao nhất của cầu trục).
-Bề rộng của cầu trục
k
B
= 5 (m) (tính theo phương dọc nhà cầu trục).
-Do sức nâng cầu trục dưới 30T nên ta chọn L
1
=0.75m
-Nhòp cầu trục L
K
= L-2L
1
= 30-2x0.75 =28.5m (tính bằng khoảng cách giữa hai tim
ray).
-Khoảng cách giữa hai trục bánh xe của cầu trục: K = 4.2 (m).
-Kích thước khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang: b
k
= 0.3 (m).
-Ta chọn vật liệu thép mác CCT34s có cường độ:

f
= 21kN/cm
2

v
f
= 12kN/cm
2

c

f

= 32kN/cm
2
II/. XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG ĐỨNG:
- Giả sử theo nhiệm vụ thiết kế, ta có cao trình đỉnh ray H
1
= 6.6 (m)
- Chiều cao ray và đệm H
r
, giả đònh H
r
=0.2 m
-Chiều cao dầm cầu trục.
H
dct
= (
10
1
8
1
−
) B = 0.6 m (Với B=6m).
-Chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang:
H
2
=H
K
+b
K

=1.14+0.3=1.44 m
=>Chọn H
2
= 1.5(m)
-Chiều cao cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà ngang.
 H=H
1
+H
2
+H
3
=6.6+1.5+0=8.1m.
Trong đó: H
1
cao trình đỉnh ray.
(H
3
phần cột chon dưới nền, coi mặt móng ở cột ±0.000 chọn H
3
=0)
-Chiều cao phần cột tính từ vai đỡ dầm cầu trục đến xà ngang.
t
H
= H
2
+H
dct
+H
r
=1.5+0.6+0.2=2.3m

-Chiều cao của phần cột tính từ mặt móng đến mặt trên của vai cột:
d
H

= H-H
t
= 8.1- 2.3 = 5.8m
III/. XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG NGANG:
-Nhòp nhà xưởng L = 30 (m).
-Nhòp cầu trục L
K
= 28.5 (m)
-Khoảng cách từ tim ray cho tới trục đònh vò:
Trang 4
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
L
1
=(L-L
k
)/2 = (30-28.5)/2 = 0.75m
-Chiều cao tiết diện cột theo yêu cầu độ cứng:
h = (1/15÷1/20).H = (1/15÷1/20)8.1 = (0.5÷0.4) m
⇒Chọn h = 0.5 (m).
-Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:
Z=L
1
– h = 0.75 – 0.5 = 0.25 (m) > z
min
= 0.18 (m)
IV/. S Ơ ĐỒ TÍNH KHUNG NGANG:

Do sức nâng cầu trục khơng lớn nên chọn phương án cột tiết diện khơng đổi, với độ
cứng là I
1
. Vì nhịp khung là 30m nên chọn phương án xà ngang có tiết diên thay đổi hình nêm,
dự kiến vị trí thay đổi cách đầu xà 6m. Với đoạn xà dài 6m, độ cứng ở đầu và cuối xà là I
1
và I
2

tương ứng (giả thuyết độ cứng của xà và cột tại chỗ liên kết xà-cột như nhau). Với đoạn xà dài
9m, độ cứng ở đầu và cuối xà giả thuyết bằng I
2
(tiết diện khơng đổi). Giả thuyết sơ bộ tỷ số độ
cứng I
1
/I
2
= 2.818 (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 ở phần tính tốn trên). Do nhà có cầu trục nên chọn
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 cứng. Trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn
giản hố tính tốn và thiên về an tồn. Sơ đồ tính khung ngang như sau:
Trang 5
I
1
I
1
I
1
I

1
doan xa 1
I
2
I
2
doan xa 2
vi tri thay doi
tiet dien xa
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
PHẦN II
XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG
-Trọng lượng bản thân của kết cấu chòu lực mái.
-Trọng lượng bản thân cột, dầm cầu chạy, dầm hãm, các hệ giằng cột trên và cột
dưới.
-Vật liệu lợp mái.
-Kết cấu bao che xung quanh nhà.
I/. TĨNH TẢI TÁC DỤNG LÊN MÁI:
Độ dốc mái i=10% →α=5.71
o
(sinα = 0.999 ; cosα = 0.995)
-Trọng lượng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấy 0.15kN/m
2
.Trọng lượng
bản thân xà ngang chọn sơ bộ 1kN/m.Tổng tỉnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang:

)/(05.2105.1
995.0
615.01.1
mkNx

xx
=+
Hình 2 : Sơ đờ tính khung với tải trọng thường xun ( tĩnh tải)
-Trọng lượng bản than của tơn tường và xà gồ tường lấy tương tự như với mái là
0.15kN/m
2
.Quy thành tải tập trung tại đỉnh cột:
1.1x0.15x6x8.1= 8 (kN)
-Trọng lượng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1kN/m.Quy thành tải tập trung và momen
lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:
1.05x1x6 = 6.3 (kN)
6.3x(L
1
-0.5h)≈6.3x(0.75 – 0.5x0.5)=3.15(kN/m)
II/.HOẠT TẢI:
1. Ho ạt tải mái
Theo TCVN 2737-1995 [2], trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi cơng hoặc sữa chửa mái lợp
tole là 0.3kN/m
2
, hệ số vượt tải là 1.3
Trang 6
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
Quy đổi về tải trọng phân bố đều xà ngang
)/(35.2
995.0
63.03.1
mkN
xx
=

Hoạt tải mái nửa trái
Hoạt tải mái nửa phải
Hình 2: Sơ đồ tính khung với hoạt tải mái
a/. Hoạt tải mái nửa trái b/. Hoạt tải mái nửa phải
2. Tải trọng gió
Trang 7
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
-Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm hai phần là gió tác dụng vào cột và gió tác
dụng lên mái.Theo TCVN 2737-1995 [2], Cần Thơ thuộc vùng phân gió II-A, có áp lực gió
tiêu chuẩn w
o
= 0.83kN/m
2
, hệ số vượt tải là 1.2
-Căn cứ vào hình dạng mặt bằng nhà và góc dốc của mái, các hệ số khí động có thể xác định
trong bảng III.3 Nội suy ta có:
Ce
1
= -0.324 ; Ce
2
= -0.4 ; Ce
3
= -0.5
+Tải trọng gió tác dụng lên cột :
• Phía đón gió : 1.2x0.83x0.8x6=4.78(kN/m)
• Phía khuất gió : 1.2x0.83x0.5x6=2.99(kN/m)
+Tải trọng gió tác dụng lên dàn mái :
• Phía đón gió : 1.2x0.83x0.324x6=2 (kN/m)
• Phía khuất gió : 1.2x0.83x0.4x6=2.39(kN/m)
a/. Hệ số khí động

Trang 8
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
b/. Gió trái sang
c/. Gió phải sang
Hình 3 : Sơ đồ tính khung với tải trọng gió
a/. sơ đồ xác định hệ số khí động, b/. gió trái sang
c/. gió phải sang
3. Hoạt tải cầu trục
Theo bảng II.3 phục lục, các thong số cầu trục sức nâng 25 tấn như sau:
Nhịp
L
k
Ch.cao
gabagit
H
k
(mm)
Khoảng
cách
Zmin(mm)
Bề rộng
gabagit
B
k
(mm)
Bề rộng
đáy
K
k
(mm)

T.lượng
cầu trục
G(T)
T.lượng
xe con
G
xc
(T)
Áp lực
P
max
(kN)
Áp lực
P
min
(kN)
28.5 1148 181 5210 4425 16.19 1.301 120 40.3
Tải trọng cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực hãm ngang, xác
định như sau :
-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 một vị trí bất lợi nhất. Xác định các tung độ yi 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 :
→Từ hình vẽ ta có : y
1
=0.132 ; y
2
=0.869 ; y

3
=1 ; y
4
=0.263
∑y
i
= y
1
+ y
2
+ y
3
+ y
4
= 2.264
D
max
= n
c
γ
p
ƩP
max
y
i
= 0.85x1.1x120x2.264 = 254 (kN)
D
min
= n
c

γ
p
ƩP
min
y
i
= 0.85x1.1x40.3x2.264 = 85.3 (kN)
Các lực Dmax và Dmin 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 ≈ 0.5m. Trị số của momen lệch tâm tương ứng :
M
max
= D
max
e = 254x0.5 = 127 (kNm)
M
min
= D
min
e = 85.3x0.5 = 42.65 (kNm)
Trang 9
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
Đường ảnh hưởng xác định D
max
, D
min
D
max
lên cột trái

Trang 10
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
D
max
lên cột phải
Hình 4 : Sơ đồ tính khung với áp lực đứng của cầu trục
-Lực hãm ngang của cầu trục :
Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe tiêu chuẩn lên ray :
)(2.4
2
)1.8160(05.0
)(05.0
0
1
kN
n
QQ
T
xc
tc
=
+
=
+

Lực hãm ngang của toàn cầu trục truyền lên cột đặt vào cao trình dầm hãm (giả thuyết
cách vai cột 0.7m)
T = n
c
γ

p
ƩT
1
tc
y
i
= 0.85x1.1x4.2x2.264=8.89 (kN)
Trang 11
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
a/. Lực hãm lên cột trái
b/. Lực hãm lên cột phải
III.XÁC ĐỊNH NỘI LỰC:
Nội lực trong khung ngang được xác định chất tải bằng phần mềm SAP 2000
Bảng tổ hợp nội lực :
-TT : Tĩnh tải (tải trọng thường xuyên)
-HT : Hoạt tải (hoạt tải chất đầy cả mái)
-HT1 : Hoạt tải chất nữa mái trái
-HT2 : Hoạt tải chất nữa mái phải
-GT : Gió trái sang
-GP : Gió phải sang
-ALCT : Áp lực lên cột trái
-ALCP : Áp lực lên cột phải
-LHCT : Lực hãm lên cột trái
-LHCP : Lực hãm lên cột phải
BẢNG PHÂN TÍCH TỔ HỢP
TH1: TT+HT
TH2: TT+GT
TH3: TT+GP
TH4: TT+HT+GT
TH5: TT+HT+GP

TH6: TT+HT1+GT
TH7: TT+HT2+GP
TH8: TT+HT1+GT+ALCT
TH9: TT+HT2+GP+ALCP
TH10: TT+HT1+GT+ALCT+LHCT
TH11: TT+HT2+GP+ALCP+LHCP
TH12: TT+HT+GT+ALCT
TH13: TT+HT+GP+ALCP
TH14: TT+HT+GT+ALCT+LHCT
Trang 12
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
TH15: TT+HT+GP+ALCP+LHCP
TH16: 0.9(TH1+TH2+TH3)
THBAO: (TH1+TH2+ ………. +TH16)
BẢNG TỔNG HỢP MOMENT

mTextTextKNKNKN-m10TH1 -70.66000259-26.45649855-85.10713332Frame Station
1Text
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Trang 13
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
1
1
1
1
1
1

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2

2
2
2
2
2
2
2
Trang 14
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2

2
2
2
2
2
2
2
2
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
Trang 15
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
13
13
13
13
13
13

13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13

13
13
13
13
14
14
14
Trang 16
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14

14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
Trang 17
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
14
14
14
14
14
14

14
14
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32

32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
Trang 18
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
32
32 2.2729847
32 4.5459693
33
33 3.0057463

33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
Trang 19
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925

33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
33
33 3.0057463
33 6.0114925
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422

34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
Trang 20
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34

34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
34
34 3.0303211
34 6.0606422
35
35 2.2484129
Trang 21
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129

35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129

35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
Trang 22
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
35
35 2.2484129
35 4.4968257
A - BIỂU ĐỒ MOMEN CÁC TỔ HỢP
Trường hợp 1 : TT + HT
Trang 23
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
Biểu đồ momen (M)
Biểu đồ lực nén (N)
Biểu đồ lực cắt (V)
Trường hợp 2 : TT + GT
Trang 24
ÐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
Biểu đồ momen(M)
Biểu đồ lực nén(N)

Biểu đồ lực cắt(V)
Trường hợp 3 : TT + GP
Trang 25