ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA XÂY DỰNG

GVHD : T.S HOÀNG BẮC AN
SVTH : ĐỖ DUY KHƯƠNG
MSSV : 10610300073
Lớp : XB10
ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 2
THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP
NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG

Mục Lục
1 Số Liệu Đề Bài 4
2 Xác Định Kích Thước Chính Của Khung Ngang 5
2.1 Chọn cầu trục phù hợp 5
2.2 Xác định kích thước theo phương đứng 5
2.3 Xác định kích thước theo phương ngang nhà 5
2.4 Kích thước dàn mái và cửa mái 6
2.5 Hệ giằng 6
2.5.1 Hệ giằng ở mái 6
2.5.2 Hệ giằng ở cột 6
3 Xác Định Tải Trọng Tác Dụng Lên Khung Ngang 7
3.1 Tĩnh tải 7
3.2 Tải trọng sửa chữa mái 7
3.3 Áp lực thẳng đứng của cầu trục lên vai cột 7
3.4 Lực xô ngang của cầu trục 8

3.5 Tải trọng gió 9
4 Xác Định Nội Lực Khung Ngang Dựa Trên Cơ Sở PP Phần Tử Hữu Hạn 11
4.1 Biểu đồ tải trọng 11
4.2 Biểu đồ Mômen 17
4.3 Bảng nội lực 20
4.4 Bảng tổ hợp nội lực 21
5 Thiết Kế Cột 22
5.1 Xác định chiều dài tính toán của cột 22
5.1.1 Chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng khung 22
5.1.2 Chiều dài tính toán của cột ngoài mặt phẳng khung 22
5.2 Thiết kế tiết diện cột trên 23
5.2.1 Chọn tiết diện sơ bộ 23
5.2.2 Kiểm tra tiết diện đã chọn 23
5.3 Thiết kế tiết diện cột dưới 26
5.3.1 Chọn tiết diện sơ bộ 26
5.3.2 Kiểm tra tiết diện đã chọn 26


Số Liệu Đề Bài

1 Số Liệu Đề Bài
 Thiết kế nhà công nghiệp 1 tầng bằng thép, một nhịp có cửa mái và 2 cầu trục chạy
trong phân xưởng.
 Chiều dài nhà :
∑
= 144 
 Nhịp khung : L = 33 m
 Bước khung : B = 6 m
 Sức nâng cầu trục : Q = 20 / 5
 Chế độ : Vừa

 Cao trình mặt ray : 

= 10,2 
 Mái lợp tôn : độ dốc =5%
 Dạng dàn : Cánh song song
 Cường độ thép : CT38
 Bêtông : B20
 Địa điểm theo TCVN 2737-95 để phù hợp với vùng gió : IVA
 Liên kết dàn với đầu cột : Liên kết ngàm

Xác Định Kích Thước Chính Của Khung Ngang

2 Xác Định Kích Thước Chính Của Khung
Ngang
2.1 Chọn cầu trục phù hợp
Từ số liệu đề bài: nhịp nhà L = 33m, sức cẩu của cầu trục Q = 20 / 5 (T), chúng ta tra catalogue chọn
cầu trục phù hợp.
 Loại ray : KP70
 Chiều cao 

= 2,4  (tính từ cao trình đỉnh ray đến điểm cao nhất cầu trục)
 Bề rộng của cầu trục 

= 6,3  (tính theo phương dọc nhà của cầu trục)
 Nhịp cầu trục 

= 31,5  (khoảng cách giữa 2 tim ray)
 Khoảng cách giữa 2 trục bánh xe của cầu trục K = 5 m
 Kích thước 


= 280 . (kể từ tim ray cho đến mép ngoài, dùng để tính toán khe
hở giữa cầu trục và mép trong cột trên).
2.2 Xác định kích thước theo phương đứng
Chiều cao phần cột dưới:
 Cao trình đỉnh ray 

= 10,2 
 Chiều cao của ray ℎ

= 850  (dựa trên catalogue)
 Chiều cao của dầm cầu chạy ℎ

= 600  (chọn sơ bộ bằng 1/10 bước cột B)
 Phần cột chôn ngầm dưới mặt nền hoàn thiện ℎ

= 0  (Khi cấu tạo cổ móng sao
cho mặt trên cổ móng vừa bằng cao trình nền)
 Ta có thể xác định chiều cao thực phần cột dưới theo công thức:


= 

+ ℎ

−ℎ

−ℎ

=10,2 + 0 −0,85 −0,6 = 8,75 
Chiều cao phần cột trên:

 Chiều cao cầu trục 

=2,4 
 Khe hở an toàn giữa cầu trục và mép dưới kết cấu mái. Lấy 100 mm
 Độ võng kết cấu mái f = (1/100)L = 0,33 m. Lấy chẵn 0,3 m
 Chiều cao thực phần cột trên xác định theo công thức:


= ℎ

+ ℎ

+ 

+ 0,1 + 0,3=4,25 
2.3 Xác định kích thước theo phương ngang nhà
Số liệu sơ khởi:
 Nhịp nhà xưởng L = 33 m
 Nhịp cầu trục 

= 31,5 
Từ đây ta xác định được khoảng cách từ tim ray cho đến trục định vị:
Xác Định Kích Thước Chính Của Khung Ngang

=
−

2
= 0,75 
Chiều cao tiết diện phần cột trên ℎ


=




= 0,425. Vì sức trục nhỏ (20T) nên ta chọn25cm.
Chiều cao tiết diện phần cột dưới ℎ

=




= 0,875.Vì sức trục nhỏ (20T) nên ta chọn 50 cm.
Khoảng cách từ trục định vị đến mép ngoài của cột:
≥ℎ

+ 

+ −= 0,25 + 0,28 + 0,07−0,75= −0,15 
(với D : khe hở an toàn giữa cầu trục và cột. Lấy D = 70 mm)
Chọn a = 0 mm, tức là trục định vị trùng với mép ngoài cột trên.
⇒=220 
2.4 Kích thước dàn mái và cửa mái
Chọn chiều cao giữa dàn của dàn cánh song song:
ℎ=
1
10
=

1
10
× 33= 3,3 

Cao trình của đỉnh mái:
,×

+ 16,3= 17,125 
2.5 Hệ giằng
2.5.1Hệ giằng ở mái
2.5.1.1 Giằng trong mặt phẳng cánh trên
2.5.1.2 Giằng trong mặt phẳng cánh dưới
2.5.1.3 Hệ giằng đứng
Được bố trí tại các thanh đứng đầu dàn, thanh đứng giữa dàn.
2.5.2Hệ giằng ở cột
Xác Định Tải Trọng Tác Dụng Lên Khung Ngang

3 Xác Định Tải Trọng Tác Dụng Lên Khung
Ngang
3.1 Tĩnh tải
 Trọng lượng bản thân kết cấu chịu lực của mái (tôn, hệ giằng mái, vì kèo) : 30 kg/m
2

 Trọng lượng cột:
- Cột dưới : 250 daN/m
- Cột trên : 200 daN/m
 Trọng lượng dầm cầu chạy và dầm hãm : 300 daN/m đối với dầm 6m.
=> Lực tập trung tại mỗi cột : 1800 daN = 18 kN
Momen lệch tâm : 18× 0.5 = 9 
 Trọng lượng hệ giằng cột:

- Cột dưới : 15 daN/m
- Cột trên : 12 daN/m
3.2 Tải trọng sửa chữa mái
Trường hợp mái vật liệu nhẹ (tôn) : 30 daN/m
2
(hoạt tải mái). Hệ số hoạt tải : 1,3. Mặt phẳng mái
nghiêng 2,86
0

Giá trị tải sửa chữa mái đưa vào tính toán là:



=
30
2,86

× 1,3= 39,05




Tải sửa chữa mái dồn về một khung thành tải phân bố đều:



× = 234,3



3.3 Áp lực thẳng đứng của cầu trục lên vai cột
Số liệu tính toán được xác định như sau:
 Sức cẩu của cầu trục : 200 kN
 Hệ số vượt tải : n = 1,1
 Hệ số tổ hợp, xét đến xác xuất xảy ra đồng thời tải trọng tối đa của hai cầu trục hoạt
động cùng nhịp : 

= 0,9
 Từ catalogue cầu trục, xác định được 

= 265 , tổng trọng lượng cầu trục
= 500 , số bánh xe một bên ray

= 2
 Giá trị P
min
được xác định theo công thức:


=
+


−

= 85 
Xác Định Tải Trọng Tác Dụng Lên Khung Ngang

Từ các kích thước của cầu trục 


= 6,3 , K = 5 m. Ta có thể sắp xếp các bánh xe cầu trục như sơ
đồ dưới:

Từ hình vẽ ta có:


= 1


=
6 −1,3
6
× 

= 0,78


=
6 −5
6
× 

= 0,17


= 0



= 1,95

Ta tính được:


= .

.

.



= 1,1×0,9 × 265 × 1,95= 511,58 
Mômen lệch tâm : 511,58 × 0.5= 255,79 


= .

.

.



= 1,1×0,9×85× 1,95= 164,1 
Mômen lệch tâm : 164,1 × 0,5= 82,05 
3.4 Lực xô ngang của cầu trục
Trọng lượng xe con 

= 85 . Giả định cầu trục sử dụng móc mềm, 


= 0,1.
Tổng hợp lực hãm ngang tác động lên toàn cầu trục là:


=
+ 





.

′
=
200+85
4
× 0,1 × 2= 14,25 
6000
y1 y2 y4
5000
P2P1
1300
P4
5000
5000
6000
1000
y3
P3

50001300
Xác Định Tải Trọng Tác Dụng Lên Khung Ngang



: số bánh xe của xe con


′
: số bánh xe được hãm của xe con
Lực hãm ngang tiêu chuẩn lên 1 bánh xe của cầu trục:


=




= 7,13 
Vậy lực xô ngang của cầu trục là:
= .

.

.



= 1,1 × 0,9 ×7,13×1,95= 13,76 
Lực xô ngang này đặt ở cao trình mặt trên của dầm cầu chạy, cách vai cột 0,6 m, tức là ở cao trình

9,35 m
3.5 Tải trọng gió
Theo TCXDVN 2737-1995, tải trọng gió tác dụng lên một khung được xác định theo công thức:
= ...

.
n : hệ số vượt tải của tải trọng gió, lấy bằng 1,3
c : hệ số khí động (xem hình)

Tỉ số


=
,

≈0,5
Góc nghiêng = 2,86

, Tra bảng và nội suy =>

= −0,74

ề à à

= 4,4; Tra bảng =>

= −0,5
k : hệ số độ cao và dạng địa hình
Tại độ cao 13m (cánh dưới dàn vì kèo), địa hình A; Nội suy => =1,22
Tại độ cao 18,6m (đỉnh mái), địa hình A; Nội suy => =1,28

Trong khoảng từ độ cao cánh dưới dàn vì kèo đến đỉnh mái, hệ số k được lấy trung bình của 2
giá trị trên =>= 1,25
Giá trị áp lực gió : Vùng IV => 

= 155




Tải trọng gió phân bố đều trên cột:
Xác Định Tải Trọng Tác Dụng Lên Khung Ngang


đ
= ...

.= 1,3 × 0,8 ×1,22 × 155×6 = 1179,98


= 11,8





= 1,3×0,5 × 1,22× 155×6 = 737,49


= 7,37




Toàn bộ phần tải gió tác dụng từ cao trình đáy vì kèo lên đến đỉnh mái được quy về 
đ
và 

với
ℎ

= 3,3;ℎ

= 0,46;ℎ

= 1,5;ℎ

= 0,32

đ
= .. 

..



.ℎ

= 1,3×1,25 × 155 ×6× (0,8 × 3,3+ (−0,74) × 0,46+ 0,7 × 1,5 + (−0,8)
× 0,32 =4675 



= ..

..



.ℎ

= 1,3×1,25 × 155× 6× (0,5×3,3 +0,6×0,46+0,6 ×1,5 + 0,6 × 0,32
= 4560,95 
=
đ
+ 

= 9235,95 = 92,36 

Xác Định Nội Lực Khung Ngang

4 Xác Định Nội Lực Khung Ngang Dựa Trên
Cơ Sở PP Phần Tử Hữu Hạn
4.1 Biểu đồ tải trọng
Tĩnh tải:


Xác Định Nội Lực Khung Ngang

Hoạt tải sửa chữa mái:


Xác Định Nội Lực Khung Ngang

Hoạt tải cầu trục lên vai cột (móc trục bên trái):


Xác Định Nội Lực Khung Ngang

Hoạt tải cầu trục lên vai cột (móc trục bên phải):


Xác Định Nội Lực Khung Ngang

Lực hãm lên cột trái:

Lực hãm lên cột phải:


Xác Định Nội Lực Khung Ngang

Gió trái:

Gió phải:


Xác Định Nội Lực Khung Ngang

4.2 Biểu đồ Mômen
Tĩnh tải

Hoạt tải sửa chữa mái:

Xác Định Nội Lực Khung Ngang

Hoạt tải cầu trục lên vai cột (móc trục bên trái):

Hoạt tải cầu trục lên vai cột (móc trục bên phải):

Lực hãm lên cột trái:

Xác Định Nội Lực Khung Ngang

Lực hãm lên cột phải:

Gió trái:

Gió phải:

Xác Định Nội Lực Khung Ngang

4.3 Bảng nội lực
Đơn vị kN
Thứ
tự tải
trọng
Loại tải trọng
Hệ số
tổ hợp
Cột trên Cột dưới
Tiết diện B Tiết diện Ct Tiết diện Cd A
M N M N M N M N Q

1 Tĩnh tải
1 -5.60

5.00

1.15

5.00

-7.85

23.00

7.70

23.00

-1.60

2
Hoạt tải sửa
chữa mái
1 -34.70

38.70

-11.70

38.70

-11.71

38.71

41.10

38.71

-5.42

0.9 -31.23

34.83

-10.53

34.83

-10.54

34.84

36.99

34.84

-4.88

3
Hoạt tải cầu

trục lên vai
cột (móc trục
bên trái)
1 -3.35

0.00

68.50

0.00

-187.27

510.44

-22.40

510.44

-16.91

0.9 -3.02

0.00

61.65

0.00

-168.54

459.40

-20.16

459.40

-15.22

4
Hoạt tải cầu
trục lên vai
cột (móc trục
bên phải)
1 -41.10

0.00

30.80

0.00

-51.27

165.24

113.62

165.24

-16.91

0.9 -36.99

0.00

27.72

0.00

-46.14

148.72

102.26

148.72

-15.22

5
Lực hãm lên
cột trái
1 -0.36

0.00

-12.30

0.00

-12.27

0.00

75.61

0.00

-9.01

0.9 -0.32

0.00

-11.07

0.00

-11.04

0.00

68.05

0.00

-8.11

6

Lực hãm lên
cột phải
1 16.42

0.00

-3.75

0.00

-3.75

0.00

-50.03

0.00

4.75

0.9 14.78

0.00

-3.38

0.00

-3.38

0.00

-45.03

0.00

4.28

7 Gió trái
1 264.30

0.00

16.20

0.00

16.19

0.00

-
1358.34

0.00

198.50

0.9 237.87

0.00

14.58

0.00

14.57

0.00

-
1222.51

0.00

178.65

8 Gió phải
1 -299.90

0.00

17.64

0.00

17.64

0.00

1249.05

0.00

-162.23

0.9 -269.91

0.00

15.88

0.00

15.88

0.00

1124.15

0.00

-146.01



Xác Định Nội Lực Khung Ngang

4.4 Bảng tổ hợp nội lực
Đơn vị kN

A


1,7 1,8 1,2 1,3,6,7 1,2,4,5,8 1,2,3,6,7 1,2,4,5,8
M 258.70 -305.50 -40.30 244.03 -344.05 212.80 -344.05
N 5.00 5.00 43.70 5.00 39.83 39.83 39.83
1,3,5 1,2 1,2 1,3,5,8 1,2 1,2,3,5,8 1,2
M 81.95 -10.55 -10.55 90.98 -9.38 80.45 -9.38
N 5.00 43.70 43.70 5.00 39.83 39.83 39.83
1,8 1,3,5 1,3,5 1,8 1,2,3,5 1,8 1,2,3,5
M 9.79 -207.39 -207.39 9.79 -197.98 9.79 -197.98
N 23.00 533.44 533.44 23.00 517.24 23.00 517.24
1,4,5 1,7 1,3 1,2,4,5,8 1,3,5,7 1,2,3,5,8 1,2,3,5,7
M 196.93 -1350.64 -14.70 1339.14 -1303.02 1216.72 -1266.03
N 188.24 23.00 533.44 206.56 482.40 517.24 517.24
Qmax 1,3,5 1,2,3,5,8
Ct
B
Tit Din
-27.52 -175.81
A
Ni L c
T Hp C Bn 1 T Hp C Bn 2
Cd
Xác Định Nội Lực Khung Ngang

5 Thiết Kế Cột
5.1 Xác định chiều dài tính toán của cột
5.1.1Chiều dài tính toán của cột trong mặt phẳng khung

Đối với phần cột trên: 

= 




Đối với phần cột dưới: 

= 




Hệ số quy đổi chiều dài tính toán 

được tra bảng theo 2 thông số 

và 

:


=




=





:




=




×




=
1
8
×
9750
4250
= 0,29


=











Với m : tỉ số lực nén tính toán trong phần cột dưới và phần cột trên
=




= 5,19
=> 

=
4250
9750

8
5,19
= 0,54
Ta thấy tỷ số




= 0,44 < 0,6 và = 5,19 >3 nên ta có thể lấy 


= 2 và 

= 3 (Chỉ đúng với
khung 1 nhịp và cột liên kết cứng với dàn mái).
Suy ra:


= 



= 2×9750 = 19500 


= 



= 3 × 4250 = 12750 
5.1.2Chiều dài tính toán của cột ngoài mặt phẳng khung
Chiều dài tính toán cột dưới lấy từ bản đế chân cột cho đến mặt trên vai cột, chính bằng chiều cao cột
dưới:


=

= 9750 
Chiều dài tính toán cột trên được lấy từ mặt trên dầm cầu trục đến hệ giằng cánh dưới của dàn mái:



= 

−ℎ

= 4250−600 = 3650 
Xác Định Nội Lực Khung Ngang

5.2 Thiết kế tiết diện cột trên
5.2.1Chọn tiết diện sơ bộ
Chọn cặp nội lực = 344,05 , =39,83 
Ta chọn tiết diện cột trên dạng chữ H đối xứng.
Độ lệch tâm =


=
,
,
= 8,64 m
Giả thiết hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện = 1,25. Xác định sơ bộ diện tích tiết diện cần thiết:


=


+(2,2→2,8)

ℎ
=
39,83

21
1,25+2,3
864
25
= 153,13 


Theo như lúc đầu ta chọn chiều cao tiết diện cột trên là ℎ

= 250 .
Bề dày bản bụng sơ bộ 

= 


÷


ℎ

= 2,5÷3,57. Vì cột đỡ dàn vì kèo mái nên ta chọn


= 8 
Bề rộng cánh tiết diện, ta chọn theo điều kiện bảo đảm ổn định ngoài mặt phẳng khung 

=




÷




= 142,67 ÷ 354,17 . Chọn 

= 200 .
Chiều dày bản cánh 

chọn theo điều kiện ổn định cục bộ bản cánh. Sơ bộ ta có thể chọn 

=



÷




= 8,33÷15 . Chọn 

= 8 .

5.2.2Kiểm tra tiết diện đã chọn
Tính toán các đặc trưng hình học của tiết diện:
= 2 ×20 × 0,8 +
(
25 −2 × 0,8

)
× 0,8 = 50,72 




=
ℎ

12
=
20×25

12
−
(
20−0,8
)
×
(
25−2× 0,8
)
12
= 26004,23 


8
200
8
250

Xác Định Nội Lực Khung Ngang



=
2

ℎ
=
2 × 26004,23
25
= 2080,34 




= 2





12
+
ℎ




12

= 2 ×
0,8× 20

12
+
(
25−2 × 0,8
)
× 0,8

12
= 1067,67 




=




=

26004,23
50,72
= 22,64 


=





=

1067,67
50,72
= 4,59 


=




=
1275
22,64
= 56,32


=




=
365
4,59
= 79,52







= λ




= 56,32 ×

2100
2,1× 10

= 1,78
Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn:
Độ lệch tâm tương đối m được tính theo công thức:
=


=
.

=
864 ×50,72




=
43822,08
×,

= 21,06
Ta thấy >20 => Ta không cần kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn.
Kiểm tra bền:
=


+ 




=
39,83
50,72
+ 
34405
26004,23
×
25
2
= 17,32



< 


= 21




=


−




=
39,83
50,72
−
34405
26004,23
×
25
2
= −15,75



< 

= 21





Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn:
Ta có 

= −344,05 =>

= −1,15+11,71 −30,78 + 12,27 −17,64= −25,59 


= 

+


−

3
= −237,9 
Giá trị mômen quy ước M’ dùng để kiểm tra ổn định ngoài mặt phẳng khung:

′
= max

;


2
;



2
= max
(
−237,9;12,8;−172,03
)
= −237,9 
Độ lệch tâm tương đối:
Xác Định Nội Lực Khung Ngang

=
′

×



=
237,9
39,83
×
50,72
2080,34
= 0.15< 1
Tra bảng ta xác định được hệ số ,:
=0,7


= 79,52< 


= 3,14


= 99,3=>= 1
Tính được =


=

,×,
= 0,9
Ta có 

= 79,52. Tra bảng được 

= 0,76
Điều kiện ổn định ngoài mặt phẳng khung:


=




=
39,83
0,9× 0,76 × 50,72
= 1,15 /


< 

= 21




Kiểm tra ổn định cục bộ:
Với bản cánh cột, theo công thức ta có:
[


/
]
=

0,36+ 0,1
̅




=
(
0,36 +0,1 × 1,78
)
×

2,1× 10


2100
= 17,01
Tiết diện cột đã chọn có




=
(

−

)/2


=
(20 −0,8)/2
0,8
= 12 < 17,01
Với bản bụng cột, vì khả năng chịu lực của cột được xác định theo điều kiện ổn định tổng thể trong
mặt phẳng khung nên tỉ số giới hạn
[
ℎ

/

]
được xác định theo bảng 3.4
Ứng với = 21,06> 1 và 
̅

= 1,78> 0,8 ta có:
[
ℎ

/

]
=

0,9+ 0,5
̅




=
(
0,9+ 0,5×1,78
)

2,1×10

2100
= 56,6
Tiết diện cột đã chọn có
ℎ



=

ℎ−2 ×



=
25−2 × 0,8
0,8
= 29,25< 56,6
Vậy tiết diện đã chọn là thỏa mãn.