Thuyết minh đồ án thép nhà công nghiệp 1 tầng

ĐỒ ÁN THÉP

NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG
ĐỀ BÀI:
Thiết kế khung ngang nhà xưỡng 1 tầng 1 nhịp.
1. Kích thước nhà:
• Nhịp nhà dài L= 21m,
• Dài 60m,
• Bước cột: 6m,
• Cao trình đỉnh ray Hr = 7m
2. Nhà có cầu trục, chế độ làm việc trung bình, sức trục 30 tấn.
3. Vật liệu:
Kết cấu khung: CT34

Kết cấu bao che:

Mái: Tấm BTCT
Tường: Tấm BTCT, xây gạch,
Móng: Bê tông: B15, B20

4. Liên kết: Hàn và Bulong
5. Địa điểm xây dựng: TP. Hồ Chí Minh, Vùng gió: IIIB

1


Phụ lục
Trang
Chương 1 Sơ bộ kết cấu
1.1 Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp
1.2 Kích thước khung ngang

1.3 Hệ giằng

Chương 2 Xác định tải trọng tác dụng vào khung ngang

2
3
3
6
8

2.1 Tải trọng mái

8

2.2 Tải trọng do cầu trục

10

2.3 Tải trọng gió tác dụng vào khung

12

Chương 3 Xác định nội lực khung
3.1 Xác định nội lực trong khung
3.2 Tổ hợp nội lực
Chương 4 Thiết kế tiết diện cột

14
14
29

33

4.1 Xác định chiều dài tính toán

33

4.2 Xác định nội lực trong cột

34

4.3 Xác định tiết diện cột trên

34

4.4 Xác định tiết diện cột dưới

37

Chương 5 Thiết kế chi tiết cột
5.1 Mối nối hai phần cột
5.2 Thiết kế vai cột
5.3 Thiết kế chân cột
5.4 Tính kích thước dầm đế
5.5 Tính sườn ngăn
5.6 Tính bu lông neo
5.7 Tính sườn bulông neo
Chương 6 Thiết kế dàn mái

43
43

43
45
46
46
47
47
49

6.1 Tải trọng tác dụng lêm dàn

49

6.2 Mô hình dàn trong etabs

51

6.3 Xác định nội lực xuất hiện trong dàn

52

6.4 Xác đinh tiết diện thanh dàn

52

6.5 Tính toán các chi tiết trong dàn

55

2

CHƯƠNG 1
SƠ BỘ KẾT CẤU
1.1 Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp
• Khung ngang cấu tạo gồm hệ mái và dàn cột
• Liên kết giữa dàn mái và hệ cột là liên kết cứng
• Liên kết giữa cột và móng bê tông cốt thép là liên kết ngàm trong mặt phẳng khung và
khớp ngoài mặt phẳng khung
• Dàn mái là panel nên ta chọn độ dóc i = 10%
1.2 Kích thước khung ngang
Chọn cốt nền nhà trùng với cốt 0.00 để tính toán thông số chiều cao.
Ta có cao trình đỉnh rây: Hr = 7m, nhịp nhà L= 21 m

Mặt khác do tải trọng cầu trục Q = 30000 daN
•

Tra catalogue theo nhịp ta được thông số về cầu trục:
Nhịp cầu trục là Lk = 19,5 m
Các kích thước cơ bản khác :
• Bề rộng cầu trục : B= 6300 mm
• Khoảng cách giữa 2 bánh xe : K= 5100 mm
• Chiều cao Hk = 2750 mm
• Khoảng cách từ tim rây đến mép ngoài cầu trục : B1 = 300 mm
• Kiểu rây : KP 70
• Áp lực bánh xe lên rây :
Pmax = 30000 daN
Pmin = 8800 daN
•
•
•

1.2.1

Lực hãm ngang tác dụng lên toàn cầu trục 1050 daN
Trọng lượng xe con : 12000 daN
Trọng lượng cầu trục ; 47500 daN
Kích thước theo phương đứng
3


Chiều cao rây và đệm hr =200 mm ( giả định)

Chiều cao dầm cầu chạy :
Chọn
Ta không bố trí đoạn cột chôn dưới móng nên: hm = 0 m

Độ võng của dàn mái:
•

Chiều cao của cột dưới:

•

Chiều cao cột trên:

Vậy ta lấy:

Ht = 4000 mm
Hd = 6100 mm

•
1.2.2

Chiều cao toàn cột: H = Ht + Hd – hm = 4000 + 6100 =10100 mm
Kích thước theo phương ngang

Chọn khe hở an toàn giữa đầu nút cầu trục và mép trog của cột D = 60 mm
Các kích thước theo phương ngang
•

Khoảng cách từ tim rây đến trục định vị

•

Chiều cao tiết diện cột trên

Sơ bộ:
Chọn ht = 400 mm
•

Khoảng cách từ trục định vị đến mép ngoài của cột:

Ta chọn a = 50 mm
Chiều cao tiết diện cột dưới:

1.2.3

Tính toán hệ mái
4

a) Dàn mái:

Vì mái panel BTCT nên chọn i = 10%
Chọn Hđd = 2,2 m ; L= 21 m

•

Sơ đồ khung:

b) Cửa mái:

Chiều rông cửa mái:
•

Chọn Lcm = 9 m

Chiều cao ô cửa: a =
Chiều cao bậu cửa dưới: 400 mm
Chiều cao bậu cửa trên: 200 mm
•

Chiều cao cửa mái: 2m

5


1.3 HỆ GIẰNG
1.3.1 Hệ giằng mái:

Bố trí từ mép cánh dưới của dàn lên cánh trên.
Giằng trong mặt phẳng cánh trên: được bố trí theo mặt phẳng cánh trên của dàn kèo,
bố trí hệ thanh chéo chữ thập. Nhà có chiều dài là 60 m do vậy ta bố trí giằng ở 2 đầu hồi.

6


1.3.2

H ging cỏnh di:

Đợc bố trí cùng gian với hệ giằng cánh trên và bố trí thêm hệ ging dc nhà ở 2 bên ( xem sơ
đồ)

1.3.3

H ging ng:

c b trớ nhng ụ cú mt phng ging cỏnh trờn v ging cỏnh di
c b trớ dc nh

7


1.3.4

Hệ giằng cột:

Bao gồm có hệ giằng cột trên và hệ giằng cột dưới
•

•

Ở cột trên ta bố trí giằng ở những ô có giằng cánh trên và giằng
cánh dưới
Ở cột dưới ta không bố trí giằng cột dưới ở 2 đầu nhà để tránh
hiệu ứng nhiệt

CHƯƠNG 2
XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG VÀO KHUNG NGANG
Tải trọng tác dụng vào khung ngang bao gồm:
Tải trọng mái
Tải trọng do cầu trục

8


Tải trọng gió
2.1 Tải trọng mái
2.1.1 Tĩnh tải
a) Các lớp cấu tạo mái

Theo cấu tạo của các lớp mái ta có bản thống kê các tải trọng mái như
sau:

Với

: bề dày các lớp cấu tạo mái (m)
: khối lượng riêng các lớp mái (daN/m3)
: tải trọng tiêu chuẩn (daN/m2)
tải trọng tính toán của các lớp (daN/m2)

Quy đổi tải phân bố trên gốc nghiêng

về mặt bằng

(daN/m2)

(daN/m2)
b) Trọng lượng dàn và hệ giằng

Theo công thức kinh nghiệm:
Trọng đó:

(daN/m2)

L = 21 m
đối với dàn nhịp từ 24-36 m ta lấy
1,2: hệ số kể đến trọng lượng các thanh giằng
1,2.0,7.21 = 17,64 (daN/m2)

9


1,1.

19,4 (daN/m2)

Quy đổi tải phân bố tren gốc nghiêng

về mặt bằng

(daN/m2)

(daN/m2)
c) Trọng lượng kết cấu cửa mái

Có thể dùng trị số 12

18 (daN/m2); ta chọn

15 (daN/m2)
1,2.15 = 16,5

(daN/m )
2

d) Trọng lượng cánh cửa mái và bậu cửa mái

Các tải trọng này tập trung ở chân cửa trời. Để tiện tính khung ta quy đổi
thành tải phân bố trên mặt bằng
Trọng lượng bậu cửa từ 100 – 150 daN/m
Chọn

120 (daN/m)

Trọng lượng cửa kính và khung cánh cửa từ 35 – 40 (daN/m2)
Chọn

35 (daN/m2)

Vậy tải tập trung do cánh cửa mái và bậu cửa tại mắt dàn là
1,1(35.1,5.6+120.6) = 1138,5 (daN)
Quy đổi tải tập trung thành tải phân bố đều như sau

= 25 (daN/m2)
Tĩnh tải phân bố đều trên khung ngang
(446+19,5+25).6 = 2892 (daN/m)
e) Kết cấu bao che

Tên vật liệu

Đơn vị

Tải trọng tiêu

Hệ số vượt

Tải trọng tính

10


mái

chuẩn

tải

toán

Tôn bao che

daN/m2

6,6

1.1

7,26

Xà gồ cột

daN/m2

12

1,1

13,2

Tổng tĩnh tải tính toán:
gtt = 7,26+13,2 = 20,46 daN/m2
Tĩnh tải bao che phân bố đều trên cột gbc = 6.20,46 = 122,76 daN/m
f)

Trọng lượng bản thân cột

Trọng lượng thực của cột phân bố dọc theo chiều dài cột. Để đơn
giản trong tính toán, cho phép trọng lượng quy về 2 đầu cột; ta giả
định:

Cột dưới khoảng 200 đến 300 daN/m; chọn 250 daN/m
Cột trên khoảng 180 đến 240 daN/m; chọn 200 daN/m
2.2.2 Hoạt tải
Tải trọng tạm thời trên mái lấy theo nhiệm vụ thiết kế. Khi không có yêu
cầu đặt biệt thì lấy theo TCVN 2727-1995, ví dụ mái bằng không có người
lên thì

75 (daN/m2), hệ số vượt tải là 1,3

Tải trọng tạm thời phân bố lên xà ngang
1,3.75.6 = 585 (daN/m)
2.2 Tải trọng do cầu trục

Bao gồm:

Áp lực thẳng đứng của cầu trục lên vai cột
Tải trọng do lực hãm của xe con

2.2.1 Áp lực thẳng đứng của cầu trục lên vai cột
a) Trọng lượng bản thân dầm cầu chạy

Trong đó:

n = 1,2 hệ số vượt tải
: hệ số trọng lượng bản thân dầm cầu chạy,

daN/m

=(24 37)

2

Chọn

=30 daN/m2

11


•

1,2.30.62 = 1296 daN

đặt tại chỗ đở dầm cầu trục, là tải trọng thường xuyên và
tâm so với cột dưới một đoạn

đặt lệch

mm

Moment lệch tâm tại vai cột

0,4.12,69 = 5,2 kNm

b) Áp lực đứng của bánh xe cầu trục

Áp lực bánh xe truyền qua dầm cầu trục thành lực tập trung vào vai cột
Áp lực lớn nhất của một bánh xe cầu trục lên rây xảy ra khi xe con mang
vật nặng vào vị trí sát nhất ở cột phía đó. Trị số tiêu chuẩn
được cho

trong catalo cầu trục. Khí đó phía rây bên kia có áp lực nhỏ nhất

Với:

Q sức trục của dầm cầu trục; Q = 300 kN
= 300 kN
số bánh xe ở một bên ray
G trọng lượng của toàn cầu trục ( bao gồm xe con)
G = 120 + 475 = 595 kN

kN



Áp lực lớn nhất
của cầu trục lên cột do các lực
được xác định theo
đường ảnh hưởng của phản lực tựa của hai dầm cầu trục ở hai bên cột
Với vị trí bất lợi nhất của các bánh xe lên dầm

Tương ứng bên kia có áp lực

Với

y là tung độ đường ảnh hưởng
12


n là hệ số vượt tải
là hệ số tổ hợp;

=0,85

Ta có bề rộng cầu trục B= 6300 mm
Khoảng cách giữa hai bánh xe: k= 5100 mm

Với

=1

=>

=0

 Tổng tung độ đường ảnh hưởng

kN



kN



và
đặt vào trục nhánh cầu trục, nên lệch tâm so với trục cột dưới
một khoảng

mm
 Mô men lệch tâm tại vai cột:

13


kNm
kNm
2.2.2

Tải trọng do lực hãm của xe con

Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương
chuyển động. Lực hãm của xe con qua các bánh xe cầu trục, truyền lên
dầm hãm và vào cột
Lực ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục do hãm

Với

Q là sức trục lớn nhất của cầu trục; Q = 300 kN
là trọng xe con;

= 120 kN

là số bánh xe ở một bên cầu trục;

=2

kN



Các lực ngang
truyền lên cột thành lực T đặt ở cao trình dầm hãm, giá
trị T cũng được xác định bằng cách sắp xếp bánh xe trên đường ảnh hưởng

=22,1 kN
Với

n là hệ số vượt tải
= 0,9 là hệ số tổ hợp

2.3 Tải trọng gió tác dụng vào khung
2.3.1 Tải trọng gió phân bố đều trên cột

Trong đó:

là giá trịn áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng
k là hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao
c là hệ số khí động
n là hệ số vượt tải

14


B là bước khung
Công trình thuộc địa hình B, vung gió IIIB ta được Wo = 125 daN/m2
Tại cao trình đấy giàn vì kèo: H = 10,1 m => k = 1,01
kN/m
kN/m
Tại cao trình đỉnh cửa mái: H = 15,35 m => k = 1,08
2.3.2

Tải trọng gió tập trung tại dầm cột

Lực tập trung của tải trọng gió đặt tại cao trình cánh vì kèo, được tính toán
như sau
Giá trị k được lấy trung bình cộng của giá trị ứng với độ cao đấy vì kèo và
giá trị tại điểm cao nhất của cửa mái



Tra các hệ số
động)

theo sơ đồ nhà 8 (TCVN 2737-1995: tải trọng và tác

Ta có: H = 10,1 m; L = 21 m



Độ dóc i = 10% =>


= -0,52

Chiều dài nhà b = 60 m =>


= -0,6

Toàn bộ phần tải trọng gió tác động từ cao trình đấy giàn đến đỉnh mái

được quy về

và

đặt tại đầu cột trên

15




= 1,2.1,25.1,045.6.(2,2.0,8 - 0,52.0,54 + 0,7.2 - 0,54.0,51) =
24,5 kN
= 1,2.1,25.1,045.6.(0,6.2,2 + 0,5.0,54 + 0,6.2 + 0,4.0,51) = 28,2



kN

CHƯƠNG 3
XÁC ĐỊNH NỘI LỰC KHUNG
3.1 Xác định nội lực trong khung
3.1.1 Các giả thuyết đơn giản hóa khi giải phóng khung ngang
Thay thế cột bằng các cấu kiện thanh trùng với tim cột, có độ cứng bằng
độ cứng của cột
Cột trên và cột dưới được nắng trục thẳng hàng với nhau, thêm vào cột
moment lệch tâm tại vai cột để kể đến sự lệch tâm giữa hai cột.
Thay thế dầm bằng một thanh, nằm trùng với cánh dưới dàn, độ cứng
bằng độ cứng trung bình của dàn
Khi tải trọng tác dụng trực tiếp lên xà ngang, coi như tải tác dụng đối xứng

trên khung, do vậy ẩn phản ứng chuyển vị ngang đầu cột

, còn hai ẩn

đối xứng chuyển vị xoay đầu cột bằng nhau
Khi tải trọng tác dụng không trực tiếp lên xà ngang, ta coi như độ cứng của
xà ngang là vô cùng
3.1.2 Tính toán nội lực khung

Ta giả thuyết

; chọn

=8

Tỉ số độ cứng của giàn vì kèo và cột trên
Với

; chọn

= 30

là moment quán tính tiết diện cột dưới

16


là moment quán tính tiết diện cột trên
là moment quán tính tiết diện dàn
a) Nội lực do tĩnh tải

Độ lệch tâm tại vai cột
Toàn bộ tải tác dụng lên khung
= 28,92 kN/m

q = (446 + 19,5 +25).6 = 2892daN/m

Lực dọc trong cột trên của khung
Moment lệch tâm đặc tại vai cột

kNm

Sơ đồ tính

Bài toán 1

17


Hệ cơ bản được trình bày như hình trên. Từ giả thuyêt đơn giản hóa, ẩn
phản xứng

bị triệt tiêu. Còn lại hai ẩn

Phương trình chính tắc
Vẽ biểu đồ đơn vị

và biểu đồ moment do tải ngoài gây ra trên hệ cơ

bản

Từ số liệu đầu bài và giả thuyết, ta tính các thông số để tra bảng

Tra phụ lục số 18 và nội suy, ta xác định các hệ số

;

Từ đó xác định được moment và lực cắt ở đỉnh cột do chuyển vị xoay bằng
đơn vị gây ra

Moment và lực cắt tại chân cột

Moment trong thanh xà ngang

Biểu đồ moment có giá trị tại gối và tại giữa nhịp do tải ngoài như sau

18


kNm

kNm
Bằng cách tách nút và xét cân bằng moment, ta xác định được
như sau

và

kNm

Xác định ẩn số
Biểu đồ moment trong hệ ban đầu:

Giá trị moment ở chân cột

kNm
Giá trị moment ở đỉnh cột

kNm
Giá trị moment ở đầu dàn

kNm
Giá trị moment ở giữa dàn

kNm

19


Bài toán 2

Thông số cần thiết
Từ các thông số n = 0,125;
các hệ số sau

và

, ta tra phụ lục 16 được

-0,2144
1,3243
Moment và phản lực đỉnh cột xác định như sau:
(-0,2144).(-60,7)=13 kNm

kN
Moment ở tiết diện II-II trên vai cột, thuộc phần cột trên

20


kNm
Moment ở tiết diện III-III dưới vai cột, thuộc phần cột dưới
kNm
Moment tại chân cột
41,86 - 7,96.6,1= -6,7 kNm

Biểu đồ moment cuối cùng cảu khung ngang trường hợp tĩnh tải bằng biểu
đồ tổng cộng của sơ đồ 1 và sơ đồ 2

Lực dọc tại tiết diện I-I ( đầu cột trên)

kN
Lực dọc tại tiết diện II-II ( chân cột trên)
kN
Lực dọc tại tiết diện III-III ( đầu cột dưới)

21


kN
Lực dọc tại tiết diện IV-IV ( chân cột dưới)
kN

Lực cắt tại chân cột:

kN

b) Nội lực do hoạt tải

Ta có thể nhanh chống tìm được biểu đò moment dựa vào kết quả tính
trong trường hợp tĩnh tải bằng các nhân các tung độ của biểu đồ moment
do tĩnh tải với tỷ số p/q, với p là giá trị hoạt tải, q là giá trị tĩnh tải trên 1 m
dài

Với

= 5,85 kN/m =>

Biểu đồ moment như sau:

Lực dọc

kN

Lực cắt tại chân cột:

kN

c) Áp lực đứng Dmax và Dmin của cầu trục lên vai cột

Bài toán 2

22

•

Hệ cơ bản

Trong trường hợp tải trọng không tác dụng trực tiếp lên xà ngang, do đó ta
quan niệm độ cứng của xà ngang là vô cùng
, dẩn đến các chuyển
vị xoay tại đầu cột triệt tiêu. Hệ chỉ còn lại một ẩn chuyển vị ngang ở đỉnh
cột
•

Phương trình chính tắc

•

Biểu đồ moment

Biểu đồ moment đơn vị
, do
dựng nhờ bảng tra phụ lục 17

=1 gây ra trong hệ cơ bản được xây

Từ phụ lục tra được các hệ số

và

ta tính được

Biểu đồ moment
do tải ngoài gây ra trên hệ cơ bản được xây dựng nhờ
phụ lục 16, tương tự như trường hợp tĩnh tải
Mô men lệch tâm tại vai cột:
kNm
23


kNm
•

Đối với cột trái

Moment và phản lực tại đỉnh cột trái được xác định như sau:
MI = KB.Mmax = (-0,2144).238,7 = -51,18 kNm

kN
Moment tại chân cột trên
MII = MB + QB.Ht = -51,18+31,3.4 = 74,02 kNm
Moment tại đỉnh cột dưới
-238,7+74,02 = -164,68 kNm
Moment tại chân cột
-164,68 + 31,3.6,1 = 26,25 kNm
•

Đối với cột phải tương tự như cột trái với Mmin = 117,4 kNm ta được
bảng sau

M(kN.m)

Đỉnh cột
Chân cột trên
Đỉnh cột dưới
Chân cột dưới
15,4
-25,17
36,43
-80,97
12,97
Từ đó ta có biểu đồ moment cho trường hợp này như sau
Q(kN)

Biểu đồ moment do tải ngoài gây ra
Xác định

24


Sử dụng một mặt cắt bao quanh thanh xà ngang và chiếu tất cả lên
phương ngang, chúng ta có thể xác định

như hình vẽ

•

Hoàn toàn tương tự, chúng ta có thể xác định được R1p
kN
Xác định ẩn chuyển vị thẳng

•

•

Biểu đồ moment cho hệ kết cấu ban đầu:
Cột trái

Moment tại đỉnh cột
=1,502.10,1.1,4773 - 51,18 = -28,77 kNm
Moment tại chân cột trên
=1,502.10,1.(-0,2144) + 74,02 = 70,76 kNm
Moment tại đỉnh cột dưới
= -Mlt + MII = -238,7 + 70,76 = -167,93 kNm
Lực cắt:

31,3 – 1,502.5,295 = 23,34 kN

Moment tại chân cột
= -1,502.10,1.3,8177 + 26,25 = -31,67 kNm
•

Cột phải:

25