Đồ án môn học kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng

ĐỒ ÁN MƠN HỌC

KẾT CẤU THÉP NHÀ CƠNG NGHIỆP MỘT TẦNG


I.

DỮ LIỆU

 Số liệu thiết kế:
 Nhòp nhà : L = 33 m
 Cao trình đỉnh ray: Hr = 9 m
 Sức trục: Q = 30T
 Gió vùng địa hình, wtc = 0.83 (kN/m2).

Bước khung B=6 m
Chiều dài nhà L = 120 m
Vật liệu lợp mái: panen bê tơng cốt thép
Cầu trục chế độ làm việc trung bình, móc cẩu mềm
 Các số liệu tra bảng:
 Từ số liệu thiết kế, chọn loại ray KP70, có các đặc trưng:





Hk = 2750 mm
• Bề rộng cầu trục: Bk = 6300 mm
•
•

Nhòp cầu trục: Lk = 31.5 m.

•

Khoảng cách 2 trục bánh xe: K = 5100 mm.
1


•
II.

Khoảng cách tim ray đến mút ngoài cùng của cầu trục : B1 = 300 mm

hct B
a

1

ddcc hr HK

Ht

D

100

f

h0

KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC

Nhòp cầutrục LK

Hd

hd

A
I.

Theo phương đứng:

Nhiệm vụ: Xác định chiều cao của phần cột trên và phần cột dưới
 Chiều cao của phần cột dưới được xác định theo cơng thức:
Hd = Hr + hm – hr - hdcc
Trong đó:
Hr _ Cao trình đỉnh ray
hr _ Chiều cao ray và đệm ray
Chọn sơ bộ hr = 200 mm.
hm _ Phần cột chơn ngầm dưới mặt nền hồn thiện
hdcc _Chiều cao tiết diện dầm cầu chạy
hdcc= ( 1/8 – 1/10 )B = ( 1/8 -1/10 )6000 = ( 750 – 600 ) mm
Chọn hdcc = 600 mm
Hd = Hr + hm – hr - hdct = 9000 + 0 – 200 – 600 = 8200 mm = 8.2 m
Chọn Hd = 8200 mm
 Chiều cao của phần cột trên được xác định theo cơng thức:

2

Hk _ chiều cao gabarit cầu trục Hk=2750
f _ Độ võng dàn mái lấy 1/100 của nhịp nhà f = 270 mm
= 200 + 600 + 2750 + 100 + 270 = 3920 mm
II.

Chọn Ht = 4000 mm
Theo phương ngang
 Chiều cao tiết diện cột theo u cầu cấu tạo

Cột trên: ht = ( 1/10 – 1/11 )Ht
ht= ( 1/10 – 1/11 ) x 4000 = (364 – 400 ) mm
→ Chọn ht = 500 mm
 Khoảng cách từ tim ray cho tới trục định vị:
λ=
 Để cầu trục làm việc an toàn theo phương dọc nhà, khoảng cách λ từ tim ray

cho tới trục đònh vò phải thoã mãn điều kiện:
λ B1 + (ht – a) + D

Trong đó:
B1 – Phần đầu cầu trục từ ray đến mép ngoài lấy theo catologue cầu trục
D – khe hở an toàn giữa cầu trục và cột lấy bằng 60 -75 mm.
= 500 + 300 + 60 -750 = 110mm, chọn a = 250 mm ,
trục
đònh vò trùng tim cột trên
 Bề rộng cột dưới xác đònh theo công thức :


hd =

+ a = 750 +250 = 1000 mm.

 Bề rộng cửa mái:Lcm=(1/10-1/6) 33000 = (3300-5500)mm .Chọn Lcm= 5000

mm

3


III.

HỆ GIẰNG
• Sơ đồ hệ giằng cánh trên
•

4


•

Sơ đồ hệ giằng cánh dưới

•
•
•

5

•

Sơ đồ bố trí hệ giằng cột

6


IV.

XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG
1. Tónh tải mái :
 Trọng lượng các lớp mái như sau:
Lớp mái
Tấm panen bêtông cốt thép cỡ lớn
Lớp bêtông nhẹ cách nhiệt dày 4cm
Lớp chống thấm
Các lớp vữa tô trát dày 4cm
Hai lớp gạch lát nem, mỗi lớp dày 3cm
Tổng

Trọng lượng ( daN/m2 )
150
40
10
80
120
tc
q = 400

Hệ số vượt tải

1.1
1.2
1.2
1.2
1.1
tt
q = 453

 Trọng lượng kết cấu mái cộng hệ giằng :

Tónh tải mái được dồn về các khung ngang. Tải trọng các lớp lợp và kết cấu mái cùng
hệ giằng được coi như là một tải phân bố đều trên suốt nhòp nhà xưởng
 Trọng lượng kết cấu cửa mái :

Trong đó: gtc1 – tải trọng tiêu chuẩn của kết cấu mái và hệ giằng.
gtc2- tải trọng tiêu chuẩn của kết cấu cửa mái.
n= 1.2 - hệ số vượt tải
Như vậy: Tónh tải tính toán mái gm = 453 + 36 + 18 = 507 ( daN/m2 )
Tónh tải mái được dồn về các khung ngang. Tải trọng các lớp lợp, kết cấu mái và hệ
giằng được coi là một tải phân bố đều trên suốt nhòp nhà xưởng, còn tải trọng kết cấu
cửa mái được coi như phân bố đều trên suốt bề rộng cửa mái.
•

Quy tải ra thành tải tập trung đặt tại các mắt dàn:
P1= (3/2*6)*(0.36 + 4.53) = 44.01 (kN)
P2= (3*6)*(0.36 + 4.53) = 88.02 (kN)
P3= (3*6)*(0.36 + 4.53) = 88.02 (kN)
P4= (3*6)*(0.36 + 4.53) = 88.02 (kN)
P5= (4.5/2*6)*0.18 + (4.5/2+3/2)*6*(0.36+4.53) = 112.455(kN)
P6= (4.5*6)*(0.36+4.53) + 4.5*6*0.18 =136.89 (kN)

Suy ra Nm = 44.01+88.02*3+112.455+136.89/2 = 488.97 (kN)
 Mm = Nm x e2 = 488.97 x 0.25 = 122.24 kNm

Trọng lượng bản thân dầm cầu trục:Pdcc=

7

(KN)


Mdcc=Pdcc x e1 = 10.8*0.5 = 5.4 kNm
Suy ra: m = Mm-Mdcc = 116.84 kNm
2. Tải trong sửa mái
 Là loại tải trọng do người và thiết bị, vật liệu dùng để sữa chữa mái khi bị hư hỏng,
tải trọng này được cho trong tiêu chuẩn “Tải trọng và tác động 2737 TCVN-1995”
 Trường hợp mái lợp vật liệu tôn giá trị hoạt tải sữa chữa mái lấy bằng 0.30 kN/m2.
Hoạt tải mái được tính với hệ số vượt tải np = 1,3 . Mái nghiêng i = 15%
 Hoaït taûi maùi tính toaùn: qttht= np *ptc/cos i =1.3 x 0.7/ cos 15= 0.94(kN/m2)
• Tải tập trung:







•

Trường hợp tải chất đầy dàn: Msm = Vsm.e2 = 39.94x0.25 = 23.3 kNm
3. Áp lực của cầu trục lên vai cột và lực hãm của cầu trục:

3.1 Áp lực của cầu trục lên vai cột:
 Khi một phía có áp lực lớn nhất Dmax tác dụng, tương ứng phía bên kia lực tác dụng

lên vai cột sẽ là nhỏ nhất Dmin. Từ vị trí bất lợi của bánh xe trên dầm cầu trục ta có:
 Dmax = n.nc.Pmax
 Dmin = n.nc.Pmin
 Trong đó:
+ n = 1.1 – hệ số vượt tải .
+ nc =0.9– hệ số vượt tải không đồng thời của các cầu trục.
+

- tổng tung độ đường ảnh hưởng phản lực gối tựa dưới các vị trí bánh xe
cầu trục
+ Pmax (Pmin) – áp lực lớn nhất ( nhỏ nhất ) của một bánh xe cầu trục lên ray khi xe
con mang vật nặng vào sát vị trí cột ( phía bên kia )
 Pmin =
 Trong đó:

8


+ Q – sức trục của cầu trục ( 30T )

Từ bảng catologue của cầu trục:
Ptcmax = 360KN
Ptcmin = 128( T )

•

5100

1200

4800

1200

5100

5100

900

Từ các kích thước của cầu trục: bề rộng B = 6300 mm, khoảng cách giữa các bánh xe
K = 5100 mm chúng ta có thể sắp xếp các bánh xe cầu trục như sơ đồ trên.
y3 = 1
y2 =
y4 =
Dmax = n.nc.Pmax

= 1.1 x 0.9 x 360 x (1 + 0.8 + 0.15) = 694.98 KN

Dmin = n.nc.Pmin
= 1.1 x 0.9 x 128 x (1 + 0.8 + 0.15) = 247.1 KN
• Suy ra : Mmax = Dmax.e1 = 694.98 x 0.5 = 347.49 kNm
Mmin = Dmin.e1 = 247.1 x 0.5 = 123.55 kNm
3.2 Lực hãm của cầu trục:

•
•

•
•

Trọng lượng bánh xe con:

Gxc = 120kN

Cầu trục dùng móc mềm:

fms = 0.1

Số bánh xe của xe con:

nxc = 04

Số bánh xe được hãm:
n’xc = 02
 Tổng hợp lực hãm ngang tác động lên toàn cầu trục:

9


 Lực hãm ngang tiêu chuẩn lên một bánh xe của cầu trục:
 Vậy lực xô ngang của cầu trục là:

Vị trí lực xô ngang T đặt tại mặt trên của dầm cầu chạy, cách vai côt 0.6 m, cao độ 8.80 m

10

3.3 Tải trọng gió:

Áp lực gió tiêu chuẩn q0 = 83 daN/m2, có trị số không đổi ở độ cao 10m, với độ cao lớn
hơn điều chỉnh bằng hệ số k > 1, lúc này gần đúng có thể coi phân bố dạng hình thang.Tải trọng
tính toán tác dụng lên khung tính theo công thức:
q = n.c.k.q0.B
Trong đó:
n – hệ số vượt tải (n = 1.3)
B – bước khung
c – hệ số khí động phụ thuộc vào hình dạng nhà lấy theo tiêu chuẩn
k – hệ số độ cao và địa hình
-0.8

-0.6

33000

Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình
( Tiêu chuẩn “ Tải trọng và tác động 2737 – 1995 )
Độ cao ( m )
Dạng địa hình A
3
1.00
5
1.07
10
1.18
15
1.24
20

1.29
30
1.37
+ Hệ số độ cao và địa hình k:
 Tại độ cao 12.2 m (cánh dưới của dàn vì kèo), địa hình B: k = 1.05
 Chiều cao đỉnh mái có độ cao 19.1m, địa hình B: k = 1.19

11


Hệ số khí động (Tiêu chuẩn “ Tải trọng và tác động2737 – 1995 ):
Bảng tra hệ số khí động của mặt khuất gió: c3
H/L
1

0.5

2

1

-0.4

-0.5

-0.6

2

-0.5

-0.6

-0.6

=
= 3.63 ,
= 0.369
Chọn c3 = -0.5
Bảng tra hệ số khí động các mặt mái đón gió: ce1, và mặt cửa mái khuất gió: ce2
Hệ số

ce1
ce1
ce2

hi / L

α

0

0.5

1

0
200

0

+0.2

-0.6
-0.4

-0.7
-0.7

-0.8
-0.8

-0.4

-0.4

-0.5

-0.8

0

600

α0 = arctg (15/100) = 8.530,

2

= 0.369 → c1 = -0.45

+ Tải trọng gió phân bố đều trên cột

• qd = n.c.k.q0.B = 1.3 x 0.8 x 1.12 x 0.83 x 6 = 5.8 ( KN/m )
• qh = n.c.k.q0.B = 1.3 x(-0.5) x 1.12 x 0.83 x 6 = 3.63 ( KN/m )
+ Toàn bộ phần tải gió tác dụng từ cao trình đáy vì kèo lên đến đỉnh mái được quy về Wđ
và Wh, được xác định theo công thức:
Wđ = k.n.q0.B
= 1.12x1.3 x 0.83 x 6 x
((+ 0.8) x 2.2 + (-0.45) x 1.6 + (+ 0.7) x 2.2 + (-0.8) x0.68)
= 14.76 (KN)
Wh = k.n.q0.B
= 1.12x1.3 x 0.83 x 6 x
((- 0.5) x 2.2 + (-0.6) x 1.6 + (-0.6) x 2.2 + (-0.6) x0.68)
=27.46 KN

12


Tổng gió đẩy Wđvà gió hút Wh


W= Wđ + Wh = 14.76 + 27.46 = 42.22 kN

13


III.

HỆ GIẰNG, SƠ ĐỒ HÌNH HỌC
Sơ đồ nhà công nghiệp

•

Sơ đồ hệ giằng cánh trên


•

Sơ đồ hệ giằng cánh dưới


Tiết
diện

Tĩnh tải

1

Hoạt tải
6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

M

N
489.0
3

Q

M

N

Q

M

N

M

N

Q

M

N

M

N

M

N

M

N

47.92

24.18

93.06

9.08

-12.87

0

Q
12.3
3

-18.58

0

12.33

2.48

0

5.65

0

-49

3.1

56.2

3.1

21.762

83.75
4

8.172

-11.58

0

11.1

-16.72

0

11.09
7

2.232

0

5.085

0

-44

2.79

50.58

2.79

-12.14

93.06

9.08

36.43

0

12.3
3

30.71

0

12.33

1.84

0

-7.15

0

67

3.1

-72.27

3.1

-10.926

83.75
4

8.172

32.787

0

11.1

27.63
9

0

11.09
7

1.656

0

-6.44

0

60

2.79

-65.04

2.79

-35.44

93.06

9.08

-311.06

695

12.3
3

-92.84

24
7

12.33

1.84

0

-7.15

0

67

3.1

-72.27

3.1

-31.896

83.75
4

8.172

-279.95

626

11.1

-83.56

222

11.09
7

1.656

0

-6.44

0

60

2.79

-65.04

2.79

-189.89

93.06

9.08

-209.99

695

12.3
3

8.23

24
7

12.33

141.8

0

-33.4

0

594

3.1

-515.7

3.1

-170.90

83.75
4

8.172

-188.99

626

11.1

7.407

222

11.09

7

127.6

0

-30.1

0

534

2.79

-464.1

2.79

489.0
3

47.92

0.9
-186.38

B

499.8
3

47.92

0.9
-579.3

499.8
3

47.92

0.9

Tổ hợp cơ bản 1
Mmax+ Ntu
M
(kN/m)
1+22
D

183.72
4

N

-

Tổ hợp cơ bản 2

Mmax- Ntu

M
(kN/m)

Mmax+ Ntu

Nmax Mtu

N

N

M+

M-

151.70
4

-

2+4
485.9
3

-

-

1+18
C

Gió phải

5

C

Tiết
diện

Gió trái

4

-64.14

A

T phải

3

127.52

1

T trái

2

0.9

1

Dmax phải

1

D

1

Dmax trái

-

-136.41

582.09

M
(kN/m)
1+4+16
204.95
1

582.09

-

-76.28

-

Nmax

Mtu

N

M
(kN/m)

N

N

M+

569.9
9

-

-

572.78

204.95
1

582.09

35.067

2+4
485.9
3

Mmax- Ntu

-

1+4+15+18
569.9
-146.54
9

M-

-146.54


1+7
B

-

-

-497.44

2+8
1195

1+18
A

-

-

-1095

1195

1+4+7+15+18
-

-497.44

-

-

2+8
496.7
3

-1195

-569.71

1206.
4

1209.2

-569.71

1209.2

-1530.9

1+4+7+13+18
-

789.29

-

-

-1530.9

1206.
4


THIẾT KẾ CỘT

Các thơng số đã biết về cột được tóm tắt trong bảng sau :
Ht (m)
4.0

ht (mm)
500

Hd (m)
8.2

hd (mm)
1000

NỘI LỰC TÍNH TỐN TRONG CỘT
Ta xác định dược nội lực tính tốn trong cột như sau:
Cột dưới

Cột trên
M (kNm)

Ntư (kN)

204.951

-569.99

Nhánh mái
Mtư (kNm)
Nmax(kN)
-1530.9

1209.1

Nhánh cầu trục
Mtư (kNm)
Nmax(kN)
-596.71

1209.1

I. XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀI TÍNH TỐN

a/ Trong mặt phẳng khung
+ Với cột bậc của khung nhà công nghiệp 1 tầng có liên kết ngàm với móng, chiều
dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột được xác đònh riêng lẻ cho từng cột
Phần cột dưới: l1x =µ1Hd
Phần cột trên: l2x =µ2Ht
+ Các hệ số µ1, µ2 phụ thuộc vào sơ đồ liên kết ở hai đầu cột và đặc điểm của tải
trọng tác dụng lên cột.Các thông số :

+ Với K1 =0.256, c1 = 0.949 tra bảng II.6b sách thầy Đ.Đ.Kiến ta được:

=1.981
=> µ2 =

=

= 2.087

19

µ1


b- Ngoài mặt phẳng khung:
l1 y

= Hd = 8.2 m

l2 y

II.

= H t - hdcc = 4.0 – 0.6 = 3.4 m
THIẾT KẾ CỘT TRÊN
+ Cặp nội lực nguy hiểm nhất (M = 204.951KNm; Ntư = 569.99 KN)
+ Chiều cao tiết diện cột ht = 500 mm

a. Chọn sơ bộ tiết diện:

Tiết diện cột trên dạng chữ I đối xứng theo cả hai phương được cấu tạo từ ba bản
thép.
Độ lệch tâm
+ Giả thiết η = 1.25, diện tích yêu cầu của tiết diện cột trên :

+
+

Chiều dày bản bụng: δb = (1/30 -1/50) ht = (10→ 16.67) mm. Chọn δb = 12 mm.
+ Bề rộng cánh tiết diện, chúng ta chọn theo điều kiện đảm bảo ổn định cột ngoài mặt

phẳng khung:

20


+ bc = (1/12 – 1/15) Ht = (266.7 → 333.3) mm. Chọn bc = 300 mm
+ Chiều dày bản cánh chọn theo điều kiện ổn định cục bộ bản cánh:
+ δc = (1/20 – 1/36) bc = (8.3 → 15) mm. Chọn δc = 14 mm.

21


1) Kiểm tra tiết diện đã chọn:

Tính toán các đặc trưng hình học của tiết diện:
>At-yc =88.64

Jx =

+ y2tfbf]

+ 2[

Jy = 2

+

,

,

Vậy λmax = λ2y = 50.74 < [λ] = 120 => thoả
a. Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn:
 Độ lệch tâm tương đối m và độ lệch tâm tính đổi m1:

22


Với 0 ≤ λx = 1.31 ≤ 5; m =2.105 < 5,
Tra bảng phụ lục II.4 sách thầy Đoàn Định Kiến ta được:
η = (1.9-0.1m)-0.02 x (6-m) x λ x = 1.587
Suy ra m1 =η x m = 1.38x2.105 = 2.905< 20 nên không cần kiểm tra về bền.
Tra bảng phụ lục 4, theo m1 và λ2 x , có được ϕlt = 0.368
 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn:

=> thỏa.
 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn:

Cặp nội lực đang xét là cặp nội lực nguy hiểm tại tiết diện D, được tổ hợp nội lực từ các tải
trọng 1+2+3b+(-4b)+5b. Giá trị moment ở một đầu đoạn cột MD = 204.951 kNm và giá trị
moment tương ứng ở đầu kia đoạn cột là MC = - 81.506 kNm .
 Moment ở 1/3 đoạn cột là:

(kNm)

23


 Giá trị moment qui ước dùng để kiểm tra ổn định ngồi mặt phẳng khung

 Độ lệch tâm tương đối:

Do mx =1.123 ≤ 5 nên ta có: C =


1mxy

E
2.1 × 10 3
2.2 = 97
1 < mx =1.123 ≤ 5; λy = 50.74 < λc =3.14 f =3.14x

 Tra bảng II.5 phụ lục II ta có: α = 0.65 + 0.005mx = 0.656 ; β =1

=> C = 0.576
 Với λ y=50.74 Tra bảng II.1 phụ lục II ta được ϕy =0.861
 Điều kiện ổn định ngồi mặt phẳng uốn :

< f x γc =22kN/cm2 => Thoả
b. Kiểm tra ổn định cục bộ:

Với bản cánh cột: với 0.8≤
có :

λ =

1.31 ≤ 4 theo bảng 3.3 sách thầy Đồn Đình Kiến, ta

 Với bản cánh cột:

 Tiết diện cột đã chọn có:

24


=

=

=10.28 < [] =15.53 => Thoả

 Với bản bụng cột:với m=1.123 >1 và 0.8 <

[

] =(0.9+0.5

)

=(0.9+0.5x1.31)

= 49.17

 Tiết diện bản bụng cột đã chọn có:

<[

] =49.17=> Thoả

Vậy tiết diện đã chọn thoả mãn tất cả các u cầu .


III.

THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CỘT DƯỚI
-

Hình dạng tiết diện : cột dưới rỗng gồm hai nhánh:
Nhánh mái cấu tạo dạng thép chữ U gồm 1 bản thép lưng và 2 thép góc làm cánh
Nhánh cầu trục cấu tạo dạng théo chữ I tổ hợp từ 3 tấm thép ghép lại .
Dùng hệ bụng dạng thanh giằng.
C

Nhánh cầu trục

Nhánh mái

y1

Thanh giằng

25