đồ án kết cấu thép thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG,
MỘT NHỊP
PHẦN 1. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
A. Nội dung, yêu cầu:

1.
2.

-

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, nội dung công việc bao
gồm:
Trên cơ sở số liệu đã cho, thành lập sơ đồ kết cấu, xác định kích thước khung ngang,
lập mặt bằng lưới cột, lựa chọn và bố trí hệ giằng mái, hệ giằng cột.
Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang, xác định nội lực trong khung theo
số liệu và tính toán, lập bảng thống kê và tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặc trưng của
cột khung và giằng mái.
3. Thiết kế khung ngang gồm: cột, dầm mái và hệ giằng.
4. Thể hiện 1 bản vẽ A1 gồm:
Sơ đồ kết cấu khung ngang.
Cột khung, các mặt cắt đặc trưng của cột và chi tiết cột.
½ hệ vì kèo và các chi tiết của vì kèo.
Hệ giằng.
Bảng thống kê vật liệu thép.
Các chú ý về yêu cầu kỹ thuật và các chỉ dẫn cần thiết.
5. Thuyết minh: trình bày toàn bộ nội dung của đồ án vào quyển thuyết minh khổ A4.

B. Số liệu thiết kế:
-

Thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng một nhịp với các số liệu:
+ Địa điểm xây dựng: TP. Hồ Chí Minh.
+ Chiều rộng nhà L = 23m.
+ Bước cột: B = 5.5m, tổng số bước cột b=11×B=11×5.5 = 60.5m.
+ Chiều cao H = 5.7m.
+ Độ dốc mái i = 10% → α = 5,71˚.
+ Cấu tạo lớp mái gồm: tole dày 0.7mm.

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 1


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

+ Phân vùng gió IIA (địa điểm xây dựng: TP. Hồ Chí Minh) có
W0 = 0.95 − 0.12 = 0.83kN / m 2

+ Vật liệu: chọn thép CCT38 để sử dụng và sử dụng cho tất cả các thanh cột, dầm
thanh giằng,.. với các thông số:
E= 2.1×105 MPa
µ= 0.3
γthép= 78.5kN/m3
f = 230 MPa
=1

+ Thông số của que hàn, bulong tự chọn.

C.

+ Bê tông móng M200, tường gạch tự mang .
Kế hoạch nộp đồ án kết cấu thép
Lần 1. Tuần thứ 2 kể từ ngày giao đồ án
+ Thiết kế xà gồ.
+ Tính toán tải trọng tác dụng lên khung ngang.
+ Mô hình tính toán khung ngang.
Lần 2. Tuần thứ 3 kể từ ngày giao đồ án
+ Hoàn thành sáp.
+ Tổ hợp nội lực.
+ Thiết kế MCN cột, MCN dầm.
Lần 3. Tuần thứ 4 kể từ ngày giao đồ án
+ Triễn khai bản vẽ.

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 2


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

Lần 4. Bảo vệ.

PHẦN 2. THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP
MỘT TẦNG, MỘT NHỊP (KHUNG ZAMIL)

CHƯƠNG 1. TÍNH TOÁN THUYẾT KẾ XÀ GỒ MÁI
SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 3


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

1.1. XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN XÀ GỒ

1.1.1. Chọn sơ bộ thông số tôn và xà gồ
+ Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái, lớp cách nhiệt và trọng lượng bản thân
của xà gồ.
+ Tấm lợp mái: (single skin panels ) hình dạng tấm lợp mái được chọn như sau:
Chiều dày
(mm)

Trọng lượng một tấm
(kN/m2)

Diện tích một tấm
(m2)

Tải trọng cho phép
(kN/m2)

0.7

0.0659

8.39

1.96

Bảng 1.1. Thông số tấm lợp mái (tôn)

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 4


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

+ Xà gồ: chọn xà gồ hình chữ C,có các thông số như sau.
Tiết diện

Ix
(cm4)

Wx
(cm3)

Iy
(cm4)

Wy

(cm4)

Trọng lượng
(kN/m)

Diện
tích
(cm2)

C250

888.646

71.092

47.855

9.631

0.0785

10

Bảng 1.2. Thông số xà gồ
+ Kích thước hình học của xà gồ
SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 5

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

H(mm)

W(mm)

L(mm)

t(mm)

250

65

20

2.5

250

20

65

2.5

Hình 1.2. Hình MCN xà
gồ chữ C

1.1.2. Tĩnh tải tác dụng lên xà gồ
Tải trọng tôn lợp mái.
Tải trọng lớp cách nhiệt.
Tải trọng bản thân xà gồ.
Tải trọng do hoạt tải sửa chữa mái.
- Chọn khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt bằng là: 1.5 (m)
→ Khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt phẳng mái:
-

1.5
=1.51( m )
Cos5.71°

(Độ dốc i= 10 %→α=5.71o)

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 6


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

Vật liệu mái

Hệ số vượt tải

Tải trọng tiêu chuẩn

Tải trọng tính toán

1 lớp tôn lợp mái

1.05

0.0659(kN/m2)

0.0692(kN/m2)

Xà gồ mái
C250

1.05

0.0785(kN/m2)

1.824

(kN/m2)

1.1.3. Hoạt tải tác dụng lên xà gồ
+ Sơ bộ lấy hoạt tải mái: Pc = 0.3 (kN/m2), hệ số vượt tải nq =1.3
tt

0.3 × 1.3

→ P =
= 0.39 (kN/m2)
Suy ra tải trọng tác dụng lên xà gồ C250:

1.5 

q tc =  ( 0.0659 + 0.3 ) ×
÷ + 0.0785 = 0.63 ( kN/m )
Cos5.71° 

1.5 

q tt =  (0.0692+0.39)×
÷+0.0824=0.774 ( kN/m )
Cos5.71° 

1.2.

SƠ ĐỒ TÍNH VÀ NỘI LỰC CỦA XÀ GỒ
qy

qx

2.75

5.5

2.75
My

Mx

Hình 2.2. Sơ đồ tính theo hai phương x-x và y-y
+ Xà gồ dưới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa được tính toán như

cấu kiện chiệu uốn xiên.
+ Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ theo 2 phương, với trục x-x tạo với phương
α = 5.71°
ngang một góc
(Độ đốc i = 10%).

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 7


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

Hình 2.1. Tải trọng theo hai phương x-x và y-y
+ Tải trọng tác dụng theo phương x-x và y-y là.
tc
°
q tc
x = q ×sinα = 0.63 × (sin5.71 ) = 0.063 (kN/m)
tc

q tc
y = q × cosα = 0.63 × (cos5.71°) = 0.63 (kN/m)
q ttx = q tt × sinα = 0.774 × sin(5.71°) = 0.077 (kN/m)
q tty = q tt × cosα = 0.774 × cos(5.71°) = 0.774 (kN/m)
1.3. KIỂM TRA XÀ GỒ THEO TTGHI VÀ TTGHII
1.3.1. Trạng thái giới hạn cường độ (TTGHI)
Theo điều kiện bền :

Trong đó:
+

γ c =1

hệ số điều kiện làm việc

f

+ = 230 MPa cường độ tính toán của thép xà gồ
Xà gồ tính toán theo 2 phương đều là dầm đơn giản 2 đầu tựa lên xà ngang momen đạt
giá trị lớn nhất ở giữa nhịp.

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 8


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
Mx =
Ta có:

q tty ×B2
8

=

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

0.774×5.52

= 2.93 (kN.m)
8

q ttx ×B2 0.077×5.52
My =
=
=0.073 (kN.m)
32
32

σ td = σ x + σ y =

2.93 × 106
0.073 × 106
+
= 48.79MPa ≤ γ c .f = 230MPa
71.092 × 103 9.631× 103

1. 3.2. Trạng thái giới hạn sử dụng(TTGHII)

Công thức kiểm tra :
Ta có

∆ ∆ 
1
< =
B  B  200

tc
3

Δ 5×q y ×B
5×0.63×55003
1
-4
=
=
=7.31×10
<
= 5 ×10 −3
5
4
B 384×E×I x 384×2.1×10 ×888.646×10
200

→ Vậy xà gồ C250 đảm bảo cường độ và điều kiện độ võng.

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 9


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NGANG

2.1. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ SƠ ĐỒ TÍNH CỦA KHUNG NGANG
2.1.1. Xác định kích thước khung

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 10


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

TRANG 11


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

2.1.2. Xác định sơ đồ tính của khung
- Khung ngang nhà công 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 tông cốt thép cũng là liên
kết cứng.

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 12

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

TRANG 13


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

Hình 1. Kích thước khung ngang

Không có phần cầu trục nên chiều cao = H + f
Trong đó H là chiều cao theo số liệu cho 5.7m.
f là khe hở phụ xét đến độ võng của kết cấu và giàn lấy bằng 200 đến 400 mm.
Chiều cao cột là khoảng cách từ chân cột đến đỉnh cột:
= 5700 + 200 = 5900 mm
Chiều cao từ cột lên đỉnh cột lên mái.

= Hc + tan(5.71˚)

23000
2

= 7050 mm

→ Sơ bộ kích thước MCN cột, kèo như sau:

Giả thuyết cột có kích thước như sau:

Chân cột: hw=300(mm); bw = 220(mm); tw= 8(mm) ;tf = 12(mm)
400

8

220

12

12

Đỉnh cột : hw=400(mm); bw = 220(mm); tw= 8(mm) ;tf = 12(mm)
SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 14


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN
300

8

220

12

12

Giả thiết vì kèo có kích thước như sau:
Đầu kèo: hw =350 (mm); bw = 220 (mm); tw = 8(mm); tf = 12 (mm)

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 15


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

12

8
350

12
220

Đỉnh kèo: hw = 250 (mm); bw = 220 (mm); tw =8 (mm); tf =12 (mm)
12

8
250

12
220

2.2. XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG
2.2.1. Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang
SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 16


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

- Tải trọng mái và xà gồ: trên thực tế tải này truyền lên khung dưới dạng lực tập trung tại
điểm đặt các xà gồ, số lượng xà gồ tập trung > 5 nên quy về tải phân bố (trên mặt bằng).
+ Chiều dài thanh xiên :
L
23
2
2
Lx =
=
=11.6 ( m )
cos5.71° cos5.71°

+ Số lượng xà gồ với mỗi xà gồ cách nhau 1.51m
+ Số lượng xà gồ trong một nửa bước cột:

1
2
xg

n =1+

Lx
11.6
=1+
=8.68 ≈ 9
1.51
1.51

+ Số lượng xà gồ trong 1 bước cột: chọn nxg =18

Tải trọng mái và xà gồ
 0.0659 18 × 0.0785 
g tcmai = 
+
0
 × 5.5=0.702 (kN/m)
23
 cos5.71
 0.0692 18 × 0.0785 ×1.05 
tt
g mai
=
+
0
 × 5.5=0.74 (kN/m)
23
 cos5.71
- Tải trọng bản thân khung ngang : chương trính sap 2000 sẽ tự tính khi ta giả thiết tiết

diện cột và rường ngang .
- Tải trọng do xà gồ tường tôn đặt tại các cao trình cửa xà gồ tường :
+ Với chiều cao cột 5.9(m) do có 1 (m) tường gạch tự mang ở dưới cùng không kể
đến.
+ Chỉ tính trọng lượng xà gồ tường và tôn tường từ cốt +1 (m ) trở lên tương ứng với
chiều cao cột là 4.9(m).
+ Giả thiết dùng 4 cây xà gồ C250 đặt cách nhau 1.5 (m), trọng lượng quy thành lực
tập trung đặt tại đỉnh cột.
SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 17


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

G t = 0.0692 × 4.9 × 5.5 + 0.0824 × 4 × 5.5 = 3.69 (kN)
tt
g mai
= 0.74(kN/m)

→ Tĩnh tải tác dụng lên rường ngang:
→ Tĩnh tải tác dung lên đỉnh cột: Gt = 3.69 (kN)
2.2.2. Hoạt tải tác dụng lên khung ngang
2.2.2.1 Hoạt tải sửa chữa mái
+ Tải trong tạm thời do sử dụng trên mái được lấy theo TCVN 2737-1995 đối với mái
không người qua lại, chỉ có hoạt tải sửa chữa mái có giá trị tiêu chuẩn:

+ pscm = 0.3 KN/m2 →

p tc = pscm × B= 0.3×5.5 = 1.65 (kN/m)

p tt =1.3 × p tc = 1.3 × 1.65 = 2.15 (kN/m)
2.2.2.2 Hoạt tải gió
a. Tải trọng gió gồm hai thành phần: phần tĩnh và phần động, ở đây chiều cao nhà <

36 (m), tỉ số chiều cao trên nhịp < 1.5 nên bỏ qua thành phần động của gió.
b. Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm:
- Gió thổi lên mặt tường dọc được chuyển thành phân bố đều trên khung cột.
- Gió thổi trong phạm vi mái được tính là tải phân bố đều lên mái, chuyển thành phân
bố lên khung.
- Khu vục xây dựng công trình tp Hồ Chí Minh thuộc vùng gió II.A
- Tải trọng gió tính toán tác dụng lên hệ khung:
q = 1.2×W×B
Trong đó:
B là bước cột lực gió tiêu chuẩn.
W là áp lực gió tiêu chuẩn.
k là hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao (tra bảng 5 TCVN
2737:1995).Xem xét địa hình tại khu vực xây dựng: nội thành tp.Hồ Chí Minh thuộc
địa hình dạng C (địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m
trở lên).
- Dựa vào bảng 5 trong TCVN 2737:1995 tìm được k1,k2 như sau :

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 18

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

+ Mức đỉnh cột ở cao trình 5.9 (m) → k1 = 0.66 +

10 − 5.9
10 − 5

+ Mức đỉnh mái ở cao trình 7.05 (m) → k2 = 0.66 +

(0.54 - 0.66) = 0.5616

10 − 7.05
10 − 5

(0.54 - 0.66) = 0.5892

c: là hệ số khí động: c + 0.8 đối với gió đẩy
+ Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió trung bình :
→k=

k1 + k 2 0.5616 + 0.5892
=
= 0.5754
2
2

- Áp lực gió tiêu chuẩn được xác định:

W= W0×k×c (kN/m2)
-

Trong đó:
W0 giá trị áp lực gió: W0 = 0.95 kN/m2
Xem xét ảnh hưởng của bão đối với vùng IIA.
W0= 0.95−0.12 =0.83 kN/m2
→ Tải trọng khung ngang được tính như sau:
q = ( n × Wo × k × C × B ) × α

(Với B là bước cột)

Trong đó:
n= 1,2 hệ số tin cậy của tải trọng gió
c hệ số khí động, được tra bảng với sơ đồ sau đây:

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 19


GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

7050

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

Ce1 =-0,251

Ce2=-0,4

+0,8
590
0

Ce3 =-0,5

23000

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 20


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

Hình 2. Hệ số khí động

-Tra bảng 6 trong TCVN 2737:1995 để tìm Ce1, Ce2, Ce3 như sau.

+ Ta
có:
SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 21


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

H 5.9
=
= 0.257
L 23

α = 5.71°
+ Nội suy tuyến tính ta được
Hệ số

α độ

H/L
0
0

0.257

0

0.5
0.6

5,71˚

0.05771

-0.251

0.5429

20

+ 0.2

Nội suy ta được:
x1 = 0.2 +

20 − 5.71
× (0 − 0.2) = 0.0571
20 − 0

x 2 = −0.4 +

20 − 5.71
× ( −0.6 + 0.4) = −0.5429
20 − 0

= –0.5429 +

0.5 − 0.257
× ( 0.05771 − (−0.5429) ) = −0.251
0.5 − 0

+ Ta có:
H 5.9
=
= 0.257

L 23

α = 5.71° 60o
→ Ce2 = −0.4
+ Ta có:

b 60.5
=
= 2.63 > 2
L
23
H 5.5
=
= 0.257
L 23

→ Ce3= -0.5
c. Tính toán tải trọng gió tác dụng lên khung.
SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 22

0.4


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP
+ Phía gió đẩy:

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

tt
q day
=1.2×Wo ×k×Ce ×B=1.2×0.83×0.8×0.5754×5.5= 2.52 ( kN/m )

+ Phía gió hút:
tt
q hut
=1.2×Wo ×k×Ce3×B=1.2×0.83×0.5754× ( -0.5 ) ×5.5= -1.58 ( kN/m )

+ Phía mái trái:
tt
q maitrai
=1.2×Wo ×k×Ce1×B=1.2×0.83×0.5754× ( -0.251) ×5.5= -0.79 ( kN/m )

+ Phía mái phải:
tt
q maiphai
=1.2×Wo ×k×Ce2 ×B=1.2×0.83×0.5754× ( -0.4 ) ×5.5= -1.26 ( kN/m )

2.3. PHÂN TÍCH NỘI LỰC CỦA KHUNG NGANG
2.3.1. Kiểm tra điều kiện chuyển vị
a. Chuyển vị ngang tại đỉnh cột
- Trường hợp 1TT+0.9HT+0.9GT(GP)

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 23


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

- Trường hợp 1TT+1HT

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 24


ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP

GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN

c. Chuyển vị đứng tại đỉnh kèo

SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3

TRANG 25