thiết kế xà gồ chữ z mã hiệu z200t3

đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

Thuyết minh tính toán
A. Thiết kế xà gồ
1. Tải trọng
1.1. Tĩnh tải
Tấm mái, tấm tờng ta dùng loại nh hình vẽ:

Có khối lợng cho trong bảng sau, ta dùng loại có chiều dày
0,5mm
Section Properties
Panel
Nomina
l
Thickne
ss mm

Nom
inal
Weig
ht

No
min

Top in Compression

al

are
a

Ix

S xTop

Ma

m

Shear &

Compression

S xboto

Web

Botom in

Ix

S xTop

S xboto
m

crippling
M

a

Chọn sơ bộ xà gồ chữ Z mã hiệu Z200T3 có các thông số:
I x = 682,88 cm4

I y = 120,147 cm4

Wx = 67, 214 cm3

Wy = 15,999 cm3

q tc = 8, 71 kG/m

A = 11,1 cm2

Tại mép biên chọn xà gồ chữ C mã hiệu C200.
SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 1 / 48

Va

Pa


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

Với khoảng cách xà gồ theo phơng mặt dốc mái axg = 1,5m.

L

18

Số xà gồ trên một bên mái gữa 2 khung là: 2.a + 1 = 2.1,5 + 1 = 7 .
xg
Trong đó có 6 xà gồ giữa loại Z và 1 xà gồ biên loại C.
Bảng tổng hợp tải trọng bản thân
Vật liệu

Đơn vị

Tấm mái
Xà gồ chữ Z
Tấm tờng

2

Tải trọng tiêu

Hệ số vợt

Tải trọng

chuẩn

tải

tính toán

daN/m
daN/m
daN/m2

1.2. Hoạt tải
Tải trọng hoạt tải xác định theo TCVN 2737-1995.
ptc = 30daN/m2

p = 1.3

ptt = gp.ptc = 1.3ì 30 = 39daN/m2

1.3. Tổng tải trọng tác dụng lên xà gồ giữa chữ Z:
Gồm: tải trọng tấm lợp, tải trọng bản thân và hoạt tải mái.
tc
q tc = (g mtc + p mtc cos)a xg + g xg
=
tc
q tt = ( g g mtc + p p mtc cos)a xg + g g xg
=

2. Tính toán xà gồ

y

Xét tải trọng tác dụng lên xà
gồ theo hệ trục toạ độ Oxy có
4,7640.
qxtc = qtc.sin = 60,78.0,083 = 5,04daN/m
qytc = qtc cos = 60,78.0,997 = 60,6daN/m

qxtt = qtt sin = 76,13.0,083 = 6,32daN/m
qytt = qtt cos = 76,13.0,997 = 75,9 daN/m

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 2 / 48

4,764

trục Ox tạo với phơng ngang 1 góc

x
x

y


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

tt

qttx

qy

9000

9000

mx

my
y

qb
M=
tt 8
x

2

b
M=
tt 90

2

q

Sơ đồ tính xà gồ
2.1. Kiểm tra điều kiện bền xà gồ:
td =
Mx =



td

Mx My
+
c. f
Wx W y
qytt.B2

qxtt.B2 6,32ì 92
75,9ì 92
=
= 5,688 daNm
=
= 768,49daNm; My =
90
90
8
8

M x M y 768, 49 ì102 5, 688 ì102
=
+
=
+
= 1178,9daN / cm 2 < c . f = 0,9 ì 2100 = 1890daN / cm 2
Wx Wy
67, 214
15,999

2.2. Kiểm tra độ võng xà gồ:
Theo phơng Oy:

tc 4
5 qy .B
5 60,6ì 102 ì 9004
= y =
.
=
.
= 3,61cm.
384 E.Ix
384 2,1ì 106 ì 682,88

Điều kiện kiểm tra:
3, 61
1

=
= 4, 01ì 103 < =
= 5 ì 103
B 900
B 200

Vậy xà gồ đã chọn đảm bảo điều kiện độ bền và độ võng.
B. Thiết kế khung ngang :
1. Xác định sơ đồ tính khung ngang
Với nhịp nhà L= 18 m, sức trục Q = 20T (sức trục trung bình)
tra bảng phụ lục. Ta chọn cầu trục có các thông số sau:
Bảng các số liệu cầu trục
Sức
trục

Kích thớc gabarit chính
Zmin
Lk

B

K

Hk

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 3 / 48

Pmax

Pmin

T.lợng T.lợng


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

20
16,5 3930 2900 1330 180
119
Chiều cao dầm cầu trục chọn sơ bộ :

23,7

8,54

1,19

1 1
1 1
H dct = ( ữ ).B = ( ữ ).9 = 1,125 ữ 0,9 (m) .
8 10
8 10

Chọn Hdct= 0,9 m
Lấy chiều cao ray và lớp đệm là H r = 200 mm

z

Ht

H2

bK

i

L1

a
L1

H

Lk

Hd

a

H1

Q

H3

0.000

L

Các kích thớc chính của khung ngang
1.1. Kích thớc khung theo phơng ngang:
Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu về độ cứng:
h = (1/15 ữ 1/20).H = (1/15 ữ 1/20).8 = (0,53 ữ 0,4)m .Chọn h =
0,45 m
Chọn trục định vị trùng với mép ngoài cột (a = 0) khoảng
cách từ trục định đến trục ray cầu trục:
=

L - Lk
18 - 16,5
=

= 0,75 (m)
2
2

Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:
z = - h = 0,75 - 0,45 = 0,3 m > zmin = 0,18 m.
1.2. Kích thớc khung theo phơng đứng
Chọn b = 300 mm.
H2 = Hk + b = 1,33 + 0,3 = 1,63 m chọn H2 = 1,7 m
SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 4 / 48


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

Chiều cao của cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà
ngang:
H = H1 + H 2 + H 3 = 6,3 + 1, 7 + 0 = 8 (m)
H t = H 2 + H dct + H r = 1, 7 + 0,9 + 0, 2 = 2,8 (m)

Hd = H - Ht = 8 - 2,8 = 5,2 (m)
Ta có i = 1/12 tg = 1/12 = 4,7640.
Chiều cao đỉnh dàn mái :
H dmai =

L
18

1
ìi=
ì
= 0,75 m
2
2
12

1.3. Giả thiêt kích thơc tiết diện và liên kết
Do sức nâng của cầu trục không lớn nên chọn phơng án cột có
tiết diện không thay đổi, với độ cứng là I 1. Xà 18m nên chọn xà có
tiết diện thay đổi, dự kiến vị trí thay đổi tiết diện cách đầu xà
3m, độ cứng ở đầu và cuối xà là I 1 và I2. Do nhà có cầu trục nên
chọ kiểu liên kết giữa cột khung với móng là ngàm. 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 hoá tính toán thiên
về an toàn.
Giả thiết cột có kích thớc nh sau: H = 8000mm, b = 200mm, h = 450mm,
t w = 7 mm , tf = 10mm

Giả thiết xà ngang có kích thớc:
Đầu xà: h = 450 mm , b = 200mm, tw = 7 mm , tf = 10mm
Giữa xà:, h = 400 mm , b = 200mm, tw = 7 mm , tf = 10mm

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 5 / 48


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

i (%)

H

Ht
H

Ht

I xà

Hd

Hd

I cột
L

Sơ đồ tính khung ngang
2. Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang
2.1. Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải)
Tải trọng mái và xà gồ đợc truyền xuống xà ngang dới dạng lực
tập trung đặt tại đầu các xà gồ nhng do số lợng xà gồ > 5 nên có
thể quy về tải phân bố đều.
-

Tổng tĩnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang : 1,1.0,15.9 = 1,49

(kN/m).
- Tải trọng bản thân của tôn tờng và dầm tờng lấy tơng tự nh với
mái là 0,15kN/m2. Quy thành tải tập trung tại đỉnh cột :
1,1.0,15.9.8 = 11,88 (kN)
Trọng lợng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1(kN/m). Quy
thành lực tập trung và mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột :
1,05. 1. 9 = 9,45 (kN);
9,45. (L1 -0,5h) = 9,45. (0,75- 0,5. 0,4) = 5,198 (kNm).
Trọng lợng bản thân khung để phần mềm tự tính.
1,49 kN/m

9,45 kN
5,198 kNm

5200

2800

11.88kN

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 6 / 48

1,49 kN/m

11.88kN

9,45 kN
5,198 kNm

đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

Sơ đồ tĩnh tải
2.2. Hoạt tải mái
Theo TCVN 2737-1995, trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công
hoặc sửa chữa mái (mái lợp tôn) là 0,3 (kN/m2 ), hệ số vợt tải là 1,3.
Quy đổi về tải trọng phân bố lên xà ngang : 1,3.0,3.9.cos = 3,5
(kN/m)
3.5kN/m

Sơ đồ hoạt tải mái nửa trái
3.5kN/m

Sơ đồ hoạt tải mái nửa phải
2.3. Tải trọng gió
Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm 2 thành phần là
gió tác dụng vào cột và gió tác dụng trên mái. Theo TCVN 2737SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 7 / 48


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

1995, a im phân vùng gió IIB - C, có áp lực tiêu chuẩn W 0 = 0,95
kN/m2, hệ số vợt tải 1,2. Căn cứ vào dạng mặt bằng nhà và góc dốc
của mái, các hệ số khí động có thể xác định theo sơ đồ trong
bảng III.3 phụ lục. Nội suy ta có : C e1 = -0,485( với = 4, 764o ,
H 8
= = 0, 444 ); Ce2 = -0,4; Ce3 = -0,5; k1= 0,612; k2=0,63 (tính cho
L 18

phần từ đỉnh cột lên mái)
Tải trọng gió tác dụng lên cột:
Phía đón gió :

1,2. 0,95. 0,612. 0,8. 9 = 5,02(kN/m)

Phía khuất gió : 1,2. 0,95. 0,612. 0,5. 9 = 3,14(kN/m)
Tải trọng gió tác dụng lên mái :
Phía đón gió :

1,2. 0,95. 0,63. 0,485.9 = 3,13 (kN/m)

Phía khuất gió : 1,2. 0,95. 0,63. 0,4.9 = 2,59(kN/m)
ce 0.
2
=- 4

0.
=
8
+

e

c

e
3

c
=
-0
.5

ce 0.4
1
=- 85

Sơ đồ xác định hệ số khí động
2,59
kN/m
3,
1
4
k
N/
m

5,
0
2
k

N/
m

3,13
kN/m

Sơ đồ tải gió trái
SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 8 / 48


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

3,13
kN/m

3,
1
4
k
N/
m

5,
0
2
k

N/
m

2,59
kN/m

Sơ đồ tải gió phải
2.4. áp lực đứng của cầu trục
Theo bảng II.3 phụ lục sách Thiết kế khung thép nhà công
nghiệp một tầng, một nhịp, các thông số cầu trục sức nâng 6,3T
nh sau :

Nhịp

16.5

Ch.ca

Khoản

Bề

o

g cách

rộng

1330

180

3930

Bề

T.lợng

T.lợng

rộng

cầu

xe

đáy

trục

con

2900

8.54

1.19

áp lực áp lực

119

23.7

Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột
thông qua dầm cầu trục đợc xác định bằng cách dùng đờng ảnh hởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh xe của 2 cầu trục sát
nhau vào vị trí bất lợi nhất (hình vẽ), xác định đợc các tung độ yi
của đờng ảnh hởng, từ đó xác định đợc áp lực thẳng đứng lớn
nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột :

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 9 / 48


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

b=3930

Pmax

b=3930

Pmax Pmax

k=2900

Pmax

k=2900

9000
0.677

9000
1

0.563

0.886

Đờng ảnh hởng để xác định Dmax, Dmin
Dmax= nc . p. Pmax.yi = 0,85. 1,1. 119. (1+ 0,677 + 0,886 + 0,563)=347,81(kN)
Dmin= nc . p. Pmin.yi = 0,85. 1,1. 23,7. (1+ 0,677 + 0,886 + 0,563)=69,27 (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 =0,75
- 0,5.0,4 = 0,55 (m). Trị số của các mômen lệch tâm tơng ứng:
Mmax = Dmax .e = 347,81. 0,55 =191,3 (kNm)
Mmin = Dmin. e = 69,27. 0,55 = 38,1(kNm)

347,81 kN
191,3 kNm

69,27 kN
38,1 kNm

Sơ đồ Dmax lên cột trái

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 10 / 48


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

347,81 kN
191,3 kNm

69,27 kN
38,1 kNm

Sơ đồ Dmax lên cột phải
3.5.. Lực hãm ngang của cầu trục
Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray :
T1tc =

0,5.kf (Q + Gxe ) 0,5.0,1.(200 + 11,9)
=
= 5,3 (kN).
n0
2

Lực hãm ngang của toàn cầu trục lên cột đặt vào cao trình
dầm hãm (giả thiết cách vai cột 0,7m):

1900

T = nc p T1tc yi = 1,1. 0,85. 5,3. (1+ 0,677 + 0,886 + 0,563) = 15,49 (kN)

6100

15,49kN

Sơ đồ lực hãm lên cột trái

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 11 / 48


Gvhd : ths. vũ

6100

15,49kN

1900

đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Sơ đồ lực hãm lên cột phải
3. Phân tích kết cấu
Vic phõn tớch ny c tin hnh bng cỏch dựng phn mm SAP 2000. u
vo ca quỏ trỡnh phõn tớch l thụng s vt liu, s tớnh, ti trng c xỏc nh
cỏc bc trờn. u ra ca quỏ trỡnh phõn tớch giai on ny l chuyn v t hp x
v z .

4. Kiểm tra chuyển vị
4.1. Chuyển vị ngang đỉnh cột:
Chuyển vị ngang của đầu cột ( nút 5 ):
x =

tt giotr 0,001567 0,024257
H
8
+
=
+
= 0,0217m<
=
= 0,0267m
1,05 1,2
1,05
1,2
300 300
Đảm bảo điều kiện chuyển vị ở đầu cột.

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 12 / 48


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

4.2. Độ võng đỉnh xà :

Từ kết quả SAP ta có độ võng ở đỉnh xà nút 7:

tt HTmaiT HTmaiP 0,019 0,017 0,017
L
18
+
+
=
+
+
= 0,0447m<
=
= 0,045m
1,05 1,3
1,3
1,05
1,3
1,3
400 400
Đảm bảo điều kiện chuyển vị đỉnh xà.
Vậy tiết diện đã giả thiết trong SAP là đảm bảo điều kiện
chuyển vị.
z =

SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang 13 / 48


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

5.

Gvhd : ths. vò

Phân tích kết cấu
Đầu ra của quá trình phân tích ở giai đoạn này là nội lực của từng trường hợp

tải.
6.

X¸c ®Þnh néi lùc
Néi lùc trong khung ngang ®îc x¸c ®Þnh víi tõng trêng hîp chÊt

t¶i b»ng phÇn mÒm SAP2000. KÕt qu¶ tÝnh to¸n ®îc thÓ hiÖn díi
c¸c biÓu ®å.

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 14 / 48


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do tÜnh t¶i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 15 / 48

Gvhd : ths. vò

®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do ho¹t t¶i m¸i tr¸i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 16 / 48

Gvhd : ths. vò


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Gvhd : ths. vò

Néi lùc do ho¹t t¶i m¸i ph¶i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 17 / 48


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do giã tr¸i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6

Trang 18 / 48

Gvhd : ths. vò


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do giã ph¶i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 19 / 48

Gvhd : ths. vò


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do Dmax cét tr¸i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 20 / 48

Gvhd : ths. vò


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do Dmax cét ph¶i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 21 / 48

Gvhd : ths. vò


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do Tmax cét tr¸i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 22 / 48

Gvhd : ths. vò


®å ¸n kÕt cÊu thÐp II
quang duÈn

Néi lùc do Tmax cét ph¶i

SVTH : NGUYÔN V¡N A - líp 2007x6
Trang 23 / 48

Gvhd : ths. vò

đồ án kết cấu thép II
quang duẩn
7.

Gvhd : ths. vũ

Tổ hợp nội lực:
Bảng ...: Thống kê và tổ hợp nội lực

8. Thiết kế cấu kiện
8.1. Thiết kế tiết diện cột
a) Xác định chiều dài tính toán
Chọn phơng án tiết diện cột không đổi. Với tỷ số độ cứng của
Ixa
= 1, ta có :
Icot

xà và cột giả thiết là:

8
I I
n = xa ữ: cot ữ = 1. = 0,444
18
L H

Theo công thức tính à ta có :
m=

n+0,56 0,444+0,56
=

=1,31
n+0,14 0,444+0,14

Vậy chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột xác
định theo công thức :
lx = àH = 1,31.8 = 10,49 (m)

Chiều dài tính toán của cột theo phơng ngoài mặt phẳng
khung (ly) lấy bằng khoảng cách giữa các điểm cố định không cho
cột chuyển vị theo phơng dọc nhà (dầm cầu trục, giằng cột, xà
ngang ). Giả thiết bố trí giằng cột dọc nhà bằng thép hình chữ
Z tại cao trình + 3,5 tức là khoảng giữa phần cột tính từ mặt
móng đến dầm cầu hãm, nên ly = 3,5 m.
8.1.2. Chọn và kiểm tra tiết diện :
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn ra nội lực tính toán :
M = -139,55 kNm
N = - 380,574 kN
V = 49,361 kN
Đây là cặp nội lực tại tiết diện dới vai cột, trong tổ hợp nội lực
do các trờng hợp tải trọng 1,4,7,9 trong tổ hợp cơ bản 2 gây ra.
Chiều cao tiết diện cột chọn từ điều kiện độ cứng :
SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang


đồ án kết cấu thép II
quang duẩn

Gvhd : ths. vũ

h = (1/15ữ 1/20)H= (1/15ữ 1/20).8 = ( 0,4 ữ 0,533) m Chọn h =
45 cm.
Bề rộng tiết diện cột chọn theo các điều kiện cấu tạo và độ
cứng :
bf = (0,3ữ 0,5)h = (13,5ữ 22,5 ) cm ; Chọn bf =20cm.
Diện tích tiết diện cần thiết của cột xác định sơ bộ theo
công thức sau :
A yc =

N
f c

M

1,25 + (2,2 ữ 2,8) Nh



Do đó ta có :
A yc =

380,574
139,55.102
2
. 1,25 + (2,2 ữ 2,8).
= (55,14 ữ 64) cm
21.1
380,574.45

Bề dày bản bụng : tw =(1/70ữ 1/100)h=(0,643 ữ 0,45)cm 0,6

cm .
Chọn tw = 0,7 cm.
Tiết diện cột chọn nh hình sau: bản cánh (1ì 20 ) cm, bản

7

200

bụng (0,7ì 43) cm.

10

430
450

10

Tiết diện cột
Tính đặc trng hình học của tiết diện đã chọn :
A = 0,7.43+2.(1.20)= 70,1 cm2 ;
0,5.(b tw )h3w 20.453
0,5.(20 0,7).433
bff.h3
4
2
2.
I x=
=
= 24001,2 cm
12

12
12
12





SVTH : NGUYễN VĂN A - lớp 2007x6
Trang