Thiết kế khung ngang thép nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp

Chương I.
SỐ LIỆU VÀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
I. Số liệu thiết kế

Thiết kế khung ngang thép nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp theo các số liệu dưới đây:
Nhịp
nhà
(m)

Bước
cột
(m)

22

6

Đất tự
nhiên
(m)
-0,6

Cao trình
Mặt
Mặt ray
nền
(m)
(m)
+0,000

Cầu

trục
Q(T)

Áp lực gió
ở độ cao
10m
qo(daN/m2)

Chiều
dài nhà
(m)

Độ dốc
i%

10

qo

180

15

8,4

•
•
•
•
•

Vùng gió IA
Bê tông có cấp độ bền B20
Vật liệu: Thép CCT34, hàn tự động. Với f = 21 kN/cm2, E = 2.1x104 kN/cm2
Que hàn N42 (d = 3÷5 mm) cường độ kéo đứt tiêu chuẩn
Vật liệu làm mái: Tole. Sử dụng khung thép tiết diện chữ I tổ hợp hàn.
II. Nhiệm vụ thiết kế:
I.
Thuyết minh tính toán:
• Tạo nên sơ đồ kết cấu của toàn công trình (khung ngang, khung dọc, hệ giằng mái, hệ
giằng cột...)
• Tính toán các tải trọng tác dụng lên khung ngang
• Tổ hợp tải trọng, lập bag3 tìm các cặp nội lực nguy hiểm để thiết kế tiết diện của dầm
và cột của khung ngang.
• Tính toán và cấu tạo mái tole, xà gồ, liên kết mái và xà gồ.
• Tính liên kết dầm-cột, liên kết dầm vai, mối nối dầm, cột (nếu có).
II.
Bản vẽ thể hiện:
1 bản vẽ khổ giấy A1.
Chương II.
Tính toán thiết kế:
I. Sơ bộ kích thước theo phương đứng, ngang
Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I
Cột có tiết diện thay đổi. Dầm có tiết diện thay đổi

- Nhịp cầu trục:

LK = 19500 ( mm ) = 19,5(m)

- Khoảng cách giữa 2 bánh xe cầu trục:

- Bề rộng cầu trục:

K = 4400 ( mm ) = 4, 4 ( m )

B = 6300(mm) = 6,3(m)

- Khoảng cách từ đỉnh ray tới điểm cao nhất của cầu trục:
- Khoảng cách từ tim ray đến đầu mút của cầu trục:
- Trọng lượng của cầu trục (không kể xe con):

H = 1900 ( mm ) = 1,9(m)

B1 = 260 ( mm ) = 0, 26(m)

BW = 10320 ( kg )


Trọng lượng của xe con:

TW = 2500 ( kg )

1. Theo phương đứng:

_Kích thước cột trên

H t = H 2 + H dc + hr
Trong đó:
H2 = Hc + 0,1 + f = 1,9 + 0,1 + 0,3 = 2,3 m  Chọn H2 = 2,5m
Hc – kích thước từ mặt ray đến điểm cao nhất của cầu trục = 1900 mm
0,1 m – khe hở an toàn giữa cầu trục và vì kèo.

f – kích thước xét đến độ võng của vì kèo và việc bố trí hệ giằng thanh cánh dưới,
f lấy bằng 200 – 400 mm.
Hdc – chiều cao dầm cầu trục. (1/8

÷

1/10) nhịp dầm lấy 700mm

hr – chiều cao tổng cộng của ray và đệm ray, thường lấy 200mm.
Suy ra:

Ht= 2,5+ 0,7 + 0,2 = 3,4 m

Chọn

Ht = 3,4 m

_Kích thước cột dưới

H d = H − H t + H 3 + 0,6 = Hr + H 2 − H t + H 3 + 0,6

Trong đó:
Hr – cao trình mặt ray
H2 = 2,5 m
H3 – phần cột chôn dưới cao trình nền, lấy khoảng 600-1000mm.
Suy ra:

H d = Hr + H 2 − H t + H 3 + 0,6 = 8, 4 + 2,5 − 3, 4 + 0,6 + 0,6 = 8,7
H = H d + H t = 3, 4 + 8,7 = 12,1(m)

m

Chiều cao toàn cột:
2. Theo phương ngang:
Vì cầu trục nhẹ (10 tấn) nên ta lấy a = 0 ( a-khoảng cách từ mép ngoài đến trục định vị.
λ=750mm ( λ-khoảng cách từ trục ray đến trục định vị)
- Chiều cao tiết diện cột trên:

1 1
1 1
ht =  ÷ ÷H tr =  ÷ ÷× 3400 = 266 ÷ 340
 10 12 
 10 12 
Vậy ta chon ht = 0,3m

mm


- Bề rộng tiết diện cột trên:

bt = ( 0,3 ÷ 0,5 ) htr = ( 0,3 ÷ 0,5 ) × 300 = 90 ÷ 150

Vậy ta chọn bt = 120mm= 0,12m
Lk = L − 2λ = 22 − 2 × 0, 75 = 20,5

- Nhịp của cầu trục:
- Chiều cao tiết diện cột dưới: Chọn hd = 0,75m
- Bề rộng tiết diện cột dưới:

(m)

bd = ( 0,3 ÷ 0,5 ) hd = ( 0,3 ÷ 0,5 ) × 750 = 225 ÷ 375

Vậy ta chọn bd = 500mm= 0,3m
*Kiểm tra lại khoảng cách từ trục ray đến trục định vị:

λ ≥ B1 + (ht − a) + D = 0, 26 + 0,3 + 0,075 = 0,635

 Thỏa điều kiện.
II. Hệ giằng:
1. Hệ giằng cột:

Hệ giằng cột đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng của toàn nhà theo phương dọc, chịu
các tải trọng tác dụng dọc nhà và đảm bảo ổn định của cột. Các cột khác tựa vào tấm cứng
bằng các thanh chống dọc. Tấm cứng gồm có 2 cột, dầm cầu trục, các thanh ngang và các
thanh chéo chữ thập. Tấm cứng phải đặt vào khoảng giữa chiều dài khối nhiệt độ để không
cản trở biến dạng nhiệt độ của kết cấu dọc nhà. Khoảng cách từ đầu khối đến trục tấm cứng
không qá 75m và khoảng cách giữa trục hay tấm cứng không quá 50m.
Trong các gian đầu và gian cuối của khối nhiệt độ, cũng thường bố trí giằng lớp trên.
Giằng này tăng độ cứng dọc chung, truyền tải trọng gió lên đĩa cứng. Các thanh giằng lớp
trên tương đối mảnh nên có thể bố trí ở hai đầu khối mà không gây ứng suất nhiệt độ đáng
kể.

6000

1

2

3

6000

6000

9

10

11

12

6000

6000

20

21

22

23

6000

29

30

Hình 1

2. Hệ giằng mái.

Hệ giằng mái được bố trí ở hai giàn đầu nhà và chổ có hệ giằng cột. Hệ giằng mái gồm
các thanh giằng xiên và thanh chống.

31


6000

1

6000

3

2

6000

9

10

11

12

6000

6000

20

21

22

23

6000

29

30

Hình 2

Chương III.
Tải trong tác dụng lên nhà công nghiệp
I.
Tải trọng thường xuyên

Tải trong thường xuyên phân bố trên xà mái
Tải trọng do mái tôn, hệ giằng, xà gồ: gtc = 15daN/m2 mặt bằng mái
Hệ số tin cậy của tải trọng thường xuyên ng = 1,1
q tc = g tc × B = 15 × 6 = 90daN / m

q tt = g tc × B × ng = 15 × 6 ×1,1 = 99daN / m
Bảng 1: tĩnh tái mái

STT
1
2
3

Loại tải

Tải trọng
Hệ số
Tải trọng
tiêu chuẩn vượt tải tính toán
(daN/m2)
(daN/m2)
Tôn lợp mái 8
1,1
8,8
Xà gồ
7
1,1
7,7
Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm khung

Bước
khung (m)
6
6

Tổng tải
trọng
(daN/m2)
52,8
46,2
99

Tải trọng kết cấu bao che:
g tc = 12daN / m 2
q tt = g tc × B × ng = 12 × 6 ×1,1 = 79, 2daN / m

Trọng lượng bản thân dầm cầu trục
Gdct = α dct × L2dct = 30 × 62 = 1080daN

Trong đó

α dct = 30

là hệ số trọng lượng bản thân dầm cầu trục có sức trục nhẹ.

31


II.

Hoạt tải sửa chữa mái:
Hệ số tin cậy của hoại tải sửa chữa mái: np = 1,3

Theo tiêu chuẩn tải trọng và tác động, TCVN 2737-1995, ta có giá trị hoạt tải sửa
chữa mái tiêu chuẩn là 30daN/m2 mặt bằng nhà do đó hoạt tải sửa chữa mái phân bố trên xà

mái được xác định như sau:
p tc = 30 × B
p tt = 30 × B × n p

Khi qui về tải phân bố theo xà mái thì giá trị của tải trọng được nhân với cosα
p tc = 30 × B × cos α = 30 × 6 × cos(8) = 178, 25daN / m
p tt = 30 × B × n p × cos α = 30 × 6 × cos(8) ×1,3 = 231, 72daN / m

Bảng 2: Hoạt tải sửa chữa mái
STT

Loại tải

1

Sửa chữa
1,3
mái
Tổng tải trọng phân bố trên chiều dài dầm khung

2
III.

Tải trọng
tiêu chuẩn
(daN/m2)
30

Hệ số
vượt tải

Tải trọng
tính toán
(daN/m2)
39

Bước
khung (m)
6

Tổng tải
trọng
(daN/m2)
234
231,72

Tải trọng gió:
Áp lực gió tác dụng lên khung được xác định theo TCVN 2737-95
q = n × Wo × k × C × B (daN / m)
Trong đó: q là áp lực gió phân bố trên mét dài khung.
Wo là áp lực gió tiêu chuẩn, gió ở vùng IA có Wo =55 daN/m2
n = 1,2: là hệ số tin cậy của tải trọng gió
k là hệ số phụ thuộc vào độ cao
C là hệ số khí động phụ thuốc vào dạng kết cấu
B là bước khung
Xác định hết số khí động Ce

Hệ số khí động trên mặt mái bên trái có giá trị -0,5, mặt mái bên phải có giá trị -0,4. Hệ số
khí động trên cột Ce3 phụ thuộc vào tỷ lệ ∑B/l và H/L

Công trình có:

∑ B 180
=
= 8,18
L
22
H 10,9
=
= 0,5
L
22


 Ce3 = -0,5: tức là gió hút ra ngoài cho cả hai cột khung

-0,4

-0,5

-0,5

+0,8

ST
T

Loại tải

1

2
3
4

Cột trái
Cột phải
Mái trái
Mái phải

T.T tiêu
chuẩn
(daN/m2)
55
55
55
55

Hệ
số k

Hệ số
C

1,01
1,01
1,05
1,05

+0,8
-0,5

-0,5
-0,4

Hệ số
vượt
tải
1,2
1,2
1,2
1,2

Bước
khung
(m)
6
6
6
6

Tổng tải trọng
(daN/m)
319,97
-199,89
-207,9
-166,32

IV.
Hoạt tải cầu trục:
1. Áp lực đứng:

Thông số cầu trục: Sức trục Q = 10 tấn, nhịp cầu trục S = 20,5m
Tra trong catalog cầu trục ta có:
+ Bề rộng cầu trục: 6300mm
+ Khoảng cách giữa hai bánh xe: 4400 mm
c
Pmax
= 13,5T = 13500daN
+Áp lực đứng tiêu chuẩn lớn nhất tại mỗi bánh xe:
+Áp lực đứng tiêu chuẩn nhỏ nhất tại mỗi bánh xe:
Q+G
10 + 24
c
c
Pmin
=
− Pmax
=
− 13,5 = 3,5T = 3500daN
no
2
Áp lực đứng lên cột:
c
Dmax = nnc ∑ Pmax
y;

c
Dmin = nnc ∑ Pmin
y

Trong đó:
n = 1,2 hệ số tin cậy
nc = 0,85 hệ số tổ hợp, khi có hai cầu trục chế độ làm việc nhẹ
∑y

: tổng tung độ các đường ảnh hưởng tại vị trí các bánh xe, lấy với

tung độ ở gồi bằng 1

Pmax

Pmax

1

0,68

0,27

Pmax

Hình 3

y1 = 1; y2 = 0, 68; y3 = 0, 27 => ∑ y = 1,95
ST
T
1
2

Loại tải

Dmax
Dmin

Pc
daN
13500
3500

∑y

n

nc

1,95
1,95

1,2
1,2

0,85
0,85

Tổng
daN
26851,5
6961,5

2. Áp lực ngang:

Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương chuyển
động, tại các bánh xe của cầu trục xuất hiện lực ngang tiêu chuẩn T1c, các lực này
cũng di động như lực thẳng đứng P và do đó sẽ gây lực ngang tập trung T cho cột.
Cách tính giá trị T cũng xếp bánh xe trên đ.a.h. Lực T truyển lên cột dầm hãm
hoặc các chi tiết liên kết dầm cầu trục với cột nên điểm đặt tại cao trình mặt dầm
càu trục. Có thể hướng vào hoặc hướng ra khỏi cột.
0, 05 ( Q + Gxecon )
T1c =
no
Trong đó: Gxecon = 400 daN – trọng lượng xe con.


T1c =

0, 05 ( 10000 + 400 )
= 260daN
2

T = n.nc .T1c . ∑ y


ST
T
1

Loại tải
T

Pc
daN

260

∑y

n

nc

1,95

1,2

0,85

Tổng
daN
517,14

V.
Thiết kế xà gồ:
1. Thiết kế xà gồ vách:
• Tải trọng tác dụng:
 Tĩnh tải:

Chọn vách làm bằng tôn dày 0,7mm trọng lượng

g mtc = 7, 4daN / m 2

Chọn sơ bộ xà gồ C16a có đặc trưng hình học tiết diện như sau
Loại tiết

diện
C16a

hxg
(mm)
160

bxg
(mm)
68

Ix
(cm4)
827

Iy
(cm4)
90,5

Wx
(cm3)
103

Chọn khoảng cách sơ bộ giữa các xà gồ: a = 1,5m
tc
tc
q tc = gtole
× a + g xg
= 7, 4 × 1,5 + 15,3 = 26, 4daN / m = 0, 264kN / m

q tt = q tc × ng = 26, 4 × 1,1 = 29, 04daN / m = 0, 2904kN / m
 Tải gió:

Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ vách
Phía đón gió: W = 319,97daN/m
Phía khuất gió: W=-199,89daN/m
Chọn tải gió W= 319,97 daN/m
•

Sơ đồ tính:

Wy
(cm3)
19,6

G
(daN/m)
15,3


x
qx

y
qy
qtty

My
Mytt
qttx

Mx
Mxtt
Hình 4

•

Kiểm tra điều kiện về cường độ:
q B 2 319,97 × 6 2
M x max = x =
= 1439,87(daNm) = 14, 4kN .m
8
8
q y B 2 29, 04 × 6 2
M y max =
=
= 130, 68(daNm) = 1,3kN .m
8
8

σ=

Mx My
+
≤ f γ c = 21,1kN / cm 2
Wx Wy

σ=

1440 130

+
= 20, 61 ≤ f γ c = 21,1daN / cm 2
103 19, 6

Mà


Vậy thoả điều kiện về độ bền
•

Kiểm tra độ võng:
 Độ võng theo phương y do qy gây ra
tc
4
5 qy × B
5
0, 264 × 6 4
∆y =
×
=
×
= 0,023( m)
384
EJ x
384 2,1.108 × 90,5 ×10 −8
∆y
B

=

2,3
∆
= 3,8.10−3 <   = 5.10−3
600
B

 Độ võng theo phương x do qx gây ra

∆x =
∆y
B

=

5 qxtc × B 4
5
2, 66 × 64
×
=
×
= 0, 026(m)
384
EJ y
384 2,1.108 × 827 ×10−8
2, 6
∆
= 4,3.10−3 <   = 5.10 −3
600
B

Vậy thoải điều kiện độ võng.
2. Thiết kế xà gồ mái:
• Tải trọng tác dụng lên xà gồ

Chọn tấm mái tole dày 0,7mm có trọng lượng

g mtc = 7, 4daN / m 2

Chọn sơ bộ xà gồ C16a có đặc trưng hình học tiết diện như sau
Loại tiết
diện
C16a

hxg
(mm)
160

bxg
(mm)
68

Ix
(cm4)
827

Iy
(cm4)
90,5

Wx

(cm3)
103

Wy
(cm3)
19,6

G
(daN/m)
15,3

Chọn khoảng cách sơ bộ giữa các xà gồ: a = 1m
Hoạt tải tác dụng được xác định theo TCVN 2737:1995
pmtc = 0,3kN / m2

Vậy tải trong tiêu chuẩn và tính toán tác dụng lên xà gồ được xác định như sau:


a
tc
+ g xg
cos α
1
= (0, 074 + 0,3).
+ 0,153 = 0,53kN / m
cos α
a
tc
q tt = ( g mtc .ng + pmtc .n p ).
+ g xg

.ng
cos α
1
= (0, 074 ×1,1 + 0,3 ×1, 2).
+ 0,153 ×1,1 = 0, 61kN / m
cos α
q tc = ( g mtc + pmtc ).

•

Sơ đồ tính xà gồ
Sử dụng thanh giằng d18 tại vị trí giữa nhịp xà gồ
x

My
Mx

2

qxl
32

2

qyl
8
Hình 5

Phân tải trọng theo 2 phương
qxtc = q tc .sin α = 0,53.sin 8o = 0, 074kN / m

q tcy = q tc cos α = 0,53cos8o = 0,525kN / m
qxtt = q tt .sin α = 0, 61.sin 8o = 0, 085kN / m
q tty = q tt cos α = 0, 61cos8o = 0, 604kN / m
•

Kiểm tra điều kiện về cường độ
q y B 2 0, 604 × 6 2
Mx =
=
= 2, 718(kNm)
8
8
q B 2 0, 085 × 6 2
My = x =
= 0, 096(kNm)
32
32


σ=

Mx My
+
≤ f γ c = 21,1kN / cm 2
Wx Wy

σ=

2, 718 ×100 0, 096 ×100
+

= 3,13 ≤ f γ c = 21,1kN / cm 2
103
19, 6

Mà

Vậy thoả điều kiện về độ bền
•

Kiểm tra độ võng
Do có giằng xà gồ nên ta chỉ xét độ võng theo phương y

∆y =
∆y
B

=

5 qxtc B 4
5 0,53 × cos8o × 64
.
=
.
= 0, 0051
384 EJ x 384 2,1.108.827.10 −8
0,51
1
∆
= 0,85.10−3 <   =
= 5.10−3

600
 B  200

Vậy thỏa điều kiện độ võng.
Xác định nội lực trong khung ngang dựa trên cơ sở phương pháp phần tử
hữu hạn (phần mềm SAP 2000)
I. Nội lực.
1. Tĩnh tải:

Chương IV.


BIỂU ĐỒ MOMENT DO TĨNH TẢI


BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO TĨNH TÃI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO TĨNH TÃI

Tĩnh tãi
Cột
Chân cột
M
V
N
-125.2 -15.36 -50,58
Dầm Đầu dầm
M
V
N

-43.36 -12.56 -18.27
2. Hoạt tải mái nửa trái

Vai cột
M
V
-8.87 -15.36
Giữa dầm
M
V
-6.37 -7.27

N
-21.09
N
-17.18

Đỉnh cột
M
V
43.36
-15.36
Cuối dầm
M
V
11.35
-2.2

N
-15.98

N
-16.14


BIỂU ĐỒ MOMENT DO HOẠT TẢI NỬA MÁI TRÁI


BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO HOẠT TẢI NỬA MÁI TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO HOẠT TẢI NỬA MÁI TRÁI
Tĩnh tãi
Cột
Chân cột
M
V
N
-86.72 -12.2
-21.15
Dầm Đầu dầm
M
V
N
-53.54 -18.26 -16.2
3. Hoạt tải nửa mái phải:

Vai cột
M
V
12.07 -12.2
Giữa dầm

M
V
-1.11 -9.75

N
-21.15
N
-14.46

Đỉnh cột
M
V
53.54
-12.2
Cuối dầm
M
V
19.47
-1.25

N
-21.15
N
-12.71


BIỂU ĐỒ MOMENT DO HOẠT TẢI NỬA MÁI PHẢI


BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO HOẠT TẢI NỬA MÁI PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO HOẠT TẢI NỬA MÁI PHẢI
Tĩnh tãi
Cột
Chân cột
M
V
N
-122.1 -12.2
-4.91
Dầm Đầu dầm
M
V
N
-18.16 -2.35
-12.93
4. Hoạt tải toàn mái

Vai cột
M
V
-23.31 -12.2
Giữa dầm
M
V
-9.87
-2.35

N
-4.91

N
-12.93

Đỉnh cột
M
V
18.16
-12.2
Cuối dầm
M
V
-0.57
-2.35

N
-4.91
N
-12.93


BIỂU ĐỒ MOMENT DO HOẠT TẢI TOÀN MÁI


BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO HOẠT TẢI TOÀN MÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO HOẠT TẢI TOÀN MÁI
Tĩnh tãi
Cột
Chân cột
M

V
-24.39
208.82
Dầm Đầu dầm
M
V
-71.7
-20.61
5. Dmax trái

N
-26.05

Vai cột
M
-11.23

N
-29.14

Giữa dầm
M
V
-10.48 -12.1

V
-24.39

N
-26.05

Đỉnh cột
M
V
71.7
-24.39

N
-26.05

N
-27.39

Cuối dầm
M
V
18.9
-3.6

N
-25.64


BIỂU ĐỒ MOMENT DO Dmax TRAI


BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO Dmax TRÁI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO Dmax TRÁI
Tĩnh tãi

Cột
Chân cột
M
V
113.02 -6.86
Dầm

Đầu dầm
M
V
9.42
1.61
6. Dmax phải

N
268.29
N
-6.68

Vai cột
M
-32.76

V
-6.86

Giữa dầm
M
V
3.4

1.61

N
0.23

Đỉnh cột
M
V
-9.42
-6.86

N
0.23

N
-6.68

Cuối dầm
M
V
-2.63
1.61

N
-6.68


BIỂU ĐỒ MOMENT DO Dmax PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC CẮT DO Dmax PHẢI

BIỂU ĐỒ LỰC DỌC DO Dmax PHẢI
Tĩnh tãi
Cột
Chân cột
M
-31.02
Dầm Đầu dầm
M
4.29

V
-6.86

N
-69.85

V
1.15

N
-6.77

7. Tmax trái

Vai cột
M
V
-27.63 -6.86

Giữa dầm
M
V
-0.02
1.15

N
-0.23
N
-6.77

Đỉnh cột
M
V
-4.29
-6.86
Cuối dầm
M
V
-4.34
1.15

N
-0.23
N
-6.77


BIỂU ĐỒ MOMENT DO Tmax TRÁI