Tính toán thiết kế hệ thống kết cấu khung thép nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp có cầu trục hoạt động

PHẦN I
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH
CỦA KHUNG NGANG
* Nội dung đồ án : tính toán thiết kế hệ thống kết cấu khung
thép nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhòp có cầu trục hoạt động :

Các số liệu chung :
* Đòa điểm xây dựng : thành phố Cần Thơ với áp lực gió tiêu
chuẩn ứng với vùng IIA, ít chòu ảnh hưởng của bão, q0 = 83
daN/m2
* Qui mô công trình :
- Sức nââng cầu trục Q = 10 (T) - Chế độ làm việc trung bình
- Chiều dài công trình b =74 (m), bước cột khung B = 6 (m)
- Chiều rộng nhòp L = 30 (m)
- Cao trình đỉnh ray Hr = 6 (m)

Bảng I-1: số liệu cầu trục chế độ làm việc trung bình
Sức
trục
Q

Nhòp
LK

Chiề
u cao
gabar

Khoả
ng
cách

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Bề
rộng
gabarit

Bề
rộng
đáy

Trọng
lượng
cầu

Trọng
lượng
xe

p
lực
Pmax

p
lực

Trang: 1


(T)

(m)

it HK
(m)

10

28

0.96

Zmin
(m)

BK (m)

0.18

5.3

KK (m)

trục
G (T)

con
Gxe
(T)

(T)

Pmin (T)

4.6

12.78

0.833

8.19

3.2

I.XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG:
I.1: Xác đònh kích thước theo phương đứng:

Chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang:
H2 = HK + bK = 0.96 + 0.3 (m) --> Chọn: H2 =1.26(m)
o bK= 0.3 (m) khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang
Điều kiện: bK≥ 0.2 (m)
Chiều cao của khung ( tính từ móng đến đáy xà ngang)
H = H1 + H2 +H3 = 6 + 1.26 + 0 =7.26 (m)
o H3 = 0: phần cột chôn dưới nền coi mặt móng ở cốt
±0.000
Chiều cao của phần cột tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến
đáy xà ngang:
Ht = H2 + Hr + Hdct = 1.26 + 0.2 + 0.6 = 2.06 (m)
o Hr = 0.2 (m) chiều cao của ray và đệm

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 2


Hdct = 0.6 (m) chiều cao dầm cầu trục

Chiều cao của phần cột tính từ mặt móng đến mặt trên của
vai cột:a
Hd = H – Ht = 7.26– 2.06 = 5.2 (m)
I.2 Xác đònh kích thước theo phương ngang nhà:
Khoảng cách từ tim ray cho tới trục đònh vò ( vì Q 10 (T) < 30 (T)
nên trục đònh vò trùng với mép ngoài của cột => a = 0) :

Chiều cao tiết diện cột theo yêu cầu độ cứng :

 chọn h = 50 (cm)
Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và khung :
Z = L1 – h = 1 – 0.5 = 0.5 (m) > Zmin = 0.18 (m)  thỏa
I.3 Kích thước dàn mái và hệ giằng:
* Dàn mái: có cấu tạo như hình vẽ

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 3


Hình 1.5 Sơ đồ giằng cửa mái
* Hệ giằng:
- Nhiệm vụ của hệ giằng trong nhà công nghiệp :

Đảm bảo tính bất biến hình của hệ thống kết cầu khung
nhà xưởng . Ổn đònh hệ khung khi dựng lắp.
Giảm bớt tải trọng theo phương dọc nhà.
Đảm bảo sự làm việc không gian của hệ thống khung nhà
xưởng, nhất là khi chòu lực hãm ngang của cầu trục.
- Cấu tạo : gồm 2 hệ thống :
Giằng cột, bao gồm giằng cột dưới và giằng cột trên .
Giằng cột dưới bố trí tại giữa khối nhiệt độ, giằng cột trên
được bố trí tại giữa khối nhiệt độ (trên hệ giằng cột dưới), và
hai đầu khối nhiệt độ .
Giằng mái, gồm các khối hộp sáu mặt trên mái, được bố
trí tại giữa khối nhiệt độ, hai đầu khối nhiệt độ và cách nhau
khoảng 10-30 m .Mỗi khối hộp gồm 2 mặt bên là 2 dàn mái,
mặt trên ờ 2 đầu khối hộp là 2 giằng đứng đầu dàn . Các
dàn khác không nằm trong khối hộp sẽ tựa vào các khối hộp
thông qua panen mái, hệ giằng đứng giữa dán, xà gồ thanh
chống …
* Hệ thống giằng cánh trên và dưới:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 4


* Hệ giằng đứng :

SƠ ĐỒ GIẰNG ĐỨNG TL: 1/250
* Hệ giằng ở cột:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 5


I.4 – Thiết kế xà gồ mái:
Xà gồ mái trong khung thép nhẹ thường dùng thép tạo hình
thép nguội thành mỏng tiết diện chữ C hoặc chữ Z ( ta chọn
tiết diện chữ C để thiết kế). Vì xà gồ có độ cứng nhỏ khi
chòu uốn theo phương trong mặt phẳng mái nên thường cấu
thêm hệ giằng xà gồ bằng thép tròn có đường kính þ12 - 20
Xà gồ được tính toán như cấu kiện chòu uốn xiên. Sơ đồ tính
là dầm đơn giản hoặc dầm liên tục ( tùy vào cấu tạo của
mối nối xà gồ của hệ giằng xà gồ).
Tải trọng tính toán tác dụng lên xà gồ:

+trong đó: - Chọn thép chữ C số hiệu 16
o

= 20 (kg/m2) – Trò số tiêu chuan của trọng lượng các lớp
mái.

o

= 30 (kg/m2) – Trò số tiêu chuan của hoạt tải mái.

o

= 14.2 (kg/m2) – Trò số tiêu cuẩn của trọng lượng bản
than xà gồ.

o

= 1.2 – Hệ số vượt tải của tónh tải mái.

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 6


o

= 1.3 – Hệ số vượt tải của hoạt tải mái.

o axg = 3 - Khoảng cách bố trí xà gồ trên mặt bằng.
o

= 8.530 – Góc dốc của mái.

Phân loại tải theo 2 phương:
chọn qx = 206 (kg/m)
chọn qy = 31 (kg/m)
Kiểm tra tiết diện xà gồ;

Vì xà gồ có hệ giằng nên

( thỏa)

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 7

PHẦN 2
XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG
TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG
I. XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG LÊN KHUNG NGANG:
I.1 - Tónh tải:
* Tónh tải tác dụng lên khung ngang bao gồm :
- Trọng lượng bản thân của kết cấu chòu lực (xà ngang, giằng
mái, cửa mái, xà gồ … )
- Trọng lượng bản thân cột, dầm cầu chạy, dầm hãm, các hệ
giằng cột trên và cột dưới .
- Vật liệu lớp mái (tole sắt tráng kẽm…)
- Kết cấu bao che xung quanh (tole sắt tráng kẽm)
* Tải trọng thường xuyên :
Trọng lượng bản thân kết cấu chòu lực của mái : (tải trọng tính
toán đã nhân hệ số vượt tải)
Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 8


- Mái tole thiếc đòn tay thép hình : 20 (daN/m2) .
=> Trọng lượng tiêu chuẩn Trọng lượng toán của mái là:

o Với độ dốc i = 15% ta có cosα = 0.989
- Trọng lượng của cầu mái và hệ giằng:

-Trong đó :
o n = 1.2 : hệ số vượt tải .

=> Vậy tổng tải trọng phân bố đều trên sườn ngang :

I.2 - Hoạt tải: tải trọng tạm thời (tải trọng sửa chữa) :
Tải trọng sửa chữa mái là tải trọng do người và thiết bò
sửa chữa, vật liệu sửa chữa mái . Đối với trường hợp mái lợp
tole sắt tráng kẽm (vật liệu nhẹ) theo quy phạm về tải trọng và
tác động TCVN – 2737 – 1995 lấy bằng 30 daN/m2 . Với hệ số hoạt
tải n = 1.3

I.3 - Áp lực thẳng đứng của cầu trục tác dụng lên vai cột:
- Ta có:

+Trong đó:
o n = 1.1 - Hệ số vượt tải

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 9


o nc = 0.9 – Hệ số tổ hợp xét đến xác suất xảy ra đồng thời tải
tối đa của 2 cầu trục hoạt động cùng nhòp.
o ∑Yi : Tổng tung độ của đường ảnh hưởng phản lực gối tựa tại vò
trí bánh xe của cầu trục
o Pmax = 8.19 (T) – Áp lực lớn nhất tiêu chuẩn của 1 bánh xe cầu
trục lên ray (Tra bảng II-3)
o Pmin = 3.2 (T) - Áp lực nhỏ nhất tiêu chuẩn của 1 bánh xe cầu
trục lên ray (Tra bảng II-3). Với:

-Và:

o Q = 16 (T) – Sức nâng thiết kế của cầu trục.
o G = 11.18 (T) – Trọng lượng toàn bộ cầu trục
o n0 = 2 – Số bánh xe cầu trục 1 bên ray.
Vậy trò số áp lực đứng tính toán của cầu trục truyền lên vai
cột:

Các lực Dmax va D

in thông qua ray và dầm cầu trục sẽ truyền
m
vào vai cột, do đó sẽ có e là độ lệch tâm từ trục ray đến trục
cột.

Có:
=>Mmax = Dmax * e = 13700 * 0.75 = 10275(kg.m)
=>Mmin = Dmin * e = 5400* 0.75 =4050 (kg.m)
Lực xô ngang của cầu trục:
-Ta giả đònh cầu trục sử dụng móc mền ( fms = 0.1)
-Tổng lực hãm ngang tác dụng lên toàn cầu trục

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 10


+Trong đó:
o nxc = 4 – Số bánh xe của xe con
o fms = 0.1 – Hệ số ma sát giữa thép và thép

o n’xc = 2 – Số bánh được hãm của xe con (

)

-Lực hãm ngang tiêu chuẩn lên 1 bánh xe của cầu trục:

Lực xô ngang của cầu trục là:

I.4 – Tải Trọng Gió:
-Công trình được xây dựng tại thành phố Cần Thơ có vùng gió
II.A:

-Trong đó:
o q0 = 83 (kg/m2)
o n = 1.3 - Hệ số vượt tải
o c = +0.8 – Hệ số khí động ( đón gió)
o k : Hệ số cao trình ( TPCT có dạng đòa hình A)
Bảng II-1: Hệ số cao trình k

Và:
đồ 2)

Độ cao Z (m)

Đòa hình A

8.1

1.14

10.3

1.18

12.1

1.21

;

( tra TCVN 2737 – 1995 <-> Bảng 6 sơ
Bảng II-2: Hệ số khí động Ce1

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 11


α

0

0

0.24

2.4

0

0

-0.324

-0.8

8.53

0.0853

-0.239

-0.515

20

0.2

-0.124

-0.4

o Chọn: Ce3 = -0.4; Ce2 = -0.4; Ce1 = -0.2
-Tải trọng tác dụng lên cột :
--Phía đón gió:
--Phía khuất gió:
-Tải trọng tác dụng lên mái:

Ta có:
--Phía đón gió:
--Phía khuất gió:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 12


PHẦN 3
XÁC ĐỊNH NỘI LỰC KHUNG NGANG
Để xác đònh nội lực của khung ngang, có thể xác đònh bằng
phương pháp chuyển vò (tính toán thủ công bằng tay), hoặc tính
theo phường pháp phần tử hữu hàn (nhờ máy tính chương trình
Sap 2000) . Ta chọn phương án tính toán trên máy tính với chương
trình Sap 2000 .
I-Các trường hợp tải trọng tác dụng lên khung:
Xét các tổ hợp cơ bản:
+Tổ hợp gồm nội lực do tónh tải và một hoạt tải gây ra ( hệ
số tổ hợp nội lực nc = 1)
+Tổ hợp gồm nội lực do tónh tải và các hoạt tải bất lợi gây ra
( hệ số tổ hợp nội lực nc = 0.9)
a. Thống kê tải trọng:
1. TT: Tónh tải
2. HTM: Hoạt tải mái chất
đầy
3. HTGP: Gió phải

5. HTDmax T: Hoạt tải cầu
trục trái
6. HTDmax P: Hoạt tải cầu
trục phải
7. HTLHT: Hoạt tải lực hãm

trái

4. HTGT: Gió trái
Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 13


8. HTLH P: Hoạt tải lực hãm
phải
b Các trường hợp tổ hợp tải:

TH3: TT+HTM+HTDmaxT+HTLHT
TH4: TT+HTM+HTDmaxP+HTLHP
TH5: TH1+TH2+TH3+TH4

TTH1:
TT+HTM+HTGT+HTDmaxT+HTLHT
TH2:
TT+HTM+HTGP+HTDmaxP+HTLHT

3.3 – Sơ đồ tải:
1.Tỉnh tải:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 14


2.Hoạt tải mái chất đầy:

3.Gió phải:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 15


4.Gió trái:

5.Hoạt tải cầu trục trái:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 16


6.Hoạt tải cầu trục phải:

7.Hoạt tải lực hãm trái:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 17


8.Hoạt tải lực hãm phải:

PHẦN 4
THIẾT KẾ CỘT, VAI CỘT VÀ LIÊN KẾT

CHÂN CỘT
I- THIẾT KẾ CỘT:
Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 18


Cột được coi như những cấu kiện chòu nén lệch tâm trong
mặt phẳng khung và nén đúng tâm ngoài mặt phẳng khung .
Trong trường hợp tính ổn đònh mặt ngoài khung đối với cột cần
kể đến ảnh hưởng của mômen tác dụng trong mặt phẳng
khung .
Các công việc thiết kế cột bao gồm : xách đònh chiều dài
tính toán cột trong và noài mặt phẳng khung, thiết kế tiết diện
cột, thiết kế các chi tiết cột : chân cột và vai cột .Cột trong
nhà công nghiệp một tầng, phạm vi đồ án này, chọn cột có
cấu tạo theo dạng tiết diện đặc, có dạnh chữ I .
+ Số liệu thiết kế:
Vật liệu thép mac CCT34 có cường độ: với
- f = 2100 (kg/cm2)

,

- fv = 1200 (kg/cm2) ;

- fu = 3400 (kg/cm2)
- fy = 2200 (kg/cm2)

- fc = 3200 (kg/cm2) ;
- Môdun đàn hồi: E = 2.1*106 (kg/cm2)

a) Chiều dài tính toán của cột trong và ngoài mặt phẳng khung
(tiết diện không đổi):
- Chiều dài hình học của cột được tính từ mặt móng đến liên
kết đầu tiên với dàn
 Hc = H +hd = 7.26 + 5.2 = 12.46 (m)
Ta có liên kết cột khung với móng là ngàm:

-Trong đó:
o
: hệ số chiều dài tính tóan
o n : là tỷ số độ cứng đơn vò của xà và cột. Với :

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 19


o Ixà, Icột : mômen quán tính của xà và cột. Do 2 tiết diện
cùng lọai nên Ixà = Icột.
Chiều dài tính tóan trong mặt phẳng khung của cột có tiết
diện không đổi:

Chiều dài tính tóan của cột theo phương ngòai mặt phẳng
khung ly lấy bằng khỏang cách giữa các điểm cố đònh không
cho cột chuyển vò theo phương dọc nhà ( dầm cầu trục, giằng
cột, xà ngang…). Giả sử bố trí giằng cột nhà bằng thép chữ C
tại cao trình +3500 ( hay là khỏang cách giữa phần cột tính từ
móng đến dầm hãm)
=> ly = 3.5 (m)
b) chọn và kiểm tra tiết diện:

ta có: h = 50 (cm). chọn lại tiết diện h dựa vào Hc :

=> chon h = 60 (cm)
Theo cặp nội lực:
•

Trường hợp 1: TT+HTM+HTGT+HTDmaxT+HTLHT

N = -22246 (kg)
M = 249800 (kg.cm)
Độ lệch tâm của cột:

--Tương tự:

*Trường hợp 2: TT+HTM+HTGP+HTDmaxP+HTLHT

N = -10648 (kg)
Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 20


M = 374500 (kg.cm)
=>Ayc = 12.880 (cm2)
--Tương tự:

*Trường hợp 3: TT+HTM+HTDmaxT+HTLHT

N = -25096 (kg)
M = 244300 (kg.cm)

=>Ayc = 19.210 (cm2)
--Tương tự:

*Trường hợp 4: TT+HTM+HTDmaxP+HTLHP

N = -12788 (kg)
M = -53600 (kg.cm)
=>Ayc = 8.550 (cm2)
Vậy ta chọn cặp nội lực của Trường hợp 3:
TT+HTM+HTDmaxT+HTLHT có
- Tiết diện cột được chọn như sau :

Bề rộng tiết diện cột chọn theo cấu tạo và độ cứng:

 Chọn b = 30 (cm)
 Bề dày bản cánh:

 Chọn

,

- Vậy ta có:
+Bản bụng (tw x hw): 0.7 * 57 (cm)

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 21


+Bản cánh (tf x bf) : 1.5 * 30 (cm)

=>Tiết diện đặc trưng hình học :
A = Aw + 2Af = (0.7*57) + 2*(1.5*30) =129.9(cm2)
c-Kiểm tra tiết diện đã chọn:
 Momen quán tính của tiết diện đối với trục x:

 Momen quán tính của tiết diện đối với trục y:

 Bán kính quán tính của tiết diện đối với trục x:

 Bán kính quán tính của tiết diện đối với trục y:

 Độ mảnh tính toán của tiết diện cột theo phương x:

=>hệ số uốn dọc ( Tra bảng D.8-trang 99/ TCVN
338:2005).
- Phương pháp nội suy theo 2 phương.
Độ mảnh

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Hệ số φ đối với các
cấu kiện bằng thép
có cường độ tính toán
Trang: 22


f (Kg/m2)
2000

2100

2400

50

0.869

0.865

0.852

52.23

0.857

0.855

0.838

60

0.827

0.822

0.805

o Chọn φ = 0.855 =>Hệ số α:

=> [λ] = 180 - 60α = 180 –

60*0.108 = 173.52
Và: λx = 52.23 < [λ] = 173.52 (thỏa)

 Độ mảnh tính toán của tiết diện cột theo phương y:

=>hệ số uốn dọc ( Tra bảng D.8-trang 99/ TCVN
338:2005).
- Phương pháp nội suy theo 2 phương.

Độ mảnh

Hệ số φ đối với các
cấu kiện bằng thép
có cường độ tính toán
f (Kg/m2)
2000

2100

2400

40

0.906

0.903

0.894

48.61

0.874

0.870

0.853

50

0.869

0.865

0.852

o Chọn φ = 0.870 =>Hệ số α:

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 23


=> [λ] = 180 - 60α = 180 –
60*0.106 = 173.64
Và: λy = 48.61 < [λ] = 173.64 (thỏa)

 Độ mảnh quy đổi theo phương x:

 Độ mảnh quy đổi theo phương y:

 Độ lệch tâm tương đối:

Với:

 Độ lệch tâm quy đổi:

+ Trong đó:
o η : Hệ số ảnh hưởng của hình dạng tiết diện ( Bảng D.9trang 109/TCVN 338:2005)



ta có

,

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 24


và

b.1) Kiểm tra bền:

+Trong đó: -An: diện tích thực của tiết diện cột
-Wxn: momen chống uốn thực của tiết diện cột
- Chỉ kiểm tra đối với tiết diện bi giảm yếu hoặc khi độ lệch
tâm quy đổi me > 20.
++ Vì me = 0.734 < 20 => không cần kiểm tra bền.
b.2)Kiểm tra ổn đònh tổng thể:

--

,

- φe: hệ số uốn dọc của cấu kiện chòu nén lệch tâm.
( Bảng D.10-trang 103-104/TCVN 338:2005)
- Phương pháp nội suy theo 2 phương.

Đồ án thép nhà cơng nghiệp

Trang: 25