Thiết kế khung đầu hồi nhà xưởng công nghiệp

NỘI DUNG BÀI TIỂU LUẬN
….*….
PHẦN 1: PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 2
I. SỐ LIỆU ĐỀ BÀI
Nhịp nhà
(m)
L1= 15m
-

L2 =24m

Bước
cơt
(m)
7

Cao trình
Cầu
Đỉnh ray Hr trục
(m)
Q (T)
11,5

5

Vùng áp
lực gió

Chiều dài
nhà (m)

Độ
dốc i
%

IIA

175

20

Dạng địa hình để tính gió là dạng địa hình B;
Nhịp giữa có 2 cần trục hoạt động với sức trục Q đã cho ở trên bảng.
Vật liệu lợp mái :Tole…

II. GIẢI PHÁP BỐ TRÍ KHUNG ĐẦU HỒI
1. Lựa chọn sơ đồ kết cấu khung ngang đầu hồi
Khung ngang đầu hồi nhà công nghiệp 1 tầng, 2 nhịp gồm các cấu kiện: cột
đặc khung đầu hồi, xà ngang (dầm), thanh chống ngang nhà và các giằng hệ giằng
chéo. Để đảm bảo độ cứng theo phương ngang nhà thì liên kết giữa cột và dầm mái
phải là liên kết cứng. Khung đầu hồi dùng xà ngang (dầm) có độ dốc 20%.
Mái lợp bằng Tole, ở khung đầu hồi khơng bố trí cửa trời.
Ngồi ra, khung đầu hồi có bố trí thêm các sườn ngang, giằng sườn (hình vẽ)
và kết cấu bao che.
- Cột đầu hồi và các cột sườn tường sử dụng thép tổ hợp chữ I không thay đổi,
do nội lực ở khung đầu hồi nhỏ hơn các khung khác, và để tiết kiệm vật liệu
hơn là thiết kế cột rỗng.
- Xà ngang (dầm mái) ở khung trục BC sử dung dầm thay về sử dụng dàn vì
kèo vì các liên kết giữa dầm và cột dễ thiết kết, thi cơng, nội lực nhỏ hơn khu
điển hình.
- Sườn ngang: có tiết diện thơng thường là thép định hình chữ I, chữ C hoặc tổ

hợp đặt nằm ngang nhằm giảm chiều dài sườn dọc (làm tăng độ cứng cho
sườn dọc). Thường được tính như dầm đơn giản chịu tải trọng gió và TLBT
tường. ở phương án bài làm sử dụng thép chữ I để tiết kiệm dễ thi cơng.
- Ngồi ra cịn bố trí thêm hệ giằng chéo để tăng cường độ cứng và chống biến
dạng cho hệ sườn bao che
- Tiết diện cấu kiện khung đầu hồi nhỏ hơn tiết diện cấu kiện khung ngang để
tiết kiệm. Tuy nhiên, để đảm bảo an tồn thì nhóm chọn giải pháp tiết diện
các cấu kiện khung đầu hồi sẽ sơ bộ giống như các khung ngang còn lại.


2. Kích thước chính khung đầu hồi
2.1 Sơ bộ tiết diện cột
a. Sơ bộ cột biên CB1-1, CB1-2

Chọn hc=400mm

Chọn tw = 8mm
Chọn bf = 220mm

Chọn tf =10mm
 Vậy kích thước sơ bộ của cột CB1-1, CB1-2 là I 400×220×8×10
b. Sơ bộ cột giữa CG1-1, CG1-2, CG1-3, CG1-4, CG1-5:

Chọn hc=400mm

Chọn tw = 8mm
Chọn bf = 200mm


Chọn tf = 10mm

 Vậy kích thước sơ bộ của cột CG1, CG1-2, CG1-3, CG1-4, CG15 là I 400×200×8×10
2.2 Sơ bộ tiết diện xà ngang (dầm mái)
a. Sơ bộ tiết diện dầm mái DM1-1:

Chọn sơ bộ: hd = 250mm
Theo điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng chịu ứng suất tiếp không sử dụng sườn
gia cường:

Chọn sơ bộ tw = 6mm
Theo điều kiện ổn định tổng thể của dầm đồng thời đễ dễ dàng liên kết với các cấu
kiện khác thì bề rộng dầm khơng nên q bé, ta sơ bộ:

Chọn bf = 180mm
Theo điều kiện ổn định cục bộ bản cánh chịu nén, tỷ số chiều rộng và chiều dày của
bản cánh cần thỏa mãn điều kiện:

Chọn tf = 8mm
 Vậy kích thước sơ bộ của dầm DM1-1 là I 250×180×6×8
c. Sơ bộ tiết diện dầm chính DM 1-2, DM1-3:

Chọn sơ bộ: hd = 250mm
Theo điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng chịu ứng suất tiếp không sử dụng sườn
gia cường:

Chọn sơ bộ tw = 6mm
Theo điều kiện ổn định tổng thể của dầm đồng thời đễ dễ dàng liên kết với các cấu
kiện khác thì bề rộng dầm không nên quá bé, ta sơ bộ:

Chọn bf = 180mm

Theo điều kiện ổn định cục bộ bản cánh chịu nén, tỷ số chiều rộng và chiều dày của
bản cánh cần thỏa mãn điều kiện:



Chọn tf = 8mm
Vậy kích thước sơ bộ của dầm DM1-2; DM1-3 là I 250×180×6×8

2.3 Sơ bộ các sườn, thanh giằng
- Các thanh sườn ngang tiết diện I 220×110×6×8
- Các thanh chống dọc nhà tiết diện Thép ống D130x5
- Các thanh giằng chéo tiết diện Thép ống D90x3,5

Hình 1: Sơ đồ tiết diện khung điển hình
III. TRÌNH BÀY GIẢI PHÁP BỐ TRÍ CÁC HỆ GIẰNG
Hệ gằng có các tác dụng sau đây:
 Tăng độ cứng cho tồn bộ cơng trình: Vì vật liệu thép có cường độ cao nên tiết

diện thiết kế nhỏ, độ mảnh lớn, khả năng mất ổn định cao. Do đó, cần bố trí hệ
giằng để liên kết các thành phần lại với nhau, tạo thành kết cấu khơng gian có
độ cứng cao.
 Tác dụng thứ hai của hệ giằng mái là tạo điểm cố kết trên cánh nén của dầm
chịu uốn, hoặc thanh chịu nén, nhằm làm giảm chiều dài tính tốn, tăng tính ổn
định của các cấu kiện.
 Tác dụng thứ ba là chịu tác dụng của các tải trọng dọc nhà như tải gió.
 Cuối cùng, giằng mái làm cho việc lắp dựng an toàn, thuận lợi.
Nguyên tắc tổng quát khi xem xét thiết kế thì vị trí các hệ giằng, tiết diện các
thanh giằng, liên kết các thanh giằng…cần được đưa vào sơ đồ tính. Trong trường
hợp, khơng tính tốn khơng gian, chỉ tính khung phẳng thì cần đặt theo cấu tạo.

Hệ giằng ở nhà công nghiệp bao gồm 2 bộ phận: Hệ giằng mái và hệ giằng cột.
1. Hệ giằng mái
Hệ giằng ở mái bao gồm các thanh giằng bố trí trong phạm vi từ cánh dưới
dàn trở lên. Chúng được bố trí nằm trong các mặt phẳng cánh trên dàn, mặt phẳng
cánh dưới dàn và mặt phẳng đứng giữa các dàn.
1.1 Giằng trong mặt phẳng cánh trên
Giằng trong mặt phẳng cánh trên gồm các thanh chéo chữ thập trong mặt phẳng
cánh trên và các thanh chống đọc nhà. Tác dụng chính của chúng là bảo đảm ổn
định cho cánh trên chịu nén của dàn, tạo nên những điểm cố kết khơng chuyển vị ra
ngồi mặt phẳng dàn. Các thanh giằng chữ thập nên bố trí ở hai đầu khối nhiệt độ.
Khi khối nhiệt độ q dài thì bố trí thêm ở quãng giữa khối, sao cho khoảng cách
giữa chúng khơng q 50 - 60m. Các dàn cịn lại được liên kết vào các khối cứng
bằng xà gồ hay sườn của tấm mái.
Cụ thể khoảng cách các giằng:
+ Giằng chéo cánh trên trục B - C: Khoảng cách 3m ở khung trục (6-7); (19-20);
(25-26).
+ Riêng giằng chéo ở 2 khung đầu hồi trục B - C: Khoảng cách 6m ở khung (1-2);
(25-26).
+ Thanh chống dọc nhà dùng để cố định những nút quan trọng của nhà: nút đỉnh nóc
(bát buộc), nút đầu dàn, nút dưới chân cửa trời. Những thanh chống dọc này cần
thiết để bảo đảm cho độ mảnh của cánh trên trong q trình dựng lắp khơng vượt
q 220.
+ Có khe nhiệt ở khu trục 13 – 13’: Khoảng cách 1m.

Hình 2: Sơ đồ bố trí hệ giằng cánh trên.


1.2 Giằng trong mặt phẳng cánh dưới

Hệ giằng cách dưới gồm có 2 bộ phận:
+ Hệ giằng ngang, cấu tạo và bố trí tại các vị trí có giằng cánh
trên.
+ Hệ giằng dọc bố trí dọc theo đầu cột.
Cùng với hệ giằng cánh trên, hệ giằng ngang cánh dưới tạo
thành các khối cứng ở giữa nhà. Hệ giằng cánh dưới được bố trí ở
khung (2-3) và khung (24-25), khung đâu ta dung xà ngang (dầm)
nên không giằng cánh dưới. Mặt khác hệ giằng này là điểm tựa cho
cột sườn tường để tiếp thu tải trọng truyền vào. Hệ giằng dọc nhà
được bố trí dọc theo đầu cột, với chiều rộng bằng chiều dài đầu
tiên của cánh dưới giàn, có tác dụng tạo độ cứng dọc nhà.
Trong những nhà xưởng có cầu trục Q, hoặc có cầu trục chế độ làm việc nặng,
để tăng độ cứng cho nhà, cần có thêm hệ giằng cánh dưới theo phương dọc nhà. Hệ
giằng này bảo đảm sự làm việc cùng nhau của các khung, truyền tải trọng cục bộ tác
dụng lên một khung sang các khung lân cận. Bề rộng của hệ giằng thường lấy bằng
chiều dài của khoang đầu tiên của cánh đưới dàn. Trong nhà xưởng nhiều nhịp, hệ
giằng dọc được bố trí dọc hai hàng cột biên và tại một số hàng cột giữa, cách nhau
60 - 90m theo phương bề rộng nhà. Tại các vị trí đỉnh mái, đầu dầm, chân cửa trời
bố trí các thanh chống dọc.
Cụ thể khoảng cách các giằng:
+ Giằng chéo cánh dưới trục B - C: Khoảng cách 6m ở khung trục (6-7); (19-20);
(25-26).
+ Giằng dọc nhà với với khoảng cánh bằng bước cột 7m.

Hình 3: Sơ đồ bố trí hệ giằng cánh dưới.
2. Hệ giằng cột
Hệ giằng ở cột bảo đảm sự bất biến hình học và độ cứng của tồn nhà theo
phương dọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà và bảo đảm ổn định của cột. Trong
mỗi trục dọc một khối nhiệt độ cần có ít nhất một tấm cứng; các cột khác tựa vào
tấm cứng bằng các thanh chống dọc. Tấm cứng gồm có hai cột, dầm cầu trục, các

thanh ngang và các thanh chéo chữ thập. Các thanh giằng cột bố trí suốt chiêu cao
của hai cột đĩa cứng: trong phạm vi đầu dàn - chính là hệ giằng đứng của mái; lớp
trên từ mặt dầm cầu trục đến nút gối tựa dưới của dàn kèo; lớp dưới, bên dưới dầm
cầu trục cho đến chân cột. Các thanh giằng lớp trên đặt trong mặt phẳng trục cột;
các thanh giằng lớp dưới đặt trong hai mặt phẳng của hai nhánh.
Tấm cứng phải đặt vào khoảng giữa chiều dài của khối nhiệt độ để không cản trở
biến dạng nhiệt độ của các kết cấu dọc. Nếu khối nhiệt độ quá dài, một tấm cứng
không đủ để giữ ốn định cho tồn bộ các khung thì dùng hai tấm cứng, sao cho
khoảng cách từ đầu khối đến trục tấm cứng không quá 75m và khoảng cách giữa
trục hai tấm cứng không lớn quá 50m. Sơ đồ các thanh của tấm cứng có nhiều dạng:
chéo chữ thập một tầng - đơn giản nhất - hoặc hai tầng khi cột cao; kiểu khung cổng
khi bước cột 12m hoặc khi cần làm lối đi thơng qua.
Hệ giằng cột được bố trí thành 2 lớp: giằng cột trên và giằng cột dưới. Các thanh
giằng cột trên bố trí ở truc cột, các thanh giằng cột dưới bố trí ở cả hai nhánh cột.
Ngồi ra ở đầu hồi nhà, đầu khối khe nhiệt độ thường bố trí giằng cột trên để nhận
lực gió từ đầu hồi một cách nhanh chống. Các thanh giằng lớp trên này tương đối
mảnh nên không gây ứng suất nhiệt độ đáng kể. Các lực tác dụng dọc nhà truyền
xuống móng qua hệ giằng cột dưới. Khi bố trí hệ giằng cột không vượt quá kinh
thước sau: Khoảng cách từ đầu hồi đến hệ giằng gần nhất là 75m, khoảng cách giữa
hai hệ giằng trong một khối nhiệt độ là 50m.
Cụ thể khoảng cách các giằng:
+ Giằng chéo cột trục A: khoảng cách 7m ở các khung trục (1-2); (6-7); (19-20);
(25-26). Giằng ở cao trình + 5,9m; +11,8m.
+ Giằng chéo cột trục B và C : khoảng cách 7m ở các khung trục (1-2); (6-7); (1920); (25-26). Giằng ở cao trình + 5,9m; +11,8m; +14.8m

Hình 4: Sơ đồ bố trí hệ giằng cột trục A

Hình 5: Sơ đồ bố trí hệ giằng cột trục B,C.
IV. TẢI TRỌNG TÁC DỤNG VÀO KHUNG ĐẦU HỒI
1. Tĩnh tải
1.1 Tính tốn tĩnh tải
• Tĩnh tải tác dụng lên khung bao gồm:
-

Trọng lượng bản thân kết cấu gồm:
+ TLBT Cột
+ TLBT Dầm
+ TLBT Dầm vai
+ TLBT Thanh chống
 Phần mềm sẽ tự tính tốn.

-

Trọng lượng mái: Tole + Xà gồ.
Tải trọng tiêu chuẩn :
Tải trọng tính tốn :
Với n = 1,05 là hệ số vượt tải.

-

Trọng lượng hệ giằng mái:
Tải trọng tiêu chuẩn :
Tải trọng tính tốn :

•

Với n = 1,05 là hệ số vượt tải.

Tải trọng truyền vào dầm mái là :
Với B = 7,5 m là chiều dài bước
cột

1.2 Sơ đồ tĩnh tải tác dụng lên khung đầu hồi
- Khi nhập gán tĩnh tải vào SAP2000, ta sẽ chọn 1 Combo gồm: Dead Load + Tải
hoàn thiện
+ Combo TT = Dead Load + Tải hoàn thiện
Tải hoàn thiện là phần tải tác tính tốn tác dụng lên khung.


Mơ hình 1: Tĩnh tải khung đầu hồi
2. Hoạt tải
2.1 Tính tốn hoạt tải mái
- Tải trọng tiêu chuẩn :
- Tải trọng tính tốn :
-

Với là hệ số vượt tải (TCVN 2737-1995).
Tải trọng truyền vào dầm mái :

Với B = 7,5 m là chiều dài bước cột.
2.2 Sơ đồ hoạt tải tác dụng lên khung đầu hồi
Khi gán hoạt tải mái vào phần mềm SAP2000, tạo thành 3
trường hợp tải:
- HT1: Tải trên mái nhịp L1.
- HT2: Tải trên nửa mái trái nhịp L2.
- HT3: Tải trên nửa mái phải nhịp L2.

Mơ hình 2: Hoạt tải 1 khung đầu hồi

Mơ hình 3: Hoạt tải 2 khung đầu hồi


Mơ hình 4: Hoạt tải 3 khung đầu hồi
3. Tải trọng gió
Theo TCVN 2737-1995, cơng trình có chiều cao H < 40m khơng kể đến thành
phần gió động, thành phần tĩnh được xác định như sau:
Trong đó:
- - Gió thuộc địa hình B, vùng áp lực gió IIA,
- .
- C - Hệ số khí động: Tính tải gió sẽ kết hợp 2 sơ đồ 2,14 và 6 TCVN 27371995,
- K - Hệ số tính đên sư thay đồi áp lực gió theo độ cao.
- n = 1,2 - Hệ số vượt tải.
3.1 Tải trọng gió theo phương y (dọc nhà)
• Khung điển hình


Dựa vào sơ đồ 2 TCVN 2737-1995, ta tra được hệ số khí động của mặt đón gió
Ce = +0,8.


Với H = 17,2m (thiên về an toàn, ta lấy điểm cao nhất của khung hồi để tính)
=> Hệ số tính đến sư thay đổi áp lực k = 1,102



Mặt đón gió:

Vị trí

k

c

B (m)

qtt (kN/m)

C1

1,102

+0,8

3,75

3,293

C2

1,102

+0,8

7,5

6,586

C3

1,102

+0,8

6,75

5,93

C4

1,102

+0,8

6

5,268

C7

1,102

+0,8

3

2,63



Mặt khuất gió :

Với các tỷ số :



Hệ số khí động cho các mặt bên và mặt khuất gió là Ce3 = -0,5.

Vi trí

k

c

B (m)

qtt (kN/m)

C1

1,102

-0,5

3,75

-2,058

C2

1,102

-0,5

7,5

-4,116

C3

1,102

-0,5

6,75

-3,704

C4

1,102

-0,5

6

-3,293

C7

1,102

-0,5

3

-1,646



Các mặt bên:

Khung biên chịu một nữa tải trọng của các khung điển hình.
* Trong đó : B = 7m – Chiều dài bước cột.
3.2 Tính tải trọng gió theo phương x (ngang nhà)

Dựa vào sơ đồ 14 TCVN 2737-1995, ta tra được hệ số khí động của các mặt
theo phương ngang nhà xưởng.


Gió trái :


Vị trí
0
1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11


Gió phải :

z (m)
0
10
11,8
14,8
16,6
18,1
18,7
18,1
16,6
14,8
10
0

k
1
1

1,05
1
1,1
1,1
1,1
1,1
1,1
1
1
1

c
0,8
0,8
0,8
-0,3
-0,3
0,3
-0,6
-0,6
-0,5
-0,5
-0,5
-0,5

qtt (kN/m)
5,58
5,58
5,86
-2,09

-2,3
2,3
-4,6
-4,6
-3,83
-3,49
-3,49
-3,49


Vị trí
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

z (m)
0
10
14.8
16.6
18.1

18.7
18.1
16.6
14.8
11.8
10
0

k
1
1
1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1
1.05
1
1

c
0.8
0.8
0.8
-0.3
-0.3
0.3
-0.6

-0.6
-0.5
-0.5
-0.5
-0.5

qtt (kN/m)
5,58
5,58
5,58
-1,53
4,6
-5,37
-5,37
-4,6
-3,49
-3,66
-3,49
-3,49

Qui tải gió về lực tập trung tại nút xà gồ :
- Tại nút giữa : .
- Tại nút biên : .
• Khung đầu hồi :
Dựa vào sơ đồ 14 TCVN 2737-1995, ta tra được hệ số khí động của các mặt theo
phương ngang nhà xưởng.



Gió trái:

Phần tử

z (m)

k

c

qtt (kN/m)

1

11,8

1,05

+0,8

2,928

2

14,8

1,077

-0,45

-1,689

3

17,2

1,102

-0,45

-1,729

4

17,2

1,102

-0,4

-1,537

5

14,8

1,077

-0,5

-1,877



Gió phải:

Phần tử
1

z (m)
14,8

k
1,077

c
+0,8

qtt (kN/m)
3,004


2
3
4
5

17,2
17,2
14,8

11,8

1,102
1,102
1,077
1,05

-0,326
-0,4
-0,4
-0,5

V. LẬP MƠ HÌNH TÍNH KHUNG KHƠNG GIAN 3D

Mơ hình 5: Tĩnh tải khung không gian 3D

-1,252
-1,537
-1,502
-1,83


Mơ hình 6: Hoạt tải 1 khung khơng gian 3D

Mơ hình 7: Hoạt tải 2 khung khơng gian 3D


Mơ hình 8: Hoạt tải 3 khung khơng gian 3D

Mơ hình 9: Gió X khung khơng gian 3D

Mơ hình 10: Gió -X khung khơng gian 3D

Mơ hình 11: Gió Y khung không gian 3D


Mơ hình 12: Gió -Y khung khơng gian 3D

VI. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NỘI LỰC KHUNG
1. Khung đầu hồi.
- Tải trọng theo phương ngang nhà tác dụng vào khung đầu hồi chỉ bằng
khoảng một nữa tải trọng theo phương ngang tác dụng vào các khung điển
hình.
- Khung đầu hồi là khung trực tiếp nhận tải trọng theo phương dọc nhà là gió Y
và gió –Y, nên việc thiết kế khung phải đảm bảo khả năng chịu lực theo cả hai
phương là phương dọc và phương ngang nhà xưởng


Hình 6: Gió Y tác dụng vào nhà xưởng.
-

Hầu như các loại tải trọng bao gồm : Tĩnh tải, Hoạt tải, Tải trọng cầu khục và
Gió X khơng gây nguy hiểm cho khung đầu hồi.

Hình 7. Biểu đồ lực dọc do tỉnh tải

Hình 8. Biểu đồ momen 3-3 do tỉnh tải

Hình 9: Biểu đồ lực dọc do hoạt tải 2 Hình 10: Biểu đồ momen 3-3 do hoạt tải 2

- Nội lực nguy hiểm trong khung đầu hồi chủ yếu do tải trọng theo phương dọc
là Gió Y và Gió –Y tác dụng vào. Để đảm bảo sự làm việc của khung ta thiết


kế các cột đầu hồi tiết diện chữ I chiều cao tiết diện đặt dọc theo hướng tác
dụng của tải Gió Y và –Y.

Hình 11: Biểu đồ momen 3-3 do tải Gió Y
2. Khung kế khung đầu hồi
- Khung kế đầu hồi chủ yêu làm việc theo phương ngang nhà. Nội lực phát sinh
chủ yếu do : Tĩnh tải, Hoạt tải, Tải trọng cầu khục và Gió X.
- Khi tải trọng gió tác dụng vào khung đầu hồi, tải theo phương dọc được
truyền qua các thanh giằng và thanh chống dọc truyền vào các khung kế
khung đầu hồi. Sau đó trực tiếp được truyền từ cột xuống móng. Như vậy,
trong trường hợp này các thanh giằng ngồi mục đích tạo thành khối bất biến
hình cịn có tác dụng truyền tải trọng một cách nhanh chóng vào cột và truyền
xuống móng. Ta cịn gọi hệ giằng này là hệ giằng gió.


Hình 12: Lực dọc do tải Gió Y

Hình 13: Biểu đồ momen 2-2 do tải Gió Y
3. Khung giữa
- Khung kế đầu hồi chủ yêu làm việc theo phương ngang nhà. Nội lực phát sinh
chủ yếu do : Tĩnh tải, Hoạt tải, Tải trọng cầu trục và Gió X.
- Từ ngồi khung đầu hồi vào phía trong nhà xưởng, tải gió dọc nhà truyền vào
giảm dần do được các khung ngoài chịu hầu hết.


Hình 14: Biểu đồ momen 2-2 do tải Gió Y

4. Vai trị của hệ giằng gió
Từ việc xem xét ứng xử của các khung, ta có thể rút ra được vai trị của hệ giằng
gió như sau :
- Tạo thành khối các khối cứng ngăn chuyển vị theo phương dọc nhà xưởng.
- Truyền tải trọng theo phương dọc nhà xưởng từ khung dầu hồi vào các khung
kế đầu hồi.