đồ án kết cấu công trình thép

GVHD: TS NGUYỄN VĂN HẬU

SVTH: NGUYỄN THỊ HUYỀN TRÂN MSSV: 19149347

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 CHƯƠNG 1: KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG1.1 Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp

Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diện không đổi liên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu cấu tạo thoát nước, chọn xà ngang có độ dốc    (tương đương i = 10 %) Do tính chất làm việc của khung ngang chịu tải6 trọng bản thân và tải trọng gió là chủ yếu, nên thông thường nội lực trong xà ngang ở vị trí nách khung thường lớn hơn nhiều nội lực tại vị trí giữa nhịp Cấu tạo xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảng biến đổi tiết diện cách đầu cột một đoạn 0.35 0.4  chiều dài nửa xà Tiết diện còn lại lấy không đổi.

Cửa mái chạy dọc suốt chiều dài nhà, mang tính chất thông gió, sơ bộ chọn chiều cao cửa mái là 2 m và chiều rộng cửa mái là 4 m.

Hình 1 1: Sơ đồ khung ngang

1.1.1 Số liệu thiết kế

Nhà công nghiệp có cầu trục:

Cường độ tính toán: f = 210 MPa.

Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn: fu = 340 MPa.

fv = 116 MPa, fy = 220 MPa Cấp độ bền của bê tông: B20 Kết cấu bao che: tôn

Que hàn N42 hoặc tương đương: f wt 180 MPa.

Phương pháp hàn bán tự động, phương pháp kiểm tra thông thường Với sức trục Q = 16 T và nhịp nhà L = 27 m ta tra bảng được:

Chiều cao của cột khung, tính từ mặt móng đến đáy xà ngang:

H là chiều cao ray và đệm, lấy bằng 200 mm.

Chiều cao của phần cột tính từ mặt móng đến mặt trên của vai cột:

Hình 1 3: Kích thước khung ngang

1.2.2 Chọn sơ bộ tiết diện

b Tiết diện dầm mái

Vậy tiết diện tại nút khung là I – 700x300x8x12Tiết diện tại đỉnh khung là: I – 400x300x8x12

Hình 1 6: Tiết diện dầm mái

c Tiết diện vai cột

Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray của cầu trục:

Chiều dài vai cột: Lv   hc a 0.2 1 0.7 0.2 0.5 m     Chọn Lv = 500 mm Trong đó: h là chiều cao tiết diện cột, 0.2 là khoảng cách từ trục ray đến mép ngoài cùng

d Tiết diện các cấu kiện cửa trời

Cửa trời có tác dụng thông gió cho nhà xưởng Kích thước cửa trời phụ thuộc vào yêu cầu thông thoáng của nhà.

Chiều cao cửa trời: 0.5 4 2 m 

Chiều cao cột và dầm mái cửa trời là 200 mm Bề rộng cánh cột và dầm mái cửa trời là 100 mm

Bề dày bản bụng của cột và dầm mái cửa trời là tw 6 mm Bề dày bản cánh của cột và dầm mái cửa trời là tf 8 mm

Tiết diện dầm, cột cửa trời là I - 200x100x6x8.

Đối với các công trình bằng thép, do vật liệu có cường độ cao nên tiết diện thường nhỏ, độ mảnh lớn Vì vậy, hệ giằng là một bộ phận rất quan trọng trong nhà thép tiền chế Các tác dụng của hệ giằng như sau:

− Đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng không gian cho kết cấu chịu lực.

− Chịu các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà, vuông góc với mặt phẳng khung như gió thổi lên tường đầu hồi, lực hãm cầu trục, động đất, và truyền tải trọng này xuống móng.

− Bảo đảm ổn định (hay giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng) cho cột, dầm mái.

− Tạo điều kiện thuận lợi, an toàn cho việc thi công lắp dựng.

Hệ thống giằng nhà có thể được chia thành 2 nhóm: hệ giằng cột và hệ giằng mái.

1.3.1 Hệ giằng mái

Hình 1 9: Mặt bằng giằng mái

1.3.2 Hệ giằng cột

Hình 1 10: Mặt đứng giằng cột

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ XÀ GỒ MÁI VÀ SƯỜN TƯỜNG

Hệ giằng: sử dụng thép 𝜙16, tải trọng tiêu chuẩn g = 0.0158 kN/m Dựa theo sơ đồ bố trí hệ giằng ta có tổng chiều dài hệ giằng mái là 216 m, tổng chiều dài hệ giằng xà gồ là

Theo TCVN 2737:1995, mái tôn không sử dụng có giá trị hoạt tải sửa chữa tiêu chuẩn ptc

= 0.3 kN/m2 mặt bằng nhà, do đó hoạt tải sửa chữa phân bố lên dầm mái:

Xà gồ được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiên, ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ theo hai phương x-x và y-y

Theo điều kiện bền : W W

Thỏa điều kiện bền.

b Điều kiện biến dạng

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

Thỏa điều kiện biến dạng.

2.1.4 Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ

Gió tác động lớn nhất lên xà gồ là trường hợp gió thổi dọc nhà, gây ra lực bốc mái với hệ số khí động c = - 0.4 Vùng gió IIB nên W0 = 0.95 (kN/m2 ) Chiều cao cột H = 10 (m) và dạng địa hình B nên lấy k = 1.00

Lực gió bốc theo phương vuông góc với mặt phảng mái:

 Thoả điều kiện bền.

Theo điều kiện biến dạng:

Sơ đồ tính của xà gồ theo phương trong mặt phẳng là dầm đơn giản nên:

Thỏa điều kiện biến dạng.

2.2 Thiết kế sườn tường 2.2.1 Cấu tạo sườn tường

• Tường nhà công nghiệp gồm lớp tôn tường và xà gồ cột • Tôn sử dụng loại tôn ASEM dày 47 (mm)

• Khoảng cách bố trí xà gồ cột theo phương đứng là 1.2 (m).

Thỏa điều kiện bền.

b Điều kiện biến dạng

Do có giằng xà gồ nên ta chỉ xét độ võng theo phương x Độ võng theo phương x:

CHƯƠNG 3: NỘI LỰC KHUNG3.1 Sơ đồ tính khung ngang

Liên kết của khung được xác định như sau: (1): Liên kết cột với dầm là liên kết nút cứng (2): Liên kết giữa dầm với dầm là liên kết nút cứng (3): Liên kết giữa chân cột với móng là liên kết ngàm (4): Liên kết cửa trời vào khung là liên kết nút cứng.

Hình 3 1: Sơ đồ tính khung ngang

- Số bánh xe một bên ray dầm cầu trục: n0= 2 - Lực ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe cầu trục:

- Tính toán cầu trục như dầm đơn giản

- Hệ số độ tin cậy tải trọng n= 1.3 (do sức trục P < Q =160 kN) - Hệ số động lực k1, k2 (đối với cầu trục làm việc bình thường): 1

- Khi xe con hãm phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương chuyển động Lực hãm của xe con qua các bánh xe cầu trục truyền lên dầm và vào cột

- Lực ngang tính toán của 1 bánh xe cầu trục do hãm:

- Vị trí cầu trục cho mômen lớn nhất là tại giữa dầm cách đều hợp lực tải trọng giữa cầu trục và bánh xe gần nhất Tiết diện cho moment lớn nhất là tiết diện nằm dưới bánh xe

Hình 3 2: Đường ảnh hưởng momen của cầu trục

Sơ đồ đường ảnh hưởng lực cắt: P = 127.075 kN

Hình 3 3: Đường ảnh hưởng lực cắt của cầu trục

• Kiểm tra điều kiện bền:

Đối với cánh dưới cầu trục:

 Thoả điều kiện

• Kiểm tra ứng suất tiếp tại gối:

 Thoả điều kiện

• Kiểm tra ứng suất tiếp tại Mmax:

 Thoả điều kiện

• Kiểm tra ứng suất tương đương tại chỗ tiếp giáp giữa bản bụng và bản cánh:

3.3 Tải trọng tác dụng lên khung 3.3.1 Tải trọng thường xuyên (tĩnh tải)

 Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái: - Tôn ASEM, tải trọng tiêu chuẩn c 0.0422 kN/m 2

mg 

- Xà gồ: Tải trọng tiêu chuẩn 0.0453 kN/m, dựa theo sơ đồ bố trí xà gồ mái ta có tổng chiều dài các thanh xà gồ là 1440 m

- Hệ giằng: sử dụng thép Φ16, tải trọng tiêu chuẩn g = 0.0158 kN/m Dựa theo sơ đồ bố trí hệ giằng ta có tổng chiều dài hệ giằng mái là 216 m, tổng chiều dài hệ giằng xà gồ là

 Tải trọng kết cấu bao che sườn tường: - Tôn ASEM, tải trọng tiêu chuẩn 0.0422 kN/m2

- Xà gồ: Tải trọng tiêu chuẩn 0.0484 kN/m, dựa theo sơ đồ bố trí xà gồ cột, tổng chiều dài xà gồ là 540 m cho 1 bên tường dọc nhà.

- Hệ giằng: sử dụng thép Φ16, tải trọng tiêu chuẩn g = 0.0158 kN/m Dựa theo sơ đồ bố trí hệ giằng sườn tường ta có tổng chiều dài hệ giằng là 123 (m) cho 1 bên tường dọc nhà.

- Tải trọng phân bố của hệ giằng:

3.3.2 Hoạt tải sửa chữa mái

Theo TCVN 2737:1995, mái tôn không sử dụng có giá trị hoạt tải sửa chữa tiêu chuẩn

- Áp lực đứng cầu trục Dmax, Dmin của cầu trục truyền qua dầm cầu trục thành tải trọng tập trung đặt tại vai cột Trị số Dmax, Dmin có thể xác định qua đường ảnh hưởng của phản lực gối tựa dầm cầu trục khi các bánh xe di chuyển đến vị trí bất lợi nhất Với khung một nhịp, cần xét tải trọng của hai cầu trục đặt sát nhau.

Hình 3 6: Đường ảnh hưởng phản lực gối tựa dầm cầu trục

- Áp lực đứng lên vai cột được xác định theo công thức:

• nc = 0.85: hệ số tổ hợp, khi có hai cầu trục chế độ làm việc nhẹ và trung bình • ∑ 𝑦𝑖: tổng tung độ các đường ảnh hưởng tại vị trí các bánh xe, lấy với tung độ ở gối

▪ n = 1.2 là hệ số độ tin cậy của tải trọng gió ▪ k: hệ số phụ thuộc vào độ cao

▪ c: hệ số khí động phụ thuộc vào dạng kết cấu ▪ B: bước khung.

Hình 3 7: Sơ đồ tra hệ số khí động (gió thổi ngang nhà, từ trái sang)Bảng 3 2: Tải trọng gió theo phương ngang nhà

6 Mái khuất gió 11.4 1.0224 -0.500 -3.497

3.4 Các trường hợp tải trọng & tổ hợp tải trọng 3.4.1 Các trường hợp tải trọng

Bảng 3 3: Các trường hợp tải trọng tác dụng lên khung

6 Dmax trái + Tmax dương Áp lực Dmax ở cột trái + Áp lực ngang hướng sang phải 7 Dmax trái + Tmax âm Áp lực Dmax ở cột trái + Áp lực ngang hướng sang phải 8 Dmax phải+Tmax dương Áp lực Dmax ở cột phải + Áp lực ngang hướng sang phải 9 Dmax phải + Tmax âm Áp lực Dmax ở cột phải + Áp lực ngang hướng sang phải

3.4.2 Tổ hợp tải trọng

❖ Tổ hợp tải trọng gồm:

• Tổ hợp cơ bản 1: gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và một hoạt tải (n = 1)

• Tổ hợp cơ bản 2: gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và nội lực do các hoạt tải gây ra (hệ số tổ hợp n = 0.9)

❖ Tại mỗi tiết diện cần tìm 3 cặp nội lực:

• Tổ hợp gây mô men dương lớn nhất Mmax và lực nén, lực cắt tương ứng Ntu, Vtu

• Tổ hợp gây mô men dương nhỏ nhất Mmin và lực nén, lực cắt tương ứng Ntu, Vtu

• Tổ hợp gây lực dọc lớn nhất Nmax và mô men, lực cắt tương ứng Mtu, Vtu

❖ Khi tổ hợp tải trọng cần theo nguyên tắc sau:

• Nội lực do tải trọng thường xuyên luôn được kể đến trong mọi trường hợp.

• Không được lấy đồng thời hai tải trọng Dmax (áp lực đứng lên vai cột) ở cột trái của khung và Dmax ở cột phải của khung

• Không lấy đồng thời tải gió ngang nhà và gió dọc nhà (có gió trái thì không có gió phải) • Khi kể đến nội lực do lực hãm T, phải kể đến nội lực do áp lực đứng Dmax, Dmin Do điều kiện làm việc thực tế của cầu trục, lực hãm ngang có thể coi đặt vào cột này hay cột kia dù trên cột có Dmax hay Dmin Lực T này thay đổi nên các trị số nội lực sẽ mang dấu ±, do đó khi đã xét nội lực do T thì luôn cộng thêm nội lực do T.

Bảng 3 4: Các tổ hợp tải trọng tác dụng lên khung

TH29 1 0.9 0.9

3.5 Mô hình hoá kết cấu

Sử dụng phần mềm Etabs để mô hình & tính toán nội lực cho kết cấu công trình.

Hình 3 8: Mô hình tiết diện khung ngang

3.4.1 Sơ đồ tính các loại tải trọng

 Tĩnh tải

Hình 3 9: Sơ đồ tính tĩnh tải

 Hoạt tải mái trái

Hình 3 10: Sơ đồ tính hoạt tải mái trái

 Hoạt tải mái phải

Hình 3 11: Sơ đồ tính hoạt tải mái phải

 Gió trái

Hình 3 12: Sơ đồ tính tải gió trái

 Gió phải

Hình 3 13: Sơ đồ tính tải gió phải

 Tải Dmax bên trái + Tmax dương

Hình 3 14: Sơ đồ tính tải Dmax bên trái + Tmax dương

 Tải Dmax bên trái + Tmax âm

Hình 3 15: Sơ đồ tính tải Dmax bên trái + Tmax âm

 Tải Dmax bên phải + Tmax dương:

Hình 3 16: Sơ đồ tính tải Dmax bên phải + Tmax dương

 Tải Dmax bên phải + Tmax âm:

Hình 3 17: Sơ đồ tính tải Dmax bên phải + Tmax âm

3.4.2 Biểu đồ bao

Hình 3 18: Biểu đồ bao momen

Hình 3 19: Biểu đồ bao lực cắt

Hình 3 20: Biểu đồ bao lực dọc

3.4.3 Kiểm tra chuyển vị của công trìnha Chuyển vị đứng

Hình 3 21: Chuyển vị đứng của khung

Kiểm tra chuyển vị đứng với tổ hợp tải trọng TH9: TT + HTT + HTP

Hình 3 22: Chuyển vị ngang của khung

Kiểm tra chuyển vị ngang với tổ hợp tải trọng: TH22: TT + 0.9(GT + Dmax trái + Tmax trái dương)

Cột chịu nén lệch tâm, tiết diện đối xứng, đặc Nội lực lớn nhất lấy ở tiết diện chân cột - Nội lực tính toán được trình bày trong bảng sau.

Dmax phải + Tmax âm) -193.912 -321.6 -61.5 Đặc trưng hình học tiết diện cột:

Bảng 4 2: Kích thước hình học tiết diện cột

 Chiều dài tính toán cột trong mặt phẳng khung:

Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột tiết diện không đổi xác định theo công thức:

l  H

Trong đó:

H: là chiều dài thực tế của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột

𝜇: là hệ số chiều dài tính toán, cột liên kết ngàm với móng, hệ số µ được xác định như

 Chiều dài tính toán cột ngoài mặt phẳng khung lấy bằng khoảng cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị theo phương dọc nhà Lấy bằng bước xà gồ cột: ly =1.2 (m)

4.2 Kiểm tra điều kiện khống chế độ mảnh

- Độ mảnh cột:

me Độ lệch tâm tương đối tính đổi: me m

4.3 Kiểm tra điều kiện bền

 Cấu kiện chịu kéo lệch tâm

Trong đó: - An là diện tích tiết diện thực của cấu kiện - Wn là mô đun kháng uốn của tiết diện thực Kiểm tra bền khi cột có độ lệch tâm quy đổi me > 20.

Bảng 4 5: Kiểm tra điều kiện bền cấu kiện chịu nén

4.4 Kiểm tra điểu kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung

Trong các trường hợp xét tiết diện A = 151.6 cm2

Hệ số e tra Bảng D.10, Phụ lục D, TCVN 5575:2012 1.486

  , me lấy từ bảng 4.3 ứng với từng trường hợp, sau đó tra bảng suy ra e

Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng cột:

4.5 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung

Ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung được xác định theo công

Hệ số c kể đến ảnh hưởng của moment uốn M, và hình dạng tiết diện đối với ổn định cả cột theo phương vuông góc với mặt phẳng uốn, phụ thuộc vào mx (Mục 7.4.2.5 TCVN

Độ lệch tâm tương đối:

M1, M2 lần lượt là moment lớn nhất ở một đầu và moment tương ứng ở đầu kia cùng tổ hợp tải trọng và giữ đúng dấu của nó

M là giá trị lớn nhất ở 1/3 đoạn cột về phía có M lớn hơn.

φb được tính theo phụ lục E, TCVN 5575:2012 (phụ thuộc hệ số α và hệ số ψ như trong dầm có cánh chịu nén với một điểm cố kết ở giữa nhịp) như đã tính toán bên trên ta có

Theo Mục 7.6.2.2, TCVN 5575:2012, đối với cột chịu nén lệch tâm và nén uốn, tiết diện chữ I hoặc hình hộp mà điều kiện ổn định được kiểm tra theo điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn thì giá trị giới hạn của hw/tw phụ thuộc vào giá trị của thông số

    (với  là ứng suất nén lớn nhất tại biên của bản bụng, mang dấu “+”, khi không kể đến các hệ số φe, φexy hoặc cφ, 1 là ứng suất tại biên tương ứng của bản bụng)

Trong đó: y1, y2 là khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến thớ chịu kéo và chịu nén của

bản bụng , với tiết diện đối xứng thì

4.8 Thiết kế liên kết bản cánh với bản bụng

Liên kết bản cánh và bụng cột tổ hợp chịu lực cắt V sinh ra do uốn dọc, chọn cặp nội lực

4.9 Chuyển vị ngang

Hình 3 23: Chuyển vị ngang của khung

Kiểm tra chuyển vị ngang với tổ hợp tải trọng: TH22: TT + 0.9(GT + Dmax trái + Tmax trái dương)

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÀ NGANG5.1 Tiết diện tại nút khung

Hình 5 1: Tiết diện dầm mái tại nút khung

Đặc trưng hình học tiết diện dầm:

9 9 9 6 8 0 - Chiều dài tính toán dầm:

+ Trong mặt phẳng khung: lx = 27 (m)

+ Ngoài mặt phẳng khung: ly là khoảng cách hai xà gồ mái; 𝑙𝑦 = 1.2 (m)

5.1.2 Kiểm tra điều kiện cường độ

 Điều kiện bền chịu nén uốn

 Thỏa điều kiện bền chịu nén uốn  Điều kiện bền chịu cắt

- Cường độ chịu cắt tính toán của thép: fv 0.58f 0.58 21 12.18 kN/cm   2

 Thỏa điều kiện bền chịu cắt

 Điều kiện bền chịu nén uốn và cắt đồng thời

 Thỏa điều kiện bền chịu uốn và cắt đồng thời

5.1.3 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể

- Khoảng cách giữa 2 điểm giằng cánh trên của xà gồ 𝑙0 = 1.2 (m)

- Xét tỉ số giới hạn kích thước bản cánh của tiết diện:

5.1.4 Kiểm tra điều kiện ổn định bản bụng và bản cánh

 Thoả mãn điều kiện ổn định bản bụng

5.2 Kiểm tra tiết diện tại đỉnh khung

Hình 5 2: Tiết diện dầm mái tại đỉnh khung

Đặc trưng hình học tiết diện dầm:

Bảng 5 3: Kích thước hình học tiết diện cột

5.2.2 Kiểm tra điều kiện cường độ

 Điều kiện bền chịu nén uốn

 Thỏa điều kiện bền chịu nén uốn  Điều kiện bền chịu cắt

- Cường độ chịu cắt tính toán của thép: fv 0.58f 0.58 21 12.18 kN/cm   2

 Thỏa điều kiện bền chịu cắt

 Điều kiện bền chịu nén uốn và cắt đồng thời

 Thỏa điều kiện bền chịu uốn và cắt đồng thời

5.2.3 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể

- Khoảng cách giữa 2 điểm giằng cánh trên của xà gồ 𝑙0 = 1.2 (m)

- Xét tỉ số giới hạn kích thước bản cánh của tiết diện:

5.5.4 Kiểm tra điều kiện ổn định bản bụng và bản cánh

- Liên kết bản cánh và bụng xà chịu lực cắt Q, chọn cặp nội lực gây cắt lớn nhất tại tiết diện thay đổi, cụ thể là vị trí nút khung để tính