Tài liệu đồ án kết cấu thép thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp

ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG, MỘT NHỊP PHẦN 1. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ A. Nội dung, yêu cầu: Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, nội dung công việc bao gồm: 1. Trên cơ sở số liệu đã cho, thành lập sơ đồ kết cấu, xác định kích thước khung ngang, lập mặt bằng lưới cột, lựa chọn và bố trí hệ giằng mái, hệ giằng cột. 2. Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang, xác định nội lực trong khung theo số liệu và tính toán, lập bảng thống kê và tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặc trưng của cột khung và giằng mái. 3. Thiết kế khung ngang gồm: cột, dầm mái và hệ giằng. 4. Thể hiện 1 bản vẽ A1 gồm: - Sơ đồ kết cấu khung ngang. - Cột khung, các mặt cắt đặc trưng của cột và chi tiết cột. - ½ hệ vì kèo và các chi tiết của vì kèo. - Hệ giằng. - Bảng thống kê vật liệu thép. - Các chú ý về yêu cầu kỹ thuật và các chỉ dẫn cần thiết. 5. Thuyết minh: trình bày toàn bộ nội dung của đồ án vào quyển thuyết minh khổ A4. B. Số liệu thiết kế: - Thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng một nhịp với các số liệu: + Địa điểm xây dựng: TP. Hồ Chí Minh. + Chiều rộng nhà L = 23m. + Bước cột: B = 5.5m, tổng số bước cột b=11×B=11×5.5 = 60.5m. + Chiều cao H = 5.7m. + Độ dốc mái i = 10% → α = 5,71˚. + Cấu tạo lớp mái gồm: tole dày 0.7mm. SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 1 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN + Phân vùng gió IIA (địa điểm xây dựng: TP. Hồ Chí Minh) có W0  0.95  0.12  0.83kN / m 2 + Vật liệu: chọn thép CCT38 để sử dụng và sử dụng cho tất cả các thanh cột, dầm thanh giằng,.. với các thông số: E= 2.1×105 MPa µ= 0.3 γthép= 78.5kN/m3 f = 230 MPa γc =1 + Thông số của que hàn, bulong tự chọn. + Bê tông móng M200, tường gạch tự mang . C. Kế hoạch nộp đồ án kết cấu thép Lần 1. Tuần thứ 2 kể từ ngày giao đồ án + Thiết kế xà gồ. + Tính toán tải trọng tác dụng lên khung ngang. + Mô hình tính toán khung ngang. Lần 2. Tuần thứ 3 kể từ ngày giao đồ án + Hoàn thành sáp. + Tổ hợp nội lực. + Thiết kế MCN cột, MCN dầm. Lần 3. Tuần thứ 4 kể từ ngày giao đồ án + Triễn khai bản vẽ. SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 2 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN Lần 4. Bảo vệ. PHẦN 2. THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG, MỘT NHỊP (KHUNG ZAMIL) CHƯƠNG 1. TÍNH TOÁN THUYẾT KẾ XÀ GỒ MÁI SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 3 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN 1.1. XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN XÀ GỒ 1.1.1. Chọn sơ bộ thông số tôn và xà gồ + Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái, lớp cách nhiệt và trọng lượng bản thân của xà gồ. + Tấm lợp mái: (single skin panels ) hình dạng tấm lợp mái được chọn như sau: Chiều dày (mm) Trọng lượng một tấm (kN/m2) Diện tích một tấm (m2) Tải trọng cho phép (kN/m2) 0.7 0.0659 8.39 1.96 Bảng 1.1. Thông số tấm lợp mái (tôn) SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 4 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN + Xà gồ: chọn xà gồ hình chữ C,có các thông số như sau. Tiết diện Ix (cm4) Wx (cm3) Iy (cm4) Wy (cm4) Trọng lượng (kN/m) Diện tích (cm2) C250 888.646 71.092 47.855 9.631 0.0785 10 Bảng 1.2. Thông số xà gồ + Kích thước hình học của xà gồ SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 5 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN H(mm) W(mm) L(mm) t(mm) 250 65 20 2.5 250 20 65 2.5 Hình 1.2. Hình MCN xà gồ chữ C 1.1.2. Tĩnh tải tác dụng lên xà gồ - Tải trọng tôn lợp mái. - Tải trọng lớp cách nhiệt. - Tải trọng bản thân xà gồ. - Tải trọng do hoạt tải sửa chữa mái. - Chọn khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt bằng là: 1.5 (m) → Khoảng cách giữa các xà gồ trên mặt phẳng mái: 1.5 =1.51 m  Cos5.71° (Độ dốc i= 10 %→α=5.71o) SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 6 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN Vật liệu mái Hệ số vượt tải Tải trọng tiêu chuẩn Tải trọng tính toán 1 lớp tôn lợp mái 1.05 0.0659(kN/m2) 0.0692(kN/m2) Xà gồ mái C250 1.05 0.0785(kN/m2) 1.824 (kN/m2) 1.1.3. Hoạt tải tác dụng lên xà gồ + Sơ bộ lấy hoạt tải mái: Pc = 0.3 (kN/m2), hệ số vượt tải nq =1.3 tt 0.3  1.3 → P = = 0.39 (kN/m2) Suy ra tải trọng tác dụng lên xà gồ C250: 1.5   q tc =   0.0659 + 0.3  ×  + 0.0785 = 0.63  kN/m  Cos5.71°   1.5   q tt =  (0.0692+0.39)×  +0.0824=0.774  kN/m  Cos5.71°   1.2. SƠ ĐỒ TÍNH VÀ NỘI LỰC CỦA XÀ GỒ qy qx 2.75 5.5 2.75 My Mx Hình 2.2. Sơ đồ tính theo hai phương x-x và y-y + Xà gồ dưới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa được tính toán như cấu kiện chiệu uốn xiên. + Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ theo 2 phương, với trục x-x tạo với phương   5.71 ngang một góc (Độ đốc i = 10%). SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 7 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN Hình 2.1. Tải trọng theo hai phương x-x và y-y + Tải trọng tác dụng theo phương x-x và y-y là. tc ° q tc x = q ×sinα = 0.63 × (sin5.71 ) = 0.063 (kN/m) tc q tc y = q × cosα = 0.63 × (cos5.71°) = 0.63 (kN/m) q ttx = q tt × sinα = 0.774 × sin(5.71°) = 0.077 (kN/m) q tty = q tt × cosα = 0.774 × cos(5.71°) = 0.774 (kN/m) 1.3. KIỂM TRA XÀ GỒ THEO TTGHI VÀ TTGHII 1.3.1. Trạng thái giới hạn cường độ (TTGHI) Theo điều kiện bền : Trong đó: + γ c =1 hệ số điều kiện làm việc f + = 230 MPa cường độ tính toán của thép xà gồ Xà gồ tính toán theo 2 phương đều là dầm đơn giản 2 đầu tựa lên xà ngang momen đạt giá trị lớn nhất ở giữa nhịp. SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 8 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP Mx = Ta có: q tty ×B2 8 = GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN 0.774×5.52 = 2.93 (kN.m) 8 q ttx ×B2 0.077×5.52 My = = =0.073 (kN.m) 32 32  td   x   y  2.93  106 0.073  106   48.79MPa   c .f  230MPa 71.092  103 9.631 103 1. 3.2. Trạng thái giới hạn sử dụng(TTGHII) Công thức kiểm tra : Ta có    1   B  B  200 tc 3 Δ 5×q y ×B 5×0.63×55003 1 -4 = = =7.31×10 <  5  10 3 5 4 B 384×E×I x 384×2.1×10 ×888.646×10 200 → Vậy xà gồ C250 đảm bảo cường độ và điều kiện độ võng. SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 9 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NGANG 2.1. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ SƠ ĐỒ TÍNH CỦA KHUNG NGANG 2.1.1. Xác định kích thước khung +Hm i i + Hc Hc H m +0.000 L 2.1.2. Xác định sơ đồ tính của khung SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 10 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN - Khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bao gồm hai cấu kiện chính: cột và dầm mái. Để đảm bảo độ cứng theo phương ngang nhà, liên kết giữa cột và dàn mái được thực hiện là liên kết cứng, liên kết giữa chân cột và móng bê tông cốt thép cũng là liên kết cứng. +7.050 i = 10% i = 10% +0.000 23000 Hình 1. Kích thước khung ngang Không có phần cầu trục nên chiều cao Hc =H+f Trong đó H là chiều cao theo số liệu cho 5.7m. f là khe hở phụ xét đến độ võng của kết cấu và giàn lấy bằng 200 đến 400 mm. Chiều cao cột là khoảng cách từ chân cột đến đỉnh cột: Hc = 5700 + 200 = 5900 mm Chiều cao từ cột lên đỉnh cột lên mái. SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 11 7050 5900 +5900 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN Hm × = Hc + tan(5.71˚) 23000 2 = 7050 mm → Sơ bộ kích thước MCN cột, kèo như sau: Giả thuyết cột có kích thước như sau: Chân cột: hw=300(mm); bw = 220(mm); tw= 8(mm) ;tf = 12(mm) 400 8 220 12 12 Đỉnh cột : hw=400(mm); bw = 220(mm); tw= 8(mm) ;tf = 12(mm) 300 8 220 12 SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 12 TRANG 12 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN Giả thiết vì kèo có kích thước như sau: Đầu kèo: hw =350 (mm); bw = 220 (mm); tw = 8(mm); tf = 12 (mm) 12 8 350 12 220 Đỉnh kèo: hw = 250 (mm); bw = 220 (mm); tw =8 (mm); tf =12 (mm) SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 13 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN 12 8 250 12 220 2.2. XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN KHUNG NGANG 2.2.1. Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang - Tải trọng mái và xà gồ: trên thực tế tải này truyền lên khung dưới dạng lực tập trung tại điểm đặt các xà gồ, số lượng xà gồ tập trung > 5 nên quy về tải phân bố (trên mặt bằng). + Chiều dài thanh xiên : L 23 2 2 Lx = = =11.6  m  cos5.71° cos5.71° + Số lượng xà gồ với mỗi xà gồ cách nhau 1.51m + Số lượng xà gồ trong một nửa bước cột: 1 2 xg n =1+ Lx 11.6 =1+ =8.68  9 1.51 1.51 SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 14 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN + Số lượng xà gồ trong 1 bước cột: chọn nxg =18 Tải trọng mái và xà gồ  0.0659 18  0.0785  g tcmai =  + 0   5.5=0.702 (kN/m) 23  cos5.71  0.0692 18  0.0785  1.05  tt g mai = + 0   5.5=0.74 (kN/m) 23  cos5.71 - Tải trọng bản thân khung ngang : chương trính sap 2000 sẽ tự tính khi ta giả thiết tiết diện cột và rường ngang . - Tải trọng do xà gồ tường tôn đặt tại các cao trình cửa xà gồ tường : + Với chiều cao cột 5.9(m) do có 1 (m) tường gạch tự mang ở dưới cùng không kể đến. + Chỉ tính trọng lượng xà gồ tường và tôn tường từ cốt +1 (m ) trở lên tương ứng với chiều cao cột là 4.9(m). + Giả thiết dùng 4 cây xà gồ C250 đặt cách nhau 1.5 (m), trọng lượng quy thành lực tập trung đặt tại đỉnh cột. G t = 0.0692  4.9  5.5 + 0.0824  4  5.5 = 3.69 (kN) tt g mai  0.74(kN/m) → Tĩnh tải tác dụng lên rường ngang: → Tĩnh tải tác dung lên đỉnh cột: Gt = 3.69 (kN) 2.2.2. Hoạt tải tác dụng lên khung ngang 2.2.2.1 Hoạt tải sửa chữa mái + Tải trong tạm thời do sử dụng trên mái được lấy theo TCVN 2737-1995 đối với mái không người qua lại, chỉ có hoạt tải sửa chữa mái có giá trị tiêu chuẩn: + pscm = 0.3 KN/m2 → p tc = pscm × B= 0.3×5.5 = 1.65 (kN/m) SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 15 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN p tt =1.3 × p tc = 1.3 × 1.65 = 2.15 (kN/m) 2.2.2.2 Hoạt tải gió a. Tải trọng gió gồm hai thành phần: phần tĩnh và phần động, ở đây chiều cao nhà < 36 (m), tỉ số chiều cao trên nhịp < 1.5 nên bỏ qua thành phần động của gió. b. Tải trọng gió tác dụng lên khung bao gồm: - Gió thổi lên mặt tường dọc được chuyển thành phân bố đều trên khung cột. - Gió thổi trong phạm vi mái được tính là tải phân bố đều lên mái, chuyển thành phân bố lên khung. - Khu vục xây dựng công trình tp Hồ Chí Minh thuộc vùng gió II.A - Tải trọng gió tính toán tác dụng lên hệ khung: q = 1.2×W×B Trong đó: B là bước cột lực gió tiêu chuẩn. W là áp lực gió tiêu chuẩn. k là hệ số tính đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao (tra bảng 5 TCVN 2737:1995).Xem xét địa hình tại khu vực xây dựng: nội thành tp.Hồ Chí Minh thuộc địa hình dạng C (địa hình bị che chắn mạnh, có nhiều vật cản sát nhau cao từ 10m trở lên). - Dựa vào bảng 5 trong TCVN 2737:1995 tìm được k1,k2 như sau : + Mức đỉnh cột ở cao trình 5.9 (m) → k1 = 0.66 + 10  5.9 10  5 + Mức đỉnh mái ở cao trình 7.05 (m) → k2 = 0.66 + 0.5892 c: là hệ số khí động: c + 0.8 đối với gió đẩy + Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió trung bình :  k k1  k 2 0.5616  0.5892   0.5754 2 2 - Áp lực gió tiêu chuẩn được xác định: SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 16 × (0.54 - 0.66) = 0.5616 10  7.05 10  5 × (0.54 - 0.66) = ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN W= W0×k×c (kN/m2) - Trong đó: W0 giá trị áp lực gió: W0 = 0.95 kN/m2 Xem xét ảnh hưởng của bão đối với vùng IIA. W0= 0.95−0.12 =0.83 kN/m2 → Tải trọng khung ngang được tính như sau: q   n  Wo  k  C  B    (Với B là bước cột) Trong đó: n= 1,2 hệ số tin cậy của tải trọng gió c hệ số khí động, được tra bảng với sơ đồ sau đây: SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 17 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN Ce =-0,251 1 70 50 Ce =-0,4 2 +0,8 590 0 Ce3 =-0,5 23000 Hình 2. Hệ số khí động SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 18 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN -Tra bảng 6 trong TCVN 2737:1995 để tìm Ce1, Ce2, Ce3 như sau. + Ta có: H 5.9   0.257 L 23 α = 5.71° + Nội suy tuyến tính ta được Hệ số Ce 1 α độ H/L 0.257 0 0 0 5,71˚ 0.05771 -0.251 20 + 0.2 Nội suy ta được: x1  0.2  20  5.71  (0  0.2)  0.0571 20  0 SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 19 0.5 − 0.6 – 0.5429 − 0.4 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP x 2  0.4  Ce 1 GVHD: NGÔ THỊ HỒNG QUYÊN 20  5.71  (0.6  0.4)  0.5429 20  0 = –0.5429 + 0.5  0.257   0.05771  ( 0.5429)   0.251 0.5  0 + Ta có: H 5.9   0.257 L 23 α = 5.71° ≤ 60o → Ce2 = −0.4 + Ta có: b 60.5   2.63  2 L 23 H 5.5   0.257 L 23 → Ce3= -0.5 c. Tính toán tải trọng gió tác dụng lên khung. + Phía gió đẩy: tt q day =1.2×Wo ×k×Ce ×B=1.2×0.83×0.8×0.5754×5.5= 2.52  kN/m  + Phía gió hút: tt q hut =1.2×Wo ×k×Ce3×B=1.2×0.83×0.5754×  -0.5  ×5.5= -1.58  kN/m  + Phía mái trái: tt q maitrai =1.2×Wo ×k×Ce1×B=1.2×0.83×0.5754×  -0.251 ×5.5= -0.79  kN/m  + Phía mái phải: tt q maiphai =1.2×Wo ×k×Ce2 ×B=1.2×0.83×0.5754×  -0.4  ×5.5= -1.26  kN/m  SVTH: PHẠM VĂN BÌNH - 36CXD3 TRANG 20