Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp

có R = 2300 daN/cm2. Bê tông móng cột mác 200. I - Chọn sơ đồ kết cấu. 1- Sơ đồ khung ngang và kết cấu nhà công nghiệp. (hình vẽ1) Do sức trục của cần trục là 75 T nên chọn khoảng cách từ mép ngoài cột đến trục định vị là a = 250mm và l = 750mm. 2- Xác định các kích thước chính của khung. 2.1- Nhịp cầu trục. LK = L – 2.l = 36 – 2 ´ 0,750 = 34,5 (m) Dựa vào sức trục Q = 75T và nhịp cầu trục LK = 34,5m ta có bảng thông số cầu trục lấy theo phụ lục VI ( Sách thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp): Kích thước gabarit của cầu trục Hc =4000 mm Phần đầu của cầu trục bên ngoài ray B1 = 400 mm Hình vẽ 1: Sơ đồ khung ngang nhà 2.2- Kích thước cột. - Chiều cao H2 từ đỉnh ray cầu trục đến cao trình cánh dưới vì kèo: H2 = HC + 100mm + f Trong đó: HC : Chiều cao Gabarit cầu trục HC = 4000mm 100 mm: Khe hở an toàn giữa xe con và kết cấu f: Khe hở phụ xét đến độ võng của vì kèo và việc bố trí hệ thanh giằng lấy bằng f = 100mm ị H2 = 4000 + 100 + 100 = 4200 (mm) - Chiều cao phần cột trên: Htr = H2 + hdcc + hr Trong đó: hdcc: Chiều cao của dầm cầu trục lấy sơ bộ là: Hdcc = (1/8 : 1\ 10)B = 600 (mm) hr: Chiều cao tổng cộng của ray và đệm ray 200 (mm) Htr = 4.2 + 0.6 + 0.2 = 5 (m) - Chiều cao phần cột dưới: Hd = Hr + h3 – hr - hdcc Trong đó: h3: Phần cột chôn dưới mặt nền, lấy h3 = 800 (mm) hr: Chiều cao tổng cộng của ray và đệm ray 200 (mm) hdcc: Chiều cao của dầm cầu trục =0.6m Hr :Cao trình đỉnh ray = 9m Hd = 9 + 0.8 - 0.6 – 0.2 = 9 (m) - Chiều cao tiết diện phần cột trên chọn: bt = 500 mm .thoả mãn điều kiện không nhỏ hơn 1/12 chiều cao Htr bt > 1/12 Htr = ´ 5= 0.416(m) - Chiều cao phần cột dưới chọn: bd = a + l = 250 + 750 = 1000 (mm) Trong đó: a: Khoảng cách từ trục định vị đến mép ngoài của cột a = 250 mm l = 750 mm + Bề rộng cột dưới phải thoả mãn điều kiện: bd > 1/20 H để đảm bảo độ cứng bd > 1/20 ( 9 + 5 ) = 0.65 (m) 2.3 - Kích thước dàn (hình vẽ 2) Hình vẽ 2: Sơ đồ kích thước dàn và hệ gằng mái Độ dốc cánh trên trên i = 1/10 ị Chiều cao giữa dàn là =4 (m) bề rộng cửa trời lấy là 12m (khoảng 0,3-0,5Lk) chiều cao cửa trời gồm 1lớp kính bậu cửa phía trên 0,2 m bậu cửa phía dưới 0,8m hct =0,2 + 0,8 + 1,5 = 2,5 (m) 3- Hệ giằng a) Hệ giằng ở mái. Hệ giằng ở mái bao gồm các thanh giằng bố trí trong phạm vi tư cánh dưới dàn trở lên. Chúng được bố trí nằm trong mặt phẳng cánh trên dàn, mặt phẳng cánh dưới dàn và mặt phẳng đứng giữa các dàn. + Giằng trong mặt phẳng cánh trên: Gồm các thanh chéo chữ thập trong mặt phẳng cánh trên và các thanh chống dọc nhà. Hệ giằng này được bố trí ở 2 đầu nhà và ở khoảng giữa nhà để bảo đảm ổn định cho cánh trên chịu nén của dàn, tạo nên những cố kết không cho chuyển vị ra ngoài mặt phẳng dàn Thanh chống dọc nhà dùng để cố định những nút quan trọng: đỉnh nóc, nút đầu dàn + Giằng trong mặt phẳng cánh dưới: gồm có hệ giằng ngang và hệ giằng dọc b) Hệ giằng đứng. Được đặt trong mặt phẳng các thanh đứng. Kết cấu cửa trời cũng có các hệ giằng cánh trên, hệ giằng đứng như đối với dàn mái. c) Hệ giằng cột. Gồm có hệ giằng cột trên và hệ giằng cột dưới Hệ giằng cột trên bố trí ở trục cột, đặt ở đầu hồi và ở khoảng giữa nhà( nơi có hệ giằng mái ) để đảm bảo độ cứng dọc nhà và ổn định cho cột. Ngoài ra hệ giằng cột ở đầu hồi còn có tác dụng nhận lực góc đầu hồi và có lực hãm dọc của cầu trục Hệ giằng cột dưới bố trí ở nhánh cột, đặt ở giữa nhà để nhận tải trọng từ hệ giằng cột trên truyền xuống, tránh cản trở sự biến dạng nhiệt độ II- Tính tải trọng tác dụng lên khung 1- Tải trọng tác dụng lên dàn 1.1- Tải trọng tác dụng thường xuyên a) Tải trọng các lớp mái tính toán theo cấu tạo của lớp mái lập theo bảng sau: Cấu tạo của lớp mái Tải trọng tiêu chuẩn dan/m2 mái Hệ số vượt tải Tải trọng tính toán dan/m2 mái - Tấm Panel 1,5 ´ 6 m - Lớp cách nhiệt dày 12 cm bằng BT xỉ g = 800 Kg/m3 - Lớp chống thấm dày 2 cm - Hai lớp vữa lót dày 1,3cm - Hai lớp gạch lá nem 4 cm Cộng 160 50 20 36 80 1,1 1,2 1,2 1,2 1,1 176 60 21 43.2 88 346 391.2 Bảng 2- Tải trọng các lớp mái Tải trọng các lớp mái được đổi ra phân bố trên mặt bằng với độ dốc i = 1/10 có cos a = 0,995 = 348(dan/m2) =393 (dan/m2) b- Trọng lượng bản thân dàn và hệ giằng. Tính sơ bộ theo công thức thực nghiệm: gtcd = n.1,2 ´ ad ´ L Trong đó: 1,2 - Hệ số vượt tải ad - Hệ số trọng lượng dàn lấy bằng 0,73 gtcd = 1,2 ´ 0.65 ´ 36 (dan/m2) gttd = n ´ gtcd = 1,1 ´ 1,2 ´ 0.65 ´ 36 = 30(dan/m2) c- Trọng lượng kết cấu cửa trời Được tính theo công thức kinh nghiệm: gtcct = act ´ Lct = 0.5 ´ 12 = 6m d- Trọng lượng cánh cửa trời và bậu cửa trời - Trọng lượng cánh cửa (Kính + khung) gtcK = 40 dan/ m2 ( 5.5 dan/m2 mặt bằng nhà) - Trọng lượng bậu trên và bậu dưới gtcb = 135dan/m2 ( 7.5 dan/m2 mặt bằng nhà) 1.2- Tải trọng tạm thời Theo TCVN 2737 - 95, tải trọng tạm thời trên mái khi không có người lên là: ptc = 75 Kg/m2 mặt bằng với hệ số vượt tải np = 1.3 Tải trọng tạm thời : p = B ´ Po ´ n Trong đó : B = 6m ;n = 1.3 p = 6 ´ 75 ´ 1.3 = 585dan/m Tải trọng thường xuyên : g = B ´ Sgi g = 6 ´ (393 + 30 + 6 + 5.5 + 7.5 ) = 2652dan/m 2- Tải trọng tác dụng lên cột a- Do phản lực của dàn Tải trọng thường xuyên 47736 (dan ) Tải trọng tạm thời 10530 (dan) b- Do trọng lượng dầm cầu trục+ ray. Trọng lượng dầm cầu trục tính sơ bộ theo công thức kinh nghiệm: Gdct = nadct ´ L2dct Trong đó: Lct - Nhịp cầu trục, tính bằng m (Bằng bước cột B) adct - Là hệ số trọng lượng dầm cầu trục, ở đây lấy adct = 35 Gdct =1.2x 35 ´ 62 = 1386 (dan) c- Do áp lực đứng của bánh xe cầu trục Tải trọng áp lực thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cột thông qua DCT được xác định bằng cách dùng đường ảnh hưởng của phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh xe của 2 cầu trục sát nhau ở vào vị trí bất lợi nhất (Hình 3). Trọng lượng cầu trục : G = 129 T = 1290 kN Trọng lượng xe con : g = 32 T = 320 kN áp lực bánh xe lên ray: P1max = 39 T = 390 kN P2max = 12 T = 120 kN P1min = P2min = Trong đó: Q- Sức trục của cầu trục ịP1min = 120kN ịP2min = 90kN áp lực lớn nhất của bánh xe : Dmax = n ´ no ´ ( P1max ´ SYi + P2max ´ SYi ) Dmax = 1.2 ´ 0.85 ´ ( 390 ´ 0.135 + 120 ´ ( 0.68 + 1 0.488 + 0.348 )) = 1157 kN áp lực nhỏ nhất của bánh xe : Dmin = 1.2 ´ 0.85 ´ ( 120 ´ 0.135 + 90 ´ ( 0.68 + 1 0.488 + 0.348 )) = 243 kN Hình 3 Cầu trục có bề rộng Bct = 6840 mm và khoảng cách giữa 2 bánh xe k = 4350 mm. Đặt bánh xe ở vị trí như ở hình 3 tính được tung độ như ở yi của đường ảnh hưởng và tính áp lực thẳng đứng lớn nhất, nhỏ nhất của các bánh xe cầu trục lên cột d- Do lực hãm của xe con Khi xe con hãm, phát sinh lực quán tính tác dụng ngang nhà theo phương chuyển động. Lực hãm xe con, qua các bánh xe cầu trục truyền lên dầm vào cột. Lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe tính: Trong đó: T0t/c==13.38 kN Gxc = 320 kN - Trọng lượng xe con no =4- Số bánh xe ở một bên cầu trục Lực hãm ngang Ttc1 truyền lên cột thành lực T đặt vào cao trình dầm hãm; giá trị T cũng xác định bằng cách xếp bánh xe trên đường ảnh hưởng như khi xác định Dmax và Dmin. T = nc ´ n ´ Ttc1 ´ ồyi = 0,85 ´ 1,2 ´ 13.38 ´ (0.135 + 1 + 0.488 + 0.348 ) T = 36.86kN 3- Tải trọng gió tác dụng lên khung Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737 - 95. Nhà công nghiệp một tầng, một nhịp chiều cao nhỏ hơn 40m nên chỉ tính thành phần tĩnh của gió. áp lực gió tiêu chuẩn ở độ cao 10m trở xuống thuộc khu vực IIB (có kể đến ảnh hưởng của gió bão): qtco = 70dan/m2 Tải trọng gió phân bố đều tác dụng lên cột tính: Phía đón gió: qđ = n ´ qo ´ K ´ C ´ B Phía hút gió: qh = n ´ qo ´ K ´ C’ ´ B Trong đó: n = 1,2- Hệ số vượt tải B = 6m- Bước cột C- Hệ số khí động, lấy theo bảng phụ lục. K- Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao lấy theo địa hình loại B. Chiều cao đón gió của nhà có kể đến chiều dày lớp mái: t = 0,545m. Các hệ số khí động trong hình vẽ có: Ce1, Ce2 tra theo TCVN 2737 – 95: với i = => 0 Ce1 =-0.561 , Ce’1=-0.628 Ce2 =-0.45 , Ce3 = -0.6 qđ = 1.3 x 0.65 x 70 x 0.8 x 1.2 x 1.05 = 596 dan/m qh = 1.3 x 0.65 x 70 x 0.6 x 1.2 x 1.05 = 447 dan/m Tải trọng gió trong phạm vi mái từ đỉnh cột đến nóc mái đưa về tập trung đặt ở cao trình cánh dưới dàn mái. W = n ´ qo ´ K ´ B (0.8 x h1 + Ce1 x h2 +0.7 x h3 + Ce1 x h4) Trong đó: h- Là chiều cao từng đoạn có ghi hệ số khí động Ci Trong khoảng từ độ cao từ 16m đến 25 m dùng hệ số trung bình của K : K = Vậy W = 1.3 ´ 0.888 ´ 70 ´ 6 ´ [2.25 ´ 0.8 ´ 0.9 ´ 0.54 + 4.5 ´ 0.7 – 0.6 ´ 0.8 + 0.6 ´ ( 0.6 + 4.5 + 0.9 + 2.25 )] = 4707 dan III- Tính nội lực khung 1- Sơ bộ chọn tỷ số độ cứng giữa các bộ phận khung Momen quán tính của dàn tính số liệu theo công thức sau : Jd = Trong đó : Md-momen do tảI trọng tính toán t/d lên dàn. Md= = 645880 (daNm) hgd= 4 (m) K-kể đến độ dốc cánh trên và biến dạng của các thanh bụng dàn,lấy K=0,7 với i/10. Jd ==4305866 (cm4) -Momen quán tính của tiết diện cột dưới được xác định theo : J1= NA-phảI lực tựa của dầm truyền xuống: NA=A+A’=60,42 + 11,34 = 71,76 (T) K1-hệ số phụ thuộc loại cột và bước cột .chọn K1=2,5 J1== 463542,8 (cm4) -momen quán tính của tiết diện phần cột trên: J2= K2-hệ số xét đến sự liên kết giữa dàn và cột ,chọn K2=1,5 .chọn n=J1/J2=7. J2= Thay dàn bằng xà ngang đặc có độ cứng tương đương tại các trục thanh cánh dưới dàn . J1 J2 V V Jd H Hd Htr L Hình 5: Sơ đồ tính khung 2- Tính khung với tải trọng phân bố đều trên xà ngang (Hình 6) để tính toán khung ta chọn sơ bộ độ cứng của dàn và các phần chọn sơ bộ : J1=1; J2=1,8 ; Jd = 5 ; Sơ đồ tính toán cho trên hình vẽ 6. Phương trình chính tắc: r11j + R1p = 0 Trong đó: r11- Tổng phản lực mômen ở các nút trên của khung khi góc xoay j = 1 R1p- Tổng phản lực mômen ở các nút do tải trọng ngoài. Quy ước dấu nội lực: Mômen dương khi làm căng thớ bên trong của cột và dàn, phản lực ngang là dương khi có chiều hướng từ bên trong ra ngoài. Tức là đối với cột trái thì hướng từ phải sang trái. Cho nút B quay một góc j = 1. Ta có mô men ở nút B là: = Mô men ở các đầu cột do j = 1 được xác định như sau: Để tính của thanh có tiết diện thay đổi, có thể dùng các công thức ở bảng III - 1 phụ lục III. q B C A j1 j2 Tính các trị số: a = = 0,357 m= 7 -1 = 6 Hình 6: A = 1 + a ´ m = 1 + 0,357 ´ 6 = 3,142 B = 1 + a2 ´ m = 1 + 0,3572 ´ 6 = 1,765 C = 1 + a3 ´ m = 1 + 0,3573 ´ 6 = 1,273 F = 1 + a4 ´ m = 1 + 0,3574 ´ 6 = 1,097 K = 4.A.C – 3.B2 = 4 ´ 3,086 ´ 1,852 – 3 ´ 1,62162 = 6,653 ị - 0,05467E.J1 Phản lực ở đỉnh cột do j = 1 gây ra là: = Hệ số phương trình chính tắc: r11 = xàB + cộtB = 0,28E.J1 + 0,05467E.J1 = 0,332E.J1 Tổng phản lực mômen ở nút B do tải trọng ngoài gây ra là: R1p = MqB = - - 63180(dan) Giải phương trình chính tắc: Mômen cuối cùng : ở tiết diện khác thì tính bằng cách dùng trị số phản lực: Vậy mômen ở vai cột là: MC = MB + RB ´ Ht = - 10319 + 1545 ´ 5 = - 2594 (daNm) Mômen ở chân cột là: Hình7a MA = MB + RB ´ H = - 10319 + 1545 ´ 14 = 11311 (daNm) Biểu đồ mômen cho trên hình 6 Mômen phụ sinh ra ở vai cột do sự chênh lệch của trục cột trên với trục cột dưới bằng: Me = V ´ e = Me = = 11936 (daN) Dưới tác dụng của Me, trong khung phát sinh nội lực. Coi Jd = Ơ, theo bảng III – 1 phụ lục III có: Dấu Me ngược chiều kim đồng hồ ị Me = - 11936 (daN) Mô men tại các tiết diện khác: MtrC = MB + RB ´ Htr = 533+ (-273) ´ 5 = - 832 (daN) MdC = MBtr + Me = -823 + 2633 = 1801 (daN) MA = MB + RB ´ H + Me = 533 + (-273) ´ 14 + 2633 = -656 (daN) Biểu đồ mômen cho trên hình 7b Cộng biểu đồ 7a với 7b ta được biểu đồ mômen cuối cùng do tải trọng thường xuyên gây ra trên toàn mái. MB = -10319 + 533 = - 9786 (daN) MtrC = -2594 – 832 = - 3426 (daN) MdC = -2594 + 1801 = - 793 (daN) MA = 11311 – 656 = 10655 (Tm) Lực cắt tại chân cột: MB 10319 MC MB MA 2594 11311 MCT 1801 MA 533 832 656 9786 3426 793 10655 3426 10655 793 9786 Hình 7: Biểu đồ mômen do tai trọng thường xuyên Lực nén trong cột : N = A = 47736 ( daN) 3- Tính khung với tải trọng tạm thời trên mái. Do dạng tải trọng và điểm đặt của hoạt tải mái giống như tĩnh tải mái ị biểu đồ nội lực do hoạt tải gây ra bằng cách nhân các trị số của mômen do tải trọng thường xuyên với tỉ số: - Mô men do trọng lượng mái gây ra: MB = 4,533 ´ (-9786) = -44360 (daN) MtrC = 4,533 ´ (-3426) = -15530 (daN) MdC = 4,533 ´ (-793) = -3595 (daN) MA = 4,533 ´ 10655= 48299 (daN) Mô men do trọng lượng dầm cầu trục gây ra : MB = -0.263 ´ 533 = -140 (daN) MtrC = -0.263 ´ (-832) = 219 (daN) MdC = -0.263 ´ 1801 = -474 (daN) MA = -0.263 ´ ( -656 ) = 173 (daN) Các trị số nội lực trong khung là: MB = -44360 - 140 = -44500 (daN) MtrC = -15530 + 219 = -15311 (daN) MdC = -3595 - 474 = -4069 (daN) MA = 48299 + 173= 48472 () Lực cắt: Biểu đồ nội lực cho trên hình 8: 44500 15311 4069 4069 48472 48472 15311 44500 Hình 8: Biểu đồ mômen do tải trọng thường xuyên 4- Tính khung với tải trọng cầu trục - áp lực của mô men Mmax, Mmin ở hai cột. Mmaxở cột trái hoặc cột phải. Dưới đây xé trường hợp Mmax ở cột trái, Mmax ở cột phải. B A Hình 11: - Giải khung bằng phương pháp chuyển vị với sơ đồ xà ngang cứng vô cùng. ẩn số chỉ còn là chuyển vị ngang của nút. Phương trình chính tắc: r11.D + R1P = 0 Dùng bảng phụ lục tính được mô men và phản lực ngang ở đầu B của cột. Mô men ở các tiết diện khác: + Tiết diện vai cột: + Tiết diện chân cột: ở cột bên phải, các trị số mômen có cùng trị số nhưng khác dấu. Biểu đồ mômen vẽ ở hình 12.a Phản lực trong liên kết thêm vào theo phương pháp chuyển vị là: Mô men lệch tâm do cầu trục: R1p phản lực trong liên kết thêm do tải trọng ngoài gây ra trong HCB vẽ biểu đồ mô men trong các cột do Mmax, Mmin có thể sử dụng ngay biểu đồ do mô men lệch tâm Me của tải trọng mái nhân với hệ số, do cột trái và hệ số cho cột phải Từ đó ta có mômen ở cột trái: MB = (-21.97) x 533 = -11710(daNm) MtrC = (-21.97) ´ (-832) = 18279 (daNm) MdC = (-21.97) ´ 1801 = -39568 (daNm) MA = (-21.97) ´ (-656) = 14412 (daNm) Phản lực ở đầu cột: RB = (-21.97) ´ (- 273) = 5998 (daN) Mômen ở cột phải: MB’ = (-4.61) ´ 533 = -2457 (daNm) MtrC’ = (-4.61) ´ (-832) = 3936 (daNm) MdC’ = (-4.61) ´ 1801 = -8303 (daNm) MA’ = (-4.61) ´ (-656) = 3024 (daNm) Phản lực ở đầu cột: RB’ = -4.61 ´ ( - 273) = 1259(daN) R1p = 1259 – 5998 = -4739 giải phương trình chính tắc : Nhân biểu đồ mômen đơn vị với D và cộng với mômen ngoại lực trong hệ cơ bản (Hình 12.c) ta được biểu đồ mômen cuối cùng. ở cột trái: Lực cắt ở chân cột: Lực dọc: NB = NtC = 0 NA = NdC = Dmax = 115700 (daN) Cột bên phải: Lực cắt ở chân cột: Lực dọc: NB’ = Ntr C’ = 0 A’ = Nd C’ = Dmin = 24300(daN) Biểu đồ mômen cuối cùng cho trên hình 12 2570 15571 42276 9621 11597 5595 6544 27051 Hình 12: 5- Tính khung với lực hãm ngang T Lực T đặt ở cao trình dầm hãm. Xét trường hợp lực T đặt vào cột trái hướng từ trái sang phải. Vẽ biểu đồ () do D gây ra trong hệ cơ bản và đã tính được: Khoảng cách từ lực T đến vai cột là: Hdcc = 0.6 m Xác định các hệ số: Có l < a; Theo các tính toán ở phần trên có: A = 3.142 B = 1.765 C = 1.273 F = 1.097 K = 6,653 m = 6 Phương trình chính tắc của hệ: r11.D + R1p = 0 Theo bảng III.2 – phụ lục III, mô men tại các tiết diện do lực hãm T gây ra là: Tính mômen tại tiết diện khác: + Mô men tại cao trình dầm hãm: MDT = MB + RB(Htr - Hdcc) = 5553 - 2418 ´ (5 – 0.6) = -5086 (daNm) MTC = MB + RB´Htr - T´Hdcc = 5553 + (– 2418) ´ 5 +3686 ´ 0.6 = -4325 (daNm) MTA = MB + RB.H -T(Hd + Hdcc) = 5553 + (– 2418) ´ 14 +3686 ´ 9.6= 7086(daNm) Cột bên phải không có ngoại lực nên mômen và phản lực trong hệ cơ bản bằng không. Vậy: R1P = -RB = 2418 (daN) Giả phương trình chính tắc ta được: Mômen cuối cùng tại tiết diện cột khung (M) = + (MT) + Cột trái: MD = Trong đó: MD = Hình 13: Biểu đồ mômen do lực hãm ngang T gây ra Đối với cột bên phải ta có: Lực cắt ở chân cột: Vậy QA = QA’= 1477+ 1209 = 3686 ( daN) = Tmax Biểu đồ mômen cho trên hình 13 6- Tính khung với tải trọng gió. ở đây tính với trường hợp gió thổi từ trái qua phải. Với gió từ phải qua trái chỉ cần lấy đối xứng biểu đồ nội lực qua trục đứng Dùng phương pháp chuyển vị, phương trình chính tắc trong trường hợp tải trọng gió là: r11.D + R1P = 0 Đã có biểu đồ do D = 1 trong hệ cơ bản như ở phần tính khung chịu Mmax, Mmin , T và có: Sơ đồ tính tải trọng gió như sau: (Hình 14) 36000 qđ qh R1P W qđ RP A B C Hình 14 + Tính toán nội lực cho cột trái: áp dụng sơ đồ và công thức tính nội lực cho cột theo bảng III – 2 phụ lục III ta có: + Nội lực trong cột phải: Các trị số nội lực cột phải được suy ra từ cột trái bằng cách nhân với hệ số: MqB’ = -0,750 ´ (-6528) = 4896 (daNm) MqC’ = -0,750 ´ 4352 = -3264 (daNm) MqA’ = -0,750 ´ (-13612) = 10209 (daNm) RqB’ = -0,750 ´ 3666 = -2750 (daN) Từ các giá trị tính toán ta vẽ được biểu đồ nội lực của hệ cơ bản chịu tải trọng gió như (hình 15). Từ biểu đồ (Moq) suy ra: R1P = -RB - RB’ - W = -(4707 + 2750 + 3666 ) = -11123 (daN) và Biểu đồ mômen cuối cùng của khung chịu tải trọng gió là: (Mq) = ( + Cột trái: Hình 15: Biểu đồ mômen do tải trọng gió + Cột phải: Kiểm tra tổng lực cắt chân cột bằng tổng ngoại lực QA + QA’ = 10239 +9070 = 19309 daN (q + q’)h + w =19309 daN IV- tính cột + Chọn cặp nội lực tính toán Từ bảng tổ hợp nội lực chọn các cặp nội lực nguy hiểm để chọn tiết diện cột là: M = - 82841 (daNm); N = 57213 (daN) Để xác định chiều dài tính toán của các phần cột ta chọn cặp có N lớn nhất M = 145845 (daNm); N = 162729 (daN) M = -49288 (daNm); N = 164822(daN) 2- Xác định các thông số tính toán: - Tỉ số độ cứng giữa hai phần cột - Tỉ số nén tính toán lớn nhất của hai phần cột: m = - Hệ số C1: Với tra bảng III.6.b ị m1 = 1,964 Khi đó m2 = Vậy chiều dài tính toán của các phần cột trong mặt phẳng khung là: + Cột trên: l2x = m2´ Htr = 2 ´ 5= 10 (m) + Cột dưới: l1x = m1´ Hd = 1,964 ´ 9 = 15.71(m) Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng khung bằng: + Cột trên: l2y = Htr – Hdct = 5- 0,6 = 4,4 (m) + Cột dưới: l1y = Hd = 9 (m) 2- Thiết kế cột trên. Cột trên đặc, chọn tiết diện chữ I đối xứng, chiều cao tiết diện cột đã chọn từ trước: a = btr = 500 (mm) Độ lệch tâm: Sơ bộ lấy hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện h = 1 x = 0,4a = 0,4 x50 = 20 (cm) Bán kính quán tính rx = 0,44 x a = 0,44 x 50 = 22 (cm). Độ lệch tâm quy đổi: m1 = 1 x Độ mảnh quy ước = x =64,36= 2,035 => tra phụ lục II6 theo và m1 được = 0,1539 Diện tích cần thiết của tiết diện cột: F = cm2 Dựa vào các điều kiện cáu tạo bề dầy bản bụng (1/60 – 1/100h) và không nhỏ hơn 6 cm, Bề rộng cánh không nhỏ hơn (1/20 – 1/30) ht ta chọn Chọn tiết diện sơ bộ theo điều kiện cấu tạo: 500 460 20 20 360 x x db = 14 mm , bc = 360 mm , h=500 mm Chọn = 20 mm => diện tích tiết diện Bản bụng 46 x 1,4 = 64,4 (cm2) Bản cánh 2x (36 x 2) = 144 cm2 Diện tích cần F = 208,4 cm2 - Tính các đặc trưng hình học của tiết diện: Bán kính quán tính của tiết diện: Độ mảnh quy ước: x = ; y = kiểm tra ổn định trong mặt phẳng của khung Độ lệch tâm tương đối: m = = Với: => lt = 0,13 Điều kiện ổn định (daN/cm2) - Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung. Các giá trị mô men quy ước dùng để kiểm tra ổn định ngoài mặt phẳng khung là: M’ = max[] Trong đó: M1, M2 là mô men lớn nhất ở một đầu và mô men tương ứng ở đầu kia của đoạn cột là mô men ở 1/3 chiều cao cột. Mômen tính toán ở tiết diện cột B đỉnh cột có có trị số Mb = -82841 (daNm) do các tải trọng 1,2,4,6,8 suy ra mômen tương ứng ở tiết diện cột c Mc = - 15311 – 3083 + 5890 + 1244 + 2783 = - 2764 (daNm) M’ có trị số không nhỏ hơn Độ lệch tâm: ị Tra phụ lục 7 có; b = 1 ; a = 0,9 Hệ số ảnh hưởng mô men: tra bảng II.1 theo ta được jy = 0,865 Điều kiện ổn định ị - Kiểm tra ổn định cục bộ ổn định cục bộ của bản cánh = 16,3 <16,3 ổn định cục bộ của bản bụng ị Bụng cột đảm bảo ổn định Vì không cần gia cường bằng các sườn Vậy tiết diện đã chọn là thoả mãn các điều kiện kiểm tra. 3- Thiết kế tiết diện cột dưới. 3.1- Chọn tiết diện cột Dạng tiết diện Chọn tiết diện cột dưới đặc có tiết diện dạng chữ H không đối xứng. Nhánh phía ngoài dùng thép bản. Nhánh trong dùng thép chữ I cán sẵn. Bản bụng cột dùng thép bản có chiều dày bằng (1/80 á 1/250)hd nhưng không nhỏ hơn 8mm b) Diện tích tiết diện Dựa vào bảng tổ hợp nội lực, cặp nội lực chọn để tính toán tiết diện cột được chọn là cặp nội lực gây nguy hiểm cho nhánh cầu trục Nmax = 165631(daN) Mmax = - 46551 (daNm) Cặp nội lực gây nguy hiểm cho nhánh mái Nmax = 165250(daN) Mmax = 121177 (daNm) Chọn tiết diện cột giả thiết khoảng cách giữa hai trục nhánh C=h =1 cm chọn nhánh cậu trục y1= 0,6C. => y1 = 0,72 x1 = 0,72(m). Khoảng cách từ trọng tâm đến trục => y2 = 0,28 (m) Lực nén: Nnh1 = N1x+ =165131 x (daN) Lực nén lớn nhất trong nhánh mái Nnh2 =165250 x (daN) Giả thiết hệ số ổn định => diện tích tiết diện y/c cho tong nhánh riêng rẽ được sác định từ điều kiện ổn định cho nhánh cầu trục Chọn nhánh cầu trục có dạng chữ I. Tổ hợp từ ba bản thép và nhánh mái có dạng chữ C tổ hợp từ một thép bản và hai thép góc c) Đặc trưng hình học của tiết diện Diện tích tiết diện nhánh cầu trục : Bản bụng: 38 x 0,8 = 30,4 (cm2) Bản cánh: 2 x (16 x 1) = 32 (cm2) Fct = 64,4 (cm2) Đặc trưng hình học ( với trục bản thân x1,y1) Jx1 = (cm4) rx1 = (cm4). Nhánh mái: chọn thép hình L140x12 cm4 Diện tích tiết diện A = 32,5 x 2 +2 x 36 = 137 (cm4) Khoảng cách từ mép tiến diện đến trục trọng tâm tiết diện Z0 = (cm) Mômen quán tính tiết diện Jx2 = 2(cm4) =>rx2 = (cm) Jy = cm4 =>ryc = (cm) Xác lại giá trị y1,y2 C= y1+ y2= h – 3,3 = 100 –3,3 = 96,7 cm. y1 = = Khoảng cách giữa hai trục X2-X2 và X- X. y2 = C – y1 = 96,7-66,5 = 30,2 (cm) => Mômen quán tính toàn tiết diện cột Jx = Jx1 + Jx2 + y12A + y22A2 = 682 + 1985 + 66,52 x 62,4 + 30,22 x 137 = 402735 (cm4). Bán kính quán tính rx = (cm) Kiểm tra tiết diện đã chọn - Chiều cao dầm vai trọn (0,5 – 0,8bd = (0,50,8)x1000 Chọn hdv = 0,7 = 70 (cm). Chia chiều dài cột dưới làm 7 khoảng, chiều dài mõi khoảng lnh = (cm) -Tính lại lực dọc trong mỗi nhánh cột Nm = (daN) Nct = =(daN) Độ mảnh của nhánh trong và ngoài mặt phẳng khung. Từ được w = 0,791 Điều kiện kiểm tra: kiểm tra nhánh mái Từ tra bảng phụ lục 3 được Kiểm tra: (Kg/cm2). 4/ Tính thanh nối - Do lực cắt thực tế lớn nhất Qa = 22195daN - Chọn khoảng cách các nút gằng a = 104 (cm). Chiều dài thanh xiên S = (cm). Góc giữa trục của nhánh và trục của thanh giằng xiên tg= Sin= 0,68 Nội lực dọc trong thanh giằng xiên do lực Q= 22195 (daN) gây ra Ntx = Chọn tiết diện thanh xiên dạng thép góc L90x8 có diện tích tiết diện Atx = 13.9 (cm2) bán kính quán tính nhỏ nhất rmin = 1,77 cm. => độ mảnh lớn nhất của thanh xiên tra bảng => hệ số uấn dọc => ứng suất trong thanh giằng xiên Thanh xiên bảo đảm ổn định a/ Thanh xiên liên kết với nhánh cột bằng đường hàn góc cao 8mm ở sống và 4mm ở mép chiều dài đường hàn - hàn sống: lhs = Chiều dài cần thiết của đường hàn mép lhs = Thanh ngang được tính với lực cắt quy ước theo diện tích của thanh lớn. Q = 1780 daN Lực này nhỏ nên chọn độ mảnh cho phép Chọn thép góc L56x4 có F = 4,38 cm2, rmin = 1,1 (cm ) như vậy. = => b/ kiểm tra ổn định toàn thân cột rỗng độ mảnh toàn cột trong mặt phẳng khung Độ mảnh tính đổi. = Trong đó: K1=29,2 ; Fx1=2 x13,9=37,8. Với nhánh cầu trục: y = y1=66,4 (cm) Với nhánh mái: y = 40,982 + 3,68 -0,5 x 1,6 = 30,2 (cm). c/ Kiểm tra với cặp : M = 165250( daNm ) ; N = 121177 (daN) m = Từ m và tra phụ lục IV ta được =0,462. . d/ Kiểm tra với cặp : M1 = -46561 (daNm). N1 = 165631 (daN). m = =>. . Như vậy cột cột ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung 5/ Thiết kế các chi tiết cột + Mối nối hai phần cột: - Nội lực tính toán dự kiến mối nối khuyếch đại ở cao hơn mặt trên cột 600 (mm), ở tiết diện cột trên ta chọn hai cặp nội lực nguy hiểm cho nhánh mái với nhánh cầu trục M+max = 4135 (daNm), N = 47736 (daN). M-max = -20198 (daNm), N = 57213 (daN). + Cấu tạo mối nối - Nội lực nến lớn nhất mà cánh ngoài phải chịu Sng = Trong đó bt’ là khoảng cách hai bản cánh cột trên bt’ = ht - = 0,5-0,02 = 0,48 (cm). Sng =(daN). Nội lực nén lớn nhất mà cánh trong phải chịu. Str = (daN). Cánh ngoài cột trên nối với cánh ngoài cột dưới bằng đường hàn đối đầu có bề dầy tính toán của đường hàn (cm). chiều dài thực tế của đường hàn. lh = 36 – 2 x 0,5 = 35 (cm). Đường hàn chịu lực dọc trục Sng =40738 (daN). Đ/K bền của đường hàn. Rnhg = Rnhg = 2100(daN/cm2) => mối nối đảm bảu điều kiện bền - Cánh ngoài cột trên nối với phần cột dưới thông qua bản thép K bản thép K nối với cánh ngoài cột trên bằn đường hàn đối đầu chọn bản K có tiết diện giống bản cánh cột trên 2 x 36 cm. khi đó , lhtt= 35(cm). Đường hàn chịu lực dọc trục Rg = 2100(daN/cm2). Một số phần bụng cột trên được hàn trước vào đỉnh cột dưới. Hai phần bụng cột trên được nối với nhau bằng đường hàn đối đầu chịu lực cắt Q tại tiết diện cột trên. Vì Q nhỏ nên ta hàn theo cấu tạo với ). Cả 3 đường hàn trên được tiến hành trên cùng một tiết diện. + Tính toán dầm vai. - Dầm vai xét như dầm đơn giản nhịp l = 1m chịu lực tập trung. Str = 69785 (daN). từ cánh trong cột trên chuyền xuống A=B = (daN). Mômen uấn lớn nhất tại giữa nhịp (ngay dưới lực Str Mdvmax = (daNm). Cấu tạo dầm vai bao gồm bản bụng thẳng đứng nối liền với bản bụng nhánh mái và bản bụng cánh cầu trục. Bản bụng dầm vai kéo dài vượt quá bụng nhánh cầu trục 20 mm bụng nhánh cầu trục xẻ rãnh để bụng dầm vai xuyên qua - Cánh trên dầm vai gồm bản đậy trên nút nhánh cầu trục và bản sườn lót giữa bụng cột trên và bụng dầm vai cũng dầy 20 mm cánh dưới dầm vai là bản thép nằm lọt giữa hai nhánh cột dưới nối liền với hai bản bụng hai nhánh dầy 10 mm. - Vì dầm cầu trục đặt lên cột thông qua sườn đầu dầm tì vào dầm vai nên bụng dầm vai phải đủ dầy để chịu ép mặt do Dmax+Gdct chuyền xuống. Chọn chiều rộng sườn gối bs = 30 cm => chiều dài chuyền lực ép mặt Z = bs + 2bbđ = 30 +2 x 2 = 34 (cm). cm. Chọn mm, chiều cao dầm vai phải thỏa mãn các đ/k sau. - y/c về cấu tạo hdv. Chiều cao hbdv còn phải đủ để bố trí 4 đường hàn góc l/k bụng dầm vai với bụng nhánh cầu trục chịu lực Dmax, Gdct, B chọn hh = 8 (mm). => hbdv ≥ lh = (cm) Ngoài ra chiều cao dầm vai nên chọn đảm bảu quá trình bố trí thanh giằng xiên => chọn chiều cao dầm vai hdv=70(cm). ta bố trí 7 khoảng nút giằng, mỗi khoảng 173 cm hbdv = 70 – ( 2+1) = 67 cm => Chọn tiết diện dầm vai (Hình vẽ) Tiết diện dàm vai phải thỏa mãn điều kiện chịu uấn ta có thể quan niệm tiết diện chịu uấn của dầm vai là tiết diện chữ nhật của riêng bản bụng => Mômen kháng uốn của tiết diện chữ nhật Wdv = /6 = cm3. Điều kiện bền của dầm. daN/cm2 < Rg = 2100(daN/cm2). - Các đường hàn ngang liên kết với bản cánh trên bản cánh dưới với bản bụng lấy theo cấu tạo liên tục xuốt chiều dài của bản bụng 2- Tính chân cột. Chân cột đặc dùng bản đế liền, được mở rộng theo phương mặt phẳng tác dụng của mômen uốn. Chân cột có cấu tạo như hình vẽ dưới Dầm đế tách đôi, ngoài ra có các sườn có bản đế, sườn cho bu lông neo. Trục giữa của bản đế trùng với trục cột dưới (bàn đế đối xứng). a) Xác định kích thước bản đế Nội lực để tính chân cột là cặp nội lực nguy hiểm nhất ở tiết diện A-A (ở chân cột) lấy trong bảng tổ hợp nội lực. Nnh1 = 99877,5(daN) Nnh2 = 235738 (daN) Kích thước dài rộng L ´ B của bản đế được xác định do điều kiện cường độ của vật liệu móng. Chiều rộng B của bản đế (cạnh vuông với mặt phẳng uốn) được cấu tạo trước theo các kích thước của tiết diện cột. Abd = Giả thiết hệ số tăng Rn khi chịu nén cục bộ mcb = 1,2; Bê tông móng mác 200, Rn = 90 Kg/cm2; Rk = 7,5(kg/cm2). Diện tích yêu cầu bản đế ở nhánh cầu trục Abd1 = cm2 Nhánh hai: Abd2 = cm2 Chiều rộng B của bản đế được chế tạo theo kích thước của tiết diện B = bc + 2ddđ + 2C1 Trong đó: bc- Bề rộng tiết diện cột dưới. =40 cm ddđ- Chiều dày dầm đế lấy sơ bộ ddđ = 1 cm C1- Phần nhô ra của công son bản đế chọn 6 cm B = 40 + 2 x 6 + 2 x 1= 54 cm => Chiều dài yêu cầu của bản đế nhánh cầu trục L1 =cm. Chọn L1 = 20 cm Nhánh mái. L2 =cm. Chọn L2 = 42 cm. ứng suất thực tế của bê tông móng bên dưới bản đế daN/cm2 daN/cm2 ứng suất này sẽ phân bố đều trên toàn bộ diện tích của bản đế cấu tạo chân cột như (Hình vẽ) Diện tích bản đế bị dầm đế và sườn ngăn A chia thành các ô với các biên tựa khác nhau Ô2 là bản công xôn. Ô3 là bản kê 3 cạnh có chiều dài biên tự do a2 = 20 (cm). Chiều dài cạnh vuông góc với biên tự do b2 = 22,3 (cm). => mômen uấn lớn nhất trong Ô3 M3 = Với dựa vào tỷ số . Chiều dầy bản đế cần xác định từ điều kiện bền của bản đế. =. Nhánh cầu trục.Ô1 là bản công xôn Ô3 là bản kê ba cạnh có chiều dài cạnh biên tự do a2=20 (cm).chiều dài cạnh vuông góc với biên tự do b2=10 cm =>M3 = (daNcm). Trong đó d = a2= 20 (cm). => Chiều dầy cần thiết của nhánh cầu trục (cm) Vậy chọn chiều dầy chung cho cả hai nhánh (cm). b) Các bộ phận chân cột +/ Tính dầm đế chân cột. Toàn bộ lực nhánh Nnh truyền xuống bản đế thông qua 2 dàm đế và sườn A hàn vào bụng của nhánh. Dầm đế chịu tác dụng của phần phản lực thuộc diện chịu tải của nó - Tải trọng tác dụng lên dầm đế ở nhánh mái coi phân bố đều. q2dđ = = 105,3(daN/cm). Tổng phản lực chuyền lên dầm đế N2dđ = q2dđ x l2 = 1685 x 42 = 70770 (daN) Lực N2dđ do hai đường hàn góc liên kết với dầm đế với thép góc nhánh cột chịu, chọn chiều cao đường hàn sống hs = 10 mm. Chiều cao đường hàn mép hm = 8mm. Chiều dài cần thiết của hai đường hàn: lhs = Với bg là chiều rộng cánh thép góc bg = 16 (cm). ag là khoảng cách từ trục trung tâm đến đường hàn sống ag = 1.3 (cm). => lhs = lhm = chiều cao dầm đế phải đủ để chứa hai đường hàn này => chọn dầm đế có tiết diện 55 x 1 (cm). coi sự làm việc của dầm đế như công xôn ngàm vào cột bằng hai đường hàn trên => Mômen uấn lớn nhất trong dầm . Mmax = (daNcm) => Điều kiện bền của dầm đế. Lực cắt lớn nhất trong dầm Qmax = 2106 x 20,5 = 43173 (daN). c/ Tính toán sườn : - Nhánh mái xem sự làm việc của sườn A2 như một công xôn ngàm vào bụ._.