Đồ án kết cấu thép: Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp - GVHD: Bùi Thanh Chiến

Tài liệu tham khảo đồ án kết cấu thép GVHD Bùi Thanh Chiến, trình bày chi tiết các bước thiết kế khung ngang nhà công nghiệp và tính toán kết cấu.

• Tác giả: Lê Văn Hiếu
• Người hướng dẫn: Bùi Thanh Chiến
• Trường học: Cần Thơ University
• Chuyên ngành: Kết Cấu Thép
• Đề tài: Thiết Kế Khung Nhà Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Địa điểm: Cần Thơ

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thép Thầy Chiến CTU Thiết kế khung nhà công nghiệp

Đồ án thép Thầy Chiến CTU là một công trình thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp với nhịp khung ngang L = 28m và bước khung B = 8m. Công trình được thiết kế dưới hướng dẫn của PGS. Bùi Thanh Chiến - giảng viên hàng đầu trong lĩnh vực kết cấu thép. Đây là dự án học tập toàn diện, bao gồm các khâu từ xác định kích thước chính, thiết kế hệ giằng, tấm lợp, đến thiết kế chi tiết cấu kiện. Khung nhà công nghiệp này được thiết kế để chịu tác dụng của hoạt tải cầu trục có sức nâng Q = 10T, cùng với các tải trọng khác như gió và trọng lượng bản thân. Vật liệu sử dụng là thép CCT34 với cường độ tính toán f = 210 N/mm², đảm bảo độ an toàn và tiết kiệm kinh tế trong thiết kế.

1.1. Đặc điểm chính của dự án

Đồ án kết cấu thép này tập trung vào thiết kế một khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp với các thông số kỹ thuật cụ thể. Nhịp khung L = 28m, bước khung B = 8m, chiều cao cột Hd = 4m cho phần dưới. Cầu trục sức nâng Q = 10T được tích hợp trong thiết kế, yêu cầu tính toán chính xác lực tác dụng. Que hàn N42 được sử dụng kết hợp phương pháp hàn tay, với kiểm tra bằng phương pháp siêu âm. Đây là một mô hình đơn giản nhưng đầy đủ các yếu tố cơ bản của thiết kế khung công nghiệp hiện đại.

1.2. Ý nghĩa trong học tập kết cấu thép

Công trình này cung cấp kinh nghiệm thực tiễn về thiết kế khung nhà công nghiệp, bao gồm các bước tính toán từ lý thuyết đến thực hành. Sinh viên học được cách xác định kích thước hình học, tính toán tải trọng, kiểm tra tiết diện, và thiết kế các chi tiết kết nối. Đồ án thép CTU là nền tảng vững chắc để hiểu rõ hơn về những ứng dụng thực tế của kết cấu thép trong xây dựng công nghiệp.

II. Xác định kích thước chính của khung ngang và thiết kế tấm lợp

Kích thước chính khung ngang được xác định dựa trên các yêu cầu thiết kế và thông số của cầu trục. Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang H2 = 0.96m, cộng với chiều cao dầm cầu trục Hdct = 0.4m (từ 1/8 đến 1/10 của bước khung B = 8m), tạo nên các kích thước đứng quan trọng. Thiết kế tấm lợp tole là khâu thiết kế hệ thống mái, bao gồm tấm tôn sóng chịu các tải trọng tác dụng. Tải trọng lên tấm gồm: trọng lượng bản thân tấm tôn, tải trọng gió theo tiêu chuẩn, và các tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn. Thiết kế xà gồ hỗ trợ tấm lợp phải được tính toán kỹ lưỡng, bao gồm chọn sơ bộ tiết diện, tính nội lực, và kiểm tra tiết diện theo điều kiện chịu lực.

2.1. Kích thước đứng và ngang của khung

Chiều cao cột H = Hd + Ht = 4 + 3.92 = 7.92m, trong đó Hd = 4m (phần cột dưới) và Ht là chiều cao phần cột trên. Cao trình đỉnh ray được tính H = H1 + H2 + H3 với các thành phần cụ thể. Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray được xác định từ nhịp cầu trục Lk = 25.5m và nhịp khung L = 28m. Chiều cao tiết diện cột được chọn theo yêu cầu về độ cứng, đảm bảo khung ngang hoạt động an toàn và kinh tế.

2.2. Tải trọng và thiết kế tấm lợp

Tấm tôn sóng phải chịu đựng các tải trọng bao gồm: trọng lượng bản thân, tải trọng gió tác dụng ngang, và các tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn thiết kế. Hệ xà gồ được thiết kế để hỗ trợ tấm lợp với khung cách nhất định. Tính toán bao gồm chọn sơ bộ tiết diện xà gồ, tính nội lực cong uốn và cắt, sau đó kiểm tra tiết diện đã chọn có đạt yêu cầu cường độ hay không. Đây là bước quan trọng để đảm bảo thiết kế tấm lợp hiệu quả.

III. Tải trọng tác dụng trên khung ngang và thiết kế sườn tường

Tải trọng tác dụng lên khung ngang bao gồm nhiều loại: tải trọng tĩnh từ mái nhà, tải trọng hoạt động từ cầu trục, tải trọng gió, và các lực đặc biệt từ hoạt động cầu trục như lực hãm ngang và áp lực đứng. Tải trọng gió được tính toán dựa trên tiêu chuẩn với hướng tác dụng từ trái và phải. Hoạt tải cầu trục gồm các trường hợp: toàn bộ mái, nửa mái trái, nửa mái phải, cùng các lực ngang từ hãm cầu. Thiết kế sườn tường là phần cấu kiện thẳng đứng chịu lực từ các phương đứng (trục x-x) và phương ngang (trục y-y). Sườn tường phải được chọn tiết diện sơ bộ, tính tải trọng tác dụng, và kiểm tra tiết diện đảm bảo cường độ và độ ổn định.

3.1. Các loại tải trọng và tổ hợp tải

Tải trọng tĩnh từ mái và hệ thống phụ trợ. Tải trọng hoạt động gồm cầu trục Q = 10T, lực hãm ngang, và áp lực đứng theo các hướng. Tải trọng gió được tính toán từ áp lực gió tiêu chuẩn. Tổ hợp tải trọng kết hợp các loại tải theo tiêu chuẩn, tạo nên các trường hợp tải khác nhau. Bảng tổ hợp nội lực được lập để xác định Mmax và Ntu - những giá trị quan trọng nhất trong thiết kế.

3.2. Thiết kế sườn tường chịu lực

Sườn tường được thiết kế để chịu tải trọng theo hai phương: đứng (trục x-x) và ngang (trục y-y). Chọn tiết diện sơ bộ dựa trên yêu cầu độ cứng, sau đó tính toán tải trọng tác dụng. Kiểm tra tiết diện phải đảm bảo cường độ (σ ≤ f) và độ ổn định (σ ≤ f/φ), nếu không đạt thì phải thay đổi tiết diện. Sườn tường là cấu kiện quan trọng giữ độ cứng ngang của khung.

IV. Thiết kế tiết diện cấu kiện và chi tiết kết nối

Thiết kế tiết diện cột là bước quan trọng, bắt đầu từ xác định chiều dài tính toán dựa vào điều kiện biên của cột. Với các nút giữ cứng ở chân cột và đỉnh cột, chiều dài tính toán khác với chiều dài thực tế. Tiết diện cột được chọn sơ bộ và kiểm tra với Mmax và Ntu, đảm bảo cột hoạt động an toàn. Thiết kế tiết diện xà ngang được chia thành các đoạn khác nhau vì bản chất tải trọng và nội lực, đoạn 4m và đoạn 8m có thể có tiết diện khác nhau. Thiết kế chi tiết kết nối bao gồm: vai cột, chân cột với bản đế, bulông neo, đường hàn, mối nối đỉnh xà, thanh căng. Mỗi chi tiết phải được tính toán cụ thể bằng công thức kỹ thuật để đảm bảo tính toàn vẹn của kết cấu thép khung nhà công nghiệp.

4.1. Thiết kế tiết diện cột và xà ngang

Cột được chọn tiết diện với chiều dài tính toán l0 phù hợp với điều kiện biên. Kiểm tra cường độ: σ = (Ntu/A) + (Mmax/Wx) ≤ f, kiểm tra ổn định: σ = Ntu/(A·φ) + Mmax/Wx ≤ f. Xà ngang được thiết kế thành các đoạn với tiết diện khác nhau. Tính nội lực V, M tại các vị trí, chọn tiết diện và kiểm tra cường độ cong uốn và cắt. Một số đoạn không thay đổi tiết diện, một số thay đổi để tối ưu hóa vật liệu.

4.2. Chi tiết kết nối và mối nối

Vai cột - bản dầm ngang hỗ trợ - được thiết kế chịu lực tập trung từ dầm cầu trục. Chân cột với bản đế, dầm đế, sườn A, sườn B, bulông neo phải được tính toán để truyền lực xuống móng. Mối nối cột-xà ngang dùng mặt bích và bulông, phải kiểm tra cường độ mặt bích và độ bền bulông. Mối nối đỉnh xà và thanh căng đảm bảo độ cứng toàn khung.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG 1. Số liệu thiết kế - Thiết kế khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp với các số liệu cho trước sau: Nhịp khung ngang L= 28 (m) Bước khung B= 8 (m) Sức nâng cầu trục Q= 10 (T) Chiều cao của phần cột dưới (tính từ Hd=4. - Vật liệu thép Mác CCT34 có cường độ: |f =210 N /mm 2 =2100 kG/cm 2 ⇒¿|f v =120 N /mm 2 =1200 kG/cm 2 ¿ dày : t=20mm |f u =320 N /mm 2 =3200 kG/cm 2 Chọn sơ bộ thép có độ Trong đó: f y : cường độ tiêu chuẩn của thép f u : cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của thép f : cường độ tính toán của thép - Que hàn N42, sử dụng phương pháp hàn bằng tay (Bh=0.1), kiểm tra cường độ đường hàn bằng phương pháp siêu âm. SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 1 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN - Chọn cốt nhà trùng với cốt có cao độ để tính toán độ cao.

- Với cầu trục có sức trục Q=10T, tra bảng II.3, trang 87, sách Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp – TS. Phạm Minh Hà, ta có các thông số sau: Nhịp Lk = 26.cao gabarit Hk = 960 (mm) Kh.lượng cầu trục G = 11 (T) T.lượng xe con Gxc = 0. Kích thước theo phương đứng SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 2 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN - Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang: H2 = Hk + bk = 0.2 (m) - khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang.96 (m) - theo thông số cầu trục đã chọn. - Chiều cao của phần cột tính từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang: Ht = H2 + Hdct + Hr = 1.

Trong đó : Hdct - chiều cao dầm cầu trục, Ta có: Hdct = (1/8 – 1/10)B = (1/8 – 1/10). Chọn sơ bộ Hdct= 0. Hr - chiều cao của ray và đệm, lấy Hr=0. - Chiều cao của cột: H = Hd + Ht = 4.

Trong đó: Hd: chiều cao của phần cột dưới (tính từ mặt móng đến mặt trên của vai cột) - Cao trình đỉnh ray: H = H 1 + H2 + H3  H1 = H - H2 - H3= 7.9 (m) Trong đó : H1 - cao trình đỉnh ray H3 - phần cột chôn dưới cốt nền H3 = 0. Kích thước theo phương ngang - Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột (a = 0). - Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray cầu trục: Với Lk = 25.5 (m) – Nhịp cầu trục, lấy theo catalo. L = 28 (m) – Nhịp khung, lấy theo yêu cầu thiết kế.

- Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu về độ cứng: SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 3 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN → Chọn h = 0. - Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung: z = L1 – h = 0. SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 4 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ GIẰNG 2. Hệ giằng mái Được bố trí trong mặt phẳng thân cánh trên tại hai đầu h ồi (ho ặc g ần đ ầu hồi), đầu các khối nhiệt độ và ở giữa nhà tùy theo chiều dài nhà, sao cho kho ảng cách giữa các giằng bố trí cách nhau không quá 5 bước cột.

Bản bụng của hai thanh xà ngang cạnh nhau được nối bởi các thanh giằng chéo chữ thập. Các thanh giằng chéo này có thể là thép góc, thép tròn hoặc cáp thép mạ kẽm đường kính không nhỏ hơn 12mm, thép tròn đường kính không nhỏ hơn f20. => Ta chọn thanh giằng mái bằng thép tròn f20. Giằng cột Hệ giằng cột có tác dụng bảo đảm độ cứng dọc nhà và giữ ổn đ ịnh cho c ột, tiếp nhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà như SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 5 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN tải trọng gió lên tường hồi, lực hãm dọc nhà của cầu tr ục.

H ệ gi ằng c ột g ồm các thanh giằng chéo được bố trí trong phạm vi cột trên và cột dưới tại những gian có hệ giằng mái. Nhà có cầu trục với sức nâng là 10 tấn nên ta dùng thép tròn có đường kính không nhỏ hơn 20mm. =>chọn thép tròn f20 Ta chọn thanh giằng cột và thanh giằng đầu cột là thép ch ữ C có s ố hi ệu 6CS2,5x105. Trọng lượng bản thân của thép là g = 6,29Kg/m 2.

Các chi tiết cấu tạo SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 6 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TẤM LỢP TOLE 3. Đặc trưng tiết diện hình học Mặt cắt a-a 3. Sơ đồ tính Tấm tôn sóng được tính toán như một dầm liên tục hoặc dầm đơn giản nhận xà gồ làm gối đỡ. tiết diện tính toán như trên hình vẽ mặt cắt a-a, với bề rộng B = 100 cm.

Tải trọng tác dụng lên tấm tôn sóng Gồm có: tải trọng gió, trọng lượng bản thân và hoạt tải mái. Thường thì tole có độ dốc i £ 12%, do vậy tải trọng gió có chiều ngược với hoạt tải mái và trọng lượng bản thân của tấm tole. Ta chọn tổ hợp tải có trị tuyệt đối lớn nhất để tính toán. Tải trọng gió - Tải trọng gió tác dụng lên tấm lợp được tính theo công thức: q1=n.

B (daN/m) Trong đó: SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 7 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN + n : Hệ số vượt tải đối với tải trọng gió, lấy bằng 1,2. + W0: giá trị áp lực gió lấy theo bảng đồ phân vùng áp lực gió (TCVN 2737- 1995).  Địa điểm xây dựng tại TP. Cần Thơ thuộc khu vực IIA => W0 = 83 kg/m2.

+ K : Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình (TCVN 2737-1995).  Độ cao công trình , địa hình thuộc dạng A.126 + Ce: Hệ số khí động phụ thuộc vào hướng gió và dạng mái (TCVN 2737-1995).   Tra bảng nội suy ta tìm được hệ số khí động:  Ce1 = - 0.4  Ce3 = - 0,5  C= -0,7: Hệ số khí động, chọn trường hợp nguy hiểm nhất khi gió thổi vào đầu hồi nhà. + B: Bề rộng diện truyền tải trọng gió vào khung, lấy B=1 (m).

SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 8 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN Ce3 +0. Hoạt tải mái q 2= ptc ×n p ×B (kg/m). Trong đó: + ptc : hoạt tải mái tiêu chuẩn. + np : hệ số vượt tải, lấy bằng 1,3.

+ B : Diện tác dụng lên tấm tôn, tính trên 1m tính toán B = 100 (cm). Trọng lượng bản thân tấm tôn q 3 =gtc∗n g∗B (kg/m). g tc =1,2∗δ∗γ T =1,2*0,0004*7850=3,768 kg/m2 Trong đó : + gtc : Trọng lượng tiêu chuẩn của tấm tôn. + d : bề dày tấm tôn (0,4mm) + Hệ số vượt tải 1,2 kể đến phần tôn dập sóng.

+ gT = 7850 (kg/m3) : Khối lượng riêng của vật liệu làm tấm lợp. + ng : hệ số vượt tải, lấy 1,1 + B : Bề rộng tính toán của tấm tôn, B = 100 (cm). SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 9 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN 3. Tổ hợp tải trọng tác dụng lên tấm tôn: - Chọn tổ hợp nguy hiểm trong các tổ hợp sau: + TH1 : qTH1 = q1 + q3 = -78.

- Nội lực và kiểm tra tiết diện tấm tôn: 74,355 kg/m - Nội lực : chủ yếu tính Mmax của tấm tôn, dùng các phương pháp sức bền vật liệu ta xác định được giải nội lực cấu kiện ứng với tổ hợp TH1. Đặc trưng hình học của tiết diện tấm tôn: 0 ,04×2,53 I x =8×(2×0 ,04×1 ,652 )+7×(6,4×0 ,04×0 ,852 )+16×( )=3 ,87 12 (cm4). - Kiểm tra tiết diện tấm tôn như một cấu kiện chịu uốn. + Điều kiện bền: (kg/cm2) < f *gc = 2100 (kg/cm2).

SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 10 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN Với : gc = 1 : hệ số điều kiện làm việc. f : cường độ tính toán của thép. + Điều kiện võng: (cm). E = 2,1*106 (kg/cm2) : modul biến dạng đàn hồi của thép.

Þ < [] f L = 1 200 =0 , 005  Vậy: tấm tôn thiết kế thỏa mãn điều kiện về độ bền và độ võng. SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 11 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ XÀ GỒ 4. Thiết kế hệ xà gồ Xà gồ mái trong khung thép nhẹ thường sử dụng thép tạo hình cán nguội thành mỏng (nhỏ hơn 3mm), tiết diện chữ C hoặc chữ Z. Đối với khung đang thiết kế chọn xà gồ là thép nguội tiết diện chữ C.

Sơ đồ tính của xà gồ C là dầm đơn giản. Xà gồ được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiên (uốn trong 2 mặt phẳng). Tính toán xà gồ 4. Chọn sơ bộ xà gồ  Dựa vào catalo xà gồ, chọn xà gồ tiết diện chữ C có số hiệu 6CS2.5x105 có các đặc trưng tiết diện như sau: D = 150 (mm); B = 64 (mm); 64 t = 2.8 (mm); Diện tích tiết diện: 8.1 (cm); Trọng lượng bản thân xà gồ: gxg = 6.

Khoảng cách bố trí giữa các xà gồ chọn a = 1 (m). Tải trọng tác dụng lên xà gồ SVTH: Lê Văn Hiếu B1410637 Trang 12 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP GVHD: BÙI THANH CHIẾN Độ dốc mái i = 12% ® góc a = 6. ¬ Trường hợp 1: Tải trọng tác dụng gồm : tc 2  Trọng lượng bản thân của tấm lợp: g =3 ,768 Kg/m ; tc  Trọng lượng bản thân xà gồ: g xg =6. 296 Kg /m cos α 0 , 993 ( n g∗gtc +n p∗ptc )∗a ( 1,1∗3 , 768+1,3∗30 )∗1 q= +n xg∗gtcxg = +1,1∗6.

993 ¬ Trường hợp 2: có kể đến tác động của tải gió vào xà gồ - Tải trọng gió tác dụng vào xà gồ: Trong đó: a - Khoảng cách giữa hai xà gồ theo mặt bằng a = 1 (m). W0=83: áp lực gió vùng IIA (TP. Cần Thơ) K=1,126 : Hệ số kể đến sự thay đổi áp l ực gió theo đ ộ cao và d ạng đ ịa hình. C= 0,7: Hệ số khí động, chọn trường hợp nguy hiểm nhất khi gió thổi vào đầu hồi nhà.