Thuyết minh
Đồ án môn học : Kết cấu thép
Yêu cầu Thiết kế: Khung ngang nhà Công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp.
Các số liệu của nhà :
- Nhịp khung : L = 30(m)
- Sức trục : Q = 30(Tấn)
- Cao trình đỉnh ray: H
1
= 12(m)
- áp lực gió tiêu chuẩn: W
o
= 155(daN/m
2
)
- Bớc khung : B = 6(m)
- Chiều dài nhà : 17B = 17x6 = 102(m)
- Chiều cao dầm cầu trục : H
dct
= 700(mm)
- Có 2 cần trục làm việc trong xởng ở chế độ trung bình.
+ L
k
=28,5m
+ H= 2,75m
+ B = 6,3m
+ L1=2,5m
+ B1=0,3m.
+ Loại ray KP70 tra bảng ta có Hr=120mm (theo bảng VI.7).
Vật liệu lớp mái:
- Mái panen sờn BTCT 1,5mx6m(g

. Rgt=1650daN/cm
2
.
Phơng pháp hàn tay có
h
=0,7;
t
=1;
Bê tông móng mác 200
Tờng gạch tự mang
vu dinh phong1

Phần I : Tính toán chung
A-các kích thớc chung
I/Thành lập sơ đồ kết cấu:
Từ số liệu yêu cầu thiết kế là loại nhà xởng 1 nhịp, chịu tải trọng cầu trục lớn do đó chọn
sơ đồ khung có liên kết Dàn, Cột là liên kết cứng và dàn khung hình thang có mái dốc. Sơ đồ
khung ngang có dạng nh hình vẽ dới:
h1
l
h
h2
h
h
d
h
3
h
t
h

t
= h
dcc
+H
2
+h
r
h
r
: Chiều cao của ray và đệm. Chiều cao của ray tra bảng IV-7 sách thiết kế KC thép
nhà CN ứng với lọai ray KP70 ta có chiều cao là 0,12m , chiều cao của đệm là 0,05
h
r
=0,17m
h
dcc
=0,7m đã tính ở trên.
H
t
=h
dcc
+H
2
+h
r
=0,7+3,4+0,17=4,27m
d - Chiều cao thông thuỷ của nhà tính từ cốt 0,00 đến trục của thanh cánh dới dàn vì kèo.
H=H
1
+H

Chiều cao h
tr
=(1/10 ữ 1/12) H
t
với H
t
:khoảng cách từ vai cột đến trục thanh cánh dới của dàn vì kèo.
Ta chọn h
tr
= 0,4m
b- Chọn a:
a:khoảng cách giữa trục định vị và mép ngoài cột trên, a phụ thuộc vào chế độ làm việc
của cầu trục. Do sức trục Q=30T nên ta chọn a=250mm.
c- Chọn

:
: Khoảng cách từ trục định vị của cột đến mép trong của cột dới.
B
1
+(h
tr
- a) + D=0,4+(0,4-0,25)+ 0,075=0,625m;
vu dinh phong3

B
1
:Khoảng cách từ trục ray đến mép ngòai của cầu chạy lấy theo catalô cầu chạy, ta chọn
B
1
=0,4m.

=3,5
m
d=3m
l
ct
=12
m
Hct=2,5m
III/lập mặt bằng lới cột, bố trí hệ giằng mái, cột :
III.1/Lập mặt bằng lới Cột :
Nhà xởng đợc thiết kế có chiều dài nhà là : 102m do đó khi bố trí mặt bằng lới Cột ta
không phải để khe lún nhiệt độ . Mặt bằng lới Cột đợc bố trí nh hình vẽ dới.
vu dinh phong4

60006000
1 2 3 4
5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
15 16
17 18
6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000
B
A
60006000600060006000
30000
M
ặT BằNG LƯớI CộT
a- Bố trí 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 dọc nhà. Tác dụng chính của chúng là đảm bảo ổn định cho cánh trên

5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
15 16
17 18
B
A
60006000600060006000
30000
6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000
c- Bố trí hệ giằng đứng :
Hệ giằng đứng đặt trong các mặt phẳng thanh đứng , cótác dụng cùng với các giằng nằm
tạo nên các khối cứng bất biến hình, giữ vị trí và cố định cho dàn vì kèo khi lắp dựng. Hệ giằng
đứng đợc bố trí tại các thanh đứng đầu dàn, thanh đứng giữa dàn và cách nhau 12 - 15m theo
phơng ngang nhà, theo phơng dọc nhà chúng đợc đặt tại những gian có giắng cánh trên và cánh
dới. Hệ giắng dứng đợc bố trí nh sau :
vu dinh phong7

hệ giằng đứng
d- Bố trí hệ giằng Cột :
Trong mỗi trục dọc một khối nhiệt độ cần có ít nhất một tấm cứng các cột khác dựa vào
tấm cứng bằng các thanh chống dọc . Tấm cứng gồm có hai cột, dầm cầu trục các thanh giằng
và các thanh chéo chữ thập. Các thanh giằng bó trí suốt chiều cao của 2 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
vu dinh phong8

tựa dới của dàn kèo. Lớp dới bên dới dầm cầu trục cho đến chân cột. Các thanh giằng lớp trên
đặt trong mặt phẳng trục Cột. Các thanh giằng lớp dới đặt trong mặt phẳng hai nhánh. Tấm
cứng đợc đặt vào khoảng giữa chiều dài của khối nhiệt độ để không cản trở khối nhiệt độ.
Trong các gian đầu và cuối nhà bố trí giằng lớp trên giằng này làm tăng độ cứng dọc nhà,
truyền tải trọng gió từ đầu hồi đến đĩa cứng. Việc bố trí giằng cột đợc thể hiện nh sau :

- Hai lớp gạch lá nem = 2000daN/m
3
. Dày 3cm
60 1,1 66
- 2 Lớp vữa lát dày 1,5cm/lớp = 1800 daN/m
3
. Dày 3 cm
54 1.2 64,8
- Bê tông xỉ cách nhiệt = 500daN/m
3
. Dày 12 cm.
60 1,2 72
- Lớp bê tông chống thấm = 2500daN/m
3
. Dày 4 cm.
100 1,2 120
- Panen mái 1,5x6m; = 150daN/m
2
. Dày 10 cm=0,1m
150 1,1 165
vu dinh phong9

Cộng
424 487,8
Vậy ta lấy g
om
= 488daN/m
2
.
i=1/12 tg =1/12cos= 0.9965

c-Trọng lợng cửa trời: (lấy theo kinh nghiệm)
gct= 1,1.ct.lct daN/m2 (mặt bằng nhà)
g
ct
=1,1.0,5.12=6,6 daN/m
2
(mặt bằng nhà)
d- Trọng lợng của cửa kính và bậu cửa:
- Trọng lợng cửa kính:
g
k
=1,1.(35 ữ 40) daN/m
2
cửa.
Ta lấy g
k
= 44 daN/m
2
.
- Trọng lợng của bậu cửa:
g
b
=1,1.(100 ữ 150) daN/m của bậu cửa (trên + dới).
Ta lấy g
b
=165 daN/m.
Lực tập trung tác dụng lên mắt dàn của tĩnh tải
G1=B (g
m
+g

g
6
g
5
g
4
g
5
g
4
g
3
g
2
g
1
Qui đổi về lực phân bố tác dụng lên dàn của tĩnh tải:
g=G
i
/L
g = (2G
1
+2G
2
+2G
3
+2G
4
+2.G
5

= d.P= 3.585 =1749daN=17,49 KN
d:Khoảng cách giữa các mắt dàn theo phơng ngang d = 3
p=2.874,5+9.1749/30 =17490/30=583 daN/m = 5,83 KN
vu dinh phong11

p
1
p
2
p
1
p
2
p
3
p
4
p
5
p
6
p
3
p
4
p
5
II.2/Tải trọng tác động lên cột:
a- Do phản lực của dàn (lực đợc đặt vào trục cột biên):
Ag=gL/2=3258.30/2=48870 daN =488,7 KN


n
o
:số bánh xe 1 bên ray n
o
= 2
P P P
1
0,8
0,15
5100
1200
900
6000
6000
Pmin = (Q+G)/n
o
Pmax = (300+620)/2 - 345 = 115 KN
áp lực lớn nhất lên vai cột D
max
:
D
max
= n.n
c
.Pmax.yi = 1,2.0,85.345.( 0,15 + 1 + 0,8)= 686 KN
n
c
:hệ số tổ hợp xét đến ảnh hởng của nhiều cầu trục 1 lúc n
c

= (300 + 120).0,05/2 = 10.5 KN
Các lực ngang T
c
1
truyền lên cột thành lực hãm ngang T. Lực T đặt ở cao trình dầm hãm lợi
dụng đờng ảnh hởng khi xác định lực nén lên vai cột ta có thể xác định đợc lực T nh sau(Tính
theo phơng ngang):
T= n.n
c
. T
c
1
.y
i
=1,2.0,85.10.5.(0,15 + 0,8 + 1 ) = 20.88 KN
vu dinh phong13

Lực này chỉ có thể có một trong 2 cột.
II.3/ Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang :
Theo TCVN 2737-95 Tải trọng gió tác dụng lên khung gồm:
- Gió thổi lên mặt bằng tờng dọc đợc chuyển thành lực phân bố trên cột khung.
- Gió trong phạm vi mái từ cánh dới dàn vì kèo trở lên đợc chuyển thành lực tập trung nằm
ngang đặt ở cao trình cánh dới vì kèo(đầu cột).
Trong phạm vi tờng dọc
W
o
= 155daN/m
2
.
Phía đón gió : q

h
o
= 2.2m
l = 24m
3
m
0.75m
0,6m
1
4
.
5
m
0.00
Qđ
Qh
W
W'
sơ đồ tải trọng gió
-Trong phạm vi mái :Tải trọng gió qui về lực tập trung:
W=n.q
0
.k.B.C
i
h
i
+Mặt truớc:
=90
o
,có h1=2,2mC

+ 0,6.0,6)] = 3.689 daN

Theo số liệu đ cho ta có q(đẩy)=9,66 KN q(hut)=6,5 KNã
W=81,68 KN
III.Tổ hợp nội lực:
vu dinh phong15

Ta tiến hành tổ hợp nội lực để tìm ra từng trờng hợp tải trọng bát lợi nhất để thiết kế khung.
Do nhà có tờng tự mang nên lực dọc ở cột chỉ có V, V;ở cột dới có thêm D
max
;G
dcc
(bỏ qua
trọng lợng bản thân của cột). Các kết quả giải đợc ta đa vào bảng tổ hợp.
Với mỗi cột ta xét 4 tiết diện nguy hiểm nhất và tại mỗi tiết diện ghi trị số M,N,Q do mỗi
loại tải trọng gây ra. Riêng tiết diện A thì xét thêm lực cắt Q. Các trị số trong bảng nội lực đợc
ghi làm 2 dòng ; Dòng trên ghi trị số đúng dùng cho tổ hơp cơ bản I(hệ số tổ hợp bằng 1). Dòng
dới ghi trị số nhân 0,9 dùng cho tổ hợp cơ bản II.
THCBI = Tải trọng thờng xuyên + 1tải trọng tạm thời
THCBII = Tải trọng thờng xuyên + 0,9xtải trọng tạm thời.
Ta cần tìm tại mỗi tiết diện:
+ Tổ hợp gây mômen dơng: M
+
max
; N
t
+ Tổ hợp gây mômen âm lớn nhất M
-
max
; N

1,58
17,73
8,57
102,33
3,86
30,06
do lùc h m ngang t·
vu dinh phong17do ¸p lùc ®øng cña b¸nh xe
7,2
198,94
58.39
41,15
61,33
24,44
8,57
129,03
vu dinh phong18

238,4
34,34
1477
1384,89
8,4
275,09
do tải trọng gió

Phần 2 :Thiết kế cột

=(J
2
/H
t
) (H
d
/J
1
)= (J
2
/ J
1
)(H
d
/H
t
) = (1/9).(9,4/5,1)= 0,205
Tỷ số lực nén m = N
d
/N
t
= 146.781/46.162 = 3,18
c
1
=(H
d
/H
t
)[(J
1

=9,4m
l
2y
= H
t
-h
dcc
= 5,1 0,7 = 4,4m(h
dcc
=0,7m theo tính toán phần I)
II-Thiết kế tiết diện cột:
II.1-Xác định lực tính toán của cột:
Vì khi tổ hợp nội lực ta cha kể đến tải trọng bản thân của cột nên ta cần tính thêm tải trọng
bản thân của cột khi tính toán cột. Ta coi tải trọng bản thân nh lực tập trung đặt tại tâm tiết diện
cột ở trên đỉnh cột. Ta tính toán theo công thức:G
c
=g
c
.h
c
a - Cột trên:
g
c
=[N/KR]. daN/m
K : Hệ số kể đến ảnh hởng của mô men làm tăng tiết diện cột. Cột trên chọn k = 0,3; Cột d-
ới chọn k = 0,45.
R: Cờng độ tính toán của thép làm cột.Vật liệu thép BCT3K2 có R = 2150daN/cm
2
: Hệ số cấu tạo trọng lợng các chi tiết làm tăng tiết diện cột lấy =1,6;
: Trọng lợng riêng của thép lấy = 7850daN/m

daN/m
2
, =1,6; = 7850daN/m
3
.
N = N
tmax
= 146.781daN, H
d
=9,4m
vu dinh phong20

g
c
= [146.781/(0,45.2,15.10
7
)].1,6.7850= 190,5 daN/m
G
c
= 190,5.9,4 =1791daN
Vậy ta có lực dọc tính toán cho cột dới
N
1
tt
= 146.781 + 656 + 1791 = 149.228 daN; M
1
= -30.181daNm
N
2
tt

A
yc
= 46.818[1,25+2,4.80/50]/21,5.10
2
= 111cm
2
.
Ta có diện tích tiết diện:
Bản bụng: 46,8. 1 = 46,8cm
2
.
Bản cánh: 2.(25.1,6) = 80,00 cm
2
.
A = 126,80 cm
2
.
16
468
16
2
5
0
1
0
500
vu dinh phong21

c-Kiểm tra tiết diện đã chọn:
Tiết diện cột phải thoả mãn các điều kiện về bền về ổn định tổng thể và ổn định cục bộ.

0,5
= 20,9 cm.
r
y
= (J
y
/A)
0,5
= (4.171/126,8)
0,5
= 5,74 cm.
Mô men chống uốn:
W
x
=2J
x
/h = 2x55.410/50 = 2.216,40 cm
3
.
- Độ mảnh và độ mảnh qui ớc của cột trên:

y
= l
2y
/r
y
= 440/5,96 = 73,83 cm.

y
=

- Độ lệch tâm tơng đối m và độ lệch tâm tính đổi m
1
:
m = e.A
ng
/W
x
= 80x126,8/2.216,40 = 4,58
A
ng
:Diện tích tiết diện nguyên.
với
x
= 1,85cm; m = 4,58 và A
c
/A
b
= (25.1,6)/(46,8.1) = 0,85
Tra bảng II-4(trờng hợp 5) ta có
= (1,9 - 0,1m) - 0,02(6 - m)
x
= (1,9 0,1.4,58) 0,02(6 4,58).1,85 = 1,39
m
1
= 1,39.4,58 = 6,366
Vì m
1
<20, không có lối đi ở bụng cột A
thực
=A

M
b
= -37.480daNm.
M
c
t
= -807daNm.(theo bảng tổ hợp nội lực)
Mô men ở tiết diện phần ba cột là(phía M lớn)
M=M
c
t
+ 2[M
b
-M
c
t
]/3 = -807+ 2[-37.480 -( -807)]/3 = -25.256daNm
M= -25.256 > M
b
/2 = -37.480/2= -18.740daNm(về trị số)
ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung:

y
=N/(c.
y
.A
ng
).R
với
y

<5 tra bảng phụ lục II-5 ta có:
= 065 + 0,005m
x
= 0,65+0,005.4,02 = 0,67
với
y
= 73,83cm và
c
=3,14.(E/R)
0,5
= 3,14(2,1.10
6
/2150)
0,5
= 98,1 =1
C = 1/(1+0,67.4,02) = 0,271

y
= 46.162/(0,271.0,758.117,44) = 1.913,51 daN/cm
2
< 2150daN/cm
2
- Kiểm tra ổn định cục bộ của cột:
+ Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng theo điều kiện : h
b
/
b
< [ho/
b
]

bụng cột trên.
+ Kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh : với = 1,85cm thoả mãn 0,8< <4
Theo bảng 3.3:[b
o
/
c
] = (0,36+0,1. ).(E/R)
0,5
[b
o
/
c
] = (0,36+0,1.1,85)(2,1.10
6
/2150)
0,5
= 17,03
Ta có : b
o
/
c
= (b
c
- b
b
)/2
c
= (25 - 1)/(2.1,6) = 7,5 < [b
o
/

)/(N
1
-N
2
)+c]y
1
+ M
2
.c/(N
1
-N
2
) = 0
y
1
2
-[(30.181+ 82.289)/(149.228 -144.852)+1]y
1
+ 82.289x1/(149.228 -144.852) =0
y
1
2
- 26,70 y
1
+ 18,80 = 0
Giải phơng trình ta có y
1
= 0,724m; y
2
= c-y

.
Nhánh mái:
A
ycnh2
= N
nh2
/R = 122.268/(0,8.2150.1) = 71,09 cm
2
.
Theo yêu cầu độ cứng bề rộng cột:
b = 40cm (tỷ số b/H
d
= 40/940 = 1/23,5)
a - Nhánh cầu chạy dùng tiết diện chữ I tổ hợp từ 3 bản thép có các kích thớc tiết diện là :
vu dinh phong24

Bản bụng : 368.8 F
b
= 29,44 cm
2
Bản cánh:2.(200.16)F
c
= 64cm
2
A
nh1
= 93,44 cm
2
.
Tính các đặc trng hình học của nhánh:

y1
= (J
y1
/A
nh1
)
0,5
= (15.119/93,44)
0,5
= 12,72 cm.
b - Nhánh mái là tiết diện tổ hợp : 1 thép bản 360x14F = 50,40 cm
2
và 2 thép góc đều cạnh
L100x8F = 31,2 cm
2
(A
1g
= 15,6cm
2
).
A
nh2
= 50,4 + 31,2 = 81,6cm
2
.
Tính khoảng cách từ mép ngoài tiết diện nhánh mái đến trọng tâm tiết diện nhánh mái:
z
o
=A
i

3
/12 + 36.1,4(1,48 - 0,7)
2
+ 2.[147 + 15,6.(2,75- 1,48)
2
] =383,22 cm
4
.
r
x2
= (J
x2
/A
nh2
)
0,5
= (383,22/81,6)
0,5
= 2,17 cm.
J
y2
= J
y
+2bS
y
+a
2
F=1,4.36
3
/12 + 2.[147 + 15,6.(40/2 2,75)

Mô men quán tính toàn tiết diện với trục trọng tâm x-x:
J
x
= J
x
+y
i
2
.A
nhi
= J
x1
+J
x2
+ y
1
2
.A
nh1
+ y
2
2
.A
nh2
= 2.133 + 383,22 + 93,44.45,93
2
+ 81,6.52,59
2
= 426.861 cm
4