đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
Đồ án Kết cấu thép II
Số liệu cho trớc:
L
(m)
H
1
(m)
Q
(T)
B
(m)
i
(%)
Chiều
dài nhà
Phân vùng gió-
Dạng địa hình
21 5,5 12,5 6 1/15(6,67%) 90 I.C
Nhiệm vụ: Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp với các số liệu
sau:
- Sức nâng của cầu trục: Q (T)
- Số lợng cầu trục: 2 (chế độ làm việc trung bình)
- Nhịp khung: L (m)
- Bớc khung: B (m)
- Chiều dài nhà: 90(m)
- Cao trình đỉnh ray: H
1
(m)
- Độ dốc mái (lợp tôn): i (%)
- Vật liệu thép CT34s có: f = 21 kN/cm

)
D.tích 1tấm
(m
2
)
Tải trọng cho phép
(kN/m
2
)
0,7 6,55 8,35 1,96
+ Lớp cách nhiệt: dày 8 cm.
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
2
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
- Xà gồ: Ta chọn xà gồ hình chữ Z ở bên trong và 2 xà gồ hình chữ C ở ngoài
biên nhằm làm tăng ổn định cho mái.
+ Chọn sơ bộ xà gồ chữ Z (là loại xà gồ đợc chế tạo từ thép cán nguội):
Section Properties:
số hiệu
section
chiều dày
thick
(mm)
diện tích
area
(cm )
2
trọng l ợng
Weight
(kg/m)

diện
I
x
(cm
4
)
W
x
(cm
3
)
I
y
(cm
4
)
W
y
(cm
3
)
Trọng l-
ợng
(kG/m)
Chiều
dày
(mm)
Diện
tích
(cm

Chiều
dày
(mm)
Diện
tích
(cm
2
)
L
(mm)
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
3
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
[180ES20 390,5 43,4 74,1 12,7 5,88 2,0 7,5 20
1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
6m 6m 6m
khung
xà gồ
hệ giằng
21m
1.5
8
5
180
20
2.0
85
200
60
30

)
Tải trọng tính
toán (kG/m
2
)
1 lớp tôn lợp mái 1,05 6,55 6,8775
Xà gồ mái 200Z17 1,05 4,74 4,977
Xà gồ mái180ES20 1,05 5,88 6,174
Bọt thuỷ tinh cách nhiệt 1,2 10 12
1.2. Hoạt tải
Hoạt tải sử dụng lấy p
tc
= 30 kG/m
2
với hệ số vợt tải n = 1,3
p
tt
= 30.1,3 = 39 kG/m
2
.
1.3. Tải trọng tác dụng lên xà gồ giữa
q
tc
= (6,55 + 10 + 30).
0
1,5
cos3,814
+ 4,74 = 74,72 kG/m
q
tt

y
y
q
q
cos

q
s
i
n

x
x
y
y
q
q
cos

q
s
i
n

3.814
1500
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
5
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
3000

= q
tc
.cos = 74,72.cos3,814
0
= 74,56 (kG/m)
q
x
tt
= q
tt
.sin = 91,98.sin3,814
0
= 6,12 (kG/m)
q
y
tt
= q
tt
.cos = 91,98.cos3,814
0
= 91,78 (kG/m)
a. Kiểm tra điều kiện bền của xà gồ

tđ
=
x
+
y
=
.

= =
(kG.m)
M
y
=
2
2
6,12 6
6,885
32 32
tt
x
q Bì
ì
= =
(kG.m)

tđ
=
2 2
413,01 10 6,885 10
1249,3
35,88 7,01
ì ì
+ =
(kG/cm
2
) < f.
c
= 2100 (kG/cm


3 3
1,67 1
2,78 10 5 10
600 200B B




= = ì < = = ìSVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
6
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
Vậy xà gồ giữa đã chọn đảm bảo điều kiện độ võng.
2.2. Tính toán xà gồ chữ C
Tải trọng tác dụng theo các phơng x-x và y-y là :
q
x
tc
= q
tc
.sin = 75,86.sin3,814
0
= 5,04 (kG/m)
q
y
tc
= q

x
c
x y
M
M
f
W W

+
M
x
=
2
2
.
92,975 6
418,39
8 8
tt
y
q B
ì
= =
(kG.m)
M
y
=
2
2
.

Theo phơng oy:

4
2 4
6
.
5 5 75,69 10 600
. . 1,56
384 . 384 2,1 10 390,5
tc
y
y
x
q B
E I

ì ì
= = = =
ì ì
cm.
Điều kiện kiểm tra:

3 3
1,56 1
2,6 10 5 10
600 200B B





(kG)
H
k
Z
min
B K P
max
c
P
min
c
Xe con
(G)
Toàn cầu
trục (G
xc
)
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
8
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
12,5 19,5 1090 180 3830 2900 84,3 21,6 803 8680
2.Ray cầu trục
Loại ray sử dụng là KP-100 có các thông số kỹ thuật sau:
Lấy chiều cao ray và lớp đệm là: H
r
= 150 + 50 = 200 (mm).
3. Dầm cầu trục
Từ bớc cột và các thông số của cầu trục ta chọn dầm tiết diện chữ I tổ hợp hàn. Chiều cao
dầm cầu trục đợc xác định:
H

2
= H
k
+ b
H
k
: chiều cao gabarit của cầu trục, H
k
= 1090 mm.
b: khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang, lấy không nhỏ hơn 200mm.
Chọn b =210 mm
H
2
= 1,09 + 0,21 = 1,3 m.
H
3
: chiều cao phần cột chôn dới cốt mặt nền (H
3
= 0 m do
ta coi mặt móng ở cốt 0.00)
H = 5,5 + 1,3 + 0 = 6,8 m.
Chiều cao phần cột trên từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang:
H
t
= H
2
+ H
dct
+ H
r

b
1
h
t
a

L
c
h
d
150
38
150
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu độ cứng:
h =
1 1
( ) (0, 45 0,34)
15 20
Hữ = ữ
m. Chọn h = 0,40 m.
Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và mép trong của cột:
z =

- h = 0,75 - 0,4 = 0,35 m > z
min
= 18 cm.
i
=
1

= I
tb
= 1,5.I
cột
. Liên kết cột - xà,
cột - móng là liên kết ngàm, trục cột khung lấy trùng với trục định vị để đơn giản tính
toán và thiên về an toàn. Sơ đồ tính khung ngang:
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
10
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
700
i
1
i
1
i
1
i
1
35007000
i
2
i
2
Vị trí thay đổi tiết diện xà
Đoạn xà 1
Đoạn xà 2
2100
0.00
i

2. Bố trí hệ giằng mái, giằng cột
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
11
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
0.00
5.50
6.80
1
6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000
90000
5250525052505250
21000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
16
hệ giằng cột
hệ giằng mái
a
b
sơ đồ bố trí hệ giằng
1
6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000
90000
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
16
(Sơ đồ giằng mái và giằng cột)
iV - xác định các loại tảI trọng tác dụng vào khung ngang
1. Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải)
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
12
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà

1,1
ì
0,15
ì
6
ì
6,8 = 6,73 (kN)
Trọng lợng bản thân dầm cầu trục chọn sơ bộ là 1 kN/m .Quy thành lực tập trung và
mômen lệch tâm đặt tại cao trình vai cột:
P = 1,05
ì
1
ì
6 = 6,3 (kN)
M = 6,3
ì
(

- 0,5
ì
h) = 6,3
ì
(0,75 - 0,5
ì
0,6) = 2,84 (kN.m)
4700 2100
6,73 kN
6,3 kN
2,84 kN.m
l = 21m

sau : q
tt
=
p
.W
o
. k . C . B (kN/m).
Trong đó:
+
p
=1,2 : Hệ số vợt tải của tải trọng gió.
+ W
0
: Giá trị áp lực gió ở độ cao 10 m.
+ k : Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụ thuộc theo dạng
địa hình, ở đây áp dụng dạng địa hình B, hệ số k đợc xác định:
Mức đỉnh cột, cao trình +6,8 m
1
0,5832k =

Mức đỉnh mái, cao trình +7,5 m
2
0,60k =
Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số k lấy:
1
0,5832k k= =
Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở lên đỉnh mái hệ số k lấy trung bình:
1 2
0,5832 0,6
0,5916

C
e1
= - 0,351 ; C
e2
= - 0,4 ; C
e3
= - 0,5.
- Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang từ đỉnh cột trở xuống lấy là phân bố đều
(do H<10m

1

=
): q
tt
=
p
.W
o
.k.C.B
+ Phía gió đẩy:
1 0
. . . . 1,2.0,65.0,5832.0,8.6
tt
p e
q W k C B

= =
= 2,18 kN/m.
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1

q W k C B

= =
= 1,11 kN/m.
h=6800
l = 21m
l = 21m
3
.
8
1
4

c
e
1
=

-

0
.
3
5
1
c
e
3
=


7

k
N
/
m
1
,
3
7

k
N
/
m
2
,
1
8

k
N
/
m
gió phải sang
3
.
8
1
4

3
7

k
N
/
m
l = 21m
c
e
2
=

-

0
.
4
(Sơ đồ tính khung với tảI trọng gió)
4. Hoạt tải cầu trục
Theo bảng Phụ lục, các thông số cầu trục sức nâng 12,5 tấn nh sau:
Nhịp
cầu
Kích thớc gabarit chính
(mm)
áp lực bánh xe
lên ray (kN)
Trọng lợng
(kG)
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1

xác định bằng cách dùng đờng ảnh hởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh xe
của 2 cầu trục sát nhau vào vị trí bất lợi nhất, xác định đợc các tung độ y
i
của đờng ảnh
hởng, từ đó xác định đợc áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất của các bánh xe cầu
trục lên cột: D
max
= n
c
.
p

.

max
P
.y
i
D
min
= n
c
.
p

.

min
P
.y

1
= 1 ; y
2
= 3100/6000 = 0,517
y
3
= 5070/6000 = 0,845 ; y
4
= 2170/6000 = 0,362


i
y
= 1 + 0,517 + 0,845 + 0,362 = 2,724 ;
p

= 1,1
n
c
= 0,85 là hệ số tổ hợp khi xét tải trọng do hai cầu trục chế độ trung bình hoặc nhẹ .
D
max
= n
c
.
p

.P
max
.

= D
max
.e

= 214,71 . 0,55 =118,1 (kN.m)
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
16
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
M
min
= D
min
.e = 55,01 . 0,55 = 30,26 (kN.m)
4700 2100
4700 2100
l = 21m
55,01 kN
30,26 kN.m
214,71 kN
118,1 kN.m
Dmax lên cột trái
l = 21m
Dmax lên cột phải
55,01 kN
30,26 kN.m
214,71 kN
118,1 kN.m
(Sơ đồ tính khung với tải trọng đứng của cầu trục)
4.2. Lực hãm ngang của cầu trục
Lực hãm ngang T của toàn bộ cầu trục tác dụng vào cột khung thông qua dầm hãm xác

o
: lực hãm ngang của toàn bộ cầu trục, T
0
= 0,5 . f . (Q + G
xc
)
f = 0,1 : hệ số ma sát (= 0,1 đối với cầu trục có móc mềm).
T
1
=
0
0,5. ( )
0,5.0,1.(12500 803)
2
xc
f Q G
n
+
+
=
=333 (kG) = 3,33 (kN)


T = 0,85.1,1.3,33.2,724 = 8,48 (kN).
Lực hãm đặt trên cột ở mặt trên dầm cầu trục và cách mặt vai cột 0,8 m; cách đỉnh cột
một đoạn y = 6,8 - 5,5 - 0,8 = 0,5 m.
l = 21m
8,48 kN
tmax lên cột trái
l = 21m

Giữa xà: h = 250 mm, b= 200 mm, t
w
= 8 mm, t
f
= 10 mm.
2. Xác định nội lực khung
Nội lực trong khung ngang đợc xác định với từng trờng hợp chất tải bằng phần mềm
SAP 2000. Kết quả tính toán thể hiện dới dạng các biểu đồ và bảng thông kê nội lực. Dấu
của nội lực lấy theo quy định chung trong sức bền vật liệu
Các biểu đồ thể hiện hình dạng biểu đồ nội lực cho nửa khung bên trái với các trờng
hợp chất tải ( riêng nội lực do hoạt tải chất cả mái xác định bằng cách cộng nội lực do 2
trờng hợp chất hoạt tải mái nửa trái và nửa phải)
Hình14. Quy ớc chiểu dơng của nội lực theo SBVL.
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
18
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
V. Thiết kế tiết diện cấu kiện
1.Thiết kế tiết diện cột
a) Xác định chiều dài tính toán
Chọn phơng án cột tiết diện không đổi. Với tỷ số độ cứng của xà và cột đã giả thiết là
bằng nhau, ta có :

25,0
21
2,8
.63,0
cot
==



n
n
à
Vậy chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột xác định theo công thức:
)(89,112,8.45,1 mHI
x
===
à
.
Chiều dài tính toán của cột theo phơng ngoài mặt phẳng khung (l
y
) lấy bằng khoảng
cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị theo phơng dọc nhà (dầm cầu trục,
giằng cột, xà ngang ). Giả thiết bố trí giằng cột dọc nhà bằng hình chữ C tại cao trình
+2,60, tức là khoảng giữa phần cột tính từ mặt móng đến dầm hãm, nên l
y
= 2,60 m.
b) Chọn và kiểm tra tiết diện
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán:
M = -170,82 kNm
N = -329,86 kN
V = - 51,39 kN
Đây là cặp nội lực tại tiết diện dới vai, trong tổ hợp nội lực do các trờng hợp tải
trọng 1,4,7,9 gây ra.
Chiều cao tiết diện cột chọn từ điều kiện độ cứng :
h= (1/15
ữ
1/20)H = (0,55
ữ
41,5) cm chọn h = 43cm.

cmA
yc
ữ=






ữ+=
Bề dày bản bụng: t
w
= (1/70
ữ
1/100)h

0,6 cm. Chọn t
w
= 0,8 cm.
Tiết diện cột chọn nh sau:
Bản cánh: (1x20) cm
Bản bụng: (0,8x41) cm
Tính các đặc trng hình học của tiết diện đã chọn:
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
19
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
A =0,8.41+2.(1.20) = 72,8 (cm
2
);
( )

u
=+=
( )
3
1034
43
2.22238
/2. cmhIW
xx
===
( )
cmi
x
48,17
8,72
22238
==
( )
cmi
y
28,4
8,72
1335
==
[ ]
12002,68
48,17
10.89,11
2
=<===

10.1,2
21
.60
4
===
E
f
y
y

6,3
1034
72
.
86,329
10.82,170
2
===
W
A
N
M
m
x
Tra bảng IV.5 phụ lục với loại tiết diện số 5, ta có :
Với A
f
/ A
w
= 0,5:

=
=1,354.3,6=4,87<20 Không cần kiểm tra bền.
Với
x

=2,15 và
e
m
=4,87, tra bảng IV.3 phụ lục, nội suy có
e

=0,22
Điều kiện ổ định tổng thể của cột trong mặt phẳng khung đợc kiểm tra theo công
thức:
60,20
8,72.22,0
86,329
===
A
N
e
x


(kN/cm
2
)<
c
f


.
2'
==
x
W
A
N
M
Do
x
m
= 1,82 < 5 nên theo (2.44) ta có
x
m
c


+
=
1
ở trên:
1=

vì
9,759921/10.1,214,3/14,3
4
=>===
yc
fE


12,95(kN/cm
2
)<
c
f

.
=21(kN/cm
2
)
Điều kiện ổn định cục bộ của các bản cánh và bản bụng cột đợc kiểm tra theo các
công thức sau:
Với bản cánh cột:
21
10.1,2
).15,2.1,036,0(6,9
1
)8,020(5,0
4
00
+=








<=

89
21
10.1,2
)15,2.35,02,1()35,02,1(
4
2
2
=+=+=






f
E
t
h
x
w
w

SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
21
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
Ta có:
98
21
10.1,2
.1,325,51

w
w
t
h
t
h
, do vậy bản bụng cột bảo đảm ổn định cục bộ
Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ kết quả tính toán bằng phần mềm SAP
2000 trong tổ hợp tĩnh tải và tải trọng gió trái tiểu chuẩn là
cm
x
21,2=
.Do đó:
300
1
300
81,0
2,8
0221,0
<==

H
x
. Vậy tiết diện đã chọn là đạt yêu cầu.
2. Thiết kế tiết diện xà ngang
a) Đoạn xà 3,5m ( tiết diện thay đổi):
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán :
N = -50,82 kN
M = -155,03 kNm
V = 39,61 kN

2
3
8,0 cmcmt
w
=>=
Diện tích tiết diện cần thiết của bản cánh xà ngang xác định theo công thức:
=








==
2
3
34
2
.
12
33.8,0
2
35
.738).(
yc
ff
yc
à








=
( )
3
798
35
2.13959
/2. cmhIW
xx
===
38,25
798
4,66
.
82,50
10.03,155
.
2
===
x
x
W
A
N

x
=<=+=+=

Tại tiết diện đầu xà có mômen uốn và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng
suất tơng đơng tại chỗ tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng:
ctd
f

15,13
2
1
2
1
+=
Trong đó:
)/(32,18
35
33
.
798
10.03,155
2
2
1
cmkN
h
h
W
M
w

ctd
==<=+=

Kiểm tra ổ định cục bộ của bản cánh và bản bụng:

21
10.1,2
.
2
1
6,9
1
)8,020(5,0
4
00
=








<=

=
ff
t
b


Bản bụng không bị mất ổn định cục bộ dới tác dụng của ứng suất tiếp (không phải
đặt sờn cứng ngang).
79
21
10.1,2
.5,25,225,41
4
==<=
f
E
t
h
w
w

Bảng bụng không bị mất ổn định cục bộ dới tác dụng của ứng suất pháp và ứng
suất tiếp( không phải kiểm tra các ô bụng).
SVTH : nguyễn duy chữ - lớp 04x1
23
đồ án kết cấu thép ii GVHD : ths. Nguyễn thị thanh hoà
Vậy tiết diện xà ngang đã chọn là đạt yêu cầu. Tỷ số độ cứng của tiết diện xà (ở chỗ tiếp
giáp với cột) và cột đã chọn phù hợp với giả thiết ban đầu là bằng nhau.
b) Đoạn xà 7m ( tiết diện không đổi):
Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán :
N = -31,46 kN
M = 51,89 kNm
V = -3,15 kN
Đây là cặp nội lực tại tiết diện đầu xà, trong tổ hợp nội lực do các trờng hợp tải
trong 1, 4 gây ra.








==
2
3
24
2
.
12
23.8,0
2
25
.247).(
yc
ff
yc
à
tbA
7,9(cm
2
)
Theo các yêu cầu cấu tạo và ổn định cục bộ, kích thớc tiết diện của bản cánh đợc
chọn là: t
f
= 1cm; b








=

( )
3
525
25
2.6574
/2. cmhIW
xx
===
( )
cmi
x
6,10
4,58
6574
==
[ ]
12081,49
6,10
10.28,5
2
=<===

x
W
A
N
M
m
Từ
2034,185 <=<
x
m
và
57,1
=
x

;
37,111,1
4,18
20
===

w
f
A
A
(Tra bảng)
Do
2012,2534,18 >===
xex
mmm

f
=

=
)/(09,9
25
23
.
525
10.89,51
2
2
1
cmkN
h
h
W
M
w
x
===

)/(14,0
8,0.6574
240.15,3
.
2
1
cmkN
tI

Bề rộng bản cánh dầm vai chọn bằng bề rộng cánh cột
dv
f
b
=20cm. Giả thiết bề
rộng của sờn gối dầm cầu trục
cmb
dct
20=
. Chọn sơ bộ bề dày các bản cánh dầm vai
cmt
dv
f
1=
. Từ đó bề dày bản bụng dầm vai xác định từ điểu kiện chịu ép cục bộ do phản
lực dầm cầu trục truyền vào, theo công thức:
( )
( )
)(68,0
1.211.220
85,313
2
max
cm
ftb
GD
t
c
dv
fdct