Thiết kế môn học kết cấu thép
Thiết kế môn học kết cấu thép
(ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp )
A-Đề bài
I - Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế khung ngang nhà xởng 1 tâng, 1 nhịp có cửa mái & cầu trục đi
dọc bên trong xởng với các số liệu:
1. Nhịp khung: 24(m)
2. Bớc khung B = 12(m)
3. Số bớc khung: 14
4. Số cầu trục trong xởng : 1
5. Chế độ làm việc:trung bình
6. Sức trục Q =125(T)
7. Cao trinh nh ray H
1
=11 m
8. Địa điểm xây dựng: Hải Dơng
II yêu cầu thiết kế:
1,tính toán thiết kế một khung điển hình gồm
Hệ giằng mái ,hệ giằng cột
Cột,các liên kết của cột
Hệ dàn mái (về cấu tạp và một số nút cơ bản )
2,Thể hiện một khổ giấy A
1
gồm:
Sơ đồ mặt bằng bố trí lới cột
Sơ đồ khung ngang nhà
Hệ giằng cột và các chi tiết của cột ,các mặt cắt cột
Dàn mái và các nút điển hình khuyếch đại dàn
Bảng thống kê thép cho một dàn mái.
3,Tiến độ thực hiện

=H
c
+ 100 + f
H
c
: chiều cao cầu trục, tra bảng VI.1 sách thiết kế k.c.t nhà công nghiệp;
Với Q = 125 T , L = 24m , Tra bảng ta có : H
c
=4000(mm)
f : khoảng cách xét đến độ võng của vì kèo và việc bố trí thanh canh dới
( f = 200 ữ 400 . ta lấy f = 300)
- Thay vào ta có : H
2
= 4000 + 100 + 300= 4000 mm = 4.4 m
- H
1
: Là cao trình dỉnh day đợc cho trong nhiêm vụ thiết kế : H
1
= 11m
[Type text] Page 2
Thiết kế môn học kết cấu thép
H= H
1
+ H
2
= 11+ 4.4 =15,4 m.
(Theo quy phạm QPXD 57-73 thì H là bội số của 1,2 khi nhỏ hơn 10,8 m và
của 1,8 nếu lớn hơn 10,8 m.)

Chọn H = 16,2 (m)

(H
3
= 800 mm, là chiều sâu chôn cột dới mặt nền)
2-X ác định kích th ớc ngang
-Kích thớc cơ bản là nhịp
khung : l = 24 m
-Sức nâng cầu trục Q
=125(tấn)
Ta có Q =125 tấn chọn:
a=250mm và =1000mm
L
c
=L-2 =24 - 2.1 =
22(m)
Lấy khoảng cách từ mép
ngoài cột đến trục định vị
a=250 mm
+) Bề rộng phần cột
trên :
h
tr
= (1/12 ữ 1/10)H
tr
=(1/12 ữ 1/10)6 =(0,5 ữ0,6 )m

lấy h
tr
=550(mm)
+)Bề rộng phần cột dới :
h

=3850 (mm) =3.85 (m)
Cửa mái
L
cm
=(
3
1
2
1
ữ
)L = 8
ữ
12 (m ). Chọn bằng 10(m)
h
cm
= 2,2 (m)
Gồm lớp kính cao1,2m ; bậu trên cao 0,2m bậu dới 0,8m .
4. Hệ giằng :
- Bố trí các hệ giằng mái và hệ giằng cột
- Hệ giằng là một bộ phận trọng yếu của kết cấu nhà, có các tác dụng :
+ Bảo đảm sự bất biến hình và độ cứng không gian của kết cấu chịu lực của
nhà.
+ Chịu các tải trọng tác dụng theo phơng dọc nhà, vuông góc với mặt
phẳng khung nh gió lên tuờng hồi, lực hãm của cầu trục.
+ Bảo đảm ổn định cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu thanh dàn, cột
vv
+ Làm cho dựng lắp an toàn thuận tiện
*)Hệ thống giằng của nhà xởng đợc chia làm 2 nhóm : giằng mái và giằng
cột
4.1-Hệ giằng ở mái:

một số hàng cột giữa, cách nhau 60-90m theo phơng bề rộng nhà.
4.1.3-Hệ giằng đứng .
Hệ giằng đứng đặt trong mặt phẳng các thanh đứng, có tác dụng cùng với
các giằng nằm tạo nên khối cứng bất biến hình giữ cố định & vị trí cho dàn
vì kèo khi dựng lắp.Thông thờng hệ giằng đứng đợc bố trí tại các thanh đứng
đầu dàn, thanh đứng giữa dàn (hoặc dới chân cửa trời), cách nhau 10-15m
theo phơng dọc nhà.Theo phơng dọc nhà chúng đợc đặt tại các gian có giằng
nằm ở cánh trên & cánh dới. Kết cấu chịu lực của cửa trời cũng có các hệ
giằng cánh trên, hệ giằng đứng nh đối với dàn mái.
4.2-Hệ giằng ở cột.
- Hệ giằng ở cột đảm bảo sự bất biến hình & độ cứng của toàn nhà theo ph-
ơng dọc, chịu các tải trọng tác dụng dọc nhà & bảo đảm ổn định của cột.
- Trong mỗi trục dọc mỗi khối nhiệt độ cần có ít nhất một tấm cứng,các cột
khác tựa vào tâm cứng bằng các thanh chống dọc.Tấm cứng cần có 2 cột,
dầm cầu trục, các thanh ngang & các thanh chéo chữ thập.Các thanh giằng
cột bố 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 mút gối 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 2 mặt
phẳng của 2 nhánh.
[Type text] Page 5
Thiết kế môn học kết cấu thép
- Tấm cứng phải đặt vào khoảng giữa chiều dài của khối nhiệt độ để không
cản trở biến dạng nhiệt độ của các kết dọc.Nếu khối nhiệt độ quá dài một
tấm cứng không đủ để giữ cố định cho toàn bộ các khung thì dùng 2 tấm
cứng, sao cho khoảng cách từ đầu khối đến trục tấm cứng không quá 75m và
khoảng cách giữa trục hai tấm cứng không quá 50m
- Sơ đồ các thanh của tấm cứng có nhiều dạng; chéo chữ thập một tầng đơn
giản nhất hoặc hai tầng khi cột cao kiểu khung cổng khi bớc cột 12m hoặc
khi cần làm lối đi thông qua.

tc
m
/419
995.0
417
==
2
mdaNg
tt
m
/34,469
995.0
467
==
2
1.1.2-Trọng l ợng bản thân dàn và hệ giằng
- Đợc tính sơ bộ theo công thức:
g
đ
=1.2ì
đ
ìL = 1.2 ì 0,6 ì 24 = 17,28 daN/m
2
Trong đó: 1.2 là hệ số kể đến trọng lợng các thanh giằng

đ
là hệ số trọng lợng dàn lấy bằng 0.6 ữ 0.9
1.1.3-Trọng l ợng kết cấu cửa trời
g
ct

.
-Trọng lợng cánh cửa và bậu cửa trời đợc đặt tại chân cửa trời,để tiện tính
toán ta chuyển thành phân bố trên mặt bằng:
g
ktb
= 2.n.
BL
BB
.
).35.2,1120( +
n=1,1:hệ số vợt tải
120daN/m trọng lợng 1 m dài bậc cửa
1,2 m
2
diện tích 1m dài cửa kính
35 daN/m
2
trọng lợng cửa kính tác dụng


g
ktb
=2.1,1.
12
12.30
)12.35.2,112.120(
=
+
daN/m
2

.
KN
Lg
A =
ì
==
-Tải trọng tạm thời:
)(4,140
2
247,11
2
.
' daN
Lp
A =
ì
==

2.2-Do trọng l ợng dầm cầu trục.
- Tính sơ bộ theo công thức:
G
dct
=
dct
.l
2
dct
(daN).
Trong đó l
dct

lợi nhất
- Cầu trục Q=125 T ; L
k
= 22 (m)

Tra bảng VI.2 , trong phụ lục về cầu
trục , sách Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp ta có :
Sức
trục
Q(
T)
Nhịp
L
k
(
m)
H
mm
T
mm
B
mm
P
1
(T)
P
2
(T)
G
(T)

+) áp lực nhỏ nhất của bánh xe:
P
c
1min
=
c
ma
P
n
GQ
1
0

+
=
4
135125 +
- 49=16 T =160 KN
P
c
2min
=
c
ma
P
n
GQ
2
0


0
:Số bánh xe một bên cầu trục).
- Lực hãm ngang T
1
tc
truyền lên cột thành lực T đặt vào cao trình dầm hãm,
giá trị T cũng xác định bằng đờng ảnh hởng nh khi xác định D
max
& D
min
.
T=n
o
.n.T
1
tc
.y
I
= 0.85ì1.2
ì
21
ì
(1,03 + 1,93) = 63,4 KN
3-Tải trọng gió tác dụng lên khung.
- Tải trọng gió đợc tính theo TCVN 2737-95 cho nhà công nghiệp 1 tầng 1
nhịp chiều cao nhỏ hơn 36m nên chỉ tính thành phần tĩnh của gió.
- Địa điểm xây dng :

Vùng áp lực gió : IIb
Ta có :

+ Phía đón gió : q=nìq
o
ìkìCìB(kg/m)
n:hệ số vợt tải = 1,3
B:bớc khung
c:hệ số khí đông phía đón gió:
Đổi thành tải trọng phân bô đêu suốt chiều dài tính toán của cột bằng cách
nhân với hệ số =1,04
q=1.3ì70ì0,825ì0.8ì12ì1,04 = 749,5(daN/m) =7,495
KN
+ Phía trái gió : q=nìq
o
ìkìCìB(kg/m).
q=1.3ì70ì0,825ì0.44ì12ì1,04 =412,25 (daN/m)=4,122
KN


Tải trọng gió trong phạm vi mái từ đỉnh cột đến nóc mái đa về tập trung ở
cao trình cánh dới dàn mái.
- Trong đó: h
i
: là chiều cao từng đoạn ứng với hệ số khí động
C
i
.
- k : trong khoảng 14.4 m đến 18.25m lấy là giá trị trung bình của
2 giá trị
k =
8855,0
2

2
+ F
d
.z
d
2
).à
F
tr
,F
d
:tiết diện của cánh trên cánh dới vì kèo
Z
tr
,Z
d
:khoảng cách từ trọng tâm cánh trên và cánh dới đến trục
trung hoà của dàn ở tiế diện giữa nhịp

à : hệ số kể đến độ dốc của cánh trên và sự biến dạng của các
thanh bụng.Với các độ dốc :i =1/8 ; à =0,1
i =1/10 ; à =0,8
i =0 ; à =0,9
-Đối với cột bậc,trục cột dới đợc làm trùng với trục cột trên ;nhịp tính toán là
khoảng cách giữa hai cột .Khi đó đối với tảI trọng đứng truyền từ cột trên
xuống phảI kể thêm momen lệch tâm ở chỗ đổi tiết diện cột:
M =V.e
0
với e
0

1
max
.
.
2+
-Momen quán tính phần cột trên :
[Type text] Page 11
Thiết kế môn học kết cấu thép
J
2
=
( )
2
2
1
.
d
tr
h
h
K
J
+ k
2
=1,2 đến 1,8 khi dàn liên kết cứng với cột
+ k
2
=1,8 đến 2,3 khi liên kết khớp
Tỷ số giữa các độ cứng J
1

:
; =
1
2
1

J
J

2-Tính khung với tải trọng thờng xuyên tác dụng trên xà ngang.
- TảI trọng thờng xuyên tác dụng lên xà : q = 61,75 KN/m
- Dùng phơng pháp chuyển vị, với ẩn số là góc xoay
1
&
2
& đợc chuyển vị
ngang ở đỉnh. Trờng hợp ở đây khung đối xứng & tải trọng đối xứng nên
=0 &
1
=
2
= . ẩn số là 2 góc xoay ở nút khung.
Bề rộng phần cột trên :600 mm
Bề rộng phần cột dới :1250 mm
h
1
= 11 m ;h
2
= 6 m
h = h

à=J
1
/J
2
-1=8-1=7
=
353,0
17
6
2
==
h
h
A=1+ìà=1+0.353ì7 = 3,471
B=1+
2
ìà=1+ 0,353
2
ì7 = 1,872
C=1+
3
ìà=1+0,353
3
ì7 = 1,308
F =1+
4
ìà=1+0,353
4
ì7 =1,108
K=4AC - 3B

xa
B
M
=
L
E
d
J2
=
24
J5,4.2
1
E
=0,375 EJ
1

- Phản lực ở đầu cột do =1 :

1
2
1
2
1
.005.0
17
.
.
647.7
872,16
.

-

Tổng phản lực mômen ở nút B do tải trọng ngoài gây ra.
R
1P
= - ql
2
/12=- 61,75.24
2
/12= - 2964 KNm
- Giải phơng trình chính tắc ta đợc:
=-
1111
1
7142
415,0
2964
EJEJr
R
P
=

=
- Mômen cuối cùng ở đỉnh cột :
M
B
=

ì
C

B
H
tr
= - 285,75 + 35,71.6 = - 71,49 KNm
- Mômen ở chân cột: M
A
=M
B
+R
B
.H= - 285,75 + 35,71 .17
= 321,32(KNm)
[Type text] Page 13
Thiết kế môn học kết cấu thép
Mômen phụ sinh ra ở vai cột do sự lệch tâm của trục cột trên với trục cột dới
ằng : M
e
= V ì e
- Trong đó :

M
e
=
mKN.240
2
6,025,1
.
2
24.75,61
=

=
+
=
( )
[ ]
( )
( ) ( )
[ ]
)(20
17
240
647,7
353.01471,3872,1353,016
.
1AB1.6
KN
H
M
K
R
e
B
=





e
=-72+240=168(KNm)
M
A
= M
B
+ R
B
.h+ M
e
= 48-20.17+240=-52 KNm
[Type text] Page 14
Thiết kế môn học kết cấu thép
237,75
96,5
143,5
269,32
237,75
269,32
96,5
143,5
237,75
- Cộng biểu đồ ta đợc biểu đồ mômen cuối cùng do tải trọng thờng xuyên
gây ra toàn mái.
M
B
= - 285,75+48 =-237,75(Knm)

)(5,1437249,71
)(5,9616849,71

Thiết kế môn học kết cấu thép
M
50,11
50,11
18,1
18,1
27,1327,13
44,99
44,99
4-Tính khung với mômen cầu trục : M
max,
M
min
- M
max
,M
min
đồng thời tác dụng ở 2 cột, M
max
cột trái hoặc có thể cột phải.Dới
đây xét trờng hợp M
max
ở cột trái, M
min
ở cột phải.
-Giải khung bằng phơng pháp chuyển vị với sơ đồ xà ngang cứng vô cùng, ẩn
số chỉ còn là chuyển vị ngang của nút.
D
max
=1500 KN

6
h
JE
h
JE
H
JE
K
A
R
h
JE
h
JE
H
JE
K
B
M
B
B
=
ì
=

=
=
ì
==
(Chiều dơng của mômen lấy theo hình vẽ của bảng cùng trùng với quy ớc đã

1
3
1
2
1
.
978,3
447,5.
.469,1.
h
JE
h
h
JE
h
JE
hRMM
BBA
=







+=+=
- Cột bên phải có các trị số mômen & phản lực cùng trị số mômen nhng ngợc
dấu.
- phản lực trong liên kết gối tựa :

.e=454,3 . 0.625=283,94 (KNm)
- Để xác định nội lực do M
max
, M
min
gây ra trong hệ cơ bản ta nhân nội lực
do M
e
gây ra với tỷ số : -
e
M
M
max
cho cột trái và -
e
M
M
min
cho cột phải
- Cột trái:
9,3
240
5,937
max
=

=

e
M

=ì=

M
A
= (-3,9) ì (-52) = 202,8(KNm)
R
B
=( -3,9) ì(-20) = 78(KN)
- Mômen ở cột phải:
M
B
=-1,183,4872.9= - 56,78(KNm)

( )
)(74,198168.183,1
)(2,85)72).(183,1(
KNmM
KNmM
d
c
tr
c
==
==

M
A
= (-1,183) . (- 52) = 61,5(KNm)

- Phản lực:R

EJ
h
r
R
P
=
ì
ì
=

- Nhân biểu đồ mômen do =1 với và cộng với mômen ngoại lực trong hệ
cơ bản.Ta đợc biểu đồ mômen cuối cùng:
M =
M
.+M
P
- ở cột trái:
M
B
=
)(63,622,187)
.
8,84
(
469,1
1
2
2
1
KNm


[Type text] Page 17
Thiết kế môn học kết cấu thép

)(4,2428,280)
8,84
(
453,0
)(8,6162,655)
8,84
(
453,0
1
2
2
1
1
2
2
1
KNm
EJ
h
h
EJ
M
KNm
EJ
h
h

.
8,84
(
469,1
1
2
2
1
KNm
JE
h
h
EJ
=
M
C
tr
=
)(6,1232,85)
.
8,84
(
453,0
1
2
2
1
KNm
JE
h

h
EJ
M
KNm
EJ
h
h
EJ
M
A
d
c
=+ì






=
=ì






=
Biểu đồ mômen cuối cùng :
M

3
1
894,10
H
EJ
- Dùng công thức trong phụ lục tính đợc mômen & lực cắt do T gây ra trong
hệ cơ bản
- Lực T đặt cách đỉnh cột khoảng :
H
tr
- h
dcc
= 5(m)
=5/17=0.293<

=0.353
-Tính M
B
& R
B
theo công thức ở phụ lục :

( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]



ì+
+
+
ì+
=
=






+
+
+
=
2
à( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]
KNT
K
AB
K

KNmhTHRMM
KNmhHRMM
dctdBB
T
A
dcttrBB
T
c
dcttrBB
T
D
=ìì+=++=
=ì+=+=
=ì+=+=
- Cột bên phải không có ngoại lực nên mômen & phản lực trong hệ cơ bản
bằng không.
- Vậy R
1P
=R
B
= 42,87(KN)
=
1
2
1
3
11
1
9,66
.894,10

EJ
=

M
T
=
( )
[ ]
dcttr
BB
hHRM +
.+M
T
=
[Type text] Page 19
Thiết kế môn học kết cấu thép
=














EJ
M
T
c
=+

=
M
A
=
.M
A
+
)(413
.
9,66
978,3
98,146
1
2
2
1
Knm
JE
H
h
EJ
M
T
A

c'
b'
a
c
b
J
d
=

J
d
=

a'
b'
c'
b
a
c
Hệ cơ bản
q
W'
q'
W
Thiết kế môn học kết cấu thép
- Ta có biểu đồ
M
do =1 gây ra trong hệ cơ bản & tính đợc :
r
11

ì
ììì
=

=
KNhq
K
FACB
R
T
B
3,5517495,7
647,72
108,1471,33308,1872,12

.2
3.2
=ì
ì
ìììì
=

=
)(5,260
2
17495,7
173,556,117
2
.
.

tác dụng đợc suy ra từ cột trái bằng cách nhân với
hệ số
55.0
497,7
122,4
'
==
q
q

( )( )
KNmR
KNmM
KNmM
KNmM
P
B
P
A
P
C
P
B
4,30
27,143
6,43
)(68,6455.06,117
'
'
'

R
P
=

=
- Giá trị của biểu đồ mômen cuối cùng:
+ Cột trái:
M
B
=
)(15,606,117
.
121
469,1
1
2
2
1
KNm
JE
h
h
EJ
=
M
C
=
)(48,2429,79
.
121

M
B
=
)(1138,58
.
121
469,1
1
2
2
1
KNm
JE
h
h
EJ
=+

[Type text] Page 21
ThiÕt kÕ m«n häc kÕt cÊu thÐp
M
C
=
)(21,116,39
.
121
453,0
1
2
2

g
M
145.5
c
1.1
b
a
48.68[Type text] Page 22
Thiết kế môn học kết cấu thép
Bảng Tổng hợp nội lực
Loại tải
trọng
Hệ số
tổ hợp
Cột trên Cột dới
Tiết diện B Tiết diện C
t
Tiết diện C
d
Tiết diện A
M N M N M N M N Q
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1>Tải
trọng th-
ờng xuyên
1 -237,75 741 -143,5 741 96,5 741 269,32 741 -15,71
2>Tải

0
0
242,4
218,16
0
0
-616,8
-555,12
1557,6
1401,8
-134,5
-121
1557,6
1401,8
-43,8
-39,4
4>Momen
cầu trục
(móc trục
bên phải)
1
0,9
-181,35
-163,2
0
0
123,6
111,24
0
0

0

413

371,7
0
0

42

37,7
6>Lực
hãm trên
cột phải
1
0,9

98,27

88,44
0
0

30,3

27,27
0
0

30,3

8>Gió
phải
1
0,9
-113
-101,7
0
0
11,21
11,21
0
0
11,21
11,21
0
0
624,6
562,14
0
0

Bảng nội lực
Tiết Nội Tổ hợp cơ bản 1 Tổ hợp cơ bản 2
[Type text] Page 23
Thiết kế môn học kết cấu thép
diện lực M
max
(+)
,
N

N
1,4,6
-517,37
741
1,2
-282,74
881,4
1,2,4,6,8
-631,6
867,36
1,2,4,6,8
-631,6
867,36
C
t
M
N
1,3,5
147,4
741
1,2
-171,03
881,4
1,2
-171,03
881,4
1,3,5,7
140,34
867,36
1,2

1,3,5
-502,27
2142,8
A
M
N
Q
1,4,5
1081,12
1251,6
1,4,5
1081,12
1251,6
1,2,4,5,8
1607,16
1326,9
1,3,5,7
-890,98
2142,8
1,2,3,5,8
1127,3
2269,16
Phần 3
Thiết kế cột
IV-Tính cột
1-Xác định chiều dài tính toán của cột:
- Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực nguy hiểm để chọn tiết diện cột:
[Type text] Page 24
Thiết kế môn học kết cấu thép
+ Phần cột trên :Tiết diện B với M= -631,6 KNm

J
i
i

C
1
=
953,0
617,2
8
.
11
6
.
2
1
==
mJ
J
H
H
d
tr- Trong đó:
617,2
7,86
9,226
2

2
.H
tr
=2,08.6=12,48 m
-cột dới: L
x1
=à
1
.H
d
=1,984.11=21,82 m
+chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng khung là:
-cột trên: L
Y2
=H
tr
-h
dct
= 6 - 1,4 = 4,6m
-cột dới: L
Y1
= H
d
= 11 m
2-Chọn tiết diện cột trên:
2.1-Chọn tiết diện:
-Cột trên chọn đặc, tiết diện chữ H đối xứng, chiều cao tiết diện đã chọn từ
trớc:
a=b
tr

tr
=












+=






+


[Type text] Page 25