36

PHẦN 2

KẾT CẤU NHÀ NHNP LỚN

Bài tập 1 – KẾT CẤU MÁI SÂN VẬN ĐỘNG

Kết cấu mái một sân vận động được minh họa như hình 3.1, 3.2, 3.3 và 3.4. Hệ kết cấu mái đón công xôn bằng kết cấu thép bao gồm các dầm phụ (1) đặt cách nhau 1,5m nhằm đỡ mái tôn nhẹ (trọng lượng 25daN/m2), các dầm chính (2) dạng công xôn 6m liên kết cứng với cột, cột được liên kết ngàm với cột BTCT trong mặt khung và khớp với cột BTCT ngoài mặt phẳng khung.

Các giả thiết sau được sử dụng trong tính toán.

- Vật liệu thép : CCT34, mô đun đàn hồi thép E=2,1.106 daN/cm2, f=2100daN/m2, fv=0.58f. Hệ số điều kiện làm việc kết cấu γc =1.

- Hoạt tải sửa chữa trên mái bằng 30daN/m2.

- Độ võng cho phép của dầm phụ bằng L/200, dầm chính 2L/400 trong đó L là nhịp tính toán dầm.

- Hệ số độ tin cậy tải trọng : ng =1,1 (tĩnh tải) và np=1,3 (hoạt tải).

1/ Giả thiết dầm phụ (1) liên kết khớp với dầm chính (2). Thiết kế dầm phụ bằng thép hình chữ C theo điều kiện ứng suất pháp và độ võng, cho biết độ võng dầm đơn giản chịu tải phân bố đều được tính bởi công thức ∆max=5qL4/(384EI)

2/ Giả thiết dầm chính (2) liên kết ngàm với cột (giả thiết đỉnh cột không dịch chuyển), nhịp tính toán 6m. Thiết kế dầm chính bằng thép tổ hợp hàn theo điều kiện bền, độ võng, ổn định cục bộ, cho biết độ võng dầm công xôn chịu tải phân bố đều được tính bởi công thức ∆max=qL4/(8EI).

3/ Vẽ chi tiết cấu tạo (chi tiết C) liên kết cứng giữa dầm chính và cột bằng liên kết bu lông và nêu nguyên lý tính toán đường kính bu lông.

4/ Vẽ chi tiết cấu tạo liên kết cột thép dạng chữ I vào cột BTCT.

5/ Các sườn ngang (Hình 3.2) liên kết khớp với các cột nhằm bảo đảm tính ổn định ngoài mặt phẳng của nó. Giả thiết trong mặt phẳng khung, đầu cột dịch chuyển ngang tự do, xác định chiều dài tính toán cột trong và ngoài mặt phằng khung và đề xuất giải pháp tăng cường tính ổn định của hệ khung kết cấu thép.

Hình 2.1 : Mặt bằng mái

37

Hình 2.2 : Mặt cắt B-B

Hình 2.3 : Mặt cắt A-A

Hình 2.4 : Hình 3D kết cấu mái sân vận động

38

HƯỚNG DẪN BÀI TẬP 1

1/ Giả thiết dầm phụ (1) liên kết khớp với dầm chính (2). Thiết kế dầm phụ bằng thép hình chữ C theo điều kiện ứng suất pháp và độ võng, cho biết độ võng dầm đơn giản chịu tải phân bố đều được tính bởi công thức ∆max=5qL4/(384EI)

- TẢI TRỌNG TÁC DỤNG Tĩnh tải:

Tải trọng tiêu chuNn : gc= 25 daN/m2

Tải trọng tính toán : ng= 1.1

gtt= 27.5 daN/m2 Hoạt tải:

Tải trọng tiêu chuNn : pc= 30 daN/m2 Tải trọng tính toán :

np= 1.3

ptt= 39 daN/m2 - THIẾT KẾ DẦM PHỤ DẠNG THÉP HÌNH CH Ữ C + SƠ ĐỒ TÍNH DẦM PHỤ Khoảng cách các dầm phụ, e= 1.5 m Nhịp tính toán dầm, L= 4 m Độ võng cho phép dầm phụ, [∆]=L/200 2 cm Vật li ệu: Thép CCT34: f= 2100 daN/cm2

fv=0.58f 1218 daN/cm2

Hệ số điều kiện làm việc, γc 1 Mô đun đàn hồi, E= 2100000 daN/cm2 + NỘI LỰC DẦM PHỤ :

Tải trọng tiêu chuNn, qc=(gc+pc)*e 82.5 daN/m

Tải trọng tính toán, qtt=(gcng + pcnp)*e 99.75 daN/m

Mô men tính toán lớn nhất, Mmax=qtt*L 2/8 199.5 daNm

Lực cắt lớn nhất, Qmax=qtt*L/2 199.5 daN

Mô men chống uốn cần thiết: Wx ≥ Mmax/(f* γc) 9.5 cm3

Mô men quán tính cần thiết: Ix ≥ 5qc*L 4/(384*E*[∆]) 65.48 cm4 + CHỌN TIẾT DIỆN THÉP HÌNH: C 8

Các thông số tiết diện chọn Wx= 22.4 cm3

Ix= 89.4 cm4

Sx= 13.3 cm3

39

d= 4.5 Mm m= 7.05 daN/m + KIỂM TRA TI ẾT DIỆN ĐÃ CHỌN : Tải tr ọng tác dụng có kể đến trọng lượng bản thân dầm phụ:

Tải trọng tiêu chuNn, qc=qc + m 89.55 daN/m

Tải trọng tính toán, qtt=qtt + m*ng 107.505 daN/m Nội lực:

Mô men tính toán lớn nhất, Mmax=qtt*L 2/8 215.01 DaNm

Lực cắt lớn nhất, Qmax=qtt*L/2 215.01 DaN Ki ểm tra ti ết diện đã chọn: Ki ểm tra bền:

σmax= Mmax/Wx 959.87 daN/cm2

τmax= Qmax*Sx/(d*I x) 71.08 daN/cm2 Ki ểm tra độ võng:

∆max=5*qc*L 4/(384*E*Ix) 1.59 Cm

2/ Giả thiết dầm chính (2) liên kết ngàm với cột, nhịp tính toán 6m. Thiết kế dầm chính bằng thép tổ hợp hàn theo điều kiện bền, độ võng, ổn định cục bộ, cho biết độ võng dầm công xôn chịu tải phân bố đều được tính bởi công thức ∆max=qL4/(8EI)

- SƠ ĐỒ TÍNH DẦM CHÍNH Nhịp tính toán dầm chính : L= 6 M

Khoảng cách các dầm chính: ec= 4 M Độ võng cho phép: [∆]= 2L/400 3 Cm [L/∆]= 200 - TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG VÀ NỘI LỰC

Tải trọng dầm phụ / m2: gdp=5*m/L 5.88 daN/m2

Tải trọng mái / m2: gc= gc + gdp 30.88 daN/m2

pc= 30 daN/m2

Tải trọng tác dụng dầm phụ: qc= (gc + pc)* ec 243.5 daN/m

qtt=(gcng + pcnp)*ec 291.85 daN/m

Nội lực tính toán: Mmax= qtt*L 2/2 5253.3 daNm

Qmax= qtt*L 1751.1 daN - CHỌN KÍCH TH ƯỚC TIẾT DIỆN

40

1/γtb= qc / qtt 0.834

Chiều cao min tiết diện: hmin= 5/24*f/E* [L/∆]*L/ γtb 21 Cm

Chọn H= 30 Cm

tf= 1.2 Cm

hw= h - 2*tf 28 Cm

hfk= h - tf 29 Cm

Chiều dày bản bụng: tw ≥ 3/2*Qmax/(hw*f v*γc) 0.078 Cm

Chọn : tw= 0.60 Cm

Diện tích bản cánh: bf * tf ≥ (Mmax/(f* γc) * h/2 - tw*hw

3/12)*2/hfk2 6.51 cm2

Kích thước tiết diện chọn: tf= 1.2 Cm

bf= 15.0 Cm

tw= 0.6 Cm

hw= 27.6 Cm

hfk= 28.8 Cm H= 30.0 Cm Các đặc tính tiết diện đã chọn: A= 52.56 cm2 M= 41.26 daN/m

Ix= 8520.51 cm4

Wx= 568.03 cm3

Sx= 316.33 cm3 - KIỂM TRA TI ẾT DIỆN ĐÃ CHỌN

Tải tr ọng tác dụng: qc= qc + m 284.76 daN/m

qtt= qtt + m*ng 337.24 daN/m

Nội lực tính toán: Mmax= qtt*L 2/2 6070.24 daNm

Qmax= qtt*L 2023.41 daN

Ki ểm tra ti ết diện đã chọn: σmax= Mmax/Wx 1068.64 daN/cm2

τmax= Qmax*Sx/(d*I x) 125.20 daN/cm2

∆max= qc*L 4/(8*E*I x) 2.58 Cm Ki ểm tra điều kiện ổn định cục bộ:

Bản cánh :

bof/tf=

6.00

[bof/tf]= 15.81 Ok

Bản bụng :

hw/tw=

46.00

[hw/tw]= 101.19 Ok

E0,5

f

E3,2

f

41

3/ Vẽ chi tiết cấu tạo (chi tiết C) liên kết cứng giữa dầm chính và cột bằng liên kết bu lông và nêu nguyên lý tính toán đường kính bu lông

32

0

150

20

54

70

70

70

70

I30

0x1

50

x12

x68

8

I300x150x12x6

Ghi chú: Các yêu cầu tối thiểu khi vẽ cấu tạo liên kết cứng giữa dầm chính và cột

- Số hàng bu lông phải lớn hơn 2, khoảng cách các bu lông tuân thủ nguyên tắc cấu tạo tối thiểu 2,5d giữa các bu lông và 1,5d từ bu lông biên đến bản ốp

- Các sườn gia cường bản cánh cột phải thể hiện

NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG KÍNH BU LÔNG :

- Đường kính bu lông trong liên kết trên chịu cắt, ép mặt (do lực cắt) và chịu kéo (do Momen).

Khả năng chịu cắt bu lông:

[N] vb=fvb × γb × A × nv

• fvb : cường độ tính toán chịu cắt vật liệu bu lông

• A : diện tích tiết diên ngang thân bu lông (phần không bị ren)

• nv: số lượng mặt cắt tính toán của bu lông

• γb : hệ số điều kiện làm việc liên kết bu lông

42

Từ điều kiện Nb ≤ [N]vb × γc � d

Khả năng chịu ép mặt bu lông:

[N]cb=d (Σt)min× fcb × γb

• fcb : cường độ ép mặt tính toán bu lông

• d : đường kính thân bu lông (phần không bị ren)

• (Σt)min : tổng chiều dày nhỏ nhất các bản thép cùng trượt về một hướng

• γb : hệ số điều kiện làm việc liên kết bu lông

Từ điều kiện Nb ≤ [N]cb × γc � d

Khả năng chịu kéo của 1 bu lông:

[N] tb=Abn× ftb

• ftb : cường độ tính toán chịu kéo vật liệu bu lông

• Abn : diện tích thực thân bu lông (kể đến phần bị ren)

Từ điều kiện Nbmax ≤ [N] tb × γc � d, trong đó,

4/ Vẽ chi tiết cấu tạo liên kết cột thép dạng chữ I vào cột BTCT

48

I300x150x12x6

32

48

300

48

D 16 4.6

10

600

300

25

Y

Z

75

420

40

48

40

[ ]1bmax c2 min b

i

MlN N

m l= ≤ γ∑

43

Ghi chú:

- Vì là liên kết ngàm với móng nên cần thiết có tối thiểu 2 hàng bu lông, liên kết có thể có hoặc không có sườn gia cường. Nguyên lý cấu tạo như các hình trên.

NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN LIÊN K ẾT CHÂN CỘT VỚI MÓNG

Già thiết địa điểm xây dựng công trình IIA: Wo=83daN/m2. Áp lực gió tính toán phân bố trên một m chiều cao cột: qw= ncKBWo=1,3*1,3*1*4*83 = 561,08 daN/m

Nội lực tính toán tại chân cột:

- Mô men tính toán: Mmax= qw*H2/2 + qtt*L 2/2 = 561,08*32/2 + 6070.24=8595.1 daNm - Lực cắt tại chân cột: Qmax = qw*H = 561,08*3 = 1683,24 daN - Lực dọc (bỏ qua trọng lượng bản thân cột): N= 2023,41daN

Tính diện tích bản đế : được xác định từ điều kiện về nén cục bộ bê tông

max b b2

N 6MR

BL BLσ = + ≤ αψϕ

Trong đó:

- α : là hệ số phụ thuộc vào cấp bê tông (với bê tông có cấp B25 và lớn hơn: α=13,5Rbt/Rb) - Rb, Rbt : cường độ chịu nén và kéo tính toán của bê tông - ψ : hệ số phụ thuộc vào đặc điểm phân phối tải trọng cục bộ trên diện tích ép mặt, ψ=1 khi

chịu nén đều, ψ=0,75 khi chịu tải nén phân bố không đều

- m3b

bđ

A

Aϕ = và lấy không lớn hơn 1,5

- Am : diện tích mặt móng

Tính dầm đế và sườn đế:

44

Tính bu lông neo:

Cường độ tính toán chịu kéo của bulông neo fba được xác định theo công thức fba = 0,4 fub. Trị số cường độ

tính toán chịu kéo của bulông neo cho trong bảng 1.

Bảng 1– Cường độ tính toán chịu kéo của bulông neo

Đơn vị tính : N/mm2

Làm từ thép mác Đường kính bulông, mm

CT38 16MnSi 09Mn2Si

12÷ 32

33÷ 60

61÷ 80

81÷ 140

150 150 150 150

192 190 185 185

190 185 180 165

5/ Các sườn ngang (Hình 3.2) liên kết khớp với các cột nhằm bảo đảm tính ổn định ngoài mặt phẳng của nó. Giả thiết trong mặt phẳng khung, đầu cột dịch chuyển ngang tự do, xác định chiều dài tính toán cột trong và ngoài mặt phằng khung và đề xuất giải pháp tăng cường tính ổn định của hệ khung kết cấu thép. - CHIỀU DÀI TÍNH TOÁN C ỘT :

• Trong mặt phẳng: lx= 2H= 6m • Ngoài mặt phẳng khung: ly=1,5m

- GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG TÍNH ỔN ĐNNH KHUNG:

• Để bảo đảm tính ổn định của hệ mái, sinh viên ít nhất phải bố trí 1 hệ giằng ngang và dọc • Để bảo đảm tính ổn định của hệ cột, cần ít nhất một hệ giằng cột.

Mặt bằng mái và hệ giằng mái đề nghị

45

Mặt cắt B-B và hệ giằng cột đề nghị

46

BÀI TẬP 2 – KẾT CẤU MÁI NHÀ THI ĐẤU TRONG NHÀ

Kết cấu mái một Nhà thi đấu trong nhà được minh họa như hình 4.1, 4.2, 4.3 và 4.4. Hệ kết cấu mái bằng khung thép bao gồm các dầm phụ (1) đặt cách nhau 1,5m nhằm đỡ mái tôn nhẹ (trọng lượng 25daN/m2), các dầm chính (2) nhịp tính toán 18m giả thiết liên kết khớp với cột, cột được liên kết ngàm với cột BTCT trong mặt khung và khớp với cột BTCT ngoài mặt phẳng khung.

Các giả thiết sau được sử dụng trong tính toán.

- Vật liệu thép : CCT34, mô đun đàn hồi thép E=2,1.106 daN/cm2, f=2100daN/m2, fv=0.58f. Hệ số điều kiện làm việc kết cấu γc =1.

- Hoạt tải sửa chữa trên mái bằng 30daN/m2.

- Độ võng cho phép của dầm phụ L/200, dầm chính L/400 trong đó L là nhịp tính toán dầm.

- Hệ số độ tin cậy tải trọng : ng =1,1 (tĩnh tải) và np=1,3 (hoạt tải).

1/ Giả thiết dầm phụ (1) liên kết khớp với dầm chính (2). Thiết kế dầm phụ bằng thép hình chữ C theo điều kiện ứng suất pháp và độ võng, cho biết độ võng dầm đơn giản chịu tải phân bố đều được tính bởi công thức ∆max=5qL4/(384EI)

2/ Giả thiết dầm chính (2) liên kết khớp với cột, nhịp tính toán 18m. Thiết kế dầm chính bằng thép tổ hợp hàn theo điều kiện bền, độ võng, ổn định cục bộ, cho biết độ võng dầm đơn giản chịu tải phân bố đều được xác định như câu 1

3/ Các sườn ngang (Hình 4.2) liên kết khớp với các cột nhằm bảo đảm tính ổn định ngoài mặt phẳng của nó. Giả thiết trong mặt phẳng khung, đầu cột dịch chuyển ngang tự do, xác định chiều dài tính toán cột trong và ngoài mặt phằng khung và đề xuất giải pháp tăng cường tính ổn định của hệ khung kết cấu thép

4/ Đề xuất 2 giải pháp khác bằng kết cấu thép cho kết cấu mái Nhà thi đấu trong nhà này.

Hình 4.1 : Mặt cắt A-A

Hình 4.2 : Mặt cắt B-B

47

Hình 4.3 : Mặt bằng mái

Hình 4.4 : Hình 3D kết cấu mái nhà thi đấu