Đồ án Thiết kế hệ dầm sàn bằng thép chịu tải trọng phân bố đều p = 22,2

Vũ Thế Bảy XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP A 1321070009 I. Nhiệm vụ đồ án: - Thiết kế hệ dầm sàn bằng thép chịu tải trọng phân bố đều p = 22,2 (kN/m2). Dầm chính có nhịp L = 12m, dầm phụ có nhịp B = 4,1m đỡ bản sàn thép. Cho biết độ võng cho phép của bản sàn, dầm phụ, dầm chính như sau: *) Độ võng cho phép của bản sàn: *) Độ võng cho phép của dầm phụ: *) Độ võng cho phép của dầm chính: - Hệ số vượt tải: gp = 1,2 ; gg = 1,05 - Trọng lượng riêng của thép: gth = 7,85 (T/m3) - Vật liệu là thép CCT34 có môđun đàn hồi E = 2,13106 (daN/cm2) - Hàn tay với que hàn N42, bu lông được dùng trong hệ dầm là bulông thô. - Dầm phụ chọn là thép định hình chữ I, dầm chính là dầm tổ hợp hàn. Dùng hệ dầm sàn phổ thông II. Sơ đồ hệ dầm sàn: Hình 1: Sơ đồ hệ thống dầm sàn III. Tính toán các kết cấu dầm sàn: 1. Tính toán bản sàn thép: a) Sơ đồ tính toán bản sàn thép: Hình 2: Sơ đồ tính toán bản sàn thép b) Tính toán và chọn kích thước bản sàn: - Dựa vào hoạt tải tác dụng lên sàn là pTC = 22,2 (kN/m2) nên chọn chiều dày bản sàn sơ bộ là tS = 12 (mm) - Hệ số Poatsong của thép bản sàn là n = 0,3. - Môđun đàn hồi quy đổi: (daN/cm2) - Độ võng cho phép của bản sàn: => n0 = 150 - Nhịp của bản sàn được tính theo công thức sau: (cm) - Chọn nhịp của bản sàn sơ bộ là: lS = 120 (cm) c) Kiểm tra lại bản sàn theo 2 điều kiện: - Tải trọng tiêu chuẩn tác dụng lên sàn: (kN/m) - Tải trọng tính toán tác dụng lên sàn: (kN/m) - Diện tích tiết diện sàn: AS = 130,01 = 0,01 (m2) - Mômen quán tính của tiết diện sàn: (cm4) - Mômen chống xoắn mặt cắt ngang tiết diện bản sàn: (cm3) - Mômen lớn nhất của sơ đồ dầm tĩnh định: (kNm) - Độ võng lớn nhất của dầm đơn giản: (cm) - Hệ số a được xác định theo công thức sau: - Giải phương trình trên ta có hệ số a là: a = 1,34 - Mômen lớn nhất ở giữa nhịp bản sàn: (kNm) Hình 3: Biểu đồ mômen và lực cắt của bản sàn - Lực kéo tác dụng tại gối tựa bản là: (kN) - Độ võng lớn nhất ở giữa nhịp bản sàn: (cm) - Độ võng cho phép của bản sàn là: (cm) => D Như vậy bản sàn thoả mãn điều kiện độ võng - Ứng suất lớn nhất phát sinh trong bản sàn là: (kN/cm2) - Ứng suất lớn nhất cho phép phát sinh trong bản sàn là: (kN/cm2) => s Như vậy bản sàn thoả mãn điều kiện độ bền. d) Tính toán chiều cao đường hàn liên kết: - Với thép cơ bản là CCT42 và que hàn N42 ta có các hệ số: bf = 0,7 và bs = 1 - Cường độ chịu cắt của đường hàn là: fwf = 1800 (kg/cm2) - Cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy là: fws = 1890 (kg/cm2) - Ta có các tích số sau: bf.fwf = 0,731800 = 1260(kg/cm2) và bs.fws = 1890 (kg/cm2) => Vậy (b.fw)min = bf.fwf =1260 (kg/cm2) - Chiều cao đường hàn liên kết được tính theo công thức sau: (cm) - Do hf phải thoả mãn điều kiện: => (mm) => Vậy chọn chiều cao đường hàn là: hf = 7mm 2. Tính toán dầm phụ bằng thép: a) Sơ đồ tính toán dầm phụ thép: Hình 4: Sơ đồ tính toán dầm phụ b) Tính toán và chọn kích thước dầm phụ: - Tải trọng tiêu chuẩn sơ bộ tác dụng lên dầm phụ: (kN/m) - Tải trọng tính toán sơ bộ tác dụng lên dầm phụ: (kN/m) - Mômen lớn nhất ở giữa nhịp dầm phụ: (kNm) - Lực cắt lớn nhất ở gối tựa dầm phụ: (kN) Hình 5: Biểu đồ mômen và lực cắt của dầm phụ - Mômen chống xoắn mặt cắt ngang cần thiết của dầm phụ là: (cm3) - Với mômen chống xoắn mặt cắt ngang vừa tính, ta tra bảng và chọn tiết diện cho dầm phụ là thép định hình IN30 với các thông số của thép như sau: Hình 6: Tiết diện dầm phụ *) Khối lượng 1m chiều dài thép: g = 27,3 (kg/m) *) Mômen chống xoắn mặt cắt ngang: Wx = 289 (cm3) *) Mômen quán tính của tiết diện dầm: Ix = 3460 (cm4) *) Mômen tĩnh của nửa tiết diện dầm: Sx =163 (cm2) *) Chiều dày trung bình của cánh: t = 9,5 (mm) *) Chiều rộng của cánh dầm phụ: b = 125 (mm) c) Kiểm tra lại tiết diện dầm phụ vừa chọn: - Mômen lớn nhất do tải bản thân dầm phụ gây ra là: (kNm) - Lực cắt lớn nhất do tải bản thân dầm phụ gây ra là: (kN) - Ứng suất pháp lớn nhất phát sinh trong dầm phụ là: (kN/cm2) - Ứng suất pháp lớn nhất cho phép phát sinh trong dầm phụ là: (kN/cm2) => s Như vậy dầm phụ thoả mãn điều kiện ứng suất pháp. - Ứng suất tiếp lớn nhất phát sinh trong dầm phụ là: (kN/cm2) - Ứng suất tiếp lớn nhất cho phép phát sinh trong dầm phụ là: (kN/cm2) => t Như vậy dầm phụ thoả mãn điều kiện ứng suất tiếp. - Tỷ số độ võng tương đối lớn nhất ở giữa nhịp dầm phụ: - Tỷ số độ võng cho phép của dầm phụ là: => => Như vậy dầm phụ thoả mãn điều kiện độ võng 3. Tính toán dầm chính bằng thép: a) Sơ đồ tính toán dầm chính thép: Hình 7: Sơ đồ tính toán dầm chính b) Xác định tải trọng tác dụng lên dầm chính: - Tải trọng tập trung tiêu chuẩn sơ bộ tác dụng lên dầm chính: (kN) - Tải trọng tập trung tính toán sơ bộ tác dụng lên dầm chính: (kN) - Số lượng dầm phụ gác lên dầm chính là: - Tải trọng phân bố tiêu chuẩn sơ bộ tác dụng lên dầm chính: (kN/m) - Tải trọng phân bố tính toán sơ bộ tác dụng lên dầm chính: (kN/m) c) Xác định chiều cao của dầm chính: - Tỷ số giữa tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán là: - Mômen lớn nhất trong dầm chính: (kNm) - Lực cắt lớn nhất ở gối tựa dầm chính: (kN) Hình 8: Biểu đồ mômen và lực cắt của dầm chính - Tỷ số độ võng giới hạn cho phép: - Chiều cao tối thiểu của dầm chính là: (cm) - Chọn chiều dày bản bụng của dầm chính: tw = 10 (mm) - Chiều cao kinh tế của dầm chính: (cm) - Chọn sơ bộ chiều cao dầm chính là: h = 100 (cm) hw =100 - 4 = 96 (cm) - Kiểm tra chiều dày bản bụng theo công thức sau: (mm) => Vậy thoả mãn điều kiện chiều dày bản bụng d) Xác định tiết diện bản cánh của dầm chính: - Chiều dài bản cánh được chọn trong khoảng: (cm) - Chọn sơ bộ chiều dài bản cánh là: bf = 35 (cm) => Thoả mãn bf /18 (cm) - Chiều dày bản cánh được chọn trong khoảng: => (mm) - Chọn sơ bộ chiều dày bản cánh là: tf = 2 (cm) => Thoả mãn - Điều kiện của tích số 2 kích thước bản cánh phải thoả mãn là: - Tích số 2 kích thước sau khi chọn sơ bộ là: bftf = 3532 = 70 e) Tính toán thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài: - Để tiết kiệm vật liệu và giảm trọng lượng bản thân dầm chính, ta tiến hành tính toán để thay đổi tiết diện dầm chính. - Vị trí thay đổi tiết diện được chọn trong khoảng: (m). Vậy chọn vị trí thay đổi tiết diện dầm là: x = 2 (m) - Tải trọng bản thân dầm chính: (kN/m) - Lực cắt lớn nhất do tải trọng bản thân dầm chính: (kN) - Mômen tại vị trí thay đổi tiết diện dầm là: (kNm) - Tích số 2 kích thước bản cánh phải thoả mãn là: (cm) - Do bf /18 (cm) nên ta chọn tiết diện dầm trong đoạn thay đổi là bf = 20 (cm) Hình 9: Tiết diện dầm chính Hình 10: Tiết diện dầm chính thay đổi f) Kiểm tra bền cho dầm tại các vị trí không thay đổi tiết diện: - Mômen lớn nhất trong dầm chính: (kNm) - Mômen lớn nhất do tải bản thân dầm chính gây ra: (kNm) - Mômen quán tính của tiết diện dầm chính: (cm4) - Mômen chống xoắn mặt cắt ngang tiết diện dầm chính: (cm3) - Ứng suất pháp lớn nhất phát sinh trong dầm chính là: (kN/cm2) - Ứng suất pháp lớn nhất cho phép phát sinh trong dầm chính là: (kN/cm2) g) Kiểm tra bền cho dầm tại các vị trí thay đổi tiết diện: - Mômen quán tính tiết diện thay đổi của dầm chính: (cm4) - Mômen chống xoắn mặt cắt ngang tiết diện thay đổi của dầm chính: (cm3) - Mômen tĩnh nửa tiết diện thay đổi của dầm chính: (cm3) - Tải trọng bản thân dầm chính tại vị trí thay đổi tiết diện: (kN/m) - Lực cắt lớn nhất do tải trọng bản thân dầm chính: (kN) - Mômen tại vị trí thay đổi tiết diện dầm là: - Lực cắt tại vị trí thay đổi tiết diện dầm là: - Ứng suất pháp lớn nhất phát sinh trong dầm chính tại vị trí thay đổi tiết diện là: (kN/cm2) - Ứng suất tiếp lớn nhất phát sinh trong dầm chính tại vị trí thay đổi tiết diện là: (kN/cm2) - Ứng suất lớn nhất phát sinh trong dầm chính tại vị trí thay đổi tiết diện là: (kN/cm2) - Ứng suất lớn nhất cho phép phát sinh trong dầm chính tại vị trí thay đổi tiết diện là: (kN/cm2) - Tại nơi dầm phụ đặt lên dầm chính sẽ có lực tập trung tác dụng lên dầm chính do vậy ta kiểm tra điều kiện ứng suất cục bộ: *) Diện tích truyền lực từ dầm phụ lên dầm chính: (cm) *) Ứng suất cục bộ thực tế phát sinh trong dầm chính tại vị trí đặt dầm phụ: (kN/cm2) *) Ứng suất cục bộ cho phép phát sinh trong dầm chính tại vị trí đặt dầm phụ: (kN/cm2) => Vậy dầm đủ khả năng chịu ứng suất cục bộ sinh ra tại vị trí dầm phụ đặt lên dầm chính h) Kiểm tra ổn định tổng thể cho dầm chính: - Xét điều kiện sau ta có: *) Vế trái: *) Vế phải: => Vậy dầm chính đủ đảm bảo ổn định tổng thể. i) Kiểm tra ổn định cục bộ cho dầm chính khi chịu ứng suất tiếp: - Độ mảnh của bản bụng dầm là: - Độ mảnh quy ước của dầm chính là: => Như vậy dầm chưa đủ đảm bảo ổn định dưới tác dụng của ứng suất tiếp. Do đó cần phải bố trí các sườn ngang theo phương vuông góc với trục dầm - Chọn kích thước của sườn ngang bố trí trên dầm chính: *) Chiều rộng sườn ngang: (mm) bs=80(mm) *) Chiều dày sườn ngang: (mm) => Như vậy chọn chiều dày sườn ngang là: ts = 5 (mm) *) Khoảng cách giữa các sườn ngang thoả mãn: (cm) => Vậy chọn khoảng cách giữa các sườn ngang là: a = 150 (cm) Hình 11: Mặt cắt bố trí sườn ngang - Do độ mảnh của bản bụng dầm thoả mãn điều kiện nên không cần kiểm tra lại điều kiện ứng tiếp sau khi đã bố trí sườn => Như vậy dầm đã đảm bảo ổn định dưới tác dụng của ứng suất tiếp j) Kiểm tra ổn định cục bộ cho dầm chính khi chịu ứng suất pháp: - Do độ mảnh của bản bụng dầm thoả mãn điều kiện nên dầm đã đảm bảo ổn định dưới tác dụng của ứng suất pháp k) Kiểm tra ổn định cục bộ cho dầm chính khi chịu đồng thời ứng suất pháp và ứng suất tiếp: - Dựa vào khoảng cách giữa các bản bụng ta có sơ đồ bố trí các ô bản bụng: Hình 12: Sơ đồ bố trí các ô bản - Ta có vị trí điểm kiểm tra tại các ô bản là: *) Đối với ô bản 1: (m) *) Đối với ô bản 2: (m) - Ứng suất cục bộ thực tế phát sinh trong dầm chính: (kN/cm2) - Độ mảnh của các ô bản kiểm tra: - Kiểm tra ổn định đối với ô bản 1: *) Mômen tại điểm kiểm tra x1 là: (kNm) *) Lực cắt tại điểm kiểm tra x1 là: (kN) - Ứng suất pháp phát sinh trong dầm chính tại điểm kiểm tra là: (kN/cm2) - Ứng suất tiếp phát sinh trong dầm chính tại điểm kiểm tra là: (kN/cm2) - Ta có hệ số: - Do tỷ số =và nên ta tra bảng được các hệ số c2 = 57,5 và hệ số c1 = 30,5 và - Ta có tỷ số: => ccr = 32,5 - Ứng suất cục bộ giới hạn trong dầm chính: (kN/cm2) - Ứng suất pháp giới hạn trong dầm chính: (kN/cm2) - Ứng suất tiếp giới hạn trong dầm chính: (kN/cm2) - Thay vào công thức kiểm tra ta có: => do vậy ô bản 1 đủ đảm bảo ổn định - Kiểm tra ổn định đối với ô bản 2: *) Mômen tại điểm kiểm tra x2 là: (kNm) *) Lực cắt tại điểm kiểm tra x2 là: (kN) - Ứng suất pháp phát sinh trong dầm chính tại điểm kiểm tra là: (kN/cm2) - Ứng suất tiếp phát sinh trong dầm chính tại điểm kiểm tra là: (kN/cm2) - Ta có hệ số: - Do tỷ số và nên ta tra bảng được các hệ số c2 = 58,5 và hệ số c1 = 40 và - Ta có tỷ số: => ccr = 34 - Ứng suất cục bộ giới hạn trong dầm chính: (kN/cm2) - Ứng suất pháp giới hạn trong dầm chính: (kN/cm2) - Ứng suất tiếp giới hạn trong dầm chính: (kN/cm2) - Thay vào công thức kiểm tra ta có: => do vậy ô bản 2 đủ đảm bảo ổn định l) Tính toán sườn đầu dầm - Phản lực tại đầu dầm chính là: (kN) *) Chọn kích thước sườn đầu dầm: - Chọn chiều rộng sườn là: bs = bf1 = 20 (cm) - Theo điều kiện ổn định của sườn đầu dầm ta có: (cm) - Cường độ ép mặt tỳ đầu của thép: (kN/cm2) - Theo điều kiện ép mặt của sườn đầu dầm ta có: (cm) - Kết hợp cả hai điều kiện trên ta chọn: ts = 15 (mm) Chọn 201,5 *) Kiểm tra điều kiện chịu nén của sườn đầu dầm: - Diện tích quy ước để tính toán của sườn đầu dầm: (cm2) - Mômen quán tính của tiết diện sườn đầu dầm là: (cm4) - Độ mảnh của sườn đầu dầm là: - Từ giá trị ls = 36,65 ta tra bảng có được giá trị w =840 - Ứng suất nén phát sinh trong sườn đầu dầm là: (kN/cm2) - Ứng suất nén cho phép trong sườn đầu dầm là: (kN/cm2) => Như vậy sườn đủ khả năng chịu nén 4. Tính toán mối nối: a) Tính toán mối nối cánh dầm chính với bụng dầm chính - Với thép cơ bản là CCT42 và que hàn N42 ta có các hệ số: bf = 0,7 và bs = 1 - Cường độ chịu cắt của đường hàn là: fwf = 1800 (kg/cm2) - Cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy là: fws = 1890 (kg/cm2) - Ta có các tích số sau: bf.fwf = 0,731800 = 1260(kg/cm2) và bs.fws = 1890 (kg/cm2) => Vậy (b.fw)min = bf.fwf =1260 (kg/cm2) - Chiều cao đường hàn liên kết được tính theo công thức sau: (cm) - Do hf phải thoả mãn điều kiện: => (mm) => Vậy chọn chiều cao đường hàn là: hf = 7mm b) Tính toán mối nối cánh dầm chính: - Khoảng cách từ gối tựa đến vị trí nối cánh dầm là: (cm) - Mômen tại vị trí mối nối là: (kNm) - Giả thiết chọn đường hàn liên kết bản cánh dầm là đường hàn đối đầu thẳng góc với: *) Chiều dài đường hàn đối đầu là: (cm) *) Bề dày tính toán đường hàn đối đầu là: t = tf = 2(cm) - Diện tích của tiết diện đường hàn: (cm3) - Mômen quán tính của tiết diện bản cánh là: (cm4) - Mômen do bản cánh chịu là: (kNm) - Lực dọc do 1 bản cánh chịu là: (kN) - Ứng suất pháp trong đường hàn là: (kN/cm2) > 18 (kN/cm2) - Chọn đường hàn liên kết bản cánh dầm là đường hàn đối đầu xiên với góc a = 450: *) Chiều dài đường hàn đối đầu là: (cm) *) Bề dày tính toán đường hàn đối đầu là: t = tf = 2(cm) - Diện tích của tiết diện đường hàn: (cm3) - Ứng suất pháp trong đường hàn là: (kN/cm2) c) Tính toán mối nối bụng dầm chính: - Bản bụng dầm được nối tại vị trí nối bản cánh dầm bằng liên kết bản ghép và đường hàn góc - Khoảng cách từ gối tựa đến vị trí nối cánh dầm là: (cm) - Mômen tại vị trí mối nối là: (kNm) - Lực cắt tại vị trí mối nối là: (kNm) - Diện tích bản bụng là: Aw = hwtw = 9631= 96 (cm2) - Chọn diện tích bản ghép là: Abg = 90 (cm2) thoả mãn 2Abg = 180 > Aw = 86,4 - Chiều cao bản ghép là: hbg = hw – 10 = 86 (cm) - Chiều dày bản ghép là: (cm) - Mômen do mối nối phải chịu là: Mmốinối = M1 + Q1e = 931,5 + 658,530,05 = 964,5(kNm) - Chiều dài đường hàn là: lw = hbg – 1 = 85 (cm) - Chọn chiều cao đường hàn là: hf = 6 (mm) - Diện tích đường hàn là: Afw = lwhf = 8530,6 = 51 (cm2) - Mômen kháng uốn của tiết diện đường hàn là: (cm3) - Với thép cơ bản là CCT34 và que hàn N42 ta có các hệ số: bf = 0,7 và bs = 1 - Cường độ chịu cắt của đường hàn là: fwf = 1800 (kg/cm2) - Cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy là: fws = 1890 (kg/cm2) - Ta có các tích số sau: bf.fwf = 0,731800 = 1260(kg/cm2) và bs.fws = 1890 (kg/cm2) => Vậy (b.fw)min = bf.fwf =1260 (kg/cm2) - Ứng suất tương đương phát sinh tại mối nối là: () => Như vậy => Đường hàn đảm bảo ổn định d) Tính toán mối nối sườn đầu dầm vào bụng dầm: - Với thép cơ bản là CCT42 và que hàn N42 ta có các hệ số: bf = 0,7 và bs = 1 - Cường độ chịu cắt của đường hàn là: fwf = 1800 (kg/cm2) - Cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy là: fws = 1890 (kg/cm2) - Ta có các tích số sau: bf.fwf = 0,731800 = 1260(kg/cm2) và bs.fws = 1890 (kg/cm2) => Vậy (b.fw)min = bf.fwf =1260 (kg/cm2) - Chiều dài đường hàn là: lh = hw – 1 = 96 – 1 = 95 (cm) - Chiều cao đường hàn cần thiết là: (cm) = 2,8 (mm) - Do hh phải thoả mãn điều kiện: (mm) => Chọn chiều cao đường hàn là: 7mm