Hệ Chịu Lực Công Trình Kiến Trúc (hệ Chịu Lực Cấu Tạo 3) - 123doc

Tải bản đầy đủ (.doc) (119 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kiến trúc - Xây dựng
>>
3. Kết cấu - Thi công công trình

Hệ chịu lực công trình kiến trúc (hệ chịu lực cấu tạo 3)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (22.75 MB, 119 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HỒ CHÍ MINHKHOA KIẾN TRÚCBỘ MÔN CÔNG NGHIỆP VÀ KỸ THUẬT KIẾN TRÚCTÀI LIỆU ĐỌC THÊM - MÔN HỌC CẤU TẠO KIẾN TRÚC 3LƯU HÀNH NỘI BỘHỆ CHỊU LỰCTập tài liệu này cung cấp thêm một cách tiếp cận nội dung môn họcCấu tạo kiến trúc 3, bên cạnh tập giáo trình môn học, nhằm mục đíchtham khảo cho sinh viên. Nó được trích dòch từ quyển sáchUnderstanding structures của tác giả Fuller Moore, nhà xuất bảnWCB/McGraw-Hill, năm 1999.MỤC LỤCCHƯƠNG I: HỆ KHUNG PHẲNG.................................................4CHƯƠNG IV: HỆ VỎ MỎNG.......................................................701. Cột và tường..................................................................................52. Dầm và bản sàn..........................................................................113. Khung phẳng...............................................................................2713. Vỏ mỏng......................................................................................7114. Bản gấp nếp................................................................................79CHƯƠNG II: HỆ TỔ HP TAM GIÁC.......................................334.5.6.7.Dây cáp treo................................................................................34Dàn..............................................................................................36Khung không gian.......................................................................40Vòm trắc đòa................................................................................45CHƯƠNG III: HỆ CONG DẠNG DÂY CÁP..............................488. Dây cáp võng catenary...............................................................499. Màng căng...................................................................................5210. Màng khí nén..............................................................................5511. Vòm cung....................................................................................6212. Vòm mái......................................................................................67PHỤ LỤC I: LÝ THUYẾT CẤU TRÚC......................................83I:1I:2Cơ học ......................................................................................84Sức bền vật liệu .......................................................................94PHỤ LỤC II: BẢNG TRA DÀNH CHO THIẾT KẾ SƠ BỘ...102Tài liệu tham khảo..........................................................................113CHƯƠNG IHỆ KHUNG PHẲNGHệ khung phẳng truyền tải trọng xuống đất nền nhờ vào các bộ phận phương ngang(như dầm và bản sàn) và các bộ phận phương đứng (như cột và tường chòulực)―những bộ phận có sức kháng chòu biến dạng võng và uốn.1CỘT VÀ TƯỜNGCác cấu kiện phương đứng gồm có cột và tường chòu lực.CỘThơn. Vì lý do này, một khi cột bắt đầu oằn, nó sẽ bò phá hoại độtngột mà khôngCột là một cấu kiện có trục thẳng (thường là thẳng đứng), chòu tảitrọng nén dọc trục. Các cột làm việc khác nhau tùy theo chiều dàicủa chúng.CHIỀU DÀI CỘTMột cột ngắn, như một viên gạch chẳng hạn, khi chòu tải trọng nénquá mức, sẽ bò nghiền vỡ. Một cột dài chòu tải trọng nén tăng dần sẽđột ngột oằn (cong về một bên). Giá trò tải trọng nén tới hạn nàyđược gọi là tải trọng uốn dọc của cấu kiện. Các cấu kiện chòu nénbằng vật liệu chòu nén đủ cứng (như thép chẳng hạn) sẽ chỉ cần diệntích tiết diện ngang nhỏ, tức cấu kiện thanh mảnh hơn (Hình 1.1).Sự biến dạng uốn này vẫn xảy ra ngay cả nếu cột được thiết kế chòutải trọng chính xác dọc trục qua tâm và cột hoàn toàn đồng nhất.Một khi cột biến dạng không còn thẳng đứng và bắt đầu oằn tại giữathân, sự lệch trục giữa hai đầu và trung điểm thân cột sẽ gây nênmột lực cánh tay đòn; lực này gia tăng, làm sự biến dạng oằn lớnHình 1.1: Mô hình thí nghiệm cho thấy cột bò nghiền hoặc uốn cong.có dấu hiệu báo trước (không như nhiều hình thức cấu kiện khác, bòphá hoại từ từ).Tải trọng uốn dọc của một cột phụ thuộc vào chiều dài, diện tích vàhình thức tiết diện ngang, và kiểu cách liên kết tại các đầu cột.Chiều dài cột tăng sẽ làm giảm tải trọng uốn dọc của nó. Với cùngmặt cắt ngang, chiều dài cột tăng gấp đôi sẽ làm giảm tải trọng uốndọc còn một phần tư. Nói cách khác, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệnghòch theo bình phương của thay đổi chiều dài cột (Hình 1.2).Hình 1.2: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của chiều dài cột đến tảitrọng uốn dọc.HÌNH DÁNG CỘTCột sẽ bò oằn theo hướng có sức chòu kém nhất. Nếu tiết diện ngangcủa cột có các cạnh không như nhau, biến dạng uốn sẽ xảy ra theotrục của kích thước mảnh nhất. Với cùng một lượng vật liệu, cột cókích thước các cạnh của tiết diện ngang lớn hơn sẽ có tải trọng uốndọc lớn hơn (Hình 1.3). Mô-men quán tính là số đo của sự phân bốvật liệu quanh tâm của một vật. Mô-men quán tính là nhỏ nhất khitất cả lượng vật liệu tập trung tại tâm (như một thanh tiết diện trònđặc chẳng hạn). Nó lớn nhất khi lượng vật liệu được phân bố xa tâmnhất (như một thanh rỗng). Tải trọng uốn dọc tỉ lệ thuận với mômen quán tính (Hình 1.4).Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của hình dáng cột đếntải trọng uốn dọc.LIÊN KẾT ĐẦU CỘTKhả năng hạn chế sự chuyển vò phương ngang và quay của hai đầumột cột mảnh có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng uốn dọc của nó.Cột được liên kết khớp cố đònh (tự do quay nhưng bò ngăn khôngchuyển vò ngang) tại hai đầu sẽ bò uốn theo một đường cong liên tụcHình 1.4: Hình dáng hình học của thân tre là một hình dáng hữu hiệu cho cột.Hình dáng hình trụ tròn phân bố vật liệu cách xa tâm, tạo ra mô-men quán tính lớn.Hình dáng này được giữ ổn đònh nhờ vào các mắt tre đặc, ngăn không cho thân trebò lõm hay uốn cong.và thoải. Cột được liên kết cứng (bò ngăn không quay và chuyển vòngang) tại chân và tự do (tự do quay hay chuyển vò ngang) tại đầukia sẽ biến dạng giống như nửa trên của cột có liên kết khớp cốđònh, và có chiều dài có ích (chiều dài tính toán) gấp đôi chiều dàithực; tải trọng uốn dọc của nó bằng một phần tư so với cột liên kếtkhớp cố đònh (nhớ rằng, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệ nghòch theobình phương của thay đổi chiều dài cột). Liên kết cứng một đầu vàliên kết khớp cố đònh đầu kia có hiệu quả như việc giảm chiều dàicó ích còn 70 phần trăm của một cột liên kết khớp cố đònh, và làmgia tăng tải trọng uốn dọc của cột lên bằng 200 phần trăm. Liên kếtcứng cả hai đầu làm giảm thêm chiều dài có ích (còn một nửa) vàlàm tăng tải trọng uốn dọc lên bằng 400 phần trăm. Như thế, sự hạnchế chuyển vò ngang hay quay dẫn đến tải trọng uốn dọc thay đổikhácHình 1.5: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của hình thức liên kết đầucột đến tải trọng uốn dọc.nhau gấp tám lần (xét các cột có cùng chiều dài tính toán, vật liệuvà tiết diện ngang) (Hình 1.5).TƯỜNG CHỊU LỰCTường chòu lực là một bộ phận chòu nén kéo dài liên tục theo mộtphương, phân bố tải trọng thẳng đứng tỏa đều xuống bệ tựa (thườnglà đất nền). Nó được phân biệt khác với một dãy các cột đứng kềnhau liên tục ở khả năng phân tỏa tải trọng dọc chiều dài của nó(làm việc giống một cây dầm; Hình 1.6) và khả năng chòu lựcphương ngang trong mặt phẳng tường (Hình 1.7). Hai đặc điểm làmviệc này được sinh ra từ những ứng suất cắt nội tại có thể xảy ratrong bức tường.Hình 1.6: Một bức tường chòu lực phân tán các tải trọng tập trung dọc theochiều dài của nó, nhờ vào sức chòu cắt phương đứng; tải trọng như vậy khi tác độnglên một dãy cột liên tục vẫn là tải trọng tập trung tác động lên một cột.Hình 1.7: Một bức tường chòu lực tạo được sự ổn đònh chống lực xô ngang dọctheo chiều dài của nó, nhờ vào sức chòu cắt phương ngang; đặc điểm này không cótrong một dãy cột liên tục.Các bức tường gạch truyền thống thường được xây thoải chân (chântường dày hơn). Điều này cho phép tường ổn đònh theo phươngngang hơn (hình dáng tam giác vốn ổn đònh hơn hình chữ nhật). Hơnthế, chân tường có diện tích chòu lực lớn hơn để phân bố tải trọngxuống nền đất. Trong cấu tạo tường ngày nay, các hiệu quả này đạtđược nhờ vào bộ phận móng tường trải rộng liên kết vào tường quacốt thép (Hình 1.8).Hình 1.8: Tường chân thoải và tường có móng chân tường có khả năng chốnglại sự lật đổ, trong khi phân bố tải trọng lên một diện tích lớn hơn ở chân.Trong các công trình nhiều tầng, các tường chòu lực phải chòu tảitrọng không chỉ của sàn bên trên nó (và tải trọng bản thân) mà còncủa tất cả các sàn và tường bên trên cộng lại. Vì tải trọng cộng dồn,gia tăng về phía dưới công trình nên bề dày của tường ở thấp hơncũng phải gia tăng. Hơn nữa, trình tự thi công trở nên phức tạp khinhà nhiều tầng sử dụng tường chòu lực, vì ở mỗi tầng, việc xây dựngtường lại bò gián đoạn khi sàn được thi công. Vì những lý do này,các công trình hiện đại thường sử dụng khung kết cấu (hệ cột vàdầm) để chòu tải trọng cho tường và sàn bên trên hơn là tường chòulực.Một ngoại lệ là việc sử dụng kết hợp tường gạch chòu lực và tấmbê-tông tiền chế. Theo kiểu này, người thợ vừa xây dựng tường vừalắp dựng các bản bê-tông, giúp cho phương thức thi công này trởnên một lựa chọn kinh tế và mau chóng đối với công trình nhà ở,khách sạn nhiều tầng.MỘT SỐ ĐIỂM VỀ KẾT CẤUTường chòu lực thích hợp nhất khi tải trọng phân bố tương đối đồngđều. Khi các tải trọng tập trung, chúng sinh ra vùng ứng suất néncục bộ cao.Trụ liền tường là một bộ phận có bề dày gia tăng trong một bứctường chòu lực chòu tác dụng của tải trọng tập trung. Nó có tác dụngnhư một cột nằm trong tường. Các lỗ cửa trong tường chòu lực tạo ranhững vùng ứng suất nén cao cục bộ ở hai bên của lỗ cửa (Hình1.9).Hình 1.9: Những ảnh hưởng của sự phân bố tải trọng đến sự tập trung ứngsuất trong tường chòu lực. Trụ liền tường có tác dụng như một cột nằm trongtường để nhận tải trọng tập trung.Vì tường chòu lực chòu tải trọng nén thẳng đứng và có bề dày tươngđối mảnh so với chiều cao của nó, nó có thể uốn cong (giống nhưcột). Các tường xây gạch mỏng khi uốn cong sẽ bò phá hỏng vì gạchvốn chòu kéo rất kém. Trụ liền tường được sử dụng sẽ gia cố tườngchống lại biến dạng uốn cong mà không cần gia tăng bề dày củatoàn bộ bức tường. Một cách khác, tường có thể được gia cườngbằng cách được xây thành hai lớp nối với nhau thông qua các trụ,tạo nên bức tường giống như cột tiết diện chữ H. Các sườn ở giữagiúp chống lại lực cắt vì mỗi bức tường mỏng chòu uốn cong độc lậpnhau (Hình 1.10).Hình 1.10: Mô hình cho thấy ảnh hưởng của sự tập trung tải trọng trongtường chòu lực: (a) biến dạng cục bộ dưới tải trọng tập trung từ dầm, (b) trụ liềntường có tiết diện gia tăng làm giảm ứng suất, và (c) tường hai lớp với các trụcứng ở giữa chống lại biến dạng oằn.Hệ tường chòu lực song songHệ tường chòu lực song song thường được sử dụng cho công trìnhnhà ở gia đình. Chúng không chỉ chòu lực chính cho sàn, mái mà còngiúp cách âm và cách li hỏa hoạn giữa các nhà. Mặt bằng của hệtường chòu lực song song đặc biệt phù hợp đối với các dãy nhà phố.Sự ổn đònh phương ngangTường sẽ đổ ngã khi hợp của tất cả các lực theo phương ngang vàphương đứng rơi ra ngoài mặt chân đế của tường. Nếu tường khôngchòu kéo (nếu bức tường xây gạch không được gia cường), thì hợplực càng cần phải nằm trong vùng một phần ba giữa của tiết diệntường tại bất kỳ cao độ nào.Bề dày tường lớn hơn sẽ gia tăng sự ổn đònh phương ngang. Tuynhiên, một cách khác hữu hiệu hơn là thay đổi hình thức mặt bằngcủa tường. Tường có thêm các mặt vuông góc sẽ được giằng và giacường rất lớn sự ổn đònh phương ngang. Hiệu quả này đạt được bằngcách giao tường vuông góc hoặc uốn cong tường trên mặt bằng(Hình 1.11 và 1.12).Hình 1.11: Minh họa sự thay đổi hình thức mặt bằng để gia tăng sự ổn đònhtrước lực xô ngang trong tường chòu lực: (a) một tấm bìa tượng trưng cho tườngkhông ổn đònh trước lực xô ngang, nhưng (b) tấm bìa được gấp lại tạo ra góc vuôngthì ổn đònh.Hình 1.12: Một bức tường xây gạch uốn lượn (như thiết kế của ThomasJefferson tại Trường đại học Virgina) có hình dáng mặt bằng giúp đạt được sự ổnđònh trước lực xô ngang, cho phép nó được xây bằng một lớp gạch.2DẦM VÀ BẢN SÀNCác cấu kiện phương ngang gồm có dầm và bản sàn.DẦMDầm là một cấu kiện thẳng chòu tải trọng vuông góc với trục dài củanó; tải trọng như vậy được gọi là tải trọng uốn.phần vật liệu gần mặt cong lõm nhất (mặt trên) có khuynh hướngngắn lại, tạo nên ứng suất nén (cũng vậy song song với bề mặtdầm). Phần vật liệu ở trung tâm dầm không thay đổi chiều dài vàvẫn giữ trạng thái trung hòa (không bò kéo cũng không bò nén). Ứngsuất cực đại xảy ra tại hai mặt ngoài và giảm dần đến không tại trụctrung hòa (Hình 2.2 và 2.3).Biến dạng uốn là khuynh hướng của một cấu kiện bò cong xuống khinhận tải trọng vuông góc với trục dài nhất của nó. Biến dạng uốngây cho một mặt của cấu kiện bò kéo giãn (chòu kéo) và mặt đốidiện bò thu ngắn lại (chòu nén). Và vì các ứng suất kéo và nén xảyra cùng nhau, nên ứng suất cắt cũng xảy ra.Dầm là một ví dụ chung nhất của một cấu kiện chòu uốn. Nó là giảipháp tốt nhất cho bài toán kết cấu về việc truyền tải trọng theophương ngang đến các cấu kiện chòu lực (Hình 2.1).ỨNG SUẤT DẦMXét ví dụ, một dầm đơn giản được đỡ chòu tại hai đầu và nhận tảitrọng ở giữa. Tải trọng tác động (và tải trọng bản thân của dầm) gâycho dầm bò biến dạng cong. Khi dầm cong, phần vật liệu gần mặtcong lồi nhất của dầm (mặt dưới trong trường hợp này) có khuynhhướng bò kéo giãn, tạo nên ứng suất kéo song song với mặt dầm;Hình 2.1: Một dầm được đỡ chòu đơn giản bò võng dưới tải trọng. Mặt trêndầm nén lại, và mặt dưới giãn ra, trung tâm dầm vẫn giữ nguyên chiều dài.Hình 2.3: Các ứng suất kéo và nén trong một dầm được đỡ chòu đơn giản.là đường cong và giao cắt nhau (Hình 2.4). Khi các đường ứng suấtkéo và nén giao cắt, chúng luôn vuông góc nhau. Khoảng cách giữacác đường đồng ứng suất biểu thò mức độ tập trung ứng suất tại vùngđó (khoảng cách gần nhau có nghóa sự tập trung ứng suất cao).Vật liệuHình 2.2: Mô hình minh họa ứng suất nén và kéo và sự biến dạng trong dầm.Đường đồng ứng suấtNếu nói đơn giản hóa, biến dạng kéo xảy ra ở phần dưới và nén ởphần trên của một dầm đơn giản. Nhưng thực tế, các đường ứng suấtVật liệu tốt nhất dành cho dầm là loại có cường độ chòu kéo và néntương đương nhau. Gỗ và thép là những vật liệu tốt để làm dầm nhờvào đặc điểm này. Đá tự nhiên, bê-tông và gạch xây là những vậtliệu chòu nén tương đối cao nhưng lại chòu kéo kém. Vì vậy, cácdầm đá được tìm thấy ở những đền thờ Hy Lạp cổ đại chỉ có thểvượt những khoảng ngắn và khá dày so với sức chòu của chúng.Hình 2.4: Các đường đồng ứng suất trong dầm: (a) gối tựa hai đầu, và (b) gốitựa ở giữa. Các điểm cần để ý: khi các đường này giao nhau, chúng luôn vuông góc;các đường đồng ứng suất nén và kéo là đối xứng; khoảng cách gần nhau giữa cácđường cong biểu thò sự tập trung tương đối của ứng suất.Hình 2.5: Biến dạng uốn trong dầm bê-tông không có và có lõi thép gia cường.Sự gia cường sức chòu kéoDầm bê-tông ứng lực trước và dầm bê-tông căng sauSức chòu kéo của bê-tông quá thấp, đến nỗi nó không bao giờ đượctính đến trong thiết kế kết cấu. Các dầm bê-tông phải được giacường bằng thép để không bò nứt do chòu kéo. Vì mục đích của cácthanh thép gia cường trong dầm là để chòu ứng suất kéo, chúng luônđược bố trí tại mặt cong lồi của dầm (Hình 2.5).Ngay cả khi được gia cường bằng thanh thép bên trong, các vết nứtnhỏ do chòu kéo vẫn xảy ra tại mặt cong lồi của dầm. Lý do là thépphải bắt đầu giãn ra trước khi nó có thể làm việc chống lại biếndạng võng―thực chất, một chút biến dạng võng phải xảy ra để chosức bền kéo của thép có tác dụng. Điều này có thể được khắc phụcbằng cách kéo giãn (ứng lực trước) thép khi nó được bố trí trongkhuôn dầm trước khi đổ bê-tông và duy trì trạng thái chòu kéo đótrong khi bê-tông đông cứng. Khi các lực kéo tại hai đầu thép thôikhông tác dụng, thép co lại gây cho các vật liệu chung quanh nó bònén (Hình 2.6).Các nội lực nén và kéo đối lập trong dầm hình thành mô-men khángchòu. Nếu khoảng cách giữa các nội lực này là nhỏ (như trong trườnghợp dầm thấp) thì chúng phải có giá trò lớn để hình thành nên mômen chống lại biến dạng võng cần thiết. Nếu khoảng cách giữa cácnội lực này lớn (như trong trường hợp dầm cao) thì chúng có thể cógiá trò nhỏ và vẫn hình thành nên mô-men kháng chòu thỏa yêu cầu.Bởi vì các ứng suất kéo và nén xảy ra ở mặt dưới và mặt trên củamột dầm song song nhưng ngược chiều nhau, chúng gây ra các lựccắt dọc theo chiều dài của dầm. (Hình 2.9).Hình 2.6: Dầm bê-tông ứng lực trước: (a) dây cáp cường độ cao được kéocăng giữa hai bệ sử dụng kích thủy lực; (b) bê-tông được đổ bao quanh dây cápcăng trước và đông cứng; và (c) sau khi bê-tông đã cứng, dây cáp được cắt. Nếudây cáp được đặt ở phần dưới của dầm, việc cắt dây cáp có hiệu quả như tácđộng lực nén vào hai đầu của dầm tại vò trí này. Điều này gây cho dầm cong lên, tạora độ cong vồng bù lại biến dạng võng (d), xảy ra khi dầm nhận tải trọng phươngđứng.Cách khác, thép gia cường có thể được căng sau―bằng cách lắpbên trong khối bê-tông các ống bao rỗng sao cho thép và bê-tôngkhông kết dính. Sau khi bê-tông đông cứng, thép được kéo căng, tạora sự căng sau (hiệu quả tương tự như sự ứng lực trước) (Hình 2.7 và2.8).Hình 2.7: Dầm bê-tông căng sau: (a) khuôn dầm được thi công, các ống baorỗng có đặt dây cáp chưa căng được đưa vào vò trí, và bê-tông được đổ baoquanh ống bao; (b) sau khi bê-tông đã cứng, dây cáp được kéo căng bằng kích tạihai đầu dầm; và (c) sau khi khuôn dầm và kích được tháo đi, dây cáp được giữnguyên bằng các neo cố đònh tại hai đầu.ỨNG SUẤT CẮT TRONG DẦMSức kháng chòu đối với lực cắt này cần thiết để chống lại biến dạngvõng của dầm. So sánh một dầm đặc với một dầm có cùng kíchthước được hợp thành từ nhiều đoạn cắt mỏng cùng vật liệu ghéplại. Khi chòu tải trọng giống nhau, các đoạn cắt nhỏ có khuynhhướng trượt và làm cho dầm bò biến dạng nhiều hơn so với dầm đặc.Đây là lý do mà một dầm gỗ gồm nhiều tấm gỗ được dán dính lạivới nhau thì chắc hơn nhiều so với dầm gồm nhiều tấm gỗ như vậynhưng không được dán dính (Hình 2.10). Trước khi có sự ra đời củacác loại keo dán hiệu quả, các khóa được dùng để chống lại sự trượtmặt do lực cắt giữa các tấm gỗ của một dầm gỗ nhiều lớp (Hình2.11).Hình 2.8: Mô hình minh họa sự so sánh các dầm bê-tông không có cốt thép,có cốt thép gia cường, và ứng lực trước.Các lực cắt này có khuynh hướng làm biến dạng tiết diện hìnhvuông của dầm thành hình bình hành với các lực kéo và nén tươngứng phát sinh dọc theo hai đường chéo. Điều này gây cho dầm làmviệc trong trạng thái giống như một dàn (Hình 2.12 và 2.13).Hình 2.9: Mô hình minh họa ứng suất cắt cục bộ theo phương đứng và phươngngang trong dầm.ĐỘ VÕNGCác đặc điểm ảnh hưởng đến độ võng của một dầm đơn giản baogồm khoảng vượt, chiều cao và chiều rộng, vật liệu, điểm đặt tảitrọng, hình thức tiết diện ngang, và hình dáng dầm theo chiều dài.Hình 2.11: Dầm gỗ ghép, có các khóa gỗ giúp các lớp không trượt mặt nhau.Hình 2.10: Mô hình minh họa cách thức sức bền chống lại ứng suất cắt ngangtrong dầm ngăn cho nó không làm việc như những lớp độc lập.Hình 2.13: (a) Dầm gỗ hỗn hợp làm việc như dàn để chống lại ứng suất cắtngang giữa các thanh cánh thượng và hạ. Hình thức này được thay thế bằng (b)dầm ván ép.Hình 2.12: Mô hình minh họa sự làm việc kiểu dàn để chống lại biến dạng uốn ởđoạn giữa dầm.Khoảng vượtĐộ võng của dầm gia tăng nhanh chóng theo lập phương khoảngvượt của nó. Nếu khoảng vượt tăng gấp đôi, độ võng tăng theo hệsố 8 (Hình 2.14).Hình 2.14: Sự ảnh hưởng của khoảng vượt đến độ võng. Độ võng gia tăngtheo lập phương sự thay đổi của khoảng vượt.Chiều cao và chiều rộngĐộ võng của một dầm hình chữ nhật thay đổi theo các kích thướctiết diện ngang của nó. Độ võng thay đổi tỉ lệ nghòch với kích thướccạnh ngang. Chiều rộng tăng gấp đôi sẽ làm giảm độ võng còn mộtnửa; chiều rộng tăng gấp ba sẽ làm giảm độ võng còn một phần ba.Sự thay đổi chiều cao làm giảm độ võng nhiều hơn nữa. Độ võngthay đổi tỉ lệ nghòch với lập phương chiều cao. Chiều cao tăng gấpđôi sẽ làm giảm độ võng theo hệ số 8. Do vậy, dầm sẽ được giacường hiệu quả hơn khi được thêm vật liệu theo cạnh chiều cao hơnlà theo cạnh chiều ngang (Hình 2.15).Hình 2.16: Sự ảnh hưởng của sức bền vật liệu đến độ võng của dầm. Độ võngthay đổi tỉ lệ nghòch với mô-đun đàn hồi của vật liệu.Hình 2.15: Sự ảnh hưởng của chiều cao và chiều rộng đến độ võng của dầm.Độ võng thay đổi tỉ lệ nghòch với sự thay đổi chiều rộng và theo lập phương sựthay đổi chiều cao.Sức bền vật liệuVới những dầm có kích thước giống nhau, độ võng thay đổi tỉ lệnghòch với mô-đun đàn hồi của vật liệu (Hình 2.16). Một dầm bằngnhôm sẽ võng nhiều hơn gấp ba lần so với dầm tương tự bằng thép(có mô-đun đàn hồi cao hơn gấp ba lần so với vật liệu nhôm).Điểm đặt tải trọngĐộ võng tại trung điểm dầm chòu ảnh hưởng bởi điểm đặt của tảitrọng, và gia tăng khi tải trọng di chuyển từ gối tựa vào trung điểmdầm (Hình 2.17).Hình 2.17: Sự ảnh hưởng của điểm đặt tải trọng đến độ võng của dầm. Độvõng gia tăng khi tải trọng đến gần trung điểm.Hình thức tiết diện ngangMột vấn đề đối với dầm là sự thiếu tải cho phần vật liệu gần trungtâm tiết diện ngang của dầm. Như đã đề cập, các nội lực kéo và nénlớn nhất trong dầm bò võng xảy ra tại những phần vật liệu ngoàicùng nhất, và giảm dần đến không tại trung tâm (trục trung hòa).Nếu dầm có tiết diện ngang đều đặn (ví dụ như hình chữ nhật),nhiều phần vật liệu gần trục trung hòa ở giữa có thể bỏ đi mà khôngảnh hưởng đến sức bền võng chung của dầm. Nói cách khác, sựphân bố một phần lớn vật liệu xa trục trung hòa nhất trong sự làmviệc của dầm sẽ làm gia tăng sức bền võng. Do vậy, các tiết diệnngang có phần lớn lượng vật liệu xa trục trung hòa nhất (như hìnhhộp hay chữ I) là hiệu quả nhất. Vì tiết diện chữ I dễ chế tạo hơn sovới tiết diện hình hộp, tiết diện hình I bản rộng trở nên là lựa chọntối ưu cho các cấu trúc dầm thép hiện nay (Hình 2.18).không cần chiều cao dầm để chống lại mô-men; tại điểm này, yêucầu về sức bền cắt quyết đònh chiều cao dầm (Hình 2.19).Hình 2.18: Các hình thức thích hợp cho dầm gỗ và dầm thép (và các vật liệukhác có sức bền nén và kéo tương đương). Sức bền uốn gia tăng khi vật liệu đượcphân bố xa trục trung hòa tối đa mà vẫn đảm bảo sự làm việc như một dầm duynhất. Ví dụ, mục đích của bản đứng trong dầm thép hình bản rộng là để tách xa haibản cánh thượng và hạ (hai bản tạo ra hầu hết sức bền chòu ứng suất nén và kéo)và để tạo ra sức bền cắt phương ngang cần thiết giúp hai bản cánh thượng và hạkhông trượt nhau.Hình dáng dầm theo chiều dàiGiống như tiết diện ngang của dầm được tối ưu hóa bằng cách giatăng tối đa vật liệu ở các cạnh trên và dưới, hình dáng dầm theochiều dài cũng có thể được tối ưu hóa bằng cách gia tăng chiều caocủa dầm tại điểm mà mô-men uốn lớn nhất xảy ra dọc theo chiềudài dầm. Với một dầm được đỡ chòu đơn giản nhận tải phân bố đềudọc trục, chiều cao dầm lớn nhất tối ưu là tại trung điểm khoảngvượt, và giảm dần về phía hai đầu. Mô-men tại hai gối tựa đầu dầmbằng không (giả đònh liên kết khớp cố đònh hoặc di động), thế nênHình 2.19: Mô hình minh họa sự so sánh sức bền uốn của các hình dáng dầmkhác nhau theo chiều dài. Tổng lượng vật liệu trong các dầm và tải trọng tác độnglà như nhau. Dầm (c) võng ít nhất do vật liệu tập trung ở trung điểm dầm, nơi mômen uốn lớn nhấtDầm VierendeelMột cách để giảm lượng vật liệu tại trung tâm dầm là làm mỏng đithân dàn (Hình 2.18). Một cách khác nữa là tạo lỗ rỗng trên thândầm, chừa lại các thanh liên kết các thanh cánh thượng và hạ. Nếucác lỗ rỗng hình tam giác, dầm làm việc như một dàn sử dụng hìnhhọc tam giác, không chỉ nhằm tách các thanh biên mà còn để tạođược sức bền cắt. Các thanh bụng chỉ thẳng đứng cũng có thể đượcdùng để tạo ra khoảng cách cần thiết cho các thanh biên, nhưng nếuđể chống lại ứng suất cắt ngang giữa các thanh biên dàn thì các liênkết giữa thanh bụng thẳng đứng và biên dàn phải cố đònh để tránhcác hình chữ nhật bò biến đổi thành hình bình hành bởi ứng suất cắt.(Nhờ sự ổn đònh hình học của hình tam giác, liên kết trong dàn cóthể là khớp.) Được gọi tên là dầm Vierendeel (thỉnh thoảng bò gọisai là dàn Vierendeel), đây là một hình thức kết cấu tương đối kémhiệu quả (so sánh với dàn tổ hợp tam giác). Các lỗ trống hình chữnhật được tạo ra có thể phù hợp với những mục đích khác như làkhoảng không cho đường ống hay đường dây kỹ thuật (Hình 2.20).DẦM CHÌA (CÔNG-XON)∗Dầm chìa là một bộ phận liên kết cố đònh với gối tựa chỉ ở một đầuvà nhận tải trọng gây uốn cong vuông góc với trục.Sự phân bố ứng suấtNhững hiểu biết ban đầu về sự làm việc của dầm được bổ sung nhờvào nghiên cứu của Galileo vào năm 1638, khi ông đưa ra giả thuyếtcho việc tìm hiểu sự uốn cong của một dầm chìa. Ông đã ngộ nhậnrằng tất cả vật liệu chòu ứng suất kéo đồng đều và rằng ứng suấtnén không có ảnh hưởng gì đến sự võng của dầm (Hình 2.21).Khoảng 50 năm sau đó, nhà vật lý người Pháp Edme Mariotte đưara kết luận đúng đắn rằng phần nửa trên của dầm chòu ứng suất kéovà nửa dưới chòu ứng suất nén. Như thế, ứng suất trong dầm chìacũng giống như trong dầm đơn giản, chỉ khác là chúng ngược chiềunhau.Mô-men cực đại xảy ra gần điểm tựa (gốc) bởi vì cánh tay đòn mômen (khoảng cách đến tải trọng ở đầu) là lớn nhất tại đó. Và nếudầm có tiết diện ngang như nhau suốt chiều dài của nó thì chính tạiđây ứng suất uốn cực đại xảy ra. Phần chiều dài còn lại của dầm cóứng suất giảm dần khi khoảng cách đến tải trọng giảm. Vì hầu hếtvật liệu trong dầm làm việc thiếu tải, hình thức tiết diện ngang đồngnhất là không hợp lý. Để hữu dụng nhất, chiều cao dầm nên giảmdần để ứng suất uốn giữ không thay đổi (Hình 2.22 và 2.23).ĐỘ VÕNG CỦA DẦM CHÌAHình 2.20: Mô hình minh họa sự so sánh một dàn tổ hợp tam giác (bất biếnhình với các liên kết khớp) với dầm Vierendeel (biến hình với các liên kết khớp, bấtbiến hình với các liên kết cố đònh).Độ võng của dầm chìa chòu ảnh hưởng bởi chiều dài, chiều cao vàchiều rộng, vật liệu, điểm đặt tải trọng, và hình thức tiết diện ngang,Tiếng Anh: cantilevertheo kiểu cách và mức độ giống như một dầm đơn giản. Dầm chìalàm việc giống như một nửa dầm được chòu hai đầu đơn giản lậtngược (xem Hình 2.14 đến 2.17).Hình 2.21: Thí nghiệm của Galileo về biến dạng uốn trong dầm chìa.Hình 2.23: Cây cọ, cột cờ, cột buồm không có giằng là những ví dụ của dầmchìa phương đứng với liên kết cứng tại chân. Để ý rắng, tất cả đều có dáng thuônnhỏ ở đầu, vốn là hình dáng hợp lý nhất của dầm chìa.DẦM CHÌA SO SÁNH VỚI DẦM VƯƠN NGOÀI∗Thuật ngữ dầm chìa thỉnh thoảng được dùng sai để gọi hình thứcdầm vươn ngoài điểm gối tựa (khớp) xa nhất; nó khác dầm chìa ởđặc điểm điểm gối tựa cuối không cố đònh, và do đó, tự do quay khibăng ngang qua cột (Hình 2.24).Hình 2.22: Vì mô-men uốn trong một dầm chìa nhận tải trọng tại đầu giatăng theo khoảng cách đến điểm tựa, chiều cao dầm cần thiết lớn nhất là tại điểmtựa và nhỏ nhất tại đầu tự do. Đây là hình dáng thích hợp nhất cho dầm chìa, vìứng suất uốn sẽ tương đối đồng đều dọc chiều dài dầm.DẦM LIÊN TỤCDầm liên tục là một dầm đơn giản vượt qua nhiều điểm tựa. Nókhác với một chuỗi dầm đơn giản tương tự được chòu hai đầu (HìnhTiếng Anh: overhanging beam2.25). Khi một dầm liên trục vượt qua một điểm tựa, nó sinh ra ứngsuấtTrong một dầm liên tục (Hình 2.25), đường cong biến dạng thay đổitừ đường cong lồi (băng trên điểm tựa) sang cong lõm (trung điểmkhoảng vượt). Tại điểm uốn (điểm thay đổi chiều đường cong), mômen giảm bằng không và không có biến dạng uốn. Vì vậy, liên kếtkhớp có thể được thêm vào dầm tại điểm uốn mà không dẫn đến sựthay đổi trong sự làm việc kết cấu. Dầm liên tục khi đó trở nên mộtsự kết hợp nhiều dầm đơn giản vượt khoảng ngắn tựa trên các đầucủa những dầm vươn ngoài. Vì nhòp tính toán nhỏ đi, dầm giữa cóthể có tiết diện ngang nhỏ hơn nhiều so với dầm được chòu ở haiđiểm tựa. Dầm như thế được gọi theo tên của một kỹ sư người ĐứcHeinrich Gerber, người áp dụng nó đầu tiên (Hình 2.26).Hình 2.24: Sự so sánh dầm chìa và dầm vươn ngoài. Dầm vươn ngoài võngnhiều hơn dầm chìa do nó có thể quay tại điểm liên kết đơn giản (bên trái). Nếu điểmgối tựa của dầm vươn ngoài là cứng thì độ võng của nó giống như của dầm chìa.kéo ở mặt trên, ứng suất nén mặt dưới, và đường cong biến dạng làđường cong lồi. Tại khoảng giữa dầm, sự làm việc ngược lại: ứngsuất kéo suất hiện ở mặt dưới, ứng suất nén mặt trên, và đườngcong biến dạng lõm xuống. Các mô-men uốn cực đại xảy ra ở điểmvượt qua điểm tựa và ở trung điểm khoảng vượt; tuy nhiên, mô-menở cả hai vò trí này đều nhỏ hơn mô-men cực đại (tại trung điểm) củamột dầm đơn giản được chòu hai đầu. Vì lý do đó, dầm liên tục cóthể có tiết diện ngang nhỏ hơn so với dầm đơn giản tương tự đượcchòu hai đầu và thường được sử dụng nhiều hơn để tiết kiệm chi phíxây dựng.Dầm GerberHình 2.25: Sự so sánh (a) dầm liên tục và (b) các dầm được đỡ chòu đơn giảncùng kích thước. Mô-men uốn lớn nhất tại vò trí dầm cong nhiều nhất. Trong dầm liêntục, không có mô-men tại điểm uốn—vò trí đường cong lồi chuyển thành đường conglõm.Hình 2.26: Dầm Gerber có liên kết khớp tại điểm uốn, giúp cho chiều dài giữahai đầu của các dầm vươn ngoài ngắn hơn; tiết diện ngang của dầm ở giữa có thểgiảm đáng kể. (a) Đường cong biến dạng uốn của một dầm liên tục cho thấy cácđiểm uốn, và (b) dầm Gerber với liên kết khớp tại những điểm uốn.HỆ DẦM GIAO HAI PHƯƠNGHệ dầm giao hai phương (hệ dầm hai phương) có các dầm vượt theohai phương và các dầm theo phương này giao cắt với các dầmphương kia. Một hệ dầm hai phương tiêu biểu được chòu ở bốn cạnhcủa một mặt bằng gần hình vuông, và khi đó chiều cao dầm có thểnhỏ hơn so với trong trường hợp hệ vượt một phương tương ứng.Trong một hệ dầm hai phương, mỗi dầm riêng lẻ nói chung sẽ đượcchòu một phần bởi các dầm giao nhau vuông góc. Khi có tải trọngtập trung đặt tại giao điểm của hai dầm trong một hệ, cả hai dầm bòvõng, cùng với các dầm lân cận. Hơn nữa trong biến dạng uốn này,sự tác động lẫn nhau dẫn đến các dầm liền kề bò xoắn. Điều nàyxảy ra do các dầm vuông góc liên kết cố đònh với nhau (Hình 2.27).Hình 2.27: Biến dạng của một hệ dầm giao hai phương dưới tác động của tảitrọng tập trung.Các dầm trong một hệ cần thiết giao nhau, và tính liên tục của cả hệđảm bảo sự làm việc chòu uốn hai phương này. Một số loại vật liệucho phép hệ dầm làm việc trong đặc điểm này dễ dàng hơn so vớinhững loại khác. Bê-tông cốt thép dễ dàng hình thành nên hệ dầm,với yêu cầu các lõi thép gia cường băng liên tục qua các điểm giaonhau. Các dầm thép hộp có thể được hàn với nhau tại giao điểm đểtạo được tính liên tục cần thiết của hệ. Các dầm gỗ lại khác, phảikhông liên tục (ít nhất là trong một phương) tại những giao điểm, vàdo đó vẫn luôn không thích hợp cho hệ dầm hai phương.SÀNSàn là một bộ phận chòu uốn phân bố tải trọng theo một hoặc nhiềuphương trong một mặt nằm ngang. Tính chòu uốn của sàn giống nhưdầm, mặc dù vậy nó khác với một chuỗi dầm độc lập được xếp liêntục tương đương. Khi có một tải trọng tập trung tác động lên chuỗidầm như thế, chỉ dầm nào nhận lực bò uốn võng.Nhưng vì các dầm đỡ sàn được liên kết và làm việc cùng nhau, khimột tải trọng tác động tại một điểm, những phần sàn kế cận sẽ cùngkháng lại biến dạng võng. Tải trọng được phân bố theo phươngngang trong bản sàn nhờ vào sức bền cắt giữa phần nhận lực vànhững phần kề cận. Do vậy, việc nhận tải trọng tập trung sẽ gâynên biến dạng uốn cục bộ vuông góc với phương khoảng vượt chính,dẫn đến hiện tượng xoắn trong sàn (Hình 2.28).cận bò xoắn do tác dụng của ứng suất cắt. (d) Vì đặc điểm này, bản sàn bò võngtheo hai phương, và do vậy, cứng hơn (đối với một bề dày nhất đònh) so với mộtchuỗi dầm độc lập.Sàn tốt nhất được cấu tạo bằng bê-tông cốt thép. Tuy vậy, sự làmviệc của sàn có thể được đáp ứng bằng những loại vật liệu khác,đặc biệt là gỗ.CÁC HÌNH THỨC SÀNDầm thường được phân loại theo đặc điểm của hệ chòu lực gây nênbiến dạng võng khác nhau cho sàn (Hình 2.29).Sàn một phương và sàn hai phươngSàn một phương được chòu liên tục bởi hai bộ phận chòu lực songsong (dầm hay tường) và chống lại biến dạng uốn chủ yếu theo mộtphương. Sàn hai phương được chòu liên tục ở bốn cạnh (bởi dầmhoặc tường) và chống lại biến dạng uốn theo cả hai phương. Sàn haiphương cứng chắc hơn (và có thể mỏng hơn) so với sàn một phươngtương ứng. Sàn hai phương thích hợp nhất khi khoảng cách các bộphận chòu lực sàn tương đối đồng đều (hợp thành hình vuông).Sàn phẳng (sàn không dầm)Hình 2.28: Sự so sánh của một sàn gồm một chuỗi dầm độc lập. (a) Mộtchuỗi dầm dưới tác động của tải trọng tập trung―Để ý rằng, chỉ có dầm nhận lựcbò võng vì nó trượt qua giữa các dầm kề cận. (b) Trong một bản sàn, các vùng kềcận được liên kết với phần nhận tải trọng và cùng chòu biến dạng. (c) Các phần kềCác sàn được chòu chỉ tại các điểm bằng cột được gọi là sàn phẳng.Mặc dù có hình thức đơn giản, hệ sàn phẳng tạo ra sự tập trung ứngsuất cắt lớn chung quanh đầu cột làm cột có khuynh hướng đâmthủng sàn. Do đó, sàn phẳng bê-tông cốt thép phải được gia cườngchắc chắn. Tuy nhiên, chi phí thấp đi cho tấm khuôn và chiều caosàn-đến-sàn giảm bù lại hơn nhiều chi phí gia cường, sàn phẳng vẫnđược ưa dùng cho các công trình khoảng vượt ngắn. Cho một số thể

Tài liệu liên quan

• Sáng kiến kinh nghiệm Ngữ văn 7: Một cách tiếp cận văn bản
  • 7
  • 1
  • 22
• Tính điều khiển được hoàn toàn của hệ thống tuyến tính qua một cách tiếp cận hình học
  • 10
  • 467
  • 0
• Một cách tiếp cận những vấn đề cổ sử Việt Nam - Trương Thái Du Phần 3 pps
  • 7
  • 384
  • 4
• LÝ LUẬN VĂN HỌC: TỪ NHỮNG HỆ QUY CHIẾU BẤT BÌNH ĐẲNG ĐẾN MỘT CÁCH TIẾP CẬN TỔNG THỂ doc
  • 15
  • 530
  • 3
• Tiểu luận Tài chính công Phát riển con người, chi tiêu công và tăng trưởng kinh tế: Một cách tiếp cận động lực hệ thống
  • 20
  • 738
  • 1
• slide tài liệu này cung cấp cho bạn những kiến thức từ sơ bộ đến chi tiết đầu tư vàng
  • 58
  • 482
  • 0
• Những ảnh hưởng của các thay đổi chính sách tiền tệ lên lãi suất thị trường tại hy lạp một cách tiếp cận nghiên cứu sự kiện
  • 59
  • 1
  • 2
• Báo cáo một cách tiếp cận phát triển hệ thống đào tạo trực tuyến trên công nghệ portal
  • 8
  • 269
  • 0
• HƯỚNG TỚI MỘT CÁCH TIẾP CẬN HỆ THỐNG ðỐI VỚI CẢI CÁCH GIÁO DỤC ðẠI HỌC Ở VIỆT NAM
  • 148
  • 1
  • 0
• Một cách tiếp cận các đoạn trích truyện kiều trong chương trình ngữ văn 10 THPT
  • 28
  • 182
  • 0

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(28.49 MB - 119 trang) - Hệ chịu lực công trình kiến trúc (hệ chịu lực cấu tạo 3) Tải bản đầy đủ ngay ×