TÍNH TOÁN NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU XÂY DỰNG
Trong thiết kế và thi công công trình xây dựng, tính toán nội lực trong kết cấu là một bước quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình. Nội lực là các lực và mô men tác động lên các bộ phận của kết cấu trong suốt quá trình sử dụng công trình. Việc tính toán nội lực chính xác sẽ giúp xác định các yếu tố như khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu, từ đó tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo sự bền vững của công trình.
Bài viết này sẽ đi sâu vào khái niệm về nội lực, các phương pháp tính toán nội lực trong kết cấu xây dựng và các yếu tố ảnh hưởng đến nội lực.
1. Khái niệm về nội lực trong kết cấu xây dựng
Nội lực trong kết cấu xây dựng là các lực và mô men tác động lên các bộ phận cấu trúc của công trình, như dầm, cột, sàn, tường, v.v. Các nội lực này được sinh ra khi công trình chịu tác động của các tải trọng (chẳng hạn như tải trọng người, vật liệu, gió, động đất, tải trọng phân bố đều hoặc tập trung), và chúng quyết định đến khả năng chịu lực, ổn định và độ bền của công trình.
Trong vật liệu xây dựng luôn có sự tương tác giữa các phần tử, dưới tác động của các yếu tố bên ngoài (trong quá trình chịu tải trọng hoặc do biến dạng cưỡng bức) thì làm cho kết cấu sự tương tác giữa các phần tử đó thay đổi, sự thay đổi tương tác đó gọi là nội lực.
Các loại nội lực cơ bản bao gồm:
1.1 Moment uốn (M)
Moment uốn là lực tác động vào kết cấu theo dạng xoắn, tạo ra sự uốn cong hoặc quay trong kết cấu. Moment uốn xuất hiện khi tải trọng tác động vào kết cấu lệch khỏi trục chính, tạo ra một sự chuyển động quay xung quanh một trục cố định.
-
Khi nào moment uốn xuất hiện?
Moment uốn thường xuất hiện khi dầm hoặc cột chịu tải trọng lệch tâm (tải trọng không đi qua trục của bộ phận kết cấu). Chẳng hạn, trong trường hợp dầm chịu tải trọng tập trung tại một điểm không phải là trung tâm của dầm, moment uốn sẽ xuất hiện để cân bằng tải trọng đó. -
Ảnh hưởng của moment uốn:
Moment uốn có thể gây ra các biến dạng uốn trong kết cấu. Nếu moment uốn vượt quá khả năng chịu lực của vật liệu, kết cấu sẽ bị uốn cong quá mức hoặc thậm chí gãy vỡ.
1.2 Lực cắt (Q)
Lực cắt là lực tác động vuông góc với trục của kết cấu và có xu hướng "cắt" kết cấu theo phương ngang. Lực cắt thường xuất hiện do sự kết hợp giữa các tải trọng phân bố đều và tập trung, và nó có vai trò quan trọng trong việc giữ sự ổn định cho kết cấu.
-
Khi nào lực cắt xuất hiện?
Lực cắt xuất hiện khi có sự thay đổi tải trọng hoặc sự không đồng đều trong phân bố tải trọng. Ví dụ, trong trường hợp một dầm chịu tải trọng tập trung tại một điểm, lực cắt sẽ xuất hiện tại các đầu của tải trọng và dọc theo chiều dài dầm, đặc biệt là tại các điểm gần vị trí hỗ trợ. -
Ảnh hưởng của lực cắt:
Lực cắt có thể gây nứt hoặc phá hủy vật liệu tại các điểm chịu lực cắt lớn, đặc biệt là khi kết cấu không đủ bền để chịu lực này.
1.3 Lực kéo (N) và lực nén (P)
Lực kéo và lực nén xuất hiện khi tải trọng tác động theo phương dọc trục của kết cấu, có thể làm tăng chiều dài (lực kéo) hoặc làm giảm chiều dài (lực nén) của kết cấu. Các lực này rất quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định của các bộ phận như cột, trụ và các dầm chịu tải trọng tổng hợp.
-
Lực kéo: Là lực làm giãn dài kết cấu, có thể gây ra sự kéo dài không mong muốn nếu không được kiểm soát.
-
Lực nén: Là lực làm co lại kết cấu, có thể dẫn đến hiện tượng nén lệch hoặc thậm chí gãy vỡ kết cấu nếu vượt quá khả năng chịu nén của vật liệu.
2. Tại sao cần phải tính toán nội lực trong kết cấu?
Việc tính toán nội lực trong kết cấu xây dựng rất quan trọng và có nhiều lý do để thực hiện. Các yếu tố sau giải thích tại sao việc tính toán nội lực là cần thiết:
2.1 Đảm bảo an toàn cho công trình
Mục tiêu quan trọng nhất của tính toán nội lực là đảm bảo sự an toàn cho công trình xây dựng. Các bộ phận kết cấu như dầm, cột, sàn phải chịu được các tải trọng mà chúng phải chịu trong suốt vòng đời sử dụng mà không bị hư hại, gãy vỡ hoặc biến dạng quá mức.
-
Ví dụ: Khi tính toán các nội lực trong một dầm, ta có thể xác định được lực cắt và moment uốn tại các điểm quan trọng. Nếu lực cắt và moment uốn vượt quá khả năng chịu lực của vật liệu, dầm sẽ bị gãy hoặc bị biến dạng không mong muốn, ảnh hưởng đến sự ổn định và an toàn của toàn bộ công trình.
2.2 Tối ưu hóa vật liệu và chi phí
Việc tính toán chính xác các nội lực giúp thiết kế các bộ phận kết cấu có kích thước và vật liệu phù hợp với yêu cầu chịu lực, tránh lãng phí vật liệu.
-
Ví dụ: Nếu tính toán đúng nội lực, bạn có thể giảm bớt số lượng thép trong kết cấu bê tông cốt thép mà vẫn đảm bảo được an toàn. Điều này giúp giảm chi phí xây dựng và tiết kiệm vật liệu mà không ảnh hưởng đến độ bền của công trình.
2.3 Đảm bảo tính bền vững và lâu dài
Công trình xây dựng cần phải duy trì tính bền vững trong suốt vòng đời sử dụng. Việc tính toán nội lực giúp dự đoán được các ứng suất và biến dạng có thể xảy ra dưới tải trọng thay đổi theo thời gian, từ đó đảm bảo rằng kết cấu không bị hư hỏng do các tác động bất ngờ hoặc lâu dài.
-
Ví dụ: Trong một công trình cao tầng, tải trọng thay đổi theo thời gian do sử dụng, thời tiết, hoặc các yếu tố môi trường. Tính toán nội lực giúp xác định được các lực tác động và biến dạng có thể xảy ra, từ đó giúp dự đoán và khắc phục các vấn đề về sự ổn định.
2.4 Đảm bảo sự ổn định trong điều kiện tải trọng bất thường
Một số công trình cần phải chịu tải trọng bất thường, chẳng hạn như tải trọng do động đất, gió lớn, hoặc các sự cố khác. Tính toán nội lực cho phép thiết kế các kết cấu có khả năng chịu được các tải trọng này mà không bị phá hủy.
-
Ví dụ: Tính toán nội lực trong các công trình chịu động đất giúp xác định được các vị trí yếu, từ đó thiết kế thêm các biện pháp gia cố để bảo vệ kết cấu khỏi các lực tác động mạnh từ động đất.
3. Nội lực kết cấu xây dựng được tính bằng phương pháp nào?
Cách tính toán nội lực phụ thuộc vào kết cấu mà ta đang tính toán là kết cấu tĩnh định hay kết siêu tĩnh.
3.1 Kết cấu xây dựng tĩnh định là gì?
Là hệ kết cấu khi chịu tải trọng ta có thể xác định được nội lực trong hệ chỉ bằng các điều kiện cân bằng tĩnh học. Hay bạn hiểu một cách đơn giản hơn là hệ chỉ cần dùng phương trình cân bằng là đủ để giải ra kết quả về nội lực.
3.2 Kết cấu siêu tĩnh là gì?
Là hệ kết cấu khi chịu tải trọng nếu chỉ sử dụng các điều kiện cân bằng tĩnh học không thôi thì chưa đủ để xác định nôi lực trong hệ. Đối với hệ kết cấu này ngoài các điều kiện về cân bằng tĩnh học ta còn phải sử dụng thêm các điều kiện động học và điều kiện vật lý khác để giải bài toán nội lực (ví dụ như chuyển vị hoặc biến dạng,…)
4. Cách tính nội lực với 2 kiểu hệ kết cấu
Kết cấu tĩnh định: Nội lực được xác định bằng cách dùng các sơ đồ trong môn học sức bền vật liệu hoặc cơ học kết cấu để giải,thông thường là dùng trực tiếp các công thức và biểu đồ lập sẵn cho các trường hợp tải trọng.
Kết cấu siêu tĩnh: Trong kết cấu siêu tĩnh tồn tại hai sơ đồ tính là sơ đồ đàn hồi và sơ đồ déo.
Sơ đồ đàn hồi: là sơ đồ kết cấu của một hệ kết cấu siêu tĩnh mà dưới tác dụng của tải trọng hay tác động (nhiệt độ, chuyển vị cưỡng bức,…) thì mọi phân tố, mọi tiết diện mọi miền vật liệu của hệ kết cấu đó đều làm việc trong giới hạn đàn hồi.
Sơ đồ dẻo:
-
Khi có sự gia tăng về cường độ tác dụng của tải trọng hay tác động tới mức tại một số vị trí tiết diện nào đó của hệ siêu tĩnh nói trên (thường là các vị trí có nội lực Mô men cực trị) vật liệu bắt đầu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi, trên miền chảy dẻo, các khớp dẻo đầu tiên bắt đầu hình thành, tại những khớp dẻo xuất hiện các chuyển vị xoay.
-
Cùng với đó là việc giảm bậc siêu tĩnh (số bậc siêu tĩnh suy giảm đúng bằng số khớp dẻo vừa hình thành)hệ kết cấu bị thay đổi thành một hệ khác ít siêu tĩnh hơn, đồng thời có sự phân bố lại nội lực do thay đổi sơ đồ kết cấu các giá trị Mô men cực trị lại xuất hiện tại những vị trí mới tương ứng với sơ đồ làm việc mới.
-
Nếu quá trình gia tăng tải trọng hay tác động còn tiếp tục thì các quá trình hình thành khớp dẻo tại những tiết diện chịu lực nguy hiểm còn tiếp tục xảy ra cùng với đó là các quá trình suy giảm bậc siêu tĩnh và phân bố lại nội lực cũng liên tục tiếp diễn, cho tới khi số bậc siêu tĩnh = 0 hệ kết cấu trở thành hệ tĩnh định chịu mức cường độ của tải trọng và tác động cực hạn làm những tiết diện có nội lực cực trị bắt đầu đạt tới giới hạn chảy nếu thêm nữa hệ sẽ trở nên một hệ biến hình. Trạng thái cực hạn của hệ kết cấu trên đó gọi là sơ đồ khớp dẻo.
-
Như vậy, sơ đồ khớp dẻo của một hệ kết cấu siêu tính chính là một hệ kết cấu tĩnh định suy biến từ hệ kết cấu siêu tĩnh gốc do xuất hiện đủ số lượng khớp dẻo tới hạn chịu tải trọng và tác động đến mức cực hạn.
-
Ưu điểm của sơ đồ khớp dẻo: tận dụng vật liệu tốt hơn (ra khỏi miền đàn hồi) tuy nhiên độ an toàn kém hơn (kết cấu giảm bậc siêu tĩnh) và biến dạng lớn hơn. Do vậy các kết cấu chính thường được yêu cầu làm việc đàn hồi các kết cấu phụ được cho phép làm việc dẻo.
-
Trong kết cấu bê tông cốt thép phá hoại dẻo sẽ xảy ra khi vùng bê tông chịu nén đạt đến cường độ chịu nén và cốt thép đạt đến cường độ chịu kéo (gần như đồng thời). Do đó tính theo sơ đồ dẻo sẽ tận dụng được khả năng chịu lực của cả cốt thép và của bê tông do đó tiết kiệm thép (vấn đề kinh tế).
5. Xác định nội lực
Cách xác định nội lực trong các phần mềm tính toán kết cấu. Trong bài toán giải nội lực khi tính toán kết cấu cho các công trình dưới dạng mô hình 3D. Các phần mềm tính toán kết cấu hiện nay thường sử dụng sơ đồ đàn hồi trong hệ kết cấu siêu tĩnh vì các lý do sau:
-
Các phần mềm chưa đủ mạnh để mô hình hóa sự hình thành khớp dẻo.
-
Đòi hỏi phải có đầy đủ thông số về cốt thép đặt trong cấu kiện mới phân tích được (chỉ làm được với bài toán kiểm tra không dùng được trong bài toán thiết kế).
Trong trường hợp thiết kế công trình có kể đến động đất (thiết kế kháng chấn) cần thiết phải kể đến sự hình thành khớp dẻo và có các phương pháp phân tích phi tuyến chuyên dùng cho việc này.
6. Giới thiệu đơn vị cung cấp dịch vụ tư vấn thiết kế & thi công uy tín
Tầm quan trọng của các đơn vị thi công là không thể phủ nhận, uy tín của họ sẽ đảm bảo chất lượng và tính thẩm mỹ cho công trình của bạn. Hiện nay, có rất nhiều đơn vị cung cấp dịch vụ thiết kế và thi công để đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày càng tăng cao tại nước ta. Do đó, việc tìm kiếm một đơn vị uy tín không phải là điều dễ dàng và đòi hỏi bạn phải dành thời gian tìm hiểu. Trong quá trình lựa chọn, bạn cần tìm hiểu thật kỹ và đảm bảo rằng đơn vị đi cùng phải có chuyên môn cao, nhiều năm kinh nghiệm, có hợp đồng ký kết rõ ràng, chi phí minh bạch,... Để giúp khách hàng tiết kiệm thời gian tìm kiếm, Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú tự tin rằng sẽ là sự lựa chọn tốt nhất dành cho bạn.
Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú với sứ mệnh cung cấp các giải pháp và dịch vụ tốt nhất, xây dựng cộng đồng thịnh vượng cùng khách hàng, Hưng Nghiệp Phú đang từng bước khẳng định thương hiệu của mình thông qua sự hợp tác chân thành, với đội ngũ lãnh đạo có năng lực đạo đức, sáng tạo, chuyên môn cao và tầm nhìn chiến lược. Hưng Nghiệp Phú sở hữu đội ngũ nhân viên lành nghề, trình độ cao sẽ mang đến cho khách hàng những công nghệ chất lượng tốt nhất.
Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú - chuyên thi công các công trình dân dụng và công nghiệp. Chúng tôi mong muốn được đồng hành cùng khách hàng trong các dự án xây dựng cũng như các thủ tục liên tục như sơ đồ quy hoạch, xin giấy phép xây dựng, hoàn thiện thủ tục, xin cấp chứng chỉ phòng cháy chữa cháy,... Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào hoặc đang có nhu cầu thiết kế, hoàn thiện thủ tục, hãy liên hệ ngay với chúng tôi để được tư vấn miễn phí!
>>> Xem thêm:
_____________________
THÔNG TIN LIÊN HỆ:
Facebook: Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú (興業富)
Đường dây nóng: 1800.3368 (Miễn phí)
Trang web: xaydunghungnghiepphu.com
Gmail: kinhdoanh01@xaydunghungnghiepphu.com
Địa chỉ: Số 2034D, tổ 22, Ấp Phước Thái, P. Thái Hòa, TP.Tân Uyên, Tỉnh Bình Dương
------
Nguồn: Tổng hợp từ Internet
