Định nghĩa về nội lực trong tính toán kết cấu: Trong vật liệu 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 bi
Trang 1Nội lực là gì?
Rất nhiều anh em kỹ sư không hiểu bản chất của nội lực là gì, vì vậy ở mục này tôi
sẽ trình bày cho bạn 1 định nghĩa chính xác về nội lực để bạn có thể hiểu sâu bản chất của từ khóa này
Định nghĩa về nội lực trong tính toán kết cấu:
Trong vật liệu 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 sự tương tác giữa các phần tử đó thay đổi, sự thay đổi tương tác đó gọi
là nội lực
Nội lực trong kết cấu bao gồm những gì?
Momen uốn M
Lực cắt Q
Lực dọc N
Momen xoắn Mt
Nội lực 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
Vâng, tôi biết bạn sẽ hỏi thế nào là kết cấu tĩnh định và thế nào là kết cấu siêu tĩnh phải không? Bạn yên tâm, bây giờ tôi sẽ làm rõ 2 khái niệm này cho bạn
Kết cấu 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
Các ví dụ về hệ tĩnh định
Trang 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, )
Các ví dụ về hệ siêu định
Trang 3 Như vậy là bạn đã hiểu rõ kết cấu tĩnh định và kết cấu siêu tĩnh là gì rồi phải không, nếu vẫn chưa hiểu bạn hãy đọc thêm sách về phần cơ học lý thuyết và cơ học kết cấu bạn của tôi nhé Bây giờ tôi sẽ tiếp tục trình bày về cách tính nội lực với 2 kiểu hệ kết cấu này
1.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
Trang 4 Và bên dưới tôi đã liệt kê cho bạn cách tính nội lực của các trường hợp hay
gặp
Trang 6 2.Kết cấu siêu tĩnh: Trong kết cấu siêu tĩnh tồn tại hai sơ đồ tính là sơ đồ đàn
hồi và sơ đồ déo Do đó tôi sẽ làm rõ 2 khái niệm về 2 sơ đồ này và cách tính tương ứng với 2 dạng sơ đồ trên để bạn có thể hiểu sâu bản chất của nó
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
Trang 7 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
Trang 8hệ 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 )
Nếu bạn muốn tìm hiểu sâu hơn về phương pháp tính cụ thể cho hệ kết cấu siêu tĩnh ở cả bài toán hệ phẳng và hệ không gian bạn có thể mua thêm giáo trình cơ học kết cấu tập 2 để nghiên cứu Còn nếu không có thời gian, thì bạn chỉ cần hiểu và phân biệt rõ các khái niệm ở trên là được vì bây giờ đã có sẵn các chương trình phần mềm tính toán kết cấu giúp bạn tính ra kết quả nội lực
mà không cần phải giải bằng tay như trước nữa
Trang 9Vậy trong thực tế nội lực được xác định như thế nào?
Ở mục trên, tôi đã giới thiệu rất sâu về phần lý thuyết tính toán nội lực cho hệ
khi tính toán công trình người ta sử dụng hệ nào và phương pháp nào Vì đa số hiện nay đều tính toán nội lực tự động bằng phần mềm ( như sap 2000, etabs, robot, )
Và đó cũng chính là lý do tôi sáng tạo ra bài viết này, để bạn không chỉ học 1 đống
lý thuyết xuông trong trường mà còn hiểu được bản chất sâu sa thực tế ngoài kia các chuyên gia đang tính toán nội lực như thế nào
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
Hiện nay khá nhiều phần mềm đã tích hợp phân tích phi tuyến cho động đất (SAP2000, MIDAS, ) (cả phương pháp phi tuyến động và phi tuyến )