Giáo trình Kết cấu Công trình Cao đẳng: Chuyên ngành Xây dựng Cầu Đường

Giáo trình kết cấu công trình nghề xây dựng cầu đường trình độ cao đẳng cung cấp kiến thức chuyên sâu và kỹ năng thực tiễn cho sinh viên.

• Trường học: Trường Cao Đẳng Xây Dựng
• Chuyên ngành: Kết Cấu Công Trình
• Đề tài: Giáo Trình Kết Cấu Công Trình Nghề Xây Dựng Cầu Đường Trình Độ Cao Đẳng
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Giáo trình Kết cấu Công trình

Giáo trình Kết cấu Công trình là tài liệu học tập bắt buộc trong chương trình đào tạo cao đẳng ngành Xây dựng Cầu Đường. Giáo trình được biên soạn bởi các giáo viên khoa Công trình thuộc Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải Trung ương, nhằm trang bị kiến thức và kỹ năng tính toán kết cấu công trình cho sinh viên. Nội dung giáo trình bao gồm những vấn đề chung về kết cấu, các loại kết cấu chính như kết cấu gỗ, thép, và bê tông cốt thép. Đây là tài liệu chuẩn được ban hành theo Quyết định số 1955/QĐ-CĐGTVTTWI-ĐT ngày 21/12/2017, giúp thống nhất nội dung giảng dạy tại các cơ sở đào tạo.

1.1. Mục đích và ý nghĩa của giáo trình

Giáo trình kết cấu công trình được thiết kế để cung cấp kiến thức nền tảng về tính toán và thiết kế kết cấu cho sinh viên ngành xây dựng. Nó giải quyết vấn đề thiếu tài liệu giảng dạy chuẩn trong các cơ sở đào tạo, giúp giáo viên và học sinh có nguồn tham khảo đồng nhất. Giáo trình không chỉ cung cấp lý thuyết mà còn kết hợp kinh nghiệm giảng dạy thực tế của các chuyên gia ngành xây dựng.

1.2. Cấu trúc và nội dung chính

Giáo trình được chia thành 4 chương chính: Những vấn đề chung, Kết cấu gỗ, Kết cấu thép, và Kết cấu bê tông cốt thép. Mỗi chương trình bày chi tiết về đặc tính, tính chất và phương pháp tính toán của từng loại kết cấu. Nội dung được xây dựng dựa trên các tài liệu sẵn có trong nước và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

II. Khái niệm cơ bản về Kết cấu Xây dựng

Kết cấu xây dựng là các bộ phận chịu lực được thiết kế để đảm bảo độ bền, độ cứng và tính ổn định trong quá trình thi công và sử dụng. Kết cấu được tạo thành từ nhiều cấu kiện đơn giản, mỗi cấu kiện có những tính chất và đặc tính riêng. Khi nhà kỹ thuật đưa ra giải pháp kết cấu, ngoài yêu cầu kỹ thuật, nó còn phải đảm bảo về điều kiện kinh tế, tận dụng tài nguyên địa phương, và phù hợp với công nghệ chế tạo hiện đại. Hành vi của kết cấu trước các tác động như tải trọng, nhiệt độ, và thời gian là rất phức tạp, do đó ta cần phân tách thành các phần đơn giản để phân tích.

2.1. Định nghĩa cấu kiện và kết cấu

Cấu kiện là một phần tử chịu lực mà vai trò, đặc tính và tính chất có thể xác định một cách đơn giản, ví dụ: cấu kiện chịu nén, chịu uốn, chịu xoắn. Kết cấu là những bộ phận phức tạp được tạo thành từ các cấu kiện liên kết với nhau, sự làm việc của nó được xác định thông qua sự làm việc của từng cấu kiện thành phần, như kết cấu dàn mái hoặc khung bê tông cốt thép.

2.2. Phân loại vật liệu xây dựng

Giáo trình tập trung vào ba loại vật liệu chính: bê tông cốt thép, gỗ, và thép. Các vật liệu này được lựa chọn vì được sử dụng phổ biến nhất trong ngành xây dựng. Chương trình chia thành kết cấu gỗ, kết cấu thép, và kết cấu bê tông cốt thép, mỗi loại có những đặc điểm riêng về tính chất vật liệu và phương pháp tính toán.

III. Tải trọng và Nội lực trong Kết cấu

Tải trọng là những lực tác dụng lên kết cấu sinh ra trong quá trình sử dụng, chế tạo và vận chuyển. Các loại tải trọng được phân loại tuỳ theo tính chất tác dụng, theo quy định trong tiêu chuẩn TCVN 2737-1995. Hiểu rõ về tải trọng là cơ sở để xác định nội lực trong các cấu kiện, từ đó có thể tính toán và thiết kế kết cấu an toàn. Tải trọng có thể là tải trọng phân bố trên chiều dài hoặc diện tích với cường độ hằng số hoặc biến thiên, hoặc là tải trọng tập trung tác dụng tại một điểm. Mỗi loại tải trọng sẽ tạo ra những ảnh hưởng khác nhau đối với kết cấu.

3.1. Phân loại tải trọng theo phạm vi tác dụng

Tải trọng phân bố là tải trọng phân bố trên đơn vị chiều dài (dạng đều hoặc không đều, tính bằng daN/m hoặc KN/m) hoặc trên diện tích (tính bằng daN/m²). Tải trọng tập trung là tải trọng tác dụng trên một diện tích rất nhỏ (coi như điểm). Việc phân loại này giúp kỹ sư dễ dàng lập sơ đồ tính toán và xác định nội lực trong các cấu kiện.

3.2. Giá trị tiêu chuẩn và tính toán tải trọng

Tải trọng tiêu chuẩn là đặc trưng cơ bản của tải trọng, được xác định dựa trên các số liệu thống kê và khối lượng của các vật liệu xây dựng. Tải trọng tính toán được suy ra từ tải trọng tiêu chuẩn, được dùng để thiết kế kết cấu đảm bảo an toàn với hệ số an toàn thích hợp.

IV. Ứng dụng thực tế trong Xây dựng Cầu Đường

Trong ngành xây dựng cầu đường, kiến thức về kết cấu công trình là vô cùng quan trọng để đảm bảo chất lượng và độ bền của công trình. Các kỹ sư phải hiểu rõ về ứng xử của kết cấu trước các tác động như tải trọng phương tiện, lực gió, thay đổi nhiệt độ. Giáo trình này cung cấp những công cụ và kiến thức cần thiết để các kỹ thuật viên và sinh viên có thể phân tích, tính toán và đưa ra các giải pháp kết cấu hợp lý. Áp dụng đúng các nguyên lý trong giáo trình sẽ giúp xây dựng những công trình an toàn, kinh tế và phù hợp với điều kiện địa phương.

4.1. Các yêu cầu kỹ thuật cho kết cấu cầu đường

Kết cấu cầu đường phải đáp ứng các yêu cầu: độ bền (chịu các tác động lâu dài), độ cứng (hạn chế biến dạng), tính ổn định (không bị mất ổn định), và tính kinh tế (sử dụng vật liệu hợp lý, phù hợp với công nghệ chế tạo). Giáo trình cung cấp phương pháp để kiểm tra các điều kiện này thông qua tính toán ứng suất và biến dạng.

4.2. Phương pháp tiếp cận thiết kế kết cấu

Phương pháp thiết kế kết cấu cầu đường bắt đầu từ việc xác định tải trọng tác dụng, sau đó tính toán nội lực trong các cấu kiện bằng các phương pháp cơ học, cuối cùng kiểm tra ứng suất và biến dạng có nằm trong giới hạn cho phép. Giáo trình hướng dẫn chi tiết từng bước để sinh viên có thể thực hiện quy trình thiết kế một cách khoa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Những vấn đề chung. Chương 2:Kết cấu gỗ Chương 3: Kết cấu thép Chương 4: Kết cấu bê tông cốt thép. hương 1: Những vấn để chung. Kết cấu xây dựng Môn học Kết cấu xây dựng nghiên cứu về các giải pháp kết cấu ứng, dụng cụ thể trong các công trình dân dụng và công nghiệp.

Các kết cầu đợc sử dụng phải đảm bảo về độ bền, độ cứng và tính Ổn định trong suốt qué trinh thi công và sử dụng. Ngoài ra, khi kĩ thuật viên đa ra giải pháp kết cầu hợp lí, nó cũng cần đợc đảm bảo về điều kiện kinh tế, tận dụng đợc nguồn vật liệu tại địa phơng, phù hợp với công nghệ chế tạo, biện pháp thi công hiện hành. ứng sử của các kết cấu trớc các tác động (tải trọng, nhiệt độ, thời gian.) trong thực tế rất phức tạp. Nhng khi nghiên cứu ta thờng tách những.

bộ phận phức tạp thành những bộ phận đơn giản đẻ phân tích, những bộ phận đơn giản này đã biết đợc cách ứng sử của chúng trớc các tác động, ta gọi chúng là các cấu kiện. Các cấu kiện liên kết với nhau tạo thành kết cấu. Nh vay: Cầu kiện là một phân tử chịu lực mà vai trò, đặc tính, tính chất của chúng có thể xác định đợc một cách đơn giản. Ví dụ: Cấu kiện chịu nén đúng tâm, nén lệch tâm, cấu kiện chịu uốn phẳng, cấu kiện chịu xoắn (xem hình I.

Ta thấy mỗi cấu kiện có một tính chất cụ thể (chịu kéo, uốn, xoắn), và những đại lợng(đặc trg cho đặc tính của chúng) cần xác định có thể tính toán đợc (nh ứng suất s, t, biến dạng) khi biết tác động (tải trọng, nhiệt độ. Kết cu là những bộ phận chịu lực phức tạp, nó đợc tạo thành từ các cấu kiện mà sự làm việc của nó (tính chất) có thể xác định đợc thông qua sự làm việc (tính chất) của cầu kiện. Ví dụ: Kết cấu dàn mái, kết cấu khung bê tông cốt thép.Với kết cấu dàn mái ta biết nó chịu các tải trọng trên mái (kể cả tải trọng bản thân) và truyền tải trọng tới các cột (hoặc tờng. Nhng dàn này cấu tạo từ các thanh, mỗi thanh này có thể là cấu kiện chịu nén, cấu kiện chịu kéo.1 Ví dụ về các cầu kiện a) Cấu kiện chịu nén đúng ©) Cấu kiện chịu uốn phẳng a) b) ©) 'HIL.2 Vớ dụ vê kêt cầu “Trong xây dựng các vật liệu sử dụng để chế tạo kết cấu rất phong phú, với môn học chỉ giới hạn ở các vật liệu đợc sử dụng phổ biến nhất.

Đó là các vật liệu: bê tông cốt thép, gỗ, thép, gạch đá. Từ đó chơng trình cũng phân ra thành các kết cấu theo vật liệu: Kết cấu gỗ, kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép. Tai trong và nội lực Các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu sinh ra trong quá trình sử dụng, chế tạo vận chuyển kết cấu, nó đợc phân loại tuỳ theo tính chất tác dụng, qui định về các loại tại trọng tham khảo trong TCVN 2737-1995. Phân loại tải trọng theo phạm vi tác dụng Cách chia tải trọng theo phạm vi tác dụng đã đợc giới thiệu trong môn học Cơ học xây dựng, theo đó ta có hai loại: -_ Tải trọng phân bố: tải trọng phân bỗ trên đơn vị chiều dài hoặc diện tích, cờng độ tải trọng biến thiên hoặc là hằng số.

Cụ thể ta có: |. Tải trọng phân bồ trên chiều dài (đều hình 1.3a hoặc không đều hình 1.3c) (daN/cm, daN/m, KN/m. E_ Tái trọng phân bỗ trên điện tích (daN/mẺ. ~_ Tải trọng tập trung: diện truyền tải nhỏ (coi nh điểm).1-3: Cỏc sơ đồ tải trọng _ a) tai tron, đi b) tải wong phon bố trờn chiều dài (dạng hỡnh thang) c)tai trong phon bố trờn chiều dài (dạng tam.

giỏc) ) tai trong phon bé tron diện tớch ©) tải trọng tập trung. Phân loại tải trọng theo giá trị tiêu chuẩn và tính toán chuẩn là đặc trng cơ bản của tải trọng. Nó đợc xác định dựa theo các số liệu thống kê (nh khối lợng ngời, dụng cụ, vật trên sản nhà, i trong gió), dựa theo các kích thớc hình học và loại vật liệu của bản thân kết cấu cũng nh của các bộ phận khác tác dụng vào kết cấu. Ta kí hiệu tải trọng tiêu chuẩn là ptc.

Trong thực tế chế tạo, vận chuyển và sử dụng kết cấu, tải trọng phát sinh có thể sai khác với giá trị tải trọng tiêu chuẩn pte tinh toán đợc (có thể tăng lên hoặc giảm đi). Sự sai khác này có thể gây bắt lợi cho kết cấu, nên trong tính toán thờng sử dụng giá trị tính toán của tải trọng gọi là tai trong 5 tính toán kí hiệu là ptt, ptt đợc tính bằng tích số giữa tải trọng tiêu chuẩn ptc và một hệ số gọi là hệ số vợt tải (hoặc hệ số tin cậy) kí hiệu n.n Thông thong n°1, nghĩa là tải trọng tính toán thờng có giá trị lớn hơn tải trọng tiêu chuẩn. Tuy nhiên, khi kiểm tra ổn định chống lật, tải trọng do kết cấu chồng lật nếu giảm xuống thì làm cho kết cấu bắt lợi hơn thì lấy hệ số vợt tải n=0,9. Hệ số vợt tải đợc tra ở phụ lục 1, phụ lục 2.

Cách tính ptc sẽ đợc trình bày cụ thể trong các chơng sau. Phân loại tải trọng theo thời gian tác dụng Tai trọng đợc chia thành tải trọng thờng xuyên và tải trong tạm thời tuỳ thuộc vào thời gian tác dụng của chúng. Tải trọng thờng xuyên (tiêu chuẩn hoặc tính toán) 'Tải trọng thờng xuyên là các tải trọng tác dụng không biến đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình. Tải trọng thờng xuyên gỗm có: khối lợng nhà, công trình (gồm khối I-ợng các kết cầu chịu lực và bao che) 3.

Tải trọng tạm thời ‘Tai trọng tạm thời là các tải trọng có thể không có trong một giai đoạn nào đó của quá trình xây dựng và sử dụng. Gồm ba loại, tải trọng tạm thời ngắn hạn, tải trọng tạm thời dài hạn và tai trong đặc biệt. Tải trọng tạm thời dài han gém co: khối lợng thiết bị cỗ định, áp lực chất lỏng, chất rời trong bể chứa và đờng Ống, tải trọng tác dụng lên sàn do vật liệu chứa và thiết bị trong các phòng, kho, tải trọng do cầu trục, Tai trong tạm thời ngắn han gém cé: khôi lợng ngời, vật liệu sửa chữa, phụ kiện và đồ gá lắp trong phạm vi phục vụ sửa chữa, tải trọng sinh ra khi chế tạo, vận chuyển và lắp dựng, tdi trong lên sàn nhà ở, nhà công cộng lấy ở phụ lục 34, tai trong gid Tải trọng tạm thời đặc biệt gồm có: tải trọng động đắt, tải trọng do nỗ. Nội lực Khi đã có sơ đồ tính toán kết cấu và các tải trọng tác dụng vào kết cấu thì nội lực đợc xác định theo các phơng pháp đã nghiên cứu trong Cơ học xây dựng, đó chính là các sơ đồ đàn hồi.

Ngoài ra trong các kết cấu bê tông cốt thép cụ thể có sơ đồ tính siêu nh, thì vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi nên cần kể đến biến dạng dẻo khi xác định nội lực. Tuy nhiên hầu hết các kết cấu ta vẫn có thể sử dụng sơ đồ đàn hồi để tính toán. Theo TCVN 2737-1995, ta can phải xác định các £Ổ hợp zắï trọng gồm có tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt. Tuy nhiên thực tế thờng tìm các tiết diện có nôi lực nguy iễm bằng cách zổ hợp nội lực.

Theo cách này ta tính nội lực cho từng loại tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải.) sau đó tổ hợp lại để tìm nội lực nguy hiểm. Cong độ của vật liệu 'Cờng độ của vật liệu là đặc trng cơ học quan trọng, ảnh hỏng tới khả năng làm việc của kết cấu. Cờng độ là khả năng của vật liệu chống lại sự phá. hoại dới tác dụng của ngoại lực (tải trọng, nhiệt độ, môi trờng.

Còng độ vật liệu gồm nhiều loại khác nhau tơng ứng với hình thức chịu lực: kéo, nén, uốn. 'Cờng độ của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần cấu trúc vật liệu, phơng pháp thí nghiệm, môi trong, hình dáng kích thớc mẫu thử.Do đó để so sánh khả năng chịu lực của vật liệu ta phải tiến hành thí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn (kích thớc, cách chế tạo mẫu, phơng pháp và thời gian thí nghiệm), đợc qui định trong các qui phạm. Thông thờng còng độ đợc xác định theo phơng pháp phá hoại. Những loại cờng độ quan trọng là cong độ chịu nén, còng độ chịu kéo, còng độ chịu uốn.

Phơng pháp xác định các cờng độ vật liệu đợc trình bày đối với từng vật liệu cụ thể (gỗ, thép, bê tông,.) ở các ch-ơng sau. Phơng pháp tính toán Có hai phơng pháp tính toán kết cấu công trinh: tính theo ứng suất cho. phép và tinh theo trạng thái giới han. Tính toán theo ứng suất cho phép Đây là phơng pháp tính cổ điển đã lạc hậu, tuy nhiên nó vẫn đợc một số nớc sử dụng, cũng nh một số loại công trình, kết cầu sử dụng.

Theo phơng pháp này khi tính toán thờng so sánh ứng suất lớn nhất do. tải trọng sinh ra trong kết cấu với ứng suất cho phép: 3 mạ Ê [s] Trong đó: s„a„ : ứng suất lớn nhất do các tải trọng đợc tô hợp ở trờng hợp bắt lợi nhất sinh ra trong tiết diện nguy hiểm của kết cấu. [ s]: ứng suấtcho phép [s ]=s ®/k sgh: cong độ giới hạn của mẫu thí nghiệm. k: _ hệ sốan toàn.

Khuyết diém của phơng pháp này là sử dụng một hệ số an toàn k để xét đến nhiều nhân tổ ảnh hởng. Mà hệ số này lại xác định theo thực nghiệm, thiếu căn cứ khoa học nên tính toán ra thờng quá lớn so với thực tế. Phơng pháp này đang dần đợc thay thế bằng phơng pháp tính toán theo trạng thái giới hạn. Tính toán theo trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn là trạng thái ké từ đó kết cấu không thể sử dụng đợc nữa.

Kết cấu xây dựng sử dụng hai nhóm trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGHI) Đây là trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực của kết cấu. Cụ thể là đảm bảo cho kết cất không bị phá hoại do tắc dụng của tải trọng và tác động, không bị mắt ỗn định về hình dáng và vị trí, không bị phá hoại vì mỏi. Điều kiện tính toán là: TETy (9) “Trong đó: T: Giá trị nguy hiểm có thể xảy ra của từng nội lực hoặc do tác dụng đồng thời của một số lực.T đợc tính toán theo tải trọng tính § toán và đợc chọn trong các tổ hợp nội lực ứng với trờng hợp ngày hiểm đối với sự làm việc của kết cầu.