Giáo trình Kết cấu Công trình Trung cấp: Chuyên ngành Xây dựng Cầu Đường

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

• Trường học: Trường Cao Đẳng Xây Dựng
• Chuyên ngành: Công Trình Nghệ Xây Dựng Cầu Đường
• Đề tài: Giáo Trình Kết Cấu Công Trình Nghề Xây Dựng Cầu Đường Trình Độ Trung Cấp
• 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 Xây dựng Cầu Đường

Giáo trình Kết cấu Công trình là tài liệu học tập bắt buộc trong chương trình đào tạo trung cấp xây dựng cầu đường. Giáo trình này được biên soạn bởi Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải Trung ương I nhằm trang bị cho người học những kiến thức và kỹ năng cơ bản về tính toán kết cấu công trình. Nội dung giáo trình bao gồm những vấn đề chung, kết cấu gỗ, kết cấu thép, và kết cấu bê tông cốt thép. Đây là công cụ học tập quan trọng giúp sinh viên nắm vững các nguyên lý thiết kế kết cấu, đáp ứng yêu cầu chuyên môn trong ngành xây dựng.

1.1. Mục đích và ý nghĩa của giáo trình

Giáo trình được biên soạn để đáp ứng nhu cầu giảng dạy và học tập trong giai đoạn mới. Nó cung cấp tài liệu chuẩn hóa cho giáo viên và sinh viên, thay thế các tài liệu tự biên soạn trước đây. Giáo trình giúp học viên hiểu rõ về các loại vật liệu xây dựng, các nguyên lý thiết kế kết cấu, và phương pháp tính toán độ bền, độ cứng của công trình.

1.2. Cấu trúc nội dung chính

Giáo trình được chia thành bốn chương chính: Chương 1 trình bày những vấn đề chung về kết cấu công trình; Chương 2 giới thiệu kết cấu gỗ; Chương 3 đề cập kết cấu thép; Chương 4 tập trung vào kết cấu bê tông cốt thép. Mỗi chương được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy thực tế và tham khảo các nguồn tài liệu có sẵn.

II. Những Vấn đề Chung về Kết cấu Xây dựng

Kết cấu xây dựng là lĩnh vực nghiên cứu các giải pháp kết cấu phù hợp cho các công trình dân dụng và công nghiệp. Các kết cấu công trình phải đảm bảo độ bền, độ cứng, và tính ổn định trong suốt quá trình thi công và sử dụng. Ngoài yêu cầu kỹ thuật, giải pháp kết cấu cần phải kinh tế, tận dụng tối đa nguồn vật liệu địa phương, và phù hợp với công nghệ chế tạo hiện hành. Việc phân tích kết cấu yêu cầu chia nhỏ các bộ phận phức tạp thành những đơn vị đơn giản gọi là cấu kiện, từ đó xác định tính chất ứng sử của chúng.

2.1. Định nghĩa cấu kiện và kết cấu

Cấu kiện là phần tử chịu lực mà vai trò, đặc tính, tính chất có thể xác định được một cách đơn giản. Các loại cấu kiện bao gồm: cấu kiện chịu nén đúng tâm, chịu nén lệch tâm, chịu uốn phẳng, chịu xoắn. Kết cấu là những bộ phận chịu lực phức tạp được tạo thành từ các cấu kiện, sự làm việc của chúng xác định được thông qua sự làm việc của từng cấu kiện thành phần.

2.2. Các vật liệu sử dụng trong xây dựng

Các vật liệu chính được sử dụng để chế tạo kết cấu công trình bao gồm: bê tông cốt thép, gỗ, thép, và gạch đá. Mỗi vật liệu có đặc tính riêng, ảnh hưởng tới tính chất của kết cấu. Do đó, giáo trình phân chia nội dung theo loại vật liệu: kết cấu gỗ, kết cấu thép, và kết cấu bê tông cốt thép.

III. Tải trọng và Nội lực trong Kết cấu Công trình

Tải trọng là các lực tác dụng lên kết cấu sinh ra trong quá trình sử dụng, chế tạo, và vận chuyển. Chúng được phân loại theo tính chất tác dụng và qui định trong tiêu chuẩn TCVN 2737-1995. Phân loại tải trọng theo phạm vi tác dụng bao gồm: tải trọng phân bố trên đơn vị chiều dài hoặc diện tích, có thể đều hay không đều; và tải trọng tập trung với diện truyền tải nhỏ coi như điểm. Mỗi loại tải trọng tạo ra những nội lực khác nhau trong kết cấu, yêu cầu phương pháp tính toán và thiết kế riêng biệt.

3.1. Phân loại tải trọng theo phạm vi tác dụng

Tải trọng phân bố được chia thành hai loại: tải trọng phân bổ trên chiều dài (đo bằng daN/m, KN/m) có thể ở dạng đều, hình thang, hoặc tam giác; và tải trọng phân bổ trên diện tích (đo bằng daN/m²). Tải trọng tập trung là tải trọng tác dụng trên diện tích nhỏ, thường coi là một điểm tác dụng.

3.2. Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

Giá trị tải trọng tiêu chuẩn là đặc trưng cơ bản của tải trọng, được xác định dựa trên các điều kiện thực tế và qui định kỹ thuật. Tải trọng tính toán được xác định từ tải trọng tiêu chuẩn bằng cách áp dụng hệ số an toàn phù hợp. Sự phân biệt này rất quan trọng trong thiết kế kết cấu để đảm bảo độ an toàn và tính kinh tế của công trình.

IV. Các Loại Kết cấu Công trình Xây dựng Cầu Đường

Trong ngành xây dựng cầu đường, có ba loại kết cấu công trình chính được nghiên cứu chi tiết: kết cấu gỗ, kết cấu thép, và kết cấu bê tông cốt thép. Mỗi loại kết cấu có đặc tính khác nhau, ứng dụng phù hợp với từng loại công trình. Kết cấu gỗ phù hợp với công trình nhỏ, kinh tế; kết cấu thép được sử dụng khi cần độ bền cao, khả năng chịu lực tốt; kết cấu bê tông cốt thép là lựa chọn phổ biến nhất hiện nay do độ bền lâu dài, khả năng chịu lực tốt, và tính kinh tế cao.

4.1. Kết cấu gỗ trong xây dựng cầu đường

Kết cấu gỗ được sử dụng trong các công trình cầu đường nhỏ, tạm thời, hoặc vùng có nguồn gỗ dồi dào. Ưu điểm của gỗ là giá thành thấp, dễ gia công, dễ sửa chữa. Tuy nhiên, gỗ dễ bị nước làm hư hỏng, khả năng chịu lực hạn chế, và tuổi thọ không cao. Do đó, kết cấu gỗ thường được sử dụng cho các công trình tạm thời hoặc nhỏ.

4.2. Kết cấu thép và bê tông cốt thép

Kết cấu thép có khả năng chịu lực rất tốt, cho phép thiết kế công trình với nhịp lớn. Tuy nhiên, chi phí cao và yêu cầu bảo vệ chống gỉ. Kết cấu bê tông cốt thép kết hợp ưu điểm của bê tông và thép, có độ bền cao, chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt, chi phí hợp lý. Đây là lựa chọn phổ biến nhất trong xây dựng cầu đường hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Những vấn đề chung, 1. Kết cấu xây dựng Môn học Kế: cấu xây dựng nghiên cứu về các giải pháp kết cấu ứng, dung cy thé trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Các kết cấu đợc sử dụng phải đám bảo về độ bền, độ cứng và tính ôn định trong suốt quá trình thi công và sử dụng. Ngoài ra, khi kĩ thuật viên đa ra giái pháp kết cấu 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 thỉ công hiện hành.

ứng sử của các kết cấu trức các tác động (tải trọng, nhiệt độ, thời gian.) trong thực tế rất phức tạp. Nhng khi nghiên cứu ta thong tach những. bộ phận phức tạp thành những bộ phận đơn giản để 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 kế? cấu.

Nh vay: Cầu kiện là một phần tử chịu lực mà vai trò, đặc tính, tính chất của chủng 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 1. Ta thấy mỗi cấu kiện có một tính chất cụ thể (chịu kéo, uốn, xoi ), và những đại lợng(đặc trng cho đặc tính của chúng) cần xác định có thể tính toán đợc (nh ứng su: 4, biến dạng) khi biết tác động (tải trọng, nhiệt độ. Két céiu là những bộ phận chịu lực phúc 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 cấu kiện.

Ví dụ: Kết cầu dàn mái, kết cấu khung bê tông cốt thép.Với kết cấu đản 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 nảy cấu tạo từ các thanh, mỗi thanh nảy có thẻ là cấu kiện chịu nén, ấu kiện chịu kéo.I Ví dụ về cáccầu kiện a) Cau kign chịu nén đúng tâm e) Cấu kiện chịu uốn phẳng a) b) ©) HỊI.2 Vớ dụ vê kêt cầu (dàn mỏi ) - Thanh AC : chịu kộo ~ Thanh AD : chịu nộn 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. vật liệu: bê tông cốt thép, gỗ, thép, gạch đá. Từ đó chơng trình cũng phân ra thành các kết cấu theo vật liệu: tết cẩu gỗ, kết cấu thép, kết cầu bê tông cốt thép II Tải trọng và nội lực Các loại tải trọng tác dụng lên kết cấu sinh ra trong quá trình sử dụng, chế tạo vận chuyên 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 lo: 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: tài trọng phân bỗ trên đơn vị chiều dài hoặc diện tích, cờng độ tải trọng biển thiên hoặc là hằng số. Cụ thể ta có: = Tải trọng phân bổ trên chiêu dài (đều hình 1.3a hoặc không đều hình 1.3c) (đaN/cm, daN/m, KN/m.) Tải trọng phân bổ trên diện tích (daN/mẺ. ~_ Tải trọng tập trưng: diện truyền tải nhỏ (coi nh điểm). 4 4 4 a) b) trong a) tải trọng b) tải trọng phõn bố trờn chiều dài (dạng hỡnh thang) c)tải trọng phõn bố trờn chiều dài (dạng tam giỏc) d)tải trọng phõn bố trờn diện tớch ©) tải trọng tập trung 2.

Phân loại tải trọng theo giá trị tiêu chuẩn và tính toán Các giá trị ti trọng tiêu 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 liệ trên sản nhà, tải trọng gió), dựa theo các kích thớc hình học và loại vật liệu của bản thân kết cầu cũng nh của các bộ phận khác tác dụng vào kết cấu. Ta kí hiệu tải trọng tiêu chuẩn là pte. Trong thực tế chế tạo, vận chuyển và sử dụng kết cấu, tải trọng phát sinh có thể sai khác với giá trị tải trong tiêu chuẩn pte tính toán đợc (có thể tăng lên hoặc giảm đi).

Sự sai khác này có thể gây bất lợi cho kết cấu, nên trong tính toán thong sit dung giá trị tính toán của tải trọng gọi la tai trong 5 tính toán kí hiệu 1a 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 Thong thong n°1, nghĩa là tải trọng tính toán thờng có giá trị lớn hơn tải trọng tiêu chuẩn. Tuy nhiên, khi kiểm tra ồn định chống lật, tải trọng do kết cầu chống lật nếu giảm xuống thì làm cho kết cấu bắt lợi hơn thì lấy hệ số vợt tai n=0,9. Hệ số vợt tải đợc tra ở phụ lục 1, phụ lục 2. Cách tinh pte sẽ đợc trình bảy cụ thể trong các chơng sau.

Phân loại tải trọng theo thời gian tac dung Tải trọng đợc chia thành tải trọng thờng xuyên và tải trọng tạm thời tuỳ thuộc vào thời gian tác dụng của chúng. Tải trọng thờng xuyên (tiêu chuẩn hoặc tính toán) Tải trọng thong xuyên là các tải trọng tác dụng không biến đổi trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình. Tải trọng thờng xuyên gâm có: khói lợng nhà, công trình (gảm khối I-ợng các kết cầu chịu lực và bao che) 3.2, Tai trong tạm thời Tải trọng tạm thời là các tải trọng có thể không có trong một giai đoạn nao đó của quá trình xây dựng và sử dụng. Gm ba loại, tải trọng tạm thời ngắn hạn, tải trọng tạm thời dài hạn và tải trọng đặc biệt.

Tải trọng tạm thời dài hạn gồm có: khôi lợng thiết bị cố 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, Tải trong tạm thời ngắn hạn gằm có: khỗi 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 chuyên và lắp dựng, rải trọng lên sàn nhà ở, nhà công cộng lấy ở phụ lục 34, tải trọng giỏ Tai trọng tạm thời đặc biệt gồm có: tải trọng động đất, tải trọng do nô. 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 tĩnh, thi vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi nên cẩn 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 cà phải xác định các 16 hgp tai trong gbm có tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc bi. Tuy nhién thyc té thong tim cae có nôi lực nguy hiểm bằng cách 14 hgp ngi lye. Theo céch nay ta tính nội lực cho từng loại tai trong (tinh tai, hoạt tải.) sau đó tổ hợp lại để tìm nội lực nguy hiểm. Cờng độ của vật liệu Còng độ của vật liệu là đặc trng cơ học quan trọng, ảnh hởng tới khả năng làm việc của kết cầu.

Còng 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 nhiễu yếu tố: thành phẩn cấu trúc vật liệu, phơng pháp thí nghiệm, môi tròng, 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 thi nghiệm), đợc qui định trong các qui phạm. Thông thờng cờng độ đợc.

xác định theo phơng pháp phá hoại. Những loại cờng độ quan trọng là cởng độ chịu nén, còng độ chịu kéo, còng độ chịu uốn. Phơng pháp xác định các còng độ vật liệu đợc trình bảy đối với từng vật liệu cụ thể (gd, 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 tính theo trạng thái giới hạn. Tính toán theo ứng suất cho phép Đây là phơng pháp tính cỗ 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: S mạ Ê [s ] Trong đó: S„„„ : 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 cầu. [ s]: ứng suất cho phép [s ]= s * /k sgh:_ cờng độ giới hạn của mẫu thí nghiệm.

| Khuyết điểm của phơng pháp nảy là sử dụng một hệ số an toàn k để xét đến nhiều nhân tố ảnh hỏng. 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 té. Phong 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 kể từ đó kết cấu không thể sử dụng đợc nữa.

Kết cấu xây dung sir dung hai nhóm trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn thứ nhất (TTGHỊ) 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 tác dụng của tải trọng và tác động, không bị mắt ôn định vẻ hình đáng và vị trí, không bị phá hoại vì mỏi. Điều kiện tính toán là: TÊTu (Ld) Trong đó: T: Giá trị nguy hiểm có thể xảy ra của từng nội lực hoặc do tác dụng đồng thời của một sé lực.T đợc tỉnh toán theo tải trọng tỉnh § toán và đợc chọn trong các tô hợp nội lực từng với trong hop nguy hiểm đổi vớisự làm việc của kết cầu.