Giáo trình Kết cấu gỗ

ÑAÏI HOÏC QUANG TRUNG GIAÙO TRÌNH PHAÀN: KEÁT CAÁU GOà Các loại công trình xây dựng hay bộ phận của công trình chịu được làm bằng vật liệu gỗ hay chủ yếu bằng vật liệu gỗ gọi là kết cấu gỗ. (THI) 1.1 Ưu, nhược điểm của kết cấu gô 1. Ưu điểm - Nhẹ. Tính chất cơ học tương đối cao so với khối lượng riêng. CHÖÔNG MÔÛ ÑAÀU: ÑAÏI CÖÔNG VEÀ KEÁT CAÁU GOà 1. ÑAËC ÑIEÅM VAØ PHAÏM VI S ÖÛ DUÏNG - Chịu nén và uốn tốt. - Vật liệu phổ biến, địa phương→hạ giá thành vận chuyển. - Dễ chế tạo: Cưa, xẻ, khoan, bào, đóng đinh... - Chống xâm thực của môi trường hoá học tốt hơn so với thép và bê tông. 2. Nhược điểm: - Vật liệu không bền, dễ mục, mối, mọt, cháy →không sử dụng được trong các kết cấu vĩnh cửu. - Vật liệu gỗ không đồng nhất, không đẳng hướng. Cùng một loại gỗ nhưng cường độ R có thể khác nhau tuỳ theo nơi mọc, tuỳ vị trí trên thân cây (gốc, ngọn), tuỳ theo phương tải trọng (dọc thân, tiếp tuyến, xuyên tâm) → khi tính toán lấy hệ số an toàn cao. - Có nhiều khuyết tật (mắt, khe nứt, thớ vẹo) giảm khả năng chịu lực. - Kích thước gỗ t ự nhiên hạn chế (Gỗ xẻ: 30<b<320; 1<l<8m ). - Vật liệu ngậm nước, độ ẩm thay đổi theo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Khi khô co giãn không đều theo các phương, dễ cong vênh, nứt nẻ làm hỏng liên kết. Để hạn chế nhược điểm của gỗ tự nhiên, khi sử dụng cần xử lý để gỗ khỏi bị mục. Phải sấy, hong khô gỗ trước khi sử dụng, không dùng gỗ tươi, gỗ quá độ ẩm qui định; chọn giải pháp sử dụng vật liệu đúng chỗ; tính toán gần với thực tế làm việc của kết cấu. Hiện nay, các phương pháp chế biến gỗ hiện đại đã cải thiện tính chất của vật liệu gỗ. Loại gỗ dán gồm nhiều lớp gỗ mỏng dán lại với nhau, đã qua xử l ý ho á chất là loại vật liệu quý: Nhẹ, khoẻ (chịu lực tốt) bền, đẹp (không bị mục, mối, mọt, khả năng chịu lửa cao); sản xuất công nghiệp hoá (dễ chế tạo, vận chuyển, thi công). 2. Phạm vi s ử dụng: - Nhà dân dụng: Sàn, vì kèo, khung nhà, dầm mái, xà gồ, cầu phông, litô, cầu thang, kết cấu bao che (cửa sổ, cửa đi, cửa trời)...... - Nhà sản xuất: Nhà máy, kho tàng, chuồng trại, xưởng chế biến... - Giao thông vận tải: Cầu nhỏ, cầu tạm, cầu phao, cầu trên đường cấp thấp... - Thuỷ lợi: Cầu tàu, cửa cống, đập,... - Thi công: Dàn giáo, ván khuôn, cầu công tác, cọc ván, tường chắn... Ở các nước tiên tiến: Gỗ dán được dùng rộng rãi như các nhà công nghiệp lớn, cầu, bể chứa chất lỏng, đường ống ( V<2200m3, d<1,5m); chợ, nhà thờ, triển lãm... II. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN VÀ SỬ DỤNG KẾT CẤU GỖ Ở VIỆT NAM Cùng với gạch đá, gỗ là vật liệu xây dựng chủ yếu và lâu đời, đạt được trình độ cao về nghệ thuật cũng như kỹ thuật (Một số công trình còn lưu lại như: Chùa Một Cột (Hà Nội - 1049) và một số công tình văn hóa dân dụng khác Kết cấu gỗ truyền thống của ta có các đặc điểm: - Hình thức kết cấu chịu lực là khung không gian. Độ cứng dọc nhà lớn, vật liệu gô chỉ chịu nén và uốn, không chịu kéo (thích hợp với tính năng chịu lực tốt của gỗ). -Dùng sức nặng của nhà chịu lực xô ngang (cột chôn không sâu) - Liên kết: Chủ yếu là liên kết mộng, liên kết chốt, chắc chắn, dễ tháo lắp. - Vật liệu g ỗ được bảo vệ tốt như sơn son thếp vàng, ngâm nước, ngâm bùn, mái đua xa cột để hắt nước mưa. - Kích thước: Được thống nhất hoá ở từng địa phương, được ghi trên các thước tầm (rui mực) của mỗi nhà. - Kiến trúc: Chi tiết trang trí kết hợp khéo léo với bộ phận chịu lực tạo nên hình thức nhẹ nhàng, thanh thoát nhưng vẫn chắc chắn vững vàng. Đặc điểm sử dụng kết cấu gỗ của ta hiện nay: - Gỗ dùng quá ít trong các công trình lớn. - Hình thức kết cấu nghèo nàn. Nguyên nhân: - Gỗ ở nước ta tuy phong phú nhưng phức tạp, chưa được coi trọng nghiên cứu. - Việc bảo quản, khai thác, s ử dụng, tái tạo gỗ chưa hợp lý. Hướng phát triển: - Khai thác và sử dụng gỗ hợp lý hơn. Vật liệu chính ở nông thôn và thị trấn - Công nghiệp hoá sản xuất, chế tạo, xử lý kết cấu gỗ thành nhiều dạng: gỗ dán (fane), ván sàn... CHƯƠNG I VẬT LIỆU GỖ XÂY DỰNG I. RỪNG VÀ GỖ VIỆT NAM 1.1 Nguồn gỗ: Nước ta do điều kiện nhiệt đới nên rừng phát triển mạnh và là nguồn cung cấp gỗ. (Miền Bắc: Tây Bắc, Việt Bắc, Khu Bốn; Miền Nam:Tây nguyên, Miền Đông Nam Bộ...) Gỗ của ta có đặc điểm: - Phong phú, có nhiều loại gỗ quí: Đinh, lim, trai, lát hoa, mun (Việt Bắc); tứ thiết (Nghệ An); Huê mộc, Giáng hương (Quảng Bình); kiềng kiềng, trắc, mun, cam lại (Nam Trung Bộ) 1.2 Phân loại gỗ: Khoảng 400 loại được sử dụng cho xd 1. Theo tập quán: - Gỗ quí: Màu sắc và vân đẹp, hương thơm, không bị mối, mọt, mục (gụ, trắc, mun, lát hoa, trai, trầm hương...) - Thiết mộc: Nặng, cứng, tính chất cơ học cao (đinh, lim, sến, táu, kiềng kiềng...). - Hồng sắc: Tốt, màu hồng, nâu, đỏ, nặng vừa (mỡ, vàng tâm, giỗi, re, sồi, xoan... - Gỗ tạp: Xấu, màu trắng, nhẹ, mềm dễ bị sâu mục (gạo, sung, đước...) 2. Theo quy định Nhà nước a.Phân nhóm theo TCVN 1072-71; 1077-71 (về phân nhóm gỗ, quy cách, phẩm chất gỗ) - Theo chỉ tiêu ứng suất: 6 nhóm. - Theo khối lượng thể tích: 6 nhóm. Cho các loại gỗ chưa có s ố liệu về ứng suất b. Phaân nhoùm theo Nghò ñònh 10-CP: ( Quy ñònh taïm thôøi veà söû duïng KCG) 8 nhoùm: - Nhoùm I: Coù maøu saéc, beà maët, muøi höông ñaëc bieät goã quy (traéc, guï, trai, mun) - Nhoùm II: Coù tính chaát cô hoïc cao ( Ñinh, lim, seán , taùu, kieàng kieàng, nghieán...) - Nhoùm III: Coù tính deûo, dai ñeå ñoùng taøu thuyeàn ( Choø chæ, teách, saùng leû...) - Nhoùm IV: Coù maøu saéc vaø beà maët ph uø hôïp goã coâng nghieäp vaø moäc daân duïng ( Môõ, vaøng taâm, re, gioãi...) - Nhoùm V: Goàm caùc loaïi goã thuoäc nhoùm hoàng saéc (Gieû , thoâng) - Nhoùm VI: Goàm caùc loaïi goã thuoäc nhoùm hoàng saéc (Soài, raøng raøng, baïch ñaøn...) - Nhoùm VII, VIII: Goã taïp vaø xaáu (Gaïo, nuùc naùc, noùng...) khoâng duøng laøm KCG. c. Phaân nhoùm theo TCXD 44-70 (Quy phaïm thieát keá KCG) - Nhoùm A: Caáu kieän chòu keùo chính - Nhoùm B: Caáu kieän chòu neùn vaø uoán - Nhoùm C: Caàu phong, litoâ, vaùn saøn, caáu kieän chòu löïc phu 1.3 Quy ñònh söû duïng goã: 1. Quy ñònh söû duïng goã Hieän vaãn chöa c où quy phaïm thieát keá KCG aùp duïng cho TCVN 1072 - 71, TCVN 1076 - 71 m aø chæ coù qui phaïm thieát k eá KCG aùp duïng cho ND 10 -CP (4/1960). - Nhaø laâu naêm quan troïng (nhaø xöôûng, hoäi tröôøng...) vaø caùc b oä phaän thöôøng xuyeân chòu möa naéng vaø taûi troïng lôùn (coät caàu, daàm caàu...) ñöôïc duøng goã nhoùm II. - Nhaø cöûa thoâng thöôøng duøng goã nhoùm V laøm keát caáu chòu löïc chính, coøn caùc keát caáu khaùc ( nhaê taïm, laùn traïi, coïc moùng, vaùn khuoân...) chæ ñöôïc duøng goã nhoùm VI, VII. 2 3 /1 sin tr tr RR kG cmα α= + 3 901 1 sin em em em em RR R R α α = ⎛ ⎞+ −⎜ ⎟⎝ ⎠ 2 3 90 / 1 1 sin tr tr tr tr RR kG cm R R α α = ⎛ ⎞+ −⎜ ⎟⎝ ⎠ 90 1 Th ng lây 2tr R trR=Thoâng öôø CHƯƠNG 2 TÍNH TÓAN CẤU KIỆN CƠ BẢN • Kết cấu gỗ thường được tính tóan theo trạng thái giới hạn trong thiết kế 1. Tính tóan cấu kiện chịu kéo đúng tâm a. Khái niệm: <20cm N N Fth Fgy NN N N Cấu kiện chịu kéo đúng tâm b. Điều kiện làm việc: tính toán theo cường độ k th th g y N R F F F F σ = ≤ = − 2. Tính tóan cấu kiện chịu nén đúng tâm: 1./ Cấu kiện chịu nén đúng tâm phải tính tóan kiểm tra về cường độ và tính tóan tính tóan kiểm tra ổn định, kiểm tra về độ mãnh: a). Kiểm tra về cường độ: n th N R F σ = ≤ b). Kiểm tra về cường độ: 2 3100ϕ λ= Ftt được tính: + Nếu chỗ giãm yếu không ở mép cấu kiện và Fgy ≤25%Fng thì Ftt=Fng; khi Fgy>25%Fng thì Ftt=4/3Fth + Nếu chỗ giảm yếu ở mép cấu kiện và đối xứng thì Ftt =Fth + Nếu chỗ giảm yếu ở mép cấu kiện và không đối xứng thì tính theo cấu kiện chịu nén lệch tâm. ϕ: Ηệ số uốn dọc, dùng để xét sự giảm khá năng chịu lực khi bị uốn dọc, được lấy như sau: +Gỗ làm việc trong giai đoạn đàn hồi: λ>75 +Gỗ làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi: λ≤75 21 0.8( ) 100 λϕ = − c) Kiểm tra về độ mảnh [ ]0 min 0 . l r l l λ λ μ = ≤ = rmin: bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện nguyên min m in ng jr F = Ví i tiÕ t d iÖn ch ÷ nhË t m in = 0,289b m in = 0,25d r Trßn r [λ]: Độ mảnh giới hạn cho phép của cấu kiện Nén chủ yếu [λ] = 120 Phụ [λ] = 150 Thanh giằng liên kết [λ] = 200 2/. Bài toán thiết kế: a). Độ mảnh l>75 0 0 0 1 5 , 7 5 1 , 1 3 5 1 6 , 0 8 1 8 n n n N R k N R b h N R lF d F lF k lF ≥ = ≥ = ≥ T i Õ t d i Ö n : t r ß n C h ÷ n h Ë t V u « n g b). Độ mảnh l≤75 2 0 2 0 2 0 0,001 0,001 . 0,001 n n n NF l R NF k l R NF l R ≥ + ≥ + ≥ + TiÕt diÖn : trßn Ch ÷ nhËt Vu«ng Thí dụ 1: Kiểm tra điều kiện làm việc của cột gổ 2 đầu khớp, tiết diện vuông canh a=16cm, chiều dài l= 3m, chịu lực nén N=100kN. Cột có tiết diện giảm yếu đối xứng. Biết gổ thuộc nhóm 7, độ ẩm W=18%. 0 3 0 0 0 , 2 8 9 .1 6 2 26 4 ,8 1 0 0 1 0 0 2 21 0 0 0 , 6 6 7 .1 6 0 + 6 4 , 8 0 , 2 8 9 1 0 , 8 ( ) 1 0 , 8 ( ) 0 , 6 6 7 + 1 6 . (1 6 3 2 ) 1 6 0 0 , 9 4 5 / n th th n N R F l a F c m k N cm R λ σ ϕ λ ϕ σ ≥ ≥ = = = → = − = − = = − = = = < K iÓ m t r a ® iÒ u k iÖ n æ n ® Þn h T Ýn h C é t lµ m v iÖ c a n tß a n Thí dụ 2: [ ] 2 2 0 4 0 0 0 , 2 8 9 . 1 2 3 1 0 0 3 1 0 0 1 1 5 , 3 3 1 2 1 6 1 2 1 1 5 , 3 0 , 2 8 9 . 1 1 5 , 3 . 0 , 2 3 3 + 0 , 1 8 1 8 % 0 , 2 3 3 1 2 1 6 1 , t h t h n g N n t h nF F x n gF x l b R N F R F N x x x ϕ λ λ λ λ σ ϕ ϕ = = = = < = ≤ → ≤ → = = = = = = = = t t K iÓ m t r a ® é m ¶ n h c ñ a c é t T Ýn h k h ¶ n ¨ n g c h Þu lù c c ñ a c é t d o v Ë y F 3 5 1 , 4 k N= K h ¶ n ¨ n g c h Þu lù c c ñ a c é t N = 5 1 k N Tính khả năng chịu lực của cột gổ phụ 2 đầu khớp, tiết diện chữ nhật axb=12x16cm, chiều dài l= 4m. Cột có lổ khoan giữa cột 3x4cm. Biết gổ thuộc nhóm 6, độ ẩm W=18%. Rn=1,15kN/cm2 l=l0= 4m 2/. Tính cấu kiện chịu uốn Kiểm tra về cường độ: a). Ứng suất pháp: u th M mR W σ = ≤ m=1 khi cạch tiết diện < 15cm m=1,15 khi cạch tiết diện ≥ 15cm m=1,2 khi gổ tròn b).Ứng suất tiếp: x tr x QS R J b τ = ≤ Tiết diện chữ nhật: 3 2 Q F τ = Tiết diện tròn: 4 3 Q F τ = Chỉ kiểm tra cấu kiện khi: l/h≤5 c). Kiểm tra độ võng (độ cứng): f f l l f f M I l l EJ f l ⎡ ⎤≤ ⎢ ⎥⎣ ⎦ = ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦ ví i tÝnh theo c«ng thøc søc bÒn ®é vâng cho phÐp cÊu kiÖn c). Thiết kế tiết diện cấu kiện th u MW R ≥ f l ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦ Sau khi có kích thước tiết diện ta kiểm tra độ võng cho phép Có thể chọn cấu kiện theo độ võng cho phép 3 4 12 64 x f l x x f M l f l EJ l M lJ E bhJ dJ π ⎡ ⎤= ≤ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⇒ = ⎡ ⎤⎣ ⎦ = = ví i TD ch ÷ nhË t ví i TD trßn Thí dụ: 1 250 f l ⎡ ⎤ =⎢ ⎥⎣ ⎦ Thiết kế dầm sàn, bằng gổ gối hai đầu, nhịp dầm 4,5m, chiu tải phân bố đều 4kN/m, tải trọng tính tóan q=4,85kN/m, biết Ru=1,3kN/cm2 ( ) max 1 1 15 30 m ax M h h= ( ) = (1 2 ) b c h 15cm u l MW mR ÷ ÷ ≥ = = 2 2q l 4 ,8 .4 ,5 T Ýnh = = = 12 , 474 kNm 8 8 chän tiÕ t d iÖn dÇm ch ÷ nhË t b ,h theo c«ng thøc k inh ngh iÖm hän s¬ bé 3 3 3 6 4 1 6 3 4 632 cm h 5 5 40 4, 5 10 250 12000 384 384 10 h =1, 25 0, 8 b 0, 8 0, 8; 6 12 tc x q l l x x xJ cm E f b h h hW J ⎡ ⎤= =⎢ ⎥⎣ ⎦ → = ⇒ = = M om en qu¸n tÝn chän tiÕ t d iÖn ch ÷ nhË t chän ví i l=4,5m qtc =4kN/m q=4,85kN/m Ru=1,3kN/cm2 y. c o s ; q . s i n . 1 . x yx x y u x y y xx u x x y q q q MM R W W M WM R W M W α α σ σ σ = = = + = + ≤ ⎛ ⎞+ ≤⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ x y p h © n t ¶ i t r o n g t h e o c ¸ c t r ô c c h Ý n h t Ý n h W v µ W v í i c ¸ c t r ô c x v µ y a / . k i Ó m t r a c − ê n g ® é t h e o c « n g t h ø c T D c h ÷ n h Ë t v µ n h Þ p c Ê u k i Ö n [ ]2 2 . 1 (1 . ) . yx y x y xx x u x x y x x y MW h k t g W b M M WM MR k t g W M W R f f f f α α = = = ⎛ ⎞+ ≤ ≥ +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ = + ≤ x t h e o 2 t r ô c x , y l µ n h − n h a u t h × v µ t h a y c ¸ c t r Þ s è v µ o c t t a c ã W b / . k i Ó m t r a ® é v â n g t h e o c « n g t h ø c Chọn cấu kiện xà gồ nhà có mái dốc α=25o chiều dài nhịp l=3,6m qtc=1,3kN/m, qtt=1,6kN/m, Ru=1,3kN/cm2 2 1 2 0 0 1 , 3 c o s 1 , 3 0 , 9 0 6 1 , 1 8 / 1 , 3 s i n 1 , 3 0 , 4 2 3 0 , 5 5 / 1 , 8 c o s 1 , 8 0 , 9 0 6 1 , 6 3 / 1 , 8 s i n 1 , 8 0 , 4 2 3 0 , 7 6 / 1 , 6 3 3 , 6 2 , 6 4 8 x t c t c y x y x y f l q x k N m q x k N m q x k N m q x k N m xM k N m M α α α α ⎡ ⎤ =⎢ ⎥⎣ ⎦ = = = = = = = = = = = = = = ( x µ g å ) P h © n t ¶ i t r ä n g t h e o 2 p h − ¬ n g : M « m e n 20 , 7 6 3 , 6 1 , 2 3 8 x k N m= = 2/. Tính cấu kiện chịu nén uốn 1). Kiểm tra ứng suất trong mặt phẳng uốn 2 2 . . .1 3100. . 1 0 . 31000 . . . 100%. n n th th u n n n th th u n RN M mR F W R N F R RN M mR F W R N R F M N W F σ ξ λξ ξ λ σ ξ ϕ ϕλ = + ≤ = − = ⇒ = → = + ≤ = ⇒ = = ≤ v × nÕu tinh ck chÞu nÐn ®óng t©m