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.
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.
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,…)
Cách tính nội lực với 2 kiểu hệ kết cấu này.
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 )
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.