Phân tích kết cấu: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 10 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Phản lực gối của dầm

Cân bằng
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Tải phân bố đều
hợp lực w·L đặt tại giữa đoạn tải
Mômen
M = F·d

Phương pháp

  1. Vẽ sơ đồ vật thể tự do và thay mỗi gối đỡ bằng các phản lực của nó.
  2. Thay mọi tải phân bố bằng một lực duy nhất đặt tại trọng tâm của nó.
  3. Lấy mômen quanh một gối để tìm phản lực ở gối kia.
  4. Dùng ΣFy = 0 để tìm phản lực còn lại, và kiểm tra bằng một phương trình mômen thứ hai.

Lực cắt và mômen uốn

Lực cắt và mômen
V = ΣF ở một phía, M = ΣF·d ở một phía
Ứng suất uốn
σ = M·y/I
Hình chữ nhật
I = bh³/12
Mômen chống uốn của mặt cắt
W = I/ymax
Dầm đơn giản, tải phân bố đều
Mmax = wL²/8

Phương pháp

  1. Tìm phản lực gối từ cân bằng của cả dầm.
  2. Cắt dầm tại mặt cắt bạn cần và giữ lại một phía.
  3. Lực cắt: tổng các lực thẳng đứng ở phía đó. Mômen uốn: tổng mômen của chúng quanh mặt cắt.
  4. Để tìm mômen lớn nhất, hãy tìm nơi lực cắt bằng không.

Giàn: phương pháp tách nút

Phương pháp tách nút
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Phương pháp mặt cắt
ΣM = 0 about a cut point
Nội lực thanh
dương = kéo, âm = nén

Phương pháp

  1. Tìm phản lực gối cho cả giàn.
  2. Phương pháp tách nút: bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết và dùng ΣFx = 0 và ΣFy = 0.
  3. Phương pháp mặt cắt: cắt qua thanh bạn cần và lấy mômen quanh điểm mà các thanh chưa biết khác gặp nhau.
  4. Giả sử chịu kéo; đáp án âm nghĩa là chịu nén.

Độ võng của dầm

Tải tập trung ở giữa nhịp
δ = PL³/(48EI)
Tải phân bố đều, dầm đơn giản
δ = 5wL⁴/(384EI)
Công xôn, tải ở đầu
δ = PL³/(3EI)
Công xôn, tải phân bố đều
δ = wL⁴/(8EI)
Nguyên lý xếp chồng
δ = δ1 + δ2

Mất ổn định cột

Tải Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Hệ số chiều dài tính toán
K = 1 khớp–khớp, 0,5 ngàm–ngàm, 0,7 ngàm–khớp, 2 ngàm–tự do
Ứng suất tới hạn
σcr = Pcr/A
Độ mảnh
λ = KL/r, r = √(I/A)

2Bài tập

1.Phản lực gối của dầmTrung bình
P = 75 kNM = 10 kN·mABRA​ = ?3 m2 m5 m

Dầm đơn giản có gối cố định tại A và gối con lăn tại B. Nó chịu một lực tập trung P tại vị trí cách A 3 m và một ngẫu lực cùng chiều kim đồng hồ M tại vị trí cách A 5 m. Tìm phản lực thẳng đứng RA, lấy chiều hướng lên là dương.

L = 10 mP = 75 kN tại 3 mM = 10 kN·m (cùng chiều kim đồng hồ) tại 5 m
RA = kN
2.Phản lực gối của dầmKhó
w = 10 kN/mP = 40 kNADCMA​ = ?4 m1 m5 m

Một dầm ghép được ngàm vào tường tại A, có một khớp bản lề bên trong tại C (cách A 4 m) và tựa trên một gối con lăn tại D (cách A 10 m). Dầm chịu một lực tập trung P tại vị trí cách A 5 m, một tải phân bố đều w trên toàn bộ đoạn CD. Tìm độ lớn của mô-men phản lực MA tại tường.

AC = 4 mAD = 10 mP = 40 kN tại 5 mw = 10 kN/m từ 4 đến 10 m
MA = kN·m
3.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
w = 6 kN/mP = 75 kNAB1 m1,5 m

Dầm công-xôn ngàm tại A. Dầm chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ chiều dài và một lực tập trung P tại vị trí cách A 1 m. Tìm mô-men uốn MA tại ngàm A. Dùng quy ước mô-men làm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt cắt bên trái là dương.

L = 2,5 mP = 75 kN tại 1 mw = 6 kN/m từ 0 đến 2,5 m
MA = kN·m
4.Lực cắt và mômen uốnKhó
w = 4 kN/mABC5 m1,5 m

Dầm đặt trên gối cố định tại A và gối con lăn tại B, và đoạn công-xôn nhô ra khỏi B một đoạn 1,5 m tới đầu tự do C. Tải phân bố đều w tác dụng trên toàn bộ chiều dài A–C. Tìm khoảng cách xc từ A đến điểm đổi dấu mô-men giữa hai gối (nơi mô-men uốn đổi dấu).

L = 6,5 mw = 4 kN/m từ 0 đến 6,5 mcác gối tại x = 0 và x = 5 m
xc = m
5.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình
ABCDEFGH25 kN35 kN40 kN25 kN4 × 3 m3 m

Đúng một thanh của giàn này không mang lực dưới các tải này. Thanh nào là thanh không lực? Nhấp vào nó trong sơ đồ.

C: 25 kN ↓D: 35 kN ↓G: 40 kN ↓H: 25 kN ↓
  1. 1thanh AB
  2. 2thanh BC
  3. 3thanh CD
  4. 4thanh DE
  5. 5thanh FG
  6. 6thanh GH
  7. 7thanh AF
  8. 8thanh HE
  9. 9thanh BF
  10. 10thanh CG
  11. 11thanh DH
  12. 12thanh FC
  13. 13thanh HC
6.Giàn: phương pháp tách nútKhó
ABBCACACB50 kN15 kN4 m1 m4 m

Dùng phương pháp tách nút để tìm lực FAB trong thanh AB. Lấy kéo là dương và nén là âm.

nhịp = 4 mchiều cao = 4 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 50 kNtải ngang = 15 kN →
FAB = kN
7.Độ võng của dầmTrung bình
w = 10 kN/mABθ2,5 m

Một dầm đơn giản chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ nhịp. Tìm góc xoay θA của dầm tại gối A, theo radian.

w = 10 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (gỗ xẻ)I = 12 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.Độ võng của dầmKhó
w = 1 kN/mABδ6 m

Một dầm gỗ đơn giản có tiết diện chữ nhật, rộng 150 mm, chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ nhịp. Độ võng tại giữa nhịp không được vượt quá nhịp/300. Tìm chiều cao tiết diện nhỏ nhất hreq.

w = 1 kN/mL = 6 mE = 11 GPa (gỗ xẻ)b = 150 mm
hreq = mm
9.Mất ổn định cộtTrung bình
PL = 2 md = 20 mmmặt cắt ngang

Một cột dài L làm bằng nhôm được ngàm ở chân và khớp ở đỉnh. Dùng công thức Euler, tìm tải trọng oằn tới hạn Pcr của nó.

L = 2 mE = 70 GPa (nhôm)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Mất ổn định cộtKhó
P = 35 kNL = 2 md = ?mặt cắt ngang

Một cột tròn đặc dài L làm bằng nhôm được ngàm cả hai đầu. Nó phải chịu 35 kN với hệ số an toàn 3 chống oằn. Tìm đường kính nhỏ nhất d.

P = 35 kNn = 3L = 2 mE = 70 GPa (nhôm)
d = mm

3Dung dịch

1.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RA = 51,5 kN

Cân bằng tĩnh: một vật ở trạng thái nghỉ có ΣFx = 0, ΣFy = 0 và ΣM = 0 đối với mọi điểm. Thay mỗi tải phân bố bằng hợp lực của nó (diện tích) đặt tại trọng tâm của biểu đồ tải, và lấy mô-men đối với một gối để khử phản lực của gối đó khỏi phương trình.

Mômen quanh A

Ngược chiều kim đồng hồ là dương.

ΣMA = 0: RB·10 − 75·3 − 10 = 0
RB = 235/10 = 23,5 kN

Cân bằng theo phương thẳng đứng

RA = 75 − 23,5 = 51,5 kN

Đáp số

RA = 51,5 kN

Phản lực âm hướng xuống.

2.Phản lực gối của dầm

Đáp số: MA = 253,3 kN·m

Cân bằng tĩnh: một vật ở trạng thái nghỉ có ΣFx = 0, ΣFy = 0 và ΣM = 0 đối với mọi điểm. Thay mỗi tải phân bố bằng hợp lực của nó (diện tích) đặt tại trọng tâm của biểu đồ tải, và lấy mô-men đối với một gối để khử phản lực của gối đó khỏi phương trình. Một khớp bản lề bên trong không truyền được mô-men uốn, điều này cho thêm một phương trình: mô-men đối với khớp của các lực ở mỗi phía bằng không.

Phần CD

Khớp không có mô-men, nên mô-men đối với C chỉ trên CD phải cân bằng.

W = 10·6 = 60 kN tại 3 m từ C
ΣMC = 0: RD·6 = 40·1 + 60·3
RD = 36,67 kN
VC = 100 − 36,67 = 63,33 kN

Phần AC

Lực khớp VC tác dụng hướng xuống lên AC (bằng và ngược chiều với tác dụng của nó lên CD).

RA = 63,33 = 63,33 kN
MA = 63,33·4 = 253,3 kN·m

Đáp số

MA = 253,3 kN·m
3.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: MA = −93,75 kN·m

Phương pháp mặt cắt: cắt dầm tại vị trí cần tìm nội lực và giữ lại một phía. Lực cắt V cân bằng với các lực thẳng đứng ở phía đó, và mômen uốn M cân bằng với mômen của chúng quanh mặt cắt.

Giữ phần đầu tự do

P: −75·1 = −75 kN·m
w: −6·2,5²/2 = −18,75 kN·m
MA = −75 − 18,75 = −93,75 kN·m

Đáp số

MA = −93,75 kN·m

Dấu âm nghĩa là uốn võng lên: thớ trên chịu kéo.

4.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: xc = 4,55 m

Phương pháp mặt cắt: cắt dầm tại vị trí cần tìm nội lực và giữ lại một phía. Lực cắt V cân bằng với các lực thẳng đứng ở phía đó, và mômen uốn M cân bằng với mômen của chúng quanh mặt cắt. Mô-men lớn nhất: vì dM/dx = V, mô-men uốn đạt cực trị tại nơi lực cắt đi qua không, hoặc tại một lực tập trung hoặc bên trong một tải phân bố.

Phản lực gối

Cân bằng của toàn bộ dầm, kể cả tải trên đoạn công-xôn.

Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 4·6,5 = 26 kN, đặt tại x̄ = 3,25 m
ΣMA = 0: RB·5 = 4·6,5·3,25
RB = 84,5/5 = 16,9 kN
ΣFy = 0: RA = 26 − 16,9 = 9,1 kN

Mô-men bằng không

Giữa hai gối M(x) = RA·x − w·x²/2. Ngoài x = 0, nó bằng không tại x = 2RA/w.

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·9,1/4 = 4,55 m

Đáp số

xc = 4,55 m
5.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: thanh BF

Thanh không lực: tại một nút, các lực phải cân bằng theo mọi phương. Nếu một nút không có tải và không có gối tựa, và hai trong ba thanh của nó thẳng hàng, thì cân bằng theo phương vuông góc với đường thẳng đó chỉ liên quan đến thanh thứ ba, nên lực của nó bằng không. Nếu chỉ có hai thanh gặp nhau tại một nút không chịu tải và chúng không thẳng hàng, cả hai đều bằng không.

Nút B

AB và BC nằm trên một đường thẳng và nút không chịu tải. Cân bằng lực theo phương vuông góc với đường thẳng đó chỉ còn lại BF.

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Kiểm tra bằng phương pháp tách nút

Giải tất cả các nút cho các lực thanh sau (T = kéo, C = nén).

AB: 47,5 kN (T), BC: 47,5 kN (T), CD: 77,5 kN (T), DE: 77,5 kN (T), FG: 95 kN (C), GH: 95 kN (C), AF: 67,18 kN (C), HE: 109,6 kN (C), BF: 0, CG: 40 kN (C), DH: 35 kN (T), FC: 67,18 kN (T), HC: 24,75 kN (T)

Đáp số

Thanh không lực: BF
6.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAB = −23,19 kN

Phương pháp tách nút: mọi chốt của giàn đều cân bằng, nên ΣFx = 0 và ΣFy = 0 tại mỗi nút. Bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết. Kết quả âm nghĩa là thanh chịu nén.

ABBCACACB50 kN15 kNAy​Cy​Ax​

Phản lực gối

Cân bằng của cả giàn. Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương.

ΣMA = 0: Cy·4 = 50·1 + 15·4 → Cy = 27,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 27,5 = 22,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −15 kN

Nút A

Giả sử mọi thanh đều chịu kéo (kéo ra khỏi nút). Chỉ có AB có thành phần thẳng đứng tại A.

sin α = 4/4,123 = 0,9701
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −22,5/0,9701 = −23,19 kN

Đáp số

FAB = −23,19 kN (nén)
7.Độ võng của dầm

Đáp số: θA = 0,04932 rad

Độ võng của dầm: độ võng có được bằng cách tích phân độ cong M/(EI) hai lần. Các trường hợp tiêu chuẩn đã được lập bảng, ví dụ PL³/(3EI) cho dầm công xôn chịu tải ở đầu tự do và 5wL⁴/(384EI) cho dầm đơn giản chịu tải phân bố đều toàn nhịp. Độ võng do các tải riêng rẽ cộng lại (xếp chồng). Góc xoay θ = dv/dx là tích phân bậc một của M/(EI); với các đơn vị nhất quán, nó có đơn vị radian.

Đơn vị nhất quán

Làm việc theo N và mm: P theo N, w theo N/mm (kN/m = N/mm), L theo mm, E theo N/mm² (GPa × 1000), I theo mm⁴.

w = 10 N/mm, L = 2500 mm
EI = 1,32 × 10¹¹ N·mm²

Góc xoay ở đầu

θA = wL³/(24EI) = 10·2500³/(24·1,32 × 10¹¹) = 0,04932 rad

Đáp số

θA = 0,04932 rad

Đó là 2,826°.

8.Độ võng của dầm

Đáp số: hreq = 183,1 mm

Độ võng của dầm: độ võng có được bằng cách tích phân độ cong M/(EI) hai lần. Các trường hợp tiêu chuẩn đã được lập bảng, ví dụ PL³/(3EI) cho dầm công xôn chịu tải ở đầu tự do và 5wL⁴/(384EI) cho dầm đơn giản chịu tải phân bố đều toàn nhịp. Độ võng do các tải riêng rẽ cộng lại (xếp chồng).

Đơn vị nhất quán

Làm việc theo N và mm: P theo N, w theo N/mm (kN/m = N/mm), L theo mm, E theo N/mm² (GPa × 1000), I theo mm⁴.

w = 1 N/mm, L = 6000 mm, E = 11000 N/mm²

Giới hạn độ võng

δallow = L/300 = 6000/300 = 20 mm

Mômen quán tính mặt cắt yêu cầu

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1·6000⁴/(384·11000·20) = 7,67 × 10⁷ mm⁴

Chiều cao cần thiết

bh³/12 = Ireq → h = (12·7,67 × 10⁷/150)1/3 = 183,1 mm

Đáp số

hreq = 183,1 mm

Trong thực tế, hãy chọn chiều cao tiêu chuẩn kế tiếp lớn hơn giá trị này.

9.Mất ổn định cột

Đáp số: Pcr = 2,768 kN

Mất ổn định Euler: một cột mảnh mất ổn định tại Pcr = π²EI/(KL)², trong đó KL là chiều dài tính toán: K = 1 cho khớp–khớp, 2 cho ngàm–tự do, 0,7 cho ngàm–khớp và 0,5 cho ngàm–ngàm. Cột oằn quanh trục có I nhỏ nhất. Công thức đúng với cột mảnh, có ứng suất tới hạn thấp hơn ứng suất chảy.

Mômen quán tính nhỏ nhất của mặt cắt

Mặt cắt tròn có cùng I đối với mọi trục.

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Chiều dài tính toán

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Tải trọng tới hạn

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1400² = 2768 N = 2,768 kN

Đáp số

Pcr = 2,768 kN
10.Mất ổn định cột

Đáp số: d = 41,95 mm

Mất ổn định Euler: một cột mảnh mất ổn định tại Pcr = π²EI/(KL)², trong đó KL là chiều dài tính toán: K = 1 cho khớp–khớp, 2 cho ngàm–tự do, 0,7 cho ngàm–khớp và 0,5 cho ngàm–ngàm. Cột oằn quanh trục có I nhỏ nhất. Công thức đúng với cột mảnh, có ứng suất tới hạn thấp hơn ứng suất chảy.

Tải trọng tới hạn yêu cầu

Pcr = n·P = 3·35000 = 105000 N
KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Giải tìm đường kính

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·105000·1000²/(π³·70000))^(1/4) = 41,95 mm

Đáp số

d = 41,95 mm

Kiểm tra: độ mảnh KL/r là 95,36, nên cột là mảnh và công thức Euler áp dụng được.

ExamProblems · examproblems.com/courses/structural-analysis