Giáo trình Cơ xây dựng (Nghề Xây dựng dân dụng và công nghiệp Trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA:XÂY DỰNG        GIÁO TRÌNH MƠN HỌC:CƠ XÂY DỰNG NGÀNH:XÂY DỰNG&DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số:      /QĐ- ngày   tháng năm 2018…… ………  của ………………      Tam Điệp,năm 2018  TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Môn học Cơ xây dựng môn kỹ thuật sở, bố trí học trước mơn học/mơ đun chun mơn Là mơn sở chiếm vị trí đặc biệt quan trọng chương trình nghề kỹ thuật xây dựng Bài giảng môn học Cơ xây dựngđược xây dựng theo chương khung quan chủ quản ban Cơ học nghiên cứu quy luật cân chuyển động vật thể tác dụng lực Cân hay chuyển động học trạng thái đứng yên hay dời chỗ vật thể không gian theo thời gian so với vật thể khác làm chuẩn gọi hệ quy chiếu Không gian thời gian độc lập với Vật thể học xây dựng dạng mô hình chất điểm, hệ vềvật rắn Cơ học xây dựng sở hệ tiên đề Niu tơn đưa tác phẩm tiếng " Cơ sở toán học triết học tự nhiên" năm 1687 - học cịn gọi học Niu tơn Cơ học khảo sát vật thể có kích thước hữu hạn chuyển động với vận tốc nhỏ vận tốc ánh sáng Các vật thể có kích thước vĩ mơ, chuyển động có vận tốc gần với vận tốc ánh sáng khảo sát giáo trình học tương đối Anhxtanh Cơ học có lịch sử lâu đời với trình phát triển khoa học tự nhiên, thời kỳ phục hưng sau phát triển hồn thiện dần Các khảo sát có tầm quan trọng đặc biệt làm tảng cho phát triển học cơng trình nhà bác học người Italya Galilê (1564- 1642) Galilê đưa định luật chuyển động vật thể tác dụng lực, đặc biệt định luật qn tính Đến thời kỳ Niutơn (1643- 1727) ơng hoàn tất sở thống mở rộng học Galilê, xây dựng hệ thống định luật mang tên ông - Định luật Niutơn Tiếp theo Niutơn Đalămbe (1717- 1783), Ơle ( 1707 - 1783) có nhiều đóng góp cho học đại ngày Ơle người đặt móng cho việc hình thành mơn học giải tích mà sau Lagơrăng, Hamintơn, Jaccobi, Gaoxơ hoàn thiện thêm Cơ học xây dựng khoa học có tính hệ thống trình bày chặt chẽ Khi nghiên cứu mơn học địi hỏi phải nắm vững khái niệm hệ tiên đề, vận dụng thành thạo cơng cụ tốn học giải tích, phép tính vi phân, tích phân, phương trình vi phân để thiết lập chứng minh định lý trình bày mơn học Ngồi người học cần phải thường xuyên giải tập để củng cố kiến thức đồng thời rèn luyện kỹ áp dụng lý thuyết học giải toán kỹ thuật Giáo trình chủ yếu dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên Cao đẳng học sinh Trung cấp Kỹ thuật Xây dựng, làm tài liệu tham khảo cho người làm công tác xây dựng nói chung Nội dung mơn học xây dựng gồm phần chính: - Phần 1: Cơ học lý thuyết : Phần gồm chương chương 2,nghiên cứu cân lực(còn gọi hệ lực) đặt lên vật rắn tuyệt đối.Nhiệm vụ phần tìm điều kiện cân cho hệ lực đặt lên vật rắn tuyệt đối.Để đạt mục đích ta khảo sát hai vấn đề sau: + Thay hệ lực tác dụng lên vật rắn lực tương đương đơn giản hơn.Nói cách khác ,xác định hợp lực hệ lực.Vấn đề trình bày có tính chất bắc cầu phục vụ cho vấn đề + Tìm điều kiện cân cho hệ lực đặt lên vật rắn tuyệt đối - Phần : Sức bền vật liệu Phần gồm chương: 3,4,5 6.Các chương nghiên cứu tính chất chịu lực biến dạng vật thể(chủ yếu thanh,tức vật thể có chiều dài lớn nhiều so với kích thước khác nó)dưới dạng tác dụng lực bên ngồi ,đối tượng nghiên cứu phần vật rắn thực Bắt đầu từ việc nghiên cứu hình thức chịu lực thẳng : kéo(nén) tâm,cắt,dập ,uốn ngang phẳng đến việc nghiên cứu hình thức chịu lực phức tạp : uốn xiên,uốn phẳng đồng thời kéo (hoặc nén),nén lệch tâm…Từ ta có điều kiện để tính tốn thiết kế kết cấu đảm bảo an toàn tiết kiệm mà thỏa mãn điều kiện mặt chịu lực Những kiến thức học lý thuyết sức bền vật liệu tạo điều kiện cho học sinh học tập tốt môn học kết cấu xây dựng,kỹ thuật thi cơng… Trong q trình biên soạn, dù có nhiều cố gắng giảng khơng tránh khỏi thiếu sót nội dung hình thức, mong đóng góp đồng nghiệp độc giả Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Cao đẳng Cơ điện&Xây dựng Việt Xô,lãnh đạo giáo viên Khoa Xây dựng tạo điều kiện giúp đỡ chúng tơi hồn thành giảng Tam Điệp,ngày 03 tháng 02 năm 2018 Chủ biên: Mai Đức Triều   MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU Chương 1: Những khái niệm học…………………………………13 Những khái niệm 1.1 Khái niệm vật rắn tuyệt đối 1.2 Khái niệm lực 1.3 Trạng thái cân 1.4 Các hệ lực nguyên lý tĩnh học Hình chiếu lực lên hai trục toạ độ Mômen - Ngẫu lực: 3.1 Mô men lực điểm 3.2 Ngẫu lực Liên kết phản lực liên kết 4.1 Các định nghĩa 4.2 Các loại liên kết 4.3 Xác định hệ lực tác dụng lên vật rắn cân Chương 2: Điều kiện cân hệ lực phẳng 26 Thu gọn hệ lực 1.1 Phương pháp hình học 1.2 Phương pháp giải tích Điều kiện cân 2.1 Điều kiện cân hệ lực phẳng đồng quy 2.2 Điều kiện cân hệ lực phẳng Điều kiện cân hệ lực phẳng song song 4.Điều kiện cân hệ vật 5.Ổn định vật lật Chương 3: Những khái niệm sức bền vật liệu…………………… 28 Các giả thuyết vật liệu Khái niệm ngoại lực - nội lực Phương pháp mặt cắt Các thành phần nội lực: N, Q, M Các loại biến dạng Nguyên lý độc lập tác dụng Chương 4: Đặc trưng hình học tiết diện…………………………………37 Trọng tâm hình phẳng 1.1 Cơng thức tính trọng tâm hình phẳng 1.2 Trọng tâm số hình phẳng thường gặp Momen tĩnh hình phẳng 2.1 Định nghĩa 2.2 Cơng thức tính momen tĩnh hình phẳng 2.3 Momen tĩnh hình thường gặp Momen qn tính 3.1 Các loại momen quán tính 3.2 Momen quán tính hình thường gặp 4.Bán kính qn tính, moduyn chốnguốn Công thức chuyển trục song song 5.1 Công thức tính chuyển trục 5.2 Ví dụ áp dụng Chương 5: Kéo( nén ) tâm 42 Khái niệm 1.1 Khái niệm 1.2 Định luật Húc Ứng suất biến dạng kéo (nén) tâm 2.1 Ứng suất mặt cắt ngang 2.2 Biến dạng kéo(nén) tâm 2.3 Biến dạng tuyệt đối 2.4 Biến dạng tương đối Tính chất học vật liệu 3.1 Vật liệu dẻo 3.2 Vật liêu dịn Tính tốn kéo(nén) tâm theo điều kiện cường độ 4.1 Ứng suất cho phép 4.2 Điều kiện cường độ - Ba tốn 4.3 Ứng suất có kể đến trọng lượng thân Tính tốn cấu kiện chịu nén tâm ổn định Chương 6: Uốn ngang phẳng…………………………………………….60 Ứng suất uốn ngang phẳng 1.1 Khái niệm 1.2 Xác định nội lực dầm chịu uốn 1.3 Vẽ biểu đồ M, N, Q phương pháp lập biểu thức 1.4 Liên hệ vi phân q, Q, M 1.5 Vẽ biểu đồ M, Q theo phương pháp vẽ nhanh 1.6 Tính ứng suất pháp 1.7 Tính ứng suất tiếp 1.8 Điều kiện bền ba toán Biến dạng uốn ngang phẳng 2.1 Cơng thức tính độ võng lớn 2.2 Điều kiện cứng dầm 3.Uốn tuý 3.1 Khái niệm 3.2 Xác định nội lực dầm chịu uốn t 3.3 Cơng thức tính ứng suất uốn tuý 3.4 Điều kiện bền uốn tuý Chương7:Cấu tạo hình học hệ phẳng……………………………………80 Cấu tạo hệ phẳng 1.1 Khái niệm kết cấu bất biến hình, biến hình, biến hình tức thời 1.2 Miếng cứng, bậc tự điểm, miếng cứng 1.3 Các loại liên kết để nối miếng cứng 1.4 Cách nối miếng cứng thành hệ bất biến hình Dàn phẳng tĩnh định 2.1 Khái niệm 2.2 Tính toán nội lực dàn Khung tĩnh định 3.1 Tính nội lực Q, M, N 3.2 Quy ước dấu nội lực 3.3 Tính nội lực 3.4 Cơng thức tính lực cắt Q theo mơ men uốn M 3.5 Vẽ biểu đồ nội lực Q, M, N CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Cơ học xây dựng Mã môn học: MH 09 Thời gian thực hiện môn học: 75giờ; (Lý thuyết: 55 giờ; Bài tập 15 giờ;Kiểm tra: 5 giờ) Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Cơ học xây dựng đựoc bố trí học từ đầu học kỳ năm thứ nhất, song song với môn học Vẽ kỹ thuật, Vật liệu xây dựng mơn học khác Chính trị, Tin học - Tính chất: Cơ học xây dựng môn học kỹ thuật sở quan trọng, giúp học sinh tiếp tục học tập mơn học chuyên ngành khác môn Kết cấu xây dựng, Kỹ thuật thi công Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Biết cách xác định nội lực cấu kiện tồn kết cấu cơng trình đảm bảo an tồn tiết kiệm; + Tính tốn thiết kế cấu kiện chịu kéo, nén, uốn theo điều kiện bền, điều kiện ổn định điều kiện cứng - Về kỹ năng: + Thành thạo việc tính tốn nội lực; -Về lực tự chủ trách nhiệm: + Ý thức tầm quan trọng mơn học; + Rèn tính cẩn thận, tỉ mỉ, xác; Nội dung mơn học: Số  TT Tên chương, mục Những khái niệm học Những khái niệm Tổng số 1.5 Thời gian (giờ) Thực hành, Lý Kiểm thínghiệm, thuyết tra thảo luận, tập 1.5 1.1 Khái niệm vật rắn tuyệt đối 1.2 Khái niệm lực 1.3 Trạng thái cân 1.4 Các hệ lực nguyên lý tĩnh học 1.0 2.0 1.0 2.0 1.5 1.5 Hình chiếu lực lên hai trục toạ độ Mômen - Ngẫu lực: 3.1 Mô men lực điểm 3.2 Ngẫu lực Liên kết phản lực liên kết 4.1 Các định nghĩa 4.2 Các loại liên kết 4.3 Xác định hệ lực tác dụng lên vật rắn cân Chương 2: Điều kiện cân hệ lực phẳng Thu gọn hệ lực 1.1 Phương pháp hình học 1.2 Phương pháp giải tích Điều kiện cân 2.1 Điều kiện cân hệ lực phẳng đồng quy 2.2 Điều kiện cân hệ lực phẳng Điều kiện cân hệ lực phẳng song song 4.Điều kiện cân hệ vật Ổn định vật lật Kiểm tra Chương 3: Những khái niệm sức bền vật liệu Các giả thuyết vật liệu Khái niệm ngoại lực - nội lực 17 12 2.0 2.0 9.0 5.0 2.0 2.0 2.0 1.0 1.0 2.0 1.0 4 0.5 1.0 1.0 0.5 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 0.5 10 1.0 1.0 4.0 1.0 Phương pháp mặt cắt Các thành phần nội lực: N, Q, M Các loại biến dạng Nguyên lý độc lập tác dụng Chương 4: Đặc trưng hình học tiết diện Trọng tâm hình phẳng -Điều kiện cần : Hai liên kết thanh( hai liên kết loại 1) -Điều kiện đủ : Trục hai khơng trùng Ví dụ : nối điểm I vào miếng cứng A hai liên kết thanh,ta hệ BBH Theo nguyên tắc ta tạo nên HBBH tuỳ ý từ tam giỏc sở 123 b) Nối hai miếng cứng : - Điều kiện cần : Coi miếng cứng bất động ,vậy miếng cứng cũn lại cú ba bậc tự Để khử hết ba bậc tự ta phải dùng số liên kết tương đương ba liên kết loại nghĩa : + Hoặc dùng ba liên kết + Hoặc dùng liên kết liên kết khớp + Hoặc dùng liên kết hàn -Điều kiện đủ : +Nếu dựng ba liờn kết thỡ trục ba khơng song song không đồng quy điểm + Nếu dựng liờn kết khớp liờn kết thỡ trục khụng qua khớp Lưu ý : -Nếu dùng ba liên kết mà trục đồng quy điểm (tạo thành khớp giả) thỡ BHTT -Nếu dùng ba liên kết có phương song song thỡ hệ bị biến hỡnh (khi cỏc cú chiều dài nhau); hệ bị BHTT (khi cỏc cú chiều dài khỏc nhau) -Nếu dùng liên kết liên kết khớp mà phương trục qua khớp,hệ bị BHTT c) Nối ba miếng cứng Xem miếng cứng bất động ,với hai miếng cứng cũn lại cú sỏu bậc tự cần khử Vậy : Điều kiện cần để nối ba miếng cứng thành HBBH phải dùng số liên kết tương đương liên kết loại nghĩa dùng : +Hoặc dựng liờn kết xếp hợp lý(hỡnh 8-14a,b,c) +Hoặc liên kết khớp (không thẳng hàng(hỡnh 8-14d) +Hoặc liờn kết hàn (hỡnh 8-14e) +Hoặc dựng liờn kết khớp,1 liờn kết hàn liờn kết (hỡnh 8-14g) +Hoặc phối hợp cỏc liờn kết liờn kết khớp(hỡnh 8-14h,k,m,n) -Điều kiện đủ : Nói chung dùng liên kết ,hoặc liên kết khớp hay phối hợp hai loại liên kết thỡ chỳng phải xếp hợp lý,cỏc khớp thực hay giả khụng thẳng hàng.Thí dụ,với hệ cú ba khớp thực(hỡnh 8-15);hoặc cú ba khớp giả thẳng hàng(hỡnh 8-15b),hệ bị BHTT d) Nối nhiều miếng cứng : *)Hệ không nối đất: -Điều kiện cần: +Gọi số miếng cứng hệ D.Ta coi miếng cứng bất động,vậy số bậc tự phải khử 3(D-1).Số liên kết tương đương loại cần để khử hết số bậc tự phải ≥3(D-1) +Gọi số liên kết hệ T +K số liên kết khớp đơn giản Dàn phẳng tĩnh định 2.1 Khái niệm * Định nghĩa: Dàn phẳng hệ thẳng có đường trục nằm mặt phẳng, liên kết với khớp đầu Dàn phẳng tĩnh định kết cấu BBH đủ liên kết Các hệ cấu tạo hình ví dụ dàn phẳng tĩnh định Khoảng cách gối tựa gọi nhịp dàn (l) Khoảng cách hai mắt dàn gọi đốt dàn (d) Mắt dàn giao điểm Các dàn nằm chu vi tạo thành đường biên Các nằm phía chu vi dàn gọi bụng, có loại bụng đứng (hướng thẳng đướng), có loại bung xiên (hướng xiên) (1)- Mắt dàn; (2)- Biên trên(cánh trên) ; (3)- Biên (cánh dưới) Dàn dùng rộng rãi xây dựng có nhiều cách phân loại, ta xét vài cách phân loại thường gặp: a) Phân loại theo dạng đường biên: - Dàn có đường biên song song (hình - 10a, b); - Dàn có đường biên tam giác (hình - 10b); - Dàn có đường biên đa giác (hình - 10d) b) Phân loại theo tính chất sử dụng: - Dàn cầu; - Dàn mái nhà công nghiệp dân dụng; - Dàn cầu trục; - Trụ điện tháp viễn thông, dàn khoan … 2.2 Tính tốn nội lực dàn Để việc tính tốn dàn đơn giản, ta thừa luận giả thiết sau: - Trục dàn đồng quy mắt, mắt dàn khớp lý tưởng (nghĩa dàn quay tự quanh mắt) - Tải trọng tác dụng mắt dàn Chú ý: - Vì mắt viết hai phương trình cân bằng, nên tách mắt theo thứ tự cho mắt cẳta có hai chưa biết nội lực - Chọn hệ trục chiếu cho phương trình hình chiếu chứa ẩn số để kết tính độc lập với Cách tốt tìm nội lực thứ chọn trục chiếu có phương vng góc với thứ hai (chưa biết nội lực) Thí dụ - 1: Tính nội lực tổng - 2, - 8, - dàn cho hình (hình - 11) biết P = 20kN, a = 30o Giải: - Tìm phản lực, dàn đối xứng chịu tải đối xứng nên: P 3×20 = =30 kN VB = VA = - Tính nội lực - 2, - - ⃗ ⃗ ⃗ Tách mắt 1: Hệ lực tác dụng lên mắt gồm ( V A , N 1−2 , N 1−8 )≡0 Từ ∑ Y =0 N 1−2 = ⇒V A + N 1−2 sin a=0 VA sin 30 =− 30 =−60 kN 0,5 N1-2 = -60 kN (lực nén) (Nếu phải tìm N1-8 ta chọn trục chiếu x nhe hình vẽ) Tách mắt 8: Tìm N8-2  Y =  N8-2 = P = 20 kN (thanh 8-2 chịu kéo) Nội dung phương pháp tách mắt xét cân mắt tách khỏi dàn Hệ lực tác dụng lên mắt hệ lực đồng quy Từ điều kiện cân hệ lực đồng quy, ta tìm nội lực dàn Trình tự tính tốn sau: - Xác định phản lực gối tựa, - Dùng mặt cắt tách mắt khỏi dàn, cho mắt khơng q chưa biết nội lực, Thay tác dụng phần bị cắt lực dọc N ik giả thiết khỏi mắt (Nik> 0: Lực kéo) - Xét cân mắt Vì hệ lực tác dụng lên mắt hệ lực đồng quy nên lập hai phương trình cân hình chiếu:  X = 0,  Y = cho mắt - Giải phương trình đó, ta tìm Nik Nếu kết mang dấu dương chịu kéo ngược lại Tách mắt 2: Mắt có haithanh chưa biết nội lực N2-7 N2- Ta tìm N2-3 Chọn trục y vng góc với 2-7 hình 5- 11c Từ  Y =  N2-3 cos300 - ( N2-1 + N2-8)cos300 =  N2-3 = N2-1 + N2-8 = - 60 +20 = - 40 kN (chịu nén) Nhận xét: Từ phương pháp tách mắt ta xác định có nội lực theo nguyên tắc sau: Nếu mắt có khơng trùng phương va khơng có ngoại lực tác dụng nội lực hai (hình - 12) Nếu mắt có khơng trùng phương, tải trọng phương với thanh, nội lực có phương với tải trọng trị số tải trọng ; cịn thứ hai có nội lực (hình - 13) Nếu mắt có thanh, hai thẳng hàng, mắt khơng có tải trọng tác dụng, nội lực hai thẳng hàng cịn lại có nội lực (hình - 140 Thí dụ: Cho dàn hỡnh vẽ Hóy xác định có nội lực khơng 3.Khung tĩnh định 3.1.Tính nối lực Q,M,N M : vẽ theo thớ căng Q & N : ghi dấu ( qui ước SBVL) Phư¬ng pháp tính khung tĩnh định Dầm tĩnh định hoàn toàn giống Tuy nhiên khung ba khớp ta phải thực theo trình tự tính toán sau: - Bớc 1: Xét cân toàn khung : 3.2.Quy ước dấu nội lực 3.3.Tính nội lực 3.4.Cơng thức tính lực cắt Q theo momen M Lực dọc Nz; Lực cắt Qx, Qy; Mômen uốn Mx, My; Mômen xoắn Mz 3.5.Vẽ biểu đồ nội lực M,N,Q Thùc theo trình tự sau: - Bớc 1: Phân tích đợc quan hệ đoạn dầm xem Dầm Dầm Dầm Dầm phụ thuộc Bớc 2: Tính phản lực đoạn dầm phụ thuộc trớc sau truyền phản lực xuống Dầm thông qua Liên kết trung gian (Khớp liên kết đơn) Tiếp ta tính phản lực Dầm Bớc 3: Vẽ biểu đồ nội lực cho đoạn dầm riêng lẻ sau ghép biểu đồ lại với ta đợc biểu đồ nội lực toàn Dầm ... học Cơ xây dựng mơn kỹ thuật sở, bố trí học trước môn học/mô đun chuyên môn Là môn sở chiếm vị trí đặc biệt quan trọng chương trình nghề kỹ thuật xây dựng Bài giảng môn học Cơ xây dựng? ?ược xây dựng. .. Giáo trình chủ yếu dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên Cao đẳng học sinh Trung cấp Kỹ thuật Xây dựng, làm tài liệu tham khảo cho người làm cơng tác xây dựng nói chung Nội dung môn học xây. .. - Vị trí: Cơ học xây dựng đựoc bố trí học từ đầu học kỳ năm thứ nhất, song song với môn học Vẽ kỹ thuật, Vật liệu xây dựng môn học khác Chính trị, Tin học - Tính chất: Cơ học xây dựng môn học