giáo trình kết cấu gỗ

đây là một tài liệu rất cần thiết liên quan đến môn học kết cấu gỗ và là một tài liệu để trang bị cho những kỹ sư ra trường những kiến thức căn bản và tính chất cơ lý về gỗ cũng như các bạn sinh viên để trang bị kiến thức trước khi ra trường

Chơng mở đầu

Đại cơng về kết cấu gỗ

Đ1 Đặc điểm và phạm vi áp dụng của kết cấu gỗ

Kết cấu gỗ là tên chung chỉ các loại công trình xây dựng hay bộphận của công trình chịu tải trọng làm bằng vật liệu gỗ hoặc chủyếu bằng vật liệu gỗ Cột nhà, kèo nhà, khung gỗ của nhà, cầu gỗ,

Bộ phận chịu lực đơn giản nhất của kết cấu đợc gọi là cấukiện; trong kết cấu gỗ, cấu kiện là các thanh gỗ hộp, gỗ tròn, cáctấm ván hay tấm gỗ dán Một hệ kết cấu gồm nhiều cấu kiện liênkết với nhau mà thành, ví dụ dàn, vòm, khung, hệ mái nhà,….Nhiều kết cấu kết hợp với nhau, cùng với các kết cấu bao che và các

bộ phận phụ trợ khác, làm thành một công trình hoàn chỉnh,thích ứng với một nhiệm vụ sử dụng nhất định

Tất cả các bộ phận, các cấu kiện bằng gỗ này của một côngtrình phải đợc thiết kế, tính toán để đảm bảo các yêu cầu về sử

dụng và chịu lực Kết cấu gỗ phải thích ứng đợc với các yêu cầu về

sử dụng đề ra cho công trình, phải có đủ độ bền [Trạng thái giớihạn I (bền, ổn định, biến hình, )], độ cứng [Trạng thái giới hạn II(võng, chuyển vị, độ lún, nứt, dao động, ) ] và tiết kiệm vậtliệu Ngoài ra còn phải xét đến các yêu cầu khác: tiết kiệm côngchế tạo, dễ dựng lắp, dễ sửa chữa, đẹp,…

1 Ưu, khuyết điểm của kết cấu gỗ

Gỗ là vật liệu xây dựng tự nhiên phổ biến khắp nơi, kết cấu gỗ

đợc sử dụng rộng rãi và từ lâu đời Để có thể sử dụng tốt và hợp lýkết cấu gỗ, cần biết u khuyết điểm của nó và phạm vi áp dụngthích hợp

…)

- Gỗ dễ chế tạo, chỉ cần sử dụng các loại dụng cụ đơn giản,phổ biến là có thể dễ dàng xẻ, ca, bào, khoan lỗ,

đóng đinh,…, chế tạo ngay tại chỗ Trong khi đó, với

vật liệu thép thờng phải chế tạo trong nhà máy, sử

dụng các thiết bị chuyên dụng, phức tạp, cồng kềnh Còn với bêtông cốt thép phải lắp dựng cốppha, trộn, đổ, đầm,… theo

đúng các yêu cầu kĩ thuật chặt chẽ

- Hình thức đẹp, sang trọng

* Khuyết điểm:

- Gỗ là vật liệu không bền, dễ bị h hỏng do mục, mối, mọt,

là loại vật liệu dễ cháy, tuổi thọ không cao

- Gỗ là loại vật liệu có tính không đồng nhất, không đẳnghớng, không phù hợp với các giả thuyết thờng dùng khi tính toán

Do cấu tạo của gỗ gồm những thớ xếp theo phơng dọc, gồmnhiều thành phần khác nhau từ trong ra ngoài, từ trên xuống dới (sẽtìm hiểu kĩ ở bài sau), do đó vật liệu gỗ là rất không đồng nhất

và đẳng hớng

Vì vậy, khi sử dụng các giả thuyết tính toán phải sử dụng các hệ

số an toàn cao và phải lựa chọn gỗ cẩn thận thích hợp với yêu cầuthiết kế

- Gỗ thờng có nhiều khuyết tật làm giảm

khả năng chịu lực và làm cho việc chế tạo khó

khăn: mắt gỗ, khe nứt, thớ vẹo, lỗ mục, thân

dẹt, thót ngọn,…

- Gỗ là loại vật liệu ngậm nớc; do vậy, khi

thời tiết thay đổi dễ bị dãn nở hay co ngót

Tất cả các khuyết điểm trên là của gỗ thiên nhiên cha quachế biến Với các biện pháp hiện đại, ngời ta có thể loại trừ cáckhuyết điểm đó Ngày nay ít sử dụng các thanh gỗ tròn mà dùngnhiều các thanh và các tấm gỗ dán Loại vật liệu này có đủ cáctính chất của một loại vật liệu xây dựng quý giá: nhẹ, khoẻ, chịulực tốt mà đẹp mắt, dễ vận chuyển, dựng lắp, không bị mục,mối, mọt, khả năng chịu lửa cao

2 Phạm vi áp dụng kết cấu gỗ

Kết cấu gỗ thờng sử dụng cho các công trình sau:

- Nhà dân dụng: các nhà ở 1 tầng, 2 tầng,

- Nhà công cộng: hội trờng, trụ sở, nhà văn hoá, trờng học…

- Nhà sản xuất: kho thóc gạo, chuồng trại chăn nuôi, xởng chếbiến thực phẩm, xởng sản xuất, sửa chữa nhỏ,… Cũng có thể dùngcho các nhà máy lớn có cầu trục nh nhà máy xẻ và chế biến gỗ, cơkhí nhẹ; cũng có thể dùng trong các xởng hoá chất có các chất ănmòn kim loại thay cho kết cấu thép

- Giao thông vận tải: làm cầu cho ôtô, đờng sắt…, nhịp cóthể tới vài chục mét

- Thuỷ lợi: cầu tầu, bến cảng, cửa van, cửa âu thuyền, cốngnhỏ, đập nhỏ…

- Thi công xây dựng: làm đà, giáo, ván khuôn, cọc tre, ván,cọc, tờng chắn,…

Tuy nhiên, nói chung, kết cấu gỗ chỉ thích hợp với các côngtrình loại vừa và nhỏ, không mang tính chất vĩnh cửu

Thời kì phục hng và thời kì đầu của sản xuất t bản chủ nghĩa,cùng với việc cơ khí hoá khai thác và gia công gỗ, sự ra đời và pháttriển của các môn khoa học chuyên ngành đã đa kết cấu gỗ đếnmột bớc tiến mới Hàng loạt hình thức kết cấu mới ra đời làm chokhả năng ứng dụng của kết cấu gỗ càng rộng lớn hơn

Từ thế kỷ 19, do kim loại sản xuất nhiều và do các yêu cầu kỹ thuậtmới, gỗ không còn giữ địa vị chính trong kết cấu công trình nữa

mà nhờng chỗ cho thép và sau này là bê tông cốt thép Tuy nhiên,

gỗ vẫn đợc dùng nhiều do tính kinh tế và phẩm chất kỹ thuật cao.Thời hiện đại, ở Liên Xô (cũ), ngời ta đã xây dựng đợc những côngtrình rất lớn làm bằng gỗ: mái nhà triển lãm bằng vỏ lới không gian

nhịp tới 100m, các tháp nớc, tháp làm nguội cao tới 36 m, tháp vôtuyến điện cao 190 m, cầu ôtô nhịp tới 40 m,….

Ngày nay trên thế giới, trình độ phát triển của kết cấu gỗ đã đạtrất cao:

+ Về vật liệu: vật liệu gỗ đều qua chế biến bằng cơ giới, hoá chất

để đạt chất lợng cao nhất và ổn định Việc khai thác, gia công,chế biến đều hoàn toàn cơ giới hoá Từ vật liệu gỗ thiên nhiên, ng-

ời ta đã chế tạo ra các vật liệu nhân tạo: gỗ dán keo, gỗ dán mỏng(fane), gỗ ép,… Với những vật liệu mới này, có thể làm nên kếtcấu có kích thớc, hình dạng bất kì

+ Về cách chế tạo, lắp ghép: hầu hết đều đợc công nghiệp hoá.+ Về kết cấu: hình thức kết cấu ngày càng trở nên phong phú vàhoàn thiện Kết cấu gỗ ngày nay có thể đáp ứng cho hầu hết cácloại công trình có nhiệm vụ sử dụng khác nhau, với chất lợng côngtrình cao ngang vật liệu thép và bê tông cốt thép

ở Việt Nam, kết cấu gỗ cũng có lịch sử lâu đời Kết cấu gỗthờng đợc sử dụng trong các công trình nhà ở, đình chùa, thànhquách, công sự, pháo đài, công trình giao thông, thuỷ lợi…

Nhân dân ta đã có truyền thống sử dụng gỗ và đã đạt đợctrình độ cao về nghệ thuật cũng nh kỹ thuật trong kết cấu gỗ.Tuy nhiên, hiện nay chúng ta mới chỉ biết kế thừa mà cha phát huy

đợc nhiều, gỗ dùng quá ít trong các công trình lớn, hình thức kếtcấu nghèo nàn Vì thế, trong điều kiện phát triển nh hiện nay,chúng ta, những ngời thiết kế, phải đợc trang bị những kiến thứckhoa học và kinh nghiệm thiết kế, chế tạo, nghiên cứu về gỗ ViệtNam

Rừng Việt Bắc có: lim, nghiến, vàng tâm.

Rừng Tây Bắc có: trai, đinh, lim, lát, mun

Khu Bốn: Đinh, lim, sến, táu ở Nghệ An; huê mộc, giáng hơng ởQuảng Bình

Nam Trung Bộ có: kiền kiền, trắc, mun, cẩm lai

Vùng duyên hải Nam Bộ: có đớc, tràm

Miền Đông: có mun, cẩm lai, bằng lăng

Gỗ không chỉ có ở rừng núi mà còn có ở địa phơng nông thôn,

đồng bằng nh: xoan, phi lao, mít, xà cừ, bạch đàn, keo

Tuy nhiên rừng gỗ nớc ta hầu hết là rừng thiên nhiên, lẫn gỗ tốt và

gỗ xấu, năng suất khai thác không cao Đồng thời, qua hàng baonhiêu thế kỉ khai thác không khoa học, rừng bị tàn phá nghiêmtrọng, chất lợng rừng và trữ lợng gỗ giảm sút rõ rệt Do đó, việcphát triển khai thác gỗ phải đi đôi với việc bảo vệ, cải tạo và gâytrồng rừng

2 Gỗ Việt Nam

Trong số hàng ngàn loại gỗ ở rừng, hiện nay chỉ sử dụngkhoảng 400 loại khác nhau Hiện tại có hai cách phân loại gỗ

Cách phân loại thứ nhất: Theo tập quán lâu đời của nhân

dân: Các loại gỗ sử dụng đợc chia làm bốn nhóm căn cứ vào vẻ

đẹp, tính bền vững của gỗ khi làm nhà, đồ đạc Cách hai: theonghị định chính phủ

a Nhóm gỗ quý: gồm các loại gỗ

có màu sắc đẹp, hơng vị đặc biệt, không bị mối, mọt, mục,chủ yếu đóng các đồ quý giá, hàng mĩ nghệ

Ví dụ: gỗ gụ, trắc, mun có vân

đẹp, màu bóng thẫm, tính chất cơ học cao, rất nặng và chắc.Lát hoa màu nâu hồng, vân gợn sóng, chịu đợc ma nắng, tínhchất cơ học cao Ngọc trai, ngọc am, trầm hơng cũng là những loại

gỗ quý thông dụng khác Gỗ quý hầu nh không bao giờ dùng trongcác công trình xây dựng Hiện nay gỗ quý ngày càng hiếm

b Nhóm thiết mộc: gồm các loại

gỗ nặng và cứng nhất, tính chất cơ học rất cao, ít khi bị mục,mối, mọt, thờng dùng cho các công trình chịu lực nặng

Đó là các loại gỗ: đinh, lim, sến, táu (tứ thiết), trai, nghiến

Đinh thờng có ở vùng Tây Bắc Lim ở Quảng Bình, ThanhHoá, Hoà Bình, Hà Bắc, Lạng Sơn Sến, táu ở vùng Thanh Hoá,Nghệ An, Hà Tĩnh Nghiến, trai ở Tây Bắc

Thiết mộc là một sản vật của rừng nớc ta, có giá trị đặcbiệt, tuy nhiên hiện nay ngày càng hiếm Không nên dùng chúngtrong xây dựng vì rất không kinh tế, chỉ nên dùng ở những nơikhó có vật liệu khác thay thế, cần vật liệu có độ đàn hồi lớn màlại phải khoẻ

c Nhóm hồng sắc: gồm các loại

gỗ có màu sắc hồng, nâu, đỏ, nhẹ hơn, và kém cứng hơn nhóm

tứ thiết Thờng chia làm hai loại: hồng sắc tốt và hồng sắc thờng

- Gỗ hồng sắc tốt: dẻo, dễ gia công, tính chất cơ học khácao, chịu đợc nớc, ít bị mục, mối, mọt, dùng làm nhà cửa, đóngtàu thuyền, đóng đồ dùng rất tốt Ví dụ: mỡ, dổi, tếch, vàngtâm, săng lẻ, gội nếp, gội tẻ,…

- Gỗ hồng sắc thờng: gỗ không chịu đợc mục, mối, mọt Vídụ: re (re đỏ, re xanh), muồng, sâu sâu, ràng ràng, sồi, xoan

d Nhóm gỗ tạp: gồm các loại gỗxấu, màu trắng, nhẹ, mềm, dễ bị mối mọt, tính chất cơ họcthấp Trớc kia không sử dụng làm kết cấu chịu lực, nhng hiện naycòn rất nhiều trong rừng nớc ta, chúng ta cần nghiên cứu để tậndụng loại gỗ này

Cùng với những cố gắng của ngành công nghiệp khai thác vàcung cấp gỗ, những ngời thiết kế và sử dụng gỗ có nhiệm vụ

nghiên cứu để sử dụng tốt, hợp lý, tiết kiệm, kéo dài tuổi thọ của

gỗ cũng nh tận dụng các loại gỗ

Đ2 Các quy định về phân loại và sử dụng gỗ

Nh trên đã nói, nớc ta có rất nhiều loại gỗ, có đặc điểm,tính chất khác nhau, do đó cần phải nghiên cứu sử dụng đúng chỗ

và hợp lý, tiết kiệm Ngoài ra việc cung cấp gỗ cho sử dụng luônkhan hiếm do việc khai thác khó khăn, phơng tiện thiếu thốn,việc sử dụng và quản lý gỗ còn cha tốt, gây lãng phí Vì vậychính phủ đã đa ra một số quy định về quản lý, phân loại và sửdụng gỗ sao cho hợp lý và tiết kiệm

1 Phân loại gỗ sử dụng

Gỗ sử dụng đợc chia làm 8 nhóm căn cứ vào tính chất cơ lý, màusắc, cấu trúc, thích ứng với các phạm vi sử dụng nhất định

Nhóm I: gồm những gỗ có màu sắc, mặt gỗ, hơng vị đặc

biệt, tức là các loại “gỗ quý” (trắc, gụ, lát, mun,…)

Nhóm II: Gồm các loại gỗ có tính chất cơ học cao nhất Nhóm

thiết mộc (đinh, lim, sến, táu, trai, nghiến, kiền kiền,…) nằm ởnhóm này

Nhóm III: gồm các loại gỗ có tính dẻo, dai dùng để đóng tàu

thuyền nh chò chỉ, tếch, săng lẻ,…

Nhóm IV: gồm các loại gỗ có màu sắc, mặt gỗ và khả năng

chế biến thích hợp cho công nghiệp gỗ lạng và đồ mộc nh re, mỡ,vàng tâm, dổi

Từ nhóm V - VIII: xếp loại căn cứ vào sức chịu lực của gỗ, cụthể là dựa vào trọng lợng riêng gỗ

* Gỗ làm công trình xây dựng đợc quy định nh sau:

- Công trình lâu năm, quan trọng, các bộ phận chịu nắng,

ma đợc dùng gỗ nhóm II làm kết cấu chịu lực: trừ lim, táu, nghiến

- Nhà cửa thông dụng: dùng gỗ nhóm V làm kết cấu chịu lực

- Các bộ phận không chịu lực nh khung cửa, hoặc chịu lựcnhỏ nh li tô, cầu phong, các kết cấu nhà tạm, cọc móng, câychống… dùng gỗ nhóm VI trở xuống

- Kích thớc gỗ xẻ phải tuân theo quy cách thống nhất:

Ngoài ra còn có tiêu chuẩn TCVN 1072-71 quy định vềphân nhóm gỗ theo tính chất cơ lý, tiêu chuẩn TCVN 1075-71 quy

định về kích thớc gỗ xẻ và các tiêu chuẩn khác quy định về kíchthớc gỗ tròn, khuyết tật gỗ tròn, các thuật ngữ thống nhất của gỗ

xẻ, các phơng pháp thử tính chất cơ lý của gỗ,…

Đ3 Cấu trúc và thành phần hoá học của gỗ

1 Cấu trúc

Gỗ Việt Nam hầu hết thuộc loại cây lá rộng, gỗ lá kim chỉ ít loại

nh thông, pơ mu, ngọc am, kim giao, phi lao… Gỗ cây lá rộng cócấu trúc phức tạp hơn gỗ cây lá kim

Để quan sát cấu trúc của gỗ ngời ta có thể dùng mắt thờng đểquan sát cấu trúc thô đại và dùng kính hiển vi để quan sát cấutrúc vi mô

Cắt ngang một thân cây gỗ, bằng mắt thờng ta thấy từ ngoàivào trong gồm những lớp

Có nhiều loại gỗ mà giác lõi không phân biệt

- ở trung tâm là tuỷ (ruột): là bộ phận mềm yếu nhất trong cây

gỗ, dễ bị mục nát Khi xẻ gỗ, ngời ta thờng xẻ sao cho tuỷ nằm ởtrong lòng hộp gỗ (hộp bọc ruột) để tuỷ khỏi bị mục nát

ở nhiều loại gỗ, ta còn thấy các vòng tròn đồng tâm bao quanhtuỷ là các vòng tuổi, mỗi vòng ứng với 1 năm sinh trởng của cây.Một vòng tuổi gồm 2 lớp: lớp thẫm là gỗ muộn, lớp nhạt là gỗ sớm.Nhìn kĩ còn thấy những tia hớng tâm nhỏ li ti gọi là các tia lõi, gỗthờng bị nứt theo các tia này

Nếu quan sát kĩ bằng kính hiển vi ta thấy các thành phần nh sau:

- Tế bào thớ gỗ: hình thoi nối xếp nhau theo chiều dài thân cây,chiếm 76% thể tích gỗ, là bộ phận chính chịu lực của gỗ

- Mạch gỗ: là các tế bào lớn hình ống dùng để dẫn chất dinh dỡngtheo chiều đứng

- Tia lõi: là những tế bào nằm ngang dẫn nớc và chất dinh dỡngtheo chiều ngang cây

6

5

43

12

- Nhu tế bào: nằm xung quanh mạch gỗ và có lỗ thông với mạch,chứa chất dinh dỡng nuôi cây.

Mỗi loại gỗ có đặc điểm, cách bố trí khác nhau Căn cứ vào cách

bố trí, hình dạng tia lõi, mạch, nhu tế bào có thể xác định đợctên gỗ

Quan sát cấu trúc của gỗ, ta thấy gỗ là vật liệu không đồng nhất,không đẳng hớng, gồm các thớ chỉ xếp theo phơng dọc, mangtính chất xếp lớp rõ rệt theo các vòng tuổi Vì vây, tính chất của

gỗ, sự chịu lực của gỗ là không giống nhau theo các phơng khácnhau và tại các chỗ cũng khác nhau Gỗ chịu lực khoẻ theo phơngdọc thớ, kém theo phơng ngang thớ (kém vài chục lần

theo phơng dọc)

Khi nghiên cứu cấu trúc gỗ, phải phân biệt 3 loại mặt

cắt:

- Mặt cắt ngang: thẳng góc với trục thân cây (1)

- Mặt cắt xuyên tâm: Dọc theo trục thân cây, đi qua

tâm (2)

- Mặt tiếp tuyến: dọc theo trục thân cây, không đi qua

tâm (3)

Tơng ứng với các vị trí mặt cắt, phân biệt ra 3 phơng: phơngdọc trục, phơng xuyên tâm và phơng tiếp tuyến

2 Thành phần hoá học

Gỗ bao gồm các hợp chất hữu cơ: xenlulô, lignhin, cáchêmixenlulô, tananh, nhựa cây, sắc tố,…, thành phần gồm cácnguyên tố C, H, O, N,… và một số muối khoáng Ca+, Na+, K+,…

123

đổi theo các loại gỗ Khi đó, nớc chứa đầy trong các thành tế bào.

Độ ẩm này gọi là điểm bão hoà thớ

Gỗ mới hạ có W = 30 - 50%, phần vỏ tới trên 100%

Sự thay đổi độ ẩm hấp phụ có ảnh hởng trực tiếp đến kích thớc

và hình dạng cây gỗ, gây co ngót, cong vênh, nứt, nở

dọc không đáng kể, khoảng 0,1% Do co ngót theo các phơngkhông đều nhau, khi khô đi gỗ dễ bị cong vênh và nứt nẻ Gỗcàng nặng, kích thớc gỗ càng lớn, sự cong vênh và nứt nẻ càngnhiều

Sự co ngót, cong vênh, nứt nẻ có gây tác hại lớn đối với kết cấu gỗ:làm cho liên kết bị lỏng, các tấm ván bị cong vênh, xuất hiện cáckhe nứt làm mất khả năng chịu lực của cấu kiện gỗ Vì thế,không đợc dùng gỗ có độ ẩm lớn Với nhà cửa, độ ẩm của gỗ khôngquá 25%, với kết cấu gỗ dán không quá 15% (trừ với kết cấu gỗ nằmtrong nớc hoặc luôn ở trạng thái ẩm ớt thì độ ẩm không hạn chế)

Gỗ trớc khi sử dụng phải đợc hong sấy: hong khô tự nhiên ngoài trờihoặc sấy khô trong lò

- Khi cha xác định đợc cờng độ của gỗ, ta có thể dựa vàotrọng lợng riêng để phán đoán khả năng chịu lực.

- Gỗ nghiến có trọng lợng riêng 1,1 T/m3, sến là 1,08 T/m3,xoay là 1,15 T/m3

- Gỗ nhẹ và xấu có trọng lợng riêng < 0,45 T/m3 không đợcdùng làm kết cấu chịu lực

Các tính chất vật lí khác của gỗ nh tính giãn nở nhiệt, dẫnnhiệt,… ít liên quan đến kết cấu gỗ chịu lực nên ta không xét ở

đây

Đ5 Tính chất cơ học của gỗ

Tính chất cơ học của gỗ bao gồm các chỉ tiêu về độ bền ờng độ), độ đàn hồi (modul đàn hồi) khi chịu kéo, nén, uốn, épmặt và trợt Để xác định các chỉ tiêu này ngời ta chế tạo các mẫu

(c-gỗ nhỏ, không có tật bệnh và đem thí nghiệm trên máy với tốc độgia tải nhất định

Một đặc điểm ảnh hởng rất lớn đến cờng độ của gỗ là tốc

độ gia tải và thời gian tác dụng của tải trọng mà ta xét sau đây:

1 ảnh hởng của thời gian chịu lực Cờng độ lâu dài của gỗ

Cờng độ của gỗ phụ thuộc rất rõ vào tốc độ tác dụng của tảitrọng Tải trọng đặt vào càng nhanh thì cờng độ của gỗ càngcao Với tải trọng đặt rất nhanh (t ≈ 0) ta đợc cờng độ gỗ lớn nhất

t

σ

σb

ldσ

đợc mà không bao giờ bị phá hoại

2 Sự làm việc của gỗ chịu kéo, nén, uốn

2.1 Sự làm việc của gỗ khi chịu kéo

Cờng độ chịu kéo dọc thớ của gỗ 800 - 1000 kG/cm2, đờng biểudiễn quan hệ ứng suất - biến dạng gần nh thẳng, nhất là tronggiai đoạn đầu, có thể coi nh ứng suất tỉ lệ với biến dạng Mẫu gỗ

bị phá hoại đột ngột khi bị biến dạng

nhỏ ε khoảng 0,8% Nh vậy, khi chịu

kéo gỗ làm việc nh vật liệu giòn Tuy

cờng độ chịu kéo của gỗ khi thí

nghiệm khá cao nhng không sử dụng

giảm khả năng chịu kéo của gỗ rất

nhiều Cả kích thớc thanh gỗ cũng làm ảnh hởng đến cờng độchịu kéo của gỗ

Do tất cả các ảnh hởng trên ta thấy gỗ không phải là vật liệu chịukéo tốt Để làm thanh kéo, phải lựa chọn thanh gỗ có phẩm chấttốt, ít bệnh tật

Cờng độ chịu kéo ngang thớ của gỗ rất nhỏ, bằng khoảng 1/15 1/20 cờng độ chịu kéo dọc thớ Do đó, trong kết cấu gỗ khôngbao giờ cho gỗ chịu kéo ngang thớ

-2.2 Sự làm việc của gỗ khi chịu nén

Cờng độ chịu nén dọc thớ Rn = 300 ữ 450 kG/cm2, có thể

đạt tới 700 kG/cm2

Biểu đồ nén có dạng đờng cong rõ rệt, gỗ bị phá hoại ở

việc dẻo Các yếu tố nh bệnh tật, thớ chéo, giảm yếu tiết diện ít

trong các chỉ tiêu cờng độ, đợc dùng để đánh giá, phân loại gỗ.Nén là hình thức chịu lực thích hợp nhất với gỗ

2.3 Sự làm việc của gỗ khi chịu uốn

Ru = 700 ữ 900 kG/cm2 ảnh hởng của mắt gỗ, giảm yếu, thớ chéo,kích thớc ở mức trung gian giữa kéo và nén

Khi mômen uốn nhỏ, ứng suất pháp phân bố dọc chiều cao tiếtdiện theo quy luật gần nh đờng thẳng, trị số ứng suất thớ biên có

ε

σ

tlσ

bσ

kéo

nén

thể tính bằng công thức σ =

W

M Tăng tải trọng lên, ứng suất nénphân bố theo đờng cong và tăng chậm, trong vùng nén xuất hiệnbiến dạng dẻo ứng suất kéo vẫn tiếp tục tăng nhanh theo quy luậtgần nh đờng thẳng, trục trung hoà lui xuống phía dới Mẫu bắt

đầu bị phá hoại khi ở vùng nén ứng suất đạt cờng độ nén, các thớnén bị gãy làm xuất hiện các đờng gấp nếp trên mặt gỗ Mẫu gỗ

bị phá hoại hẳn khi ứng suất các thớ biên dới đạt cờng độ kéo

+

W

M chỉ là cờng độ quy ớc

số các cạnh của tiết diện thanh gỗ: thanh gỗ tròn có cờng độ lớnhơn thanh gỗ hộp có cùng mômen chống uốn W; thanh gỗ có chiềucao lớn hơn chiều rộng quá nhiều cờng độ cũng giảm Do vậy, khi

Môđun đàn hồi của gỗ khi kéo, nén và cả uốn xấp xỉ bằng nhaunên ta dùng chung một giá trị Môđun đàn hồi của gỗ Việt Namthay đổi trong phạm vi rộng, từ 6.104 đến 2.105 kG/cm2, trongtính toán lấy chung E= 105 kG/cm2

* ép mặt dọc thớ

ép mặt dọc thớ xảy ra khi truyền lực ép lên đầu mút của thanh

gỗ Rem dọc thớ không khác nhiều Rn dọc thớ, trong tính toán khôngphân biệt

* ép mặt ngang thớ

Gỗ khi bị ép ngang thớ có biến dạng

rất lớn do gỗ có cấu trúc dạng sợi Biểu

đồ ứng suất - biến dạng nh hình vẽ

Ban đầu các thớ gỗ bị ép vào nhau,

biều đồ có dạng hình parabol cong

về phía trên Sau đó, các thành tế

bào gỗ bị ép lại và bị phá hoại, biến

dạng tăng rất nhanh, biểu đồ có độ

dốc thoải Cuối cùng, sau khi các thành

tế bào bị phá hoại và ép sát nhau, gỗ

lại có thể chịu đợc tải trọng (sự cứng

lại) Nh vậy, sự làm việc ép mặt ngang thớ không phải căn cứ vàoứng suất phá hoại mà chủ yếu do biến dạng quá lớn không chophép Ngời ta thờng lấy cờng độ giới hạn là ứng suất tỉ lệ σtl ứngvới lúc gỗ bắt đầu bị biến dạng nhiều

(trên một phần chiều dài hoặc trên một phần diện tích)

thớ ép mặt cục bộ có diện tích càng nhỏ thì cờng độ càng cao

σtl

ε

bắt đầucứng lạ i

σem

- Hay gặp nhất là trợt dọc thớ và trợt ngang thớ Cờng độ trợt dọc thớ

FT

ứng suất trợt thực ra phân bố không đều trên mặt trợt, ứng suấttrợt cực đại thực tế lớn hơn nhiều so với ứng suất trung bình

Tuỳ theo vị trí của ngoại lực đối với mặt trợt còn phân ra trợt mộtphía nếu lực T đặt ở một đầu, trợt trung gian hay trợt kẹp nếu lực

T đặt ở hai đầu của mặt trợt

e e

τ

τ max

tb =PF

τ

τ F

=Ptb P

P P

V

T T

N

Trị số τtb phụ thuộc vào các điều kiện sau:

+ Tuỳ theo trợt một phía hay trung gian, trợt trung gian có τtb lớnhơn

+ Tuỳ thuộc vào tỉ số

e

ltr, τtb lớn khi

e

ltr = 3 ữ 4 Nếu

e

ltr quá lớn thìứng suất phân bố không đều, nhỏ quá thì gỗ cũng nhanh bị pháhoại do hiện tợng tách thớ

+ Có lực ép hay không Nếu có lực ép khả năng chịu trợt tăng lênnhiều

- Trợt xiên thớ: cờng độ trợt phụ thuộc góc xiên α Tơng tự nh épmặt xiên thớ, trợt xiên thớ rất ít khi xảy ra

4 Các yếu tố ảnh hởng đến cờng độ của gỗ

a ảnh hởng của độ ẩm

Độ ẩm hấp phụ ảnh hởng đến cờng độ của gỗ Khi độ ẩm tăng từ

0 đến điểm bão hoà thớ thì R và E giảm Tăng độ ẩm quá điểmbão hoà thớ thì R không thay đổi nữa Để có thể so sánh R của gỗkhi ở các độ ẩm khác nhau thì phải chuyển R về độ ẩm thốngnhất

Cờng độ ở độ ẩm bất kì đợc chuyển về cờng độ ở độ ẩm 18%theo công thức sau:

R18 = Rw[1 + α(W - 18)] → RwTrong đó:

về cờng độ ở nhiệt độ tiêu chuẩn theo công thức:

gỗ là: mắt cây, thớ nghiêng, khe nứt

- Mắt cây: chỗ cành cây đâm từ thân ra, thớ gỗ bị lợn vẹo

làm cho chỗ đó cờng độ giảm Mắt gỗ đặc biệt có hại đối vớicấu kiện chịu kéo và cũng gây ảnh hởng khá nhiều đến cấukiện chịu nén và chịu uốn

- Thớ nghiêng: các thớ của cây không nằm theo phơng dọc

trục thân cây gỗ, khi làm việc trở thành trạng thái chịu lực xiênthớ làm giảm cờng độ gỗ

- Khe nứt: khe nứt xuất hiện cả khi cây đang sống và khi hạ

cây Khe nứt làm gỗ mất tính nguyên vẹn, làm giảm khả năngchịu lực Vết nứt ít ảnh hởng đến cờng độ nén nhng gây tác hạirất lớn khi chịu kéo ngang thớ và trợt Ngoài ra vết nứt làm cho hơi

ẩm thâm nhập làm cho gỗ dễ bị mục, mối, mọt

- Thớ vẹo, thân dẹt, thót ngọn

Đ6 Phòng mục, phòng mối, mọt và phòng hà cho gỗ

1 Phòng mục

Mục là do một loại thực vật - nấm sinh trởng trong gỗ và ăn

gỗ Khi bị mục gỗ trở nên xốp và nhẹ, tính chất cơ học giảm đinhiều và dần dần bị phá hoại

Nấm phát triển tốt và mạnh trong điều kiện độ ẩm W = 30

vậy, biện pháp phòng mục là ngâm gỗ mới hạ trong nớc, sau đó

Đối với kết cấu nhà cửa cần đợc che ma và giữ cho thoáng

để nớc dễ bay hơi Đối với bộ phận gỗ mà không thể khống chế

đ-ợc độ ẩm hoặc khi gỗ đã bị mục thì phải dùng phơng pháp hoáchất

Mọt tốc độ phá hoại chậm hơn, đào hang nhằng nhịt trong

gỗ làm kết cấu kém sức chịu đựng Biện pháp phòng ngừa là dùngsơn sơn kín mặt gỗ, bịt kín các lỗ mạch lại để mọt không thể đẻtrứng vào các ống mạch đợc

3 Phòng hà

Phòng hà cho các công trình ở vùng nớc mặn và nớc lợ

Phơng pháp cổ truyền là thui cho gỗ bị cháy xém theo

định kì hoặc bọc bên ngoài gỗ bằng ống bê tông hay ống sành ởgiữa có chèn cát hoặc đất sét Nhng tất cả các biện pháp trên

đều không có hiệu quả cao, biện pháp tốt nhất là ngâm tẩm gỗbằng hoá chất

4 Ngâm tẩm gỗ bằng hoá chất

- Thuốc muối vô cơ: NaF (Florua Natri), Na2SiF6 (Florua SilicátNatri), CuSO4 (Sunfat đồng)

+ NaF: độc với nấm, thờng tẩm vào các kết cấu trong nhà

+ Crêôzốt: diệt cả nấm, mối, mọt và hà, có mùi khó chịu và làm

đen gỗ nên thờng dùng cho các công trình ngoài trời hoặc các bộphận chôn kín

+ C6Cl5OH: rất độc với nấm, mối, mọt nhng ít độc đối với ngời, làloại thuốc tốt, rất đợc a dùng

Trên cơ sở các hoá chất nói trên, ngời ta hỗn hợp pha chế ra các loạithuốc khác nhau:

+ Dầu Crêôzốt, chủ yếu tẩm cho các tà vẹt, các công trình giaothông

+ Cao NaF, gồm bột NaF, nhựa đờng, dầu hoả,… để phòng mụccho các cầu gỗ

+ Thuốc đônalit U, gồm NaF và Na2Cr2O7 (bicromat natri),

đinitrôfênol để trừ nấm Nếu có thêm thạch tín (thuốc đônalitUA) thì trừ đợc cả mối, mọt

+ Thuốc duotex và thuốc hylotox gồm có DDT và thuốc trừ sâu

666 dùng để trừ mối, mọt, nhng không trừ đợc nấm Một loạihylotox khác (gọi là ahôpin) có thêm pentaclofenol thì trừ đợc cảnấm mốc

- Cách ngâm tẩm: đơn giản là quét hay phun thuốc lên bề mặt

gỗ nhiều lần hoặc ngâm gỗ vào bể dung dịch thuốc cho thuốcngấm vào hoặc dùng bơm áp lực cao để ngâm tẩm thuốc

Chơng II

Tính toán các cấu kiện cơ bản

Đ1 Nguyên lý tính toán kết cấu gỗ

Cũng nh kết cấu bê tông và kết cấu thép, kết cấu gỗ cũng

đợc tính toán theo phơng pháp trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn là trạng thái ứng với thời điểm kết cấukhông còn tiếp tục sử dụng đợc nữa

(là trạng thái giới hạn về bền, ổn định, )

Khi tính kết cấu gỗ theo trạng thái giới hạn thứ nhất, ta so sánh nộilực lớn nhất có thể sinh ra trong cấu kiện với khả năng chịu lực giớihạn của cấu kiện, nhằm đảm bảo cho kết cấu không bị phá hoại

về mặt cờng độ và ổn định Khả năng chịu lực đó không đợcnhỏ hơn nội lực lớn nhất trong cấu kiện:

N ≤ Φ

N: nội lực tính toán sinh ra trong kết cấu, ở trờng hợp tổ hợpbất lợi nhất N đợc tính với tải trọng tinh toán Tải trọng tính toán =tải trọng tiêu chuẩn x hệ số độ tin cậy tải trọng (hệ số vợt tải)

Φ: khả năng chịu lực của kết cấu, là hàm số phụ thuộc chấtlợng, tính chất cơ học của vật liệu cũng nh của đặc trng hìnhhọc và điều kiện làm việc của kết cấu

Cờng độ tiêu chuẩn: cờng độ giới hạn của các mẫu thínghiệm x kld

Do gỗ sử dụng có kích thớc lớn hơn mẫu thí nghiệm và do ảnh ởng của kết cấu gỗ có các khuyết tật, do vậy, cờng độ của gỗ khitính toán phải lấy giảm xuống:

h-Rtt = Rtc xk1 xk2 = kxRtc

k = k1.k2 < 1 gọi là hệ số đồng nhất

Kết cấu gỗ còn bị ảnh hởng của hình dạng tiết diện, của hiện ợng tập trung ứng suất tại các lỗ khuyết, của sự phân bố không

t-đều của ứng suất trợt,… Để kể tới hiện tợng này phải xét thêm hệ

số điều kiện làm việc m

Từ đó trạng thái giới hạn I biểu thị bằng công thức sau:

N = ΣNittxni ≤ Φ(S, k, Rtc, m) = S

Nitt: nội lực do tải trọng tính toán i sinh ra trong kết cấu.

ni: hệ số tổ hợp tơng ứng với các tải trọng

S: đặc trng hình học của tiết diện (F, W, J,…)

2 Trạng thái giới hạn thứ hai

(Là trạng thái giới hạn về biến dạng, độ võng, chuyển vị)

∆ ≤ f

∆: biến dạng của kết cấu dới tác dụng của tải trọng tiêuchuẩn

f: biến dạng cho phép, xác định theo tiêu chuẩn

Với trạng thái giới hạn II dùng tải trọng tiêu chuẩn vì tải trọng luônluôn xuất hiện trong điều kiện bình thờng Tải trọng tính toánxuất hiện ít, và nếu có vợt quá biến dạng cho phép cũng khôngnguy hiểm lắm

3 Tính toán phân tố tiết diện nguyên

Là tiết diện của cấu kiện tạo bởi một thân cây gỗ, có tiếtdiện tròn, chữ nhật, vuông

Tiết diện có thể gồm nhiều thân cây gỗ ghép lại với nhaubằng liên kết chốt, đinh, chêm: gọi là tiết diện tổ hợp liên kếtmềm

Trong các phần tiếp theo ta đi xét trờng hợp tính toán cấukiện gỗ tiết diện nguyên

90 emR

em

sin1R

R1

Ro

o

90

em

tÝnh:

α

3 90

tr tr

tr tr

sin1R

R1

RR

=

α

3

tr tr

sin1

RR

2 Hệ số điều kiện làm việc

Bảng hệ số điều kiện làm việc

1

Uốn ngang:

a Ván và thanh có kích thớc cạnh của tiết diện nhỏ

khi tỉ số chiều cao và chiều rộng tiết diện

- Dầm tổ hợp liên kết chêm, do 2 hay nhiều thanh

Ngoài ra, khi cần xét đến các nhân tố tác dụng đồng thời (độ

ẩm, nhiệt độ, tải trọng ngắn hạn, cấu kiện cong,…) thì cờng độ

tính toán và môđun đàn hồi phải nhân thêm với các hệ số điềuchỉnh tơng ứng.

gỗ

Đ3 Cấu kiện chịu kéo đúng tâm

1 K/N: Cấu kiện chịu kéo đúng tâm khi lực nằm dọc theo trụccấu kiện Nếu cấu kiện có các giảm yếu thì giảm yếu đối xứngvới trục cấu kiện

Fng: diện tích nguyên của tiết diện

20 cm coi nh trên cùng một tiết diện để tránh sự phá hoại của gỗtheo đờng gãy khúc Fgy < 0,5Fng

Rk: cờng độ chịu kéo tính toán

Đ4 Cấu kiện chịu nén đúng tâm

Đ/N: Cấu kiện chịu nén đúng tâm khi lực dọc gây nén trùngtrục cấu kiện

Phần A Bài toán kiểm tra khả năng chịu lực:

1 Kiểm tra điều kiện điều kiện bền

Chỉ thực hiện khi có giảm yếu Do gỗ có tính dẻo khi chịu nén,nên khi kiểm tra độ bền không cần xét đến ảnh hởng của ứngsuất tập trung ở tiết diện giảm yếu Khi tính

toán chỉ xét đến phần giảm yếu của tiết

diện Công thức kiểm tra:

Rn: cờng độ chịu nén tính toán

2 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể

+ Nếu giảm yếu bên rìa và đối xứng: Ftt = Fth

+ Nếu giảm yếu không ở bên rìa cấu kiện:

N

NN

N

+ Khi λ > 75: kết cấu gỗ làm việc trong giai đoạn đànhồi

lo: chiều dài tính toán của cấu kiện

rmin: bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện nguyên

3 Độ mảnh cho phép của cấu kiện chịu nén:

Qua ví dụ trên ta thấy, với cấu kiện chịu nén, việc kiểm tra

ổn định có tính chất quyết định so với kiểm tra bền

Phần B Bài toán thiết kế

Các công thức trên là công thức để kiểm tra tiết diện nhngtrong thực tế hay gặp lại là bài toán thiết kế, chọn tiết diện khibiết nội lực

Nhà bác học Côsêcốp đã giải bài toán và đa ra công thức đểtìm tiết diện sơ bộ trong hai trờng hợp tiết diện vuông và tròn.

Để xác định sơ bộ tiết diện, cần giả thiết trớc giá trị độ mảnh λ

a = F

- Trờng hợp 2: khi λ ≤ 75

1008,0

+ 0,001klo

a = F

Sau khi có tiết diện sơ bộ, ta kiểm tra và xác định khả năngchịu lực của tiết diện sơ bộ vừa chọn

Đ5 Cấu kiện chịu uốn

K/N: Là cấu kiện mà nội lực chủ yếu tác dụng là mô men uốn

Tuỳ theo phơng tác dụng của tải trọng, cấu kiện chịu uốn

đ-ợc chia làm hai loại: uốn phẳng và uốn xiên

+ Uốn phẳng: khi tải trọng tác dụng nằm trong mặt phẳngcủa 1 trục quán tính chính của tiết diện

+ Uốn xiên: khi phơng tác dụng của tải trọng không nằmtrong mặt phẳng của một trục quán tính chính nào

y x q

l q

Phần A Bài toán kiểm tra

a Kiểm tra điều kiện bền uốn

Mtt: mômen uốn tính toán

có Mtt

mu: hệ số điều kiện làm việc, tra bảng

Ru: Cờng độ tính toán khi chịu uốn

Với cấu kiện chịu uốn, ngoài việc kiểm tra cờng độ ở chỗ cómômen uốn lớn nhất còn phải kiểm tra ở nơi có tiết diện giảm yếunhiều nhất, nếu tiết diện này không trùng với nơi có mômen uốnlớn nhất

ảnh hởng do giảm yếu ở vùng chịu kéo ở tiết diện thờng gây chocấu kiện bị gãy tách, nhất là các khe cắt thẳng góc với trục củacấu kiện Vì vậy, nếu cấu kiện chịu uốn muốn giảm chiều caodầm phải cắt vát để tránh hiện tợng trên

Hệ số điều kiện làm việc mu đợc lấy nh sau:

Nếu hai cạnh của tiết diện < 15 cm: mu = 1

Nếu có cạnh ≥ 15 cm;

b

h ≤ 3,5: mu = 1,15

Gỗ tròn không có khe rãnh: mu = 1,2

Gỗ tròn có khe rãnh lấy nh tiết diện chữ nhật

b Kiểm tra điều kiện độ võng

Công thức đảm bảo: ≤ l

flf

:1501

kèovigồ, xà:2001

máisàn :2001

tầngsàn :2501

l

f

f: độ võng gây ra bởi tải trọng tiêu chuẩn

c Kiểm tra điều kiện bền cắt

Nói chung không cần kiểm tra nhng khi

h

l ≤ 5 và chịu tải trọnglớn, tải trọng tập trung ở gần gối thì cần phải kiểm tra theo điềukiện ứng suất tiếp:

τ =

bJ

S.Q

ng

ng

≤ Rtrmtr

Q: lực cắt tính toán trên tiết diện

trục trung hoà cấu kiện

b: bề rộng tiết diện ở mặt trợt

Rtr: cờng độ tính toán về trợt dọc thớ khi uốn

2 Uốn xiên

Cấu kiện chịu uốn xiên thờng là xà gồ đặt trên vì kèo nhà

Phần A Bài toán kiểm tra

a Kiểm tra điều kiện bền uốn

Phân tải trọng theo hai phơng:

qx = qtt.cosα

qy = qtt.sinα

Và tính đợc mômen theo hai

ph-ơng (giả sử cấu kiện là dầm đơn

EJ

lq.384

5

; fy =

x

4 tc x

EJ

lq.3845

Phần B Bài toán thiết kế

Để chọn tiết diện sơ bộ ta có:

σ =  + 

x

y y

x x

x

M

M.W

W1W

M

≤ muRu

lại có

2 2

sin 8 cos 8

y x

u u

x

Rm

M(1 + k.tgα) (1)

q = q.s

inyαα

x x

Đ6 Cấu kiện chịu nén - uốn

K/N: Là cấu kiện mà thành phần nội lực chủ yếu của nó làlực nén và momen uốn phẳng

Trong thực tế chúng ta hay gặp các cấu kiện vừa chịu nén,vừa chịu uốn nh cột chịu lực nén lệch tâm, cột nhà đỡ mái chịutải trọng, tơng ứng 4 dạng sơ đồ:

1 Lực đặt lệch tâm

2 Do chịu nén có kèm tải trọng ngang

3 Do cấu kiện bị cong

4 Do giảm yếu không đối xứng lại chịu lực nén dọc trục

Phần A Bài toán kiểm tra khả năng chịu lực:

Khi kiểm tra cấu kiện gỗ chịu nén uốn cần kiểm tra:

* Khả năng chịu lực trong mặt phẳng uốn

σ =

th th

NfW

MF

N + + ≤ Rn.mnFth, Wth: diện tích và mômen kháng của tiết diện thu hẹp.M: mômen uốn do tải trọng ngang hoặc lực nén dọc tác dụnglệch tâm gây ra

Nf: mômen uốn phụ do lực nén dọc sinh ra khi cấu kiện bị võng

f: độ võng do M và N sinh ra, đợc xác định theo các công thức của sức bền vật liệu: