Giáo trình kết cấu nội thất công trình:Chương 4 Liên kết kết cấu gỗ

Chơng 4 Liên kết kết cấu gỗ Mục tiêu: Học xong chơng này học sinh có thể: Hiểu đợc mục đích của liên kết, tính toán đợc liên kết cơ bản. Trọng tâm: Mục đích và các u nhợc điểm của liên kết gỗ, cấu tạo liên kết mộng một răng. I. Khái quát Mục đích của liên kết kết cấu gỗ là để tăng chiều dài, mở rộng tiết diện hoặc đảm bảo sự truyền lực giữa các cấu kiện của kết cấu, làm tăng độ cứng chung cho toàn kết cấu. Một lợi thế của gỗ là rất dễ liên kết. Có bốn loại liên kết chính đợc sử dụng để liên kết gỗ với gỗ: - Liên kết mộng: (hình 4.1) Liên kết này có khả năng chịu ép mặt, nhng thờng gây trợt cho vùng lân cận. Liên kết thờng dùng ở vì kèo, đầu trụ cọc của cầu gỗ. - Liên kết chốt: (hình 4.2) Chốt thờng gặp là bulông, chốt tre, chốt gỗ, đinh. Khi làm việc chốt chịu uốn, và mặt lỗ chốt chịu ép mặt. Loại liên kết này thờng dùng để nối dài các thanh gỗ. - Liêm kết chêm: (hình 4.3) Chêm thờng làm bằng gỗ, liên kết này có tác dụng làm tăng diện tích thanh. Chêm có tác dụng chống trợt giữa các phân tố. Khi làm việc chêm chịu ép mặt, và chịu trợt. - Liên kết dán: Loại liên kết này sử dụng các loại keo dán để tạo nên những thanh có tiết diện khá lớn bằng cách dán nhiều tầm ván lại với nhau. Hiện nay liên kết này đợc sử dụng rất phổ biến nhờ sự phát triển của các loại keo dán, cũng nh phù hợp với sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất các loại gỗ thơng mại. Khi làm việc, các tấm gỗ đợc dán có thể bị trợt, bong lớp dán. Trong bốn loại liên kết, 46 liên kết dán không đục khoét gỗ (không có giảm yếu) nên khả năng chịu lục của gỗ sử dụng loại liên kết này là lớn nhất. Hình 4.3 Liên kết chêm I I I- Hình 4.2 Liên kết chốt (bulông) (2-2,5)h Chêm I h (0 ,1 -0 ,5 )h Chêm Hình 4.1 Liên kết mông đuôi kèo II. Nguyên tắc chung tính toán liên kết gỗ Trong các loại liên kết trên, chủ yếu xảy ra hiện tợng trợt và ép mặt. Do đó, liên kết đợc tính toán và kiểm tra chủ yếu với hai điều kiện về trợt và ép mặt. 1. Điều kiện ép mặt ασ emememem RFN ≤= (4.1) Trong đó: emσ : ứng suất do lực ép mặt gây ra. :N em Lực nén tính toán tác dụng lên diện tích chịu ép mặt. Fem: Diện tích ép mặt. α emR : Xem công thức 2.2 2. Điều kiện trợt tb trtrtr RFN ≤=τ (4.2) trtr tr trtb tr Rk e l R R = β+ = 1 (4.3) Trong đó: τ : ứng suất do lực trợt tính toán gây ra trên mặt trợt. :N tr Lực trợt tính toán trên mặt trợt. :R tbtr Cờng độ chịu trợt tính toán trung bình theo phơng dọc thớ gỗ. trl : Chiều dài mặt trợt. β, e: Hệ số tính trợt, độ lệch tâm của lực trợt, lấy nh sau: 47 - Khi rãnh mộng về một phía (H4.4): 25,0 ;5,0 == βhe - Khi rãnh mộng về hai phía (H4.5) : 1250250 ,;h,e =β= h: Chiều cao tiết diện (về phía chiều sâu rãnh mộng). trk : Hệ số giảm cờng độ chịu trợt lấy theo phụ lục 9. h l Hình 4.5 e e h Nn Nk Nke Hình 4.4 Trục thanh l Ntr Nn Nn tr tr III. yêu cầu cấu tạo và tính toán liên kết mộng Liên kết mộng chỉ nên dùng ở những thanh chịu nén, và cần phải bố trí thêm các liên kết phụ bổ trợ theo cấu tạo nh bulông, vòng đai, đinh đỉa... Liên kết mộng có thể cấu tạo theo dạng một răng hoặc hai răng. Mặt truyền lực của liên kết nên đặt thẳng góc với trục thanh nén để cờng độ chịu ép mặt là lớn nhất. 1. Liên kết mộng một răng 1.1. Cấu tạo - Trục các thanh của mắt phải hội tụ tại một điểm. - Trục thanh nén (kèo) phải đi qua trọng tâm của diện tích ép mặt. - Trục thanh kéo (quá giang) phải đi qua trọng tâm tiết diện bất lợi. - Chiều sâu rãnh mộng phải đảm bảo: 3/hh r ≤ với mắt gối; 4/hh r ≤ với mắt trung gian. - Chiều dài mặt trợt phải thoả mãn: rtr hl, 1051 ≤≤ - Cần đặt bulông an toàn theo cấu tạo có đờng kính bulông ≥12mm. Ngoài ra nên gia cố thêm đai hoặc đinh đỉa. 48 - Khi góc nghiêng của mái α≥600: nên dùng mộng phân giác (chủ yếu chịu ép mặt Hình 4.7). h b l =40 hr Hình 4.6 Liên kết mộng một răng tr τ (h -h r) /2 Nn Nk α α 2 900 α − 2 900 α − N N2 N1 N α N 2 900 α − 2 900 α − Hình 4.7 - Nếu thanh quá giang làm bằng gỗ tròn thì trục của nó đợc phép qua trọng tâm tiết diện nguyên (Hình 4.8). 49 hd d /2 d /2 l d d d d b h 1 tr tr h' Nk Nn Hình 4.8 Liên kết mộng tiết diện quá giang tròn 1.2. Thiết kế và kiểm tra liên kết Liên kết mộng đợc thiết kế (tính toán) và kiểm tra theo công thức (4.1) và (4.2). Về bài toán thiết kế dựa vào hình vẽ ta có: ;cosNN;l.bF;N N; cos h bF ntrtrtrnem r em α=== α = Thế vào công thức (4.1) và (4.2) ta có: em n r R.b cosN h α ≥ (4.4) e N bR N l tr tr tr tr β− ≥ (4.5) 2. Liên kết mộng hai răng 2.1. Cấu tạo - Trục của một mắt phải hội tụ tại một điểm. - Trục thanh nén phải qua đỉnh răng thứ hai và vuông góc với tiết diện ép mặt. - Trục thanh kéo phải qua trọng tâm tiết diện bất lợi. - Chiều sâu rãnh mông thứ hai phải đảm bảo điều kiện: 3/hh ''r ≤ - Chiều sâu rãnh mộng thứ nhất phải đảm bảo điều kiện: cmh 'r 2≥ - Khoảng cách giữa hai mặt trợt phải đảm bảo: ≥2cm. 50 - Chiều dài mặt trợt cần đảm bảo điều kiện:   ≤≤ ≤≤ '' r '' tr ' r ' tr hlh, hlh, 1051 1051 - Tại mỗi răng mộng đặt một bulông an toàn đờng kính ≥12mm. 2.2. Thiết kế và kiểm tra liên kết Liên kết mộng hai răng (Hình 4.9) đợc thiết kế (tính toán) và kiểm tra theo công thức (4.1) và (4.2) về điều kiện ép mặt và trợt. Về bài toán thiết kế dựa vào hình vẽ ta có: Lực trợt toàn bộ tác dụng vào kết cấu: α= cosNN ntr α + =→ α + α =+= cos hh bF cos h b cos h bFFF '' r ' r em '' r ' r'' em ' emem Và thực nghiệm cho thấy: tr ' tr em ' em em ' em N N F F N N == Lực trợt tác dụng vào răng thứ nhất là: em ' em tr ' tr F F NN = Lực trợt tính với răng thứ hai lấy lực trợt toàn bộ: trR Từ công thức (4.1), (4.2) và xét đến hệ số mức độ nguy hiểm của mặt tr- ợt ta có công thức: e N bR, N l ' tr tr ' tr' tr β− ≥ 80 (4.6) e N bR, N l tr tr tr'' tr β− ≥ 151 (4.7) IV. LIên kết chốt trụ 1. Khái niệm Chốt trụ có thể làm bằng thép bulông, đinh vít... hoặc bằng gỗ, tre, chất dẻo. Đinh cũng là một loại chốt trụ, nến đờng kính đinh > 6 thì phải khoan lỗ trớc khi đóng đinh. 51 aca Hình 4.10 Bu lông, đinh trong liên kết chốt trụ d d d d 1, 5d l l Biểu đồ ép mặtσ Hình 4.10' 2 Τ Τ Τ Liên kết chốt trụ chống trợt giữa các phân tố đợc ghép nối. Khi chịu lực chốt bị uốn cong, phân tố gỗ bị ép mặt. Tính toán liên kết chốt theo hai điều kiện: khả năng chống ép mặt của phân tố gỗ, điều kiện chịu uốn của đinh. Theo hình thức ghép nối có loại liên kết đối xứng (Hình 4.11) và không đối xứng (4.12). 2. Tính toán Trên các hình 4.11 và 4.12 thì a (cm) là chiều dày bản biên và bản giữa của liên kết đối xứng. Nếu liên kết không đối xứng thì a là chiều dày bản mỏng hơn, c (cm) chiều dày bản dày hơn. Đờng kính các cốt ký hiệu d (cm). Ta ký hiệu: a emT là khả năng chịu lực ép mặt của mặt cắt chốt ở bản biên. c emT là khả năng chịu lực ép mặt của mặt cắt chốt ở bản giữa. uT là khả năng chịu uốn của một chốt khi tính uốn. Ba giá trị trên đợc lấy theo phụ lục 10. Lấy Tmin là giá trị nhỏ nhất trong ba giá trị u c em a em T,T,T 52 a c a a c a a c ca a) b) a) b) Hình 4.11 Chốt đối xứng (nhiều mặt cắt ) a) Bản ghép bằng gỗ b) Bản ghép bằng thép Hình 4.12 Chốt không đối xứng (một mặt cắt) a) Các phân tố cùng chiều dày b) Các phân tố khác chiều dày Bản nối Bản ghép Nếu có m mặt cắt tính toán thì số lợng chốt tính theo công thức: min ch T.m N n ≥ (4.8) Trong đó: N là lực tác dụng về một phía của liên kết. Sau khi có số chốt, tiến hành bố trí theo các kiểu nh hình 4.13 dựa theo khoảng cách tiêu chuẩn của tim chốt tra phụ lục 11. Các hình thức bố trí chốt: Các khoảng cách tiêu chuẩn S1, S2, S3 lấy ở phụ lục 10. Chú ý: Do bố trí chốt mà tiết diện bị đục lỗ gây giảm yếu, nên cần phải kiểm tra lại khả năng chịu lực theo điều kiện cờng độ ở chơng 3. 53 S S b S S SS>15d S 3> 4d S >15d S1S1 S 3> 4d SS S ca a S S S 2 S 3 S 2 S 2 S 2S 3 S S S S S 2 3 3 1 1 1 a) b) 3 2 2 3 1 1 2 2 c) d) Hình 4.13 Các hình thức bố trí chốt Thí dụ 4.1 Thiết kế mối nối đối đầu cho hai thanh gỗ hộp có tiết diện 12x18 (cm2), chịu lực kéo tính toán Nk=110KN. Biết vật liệu dùng gỗ nhóm 5, W=18%, chốt bằng bulông d=18mm. Bài giải 1) Số liệu tính Diện tích tiết diện ngang bản nối: 22161812 cmxb.cF bb === Chọn bản ghép: Fbg=8x18 (cm2). Đảm bảo ∑ >= bbg FcmF 2288 Gỗ nhóm 5, W=18% có: Rk=0,95KN/cm2. 2) Tính toán liên kết Đây là loại liên kết đối xứng dùng chốt thép, tra phụ lục 10 có: 54 daN710T daN810d250 daN710a2d180 T daN10808,1.12.50cd50T daN11528,1.8.80ad80T min 2 22 u c em a em =⇒          = =+ = === === Số chốt theo (4.8): 77 7102 10110 2 , . . nch =≥ chốt. Chọn 8 chốt. 3) Bố trí chốt 50 80 50 180 110 110 10 110 110 1110 80 120 80 Hỡnh 4.14 Xác định khoảng cách tiêu chuẩn Theo phụ lục 11 có: cm5,4S;cm4,5d3S;cm8,10d6S 321 ≥=≥=≥ Ta bố trí theo kiểu nh hình vẽ: 5811 321 === S;S;S Kiểm tra tiết diện bất lợi: 2 k long k th k k cm/kN95,0R63,08,1.12.218.12 110 FF N F N =<= − = − ==σ 4) Kết luận Chốt đạt yêu cầu 55 V. LIên kết Dán 1. Khái niệm Liên kết dán là loại liên kết cứng và không có tiết diện giảm yếu. Khi tính toán, ta xem cấu kiện có liên kết dán nh cấu kiện có tiết diện nguyên. Trong quá trình tính toán cần phải kiểm tra trợt giữa các lớp đợc dán. Trong xây dựng có thể sử dụng hai loại liên kết dán chính: - Gỗ dán từ gỗ lạng: mỗi lớp dày khoảng 1mm. - Gỗ dán cỡ dày: mỗi lớp dày 3-4cm. Các tấm gỗ đợc phủ lớp keo dán lên bề mặt dán, rồi ép cho dính chặt với nhau với áp suất từ 30-50N/cm2 đối với thanh thẳng và 70-100N/cm2 với các thanh cong. Các tấm gỗ để dán cần có độ ẩm từ 18-20% để tránh hiện tợng gỗ hút n- ớc của keo gây biến dạng hoặc bong mạch dán. δ >10δ Nối v tá Keo dán Keo dán Keo dán Đối đầu Răng cưa 10-150 Khi dán điều quan trong cần có các thiết bị chuyên dùng, có thể dán nóng hoặc dán nguội. Dán nóng rút ngắn thời gian, cờng độ mạch đảm bảo. Trong khi, nếu dán gỗ trong điều kiện thủ công rất dễ dẫn tới hiện tợng “đói” hoặc “no” mạch, cả hai hiện tợng này đều làm bong mạch dán. 56 Để nối dài cấu kiện có các hình thức dán thông dụng sau (Hình 4.15): - Nối vát: thờng đặt ở miền chịu kéo. - Nối đối đầu: thờng đặt ở miền chịu kéo. - Nối răng ca: thờng dùng cho cấu kiện chịu kéo – uốn 2. Keo dán Hiện nay cùng với sự phát triển của ngành hoá chất, các loại keo chất l- ợng tốt rất phong phú trên thị trờng. Nhng chủ yếu là keo họ phênôn phoócmanđêhit. Ngoài ra còn có keo cađêin ximăng. Các loại keo dán phải đảm bảo yêu cầu: - Thời gian sống từ 4-6h. - Độ nhớt của keo phải thích hợp để thuận tiện cho việc quét keo và dán ép. Để keo khỏi chảy nhiều và tăng độ dính có thể dùng bột gỗ làm cốt liệu cho keo. Câu hỏi và bài tập 1) Nêu mục đích của liên kết kết cấu gỗ? 2) Kể tên các loại liên kết, nêu u nhợc của mỗi loại? 3) Trình bày đặc điểm cấu tạo của liên kết mộng một răng? 57