Phần I: Kết cấu gỗ Chơng Gỗ xây dựng Mục tiêu: Học xong chơng học sinh: - Nắm đợc u nhợc điểm kết cấu gỗ - Nắm đợc đặc trng học gỗ Trọng tâm: Các u nhợc điểm gỗ, tính chất học yếu tố ảnh hởng tới tính chất học gỗ I Khái niệm chung Gỗ loại vật liệu xây dựng tự nhiên, phổ biến, có vùng miền nên kết cấu gỗ đợc dùng rộng rÃi từ lâu đời Hiện nay, với phát triển vật liệu xây dựng, với khan gỗ, thành phố lớn gỗ đợc sử dụng làm kết cấu chịu lực cho công trình mà hầu hết đợc sử dụng cho công trình đặc biệt Tuy nhiên vùng sâu, vùng xa sử dụng gỗ kết cấu nhà cửa phổ biến Để sử dụng tốt hợp lí kết cấu gỗ, cần biết u nhợc điểm nh phạm vi áp dụng Cấu trúc gỗ Thớ tự nhiên gỗ ảnh hởng lớn tới cách mà gỗ đợc sử dụng nh Phần gỗ đợc cấu tạo từ tế bào bố trí dọc theo thân gỗ Khi gỗ đợc khai thác tính chất tổ chức tế bào ảnh hởng tới cờng độ, độ co ngót gỗ - Vỏ cây: gồm lớp vỏ vỏ trong, để bảo vệ - Lớp gỗ giác: màu nhạt ẩm, chứa chất dinh dỡng, dễ bị mục - Lớp gỗ lõi: gỗ đà chết, chứa nớc, khó bị mục, mọt - Tủy gỗ: phận mềm yếu gỗ, dễ mục nát, có loại xốp 13 Hình 2.1: Mặt cắt ngang thân A) vỏ ngoài, B) Vỏ trong, C) Lớp phát sinh gỗ, D) Lớp gỗ giác E) Lớp gỗ lõi, F) Tuỷ gỗ, G) Thớ gỗ u - nhợc điểm kết cấu gỗ 2.1 u điểm Gỗ vật liệu nhẹ khoẻ so với trọng lợng riêng Khi đánh giá chất lợng vật liệu mặt học, ngời ta dïng hƯ sè phÈm chÊt c c= Trong ®ã: γ R  1    m γ : Träng lợng thể tích vật liệu (KN/m3) R: Cờng độ vật liệu (KN/m3) Sau hệ số phẩm chÊt cđa mét sè vËt liƯu x©y dùng thêng dïng: Thép Gỗ Bê tông -4 -4 c=3,7.10 c=4,5.10 c=25.10-4 -Gỗ có phẩm chất học gần thép gấp nhiều lần bê tông -Kết cấu gỗ gia công dễ dàng, đơn giản, thiết bị không phức tạp -Kết cấu gỗ có khả gia công sẵn lắp rắp trờng -Kết cấu gỗ loại vật liệu phổ biển có tính địa phơng -Gỗ loại vËt liƯu cã tÝnh thÈm mü cao, c¸ch nhiƯt tèt 14 2.2 Nhợc điểm -Gỗ loại vật liệu không đồng nhất, không đẳng hớng -Gỗ dễ bị cong, vênh, nứt nẻ lợng nớc gỗ thay đổi -Gỗ vật liệu dễ cháy -Gỗ dễ bị mối, mọt, mục làm h hại trình sử dụng -Gỗ chịu ảnh hởng nhiều khuyết tật nh mắt gố, thớ chéo -Giá thành cao gỗ trở nên quí, Phân loại gỗ Theo nghị định 10CP, gỗ Việt Nam đợc chia thành nhóm: -Nhóm 1: Gồm gỗ có hơng, sắc đặc biệt (gỗ quí) nh: lát, mun -Nhóm 2: Gồm gỗ có cờng độ cao nh đinh, lim, sến, táu -Nhóm 3: Gồm gỗ có tính dẻo, dai (chò chỉ, tếch, săng lẻ ) -Nhóm 4: Có tên nhóm gỗ hồng sắc loại tốt (gỗ re, mơ, giổi ) -Nhóm 5: Hồng sắc loại tốt,tính chất học cao nhóm 4(giẻ, thông) -Nhóm 6: Là nhóm hồng sắc loại thờng (sồi, bạch đàn, muồng ) Nhóm 7: Là nhóm gỗ tạp (gỗ đa) -Nhóm 8: Là nhóm gỗ tạp loại xấu (gỗ gạo, sung, núc nác ) Việc phân loại gỗ nhằm để quản lí sử dụng hợp lí loại vật liệu tự nhiên quí Các gỗ nhóm 1,2 dùng để xuất dùng công trình đặc biệt Gỗ làm công trình xây dựng đợc qui định nh sau: -Nhà lâu năm quan trọng nh nhà máy, hội trờng đợc dùng gỗ nhóm II làm kết cấu chịu lực, trừ lim, táu không đợc dùng Cột cầu, dầm cầu, cửa cống dùng gỗ nhóm II -Nhà thông thờng nh nhà ăn, nhà dùng gỗ nhóm V làm kết cấu chịu lực Còn tất kết cấu không chịu lực nh khung cửa, litô, kết cấu tạm thời, ván khuôn, đà giáo dùng gỗ nhóm VI trở xuống 15 Hình 1.2: Kết cấu mái gỗ Hình 1.3: Cầu gỗ Phạm vị sử dụng Kết cấu gỗ đợc sử dụng rộng rÃi với loại công trình: Nhà dân dụng: Nhà tầng, hai tầng, nhà công cộng Nhà sản xuất: Kho thóc gạo, chuồng trại chăn nuôi Giao thông vận tải: chủ yếu làm cầu đờng ô tô, đờng sắt Thủy lợi, cảng: làm càu tàu, bến cảng, cửa van, cống nhỏ, đập nhỏ Thi công công trình: gỗ đợc dùng làm đà giáo, ván khuôn Ta thấy gỗ dùng nhiều ngành xây dựng (hình 1.2 hình 1.3), nhng với đặc điểm khí hậu tình hình gỗ Việt Nam, 16 gỗ nên dùng công trình vừa nhỏ, không mang tính vĩnh cửu II Tính chất vật lí học gỗ Tính chất vật lí gỗ Tính chất vật lí gỗ đà đợc đề cập chi tiết giáo trình Vật liệu xây dựng, sau trình bày tính chất có liên quan ảnh hởng lớn tới trình sử dụng gỗ kết cấu xây dựng 1.1 Độ ẩm Độ ẩm gỗ lợng nớc chứa gỗ, xác định theo (2.1): W= G1 G 100% G2 (2.1) Trong đó: G1: Trọng lợng gỗ ẩm G2: Trọng lợng gỗ sau sấy cho nớc bốc hết Gỗ hạ có độ ẩm lớn (30-50%) Để tự nhiên không khí, sau trình lâu dài độ ẩm gỗ thăng bằng, biến động Gỗ Việt Nam có độ ẩm thăng khoảng 17-20% Độ ẩm ảnh hởng lớn tới cờng độ co ngót gỗ Do đó, trớc sử dụng gỗ cần thiết phải hong, sấy khô để đạt tới độ ẩm thăng 1.1 Khối lợng thể tích Khối lợng thể tích đặc trng độ bền gỗ: gỗ nặng khoẻ Nớc ta có nhiều loại gỗ nặng (có thể chìm nớc) ví dụ gỗ nghiến khối lợng thể tích 1,1t/m3; sến 1,08 t/m3 Ngoài có loại gỗ nhẹ nh sung, muồng trắng, dới 0,45t/m3 Tính chất học 2.1 Tính chịu kéo Hình 1.4 trình bày mẫu thí nghiệm gỗ chịu kéo Giới hạn chịu kéo gỗ dọc thớ cao độ ẩm W=15% (gỗ khô) giới hạn cờng độ chịu kéo gỗ thông 10kN/cm2, mô đun đàn hồi E 1.100-1.400KN/cm2 17 40 20 10 100 30 90 30 100 H×nh 2.4 Mẫu thí nghiệm chịu kéo Biểu đồ làm việc gỗ thông Liên Xô (cũ) chịu kéo trình bày hình 2.5a Khi chịu kéo không tìm thấy giới hạn chảy nên ngời ta nói gỗ dòn kéo Thí nghiệm cho biết gỗ có mắt, đờng kinh mắt / cạnh tiết diện khả chịu kéo gỗ 25ữ27% so với gỗ loại, kích thớc nhng tật Giới hạn cờng độ chịu kéo ngang thớ gỗ thấp, 20ữ25% giới hạn cờng độ chịu kéo dọc thớ Giới hạn cờng độ chịu kéo dọc thớ gỗ cao song chịu ảnh hởng nhiều mắt tật nên tính toán ngời ta lấy từ 10 ữ giới hạn xác định đợc thí nghiệm Vì thực tế không dùng gỗ làm cấu kiện chịu kéo độc lập Nếu buộc phải dùng, phải chọn gỗ có chất lợng tốt 2.2 Tính chịu nén Lấy mẫu gỗ khô (hình 1.6) độ ẩm từ 10ữ12%, không mắt tật, có kích thớc tiết diện 20ì20ì30 (cm3) đem ép Tăng dần lực đến mẫu bị phá hoại, lúc phía mẫu thử có gợn nhăn thớ gỗ bị chùn lại, gỗ không khả chịu ép Mỗi tăng ứng suất nén biến dạng mẫu thử tăng lên, biểu đồ chịu nén nh hình 2.5b Khả chịu nén ngang thớ gỗ thấp Thí nghiệm cho biết, giới h¹n nÐn ngang thí chØ b»ng giíi h¹n cờng độ chịu nén dọc thớ độ ẩm 15%, giới hạn cờng độ chịu nén gỗ thông Nga 3,9 kN/cm2, gỗ giẻ Việt Nam (nhóm 5) 5,7 kN cm Khi chịu nén gỗ chịu ảnh hởng khuyết tật Kết thí nghiệm cho biết, đờng kính mắt gỗ 18 k = σ kk b σ ϕ n = σ nn b cạnh tiết diện 1,0 cờng độ nén 0,9 từ 60ữ70% giới hạn cờng độ 0,8 có chất lợng kích thớc nhng khuyết tật 0,7 0,6 a 0,5 b 0,4 Tuy giới hạn cờng độ 0,3 chịu nén dọc thớ gỗ 0,2 0,75 0,50 thÝ nghiƯm nhá h¬n nhiỊu so 0,1 víi gi¬i hạn cờng độ khí kéo, nhng giới hạn lại æn 1,00 0,25 Hình 2.5 : Biểu đồ làm việc gỗ thông % a) Khi kéo dọc thớ; b) nén dọc thớ định chịu ảnh hởng khuyết tật nên đợc dùng để đánh giá phân loại gỗ Trên biểu đồ nén vật liệu gỗ ngời ta thấy xuất 30 biến dạng dẻo ngời liệu dẻo chịu nén Đây 20 ta nói gỗ làm việc nh vật Gợn nhăn 20 20 nguyên nhân làm cho c- Hình 2.6 Mẫu thí nghiệm chịu nén ờng độ chịu nén ổn định cờng độ chịu kéo -Cờng độ chịu nén dọc thớ kí hiệu Rn -Cờng độ chịu nén ngang thớ kí hiệu Rn90 2.3 Tính chịu uốn Lấy mẫu gỗ không mắt tật, tiết diện 2ì2(cm2), dài 30cm đặt lên hai gối tựa máy thí nghiệm Các gối tựa cách mút 3cm (hình 1.7) Tác dụng hai lực tập trung cách gối tựa đoạn cm tăng dần lực P, ta thÊy: 19 P 30 P 80 80 80 30 300 Hình 2.7: Mẫu thí nghiệm chịu uốn -Lúc đầu P nhỏ, thẳng, trục trung hoà tiết diện Trên tiết diện ngang, ứng suất nén ứng suất kéo thớ biên có trị số -Khi tăng thêm tải trọng P, trục trung hoà lùi dần xuống miền chịu kéo tiết diện Tại thớ biên, ứng suất kéo lơn ứng suất nén -Tiếp tục tăng lực P trục trung hoà tiết diện lùi sâu xuống vùng kéo tiết diện Tại thớ biên, ứng suất kéo lơn nhiều so với ứng suất nén Trên hình 2.8b trình bày phân bố lại ứng suất trªn σ - σ - σ - + σ max h1= h2 σ max= σ + σ max h1> h2 σ max> σ h2 h2 h2 h h1 h1 h1 tiết diện ngang gỗ chÞu uèn + σ max h1>> h σ max> > b Hình 2.8: Biểu đồ chịu uốn gỗ 2.4 Tính chịu ép mặt (chịu nén cục bộ) Có ba trạng thái chịu ép mặt (chịu nén cơc bé): -Ðp mỈt däc thí: Lùc Ðp mỈt song song với thớ gỗ -ép mặt ngang thớ: Lực ép mặt tạo với thớ gỗ góc 900 20 -ép mặt xiên thớ: Lực ép mặt tạo với thớ gỗ góc Khi chịu ép mặt dọc thớ cờng đọ gỗ cao tơng đơng cờng độ nén dọc thí Trong tÝnh to¸n lÊy chóng b»ng Khi chiu ép mặt ngang thớ (=900) cờng độ gỗ có giá trị nhỏ ba trạng thái ép mặt Khi chịu ép mặt xiên thớ, cờng độ gỗ có giá trị trung gian ép mặt dọc thớ ngang thí R 90 < R α < R em em em Trên Hình 2.9 trình bày mẫu thí nghiệm chịu ép mặt ngang thớ Ta gọi chiều dài phân tố chịu ép mặt l chiều dài ép mặt lem ta có: -Nếu l l em < tỉ số lớn khả chịu ép mặt tăng -Nếu l l em khả chịu ép mặt không thay đổi N N 20 20 Hình 2.9 Mẫu thí nghiệm ép mặt ngang thí 20 a) N 60 b) N c) N lem l Hình 2.10 Các dạng ép mặt ngang thớ a) ép mặt ngang thớ toàn bề mặt b) ép mặt toàn chiều rộng phần chiều dài c) ép mặt phần chiều rộng phần chiều dài Qua thí nghiệm, tìm mối quan hệ loại cờng độ nh sau: 21 R em Rα = em  R em  (2.2) +  90 − 1 sin α R em cờng độ ép mặt dọc thớ, ngang thớ xiên thớ Với R em , R 90 , R α em em 2.5 TÝnh chÞu cắt (chịu trợt) Trên hình 2.11 trình bày mẫu thí nghiệm chịu cắt (hay gọi chịu trợt) gỗ Có trờng hợp cắt: Cắt đứt thớ (hình 2.11a), cắt dọc thớ (2.11b) cắt ngang thí (2.11c) T T T T T a) T b) c) Hình 2.11 Các hình thức chịu cắt Cắt dọc thớ đợc chia làm hai trờng hợp (Hình 2.12) + Cắt xiên tâm 18 + Cắt tiếp tuyến T T Với gỗ thông Nga có c- 30 50 Cờng độ chịu cắt gỗ phụ 10 thuộc vào yếu tố sau: T -Cách đặt lực: lực cắt 20 30 đặt hai phái mặt cắt phía mặt cắt gỗ bị t- tb 2T b) max 10 tb T gỗ chịu ép cắt -Trờng hợp lực đặt max 20 -Góc mặt phẳng lực cắt thớ gỗ T 10 ờng độ chịu cắt xuyên tâm lớn cờng độ chịu cắt tiếp tuyến 2T a) 12 Hình 2.12 Mẫu thí nghiệm cắt dọc thớ ớc Khi gỗ bị ép cắt ứng suất phân bố bị tớc 22 T Hình 2.13 Biểu đồ ứng suất chịu cắt gỗ a) cắt phÝa b) c¾t ë hai phÝa ThÝ nghiƯm cho thÊy cờng độ chịu cắt xiên thớ góc có giá trị trung gian cờng độ chịu cắt dọc thớ cờng độ chịu cắt ngang thớ Mối quan hệ ba loại cờng độ đợc xác định theo công thức sau: R = c Trong đó: Rc Rc  +  90 − 1 sin α R   c  (2.3) Rc: Cêng ®é chịu cắt dọc thớ Rc90: Cờng độ chịu cắt ngang thớ : Góc hợp phơng lực tác dụng thớ gỗ III Các yếu tố ảnh hởng tới tính chất học gỗ Độ ẩm Độ ẩm tăng từ không đến điểm bÃo hoà (khoảng 30%) cờng độ môđun đàn hồi gỗ giảm Để tính cờng độ gỗ độ ẩm W, biết cờng độ ứng với độ ẩm tiêu chuẩn ë w=18% dïng c«ng thøc: R18 + α ( W − 18) Hc R18 = R W [1 + α ( W − 18) ] RW = (2.4) (2.5) Trong đó: R18: Cờng độ gỗ độ ẩm tiêu chn 18% α: HƯ sè xÐt tíi ¶nh hëng cđa độ ẩm, với gỗ thông Liên Xô + =0,04ữ0,05 nÐn däc thí + α=0,04 uèn + α= 0,03 cắt dọc thớ W: Độ ẩm gỗ mà ë ®ã ta tÝnh cêng ®é NhiƯt ®é NhiƯt độ tăng cờng độ gỗ giảm Thí nghiệm cho biết tăng nhiệt đồ từ 20ữ250C đến nhiệt độ 500C (tức phạm vi thay đổi thực tế sử dụng) cờng độ gỗ giảm nh sau: Cờng độ kéo giảm 15-20%, cờng độ nén giảm 20-40%, cờng độ trợt giảm 15-20% 23 Tính cờng độ gỗ nhiệt độ T: R T = R 20 − β ( T − 20 ) (2.6) Trong đó: RT: R20: T,20: : Cờng độ gỗ nhiệt độ T Cờng độ gỗ nhiệt độ tiêu chuẩn (T=200C) Nhiệt độ cần xét cờng độ nhiệt độ tiêu chuẩn Hệ số xét đến ảnh hởng nhiệt độ, phụ thuộc loại gỗ trạng thái chịu lực Ví dụ nh với gỗ th«ng Nga: + Khi nÐn däc thí: β = 0,35 +Khi uèn: β=0,45 + Khi kÐo däc thí: β=0,4 +Khi trợt dọc thớ: =0,04 Nhiệt độ tăng nên môđun đàn hồi E gỗ giảm (tới hai lần) làm cho biến dạng tăng lên Vì kết cấu chịu lực thờng xuyên nhiệt độ 500C không đợc phép sử dụng vật liệu gỗ Thời gian chịu tải ThÝ nghiƯm cđa viƯn sÜ F.P Beliankin vỊ ¶nh hëng tải trọng tác dụng lâu dài (thờng xuyên) tới cờng độ gỗ cho thấy: cờng độ gỗ giảm chịu tải lâu dài nhng không giảm tới không mà giảm tới giá trị không đổi ld (ứng suất lâu dài), hình 2.14 Cờng độ bề lâu gỗ 0,5ữ0,6 cờng độ giới hạn thí nghiệm Khi tính toán kết cấu gỗ cần ý thiết kÕ cho øng st cÊu kiƯn nhá h¬n độ bền lâu để kết cấu không bị phá hoại Trên hình 2.15 trình bày biến dạng gỗ hai trờng hợp sau: -Khi ứng suất tiết diện nhỏ cờng độ lâu bền (Hình 2.15a) -Khi ứng suất tiết diện lớn cờng độ bền lâu (Hình 2.15b) 24 Những mắt tật gỗ môi trờng xung quanh Gỗ vật liệu xây dựng chịu ảnh hởng nhiều thiên nhiên tác dụng sinh vật môi trờng xung quanh Đó ảnh hởng tật, bệnh (mắt cây, thớ nghiêng, thớ vẹo, khu nứt) nấm, mối, mục, mọt Vì cần bảo quản tốt có biện pháp cần thiết để bảo vệ kết cấu khỏi phá hoại môi trờng xung Biện pháp bảo quản thờng sử dụng là: trớc sử dụng, gỗ phải đợc bảo quản môi trờng khô tốt ngâm tẩm hoá chất để tránh mối mọt Câu hỏi ôn tập 1) Nêu u nhợc điểm phạm vi sử dụng kết cấu gỗ? 2) Gỗ đợc chia làm nhóm, cách chọn nhóm gỗ sử dụng? 3) Kể tên tính chất học quan trọng gỗ? 4) Độ ẩm, nhiệt độ thời gian chịu tải ảnh hởng tới cờng độ gỗ nh thÕ nµo? 25 ... Thép Gỗ Bê tông -4 -4 c=3,7.10 c=4,5.10 c =25 .1 0-4 -Gỗ có phẩm chất học gần thép gấp nhiều lần bê tông -Kết cấu gỗ gia công dễ dàng, đơn giản, thiết bị không phức tạp -Kết cấu gỗ có khả gia công. ..Hình 2. 1: Mặt cắt ngang thân A) vỏ ngoài, B) Vỏ trong, C) Lớp phát sinh gỗ, D) Lớp gỗ giác E) Lớp gỗ lõi, F) Tuỷ gỗ, G) Thớ gỗ u - nhợc điểm kết cấu gỗ 2. 1 u điểm Gỗ vật liệu nhẹ khoẻ... rắp trờng -Kết cấu gỗ loại vật liệu phổ biển có tính địa phơng -Gỗ loại vật liệu có tính thẩm mỹ cao, cách nhiệt tốt 14 2. 2 Nhợc điểm -Gỗ loại vật liệu không đồng nhất, không đẳng hớng -Gỗ dễ bị