Kết cấu xây dựng là gì? phân loại kết cấu xây dựng

Kết cấu xây dựng là gì, và tác động của nó đối với chất lượng công trình như thế nào? Bài viết sau đây sẽ trình bày kiến thức tổng quan về kết cấu xây dựng. Nếu bạn là một kỹ sư xây dựng mới ra trường, hãy tham khảo kỹ bài viết này, tôi tin rằng nó sẽ hữu ích cho công việc của bạn trong tương lai.

Kết cấu xây dựng là gì?

Kết cấu là sự kết hợp của các phần trong một công trình hoặc tòa nhà có mối liên hệ với nhau, chịu trách nhiệm tiếp nhận, phân phối và truyền tải tải trọng dọc và ngang của công trình xuống nền móng, đồng thời bảo vệ công trình khỏi tác động của môi trường như nhiệt độ, sự xâm nhập của không khí và các yếu tố khác. Kết cấu xây dựng thường được xem như bộ xương cốt của các thành phần xây dựng.

Kết cấu xây dựng xuất phát từ hai từ “kết” và “cấu” trong tiếng Hán, có nghĩa là thắt nút, liên kết và tạo ra. Còn từ “cấu” trong tiếng Hy Lạp cổ là “statike (techne)” mang nghĩa là nghệ thuật của cân bằng hoặc “statikos” có nghĩa mang lại trạng thái cân bằng. Kết cấu xây dựng đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán và thiết kế công trình trong ngành xây dựng. Đây là một công cụ quan trọng trong quá trình thiết kế và cùng với lý thuyết mô hình hóa và lý thuyết cấu kiện, tạo nên nền tảng cho lý thuyết công trình.

Nội dung của kết cấu xây dựng bao gồm việc tính toán các lực đỡ, nội lực và biến dạng do tác động của ngoại lực lên một hệ chịu lực của công trình xây dựng. Ngoài tác động của lực, còn có các yếu tố khác như biến đổi nhiệt độ, co ngót ẩm, và biến dạng gối. Lý thuyết độ bền vật liệu, ví dụ như lý thuyết đàn hồi và lý thuyết chảy dẻo, cũng thuộc lĩnh vực của kết cấu xây dựng. Kết cấu xây dựng là cơ sở cho việc thiết kế công trình trong các trạng thái giới hạn, bao gồm trạng thái độ bền và trạng thái sử dụng.

Lịch sử phát triển của kết cấu xây dựng chặt chẽ liên quan đến sự phát triển của xã hội loài người. Từ những công trình đơn giản bằng gạch đá và gỗ tre, đến những công trình hiện đại bằng bê tông cốt thép, thép, và vật liệu composite ngày nay, con người đã trải qua một hành trình dài trong suốt hàng ngàn năm. Theo thời gian, với sự tiến bộ của vật liệu và kỹ thuật xây dựng, kích thước của các công trình cũng ngày càng lớn hơn.

Giới hạn và các khái niệm về kết cấu xây dựng

Khái niệm “Tĩnh học,” “Cơ học,” hoặc “Cơ học kết cấu” thường được sử dụng một cách lẫn lộn và thường liên quan đến toán học và vật lý lý thuyết. Trong khi đó, “Kết cấu xây dựng” hoặc “Cơ kết cấu xây dựng” được hướng tới ứng dụng Cơ học hoặc cơ kết cấu vào lĩnh vực xây dựng. Do đó, việc xây dựng hệ thống chịu lực cho công trình và thiết kế các phần cấu kiện (xác định kích thước cần thiết, mặt cắt, lượng cốt thép, v.v.) đều đứng ở trung tâm.

Người chuyên về kết cấu xây dựng hoặc người thiết kế xây dựng – thường là Kỹ sư xây dựng thay vì Kiến trúc sư – đảm nhiệm nhiệm vụ thiết kế công trình.

Kết quả cuối cùng của quá trình thiết kế xây dựng là các bản vẽ kết cấu và tài liệu minh chứng rằng hệ chịu lực đã chọn đáp ứng các tiêu chuẩn xây dựng bắt buộc.

Yêu cầu quan trọng nhất đối với kết cấu xây dựng cũng như cơ kết cấu là hệ thống chịu lực phải đảm bảo ổn định trong trạng thái cân bằng. Một phần quan trọng của kết cấu xây dựng là việc mô hình hóa hệ thống chịu lực từ công trình xây dựng phức tạp (trong lĩnh vực ngôn ngữ của ngành thường được gọi là “bổ kết cấu”), nhằm tính toán một cách hợp lý và kinh tế trong giới hạn công suất.

Quá trình tính toán kết cấu xây dựng tiếp tục với việc xác định tải trọng tác động từ bên ngoài (lưu ý: tác giả sử dụng thuật ngữ “[ngoại tác]” thay vì tải trọng hoặc lực tác động, vì ngoài các yếu tố như lực tự trọng, gió, động đất, v.v., còn có các tác nhân khác như nhiệt, biến dạng cưỡng bức, v.v.). Từ đó, có thể tính toán được các lực nội tại trong các cấu kiện. Lực tác động sẽ được truyền qua các cấu kiện xuống đến nền móng công trình.

Hệ thống chịu lực – Kết cấu xây dựng được chia thành hai nhóm:

1. Hệ thanh và Hệ giàn (bao gồm Thanh, Dầm, Cột, Khung).
2. Hệ chịu lực mặt, bao gồm Bản, Tấm, Vỏ cứng, và Màng.

Các tác động từ bên ngoài (ngoại tác hoặc tải trọng) đối với hệ chịu lực trong kết cấu xây dựng cần xem xét bao gồm:

• Lực tự trọng
• Lực giao thông
• Lực gió
• Lực sử dụng
• Lực nước
• Lực đất
• Động đất
• Nhiệt
• Biến dạng cưỡng bức
• Và nhiều yếu tố khác.

Các tác động động (như va chạm, rung, dao động, động đất, v.v.) thường được chuyển đổi thành lực tĩnh trước khi được sử dụng để tính toán cho công trình xây dựng.

Phân loại kết cấu xây dựng 

Theo vật liệu xây dựng:

Kết cấu xây dựng có thể được phân loại dựa trên vật liệu xây dựng, và từ đó có các phương pháp tính toán và quy trình thiết kế khác nhau:

• Kết cấu xây dựng bằng gạch đá (kết cấu gạch đá)
• Kết cấu gỗ, tre (kết cấu gỗ)
• Kết cấu bê tông tươi và kết cấu bê tông cốt thép
• Kết cấu thép và kim loại khác
• Kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp composite
• Kết cấu nền móng: đất, đá
• Kết cấu bằng thủy tinh
• Và nhiều loại khác.

Theo sơ đồ chịu lực:

Kết cấu xây dựng có thể được phân loại dựa trên sơ đồ chịu lực và cấu trúc của nó:

• Kết cấu tĩnh định
• Kết cấu siêu tĩnh
• Kết cấu phẳng
• Kết cấu không gian

Theo phương pháp thi công:

Kết cấu xây dựng cũng có thể được phân loại dựa trên phương pháp thi công:

• Kết cấu thi công toàn khối, tại chỗ
• Kết cấu thi công lắp ghép và thi công bán lắp ghép

Theo dạng công trình:

Cuối cùng, kết cấu xây dựng có thể được phân loại dựa trên loại công trình mà nó phục vụ:

• Kết cấu nhà cao tầng: bao gồm nhà thấp tầng, nhà cao tầng, nhà công nghiệp, và nhiều loại công trình khác.
• Kết cấu cầu: bao gồm cầu giản đơn, cầu dây văng, cầu treo, và nhiều dạng cầu khác.
• Kết cấu hầm: bao gồm hầm đi bộ, hầm qua núi, hệ thống mêtrô, và nhiều dạng hầm khác.

>>> XÂY DỰNG PHẦN THÔ NHÀ CẦN LƯU Ý NHỮNG GÌ?
>>> KHÁI NIỆM THIẾT KẾ XÂY DỰNG LÀ GÌ ? CÁC BƯỚC THIẾT KẾ XÂY DỰNG