Trong kết cấu xây dựng, hệ thống kết cấu truyền tải trọng thông qua một loạt các cấu kiện xuống đất. Điều này được thực hiện thông qua việc xử lý liên kết giữa các cấu kiện tại các vị trí giao nhau. Mỗi liên kết được thiết kế và tính toán sao cho chúng có thể truyền hoặc đỡ một loại tải trọng hoặc một tổ hợp tải trọng cụ thể. Để có thể phân tích kết cấu, điều đầu tiên cần phải làm rõ là hệ lực được cản lại và truyền đi như thế nào ở các gối đỡ và liên kết. Nói chung ứng xử thật sự của gối đỡ hay liên kết tương đối phức tạp, nếu tất cả các điều kiện biên phải xét tới thì việc tính toán gối đỡ hay liên kết càng phức tạp và dài dòng hơn. Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng, trạng thái của gối đỡ có ảnh hưởng rất lớn tới ứng xử của các cấu kiện tạo dựng hệ kết cấu.
Hệ kết cấu thép có liên kết hàn và bu lông. Hệ bê tông cốt thép lắp ghép có các liên kết cơ học theo nhiều cách, trong khi hệ kết cấu đổ tại chỗ có các liên kết toàn khối. Hệ kết cấu gỗ có các liên kết đinh tán, bu lông, keo hoặc mộng. Cho dù là vật liệu gì đi nữa, liên kết cũng phải có một độ cứng nhất định. Liên kết cứng được xem như có độ cứng rất lớn còn liên kết bản lề và gối thì cùng loại với nhau.
Liên kết cứng giúp giữ nguyên góc tương đối giữa các cấu kiện liên kết trong khi liên kết bản lề cho phép xoay tương đối. Ngoài ra còn có liên kết nửa cứng trong kết cấu thép và bê tông cốt thép.
Các loại gối đỡ
Có ba loại liên kết phổ biến dùng để liên kết công trình và nền đất là: liên kết lăn (roller), liên kết gối (pinned), và liên kết ngàm (fixed). Còn một loại nữa không thường thấy trong xây dựng đó là loại liên kết kê đơn giản (simple). Tất cả các liên kết này có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trên cấu kiện, có thể ở đầu, ở giữa…Những gối đỡ này xác định loại tải trọng mà liên kết có thể chịu được. Đồng thời nó có ảnh hưởng to lớn tới khả năng chịu tải của cấu kiện, và dẫn tới là cả hệ kết cấu.
H1. Các loại gối đỡ
Hình H1 bên trên thể hiện những loại liên kết nối đất vừa trình bày.
Phản lực
Thông thường để thực hiện phân tích tính toán kết cấu, các liên kết nối đất cần phải được lý tưởng hóa về mặt ứng xử. Cách tiếp cận này tương tự như việc mô hình con lắc không khối lượng, không ma sát trong môn vật lý. Mặc dù con lắc như vậy không tồn tại, nhưng việc lý tưởng hóa như vậy rất hữu ích khi tìm hiểu một số vấn đề nhất định. Vì thế, ma sát và khối lượng thường được bỏ qua khi xem xét ứng xử của liên kết hay gối đỡ. Điều quan trọng phải nhớ là tất cả các liên kết được lý tưởng hóa chính là các liên kết thật sự trong công trình xây dựng. Cho nên cần phải cố gắng để làm sao cho các liên kết hay gối đỡ được lý tưởng hóa trong sơ đồ tính phải gần với liên kết và gối đỡ thực tế. Các kỹ sư nhiều khi hay quên rằng, liên kết giả định khác rất nhiều so với liên kết thực tế.
Sơ đồ bên phải minh họa lực hoặc mô men ở các gối đỡ. Và mong muốn rằng các lực và mô men này, nếu được tính toán chính xác, sẽ mang lại trạng thái cân bằng cho mỗi cấu kiện kết cấu trong công trình.
H2. Support Reactions
Liên kết lăn (roller)
Liên kêt con lăn (roller) có thể tự do xoay và dịch chuyển dọc theo bề mặt mà con lăn nằm trên đó. Bề mặt có thể nằm ngang, thẳng đứng, hoặc nghiêng một góc nào đó. Phản lực là một lực đơn vuông góc và cách xa bề mặt. Liên kết này thường được đặt ở một đầu ở kết cấu cầu dài, điều này cho phép cầu có thể giãn nỡ dưới sự thay đổi của nhiệt độ.
Liên kết con lăn không thể cản trở lực ngang, bạn cứ tưởng tưởng một người đang đứng trên đôi giày trượt pa tanh. Nó sẽ giữ nguyên vị trí nếu nó chỉ chịu tải bản thân và tải thẳng đứng đúng tâm. Nếu có bất kỳ lực ngang nào tác động nó sẽ dịch chuyển đi để phản ứng lại lực đó. Tải trọng ngang có thể là gió, xe cộ, hoặc động đất. Trong công trình thì hầu hết đều chịu tải trọng ngang nên ngoài liên kết con lăn này cần phải có những liên kết khác để hỗ trợ.
Liên kết gối
Liên kết gối có thể cản trở cả lực ngang và thẳng, nhưng mô men thì không. Chúng cho phép cấu kiện kết cấu xoay nhưng không thể dịch chuyển theo bất kỳ hướng nào. Nhiều liên kết được giả định hoặc xem như là liên kết gối (khớp), cho dù thực tế chúng có thể cản trở được một chút mo men. Thực tế thì liên kết khớp có thể cho phép xoay chỉ theo một hướng, và chống xoay theo các hướng còn lại. Đầu gối con người có thể xem là liên kết khớp mà có thể xoay theo một hướng mà không thể xoay theo các hướng còn lại. Liên kết khớp là một ví dụ điển hình về việc lý tưởng hóa liên kết trong thực tế. Một liên kết khớp không đủ để làm cho kết cấu ổn định. Cần phải có thêm các liên kết khác ở một số điểm để cản trở xoay của kết cấu. Liên kết gối được minh họa bởi hai phản lực thẳng và ngang.
Một số gối đỡ
Liên kết khớp
Khác với liên kết lăn, các kỹ sư kết cấu thường sử dụng liên kết khớp trong sơ đồ tính công trình. Chúng là liên kết điển hình trong hầu hết hệ dàn.
Một số ví dụ về liên kết khớp
Chúng ta thường gặp rất nhiều liên kết khớp trong thực tế. Ví dụ như một cái cửa sử dụng bản lề, khi bị đẩy mở liên kết cho phép xoay quanh một trục và ngăn cản dịch chuyển cửa theo hai phương. Tuy nhiên có một điều bạn thấy là, nếu không cung cấp một mô men đủ lớn thì cửa sẽ không mở.
Đã bao giờ bạn tính toán mô men cần thiết để mở một cái cửa chưa? và Tại sao cái cửa này lại dễ mở hơn cái cửa khác?
Liên kết khớp ở cửa
Ngàm
Ngàm có thể chịu được lực ngang, đứng và mô men. Bởi vì chúng có thể cản trở chuyển vị thẳng và xoay nên chúng được biết đến như là gối đỡ cứng. Điều này có nghĩa là kết cấu chỉ cần có 1 liên kết cứng này là có thể ổn định, bất biến hình, ba phương trình cân bằng đều ok. Ví dụ như cột cờ cắm trên móng bê tông…Liên kết ngàm được thể hiện bởi 2 thành phần lực thẳng và ngang, cùng với 1 mô men.
Liên kết cứng
Liên kết cứng rất phổ biến. Ví dụ như trong kết cấu thép sử dụng liên kết hàn để hàn các cấu kiện lại với nhau, bê tông đổ toàn khối cũng tự động hình thành các liên kết cứng ở các vị trí liên kết nếu bố trí cốt thép hợp lý. Các liên kết cứng cần phải được chú ý hơn trong quá trình xây dựng bởi vì đa phần nó là nguồn gốc của việc hư hỏng công trình.
Liên kết cứng và ngàm