Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào những cây cầu bắc qua những con sông lớn hoặc bộ khung thép nâng đỡ các tòa nhà chọc trời vẫn đứng vững trước gió và thời tiết chưa? Câu trả lời thường nằm ẩn trong một thiết kế kết cấu được gọi là "khung cứng". Bài viết này khám phá định nghĩa, đặc điểm, ứng dụng và tầm quan trọng then chốt của khung cứng trong kỹ thuật.

Một khung cứng, như tên gọi, là một hệ thống kết cấu trong đó dầm và cột được nối với nhau thông qua các liên kết cứng để tạo thành một tổng thể tích hợp. Nguyên tắc chính yêu cầu rằng kết cấu nhịp và kết cấu phụ hỗ trợ phải có độ cứng tương đương để tạo ra một khung cứng thực sự. Trong các kết cấu thép, điều này thường thể hiện dưới dạng các mối nối hàn hoàn toàn giữa dầm bản và cột đỡ, trong khi các kết cấu bê tông đạt được sự tích hợp thông qua việc đúc nguyên khối các tấm kết cấu với tường đầu cầu.

Đáng chú ý, khi độ cứng của kết cấu phía trên vượt trội hơn đáng kể so với kết cấu phía dưới, liên kết không thể được coi là một khung cứng thực sự—ngay cả khi được nối vật lý. Ví dụ, trong các kết cấu tấm vòm bê tông cốt thép, nơi tấm được nối nguyên khối với dầm và cột cầu, hệ thống không đủ điều kiện là một kết cấu khung nếu độ cứng của cột ảnh hưởng tối thiểu đến hiệu suất của tấm.

Trong phân tích cơ học, mọi nút trong một khung cứng phải thỏa mãn ba phương trình cân bằng: tổng các lực theo phương ngang bằng không (∑H=0), các lực theo phương thẳng đứng bằng không (∑V=0) và các mômen bằng không (∑M=0). Do đó, mỗi thành phần khung mang các lực dọc, lực cắt và mômen uốn chưa biết.

Đối với một khung cứng với + thành phần và =3 ràng buộc bên ngoài, số lượng ẩn bằng (3 + c =3 ). Kết cấu trở nên xác định tĩnh khi các ẩn khớp với các phương trình cân bằng (3 + c =3 j + c + biểu thị các nút bao gồm cả các gối đỡ), không xác định tĩnh khi các ẩn vượt quá các phương trình (3 + c =3 >3 + ), và không ổn định khi các phương trình vượt quá các ẩn (3 + c =3 <3 + ). Ứng dụng an toàn