semester 2/2559 dr. akawut siriruk - wordpress.com · semester 2/2559 dr. akawut siriruk ......

THEORY OF STRUCTURES

Semester 2/2559Dr. Akawut Siriruk

530314/430331: THEORY OF STRUCTURES 2nd Trimester/2016 INSTRUCTORS: ดร. เอกวุฒิ ศิริรักษ์ Email: [email protected] ห้อง CE15 ชั้น 4 อาคารวชิาการ 1

Office hour: By E-mail appointment Class time: Mon, Wed 1.00-3.00pm

PREREQUISITE: 430201 Engineering Statics TEXTBOOK: 1. Structural Analysis; Russell C. Hibbeler, SI Version

OBJECTIVES: Students successfully completing this course should:

Understand the concept of theories and methods of analyzing two dimensional structures including trusses, beams, frames, arches, and cables,

ecognize the limitations and assumptions used to develop the theories and methods. TERM SCHEDULE: Week Topic Reading 1 Types of Structures and loads Ch1 2 Analysis of Statically Determinate Trusses Ch3 3 Shear and Bending Moment Diagrams Ch4 4 Cable and Arch Ch5 5 Influence Lines for Beams Floor Girders and Trusses Ch6 6 Deflection: Double Integration Method and Moment Area Method Ch8 7 Deflection: Conjugate Beam Method and Method of Virtual Work for Trusses Ch8 8 Deflection: Method of Virtual Work for Beams and Frames Ch8 9 Deflection: Castigliano’s Theorem for Trusses, Beams, and Frames. Ch8 10 Introduction to Statically Indeterminate Structures Force Method for Beams. Ch7 11 Force Method for Frames, Trusses, and Composite Structures Ch9

GRADING SYSTEM: Attendance, Homework and Quiz 10% Midterm Exams 40%

Final Exams 50% GRADING GUIDES 80 and above A

75 - 79 B+ 70 - 74 B 64 - 69 C+ 60 - 64 C 55 - 59 D+ 50 - 54 D Below 50 F

The above criteria may be changed at the instructor’s discretion. CLASS ATTENDANCE: 1. Class attendance is mandatory. Missing classes more than 80% will receive an automatic grade of “F”. 2. Students will not be allowed to attend the lecture if they come to the class late more than 15 minutes, and will not be allowed to leave the class before ending of the lecture. 3. Homework must be turn in 1 week after assigned or after finishing each chapter. 4. Cheating on the quizzes, homework, and examinations will get a zero score, and/or be punished according to the rules of Suranaree University of technology. 5. No make up quizzes or examinations will be given without a written Dean's permission. Student who passes the make-up examinations will be given a maximum grade of “C”. 6. Students attending the lectures must follow the codes of conduct, rules, and regulations of Suranaree University of Technology. 7. Students attending the lectures must bring the calculator for a quiz. Quiz must be done properly and neatly. 8. Turn off all communication devices while attending the lecture.

CHAPTER 1Types of Structures and Loads

• Objectives1. เพื่อใหท้ราบและเขา้ใจถึงประเภทต่างๆ ของโครงสร้าง2. เพื่อใหท้ราบและเขา้ใจถึงประเภทต่างๆ ของนํ้าหนกับรรทุกและสามารถคาํนวณหานํ้าหนกับรรทุกที่กระทาํต่อโครงสร้างได้อยา่งถูกตอ้ง

Introduction

• โครงสร้าง (structure): สิ่งๆหนึ่งที่ถูกสร้างหรือถูกทาํขึ้นมา โดยการนาํชิ้นส่วนต่างมาต่อ เผือ่ที่สามารถนาํไปใชง้านตามวตัถุประสงคไ์ด้

Type of Structure

• Houses • Building• Bridges

Who designs structures

• วศิวกรโยธา– ออกและควบคุมสิ่งก่อสร้างต่าง ที่ใชต้่อรับความตอ้งของสาธารณชน รวมถึง roads, water systems, sewers, and public structures

• วศิวกรทางโครงสร้าง–วศิวกรที่เจาะจงการรับนํ้าหนกัของโครงสร้าง• Architect – ออกแบบสิ่งก่อสร้างต่างๆ รวมถึงคาํถึงวธิีการก่อสร้าง

Design Process

Strength

Loads

ReinforcementRatio

Member Dimension

Classification of Structures

• Tie rod: Structural members subjected to a tensile force are often referred to as tie rods or bracing struts


• Beams: Usually straight horizontal members used primarily to carry vertical loads and bending

Classification of Structures• คาน Beams: Usually straight horizontal members used

primarily to carry vertical loads and bending


• Laminated Beams• Concrete Beams


• เสา (Columns): Members that are generally vertical and resist axial compressive loads

Types of Structures

• Trusses โครงขอ้หมุน• Load ทาํใหเ้กิด

Bending ส่งผลใหโ้ครงสร้างดา้นบนเกิด compression และโครงสร้างดา้นล่างเกิด tension

• เหมาะสมในกรณีที่โครงสร้างมี span ที่ยาวมากและความลึกของโครงขอ้หมุนไม่เป็นปัจจยัสาํคญัในการออกแบบและก่อสร้าง

• มีพฤติกรรมเหมือนกบัคานขนาดใหญ่ โดยที่โมเมนตด์ดัที่เกิดขึ้น ในTrusss จะถูกเปลี่ยนเป็นแรงดึงและแรงอดัในชิ้นส่วนของ Truss

Types of Structures

• Cables and Arches: ส่วนมากใชใ้นงานโครงสร้างที่มี span ยาว

Cables: ส่วนมากใชใ้นงานสะพาน เป็นโครงสร้างที่ดดัไปมาไดง้่าย (flexible) และรองรับแรงกระทาํโดย การพฒันาแรงดึงในตวั cable มีความไดเ้ปรียบเหนือคานและโครงขอ้หมุนเมื่อ span ของโครงสร้าง cable มีความยาวมากกวา่ 45 m

Types of Structures

Arches:

เป็นโครงสร้างที่ตา้นทานแรงกระทาํของ compression forces ขึ้นภายในตวั arch เป็นหลกั ตอ้งมีความแกร่ง (rigidity) เพื่อรักษารูปร่างภายใตแ้รงกด ซึ่งก่อใหเ้กิดแรงเฉือน (shear) และโมเมนตด์ดั (bending moment) ขึ้นภายในตวั arch

Types of Structures

• Frames ส่วนมากใชใ้นโครงสร้างอาคาร ประกอบดว้ยคานและเสา ดว้ย pinned or fixed ภายใต ้axial, shear and bending moment.

Bridge Types

Type of Structures

• Surface structures ส่วนมากจะอยุล่กัษณะ tent หรือ ผวิราบ ถูกสร้างโดยใชว้สัดุที่มีขนาดบาง เมื่อเปรียบเทียบกบัความกวา้งและความยาวของโครงสร้าง

LoadsCodes:

• General code buildings มาตรฐานอาคาร: ขอ้กาํหนดที่องคก์รของรัฐบาลบญัญตัิขึ้นมาเพื่อกาํหนดค่าตํ่าสุดของแรงหรือนํ้าหนกับรรทุกที่จะใชใ้นการออกแบบโครงสร้าง(minimum design loads) และมาตรฐานตํ่าสุดที่จะใชใ้นการก่อสร้างโครงสร้างนั้น

• ขอ้บญัญตัิกรุงเทพมหานครของกรุงเทพมหานคร• Uniform Building Code (UBC)• American National Standard Building Code (ANSI)

Loads

Design code มาตรฐานการออกแบบ

LoadsDead Load นํ้าหนกับรรทุกคงที่เป็นนํ้าหนกัของโครงสร้างหรือเป็นนํ้าหนกัของวตัถุใดๆ ที่วางอยูบ่นโครงสร้างอยา่งถาวร• คอนกรีตเสริมเหลก็ 23.6 kN/m3• เหลก็ 77.0 kN/m3• อิฐ 18.9 kN/m3• ไม ้6.0 kN/m3• วสัดุมุงหลงัคา 50-180 kN/m2• โครงหลงัคาไม ้100-200 kN/m2• ฝ้าเพดาน 140-250 N/m2• กาํแพงอิฐมอญ 1.8-3.5 kN/m2• กาํแพงอิฐบลอ็ก 1.0-2.0 kN/m2• ฝาไม ้ไมอ้ดั รวมเคร่า 120-300 N/m2• พื้นไม ้รวมตง 300 N/m2

Loads

• Dead Load

Example 1จงหา DL เมื่อ คอนกรีตเสริมเหลก็ 23.6 kN/m3,

อิฐ 18.9 kN/m3, ฝ้าเพดาน 0.2 kN/m2

LoadsLive Load: เป็นนํ้าหนกับรรทุกที่มีการเปลี่ยนแปลงทั้งขนาดและตาํแหน่งตามเวลา หรือเป็นนํ้าหนกัของวตัถุที่วางอยูบ่นโครงสร้างแบบชัว่คราว หรือแรงกระทาํที่เกิดจากธรรมชาติ เช่น แรงลมและแรงแผน่ดินไหว เป็นตน้

LoadsLive Load:

• Building Load นํ้าหนกับรรทุกจรบนอาคาร: เป็น Uniform load และขึ้นอยุก่บัการใชง้าน

Loads

Building Live Load

• หลงัคา 0.5 kN/m2

• กนัสาด 1.0 kN/m2

• ที่พกัอาศยั โรงเรียนอนุบาล หอ้งนํ้า หอ้งสว้ม 1.5 kN/m2

• อาคารชุด หอพกั โรงแรม 2.0 kN/m2

• สาํนกังาน ธนาคาร 2.5 kN/m2

• อาคารพาณิชย ์มหาวทิยาลยั วทิยาลยั โรงเรียน 3.0 kN/m2

ขอ้บญัญตัิกรุงเทพมหานคร พ.ศ. 2522 กาํหนดใหม้ีการลดขนาดของค่า ตํ่าสุดของนํ้าหนกับรรทุกจรแบบกระจายสมํ่าเสมอที่กระทาํอยูบ่นพื้น เพื่อ ใชใ้นการคาํนวณหานํ้าหนกัที่ถ่ายลงเสาและฐานราก ในโครงสร้าง ยกเวน้• โรงมหรสพ หอประชุม หอสมุด พิพิธภณัฑ ์อฒัจนัทร์ คลงัสินคา้ โรงงาน• อุตสาหกรรม อาคารจอดรถยนตห์รือเกบ็รถยนต ์ดงัต่อไปนี้• หลงัคาหรือดาดฟ้า ลดลงไดร้้อยละ0

• ชั้นที่ 1 ถดัจากหลงัคาหรือดาดฟ้า ลดลงไดร้้อยละ0






• ชั้นที่ 7 ถดัจากหลงัคาหรือดาดฟ้า และชั้นต่อลงไป ลดลงไดร้้อยละ50

LoadsLive Load:

• Bridge Load นํ้าหนกับรรทุกจรบนสะพานมาจากการจราจรและรถบรรทุกขนของ คู่มือที่ใชใ้นการออกแบบ LRFD Bridge Design Specifications of the American Association of State and Highway Transportation Officials (AASHTO)

LoadsImpact Load: ในการออกแบบโครงสร้างสะพาน AASHTO กาํหนดใหส้มการที่ใชใ้นการคาํนวณหาแรงกระแทกในรูป

เมื่อ L = ความยาวของ spans ที่ถูกกระทาํโดยนํ้าหนกับรรทุกจรมีหน่วยเป็น m

แรงกระทาํตามความยาวของสะพานเนื่องจากการเบรกยานพาหนะมีค่าเท่ากบั0.1 x (นํ้าหนกับรรทุกจร)

• ถา้สะพานสั้นกวา่ 22 m แลว้ I = 0.3

15 0.3038

IL

LoadsWind Load: เมื่อโครงสร้างถูกกระทาํโดยลม ความดนัของลมเฉลี่ย (Mean wind pressure) ที่กระทาํต่อโครงสร้างหามาไดจ้าก

212

q v

LoadsWind load สาํหรับอาคารโครงสร้างปิด

( )p h ptp qGC q GC

LoadsWind load UBC ไดค้าํนึงถึงค่าสมัประสิทธิ์ต่างๆ ในการหาแรงลมในรูป

โดยที่ • Ce = Combined height, exposure, and gust factor coefficient• Cq = Pressure coefficient• Iw = Important factor

( )e q wp C C I q

LoadsCe = Combined height, exposure, and gust factor coefficient

LoadsIw = Important factor

Cq = Pressure coefficient

Cq = Pressure coefficient

Loadsกรุงเทพมหานครไดอ้อกขอ้บญัญตัิกรุงเทพมหานคร พ.ศ. 2522 สาํหรับ ใช้คาํนวณออกแบบโครงอาคารเนื่องจากแรงลมดงัต่อไปนี้• ที่สูงไม่เกิน 10 เมตร 0.5 kN/m2• ที่สูงกวา่ 10 เมตร แต่ไม่เกิน 20 เมตร 0.8 kN/m2• ที่สูงกวา่ 20 เมตร แต่ไม่เกิน 40 เมตร 1.2 kN/m2• ที่สูงกวา่ 40 เมตร 1.6 kN/m2• 100 km/h• 130 km/h• 160 km/h• 180 km/h

LoadsSnow load:

0.7f e t s gp C C I p

Loads

Earthquake Load:ถา้เสามีความแกร่งสูงและ block มีมวลนอ้ยแลว้ คาบของการสัน่ของ block จะสั้นและ block จะมีความเร่งและการเคลื่อนที่เกือบเท่ากบั พื้นดิน ซึ่งจะทาํใหค้่าความแตกต่างของการเปลี่ยนตาํแหน่งของ block กบัพื้นดินที่นอ้ยมาก และหน่วยแรงที่เกิดขึ้นในองคอ์าคารจะมีค่านอ้ย

ถา้เสามีความความแกร่งนอ้ยและ block มีมวลมากแลว้ การเคลื่อนที่จะก่อใหเ้กิดความเร่งบนตวั block เพียงเลก็นอ้ย แต่จะก่อใหเ้กิดการเปลี่ยนตาํแหน่งสมัพทัธ์ระหวา่ง block กบัพื้นดินสูง ซึ่งจะทาํใหเ้กิดหน่วยแรงในโครงสร้างที่มีค่าสูงมาก

Loads

ANSI A58.1-1992 กาํหนดสมการที่จะใชใ้นการคาํนวณหาค่าแรงเฉือนที่เกิดขึ้นที่ฐานราก (base shear ) โครงสร้างเนื่องจากแผน่ดินไหวอยูใ่นรูป

โดยที่ค่า factor ต่างๆ เหล่านี้จะหาไดจ้ากตารางใน ANSI code ซึ่งZ ขึ้นอยูก่บั earthquake zone

I ขึ้นอยูก่บัความสาํคญัของอาคารในแง่ของการใชง้านK ขึ้นอยูก่บัรูปร่างของโครงสร้างของอาคารC ขึ้นอยูก่บั vibrational characteristics ของโครงสร้างของอาคารS ขึ้นอยูก่บัชนิดของดินที่รองรับโครงสร้างW ขึ้นอยูก่บันํ้าหนกัของโครงสร้าง

V ZIKCSW

Loads Loads

ANSI A58.1-1992 กาํหนดสมการที่จะใชใ้นการคาํนวณหาค่าแรงเฉือนที่เกิดขึ้นที่ฐานราก (base shear ) โครงสร้างเนื่องจากแผน่ดินไหวอยูใ่นรูป

โดยที่ค่า factor ต่างๆ เหล่านี้จะหาไดจ้ากตารางใน ANSI code ซึ่งZ ขึ้นอยูก่บั earthquake zone

I ขึ้นอยูก่บัความสาํคญัของอาคารในแง่ของการใชง้านK ขึ้นอยูก่บัรูปร่างของโครงสร้างของอาคารC ขึ้นอยูก่บั vibrational characteristics ของโครงสร้างของอาคารS ขึ้นอยูก่บัชนิดของดินที่รองรับโครงสร้างW ขึ้นอยูก่บันํ้าหนกัของโครงสร้าง

V ZIKCSW

LoadsHydrostatic and Soil Pressure

Other Natural Loads แรงอื่น ขๆึ้นอยูก่บัที่ตั้งและการใชง้านของโครงสร้าง เช่น แรงที่เกิดจากการระเบิด การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และการทรุดตวัที่ไม่เท่ากนัของฐานราก เป็นตน้

• High quality steel beams bear immense weight

• Beams welded, bolted, or riveted together

• Most weight is transferred to vertical column, the spreads out at base and substructure

• Fire safety is a major concern

Load Combinations

ใชห้าค่าแรงวกิฤติและใกลเ้คียงกบัความเป็นจริงที่สุดที่กระทาํอยูบ่นโครงสร้าง โดยรูปแบบการรวมของแรงต่างๆ โดยพิจารณาจากความเป็นไปไดท้ี่แรงเหล่านั้นจะกระทาํต่อโครงสร้างในเวลาเดียวกนักฎกระทรวงฉบับที ่6 พ.ศ. 2527

ในการออกแบบอาคารคอนกรีตเสริมเหลก็โดยใช ้ultimate strength design

1. สาํหรับส่วนของอาคารที่ไม่คิดแรงลม: 1.7D + 2.0L

2. สาํหรับส่วนของอาคารที่ไม่คิดแรงลม:0.75 [1.7D + 2.0L + 2.0W] หรือ 0.9D + 1.3W

โดยใหใ้ชค้่านํ้าหนกัประลยัที่มากกวา่ ทั้งนี้ตอ้งไม่นอ้ยกวา่ในกรณีไม่คิดแรงลม

Load Combinations

Load and Resistance Factor Design (LRFD) or Ultimate Strength Design (USD)

สาํหรับอาคารคอนกรีตเสริมเหลก็:

1.) 1.4D + 1.7L2.) 0.75 [1.4D + 1.7L + 1.7W]3.) 0.9D + 1.3W4.) 1.4D + 1.7L + 1.7(soil pressure)5.) 0.75 [1.4D + 1.7(temperature load) + 1.7L]6.) 1.4(D + temperature load)

Load combinationsAllowable Stress Design (ASD)1.) D + L + [roof live load]2.) D + L + [W หรือ E]

Load and Resistance Factor Design (LRFD) สาํหรับอาคารคอนกรีตเสริมเหลก็1.) 1.4D2.) 1.2D + 1.6L + 0.5(roof live load)3.) 1.2D + 0.5L (หรือ 0.8W) + 1.6(roof live load)4.) 1.2D + 0.5L + 0.5(roof live load) + 1.3W5.) 1.2D + 0.5L + 1.5E6.) 0.9D-1.3W (หรือ 1.5E)

semester 2/2559 dr. akawut siriruk - wordpress.com · semester 2/2559 dr. akawut siriruk ......

Documents