Tại sao khẩu độ của dầm càng lớn thì dầm phải càng dày?

Một vật kiến trúc cũng như thân thể con người, phải nhờ vào bộ khung xương mới có thể đứng lên được. Bộ khung xương của vật kiến trúc gọi là “kết cấu”, tác dụng của nó là chịu trọng lực, truyền toàn bộ trọng lượng của người và đồ vật trong nhà, cùng trọng lượng bản thân công trình kiến trúc xuống móng ở dưới đất.

Kiến trúc thời cổ đại tương đối đơn giản, phần lớn dùng phương thức “kết cấu dầm cột”, tức là dùng hai thanh gỗ hoặc đá dựng lên thành cột, đầu dưới chôn xuống đất, bên trên gác một thanh gỗ hoặc đá gọi là “dầm”. Từng dãy cột đỡ từng dãy dầm, rồi làm một mái nhà lên trên, thế là hoàn thành quá trình kiến trúc. Một số đền miếu thờ thần nổi tiếng của Ai Cập và Hy Lạp cổ đại phần lớn đều xây bằng đá; các cung điện, đền chùa của Trung Quốc thường dùng kết cấu gỗ. Các nhà ở dân cư bình thường còn đơn giản hơn: họ thường dùng gạch nung hoặc gạch mộc thay cho cột để làm khung tường thẳng đứng, nhưng bên trong vẫn có dầm ngang để đỡ mái nhà.

Đối với dầm, khoảng cách giữa hai cột gọi là “khẩu độ”, tức là chiều dài mà dầm phải bắc qua.

Mỗi người đều có kinh nghiệm như thế này: khi gác một thanh gỗ hình chữ nhật lên cao, nếu khẩu độ tăng đến một mức độ nhất định, phần giữa thanh gỗ sẽ dần dần võng xuống. Nếu ta lật cạnh ngắn của thanh gỗ hình chữ nhật gác lên, làm tăng chiều dày, hoặc chiều cao, của thanh gỗ dựng “đứng”, thì thanh gỗ khó bị võng xuống hơn. Trong kiến trúc, quan hệ giữa chiều dày của dầm và khẩu độ của nó cũng giống tình hình thanh gỗ nói trên. Tuy còn hàm chứa một nguyên lý cơ học phức tạp, tức phía trên của dầm chịu lực nén, phía dưới chịu lực kéo, nhưng dầm được tăng chiều dày có thể chịu đựng lực nén và lực kéo lớn hơn là điều rất dễ thấy. Khi khẩu độ của dầm tăng dần, chiều dày vốn có của nó không đủ để chịu trọng lượng thiết kế cần thiết, chỉ có thể làm to hơn, dày hơn mới không bị nứt gãy. Trong một số kiến trúc rộng lớn, chúng ta thường thấy rất nhiều dầm ngang rất to, chính là vì lẽ đó.

Trong những điều kiện thông thường, thiết kế một dầm bằng bê tông cốt thép thì chiều dày của nó bằng 1/12 - 1/10 khẩu độ. Nghĩa là nếu khẩu độ của nó là 6 m thì chiều dày của dầm phải là 50 - 60 cm.