Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của kết cấu chịu uốn siêu nhẹ Tensairity

Bố cục luận văn Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN Chương 2: LÝ THUYẾT TÍNH DẦM TENSAIRITY Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY.. GIAI ĐOẠN 1: SỰ THỔI PHỒNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU CHỊU UỐN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUANG TÙNG

Phản biện 1: GS.TS PHẠM VĂN HỘI

Phản biện 2: TS LÊ ANH TUẤN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào

ngày 04 tháng 05 năm 2019

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa

Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Hiện nay, phần lớn những công trình xây dựng trên thế giới làm từ vật liệu gạch, đá, bê tông và đặc biệt là bê tông cốt thép và thép Ưu điểm chung của các loại vật liệu này là khả năng chịu lực lớn, tuổi thọ công trình cao Tuy nhiên, nhược điểm của nó là trọng lượng bản thân lớn, việc xây dựng và tháo dỡ khi không dùng đến tốn nhiều chi phí Vì vậy, để hạn chế các nhược điểm trên thì vật liệu composite ra đời

Một trong những vật liệu composite được sử dụng phổ biến hiện nay là vật liệu vải kĩ thuật Các tấm vải kỹ thuật này thường được tạo hình thành những ống kín, được thổi khí vào để có thể chịu được tải trọng bản thân cũng như chịu các tải trọng khác gọi là các ống thổi phồng Các ống thổi phồng này được liên kết với nhau để tạo nên khung chịu lực chính trong rất nhiều công trình xây dựng trên thế giới như mái vòm sân vận động, nhà triển lãm, các nhà tạm dùng trong trường hợp khẩn cấp hoặc các lều trại quân đội, các cầu tạm Dạng kết cấu này được gọi chung là kết cấu thổi phồng Kết cấu thổi phồng này có ưu điểm là tiện dụng, dễ dàng vận chuyển lắp dựng Tuy nhiên chỉ thích hợp cho những trường hợp khẩn cấp, khó có thể

sử dụng lâu dài Ngoài ra, nhược điểm cố hữu của loại kết cấu thổi phồng này là khả năng chịu lực rất bé

Nhằm mục đích cải thiện hiệu quả sử dụng vật liệu, tăng khả năng chịu lực mà không làm tăng trọng lượng bản thân kết cấu, dạng kết cấu chịu uốn Tensairity ra đời Kết cấu này sở hữu ưu điểm của các kết cấu truyền thống là khả năng chịu lực cao; và ưu điểm của kết cấu thổi phồng là trọng lượng bản thân nhẹ, tính cơ động cao Hiện nay trên thế giới, đã có nhiều công trình được thực hiện theo dạng

này, điển hình có thể kể đến cầu Pont de Val-Cenis ở Pháp và rất nhiều kết cấu khác Với tầm quan trọng như vậy, nhưng đến nay, vẫn chưa có nhiều kết quả nghiên cứu được đưa ra, không có nhiều bài báo khoa học đề cập đến việc nghiên cứu ứng xử của loại kết cấu mới này

Những nghiên cứu đầu tiên về kết cấu Tensairity được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu về kết cấu siêu nhẹ của Luchsinger – Thụy

Sĩ Nhóm nghiên cứu này đã nghiên cứu, phối hợp khả năng làm việc của một thanh kim loại chịu nén, một hệ dây cáp chịu kéo và một dầm thổi phồng làm nhiệm vụ chống uốn dọc cho thanh kim loại đó Kết quả thu được là rất khả quan, với trọng lượng kết cấu chưa đến

60 kG nhưng có thể vượt nhịp 5m và chịu được tải trọng lên đến 3T Với phương pháp phối hợp này, nhóm đã tận dụng tối đa được hiệu quả làm việc của từng thành phần chịu lực Với nhiều tính năng ưu việt, kết cấu này hứa hẹn sẽ được sử dụng nhiều trong tương lai Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có nhiều nghiên cứu và ứng dụng cho loại kết cấu mới này Do đó, đề tài

“Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của kết cấu chịu uốn siêu

nhẹ Tensairity”

là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu được ứng xử của một dầm được cấu tạo theo nguyên lý của kết cấu Tensairity Qua đó đề xuất khả năng ứng dụng của loại dầm này vào trong thực tiễn xây dựng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bước đầu được giới hạn trong các cấu kiện chịu lực cơ bản như dầm Các dầm này về

cơ bản ứng xử giống như các dầm “cổ điển” được cấu tạo từ các vật liệu quen thuộc như gỗ, thép hay bê tông cốt thép Tuy nhiên, điều khác biệt là dầm màng mỏng phải được thổi phồng ở một áp suất nhất định nào đó trước khi có thể tham gia hỗ trợ khả năng chịu uốn dọc cho thanh nén Khả năng chịu lực chính của dầm sẽ được đảm bảo bởi thanh chịu nén bằng kim loại và hệ dây cáp Về nguyên tắc, dầm Tensairity có cấu tạo giống như dầm, nhưng làm việc giống như kết cấu dàn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán để xây dựng mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn

- So sánh với kết quả để hợp thức hóa mô hình tính toán lý thuyết

5 Bố cục luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN Chương 2: LÝ THUYẾT TÍNH DẦM TENSAIRITY Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN

1.1 CẤU KIỆN CHỊU UỐN CỔ ĐIỂN

các nghiên cứu chính của đề tài, tác giả tổng hợp các công thức giải tích để tính toán kết cấu chịu uốn Tensairity

Chương 2 TÍNH TOÁN KẾT CẤU TENSAIRITY Giai đoạn 1: Nghiên cứu sự thay đổi kích thước hình học của ống

màng mỏng khi được thổi phồng với áp suất nhất định

Giai đoạn 2: Nghiên cứu ứng xử của dầm Tensairity chịu uốn

GIAI ĐOẠN 1: SỰ THỔI PHỒNG ỐNG MÀNG MỎNG

2.1 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHO BÀI TOÁN THỔI PHỒNG ỐNG MÀNG MỎNG TRỰC GIAO

Trong mục này, tác giả tổng hợp các kết quả nghiên cứu sự thay đổi kích thước hình học của ống trụ tròn, được cấu tạo từ vật liệu vải kỹ thuật, và bị thổi phồng bởi áp suất p của nhóm nghiên cứu Nguyễn et al [2013]

Các thành phần của ten-xơ ứng suất Cauchy không phụ

thuộc vào tọa độ trụ Do đó, các phương trình cân bằng sẽ được viết như sau:

Khi đã xác định được các hệ số thay đổi kích thước ống k k k x, ,

ta hoàn toàn có thế xác định được kích thước thực của ống từ biểu thức sau:

x

GIAI ĐOẠN 2: DẦM TENSAIRITY CHỊU UỐN

2.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHO BÀİ TOÁN DẦM TENSAİRİTY CHỊU UỐN

2.2.1 Hệ phương trình cân bằng

Cấu tạo của dầm được thể hiện như hình bên dưới

Hình 1-1: Sơ đồ làm việc của dầm Tensairity

H

2.2.2 Lực căng trong dây cáp

Theo nghiên cứu của Luchsinger (2004), lực căng trong dây cáp bao gồm hai thành phần: H H0 H1

trong đó H là lực căng trước trong dây cáp, trước khi dầm 0

chịu tải trọng ngang Lực căng này phụ thuộc vào tương tác giữa ống thổi phồng và dây cáp

- Trong trường hợp ống được thổi phồng đến một áp suất nhất định rồi mới neo cáp thì lực căng này được xem như có thể

bỏ qua H0 0;

- Trong trường hợp ống được thổi phồng ở một áp suất vô cùng bé, chỉ để tạo dạng trụ tròn, ta neo cáp để tạo thành dầm Tensairity Khi thổi phồng ống đến một áp suất nhất định để chịu lực, do dây cáp có mô đun đàn hồi lớn, coi như không bị dãn dài, nó sẽ làm ống thổi phồng bị biến dạng, ngược lại, ống thổi phồng sẽ tạo ra một lực căng trước trong dây cáp và trong thanh nén với công thức như sau:

Hình 1-2: Biến dạng của ống thổi phồng khi bị dây cáp ép

mặt

2.3 KẾT LUẬN

Trong chương này, các lý thuyết cơ bản về sự làm việc của kết cấu dầm Tensairity được tổng hợp và phân tích Theo đó, ứng xử của dầm Tensairity phụ thuộc rất lớn vào lực căng trong dây cáp, cánh tay đòn ngẫu lực, độ cứng của nền đàn hồi và độ cứng của thanh nén Các yếu tố này có quan hệ mật thiết với nhau Việc tổng hợp các

lý thuyết về sự thổi phồng dầm màng mỏng và lý thuyết dầm Tensairity giúp ích nhiều cho việc phân tích ứng xử thực tế của loại dầm này Trong chương tiếp theo, kết cấu dầm Tensairity sẽ được chế tạo theo kích thước thực để phân tích các ứng xử quan trọng của dầm này khi được sử dụng trong thực tế

R

-r r

n

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ

CỦA KẾT CẤU MÀNG MỎNG THỔI PHỒNG

Mục tiêu của chương này là phân tích ứng xử của dầm Tensairity bằng phương pháp thực nghiệm để xác minh tính đúng đắn của lý thuyết được phát triển trong các chương trước cũng như phân tích các ứng xử thực tế mà các lý thuyết trước chưa đề cập

0 :đây là định hướng vật liệu cơ bản nhất,

dễ chế tạo nhất của dầm màng mỏng thổi phồng Trong thực tế, hầu hết các dầm thổi phồng được chế tạo theo định hướng này

Để đảm bảo tính chính xác trong khâu chế tạo, các mẫu vật này được đặt hàng chế tạo bởi công ty TNHH Nguyện Như, thành phố

Hồ Chí Minh

Các ống màng mỏng được sử dụng trong thí nghiệm này được cấu tạo từ vải kỹ thuật Ferrari F502 Các thông số kỹ thuật của loại vải này được cung cấp bởi nhà phân phối S.F.A (Pháp), xem Bảng 3.1

3.1.2 Thanh thép chịu nén

Thanh thép chịu nén được sử dụng trong thí nghiệm này là thép hộp Hòa Phát có kích thước b h 30 60 1 (mm mm mm)có khối lượng riêng `1.375 kg/m

3.1.3 Dây cáp chịu kéo

Dây cáp được sử dụng trong thí nghiệm này có đường kính 1mm, được cung cấp bởi công ty Perfect Connection với cường độ chịu kéo Rs 1000MPa

3.2 CÁC DỤNG CỤ ĐO

3.2.1 Bơm khí và đo áp suất trong ống

Trong nghiên cứu này, để phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, tác giả đã dùng van xe máy cho dầm hơi Thiết bị bơm hơi là máy nén khí Sunny Compressor 2.5Hp thường được sử dụng để bơm

xe máy và ô tô Ống bơm được kết nối với đầu bơm có gắn đồng hồ

đo áp suất mã hiệu Flexbimec 7301 để sơ bộ kiểm soát áp suất trong ống

Sau khi sơ bộ kiểm soát được áp suất vào ống, áp suất khí trong ống được kiểm tra chính xác hơn bằng cảm biến đo áp suất Tire Gauge 4 in 1

3.2.2 Đo biến dạng ống

Để đo biến dạng của ống, chúng tôi sử dụng các cảm biến đo biến dạng Strain Gauge PL-60-11 Đây là cảm biến điện trở, có chiều dài 60mm và có giới hạn biến dạng tương đối là 2%

Các cảm biến đo biến dạng này được nối với bộ thu tín hiệu trung tâm và cho ra kết quả ở thiết bị đọc tín hiệu

 Đo kích thước hình học của tiết diện ngang

Thép hộp được sử dụng trong nghiên cứu này là thép hộp Hòa Phát b h 60 30 1mm có để chắc chắn về kích thước hình học của thanh nén, các kích thước của thép hộp cần phải được xác định lại một cách chính xác bằng Caliper

 Đo chuyển vị đứng của dầm đơn giản bằng thép hộp

Kết quả phân tích cho theo phương pháp bình phương cực tiểu cho giá trị mô đun đàn hồi của thép hộp là

3.4 NGHIÊN CỨU BIẾN DẠNG CỦA DẦM THỔI PHỒNG

Thí nghiệm đo biến dạng của dầm thổi phồng được thực hiện trong phạm vi luận văn của tác giả Võ Ngọc Quang “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm màng mỏng thổi phồng” Trong phạm

vi luận văn này, tác giả chỉ nêu sơ lược quá trình bố trí thí nghiệm và các kết quả đạt được

3.4.1 Lắp đặt thiết bị đo

Hình 3-1 Thí nghiệm đo biến dạng ống thổi phồng

Ống màng mỏng được kê lên các gối tựa, cách nhau 2m Do khi bị thổi phồng, một đoạn dài khoảng 20cm ở phía đầu ống bị méo, không có dạng hình trụ tròn xoay, không phù hợp với lý thuyết tính toán Vậy nên, để đảm bảo các tiết diện ngang của ống đều có dạng hình tròn, các phép đo biến dạng của ống màng mỏng được thực hiện trong phạm vi chiều dài L = 1m ở giữa ống

a) Cảm biến S2 đo ở vị trí bên

Dùng các dụng cụ tương tự cũng có thể giúp xác định sự thay đổi chiều dài của ống Các cảm biến này có số hiệu là S3 và S4, được

bố trí dọc theo trục ống, và cũng trong phạm vi 1m giữa ống Các kết quả cuối cùng cũng được lấy từ giá trị trung bình của các giá trị đo được từ S3 và S4

và bán kính R tỷ lệ thuận nên các kết quả đo được từ S2 và S5 cũng

có thể được sử dụng để đánh giá sự biến thiên bán kính

22

R

Kết quả đo biến thiên bán kính sẽ là giá trị trung bình của hai

số liệu đo được

Các strain gauges S3 và S4 được dán theo trục ống của ống, do

đó có thể đo được sự biến thiên chiều dài của ống Kết quả đo biến thiên chiều dài cũng được lấy là giá trị trung bình của các kết quả đo được Các kết quả đo được cho trong sau:

Bảng 3-1 Kích thước hình học của ống màng mỏng thổi phồng

Các giá trị biến thiên kích thước ống sau đó được vẽ biểu đồ

và so sánh với các giá trị thu được từ lý thuyết

3.5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY

3.5.1 Mô hình thí nghiệm

Dầm Tensairity được tạo nên từ ba thành phần chính: thanh thép hộp chịu nén, dây cáp chịu kéo và ống thổi phồng làm nền đàn hồi Thanh nén được đo và cắt sao cho có chiều dài lớn hơn chiều dài ống thổi phồng một đoạn 60cm Đoạn dôi ra này sẽ được kê lên các gối tựa để tạo thành mô hình dầm đơn giản

Trên thanh nén này, ta hàn các con ren tại vị trí giữa dầm, và cách 30cm ở mỗi đầu dầm Các con ren ở vị trí giữa dầm sẽ có nhiệm vụ dẫn hướng cho dây cáp, và các con ren ở phía đầu dầm sẽ có nhiệm

Biến thiên chiều dài

0.1

0.125

Chỉ số strain gauge

Để neo cáp, ta dùng các “cẳng chó” để xiết, không cho dây cáp tuột tại các vị trí đầu dầm Do có thể dễ dàng nới lỏng cũng như xiết chặt cẳng chó nên hoàn toàn có thể điều chỉnh chiều dài đoạn cáp để dây cáp có thể ôm sát ống thổi phồng

2 Phương pháp 2: Ống thổi phồng được lắp vào thanh nén thông qua hệ thống dây cáp Ngay tại trạng thái ống được thổi phồng

sơ bộ (chỉ tạo ra dạng trụ tròn của ống, áp suất thổi phồng rất bé, có thể bỏ qua), dây cáp đã được rút và neo lại sao cho ống thổi phồng được liên kết chặt chẽ với thanh nén

Sau khi được chế tạo, dầm Tensairity sẽ được đặt lên các gối Thực chất các ống thổi phồng chỉ có chiều dài 3m, tuy nhiên sau khi

được thổi phồng thì hai đầu bị phình ra, khoảng cách giữa hai đầu mút lên đến 3.2m Do đó, các gối tựa trong thí nghiệm này được đặt cách nhau 3.2m, nhịp tính toán của dầm cũng sẽ là 3.2m

Tải trọng được sử dụng trong thí nghiệm này cũng chính là các tải trọng được sử dụng trong thí nghiệm đo chuyển vị của dầm thép hộp Khối lượng mỗi cục tải là m 15kg Các tải trọng này được chất đều lên dầm theo chiều dài, tạo thành tải trọng phân bố đều có cường độ q 180kg/ 3.2m)

Áp suất thổi phồng được tăng theo 5 cấp: 10 50 kPa

Chuyển vị được đo bằng Indicator và được đặt ở vị trí giữa dầm

Hình 3-4 Gia tải và đo chuyển vị

3.5.2 Kết quả thí nghiệm

Các kết quả thực nghiệm và lý thuyết được tổng hợp trong các biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị được thể hiện trong các Hình 3-5 đếnHình 3-7

Hình 3-5 Chuyển vị giữa dầm Thực nghiệm vs Lý thuyết – Neo trước

Hình 3-6 Chuyển vị giữa dầm Thực nghiệm vs Lý thuyết – Neo sau

Hình 3-7 Chuyển vị giữa dầm Neo trước vs Neo sau (kết quả thực nghiệm)

Tuy nhiên theo xu hướng phát triển, độ dốc của biểu đồ quan hệ chuyển vị - áp suất giảm dần khi áp suất trong ống tăng lên Vậy nên rất có thể khi áp suất trong ống vượt quá 50kPa, độ cứng của dầm không tăng lên quá nhiều nữa

 Ảnh hưởng của bán kính ống thổi phồng đến khả năng chịu

uốn của dầm:

Bán kính ống thổi phồng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo

ra cánh tay đòn ngẫu lực giữa lực căng trong dây cáp và lực nén trong thanh nén Tạo ra khả năng chịu uốn cho dầm Do đó khi tăng bán kính dầm sẽ làm tăng khả năng chịu uốn cho dầm Điều này được thể hiện qua các kết quả đo được, cùng một áp suất thổi phồng như nhau p=30 kPa thì chuyển vị của dầm có bán kính R=0.125m ít hơn 25%

so với dầm có bán kính R=0.1m

Ngoài ra, theo nghiên cứu của Nguyễn và các cộng sự (2013), khi

bị thổi phồng, dầm có bán kính lớn hơn sẽ có sự biến thiên bán kính lớn hơn so với dầm còn lại Điều này cũng được thể hiện trong bảng 3.1 Do đó, trong trường gợp neo trước sự chênh lệch lực căng trong cáp sẽ lớn hơn Sự chênh này sẽ còn lớn hơn khi áp suất lớn hơn nữa

 Ảnh hưởng của phương pháp neo cáp đến khả năng chịu uốn

của dầm:

Theo như kết quả thu thập được, phương pháp neo cáp (neo trước – neo sau) ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu uốn của dầm Một cách sơ bộ, ta nhận thấy khả năng chịu uốn của dầm phụ thuộc rất lớn vào lực căng trong dây cáp, lực căng này phụ thuộc vào phương pháp neo cáp

- Trong trường hợp neo sau, lực căng trong cáp chỉ do thành phần tải trọng ngang tác dụng mà thành

- Trong trường hợp neo trước, lực căng này còn được đóng góp thêm bởi sự căng trước do quá trình thổi phồng