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

Tuy nhiên, dầm thép cũng có các nhược điểm cố hữu như: - iá thành cao, vật liệu đa phần phải nhập khẩu từ nước ngoài Hình 1-2: Một số dầm bê tông cốt thép được sử dụng Loại kết cấu này

LÊ VĂN QU NG

NG IÊN ỨU T Ự NG IỆM SỰ LÀM VIỆ

Ủ ẾT ẤU ỊU UỐN SIÊU N Ẹ TENS IRITY

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN T Ạ SĨ Ỹ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QU NG TÙNG

Đà Nẵng - Năm 2019

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người cam đoan

Lê Văn Quang

LỜ AM OA

MỤ LỤ

TRA TÓM TẮT LUẬ VĂ

DANH MỤ Á Ì

MỞ ẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 ối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục luận văn 3

ƯƠ 1 TỔ QUA VỀ ẤU K Ệ ỊU UỐ 4

1.1 ấu kıện chịu uốn cổ đıển 4

1.1.1 Dầm thép 4

1.1.2 Dầm bê tông cốt thép 5

1.1.3 Dầm gỗ 6

1.1.4 Dầm trên nền đàn hồi 7

1.1.5 Kết cấu dàn chịu lực 7

1.2 Một số kết cấu chịu uốn mới 8

1.2.1 Dầm thổi phồng 8

1.2.2 Kết cấu Tensegrity 11

1.2.3 Kết cấu Tensairity 12

1.3 KẾT LUẬ ƯƠ 13

ƯƠ 2 TÍ TOÁ KẾT ẤU TE SA R TY 14

2.1 Thiết lập phương trình cho bài toán thổi phồng ống màng mỏng trực giao 15

2.1.1 ặt vấn đề 15

2.1.2 Sự vận động 16

2.1.3 Sự biến đổi - Biến dạng 16

2.1.4 Ứng suất 17

2.1.5 Phương trình cân bằng 20

2.1.6 ệ phương trình phi tuyến xác định kích thước ống màng mỏng thổi phồng 20

2.2 Thiết lập phương trình cho bài toán dầm Tensairity chịu uốn 22

2.2.1 ệ phương trình cân bằng 22

2.2.2 Lực căng trong dây cáp 29

MỎ T Ổ P Ồ 31

3.1 Vật liệu sử dụng 31

3.1.1 Ống màng mỏng thổi phồng 31

3.1.2 Thanh thép chịu nén 33

3.1.3 Dây cáp chịu kéo 33

3.2 ác dụng cụ đo 33

3.2.1 Bơm khí và đo áp suất trong ống 33

3.2.2 o biến dạng ống 34

3.2.3 o chuyển vị 35

3.2.4 o đặc trưng hình học của thanh nén 36

3.2.5 Thiết bị an toàn 36

3.2.6 Thiết bị bảo hộ 37

3.3 o mô đun đàn hồi của thép hộp chịu nén 37

3.3.1 ơ sở lý thuyết 37

3.3.2 Mô hình thí nghiệm 38

3.4 ghiên cứu biến dạng của dầm thổi phồng 40

3.4.1 Lắp đặt thiết bị đo 40

3.4.2 Kết quả 41

3.5 ghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm Tensairity 42

3.5.1 Mô hình thí nghiệm 42

3.5.2 Kết quả thí nghiệm 45

3.5.3 Bàn luận 47

3.6 Kết luận 50

KẾT LUẬ V K Ế Ị 51

T L ỆU T AM K ẢO 52 QUYẾT Ị AO Ề T LUẬ VĂ T SĨ (BẢ SAO)

BẢ SAO KẾT LUẬ ỦA Ộ Ồ , BẢ SAO Ậ XÉT ỦA Á

P Ả B Ệ

NG IÊN ỨU T Ự NG IỆM SỰ LÀM VIỆ Ủ ẾT ẤU ỊU

UỐN SIÊU N Ẹ TENS IRITY

ọc viên: Lê Văn Quang huyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng

Mã số: 60.58.02.08 - Khóa: K34 - Q Trường ại học Bách khoa –

Tóm tắt – ấu kiện chịu uốn Tensairity là một kết cấu liên hợp, được tạo thành từ 1 thanh chịu nén, một dây cáp chịu kéo và một dầm màng mỏng thổi phồng Mỗi thành phần đều được phát huy tối đa khả năng làm việc, tạo nên khả năng chịu uốn tổng thể cho dầm ác nghiên cứu lý thuyết đã được thực hiện trước đây Luận văn chỉ tập trung nghiên cứu thực nghiệm để phân tích ứng xử thực tế của dầm và so sánh với lý thuyết đã được xây dựng ác kết quả thực nghiệm thu được phản ánh khá đúng với ứng xử đã được đề cập trước đây

Từ khóa – dầm Tensairity, nghiên cứu thực nghiệm, vải kỹ thuật, biến dạng lớn

EXPERIMENTTAL ANALYSIS ON THE BEHAVIOR OF TENSAIRITY

BEAM Abstract - Tensairity bending structure is a composite structure, made up of a compression bar, a tension cable and a thin beam inflated Each component is to maximize the ability to work to make up the overall bending resistance for beams The theoretical research has been done before The thesis only focuses on experimental research to analyze the actual behavior of beams and compare with the built theory The experimental results obtained reflect quite right to behave mentioned previously

Key words - free vibration, inflatable beam, orthotropic material, change of material

properties, material orientation, finite deformation

Hình 1-1: Kết cấu Tensairity 1

Hình 1-1: Một số dầm thép được sử dụng 4

Hình 1-2: Một số dầm bê tông cốt thép được sử dụng 5

Hình 1-3: Một số dầm gỗ được sử dụng 6

Hình 1-4: Dầm trên nền đàn hồi 7

Hình 1-5: Dàn thép 7

Hình 1-6: Dầm thổi phồng 8

Hình 1-7: Kết cấu thổi phồng được sử dụng tạm thời 9

Hình 1-8: Một số công trình thổi phồng được ứng dụng trong đời sống 10

Hình 1-10: hững sân vận động với mái vòm sử dụng kết cấu thổi phồng 10

Hình 1-12: Một số công trình ứng dụng Tensegrity 12

Hình 1-13: Một số công trình ứng dụng Tensairity 13

Hình 2-1: Kích thước hình học ban đầu của ống 15

Hình 2-2: Sơ đồ làm việc của dầm Tensairity 22

Hình 2-3: Biến dạng của ống thổi phồng khi bị dây cáp ép mặt 30

Hình 3-1 Ống màng mỏng được sử dụng 32

Hình 3-2 Thép hộp 33

Hình 3-3 Thiết bị bơm khí 34

Hình 3-4 Thiết bị đo áp suất 34

Hình 3-5 Strain gauge PL-60-11 35

Hình 3-6 Thiết bị thu tín hiệu và xuất kết quả 35

Hình 3-7 ndicator dùng để đo chuyển vị 36

Hình 3-8 Thước đo điện tử D TAL AL PER 150mm/6" 36

Hình 3-9 Van an toàn 37

Hình 3-10 huyển vị của dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều 37

Hình 3-11 o kích thước hình học thép hộp 38

Hình 3-12 Thí nghiệm đo chuyển vị dầm đơn giản bằng thép hộp 38

Hình 3-13 So sánh độ võng dầm thép hộp 39

Hình 3-14 Thí nghiệm đo biến dạng ống thổi phồng 40

Hình 3-15 Sơ đồ bố trí các cảm biến đo biến dang 41

Hình 3-16 o và cắt thép hộp 42

Hình 3-17 ịnh vị và hàn ren 43

Hình 3-18 Neo cáp 43

Hình 3-19 Mô hình dầm Tensairity 44

Hình 3-23 huyển vị giữa dầm eo trước vs eo sau (kết quả thực nghiệm) 47

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

iện 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 ác 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 ác 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 goài

ra, nhược điểm cố hữu của loại kết cấu thổi phồng này là khả năng chịu lực rất bé hằm 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 iện 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- enis ở Pháp và rất nhiều kết cấu khác (xem ình 1)

a) Pont de Val-Cenis (Pháp) b) Garage ô-tô (Thụy Sĩ)

Hình 1-1: Kết cấu Tensairity

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

hững nghiên cứu đầu tiên về kết cấu Tensairity được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu về kết cấu siêu nhẹ của Luchsinger – Thụy Sĩ hóm 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 k 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

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

- ghiên 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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 ối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

NỘI DUNG ÍN

hương 1: TỔNG QU N VỀ ẤU IỆN ỊU UỐN

1.1 Kết cấu chịu uốn cổ điển

1.2 Một số kết cấu chịu uốn mới

1.3 Kết luận chương

hương 2: LÝ T UYẾT TÍN DẦM TENS IRITY

2.1 Trường hợp dây cáp được được liên kết vào hai đầu thanh nén và chạy dọc theo trục ống

2.2 Trường hợp dây cáp được bố trí xoắn ốc quanh trục ống

hương 1 TỔNG QU N VỀ ẤU IỆN ỊU UỐN

hương này đề cập đến các cấu kiện chịu uốn cơ bản cũng như vật liệu cấu tạo

đã và đang được sử dụng trong các công trình xây dựng Ưu nhược điểm và phạm vi

sử dụng của từng loại cấu kiện được phân tích rõ ràng nhằm nêu bật đặc tính loại cấu kiện chịu uốn mới Tensairity

1.1 Cấu kıện chịu uốn cổ đıển

Dầm là cấu kiện dạng thanh, chịu tải trọng vuông góc với trục thanh Thường được sử dụng như kết cấu chịu lực trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp Dầm chịu lực có thể được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau như: thép, bê tông cốt thép, gỗ…

1.1.1 Dầm thép

Kết cấu thép sử dụng hoàn toàn thép làm kết cấu chịu lực chính (cột thép, dầm thép hình ) Tùy vào hình dạng công trình, không gian, ứng dụng mà người ta sử dụng những hệ kết cấu phù hợp

Kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng hiện nay trên thế giới ũng như các vật liệu khác, kết cấu thép cũng có những ưu và nhược điểm riêng

Hình 1-1: Một số dầm thép được sử dụng

ác ưu điểm của loại dầm này có thể được liệt kê như sau:

- ó tính đa dạng cao, linh hoạt, áp dụng cho mọi công trình và hình dáng đa dạng

- Dễ sữa chữa, nâng cấp

- iá thành thấp

- hất lượng cao

- Thi công nhanh

- Chi phí bảo hành thấp

Tuy nhiên, dầm thép cũng có các nhược điểm cố hữu như:

- iá thành cao, vật liệu đa phần phải nhập khẩu từ nước ngoài

Hình 1-2: Một số dầm bê tông cốt thép được sử dụng

Loại kết cấu này sở hữu nhiều ưu điểm khiến nó ngày càng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng như:

- ơn giản, dễ chế tạo, có thể sử dụng các loại vật liệu tại địa phương (cát, đá )

- hịu lực tốt, tuổi thọ công trình cao, chi phí bão dưỡng ít

- Thiết kế và tạo hình dáng cho cấu kiện dễ dàng

Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm không thể bàn cãi thì loại kết cấu này cũng còn tồn tại một số nhược điểm nhất định như:

- Trọng lượng bản thân lớn gây khó khăn trong việc xây dựng kết cấu vượt nhịp lớn bằng BT T thông thường

- Bê tông cốt thép dễ có khe nứt ở vùng chịu kéo khi chịu lực, thông thương bề rộng khe nứt không lớn và ít ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng của kết cấu

- ách âm, cách nhiệt kém, thi công phức tạp, khó kiểm tra chất lượng, gia cố

hay sữa chữa

1.1.3 Dầm gỗ

ỗ là nguyên liệu, vật liệu được con người sử dụng rộng rãi và lâu đời ược sử dụng rộng rãi trong các ngành nông nghiêp, công nghiêp, xây dựng

Hình 1-3: Một số dầm gỗ được sử dụng

Kết cấu gỗ thường có những ưu điểm như sau:

- Trọng lượng bản thân bé, có tính cơ học cao, chịu uốn tốt

- Sử dụng vật liệu địa phương, giá thành thấp

- Dễ chế tạo, đa dạng về hình dáng, kiến trúc công trình

- hi phí bão dưỡng thấp

- hống xâm thực của môi trường hóa học tốt

Tuy nhiên dầm gỗ cũng có những nhược điểm như:

- Vật liệu không bền, dex mối mục, dễ cháy

- ó nhiều khuyết tật làm giảm khả năng chịu lực

1.1.4 Dầm trên nền đàn hồi

Khi dầm hay bộ phận công trình đặt trực tiếp trên nền, tác dụng của tải trọng được truyền xuống nền bằng áp lực phân bố trên mặt tiếp xúc giữa dầm và nền ếu nền có tính đàn hồi thì dầm đặt trực tiếp trên nền được gọi là dầm trên nền đàn hồi, thí

dụ như dầm móng, tà vẹt Trong thực tế kỹ thuật ta thường gặp một dầm tựa trên một dãy gối đàn hồi liên tiếp gần nhau thí dụ ray tựa lên tà vẹt

Hình 1-4: Dầm trên nền đàn hồi

1.1.5 Kết cấu dàn chịu lực

Một trong các nhược điểm quan trọng của kết cấu dầm là khả năng chịu lực và khả năng vượt nhịp Do trong dầm còn nhiều vùng làm việc không hiệu quả ụ thể như vùng bụng của dầm hầu như không làm việc ể giảm nhẹ trọng lượng kết cấu, nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu cũng như để nâng cao khả năng chịu lực và khả năng vượt nhịp của kết cấu gười ta đã đề xuất kết cấu dàn Kết cấu dàn được tổ hợp

từ các phần tử dạng thanh ũng như dầm, tuy nhiên dàn được thiết kế tối ưu hơn, loại

bỏ được những phần không cần thiết, các thành phần của dàn hầu như chỉ chịu kéo hoặc nén nên có khả năng làm việc tốt hơn kết cấu dầm

Hình 1-5: Dàn thép

So với dầm, kết cấu dàn được thiết kế tối ưu hơn nên chịu lực và vượt nhịp tốt hơn Tuy nhiên việc chế tạo không hề đơn giản nên thường được áp dụng cho các công trình vượt nhịp lớn

1.2 Một số kết cấu chịu uốn mới

1.2.1 Dầm thổi phồng

Kết cấu màng mỏng là những kết cấu được làm bằng vải kỹ thuật và được ổn định bằng cách tạo ra một ứng suất trước trong vải Dự ứng lực này được cung cấp trong màng mỏng bằng cách:

- ặt vào một ngoại lực làm căng màng mỏng ây là trường hợp của các kết cấu kéo căng

- Tạo ra một áp lực từ bên trong để chịu tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài

ây là lĩnh vực nghiên cứu của kết cấu màng mỏng thổi phồng

Trong lĩnh vưc này, có hai loại kết cấu khác nhau:

- Kết cấu được giữ vững bằng máy thổi khí: các kết cấu này được cấu thành từ một lớp màng mỏng, và khả năng chịu tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài phụ thuộc vào áp lực khí thổi vào

- Kết cấu thổi phồng: loại kết cấu này được cấu tạo với hai lớp màng mỏng Kết cấu này tự chịu lực được, và tự tạo được hình dạng khi được thổi khí Kết cấu này được bịt kín, một khi được thổi đầy khí rồi thì không cần phải cung cấp khí liên tục nữa Trong một vài trường hợp cụ thể, kết cấu bị xì, nó sẽ được liên kết với máy để giữ nguyên áp suất thổi phồng cho kết cấu

Hình 1-6: Dầm thổi phồng

ề xuất đầu tiên về 1 công trình thổi phồng được đưa ra bởi rederick illiam Lanchester, người được cấp bằng sáng chế vì đã thiết kế thành công một bệnh viện dã chiến (xem ình 1.6) vào năm 1917 ó là một chiếc lều vải được thổi phồng với áp suất thấp

Hình 1-7: Kết cấu thổi phồng được sử dụng t m thời

Trong những năm tiếp theo, mô hình kết cấu thổi phồng đã được sử dụng trong phạm vi các hoạt động ngắn hạn như tạm trú khẩn cấp sau khi thiên tai, lều của ội

hữ thập đỏ ấy là những trường hợp cần những chỗ lưu trú khẩn cấp, nhanh chóng

và dễ tháo lắp

ăm 1970, ội nghị triển lãm tại Osaka hật Bản được tổ chức với chủ đề “Sự phát triển hài hòa của hân Loại “ Trong đó, chủ đề về cấu trúc vật liệu nhẹ trong xây dựng được nhắc đến rất nhiều, lý do là vì hật Bản là một nước thường xuyên xảy ra động đất Từ thời điểm đó, mô hình kết cấu thổi phồng ngày càng phát triển và được

áp dụng vào nhiều lĩnh vực chứ không chỉ trong việc xây dựng nhà tạm, ở đây sẽ là những công trình bền vững hơn, lâu dài hơn ó thể chỉ ra một số ví dụ như: bục danh dự tại Tour de rance, những nhà kho thổi phồng, nhà mái vòm, và cả những nhà thờ thổi phồng… (xem Hình 1.7)

Kết cấu thổi phồng cũng có thể được lựa chọn vì lý do thẩm mỹ ác kết cấu dạng cong, màu sắc rực rõ, kết cấu đẹp và mê hoặc có thể được sử dụng để gây ấn tượng với người xem hính vì vậy, kết cầu thổi phồng có thể được xem như là một cuộc cách mạng của tương lai ai tác phẩm Leviathan và Air orest (xem Hình 1.7) chính là những minh chứng rõ ràng nhất cho lập luận đó

Hình 1-8: Một số công trình thổi phồng được ứng dụng trong đời sống

Do trọng lượng nhẹ, các kết cấu màng mỏng thổi phồng này còn được sử dụng

để làm những mái che khổng lồ, ví dụ như mái che sân vận động Minesota Metrodome

ở Mỹ hay sân vận đông Tokyo Dome ở hật Bản (xem Hình 1.8) Việc sử dụng những mái che kiểu màng mỏng thổi phồng này giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng so với một công trình thông thường

Hình 1-9: Những sân vận động với mái vòm sử dụng kết cấu thổi phồng

Trong một số trường hợp, những kết cấu màng mỏng thổi phồng này còn được

sử dụng như là những yếu tố phụ được kết nối với những kết cấu chịu lực chính nhằm mục đích làm mới công trình, cũng như tăng tính thẩm mỹ Ví dụ như trường hợp Trung tâm vũ trụ quốc gia của Anh và sân Allianz Arena ở ức

Việc sử dụng các kết cấu dầm thổi phồng có nhiều lợi thế hơn khi so sánh với những kết cấu thông thường tương đương Sau đây là những điểm nổi bật của kết cấu màng mỏng thổi phồng:

- ó rất nhẹ và chỉ chiếm ít thể tích lưu kho

- hi phí sản xuất thấp

- Thiết kế và chế tạo đơn giản hơn so với những kết cấu thông thường tương đương Khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi thì những ứng dụng mới sẽ trở nên đơn giản và dễ phát triển hơn

- hững dự án không gian thành công đã chỉ ra rằng kết cấu dầm thổi phồng có

độ tin cây cao và dễ triển khai

Kết cấu dầm thổi phồng có rất nhiều ưu điểm, tuy nhiên nó cũng có vài nhược điểm cố hữu cần phải khắc phục như:

- Kết cấu có thể bị xì hơi ác kết cấu thổi phồng thường được cấu tạo từ vải kỹ thuật Loại vải này được đan từ các sợi ngang và sợi dọc và sau đó được phủ một lớp nhựa dẻo để bảo vệ hững sợi vải tạo nên khả năng chịu lực cho tẩm vải kỹ thuật Khả năng chống thấm loại vải này được bảo đảm bởi các lớp phủ

và các công nghệ chế tạo khác nhau (hàn, dán…) Tuy nhiên sau vài ngày hoặc vài tuần, khả năng chống thấm của lớp màng sẽ bị suy giảm do áp suất bên trong Bởi vậy phải có một hệ thống cung cấp khí để giữ ổn định và độ cứng của cấu trúc Trong môi trường vũ trụ, đối với những dự án không gian ngắn ngày, để khắc phục trường hợp kết cấu bị xì hơi, người ta có thể cung cấp một lượng khí ga vừa đủ để giữ áp suất bên trong

- Khó có được hình dạng phẳng ó những hạn chế nhất định về hình dáng của kết dầm thổi phồng này Bất k màng thổi phồng nào (túi khí, ống, vòng hình xuyến) đều có xu hướng hình dáng theo đường cong

- Khả năng vận hành còn nhiều hạn chế So với những kết cấu truyền thống (gỗ, kim loại) thì khả năng vận hành của kết cấu dầm thổi phồng có những hạn chế nhất định Khả năng chống thấm của nó phụ thuộc vào áp suất bên trong cấu trúc, cũng như độ căng và tính chất của chất liệu vải ó thể nói khả năng chịu lực của nó thấp hơn những kết cấu truyền thống khác

- Khả năng chịu lực kém không thể bằng các kết cấu thông thường, có độ võng cao

1.2.2 Kết cấu Tensegrity

Kết cấu chịu uốn này được cấu tạo từ hai phần chính là thanh thép chịu nén và dây cáp chịu kéo Kết cấu chịu uốn theo nguyên lý Tensegrity đã được ứng dụng trong xây dựng một số công trình như: ầu có khả năng vượt nhịp lớn Tuy nhiên vẫn chưa

được ứng dụng nhiều do kết cấu dễ mất ổn định So với các kết cấu cổ điển, kết cấu Tensegrity có được các ưu điểm nhất định như sau:

- ó trọng lượng bản thân nhẹ hơn so với các kết cấu thông thường

- Vượt được nhịp lớn

- Tận dụng tối đa sự làm việc của vật liệu

Tuy nhiên, đi kèm với các ưu điểm đó là một số rủi ro khi vận hành Khi chịu tải trọng đổi chiều, kết cấu dễ mất ổn định và dẫn đến phá hoại

Hình 1-10: Một số công trình ứng dụng Tensegrity

1.2.3 Kết cấu Tensairity

Tensairity là một ý tưởng thiết kế kết cấu chịu lực nhẹ hướng đến phát triển bền vững; được tổ hợp từ thanh nén, dây cáp chịu kéo và dầm màng mỏng thổi phồng Trong kết cấu Tensairity, từng thành phần chịu lực được phát huy tối đa hiệu quả sử dụng: thanh nén chỉ chịu nén, dây cáp chỉ chịu kéo và dầm màng mỏng thổi phồng có tác dụng tạo cánh tay đòn cho cặp ngẫu lực “kéo-nén” cũng như đảm bảo sự ổn định cho thanh nén Do đó, dầm Tensairity sẽ nhẹ hơn rất nhiều so với một dầm cổ điển

Dầm này sở hữu nhiều ưu điểm so với một dầm cổ điển có khả năng chịu lực tương đương hoặc trọng lượng tương đương

- Tận dụng tối đa sự làm việc của vật liệu;

- Kết cấu có khả năng chịu lực tốt;

- Trọng lượng nhỏ;

- Dễ vận chuyển, lắp dựng, chiếm ít vị trí khi lưu kho

Tuy nhiên, như các kết cấu khác, Tensairity vẫn còn nhiều vấn đề cần khắc phục để có thể sử dụng hiệu quả hơn:

- Khó đảm bảo độ bền theo thời gian do ống thổi phồng có thể bị hư hỏng;

- Khi một trong các thành phần cấu tạo nên kết cấu (ống thổi phồng, thanh nén, dây cáp) gặp vấn đề thì có thể dẫn đến phá hoại toàn bộ hệ kết cấu;

- ần bảo trì, bảo quản thường xuyên;

- iá thành không nhất thiết rẻ hơn các kết cấu thông thường

Hình 1-11: Một số công trình ứng dụng Tensairity

1.3 KẾT LUẬN ƯƠNG

Kết cấu chịu uốn có thể được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau và có nhiều hình dạng khác nhau Mỗi một loại cấu kiện đều có ưu nhược điểm riêng và được sử dụng tối ưu trong lĩnh vực áp dụng của chúng, tùy thuộc vào điều kiện thi công, điều kiện kinh tế… Tuy nhiên, để hướng đến phát triển bền vững, cần có những kết cấu có thể tận dụng tối đa hiệu năng làm việc của các thành phần cấu tạo Kết cấu Tensairity hoàn toàn thích hợp trong điều kiện này và cần được nghiên cứu để phát triển Trong chương tiếp theo, để tạo tiền đề cho các nghiên cứu chính của đề tài, tác giả tổng hợp các công thức giải tích để tính toán kết cấu chịu uốn Tensairity

hương 2 TÍN T N ẾT ẤU TENS IRITY

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu ứng xử của dầm Tensairity Quá trình nghiên cứu sẽ được chia thành hai giai đoạn khác nhau:

Giai đoạn 1: ghiên cứu sự thay đổi kích thước hình học của ống màng mỏng khi

được thổi phồng với áp suất nhất định

ể xử lý bài toán thổi phồng ống màng mỏng này, đầu tiên bài toán sẽ được triển khai trong khuôn khổ ống trực giao có thành dày để xây dựng các phương trình cân bằng Sau đó, các phương trình sẽ được phát triển bằng việc giả thiết chiều dày của vật liệu tạo nên ống là rất bé so với bán kính ống để rút ra một hệ hai phương trình đại

số iải hệ phương trình này cho phép xác định các kích thước hình học của ống ở trạng thái thổi phồng

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

Dầm kiểu Tensairity là tổ hợp gồm 3 thành phần chịu lực khác nhau là thanh nén, ống thổi phồng và dây cáp chịu kéo Thanh nén được liên kết chặt chẽ với ống thổi phồng thông qua hệ thống dây cáp Ống thổi phồng có chức năng làm nền đàn hồi cho thanh nén, hạn chế sự mất ổn định của thanh nén, do đó tăng khả năng chịu lực của thanh nén Thành phần chịu kéo trong hệ kết cấu được đảm nhiệm do dây cáp, vốn chuyên chịu kéo Vậy nên trong kết cấu này, hiệu qua làm việc của các thành phần được tận dụng tối đa, giúp tăng khả năng chịu lực và giảm trọng lượng kết cấu

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 guyễn et al [2013]

2.1.1 Đặt vấn đề

Bài toán được thiết lập trong khuôn khổ biến dạng lớn, do đó cần phải phân biệt trạng thái tự nhiên và trạng thái thổi phồng của ống ể xây dựng các phương trình tính toán, tác giả sử dụng hệ trục tọa độ trụ e e e , với r, , x e r,e và e xlần lượt là các vectơ chỉ phương, đính hướng theo bán kính, chu vi và theo trục của ống

Vị trí của một phần tử của ống ở trạng thái thổi phồng sẽ được ký hiệu là x và

được xác định bằng các tọa độ trụ như , ,r x, như vậy,x re r xe x Ở trạng thái

thổi phồng này, các vectơ chỉ phương tại phần tử (hay còn gọi là vị trí) x phụ thuộc

vào giá trị của

Vị trí của phần tử đó ở trạng thái tự nhiên, chưa thổi phồng sẽ được ký hiệu là X và sẽ

được xác định bằng các tọa độ như , ,R X - như vậy, X Rer Xe x Tương tự

như ở trạng thái thổi phồng, các vectơ chỉ phương tại vị trí X sẽ phụ thuộc vào giá trị

của

Ống có kích thước ban đầu với bán kính R, chiều dày màng mỏng H và có chiều dài L, được khép kín tại các tiết diện có tọa độ X = 0 và X = L

HR

Hình 2-1: Kích thước hình học ban đầu của ống

Trong nghiên cứu này, vật liệu vải kỹ thuật được mô hình như một màng mỏng đàn hồi trực giao với các vectơ chỉ phương trực giao e và e t lần lượt được định

hướng theo phương ngang và dọc của các sợi vải óc tạo bởi các vectơ e và e xđược gọi là góc định hướng và ký hiệu là , 0 180o

2.1.3 Sự biến đổi - Biến dạng

Tọa độ của phần tử x ở trạng thái thổi phồng được xác định theo tọa độ của nó

k cos rsin k sin rsin

Ten-xơ E biểu diễn các biến dạng từ trạng thái tự nhiên sang trạng thái thổi

phồng được tính theo công thức E (F F IT ) / 2 và được và được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:

- E là ten-xơ biến dạng reen - Lagrange;

- C là ten-xơ độ mềm (ngược với ten-xơ đàn hồi) của vật liệu;

- là ten-xơ ứng suất Piola-Kirchhoff

Trong hệ tọa độ trực giao ( , , )e e en t , quy luật ứng xử này được khai triển như sau:

của ten-xơ ứng suất Mat[C, ( ,e e er , )x ] trong hệ tọa độ trụ của ống sẽ được xác định từ

ma trận của ten-xơ này trong hệ tọa độ địa phương của vải kỹ thuật:

1 T J

Với J là định thức của ma trận gradient biến đổi, F là ma trận gradient biến đổi

đã được xác định từ các công thức (2-3) và (2-5) Khai triển công thức này, ta được (2-15):

2 2

,,

,,

2.1.5 Phương trình cân bằng

ác thành phần của ten-xơ ứng suất auchy không phụ thuộc vào tọa độ trụ

Do đó, các phương trình cân bằng sẽ được viết như sau:

2.1.6 Hệ phương trình phi tuyến xác định kích thước ống màng mỏng thổi phồng

Áp dụng hệ phương trình cân bằng (2-16) cho bài toán ống màng mỏng thổi phồng, ta chấp nhận một số giả thiết quan trọng liên quan đến kết cấu màng mỏng:

- do bề dày của thành ống rất bé nên có thể coi các hệ số thay đổi kích thước hình học của ống không phụ thuộc vào bán kính ống R;

- các thành phần ứng suất có liên quan đến chiều dày ống rất nhỏ so với các thành phần khác và có thể được bỏ qua

hư vậy, ma trận biến dạng E sẽ được viết lại như sau:

ông thức (2-18) là cổ điển và có thể tham khảo tại các tài liệu về sức bền vật

liệu, lý thuyết đàn hồi Ma trận ứng suất Piola-Kirchhoff được viết lại như sau:

2 2

00

C C Với các số liệu đầu vào đã cho như bán kính R của ống ở

trạng thái tự nhiên, các giá trị mô-đun đàn hồi của màng mỏng (E H E H G H, t , t , t),

góc định hướng của màng mỏng và giá trị của áp suất thổi phồng p, hệ phương trình

phi tuyến (2-21) có thể được giải bằng phương pháp lặp ewton–Raphson

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

Kết cấu chịu uốn Tensairity là một kết cấu liên hợp, được tạo thành từ 1 thanh chịu nén, một dây cáp chịu kéo và một dầm màng mỏng thổi phồng Mỗi thành phần

có chức năng riêng biệt để tạo nên khả năng chịu uốn tổng thể cho toàn bộ cấu kiện Khác với dầm cổ điển, đặc trưng của loại dầm Tensairity này là khi chịu tác dụng của tải trọng, từng thành phần trong cấu kiện sẽ có được sự làm việc tối ưu: thanh nén chỉ chịu nén, dây cáp chỉ chịu kéo và ống có tác dụng tạo cánh tay đòn cho cặp ngẫu lực

“kéo-nén” cũng như đảm bảo khẳ năng chịu uốn dọc cho thanh nén Do đó, có thể giảm tối đa trọng lượng của dầm

Trong chương này, học viên tổng hợp các phương trình vi phân cơ bản cho hệ dầm Tensairity ệ phương trình này sẽ được áp dụng để giải bài toán dầm đơn giản Tensairity chịu tải trọng phân bố đều huyển vị của dầm sẽ được xác định thông qua chuyển vị của thanh nén và của dây cáp chịu kéo ác hằng số tích phân xuất hiện trong nghiệm của hệ phương trình sẽ được xác định dựa vào các điều kiện biên của bài toán

2.2 Thiết lập phương trình cho bài toán dầm Tensairity chịu uốn

2.2.1 Hệ phương trình cân bằng

ấu tạo của dầm được thể hiện như hình bên dưới

q

w f H

 Xét cân bằng phân tố thanh nén:

- Phương trình cân bằng lực theo phương đứng:

x

d w

dx , từ (2-26) ta suy ra được:

- H là lực nén trong thanh nén và cũng là lực kéo trong dây cáp

- w w1, 2 là sự dịch chuyển theo chiều dọc của vùng chịu nén và chịu kéo tương ứng

- k là độ cứng của liên kết đàn hồi: .

2

p

 Xét cân bằng phân tố dây căng

- Phương trình cân bằng lực theo phương đứng:

20

2

2

22

2

2

thể được xác định từ ba điều kiện biên

2 1

Từ hai phương trình (2-36) và (2-37), ta viết được các công thức tính đạo hàm

riêng của độ võng w 1 và w 2 theo tọa độ x như sau:

- Thay các đạo hàm cấp 6 và cấp 4 của w 1 theo x vào phương trình (2-35), ta