Kết cấu tre phù hợp cho khung xe đạp sinh thái báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t ktxd 2012 89

KẾT CẤU TRE PHÙ HỢP CHO KHUNG XE ĐẠP SINH THÁI Tóm tắt Trong số các loài tre của Việt Nam được nghiên cứu trong thời gian gần đây, nhiều loài cho thấy tiềm năng lớn để ứng dụng trong ng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thời gian thực hiện: từ tháng 10 năm 2012 đến tháng 12 năm 2013

Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Nam

Cán bộ tham gia đề tài: Hoàng Nam

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

1 Hoàng Nam, GV TS., Bộ môn Công trình, Khoa Kỹ thuật Xây dựng

KẾT CẤU TRE PHÙ HỢP CHO KHUNG XE ĐẠP SINH THÁI

Tóm tắt

Trong số các loài tre của Việt Nam được nghiên cứu trong thời gian gần đây, nhiều loài cho thấy

tiềm năng lớn để ứng dụng trong ngành Xây dựng (structural bamboo) Trong bài báo này, một

loài tre cụ thể được lựa chọn từ Làng tre Phú An, Bình Dương, đã được tiến hành thí nghiệm để thu được các đặc trưng cơ lý cơ bản, phù hợp cho việc sản xuất khung xe đạp Kết quả thu được

đã khẳng định lợi thế của việc sử dụng tre làm vật liệu để sản xuất, lắp ráp các kết cấu chịu lực

Từ khóa: Tre ứng dụng trong ngành Xây dựng, đặc trưng cơ lý, khung xe đạp

Đặc trưng cơ lý của loài tre Tầm Vông Bình Dương

Phân tích kết cấu khung xe đạp tre

1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG TRE

Tre là một trong số các nguồn tài nguyên thiên nhiên bền vững của vùng nhiệt đới được sử dụng rộng rãi trong đời sống thường nhật Tre có trọng lượng nhẹ, chịu lực tốt, kỹ thuật chế biến đơn giản và ít tốn kém, là nguồn tài nguyên thiên nhiên phát triển nhanh và có thể tái tạo được Không có loại cây nào của vùng nhiệt đới lại có thể cho con người nhiều công dụng kỹ thuật như tre (Kurz, 1876) Độ cứng, thẳng, trơn, nhẹ cộng với khả năng chẻ nhỏ thành nhiều kích thước,

độ dài, độ dày khác nhau nên tre thích hợp cho rất nhiều mục đích sử dụng Công dụng đáng kể nhất của tre là làm vật liệu xây dựng, bên cạnh những công dụng quan trọng khác như làm nguyên liệu làm giấy, chế tạo nhạc cụ, đồ thủ công mỹ nghệ và thực phẩm (măng)

Nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam là một trong những quốc gia trên thế giới có độ

đa dạng thực vật cao trong đó có tre Theo số liệu thống kê đến tháng 12/2004, thì tổng diện tích tre trúc của Việt Nam là 1.563.256 ha, với khoảng 200 loài thuộc 30 chi và phân bố khắp cả nước, nhiều nhất là ở Miền Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ (Nguyễn Ngọc Bình, Phạm Đức Tuấn, Kỹ thuật tạo rừng tre trúc ở Việt Nam, Trung tâm khuyến nông quốc gia,

2007, trang 17) Tre Việt Nam phong phú tuy nhiên chưa khai thác hết được tiềm năng kinh tế và giá trị đa dạng sinh học Nhiều giống tre tại Việt Nam được sưu tầm, nhưng chưa được nghiên cứu rõ ràng các đặc tính lý hóa để từ đó có thể mở ra những hướng sử dụng khác nhau Tre được

sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống nhưng việc chọn lựa loại tre cho từng mục đích chủ yếu dựa vào các kinh nghiệm dân gian Trong khuôn khổ của chương trình nghiên cứu trọng điểm của Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Tiến sĩ Diệp Thị Mỹ Hạnh (Đại học Khoa học Tự nhiên) đã sưu tập và định danh được gần 100 loài tre Việt Nam Làng tre Phú An, Bình Dương Nhằm nâng cao giá trị sử dụng của tre, tạo cơ sở cho các ứng dụng phong phú của Tre

Việt Nam, tác giả báo cáo này đã tiến hành nghiên cứu đặc trưng cơ lý của hơn 30 loài tre (Bảng

1) có khả năng chịu lực trong bộ sưu tập của TS.Diệp Thị Mỹ Hạnh trong đề tài nghiên cứu tại

Trường Đại học Bách Khoa (mã số T-KTXD-2011-50) Kết quả cho thấy cho thấy các loài tre thí nghiệm có cường độ chịu lực rất tốt, mặc dù giá trị cường độ chịu lực biến thiên lớn giữa các loài Một số loài tre tiêu biểu đã được xác định

Một ý tưởng mới thú vị đã được các đồng nghiệp tại Làng tre Phú An đặt ra gần đây là sản xuất đại trà xe đạp tre sinh thái, trong đó khung xe là thành phần chịu lực chính sử dụng toàn bộ bằng tre thay vật liệu thép đắt tiền Ích lợi từ một ứng dụng “xanh” như vậy là hết sức rõ ràng Để đạt được mục đích này và đảm bảo sự bền vững của xe đạp tre theo thời gian, cần có sự chọn lựa tối

được nghiên cứu trên cơ sở ống ren kim loại và keo epoxy Khung xe hồn thiện sau đĩ cần được tiến hành thí nghiệm ổn định tổng thể theo tiêu chuẩn xe đạp châu Âu hiện hành: EN 14-764, EN 14-765, EN 14-766 và EN 14-781, ngồi thí nghiệm độ ẩm, uốn, nén, kéo của mẫu tre nguyên liệu Từ nghiên cứu này các kiến nghị về lồi tre và kết cấu phù hợp cho từng loại xe đạp (xe đạp người lớn thơng dụng, xe đạp trẻ em, xe đạp đua hay xe đạp leo núi) sẽ cĩ giá trị thực tiễn

Bảng 1 Danh mục các lồi tre được thí nghiệm

2 DTR Diễn Trứng( Phú Thọ) Dendrocalamus sp.31

3 HNC Hĩp nước (Hà Tĩnh) Bambusa tuldọdes var.spp.1 Munro

4 TTH Hĩp (Thừa Thiên Huế) Bambusa sp.62

5 LNA Là Ngà (Thái Nguyên) Bambusa blumeana var spp 1

6 LHL Le đỏ (Hồ Linh) Gigantochloa dinhensis H.H Pham

8 LOV Lồ ơ vàng(Thừa Thiên Huế) Bambusa sp 9

9 LDA Luồng đá (Phú Thọ) Gigantochloa sp.1

11 MDA Mai dây (Bắc Kạn) Dendrocalamus sp.5

12 MOG Mai ống (Bắc Kạn) Dendrocalamus sp.4

14 MPL Mum (Phước Long) Yushania niitakayamensis Keng f

15 TBD Tầm vơng (Bình Dương) Thyrsostachys siamensis Gamble

18 TTG Tre đắng (Tiền Giang) Bambusa beecheyana Munro

19 TVT Tre gai (Bà Rịa Vũng Tàu) Bambusa sp.17

20 TGA Tre giấy (Đồng Nai) Dendrocalamus sp.6

21 TCB Tre hĩa cẳng bị Bambusa chunii Chia et H.L.Fung

23 TMO Tre mỡ (Tây Sơn) Bambusa blumeana var spp 2

24 TNA Tre nang (Thái Nguyên) Bambusa sinospinosa Mclure

26 TVH Tre vịi hái (Hà Tĩnh) Bambusa stenostachya var spp.3 (Bambusa blumeana Schultes)

27 TBT Trúc bình tích Bambusa tuldoides var.spp.2 McClure

28 TLB Trúc lục bình (Sĩc Trăng) Bambusa textilis var spp.4 McClure

29 TAU Trúc tàu (Kiên Giang) Gigantochloa sp.14

30 SOC Vàng sọc Bambusa vulgaris var vittata Rivière & C Rivière

2 ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA LOÀI TRE TẦM VÔNG BÌNH DƯƠNG

Kết quả của đề tài nghiên cứu Đặc trưng cơ lý của tre Việt Nam ứng dụng trong ngành xây dựng

cho thấy loài tre Tầm Vông Bình Dương (Thyrsostachys siamensis Gamble Bambusa sp 62) có

cường độ chịu nén, kéo, uốn khá lớn và có thể sử dụng để chế tạo thành phần chịu lực chính của

xe đạp Đặc trưng cơ lý của tre Tầm Vông Bình Dương (Hình 1) được tổng hợp trong Bảng 2

Với mỗi thí nghiệm nén / kéo / cắt / uốn, các mẫu tre được cắt ra từ cùng một cây tre (đoạn đầu T, đoạn giữa M, hoặc đoạn dưới B) đều cho các kết quả cường độ khá tương tự nhau, nhưng mô đun đàn hồi có sự biến thiên cao Độ chệch chuẩn của giá trị cường độ theo thí nghiệm là nhỏ hơn 10% giá trị trung bình, trong khi có thể lên đến 50% đối với mô đun đàn hồi Giữa các đoạn tre,

kết quả thí nghiệm là khác nhau nhưng không đáng kể Lưu ý rằng Bảng 2 cho thấy cường độ

trung bình của các mẫu tre, không phải là khả năng chịu lực của cây tre vì còn phải kể đến thông

số diện tích mặt cắt ngang

Hình 1 Mẫu tre Tầm Vông Bình Dương

Bảng 2 Đặc trưng cơ lý của loài tre Tầm Vông Bình Dương

Lực / mô men gây phá hoại trung bình 50 KN 7 KN 16 KN 0.3 KNm

Độ ẩm của mẫu tre được xác định bằng cách cân đo sự hao hụt khối lượng của mẫu vật, như tỷ lệ phần trăm khối lượng của mẫu sau khi sấy khô Đốt tre có tiết diện tròn rỗng nên độ co rút vì mất nước của tre rất đáng kể Tre có lớp vỏ bên ngoài rất cứng trong khi lớp ruột bên trong mềm nên khi sấy hơi nước không thể thoát ra ngoài qua lớp vỏ này

được Khi sấy nguyên khoanh tre sẽ có hiện tượng như Hình 2a: lớp vỏ bên ngoài bị

tách nứt dọc thớ, và khi đem cân mẫu trên sau khi sấy được 24 giờ ở nhiệt độ 103C thì khối lượng chênh lệch giữa hai lần đo liên tiếp nhau vẫn trên 0,002g Do đó mẫu tre để

thí nghiệm xác định độ ẩm sẽ là mảnh lăng trụ có được bằng cách chẻ dọc đốt tre (Hình 2b) Thí nghiệm được thực hiện bằng cân kỹ thuật và tủ sấy điện như Hình 2c và 2d

(a) (b) (c) (d)

Hình 2 Thí nghiệm độ ẩm: (a) khoanh tre bị phá hoại sau khi sấy (b) mẫu tre thí nghiệm sấy

(c) cân kỹ thuật (d) tủ sấy điện

3 PHÂN TÍCH KẾT CẤU KHUNG XE ĐẠP TRE

3.1 Sơ đồ tính và tải trọng thí nghiệm kiểm tra kết cấu khung xe đạp

Khung xe đạp hoàn thiện cần được tiến hành thí nghiệm ổn định tổng thể theo tiêu chuẩn xe đạp châu Âu hiện hành: EN 14-764, EN 14-765, EN 14-766 và EN 14-781

Ba thiết kế khả dĩ cho khung xe đạp người lớn thông dụng được đề xuất như Hình 3, sẽ được sản

xuất lắp ráp và tiến hành thí nghiệm khả năng chịu va chạm của xe theo tiêu chuẩn EN 14-764

Trước khi thí nghiệm, mô hình khung xe được phân tích bằng phần mềm kết cấu thương mại SAP2000 v.15 để lượng định trước khả năng chịu lực và ứng xử của khung xe Khung xe hoàn thiện đề cập ở báo cáo này bao gồm phần khung sườn và phuộc trước của xe

 Sơ đồ tính của thí nghiệm: khung và phuộc trước được lắp theo phương đứng và được ngàm

cố định tại vị trí trục sau của xe như Hình 3

Lưu ý rằng một số thanh tre dùng cho mục đích nâng đỡ rổ và yên xe là các thanh cấu tạo và không cần thiết phải mô hình tính toán Tất cả các mối nối tre được xem là mối nối cứng

 Tải trọng: tải trọng tác động trong thí nghiệm theo Tiêu chuẩn EN 14-764 là một vật nặng 22.5kg được thả rơi tự do từ độ cao 180mm, tác động vào phuộc trước của xe

Kết quả nội lực và chuyển vị của khung xe đạp hoàn thiện dưới tác dụng của tải trọng động được tính bằng cách nhân kết quả ứng xử của khung tre dưới tác dụng tải trọng đặt tĩnh tại điểm tác

động với hệ số khuếch đại động (Dynamic amplification factor – DAF) Hệ số DAF tỷ lệ với

chuyển vị theo phương đứng của điểm tác động (vị trí phuộc trước của xe), được phân tích từ sơ

đồ tải trọng tĩnh

Hình 3 Sơ đồ tính của thí nghiệm khung – phuộc xe theo EN 14-764

3.2 Kết quả phân tích

Sơ đồ tính khung - phuộc xe chịu tải trọng tác động như trên được mô hình bằng phần mềm

SAP2000 v.15 với các phần tử thanh tre được ký hiệu như Hình 4

Hình 4 Ký hiệu phần tử thanh tre trong mô hình phân tích các phương án thiết kế xe

Hình 5 Kết quả chuyển vị và hệ số DAF tương ứng cho các phương án thiết kế xe

Bảng 3 Kết quả phân tích nội lực trong các phần tử thanh tre bằng phần mềm SAP2000

Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men

Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men

Hình 6 Kết quả lực nén trong các thanh tre theo sơ đồ tải trọng đặt tĩnh

Hình 7 Kết quả mô men uốn trong các thanh tre theo sơ đồ tải trọng đặt tĩnh

(Biểu đồ mô men được vẽ ở thớ căng)

0.35KN 0.8KN (nén)

0.05KNm

0.8KN

0.05KNm

Ngoài ra, hai phương án thiết kế hoàn toàn khác cho phần phuộc trước (Hình 8), không được sản

xuất và thí nghiệm cũng được phân tích bằng mô hình để đối chiếu và tìm kiếm phương án tối ưu

Hình 8 Một số phuơng án thiết kế tham khảo khác của khung xe đạp hoàn thiện

Hình 9 Chi tiết phương án thiết kế phuộc trước

Hình 9 Kết quả chuyển vị và hệ số DAF tương ứng cho các phương án thiết kế

Hình 10 Kết quả lực nén trong các thanh tre theo sơ đồ tải trọng đặt tĩnh

0.8KN (kéo)

0.6KN

Hình 11 Kết quả mô men uốn trong các thanh tre theo sơ đồ tải trọng đặt tĩnh

(Biểu đồ mô men được vẽ ở thớ căng)

3.3 Đánh giá kết quả phân tích

Dựa vào kết quả phân tích, ứng suất lớn nhất trong các thanh tre cho ba phương án thiết kế khung

xe đạp hoàn thiện sẽ được tiến hành thí nghiệm được tổng hợp trong Bảng 4, 5 Trong khi kết quả phân tích của hai phương án thiết kế tham khảo được cho trong Bảng 6, 7

Bảng 4 Ứng suất trong các thanh của phuộc trước (bỏ qua ảnh hưởng của lực cắt)

Prototype 1 Prototype 1bis Prototype 2

0.06KNm

0.14KNm

0.02KNm 0.14KNm 0.06KNm 0.07KNm

Bảng 5 Ứng suất trong các thanh của khung sườn

Prototype 1 Prototype 1bis Prototype 2

Bảng 6 Ứng suất trong các thanh của phuộc trước (bỏ qua ảnh hưởng của lực cắt)

Prototype No.3 Prototype No.4

Table 7 Ứng suất trong các thanh của khung sườn

Prototype No.3 Prototype No.4

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Các thí nghiệm đã được thiết lập và kết quả cho thấy sự phù hợp tốt với các phân tích bằng phần mềm SAP2000

Kết quả thí nghiệm cho thấy:

 Phuộc trước của cả ba phương án thiết kế xe cần phải được gia cường để có thể chịu được tải trọng thí nghiệm

 Khung sườn của cả ba phương án thiết kế xe đều thỏa mãn yêu cầu thí nghiệm

 Các kết luận này dẫn đến một số điều chỉnh thiết kế được đề nghị như Hình 12

Hình 12 Một số khả năng điều chỉnh thiết kế khung xe đạp tre

Hình 13 Ký hiệu phần tử thanh tre trong mô hình phân tích các phương án điều chỉnh

PA điều chỉnh A PA điều chỉnh B PA điều chỉnh C PA điều chỉnh D

D = 40mm

D = 42mm

D = 50mm

D = 24mm

Bảng 8 Kết quả phân tích nội lực trong các thanh tre trong các phương án thiết kế điều chỉnh

Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men

Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men Phần tử Mặt cắt Lực nén Mô men

Hình 15 Kết quả mô men uốn trong các thanh tre theo sơ đồ tải trọng đặt tĩnh

Những biểu đồ nội lực như Hình 14 và 15 cho thấy rằng các phương án điều chỉnh A và B nên

được sử dụng thay vì các phương án C và D Kết quả thí nghiệm sau đó cũng kiểm chứng sự chính xác của các phân tích

5 KẾT LUẬN

Trong nghiên cứu này, một số loại tre (như Tầm Vông Bình Dương) đã được dùng làm kết cấu chịu lực cho xe đạp tre Nhiều bộ phận chịu lực của xe đạp, bao gồm phần phuộc trước và khung sườn của xe đã được phân tích tính toán và tiến hành kiểm tra bằng thí nghiệm dựa trên các Tiêu chuẩn hiện hành của châu Âu về xe đạp (như EN 14-764, EN 14-765, EN 14-766 và EN 14-78) Kết quả thu được từ nghiên cứu này đã chứng tỏ rằng những loại tre được thử nghiệm có khả năng chịu lực đủ đáp ứng yêu cầu sử dụng như vật liệu kết cấu khung xe đạp Hướng nghiên cứu này có thể được mở rộng cho những loại tre có sẵn ở nhiều nơi khác, với mục đích mở rộng việc

sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường sinh thái

Tp.HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2013 Tp.HCM, ngày tháng năm

TS Hoàng Nam

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Hoàng Nam, Diệp Thị Mỹ Hạnh (2002), “Mechanical properties of Vietnam Structural

bamboo”, International Conference on Civil Engineering, Yantai, Trung Quốc

2 Hoàng Nam, Lê Minh Thành và Lê Nhật Trường (2011), Nghiên cứu tác động của độ ẩm

đối với khả năng chịu lực của kết cấu tre, Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Đại học Bách Khoa Tp HCM

3 Hoàng Nam, Phan Tường Thụy, Nguyễn Hoàng Lâm, và Tiền Chí Long (2010), Khả năng

chịu lực của mối nối trong kết cấu tre, Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Đại học Bách Khoa Tp HCM

4 Razak Wahab (2010), “Anatomical and physical properties of cultivalted two – and four

year old Bambusa vulgaris”, Sains Malaysiana 39(4): 571 – 579

5 H Q Yu, Z H Jiang, C Y Hse, T F Shupe (2008), “Selected physical and mechanical

properties of moso bamboo (Phyllostachys pubescens)”, Journal of trophical forest science

20(4): 258 – 263

6 H Hamdan (2009), “Mechanical properties and failure behavior of Gigantochloa

schortechini”, Journal of tropical of forest science 21 (4): 336 – 344

7 Gianni Bartoli (2005), ISO standard on bamboo, Civil Engineering deparment, University

tốt nghiệp kỹ sư, chuyên ngành chế biến lâm sản, Đại học Nông Lâm TP.HCM

10 Phan Quỳnh Thạch (2005), Khảo sát tính chất cơ lí của tre luồng (Dendrocalamus bartatus (Hsuch and Dzli), tre mạnh tông (Dendrocalamus asper (Schult f.) Backer và Heyre, tre Xiêm (Bambusa tulda Roxb), Luận văn tốt nghiệp kỹ sư, chuyên ngành chế biến lâm sản, Đại Học Nông Lâm TP.HCM

11 Trần Văn Tiến, Nianhe Xia, Nguyễn Hoàng Nghĩa, Diệp Thị Mỹ Hạnh, “A new synonym

and a new record bamboo for Vietnam”, Kinabluchloa wrayi (Poaceae: Bambusoideae)

12 Diệp Thị Mỹ Hạnh, Régine Vignes Lebbe, Nguyễn Hà Phương, Nguyễn Thị Bích Loan (2010), “Indochinese bamboos: biodiversity informatics to assist the identification of

vernacular taxa”, Tools for Identifying Biodiversity: Progress and Problems: 213-216