Ảnh hưởng của định hướng màng mỏng đến ứng xử của dầm tensairity (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - TRẦN VĂN PHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊNH HƯỚNG MÀNG MỎNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số: 8.58.02.01 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng, năm 2022 Cơng trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quang Tùng Phản biện 1: .TS Bùi Quang HIếu Phản biện 2: .TS Phạm Đăng Khoa Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày …23 … tháng ….04 … năm … 2022.… Có thể tìm hiểu luận văn tại: − Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa − Thư viện Khoa Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỞ ĐẦU 1) Tính câp thiết Ngày nay, kết cấu cấu tạo từ vải kỹ thuật ngày ứng dụng rộng rãi Các vải kỹ thuật thường tạo hình thành ống kín, thổi khí vào để chịu tải trọng thân chịu tải trọng khác gọi ống thổi phồng Các ống thổi phồng liên kết với để tạo nên khung chịu lực nhiều cơng trình xây dựng giới mái vòm sân vận động, nhà triển lãm, nhà tạm dùng trường hợp khẩn cấp lều trại quân đội, cầu tạm Dạng kết cấu gọi chung kết cấu thổi phồng Kết cấu thổi phồng có ưu điểm tiện dụng, dễ dàng vận chuyển lắp dựng Tuy nhiên thích hợp cho trường hợp khẩn cấp, khó sử dụng lâu dài Ngồi ra, nhược điểm cố hữu loại kết cấu thổi phồng khả chịu lực bé Nhằm mục đích cải thiện hiệu sử dụng vật liệu, tăng khả chịu lực mà không làm tăng trọng lượng thân kết cấu, dạng kết cấu chịu uốn Tensairity đời Kết cấu bao gồm thanh chịu nén liên kết với thổi phồng có chức làm đàn hồi cho nén nhờ liên kết với hệ thống dây cáp Dạng kết cấu sở hữu ưu điểm kết cấu truyền thống khả chịu lực cao; ưu điểm kết cấu thổi phồng trọng lượng thân nhẹ, tính động cao Trong dạng kết cấu này, tương tác thành phần cấu kiện với có ảnh hưởng lớn đến ứng xử tổng thể kết cấu Biến dạng ống màng mỏng có tác động đến lực căng dây cáp tương tác đến nén, qua ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể dầm Biến dạng dầm lại phụ thuộc vào định hướng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vật liệu cấu tạo lên Lực căng dây cáp lại phụ thuộc vào phương pháp neo cáp biến dạng ống thổi phồng Các ứng xử chưa nghiên cứu trước Do đó, đề tài: “Ảnh hưởng định hướng màng mỏng đến ứng xử dầm Tensairity” cần thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao 2) Mục tiêu đề tài - Tổng hợp cơng thức tính tốn dầm Tensairity; - Nghiên cứu ứng xử dầm Tensairity mơ hình phần tử hữu hạn thực nghiệm; 3) Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu ❖ Cách tiếp cận: - Dựa kết nghiên cứu kết cấu màng mỏng thổi phồng, kết cấu dây cáp chịu lực kết cấu dầm Tensairity, tổng hợp lý thuyết tính tốn để phân tích ứng xử dầm Tensairity; - Kết hợp với việc phân tích mơ hình máy tính với số liệu thí nghiệm, phân tích ứng xử dầm Tensairity ❖ Phương pháp nghiên cứu: - Sử dụng phương pháp phân tích giải tích để tổng hợp cơng thức tính tốn dầm Tensairity; - Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu ứng xử kết cấu dầm Tensairity; - Đo đạc thực nghiệm để nghiên cứu ứng xử thực tế dầm Tensairity THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Chương TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN Chương đề cập đến cấu kiện chịu uốn dầm dàn cấu tạo từ vật liệu cổ điển gỗ, bê tông cốt thép thép Các cấu kiện chịu lực cổ điển có ưu nhược điểm phạm vi sử dụng định Ngoài ra, để hướng tới phát triển bền vững, nhiều cấu kiện chịu lực đề xuất nhằm nâng cao hiệu sử dụng vật liệu, tăng khả chịu lực mà đảm bảo hạn chế trọng lượng cấu kiện Điển hình cấu kiện thổi phồng, kết cấu dạng tensegrity đặc biệt phối hợp cấu kiện thổi phồng tensegrity để tạo nên cấu kiện chịu uốn dạng Tensairity – cấu kiện có khả chịu lực tốt, đồng thời hạn chế tối đa trọng lượng kết cấu Một số nghiên cứu vật liệu vải kỹ thuật, ứng xử dầm màng mỏng thổi phồng, ứng xử dầm Tensairity đề cập đến chương 1.1 Cấu kiện chịu uốn cổ điển Dầm cấu kiện dạng chịu tải trọng vng góc với trục cấu kiện Dầm thường sử dụng kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng Dầm cấu tạo từ nhiều vật liệu khác như: thép, bê tông cốt thép, gỗ… 1.1.1 Dầm thép Dầm thép sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng cấu kiện chịu lực cơng trình thép cơng trình liên hợp thép – bê tơng cốt thép Tùy vào hình dạng cơng trình, khơng gian, ứng dụng mà người ta sử dụng hệ kết cấu phù hợp Cũng vật liệu khác, kết cấu thép có ưu nhược điểm riêng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.1.2 Dầm bê tông cốt thép Bê tông cốt thép ngày sử dụng rộng rãi nghành công nghiệp xây dựng trở thành vật liệu xây dựng chủ yếu nước Loại kết cấu sở hữu nhiều ưu điểm khiến ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực xây dựng như: đơn giản, dễ chế tạo, sử dụng loại vật liệu địa phương (cát, đá ); chịu lực tốt, tuổi thọ cơng trình cao, chi phí bão dưỡng ít; thiết kế tạo hình dáng cho cấu kiện dễ dàng Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm khơng thể bàn cãi loại kết cấu tồn số nhược điểm định 1.1.3 Dầm gỗ Gỗ nguyên vật liệu người sử dụng rộng rãi lâu đời Ngoài việc sử dụng để chế tạo vật dụng thường ngày gỗ cịn sử dụng để làm kết cấu chịu lực cơng trình 1.1.4 Kết cấu dàn chịu lực Kết cấu dàn đời - tổ hợp từ phần tử dạng Về mặt tổng quát, dàm cấu kiện chịu uốn dầm, nhiên dàn thiết kế tối ưu hơn, loại bỏ phần không cần thiết, thành phần dàn chịu kéo nén nên có khả làm việc tốt kết cấu dầm 1.2 Một số kết cấu chịu uốn 1.2.1 Dầm thổi phồng Kết cấu màng mỏng kết cấu làm vải kỹ thuật ổn định cách tạo ứng suất trước vải [1] Dự ứng lực cung cấp màng mỏng cách: - Đặt vào ngoại lực làm căng màng mỏng Đây trường hợp kết cấu kéo căng - Tạo áp lực từ bên để chịu tải trọng thân THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội tải trọng bên ngồi - Trong lĩnh vưc này, có hai loại kết cấu khác nhau: - Kết cấu giữ vững máy thổi khí: kết cấu cấu thành từ lớp màng mỏng, khả chịu tải trọng thân tải trọng bên phụ thuộc vào áp lực khí thổi vào - Kết cấu thổi phồng: loại kết cấu cấu tạo với hai lớp màng mỏng Kết cấu tự chịu lực được, tự tạo hình dạng thổi khí Kết cấu bịt kín, thổi đầy khí khơng cần phải cung cấp khí liên tục - Nó nhẹ chiếm thể tích lưu kho - Chi phí sản xuất thấp - Thiết kế chế tạo đơn giản so với kết cấu thông thường tương đương - Những dự án không gian thành công kết cấu dầm thổi phồng có độ tin cao dễ triển khai - Kết cấu bị xì Các kết cấu thổi phồng thường cấu tạo từ vải kỹ thuật Loại vải đan từ sợi ngang sợi dọc sau phủ lớp nhựa dẻo để bảo vệ - Khó có hình dạng phẳng Có hạn chế định hình dáng kết dầm thổi phồng Bất kỳ màng thổi phồng (túi khí, ống, vịng hình xuyến) có xu hướng hình dáng theo đường cong - Khả vận hành nhiều hạn chế So với kết cấu truyền thống (gỗ, kim loại) khả vận hành kết cấu dầm thổi phồng có hạn chế định - Khả chịu lực kết cấu thơng thường, có độ võng cao 1.2.2 Kết cấu Tensegrity Kết cấu chịu uốn cấu tạo từ hai phần THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội thép chịu nén dây cáp chịu kéo [2,3] Kết cấu chịu uốn theo nguyên lý Tensegrity ứng dụng xây dựng số cơng trình như: Cầu có khả vượt nhịp lớn Tuy nhiên chưa ứng dụng nhiều kết cấu dễ ổn định 1.2.3 Kết cấu Tensairity Tensairity ý tưởng thiết kế kết cấu chịu lực nhẹ hướng đến phát triển bền vững; tổ hợp từ nén, dây cáp chịu kéo dầm màng mỏng thổi phồng [4,5] - Tận dụng tối đa làm việc vật liệu; - Kết cấu có khả chịu lực tốt; - Trọng lượng nhỏ; - Dễ vận chuyển, lắp dựng, chiếm vị trí lưu kho 1.3 Một số cơng trình nghiên cứu làm việc kết cấu dầm Tensairity 1.3.1 Ứng xử vật liệu ❖ Cấu tạo vải kỹ thuật Loại vải cấu tạo từ hai nhóm sợi đan vào để tạo nên khả chịu lực cho vải Phía bên ngồi, sợi vải bọc lớp PVC (PolyVinyl Chloride) Ứng xử học vải kỹ thuật Các vải kỹ thuật thường dùng để tạo nên kết cấu thổi phồng Trong phần trước, ta thấy ưu điểm loại kết cấu Vây nên, việc tìm hiểu nguyên lý làm việc ứng xử loại vải giúp ích cho việc mơ hình kết cấu màng mỏng thổi phồng xác Thí nghiệm đo hệ số đàn hồi vải kỹ thuật Để mơ tính toán kết cấu thổi phồng, nhà khoa học kỹ sư cần có số liệu xác tính chất lý loại vải kỹ sử dụng Cũng lý THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội mà nhiều cơng trình nghiên cứu thực để xác định mô-đun đàn hồi mô-đun chống cắt loại vải kỹ thuật ❖ Phân tích ứng xử ống màng mỏng phương pháp giải tích Nhóm tác giả Nguyễn cộng [16] đề xuất toán thổi phồng ống màng mỏng đến áp suất p sau xác định kính thước hình học ống trạng thái thổi phồng Trong nghiên cứu này, tốn thiết lập khn khổ biến dạng lớn để kể đến ảnh hưởng biến dạng lớn thổi phồng ❖ Thí nghiệm đo biến dạng ống trạng thái thổi phồng Thí nghiệm Thạc sĩ Võ Ngọc Quang [17] (Cao học K34, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) thực đề tài nghiên cứu phịng thí nghiệm thuộc Khoa XDDD&CN, trường Đại học Bách Khoa Tất thiết bị đo hay ống màng mỏng thí nghiệm Ống màng mỏng kê lên gối tựa, cách 2m Do bị thổi phồng, đoạn dài khoảng 20cm phía đầu ống bị méo, khơng có dạng hình trụ trịn xoay, phép đo biến dạng ống màng mỏng thực phạm vi chiều dài L = 1m ống Kết thay đổi bán kính ống lấy giá trị trung bình số liệu đo từ hai cảm biến Tuy nhiên có chênh lệch tương đối lớn kết lý thuyết kết thực nghiệm Chênh lệch lớn có lúc lên đến 39,1% 1.3.2 Độ võng dầm Tensairity ❖ Phân tích ứng xử dầm Tensairity phương pháp giải tích ❖ Chuyển vị dầm Tensairity THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Nghiên cứu thực Thạc sĩ Lê Văn Quang [19] (Cao học K34, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) thực đề tài nghiên cứu Trong nghiên cứu này, hai kích thước ống thổi phồng đo đạc: chiều dài giống L = 3m , bán kính R = 10cm −12.5cm Các ống cấu tạo từ loại vải kỹ thuật Định hướng  = 00 :đây định hướng vật liệu nhất, dễ chế tạo dầm màng mỏng thổi phồng - Phương pháp 1: Ống thổi phồng lắp hờ vào nén thông qua hệ thống dây cáp Sau bơm phồng ống đến áp suất định tiến hành rút cáp để liên kết dầm neo lại - Phương pháp 2: Ống thổi phồng lắp vào nén thông qua hệ thống dây cáp Ngay trạng thái ống thổi phồng sơ (chỉ tạo dạng trụ tròn ống, áp suất thổi phồng bé, bỏ qua), dây cáp rút neo lại cho ống thổi phồng liên kết chặt chẽ với nén Sau ống thổi phồng đến áp suất làm việc, dây cáp bị kéo căng tạo ứng suất nén trước nén Khi cấu tạo dầm theo phương pháp này, lúc chưa chịu tải trọng, dây cáp có lực kéo trước, nén bị nén trước Nghiên cứu tập trung vào phân tích ứng xử dầm đơn giản Tensairity, nhịp 3.2m tựa lên hai đầu khớp chịu tải trọng phân bố Trong nghiên cứu này, kết lý thuyết tính hồn tồn cơng thức giải tích - Bán kính ống thổi phồng tính từ hệ phương trình phi tuyến THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 11 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Trong chương này, việc nghiên cứu ứng xử dầm Tensairity thực phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), sử dụng phần mềm phân tích ABAQUS 2.1 Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phương pháp số để giải tốn mơ tả phương trình vi phân riêng phần với điều kiện biên cụ thể [27] Cơ sở phương pháp làm rời rạc hóa miền liên tục phức tạp toán Các miền liên tục chia thành nhiều miền (phần tử) 2.2 Loại phần tử mô 2.3 Các bước mơ hình hóa phần mềm ABAQUS 2.3.1 Xác định hệ đơn vị dùng để mô hình hóa Abaqus 2.3.2 Xây dựng cấu kiện (Part) 2.3.3 Khai báo đặc trưng vật liệu ❖ Mơ hình vật liệu vải kỹ thuật ❖ Định hướng màng mỏng ❖ Mơ hình vật liệu thép cáp 2.3.4 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt ❖ Mặt cắt dầm màng mỏng thổi phồng ❖ Mặt cắt nén: ❖ Mặt cắt dây cáp: ❖ Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện 2.3.5 Lắp ghép cấu kiện 2.3.6 Thiết lập bước phân tích Tiếp xúc (Contact) ❖ Ràng buộc Tie THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 12 2.3.7 Gán tải trọng điều kiện biên cho mơ hình 2.3.8 Chia lưới cho cấu kiện mơ hình 2.3.9 Cơng tác phân tích liệu mơ 2.3.10 Xem kết mô 2.4 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity Ứng xử dầm Tensairity nghiên cứu thông qua vài phép mơ số Dầm có tổng chiều dài L = = 3, 2m , tổ hợp từ nén thép hộp có mơ đun đàn hồi Es = 200.000MPa có kích thước tiết diện b  h   = 60  30 1 (mm  mm  mm) ống thổi phồng có chiều dài L1 = = 3m , đường kính D = 0,1 − 0,125 − 0,15m Dầm chịu tải trọng phân bố q = 0,5625 kN / m Áp suất thổi phồng thay đổi từ p = 20 − 50 kPa Định hướng màng mỏng  (0 ) = 00 − 900 Các hệ số đàn hồi vật liệu thể Error! Reference source not found Màng Màng Màng E H (kN / m) 300 300 300 Et H (kN / m) 300 150 600 G t H (kN / m) 9,5 7,5 12,5  0,25 0,22 0,12 t 2.4.1 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến kích thước dầm thổi phồng Định hướng màng mỏng ảnh hưởng lớn đến kích thước ống thổi phồng Trong hệ dầm Tensairity, đường kính ống thổi phồng có ý nghĩa định đến cánh tay đòn f = D dây cáp THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 13 nén Ngoài ra, với phương pháp neo trước, biến thiên kích thước ống màng mỏng ảnh hưởng trực tiếp đến lực căng H dây cáp giai đoạn thổi phồng Hai tham số f H có ý nghĩa định đến độ cứng dầm Tensairity Biến thiên bán kính trạng thái thổi phồng R=0.15m, p=30 kPa Kết mô cho thấy biến thiên bán kính thổi phồng phụ thuộc lớn vào định hướng vật liệu - Trong trường hợp vật liệu cân E H = Et H , biểu đồ biến thiên bán kính đối xứng qua vị trí  (0 ) = 450 đạt giá trị tối đa  (0 ) = 450 - Trong trường hợp vật liệu không cân E H  Et H , biểu đồ biến thiên bán kính khơng đối xứng Giá trị biến thiên đạt giá trị tối đa góc  (0 ) lân cận vị trí 450 Có thể lớn bé 450 tùy thuộc tương quan E H & Et H Điều giải thích thay đổi giá trị mô đun đàn hồi E H vật liệu dọc theo chu vi ống thổi phồng thay đổi định hướng vật liệu Theo : 2.4.2 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến lực căng trước dây cáp Theo nghiên cứu Luchsinger (26), lực căng dây cáp bao gồm hai thành phần: H = H0 + H1 - H0 = p    1− lực căng trước dây cáp trạng  R  R  THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 14 thái thổi phồng, trước dầm chịu tải trọng ngang H1 = qL2 lực 8f căng hình thành dầm chịu uốn Do dây cáp có mơ đun đàn hồi lớn, bỏ qua biến dạng dây cáp q trình làm việc dầm Do đó, tọa độ cáp vị trí dầm f = D khơng đổi nên H hồn tồn khơng phụ thuộc vào biến thiên bán kính, hay nói sâu định hướng vật liệu Lực căng trước H dây cáp hàm bậc theo biến thiên bán kính Do biểu đồ quan hệ lực căng trước dây cáp với định hướng vật liệu có hình dạng tương tự biến thiên bán kính R Trong trường hợp bán kính R=0.15m, áp suất thổi phồng p=30 kPa, lực căng trước lớn ứng với màng 2, H0 = 0,888 kN , góc định hướng  = 410 ; tỷ lệ lực căng trước lực căng toàn phần dây cáp H0 = 25,6% H Lực căng trước bé ứng với màng 3, H0 = 0,093 kN , góc định hướng  = 00 ; tỷ lệ lực căng trước lực căng toàn phần dây cáp H0 = 3,34% Chênh lệch lực căng trước hai H trường hợp lên tới 9.5 lần 2.4.3 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến chuyển vị dầm Tensairity Lực căng dây cáp H = H0 + H1 tọa độ f dây cáp vị trí dầm có ý nghĩa định đến khả chống uốn dầm, hay nói cách khác độ cứng dầm Chuyển vị dầm vs góc định hướng, R=0.15m, p=30 kPa Theo thể hình Error! Reference source not THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 15 found., dầm có độ võng lớn w = 69, 47 mm sử dụng màng 3, góc định hướng  = 00 Độ võng bé w = 20, 44mm tương ứng sử dụng màng 2, góc định hướng  = 410 Điều thú vị rút màng màng có hệ số đàn hồi bé vật liệu sử dụng, màng màng có hệ số đàn hồi lớn Như vậy, kết cấu Tensairity, không cần thiết phải sử dụng màng mỏng có hệ số đàn hồi lớn ❖ Một nhận định phương pháp neo sau Có thể suy luân cách logic rằng, phương pháp neo cáp sau: - H = , lực căng dây cáp hồn tồn khơng phụ thuộc vào định hướng vật liệu - tỷ lệ đóng góp lực căng dây cáp đến độ võng w dầm đáng kể - tọa độ dây cáp f với đường kính ống trạng thái thổi phồng Dinf , có biến thiên với tỷ lệ khơng lớn Do đó, độ võng dầm không phụ thuộc vào định hướng vật liệu màng mỏng 2.5 Kết luận Dầm Tensairity mô phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm phân tích ABAQUS 2016 Các kết biến dạng ống màng mỏng trạng thái thổi phồng, lực căng dây cáp chuyển vị dầm phân tích theo thay đổi định hướng vật liệu Theo kết thu được, nhận thấy định hướng màng mỏng có ảnh hướng lớn đến ứng xử dầm Tensairity trường hợp neo trước Trong chương tiếp theo, phép đo đạc thực nghiệm thực để quan sát ứng xử thực tế dầm Tensairity thay đổi định hướng vật liệu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 16 Chương NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Trong chương này, phép đo đạc thực nghiệm tiến hành để quan sát ứng xử dầm Tensairity Dầm Tensairity chế tạo với hai kích thước ống màng mỏng khác ba định hướng vật liệu Các phép đo đạc nhằm mục đích quan sát ảnh hưởng định hướng vật liệu đến chuyển vị dầm Tensairity 3.1 Mơ hình thí nghiệm dầm Tensairity 3.1.1 Các thành phần Dầm Tensairity tạo nên từ ba thành phần chính: thép hộp chịu nén, dây cáp chịu kéo ống thổi phồng làm đàn hồi ❖ Thanh nén thép hộp Thanh thép chịu nén sử dụng thí nghiệm thép hộp Hịa Phát có kích thước b  h   = 30  60 1 (mm  mm  mm) có khối lượng riêng 1.375 kg/m Hình 3.1 Thép hộp ❖ Dây cáp chịu kéo Dây cáp sử dụng thí nghiệm có đường kính 1mm, cung cấp cơng ty Perfect Connection với cường độ chịu kéo Rs = 1000MPa ❖ Ống màng mỏng thổi phồng Trong nghiên cứu này, ống màng mỏng thổi phồng có chiều THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 17 dài giống L = 3m bán kính R = 12.5cm 15cm chế tạo Trong hai nghiên cứu trước tác giả Võ Ngọc Quang việc đo biến dạng ống thổi phồng Lê Văn Quang việc đo chuyển vị dầm Tensairity, ống màng mỏng thổi phồng chế tạo với phương sợi vải (phương trực giao vật liệu) định hướng dọc theo trục ống  = 00 Trong nghiên cứu này, phương trực giao màng mỏng không thiết phải định hướng dọc theo trục ống mà định hướng Theo kết phân tích từ chương 2, góc định hướng phạm vi lân cận 450 cho độ cứng dầm Tensairity lớn Tuy nhiên, hạn chế việc chế tạo nên nghiên cứu này, góc định hướng  giới hạn góc  = 00 ;150 ;300 Để đảm bảo tính xác khâu chế tạo, mẫu vật đặt hàng chế tạo công ty TNHH Nguyện Như, thành phố Hồ Chí Minh Các ống màng mỏng sử dụng thí nghiệm cấu tạo từ vải kỹ thuật Ferrari F502 Các thông số kỹ thuật loại vải cung cấp nhà phân phối, xem Bảng 3-1 Tính chất lý vải Ferrari F502 Chỉ tiêu kỹ thuật Sợi dọc Sợi ngang Sợi vải Polyester 550 Dtex Polyester 550 Dtex Cách dệt vải 10 sợi / 1cm 10 sợi / 1cm Cường độ chịu kéo 140 daN / 5cm 150 daN / 5cm Cường độ chịu xé 10 daN / 5cm 12 daN / 5cm Mô đun đàn hồi E 305 kN/m 294 kN/m 3.1.2 Liên kết dầm Tensairity Thanh nén đo cắt cho có chiều dài lớn chiều dài ống thổi phồng đoạn 60cm Đoạn dôi kê lên THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 18 gối tựa để tạo thành mơ hình dầm đơn giản a) Xác định vị trí cắt thép b) Cắt thép Trên nén này, ta hàn ren vị trí dầm, cách 30cm đầu dầm Các ren vị trí dầm có nhiệm vụ dẫn hướng cho dây cáp, ren phía đầu dầm có nhiệm vụ neo cáp a) Định vị ren b) Hàn ren vào nén Để neo cáp, ta dùng “cẳng chó” để xiết, khơng cho dây cáp tuột vị trí đầu dầm Do dễ dàng nới lỏng xiết chặt cẳng chó nên hồn tồn điều chỉnh chiều dài đoạn cáp để dây cáp ơm sát ống thổi phồng Thanh nén đặt lên dầm thổi phồng liên kết chặt chẽ dây cáp nối xoắn ốc từ đầu đến đầu ống Có đoạn dây khác lắp đặt liên kết theo hình xoắn ốc lên dầm: - Hai đoạn dây có đầu dầm, kéo xoắn ốc qua vị trí dầm neo vào đầu dầm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 19 - Hai đoạn dây lại kéo xoắn ốc qua vị trí 1/4 dầm, tiếp tục qua ren vị trí 1/2 dầm, lại kéo xoắn ốc qua vị trí 3/4 dầm cuối neo đầu Trong nghiên cứu này, có hai phương pháp kéo neo cáp thực hiện: Phương pháp 1: Ống thổi phồng lắp hờ vào nén thông qua hệ thống dây cáp Sau bơm phồng ống đến áp suất định tiến hành rút cáp để liên kết dầm neo lại Theo phương pháp này, trước chịu uốn, nội lực dây cáp xem bỏ qua Phương pháp 2: Ống thổi phồng lắp vào nén thông qua hệ thống dây cáp Ngay trạng thái ống thổi phồng sơ (chỉ tạo dạng trụ tròn ống, áp suất thổi phồng bé, bỏ qua), dây cáp rút neo lại cho ống thổi phồng liên kết chặt chẽ với nén Sau ống thổi phồng đến áp suất làm việc, dây cáp bị kéo căng tạo ứng suất nén trước nén Khi cấu tạo dầm theo phương pháp này, lúc chưa chịu tải trọng, dây cáp có lực kéo trước, nén bị nén trước Và chí dầm bị vồng ngược lên ứng xử dầm bê tông cốt thép ứng lực trước Sau chế tạo, dầm Tensairity đặt lên gối Thực chất ống thổi phồng có chiều dài 3m, nhiên sau thổi phồng hai đầu bị phình ra, khoảng cách hai đầu mút lên đến 3.2m Do đó, gối tựa thí nghiệm đặt cách 3.2m, nhịp tính toán dầm 3.2m Tải trọng sử dụng thí nghiệm tải trọng sử dụng thí nghiệm đo chuyển vị dầm thép hộp Khối lượng cục tải m = 15kg Các tải trọng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 20 chất lên dầm theo chiều dài, tạo thành tải trọng phân bố có cường độ q = 180kg / 3.2m ) Áp suất thổi phồng tăng theo cấp: 10 − 50kPa a) Trạng thái dầm Tensairity lúc chưa thổi phồng b) Trạng thái dầm Tensairity lúc thổi phồng ❖ Các dụng cụ đo ➢ Bơm khí đo áp suất ống Dầm dùng để thí nghiệm có dạng ống kín, khơng rị rỉ nên áp suất ống giữ mức ổn định Khi thổi phồng ống, cần phải cung cấp lượng khí nén cần thiết cho ống nên cần phải có van khí phù hợp Trong nghiên cứu này, để phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam, tác giả dùng van xe máy cho dầm Thiết bị bơm máy nén khí Sunny Compressor 5Hp thường sử dụng để bơm xe máy ô tô Ống bơm kết nối với đầu bơm có gắn đồng hồ đo áp suất mã hiệu Flexbimec 7301 để sơ kiểm soát áp suất Sau sơ kiểm soát áp suất vào ống THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 21 a) Máy nén khí Sunny Compressor b) Đồng hồ đo áp suất Flexbimec 7301 áp suất khí ống kiểm tra xác cảm biến đo áp suất Tire Gauge in Hình 3.2 Thiết bị đo áp suất ➢ Indicator đo chuyển vị Để đo chuyển vị, sử dụng thiết bị đo chuyển vị phương pháp vật lý Thiết bị có cho phép xác định chuyển vị dầm với độ xác lên đến 0.01mm Hình 3.3 Indicator dùng để đo chuyển vị THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 22 3.2 Thí nghiệm đo chuyển vị dầm Tensairity có định hướng màng mỏng Các mô số cho thấy, giai đoạn thổi phồng, định hướng vật liệu không trùng với trục ống, biến thiên bán kính ống lớn 2%, vượt giới hạn đo strain gauge có Bên cạnh đó, việc đo biến dạng ống phương pháp khác khơng cho độ xác cao nên nghiên cứu này, tác giả không thực phép đo biến dạng ống màng mỏng thổi phồng Ngoài ra, theo nghiên cứu Lê Văn Quang, chênh lệch kết phương pháp thực nghiệm phương pháp giải tích lớn nên nghiên cứu này, nghiên cứu thực nghiệm phục vụ mục đích quan sát ứng xử dầm Tensairity định hướng vật liệu thay đổi không phục vụ việc so sánh kết kiểm định xác so với phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn Các kết đo tổng hợp vẽ thành biểu đồ quan hệ chuyển vị dầm áp suất thổi phồng, thực cho trường hợp định hướng màng mỏng bán kính ống thổi phồng khác R=0.125m w(mm) 120 110 100 90 80 70 60 50 Áp suất p (kPa) 40 20 25 30 alpha=0 35 alpha=15 40 45 alpha=30 50 a) Ống thổi phồng có bán kính R = 0.125m THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 23 R=0.15m w(mm) 90 80 70 60 50 40 Áp suất p (kPa) 30 20 25 30 alpha=0 35 alpha=15 40 45 alpha=30 50 b) Ống thổi phồng có bán kính R = 0.15m Từ biểu đồ Hình 3.9, nhận thấy xu hướng biến thiên độ võng dầm theo góc định hướng vật liệu thể chương hoàn toàn xác thực Theo xu hướng này, độ cứng dầm Tensairity tăng dần góc định hướng tăng từ 00 đến 300 Khi áp suất thổi phồng tăng ảnh hưởng góc định hướng đến độ võng dầm lớn Cụ thể p = 20 kPa , R = 0.15m , chuyển vị dầm tương ứng với góc định hướng  = 300 92% so với trường hợp  = 00 , tỷ lệ giảm xuống 63% áp suất đạt p = 50 kPa 3.3 Kết luận Các dầm Tensairity chế tạo với đường kính ống thổi phồng khác nhau, định hướng vật liệu khác Các phép đo đạc thực nghiệm tiến hành cho thấy chuyển vị dầm Tensairity phụ thuộc lớn vào áp suất thổi phồng, kích thước dầm màng mỏng thổi phồng phương pháp neo cáp đặc biệt định hướng vật liệu Khi định hướng vật liệu thay đổi, dạng ống thổi phồng có nhiều khác biệt, ảnh hưởng lớn đến lực căng dây cáp từ ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể dầm, ảnh hưởng đến chuyển vị dầm Kết đo cho thấy, với liệu thực thí nghiệm này, thay đổi định hướng vật liệu giảm gần 40% chuyển vị dầm Trong trường hợp định hướng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 24 vật liệu  = 450 , độ cứng cua dầm lớn nữa, giúp giảm thiểu tối đa chuyển vị dầm mà khơng làm thay đổi kích thước dầm chi phí chế tạo THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 25 KẾT LUẬN Mục đích luận văn phân tích ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity – loại kết cấu chịu uốn kết hợp từ thành phần chính: nén, dầm màng mỏng thổi phồng hệ dây cáp nhằm tối ưu hóa khả chịu lực tối ưu hóa hiệu sử dụng vật liệu Các mục tiêu đặt từ phần đầu luận văn thực cho phép thu thập số kết sau: ➢ Mô hình phần tử hữu hạn dầm Tensairity Dầm Tensairity mô phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm ABAQUS) nhằm phân tích ứng xử dầm Tensairity Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity phân tích phương pháp số ➢ Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm Tensairity Mơ hình dầm Tensairity theo tỷ lệ thực thiết kế chế tạo Kích thước ống màng mỏng thổi phồng định hướng vật liệu thay đổi nhằm phân tích ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity Các phép đo thực nghiệm thực nhằm quan sát ứng xử thực tế dầm thay đổi định hướng vật liệu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... phần tử hữu hạn dầm Tensairity Dầm Tensairity mô phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm ABAQUS) nhằm phân tích ứng xử dầm Tensairity Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity phân... tài: ? ?Ảnh hưởng định hướng màng mỏng đến ứng xử dầm Tensairity? ?? cần thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao 2) Mục tiêu đề tài - Tổng hợp cơng thức tính tốn dầm Tensairity; - Nghiên cứu ứng xử dầm. .. sát ứng xử dầm Tensairity Dầm Tensairity chế tạo với hai kích thước ống màng mỏng khác ba định hướng vật liệu Các phép đo đạc nhằm mục đích quan sát ảnh hưởng định hướng vật liệu đến chuyển vị dầm