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

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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng - Năm 2022 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 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Cơng Nghiệp Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUANG TÙNG Đà Nẵng - Năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày 05 tháng 05 năm 2022 Trần Văn Phương THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii TÓM TẮT LUẬN VĂN .iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi Chương TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN .3 1.1 Cấu kiện chịu uốn cổ điển 1.1.1 Dầm thép 1.1.2 Dầm bê tông cốt thép .4 1.1.3 Dầm gỗ 1.1.4 Kết cấu dàn chịu lực 1.2 Một số kết cấu chịu uốn .6 1.2.1 Dầm thổi phồng .6 1.2.2 Kết cấu Tensegrity 1.2.3 Kết cấu Tensairity 1.3 Một số cơng trình nghiên cứu làm việc kết cấu dầm Tensairity .10 1.3.1 Ứng xử vật liệu 10 1.3.2 Sự thổi phồng ống màng mỏng .13 1.3.3 Độ võng dầm Tensairity 15 1.3.4 Lực căng dây cáp 18 1.4 Kết luận chương 19 Chương NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 20 2.1 Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn 20 2.2 Loại phần tử mô 21 2.3 Các bước mơ hình hóa phần mềm ABAQUS .22 2.3.1 Xác định hệ đơn vị dùng để mơ hình hóa Abaqus .22 2.3.2 Xây dựng cấu kiện (Part) .22 2.3.3 Khai báo đặc trưng vật liệu 24 2.3.4 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt 27 2.3.5 Lắp ghép cấu kiện 29 2.3.6 Thiết lập bước phân tích 29 2.3.7 Tương tác phần tử 31 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iii 2.3.8 Gán tải trọng điều kiện biên cho mơ hình .32 2.3.9 Chia lưới cho cấu kiện mơ hình 33 2.3.10 Công tác phân tích liệu mơ 34 2.3.11 Xem kết mô 35 2.4 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity .35 2.4.1 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến kích thước dầm thổi phồng 36 2.4.2 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến lực căng trước dây cáp 37 2.4.3 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến chuyển vị dầm Tensairity .39 2.5 Kết luận 40 Chương NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 41 3.1 Mơ hình thí nghiệm dầm Tensairity 41 3.1.1 Các thành phần 41 3.1.2 Liên kết dầm Tensairity 42 3.2 Thí nghiệm đo chuyển vị dầm Tensairity có định hướng màng mỏng 46 3.3 Kết luận 48 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iv TÓM TẮT LUẬN VĂN ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊNH HƯỚNG MÀNG MỎNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY Học viên: Trần Văn Phương Chun ngành: Kỹ thuật cơng trình xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Khóa: K39 - ĐN Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Dầm Tensairity kết cấu liên hợp bao gồm chịu nén, dây cáp ống thổi phồng có tác dụng làm đàn hồi cho nén ổn định vị trí dây cáp Các lý thuyết tính tốn xây dựng từ cơng trình nghiên cứu trước đây, luận văn tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity phương pháp số phép đo thực nghiệm Kết nghiên cứu cho thấy định hướng màng mỏng có ảnh hướng lớn đến biến dạng ống thổi phồng, lực căng dây cáp độ cứng tổng thể dầm Từ khóa – dầm Tensairity, định hướng vật liệu, mơ hình phần tử hữu hạn, nghiên cứu thực nghiệm, lực căng, độ cứng INFLUENCE OF MATERIAL ORIENTATION ON THE BEHAVIOR OF TENSAIRITY BEAMS Abstract - Tensairity girder is a composite structure consisting of a compression bar, cables and an inflatable tube that acts as an elastic foundation for the compression bar and stabilizes the position of the cables Analytical theories have been built from previous studies, this thesis focuses on studying the influence of material orientation on the behavior of Tensairity beams by numerical methods and by experimental measurements The results show that the material orientation has a great influence on the deformation of the inflatable tube, the tension in the cable and the overall stiffness of the beam Key words - Tensairity beams, material orientation, finite element modeling, experimental studies, tension, stiffness THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Tính chất lý vải Ferrari F502 42 2.1 Hệ số đàn hồi vật liệu màng mỏng 35 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Số hiệu hình Tên hình Trang Kết cấu Tensairity 1.1 Dầm thép cơng trình xây dựng 1.2 Ứng dụng dầm bê tơng cốt thép cơng trình xây dựng 1.3 Một số dầm gỗ sử dụng công trình xây dựng 1.4 Kết cấu dàn cơng trình xây dựng 1.5 Kết cấu thổi phồng sử dụng tạm thời 1.6 Một số cơng trình thổi phồng ứng dụng đời sống 1.7 Những sân vận động với mái vòm sử dụng kết cấu thổi phồng 1.8 Một số cơng trình ứng dụng Tensegrity 1.9 Một số cơng trình ứng dụng Tensairity 10 1.10 Cấu tạo vải kỹ thuật 11 1.11 Kích thước hình học ban đầu ống 13 1.12 Thí nghiệm đo biến dạng ống thổi phồng 14 1.13 Sơ đồ bố trí cảm biến đo biến dang 15 1.14 Sơ đồ làm việc dầm Tensairity 15 1-15 Mơ hình dầm Tensairity 17 2.1 Các phần tử sử dụng mơ hình 21 2.2 Khởi tạo mơ hình dầm màng mỏng 22 2.3 Khởi tạo mơ hình nén 23 2.4 Thuật tốn Python để tạo đường xoắn ốc 24 2.5 Mơ hình dây cáp 24 2.6 Mơ hình vải kỹ thuật 25 2.7 Khai báo thông số kỹ thuật vật liệu màng mỏng 25 2.8 Các phương trực giao vật liệu màng mỏng 26 2.9 Định hướng vật liệu so với trục ống thổi phồng 26 2.10 Khai báo định hướng vật liệu 26 2.11 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái quát hóa cốt thép 27 2.12 Khai báo thơng số kỹ thuật vật liệu thép 27 2.13 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt dầm màng mỏng 28 2.14 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt nén 28 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vii Số hiệu Tên hình hình Trang 2.15 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt dây cáp 29 2.16 Lắp ghép cấu kiện 29 2.17 Thiết lập bước phân tích 30 2.18 Khai báo ổn định cho hội tụ phép tính 30 2.19 Lựa chọn liệu xuất sau phân tích mơ hình 31 2.20 Khai báo tiếp xúc 31 2.21 Khai báo ràng buộc Tie 32 2.22 Khai báo điều kiện biên cho dầm 32 2.23 Khai báo tải trọng tác dụng 33 2.24 Chia lưới cho dầm màng mỏng 34 2.25 Dầm Tensairity sau chia lưới 34 2.26 Phân tích mơ hình 34 2.27 Kết phân tích mơ hình 35 2.28 Biến thiên bán kính trạng thái thổi phồng R=0.15m, p=30 kPa 36 2.29 Biến thiên mô đun đàn hồi dọc theo chu vi ống 37 2.30 Biến dạng ống thổi phồng bị dây cáp ép mặt 37 2.31 Biến thiên lực căng trước dây cáp, R=0.15m, p=30 kPa 38 2.32 Biến thiên lực căng dây cáp, R=0.15m, p=30 kPa 39 2.33 Chuyển vị dầm vs góc định hướng, R=0.15m, p=30 kPa 39 3.1 Thép hộp 41 3.2 Đo cắt thép hộp 42 3.3 Định vị hàn ren 43 3.4 Cố định dây cáp vào ren 43 3.5 Dầm Tensairity phương pháp neo trước 44 3.6 Thiết bị bơm khí 45 3.7 Thiết bị đo áp suất 45 3.8 Indicator dùng để đo chuyển vị 46 3.9 Độ võng dầm Tensairity – Phương pháp neo trước 47 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 vịm 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 Ngoài 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 Hiện giới, có nhiều cơng trình thực theo dạng này, điển hình kể đến cầu Pont de Val-Cenis Pháp nhiều kết cấu khác (xem Hình 1) a) Pont de Val-Cenis (Pháp) b) Garage ơ-tơ (Thụy Sĩ) Hình 1: Kết cấu Tensairity 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 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 47 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 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 Hình 3.9 Độ võng dầm Tensairity – Phương pháp neo trước 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 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 48 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 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 49 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen,Q.T., Contribution l'étude du gonflage, de la flexion et du flambement de tubes membranaires orthotropes pressurisés PhD thesis, Ecole Centrale de Nantes, 2013 [2] Kirsti P., Paul J., Raj K., Julian J., Chiara D., Design and impact response of 3Dprintable tensegrity-inspired structures, Materials and Design 182 (2019) 107966 [3] Yitian W., Weijia Zh., Julian J., Rui Zh., Gengkai H., Prestress-controlled asymmetric wave propagation and reciprocity-breaking in tensegrity metastructure, Extreme Mechanics Letters, Extreme Mechanics Letters 37 (2020) 100724 [4] Luchsinger.R, Pedretti.M, and Reinhard.A, Pressure induced stability : from pneumatic structure to tensairity Journal of Bionics Engineering, 1(3) :141–148, 2004 [5] Luchsinger R, Pedretti A, Steingruber.P, and Pedretti.M, The New Structural Concept Tensairity : Basic Principles London : A.A Balkema Publishers, 2004 [6] Bridgens.B.N, Gosling P.D, and M.J.S Birchall, Membrane material behaviour : concepts, practise and developments Structural Engineer, 82(14) :28–33., 2004 [7] Cavallaro.P.V, Jonhson.M.E, and A.M Sadegh, Mechanics of plain-woven fabrics for inflated structures Composite structures, 61 :375–393, 2003 [8] Quaglini.V, Corazza.C, and Poggi.C , Experimental characterization of orthotropic technical textiles under uniaxial and biaxial loading Composites : Part A, 39 :1331–1342, 2008 [9] Galliot C And Luchsinger R , A simple model describing the non-linear biaxial tensile behaviour of PVCcoated polyester fabrics for use in finite element analysis Composite Structures, 90 :437–447, 2009 [10] Galliot C and Luchsinger.R, A simple model describing the non-linear biaxial tensile behaviour of PVCcoated polyester fabrics for use in finite element analysis Composite Structures, 90 :437–447, 2009 [11] Guidanean K and Williams.G, An inflatable rigidizable struss strucrure with complex joint The 39th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structure, Structural THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Dynamics and Materials Conference, California, USA, 1998 [12] Peng.X.Q, and Cao.J, A continuum mechanics-based non-orthogonal constitutive model for woven composite fabrics Composites : Part A, 36 :859–874, 2005 [13] Vysochina.K, Comportement des textiles techniques souples dans le domaines des grandes déformations : Identification de la rigidité en cisaillement plan PhD thesis, Université Claude Bernard Lyon 1, 2005 [14] Nguyen Q.T, Thomas J.C, and Le van A, An exact solution to calculate the lenght and radius of an orthotropic inflatable beam - a theoretical application to the determination of the material coefficients Tensinet Symposium [RE] THINKING Lightweight Structures, Istanbul, Turkey, 2013 [15] Malm.C.G Davids W.G, Peterson M.L , and Turner A.W, Experimental characterization and finite element analysis of inflated fabric beams Construction and Building Materials, 23 :2027–2034, 2009 [16] Nguyen.Q.T, ThomasJ.C, and Le van A, An analytical solution for an inflated orthotropic membrane tube with an arbitrarily oriented orthotropy basis Engineering Structures, 56 :1080–1091, 2013 [17] Võ Ngọc Quang, "Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng mỏng thổi phồng", Luận văn thạc sĩ kỹ thuật,2018 [18] Luchsinger R.H., Antje S., Rene C., Structural behavior of asymmetric spindleshaped Tensairity girders under bending loads, Thin-Walled Structures 49 (2011) 1045–1053 [19] Lê Văn Quang, “Nghiên cứu thực nghiệm làm việc dầm Tensairity”, luận văn thạc sỹ khoa học, Đà Nẵng 2018 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... 35 2.4 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity .35 2.4.1 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến kích thước dầm thổi phồng 36 2.4.2 Ảnh hưởng định hướng vật liệu đến lực căng... trung vào nghiên cứu ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm Tensairity phương pháp số phép đo thực nghiệm Kết nghiên cứu cho thấy định hướng màng mỏng có ảnh hướng lớn đến biến dạng ống thổi... 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