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
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -
Trang 2Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
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 đã 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 vào ngày
07 tháng 7 năm 2017
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết
1.1 Tổng quan về kết cấu thổi phồng
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
Trang 4Với 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
1.2 Thực trạng nghiên cứu về kết cấu thổi phồng
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 tính toán 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 tƣợng 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
Trang 5nào 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: TÍNH TOÁN ĐỘ VÕNG CỦA DẦM TENSAIRITY
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
1.1 ẾT CẤU CHỊU UỐN CỔ ĐIỂN
1.1.1 Kết cấu dầm chịu lực
1.1.1.1 Dầm thép
Ưu điểm của dầm thép
- Có tính đa dạng cao, linh hoạt, áp dụng cho mọi công trình và hình dáng đa dạng
- Dễ sữa chữa, nâng cấp
- Giá thành thấp
- Chất lượng cao
- Thi công nhanh
- Chi phí bảo hành thấp
Trang 6Loại kết cấu này sở hữu nhiều ưu điểm khiến nó ngày càng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng như:
- Đơn giản, dễ chế tạo, có thể sử dụng các loại vật liệu tại địa phương (cát, đá )
- Chịu 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 BTCT 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
- Cách âm, cách nhiệt kém, thi công phức tạp, khó kiểm tra
chất lượng, gia cố hay sữa chữa
1.1.1.3 Dầm gỗ
Gỗ là nguyên liệu, vật liệu được con người sử dụng rộng rãi và lâu đời Được sử dụng rộng rãi trong các ngành nông nghiêp, công nghiêp, xây dựng
Kết cấu gỗ thường có những ưu điểm như sau:
- Trọng lượng bản thân bé, có tính cơ học cao, chịu uốn tốt
Trang 7- Sử dụng vật liệu địa phương, giá thành thấp
- Dễ chế tạo, đa dạng về hình dáng, kiến trúc công trình
- Chi phí bão dưỡng thấp
Tuy nhiên, khả năng chịu lực không cao, tuổi thọ công trình
bé, chịu lửa kém và chi phí bảo dưỡng cao đã hạn chế không ít khả năng ứng dụng của loại kết cấu này
1.1.2 Kết cấu dàn chịu lực
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
- Nó rất nhẹ và chỉ chiếm ít thể tích lưu kho
- Chi 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
- Những 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 cần phải khắc phục như:
Kết cấu có thể bị xì hơi
Các kết cấu thổi phồng thường được cấu tạo từ vải kỹ thuật
Trang 8Loại vải này được đan từ các sợi ngang và sợi dọc và sau đó được phủ một lớp nhựa dẻo để bảo vệ Những 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 Đối với những sứ mệnh dài ngày, chúng ta có thể dùng một số phương pháp sau đây:
- Sử dụng tia cực tím, tia hồng ngoại để làm cứng lớp màng bảo
vệ
- Dùng công nghê phun bọt làm cứng
- Làm cứng bằng cơ khí : Sử dụng một lá nhôm được kẹp giữa bởi 2 tấm phim polymer gia cố bằng sợi carbon Điều này cho phép làm ph ng và uốn cong nó sao cho có thể chiếm một không gian hạn chế nhất, sau đó người ta sẽ làm phồng nó để phục hồi hình dạnh ban đầu, từ đó áp lực sẽ làm biến dạng các lá nhôm Kỹ thuật này cho phép
ta làm được những ống đủ lớn và có khả năng chống thấm cao hơn
- Dùng hóa chất làm cứng : Các xi lanh sẽ được ngâm tẩm 1 loại nhựa giúp làm nước bay hơi vào trong không khí khiến cho kết cấu trở nên cứng hơn và chống thấm cao Kỹ thuật này có ưu điểm là
ta có thể đảo ngược nó, chỉ cần tạo 1 môi trường đủ ẩm ướt để khôi phục lại sự linh hoạt, mềm dẻo ban đầu của kết cấu
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
Trang 9năng chống thấm của nó phụ thuộc vào áp suất bên trong cấu trúc, cũng như độ căng và tính chất của chất liệu vải Có thể nói khả năng chịu lực của nó thấp hơn những kết cấu truyền thống khác
Ngoài ra, kết cấu dầm thổi phồng còn có nhược điểm như khả năng chịu lực kém không thể bằng các kết cấu thông thường, có độ
So với các kết cấu cổ điển, kết cấu Tensegrity có được các ưu điểm nhất định như sau:
- Có 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
1.2.3 Kết cấu Tensairity
Tensairity là một kết cấu mới có trọng lượng nhẹ Nguyên tắc chính của Tensairity là sự làm việc tổng hợp của dầm thổi phồng và dây cáp chịu kéo và thanh thép chịu nén
Ƣu điểm của kết cấu Tensairity:
- Tận dụng tối đa sự làm việc của vật liệu;
- Kết cấu có khả năng chịu lực tốt;
Trang 10- Trọng lượng nhỏ;
- Dễ vận chuyển, lắp dựng, chiếm ít vị trí khi lưu kho
Nhược điểm của kết cấu Tensairity:
- 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;
- Cần bảo trì, bảo quản thường xuyên;
- Giá thành không nhất thiết rẻ hơn các kết cấu thông thường
CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT TÍNH DẦM TENSAIRITY
Trong chương này, học viên nghiên cứu xây dựng các phương trình vi phân cơ bản cho hệ dầm Tensairity Hệ phương trình này sẽ được áp dụng để giải bài toán dầm đơn giản Tensairity chịu tải trọng phân bố đều Chuyển vị của dầm sẽ được xác định thông qua chuyển
vị của thanh nén và của dây cáp chịu kéo Các 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
2.1 TRƯỜNG HỢP DÂY CÁP ĐƯỢC ĐƯỢC LİÊN ẾT VÀO HAİ ĐẦU THANH NÉN VÀ CHẠY DỌC THEO TRỤC ỐNG
z O
Hình 2.1 Phương trình vi phân của dầm Tensairity
Trang 11- w w1, 2 là sự dịch chuyển theo chiều dọc của vùng chịu nén
và chịu kéo tương ứng
Trang 122 1 0
Trong mục trên, để đơn giản trong tính toán và cấu tạo ống, trong phần nay, ta nghiên cứu sự làm việc của dầm Tensairity mà trong đó dây cáp được liên kết vào hai đầu thanh nén và chạy dọc theo trục ống Cấu tạo này đơn giản hóa việc mô hình kết cấu và xây dựng công thức tính Tuy nhiên việc cấu tạo dầm như thế không đảm bảo ổn định cho
sự làm việc thực của kết cấu Trong phần này, ta sẽ nghiên cứu một cấu tạo khác của dầm Tensairity, tuy có phức tạp hơn đôi chút nhưng đảm bảo sự ổn định khi làm việc của kết cấu Cấu tạo của dầm được thể hiện như hình bên dưới
Trang 13và chịu kéo tương ứng
(2
Kết cấu dầm Tensairity là một kết cấu liên hợp được tạo thành
từ ống màng mỏng thổi phồng, thanh nén và dây cáp Mỗi thành phần trong kết cấu được làm việc trong điều kiện tối ưu, do đó có thể giảm tối đa tiết diện ngang của kết cấu, giảm được trọng lượng bản thân kết cấu Trong chương này, học viên đã xây dựng được lý thuyết tính toán
Trang 14độ võng dầm Tensairity chịu tải trọng phân bố đều Trong chương tiếp theo, học viên sẽ áp dụng các công thức được thiết lập trên đẻ tính toán và kiểm chứng độ võng của dầm Tensairity
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ĐỘ VÕNG CỦA DẦM TENSAIRITY
Trong chương này, các công thức xác định độ võng của dầm
sẽ được áp dụng để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ võng của dầm cũng như hiệu năng làm việc của dầm Tensairity so với các dầm
cổ điển
Để kiểm chứng hiệu quả của lý thuyết dầm vừa được xây dựng, tác giả so sánh các kết quả thu được từ lý thuyết và kết quả thu được từ mô hình phân tích phần tử hữu hạn 3D (Abaqus)
Bài toán phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị của dầm Tensairity cũng được nghiên cứu
Các phép so sánh sự làm việc của dầm Tensairity được thực hiện để đánh giá hiệu quả sử dụng dầm này so với các dầm cổ điển
3.1 TRƯỜNG HỢP DÂY CÁP ĐƯỢC ĐƯỢC LİÊN ẾT VÀO HAİ ĐẦU THANH NÉN VÀ CHẠY DỌC THEO TRỤC ỐNG
3.1.1 Tính toán độ võng của hệ dầm Tensairity
Để tìm hiểu sự làm việc của hệ dầm Tensairity, ta nghiên cứu bài toán dầm Tensairity chịu uốn với các thông số đầu vào như sau:
Bảng 3.1 Thông số đầu vào cho bài toán dầm Tensairity
Tiết diện thanh nén b h d (mm3) 40 120 3
Mô đun đàn hồi của thanh nén E (kN/m2
Trang 15Với các thông số đầu vào này, ta tính được:
Trang 16Bảng so sánh chuyển vị lấy từ phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn được thể hiện bên dưới
Bảng 3.2 So sánh chuyển vị w 1 của thanh nén trong hệ dầm Tensairity
Tọa độ tiết diện Lý thuyết (mm) PTHH (mm) Sai lệch (%)
Trang 17Hình 3.3 So sánh kết quả chuyển vị của dầm Tensairity
Qua kết quả so sánh ở trên, ta thấy sai lệch giữa các kết quả lý thuyết và phần tử hữu hạn là dưới 10% và có thể chấp nhận được Vậy
có thể sử dụng các công thức giải tích vừa xây dựng để tính toán và phân tích độ võng của dầm Tensairity chịu uốn
3.1.2 Phân tích hiệu quả sử dụng dầm Tensairity
Để nghiên cứu hiệu quả sử dụng của dầm Tensairity được cấu
tạo theo phương án đơn giản này, ta sẽ so sánh độ võng w 1 của thanh nén trong dầm Tensairity với độ võng của riêng thanh nén với tiết diện
40 120 3
b h d và b h d 120 40 3 ) khi chịu tải trọng tác dụng Các kết quả so sánh được thể hiện trong Bảng 3 và Hình 6 bên dưới
Trang 19so với dầm thép hộp nằm dọc b h d 40 120 3 Điều này chứng tỏ việc bố trí hệ dầm Tensairity theo kiểu dây cáp dọc theo trục ống là không thật sự hiệu quả Vậy nên cần tìm một phương án bố trí khác
3.2 TRƯỜNG HỢP DÂY CÁP ĐƯỢC BỐ TRÍ XOẮN ỐC QUANH TRỤC ỐNG
3.2.1 Tính toán độ võng của hệ dầm Tensairity
Để tìm hiểu sự làm việc của hệ dầm Tensairity, ta nghiên cứu bài toán dầm Tensairity chịu uốn với các thông số đầu vào như sau:
Bảng 3.4 Thông số đầu vào cho bài toán dầm Tensairity
Tải trọng phân bố đều q(kN/m) 3
Áp suất thổi phồng p(kNm2) 40
Tiết diện thanh nén b h d (mm3) 40 120 3
Mô đun đàn hồi của thanh nén E (kN/m2