Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm màng mỏng thổi phồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌ VÕ NGỌ QU NG NG IÊN ỨU T Ự NG IỆM ỨNG XỬ Ủ DẦM MÀNG MỎNG T ỔI P ỒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng 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 LỜI MĐ N Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác gười cam đoan Võ Ngọc Quang MỤ LỤ TRANG BÌA LỜ AM OA MỤ LỤ TRA TĨM TẮT LUẬ VĂ DA MỤ Á BẢ DA MỤ Á Ì MỞ ẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu đề tài ối tượng nghiên cứu: .2 Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài ƯƠ TỔ QUA VỀ KẾT ẤU T Ổ P Ồ 1.1 Tổng quan cấu tạo ứng dụng kết cấu thổi phồng 1.1.1 ịnh nghĩa .4 1.1.2 Ứng dụng kết cấu màng m ng thổi phồng 1.1.3 h ng ưu m nhược m kết cấu màng m ng thổi phồng 10 1.2 Một số nghiên cứu ứng xử vật liệu 13 1.2.1 ấu tạo vải kỹ thuật 13 1.2.2 Ứng xử học vải kỹ thuật 14 1.2.3 Thí nghiệm đo hệ số đàn hồi vải kỹ thuật 15 1.3 Một số nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng m ng thổi phồng 17 1.4 Một số cơng trình nghiên cứu lý thuyết làm việc kết cấu thổi phồng 18 1.5 Kết luận chương 19 ƯƠ TÍ TỐ KẾT ẤU M MỎ T Ổ P Ồ .20 2.1 Thiết lập phương trình cho tốn thổi phồng ống màng m ng trực giao .21 2.1.1 ặt vấn đề 21 2.1.2 Sự vận động 22 2.1.3 Sự biến đổi - Biến dạng .22 2.1.4 Ứng suất .23 2.1.5 Phương trình cân .25 2.1.6 ệ phương trình phi tuyến xác định kích thước ống màng m ng thổi phồng 25 2.2 Thiết lập phương trình cho tốn dầm ống màng m ng thổi phồng chịu uốn 27 2.2.1 Chuy n động 28 2.2.2 huy n động ảo 29 2.2.3 ông suất ảo nội ứng suất .30 2.2.4 ông ảo tải trọng 31 2.2.5 Phương trình cân phi tuyến 37 2.2.6 Quy luật ứng xử vải kỹ thuật trạng thái thổi phồng 38 2.2 Tuyến tính hoá toán .39 2.3 Phân tích ứng xử dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn .40 2.3.1 Dầm công xôn thổi phồng chịu uốn ngang 40 2.3.2 Dầm đơn giản thổi phồng chịu uốn ngang 42 2.4 Kết luận chương 42 ƯƠ Ê ỨU T Ự ỆM Ứ XỬ ỦA KẾT ẤU M MỎ T Ổ P Ồ 44 3.1 Thí nghiệm đo biến dạng ống màng m ng thổi phồng .44 3.1.1 Ống màng m ng thổi phồng sử dụng 44 3.1.2 Vải kỹ thuật đươc sử dụng 45 3.1.3 ác dụng cụ đo 45 3.1.4 Lắp đặt thiết bị đo 48 3.2 o dầm mẫu 50 3.2.1 iả thiết trạng thái rỗng ống 50 3.2.2 Thời gian chờ đ lấy kết thí nghiệm .50 3.2.3 Sự ổn định ứng xử vật liệu 51 3.3 Quy trình thí nghiệm 51 3.4 Kết thí nghiệm nhận định 52 3.4.1 Kết 52 3.4.2 hận xét .55 3.5 o chuy n vị ống màng m ng thổi phồng chịu uốn 56 3.5.1 Lắp đặt thiết bị đo 56 3.5.2 Quy trình thí nghiệm 56 3.6 Kết luận .59 KẾT LUẬ V K Ế Ị .60 T L ỆU T AM K ẢO .61 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 BỆ TR NG TÓM TẮT LUẬN VĂN NG IÊN ỨU T Ự NG IỆM ỨNG XỬ Ủ DẦM MÀNG MỎNG T ỔI P ỒNG ọc viên: Võ gọc Quang huyên ngành: Kỹ thuật cơng trình xây dựng Mã số: 8580201 Khóa: K34 -XDD.Qng Trường ại học Bách khoa – Tóm tắt – Dầm màng m ng thổi phồng cấu kiện chịu uốn cấu tạo từ vải kỹ thuật tạo hình thành ống kín Ưu m loại kết cấu trọng lượng nhẹ, tốn th tích lưu kho khả vận chuy n, lắp dựng dễ dàng Các nghiên cứu lý thuyết loại kết cấu thực trước Luân văn giới hạn nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bị thổi phồng chịu uốn ác kết thực nghiêm thu tương đồng với xu hướng ứng xử dầm nghiên cứu lý thuyết trước Từ khóa – dầm thổi phồng, nghiên cứu thực nghiệm, vải kỹ thuật, biến dạng lớn EXPERIMENTTAL ANALYSIS ON THE BEHAVIOR OF INFLATABLE BEAM Abstract - An inflated membrane beam is a flexural component made of technical fabric and made into a closed tube The advantage of this type of structure is light weight, low storage volume and easy transport and erection capability The theoretical studies of this type of structure have been done before This practice is limited to experimental studies of beam behavior when inflated and under bending The actual results obtained are quite similar to the behavior trend of beams in previous theoretical studies Key words - inflatable beam, orthotropic material, experimental study, material orientation, finite deformation D N MỤ CÁC ẢNG Bảng 3.1 Tính chất lý vải Ferrari F502 45 Bảng 3.2 Kết đo biến dạng ống màng m ng trình thổi phồng 53 Bảng 3.3 Kết đo chuy n vị theo tải trọng tác dụng 58 Bảng 3.4 Kết đo chuy n vị theo áp suất thổi phồng 59 D N Hình 1.1 Vệ tinh thổi phồng MỤ CÁC HÌNH O .5 ình 2.1 Sự biến đổi trình uốn dầm thổi phồng 27 ình 2.2 Mơ hình chuy n động ống màng m ng thổi phồng chịu uốn 28 ình 2.3 Tải trọng tĩnh 31 ình 2.4 ệ tọa độ cong .34 ình 2.5 ông-xôn thổi phồng chịu uốn ngang 40 ình 2.6 Dầm đơn giản thổi phồng chịu uốn ngang 42 Hình 3.1 Ống màng m ng sử dụng .44 ình 3.2 Thiết bị bơm khí 46 ình 3.3 Thiết bị đo áp suất 46 Hình 3.4 Strain gauge PL-60-11 47 ình 3.5 Thiết bị thu tín hiệu xuất kết 47 Hình 3.6 Indicator dùng đ đo chuy n vị .48 ình Thí nghiệm đo biến dạng ống thổi phồng 48 ình 3.8 Sơ đồ bố trí cảm biến đo biến dang .49 Hình 3.9 Van an toàn 50 Hình 3.10 Quy trình thí nghiệm đo biến dạng ống trình thổi phồng 52 ình 3.11 Sự biến thiên kích thước hình học ống 55 ình 3.12 Mơ hình thí nghiệm .56 Hình 3.13 Biến thiên độ võng theo tải trọng tác dụng – p=30 kPa 57 ình 3.14 Biến thiên độ võng theo áp suất – F=30N 57 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết iện nay, phần lớn nh ng cơng trình xây dựng giới làm từ vật liệu cổ n là: gạch, đá, bê tông đặc biệt bê tông cốt thép thép Ưu m chung loại vật liệu khả chịu lực lớn, tuổi thọ cơng trình cao Tuy nhiên, nhược m nh ng vật liệu cổ n trọng lượng thân lớn, việc xây dựng tháo dỡ khơng dùng đến tốn nhiều chi phí Vì vậy, loại vật liệu nhẹ nghiên cứu đưa vào sử dụng vật liệu vải kỹ thuật Stadium Tennis Center - USA Allianz Arena - ức Pont de Val Cenis - Thụy Sỹ Tokyo Dome - hật Bản Hình – Một số cơng trình có sử dụng kết cấu thổi phồng ác vải kỹ thuật thường tạo hình thành nh ng ống kín, thổi khí vào đ có th chịu tải trọng thân chịu tải trọng khác gọi ống thổi phồng ác ống thổi phồng liên kết với đ tạo nên khung chịu lực nhiều cơng trình xây dựng giới mái v m phục vụ kiện, nhà v m phục vụ hội nghị, kết cấu đỡ mái nhà dân dụng, cầu tạm Ưu m dạng kết cấu q trình xây dựng nhanh, có th tháo dỡ chuy n đến nơi khác cách nhanh chóng, tiện lợi Tải trọng thân kết cấu nh nên giảm thi u trọng lượng thân cơng trình gồi ra, dầm thổi phồng kết hợp với vật liệu truyền thống cách hiệu có th nâng cao nhiều khả chịu lực kết cấu mà không làm tăng nhiều trọng lượng thân Kết cấu liên hợp sử dụng nhiều giới cấu kiện chịu lực cơng trình Với tầm quan trọng vậy, đến chưa có nhiều kết nghiên cứu đưa ra, khơng có nhiều báo khoa học đề cập đến ứng xử loại kết cấu a phần nghiên cứu nước tập trung vào phương pháp giải tích phương pháp mô ph ng phương pháp phần tử h u hạn đ phân tích ứng xử dầm màng m ng thổi phồng iện chưa có nghiên cứu đầu tư theo hướng thực nghiệm Vậy nên đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng mỏng thổi phồng” có ý nghĩa khoa học cao nhằm ki m chứng lý thuyết xây dựng Mục tiêu nghiên cứu đề tài a) Mục tiêu tổng quát: ghiên cứu ứng xử dầm màng m ng thổi phồng phương pháp thực nghiệm b) Mục tiêu cụ thể: - hế tạo mẫu dầm thổi phồng dùng đ thí nghiệm; - Xác định thay đổi đặc trưng hình học dầm màng m ng sau thổi phồng phương pháp thực nghiệm; ghiên cứu ứng xử dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn; - So sánh với kết lý thuyết mô ph ng có trước đ đưa kết luận Đối tượng nghiên cứu: Dầm màng m ng thổi phồng cấu tạo từ vải kỹ thuật Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử dầm màng m ng thổi phồng chịu tải trọng Phương pháp nghiên cứu ghiên cứu cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng m ng thổi phồng ố cục đề tài hương Tổng quan kết cấu màng mỏng thổi phồng 1 Tổng quan cấu tạo ứng dụng kết cấu màng m ng thổi phồng Một số kết nghiên cứu ứng xử vật liệu vải kỹ thuật Một số cơng trình nghiên cứu làm việc kết cấu màng m ng thổi phồng Kết luận chương hương Nghiên cứu thực nghiệm thổi phồng dầm màng mỏng Thiết bị thí nghiệm 2 Quy trình thí nghiệm thổi phồng dầm màng m ng ường quan hệ áp suất – thay đổi kích thước hình học dầm So sánh kết lý thuyết thực nghiệm Xác định hệ số đàn hồi vải kỹ thuật từ thí nghiệm thổi phồng Kết luận chương hương Nghiên cứu thực nghiệm dầm màng mỏng thổi phồng chịu uốn Thiết bị thí nghiệm Quy trình thí nghiệm dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn 3 ường quan hệ tải trọng – chuy n vị dầm So sánh kết lý thuyết thực nghiệm Kết luận chương ết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo 57 trọng tác dụng F biến thiên từ đến 40N; - Gi nguyên tải trọng tác dụng F=30N thay đổi áp suất thổi phồng p = 1050 kPa ác kết đo chuy n vị th bi u đồ hình 3.13, 3.14 bảng 3.3 V (mm) huy n vị gi a dầm V(L/2) 18 16 Exp R=0.1 14 Ana R=0.1 12 Exp R=0.125 10 Ana R=0.125 F (N) 0 10 20 30 40 50 Hình 3.13 Biến thiên độ võng theo tải trọng tác dụng – p=30 kPa V (mm) huy n vị gi a dầm V(L/2) 16 14 12 10 Exp R=0.1 Ana R=0.1 Exp R=0.125 p (kPa) Ana R=0.125 0 10 20 30 40 50 60 Hình 3.14 Biến thiên độ võng theo áp suất – F=30N Sự biến thiên chuy n vị tiết diện ngang theo tải trọng tác dụng theo áp suất phù hợp với dự đoán: - Trong trường hợp áp suất khơng đổi (xem hình 3.13), bi u đồ quan 58 hệ gi a chuy n vị áp suất đo từ thí nghiệm gần tuyến - tính, phù hợp với kết giải tích; Trong trường hợp tải trọng khơng đổi (xem hình 3.14), chuy n vị biến thiên phi tuyến theo áp suất thổi phồng Tuy nhiên c n sai lệch khoảng 23% gi a kết giải tích kết thí nghiệm (xem Bảng 3.3) ác sai số có th giải thích sau: - có nh ng sai sót q trình thực phép đo biến dạng ống trình thổi phồng như: ống không tuyệt đối th ng, số liệu đo chưa xác, sai số cảm biến iều dẫn đến sai số không th tránh kh i việc xác định hệ số đàn hồi vật liệu - c n sai sót q trình đo chuy n vị ống thổi phồng chịu uốn như: ống không tuyệt đối th ng, tải trọng tác dụng lên ống tuyệt đối ngang, sai số cảm biến Với tất nh ng khó khăn đó, ta có th xem sai số 23% gi a kết lý thuyết kết thí nghiệm hồn tồn có th chấp nhận - Từ kết này, ta có th kết luận rằng: Lý thuyết tính dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn phù hợp với kết thí nghiệm; Sai số khơng lớn gi a kết giải tích kết thí nghiệm cho thấy hệ số đàn hồi vật liệu xác định phương pháp phân tích ngược tin cậy Bảng 3.2 Kết đo chuy n vị theo tải trọng tác dụng R (m) 0.1 0.125 F(N) 7.5 15 20 30 40 7.5 15 20 30 40 VL (mm) Thực nghiệm Lý thuyết 0 3.52 2.75 6.21 5.49 8.43 7.32 11.88 10.99 15.67 14.65 0 2.14 1.72 4.05 3.44 5.98 4.59 8.35 6.88 10.24 9.18 Sai số (%) 22.0 11.5 13.1 7.5 6.5 19.6 15.0 23.3 17.6 10.4 59 Bảng 3.3 Kết đo chuy n vị theo áp suất thổi phồng R (m) 0.1 0.125 3.6 p (kPa) 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 VL (mm) Thực nghiệm Lý thuyết 14.55 12.90 13.01 11.81 11.98 10.99 10.83 10.33 9.41 9.80 9.94 8.56 8.82 7.59 8.41 6.88 7.75 6.35 7.34 5.92 Sai số (%) 11.4 9.2 8.3 4.6 -4.1 13.9 13.9 18.1 18.1 19.3 ết luận ác nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng m ng thổi phồng thực nhằm mục đích ki m chứng lý thuyết thổi phồng ống màng m ng lý thuyết dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn Thơng qua q trình thí nghiệm, nhận thấy rằng: - Sự thay đổi kích thước ống màng m ng trình thổi phồng chuy n vị dầm thổi phồng chịu uốn thu có xu hướng logic; - Vẫn c n sai số lớn gi a kết thực nghiệm lý thuyết; - ần phải có biện pháp đ khắc phục 60 ẾT LUẬN VÀ IẾN NG Ị  Kết luận ác nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng m ng thổi phồng thực nhằm mục đích nghiên cứu ứng xử thực dầm màng m ng thổi phồng ki m chứng đắn lý thuyết thổi phồng ống màng m ng lý thuyết dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn Thơng qua q trình thí nghiệm, nhận thấy rằng: - Các kết thu từ thực nghiệm có quy luật biến thiên logic hoàn toàn phù hợp với xu dự đốn trước từ lý thuyết + Kích thước hình học dầm màng m ng thổi phồng phụ thuộc lớn vào áp suất thổi phồng R L , kx không R L nh ng phụ thuộc vào áp suất thổi phồng mà phụ thuộc vào bán kính + Sự biến thiên kích thước hình học ống k ống trạng thái tự nhiên ộ cứng dầm màng m ng thổi phồng (chuy n vị dầm) phụ thuộc lớn vào áp suất thổi phồng bán kính dầm trạng thái tự nhiên Các kết thực nghiệm có sai số so với kết lý thuyết iều có th giải + - thích số sai sót khâu chế tạo đo đạc  Kiến nghị Do hạn chế điều kiện máy móc, chưa th nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng định hướng vật liệu đến ứng xử dầm màng m ng thổi phồng goài ra, cần phải sử dụng phép đo tiên tiến phép đo quang học, cảm biến đo áp suất xác đ đảm bảo độ xác q trình thí nghiệm 61 TÀI LIỆU T M Ả [1] Fichter W B, A theory for inflated thin-wall cylindrical beams Technical report, NASA TND-3466, 1966 [2] Le van A and Wielgosz C, Finite element formulation for inflatable beams Thin-Walled Structures, 45:221–236, 2007 [3] Le van A and Wielgosz C, Bending and buckling of inflatable beams: some new theoretical results Thin-Walled Structures, 43:1166–1187, 2005 [4] 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 [5] 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 [6] 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 [7] Vedman S and Vermeeren , nflatable structures in aerospace engineering an overview European confe-rence on spacecraf structures, materials and mechanical testing, Noordwijk, the Netherlands, 2002 [8] Webber J P , Deflections of inflated cylindrical cantilever beams subjected to bending and torsion Aero-nautical Journal, 1020:306–312, 1982 [9] Wielgosz C and Thomas J , Deflection of inflatable fabric panels at high pressure Thin-Walled Struc-tures, 40:523–536, 2002 [10] Wielgosz C and Thomas J , Deflections of highly inflated fabric tubes ThinWalled Structures, 42:1049–1066, 2004 [11] Nguyen Q T, Thomas J C, Levan A (2015) Inflation and bending of an orthotropic inflatable beam Thin-Walled Structures 88 (2015), pp 129–144 62 ... tượng nghiên cứu: Dầm màng m ng thổi phồng cấu tạo từ vải kỹ thuật Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử dầm màng m ng thổi phồng chịu tải trọng Phương pháp nghiên cứu ghiên cứu cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng. .. Một số nghiên cứu thực nghiệm ứng dầm màng mỏng thổi phồng ác nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng m ng thổi phồng mô ph ng trạng thái ứng suất tương đồng với kết cấu chịu lực công trình thực. .. h u hạn đ phân tích ứng xử dầm màng m ng thổi phồng iện chưa có nghiên cứu đầu tư theo hướng thực nghiệm Vậy nên đề tài Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng mỏng thổi phồng có ý nghĩa khoa