Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của kết cấu chịu uốn siêu nhẹ tensairity

TRƯỜNG ĐẠI HỌ LÊ VĂN QU NG NG IÊN ỨU T Ự NG IỆM SỰ LÀM VIỆ Ủ ẾT ẤU ỊU UỐN SIÊU N Ẹ TENS IRITY 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 cơng trình khác Người cam đoan Lê Văn Quang MỤ LỤ TRANG BÌA LỜ AM OA MỤ LỤ TRA TĨM TẮT LUẬ VĂ DANH MỤ Á Ì MỞ ẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu ối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn .3 ƯƠ TỔ QUA VỀ ẤU K Ệ ỊU UỐ 1.1 ấu kıện chịu uốn cổ đıển .4 1.1.1 Dầm thép 1.1.2 Dầm bê tông cốt thép .5 1.1.3 Dầm gỗ 1.1.4 Dầm đàn hồi .7 1.1.5 Kết cấu dàn chịu lực 1.2 Một số kết cấu chịu uốn 1.2.1 Dầm thổi phồng 1.2.2 Kết cấu Tensegrity .11 1.2.3 Kết cấu Tensairity 12 1.3 KẾT LUẬ ƯƠ .13 ƯƠ TÍ TOÁ KẾT ẤU TE SA R TY 14 2.1 Thiết lập phương trình cho toán thổi phồng ống màng mỏng trực giao .15 2.1.1 ặt vấn đề 15 2.1.2 Sự vận động 16 2.1.3 Sự biến đổi - Biến dạng .16 2.1.4 Ứng suất .17 2.1.5 Phương trình cân 20 2.1.6 ệ phương trình phi tuyến xác định kích thước ống màng mỏng thổi phồng .20 2.2 Thiết lập phương trình cho toán dầm Tensairity chịu uốn 22 2.2.1 ệ phương trình cân 22 2.2.2 Lực căng dây cáp 29 2.3 Kết luận .30 ƯƠ Ê ỨU T Ự ỆM Ứ XỬ ỦA KẾT ẤU M MỎ T Ổ P Ồ 31 3.1 Vật liệu sử dụng 31 3.1.1 Ống màng mỏng thổi phồng 31 3.1.2 Thanh thép chịu nén .33 3.1.3 Dây cáp chịu kéo 33 3.2 ác dụng cụ đo 33 3.2.1 Bơm khí đo áp suất ống 33 3.2.2 o biến dạng ống 34 3.2.3 o chuyển vị 35 3.2.4 o đặc trưng hình học nén 36 3.2.5 Thiết bị an toàn 36 3.2.6 Thiết bị bảo hộ .37 3.3 o mô đun đàn hồi thép hộp chịu nén 37 3.3.1 sở lý thuyết .37 3.3.2 Mơ hình thí nghiệm 38 3.4 ghiên cứu biến dạng dầm thổi phồng 40 3.4.1 Lắp đặt thiết bị đo 40 3.4.2 Kết 41 3.5 ghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm Tensairity 42 3.5.1 Mơ hình thí nghiệm 42 3.5.2 Kết thí nghiệm .45 3.5.3 Bàn luận .47 3.6 Kết luận .50 KẾT LUẬ V K Ế Ị .51 T L ỆU T AM K ẢO .52 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 SỰ LÀM VIỆ Ủ UỐN SIÊU N Ẹ TENS IRITY ẾT ẤU ỊU ọc viên: Lê Văn Quang hun ngành: Kỹ thuật cơng trình xây dựng Mã số: 60.58.02.08 - Khóa: K34 - Q Trường ại học Bách khoa – Tóm tắt – ấu kiện chịu uốn Tensairity kết cấu liên hợp, tạo thành từ chịu nén, dây cáp chịu kéo dầm màng mỏng thổi phồng Mỗi thành phần phát huy tối đa khả làm việc, tạo nên khả chịu uốn tổng thể cho dầm ác nghiên cứu lý thuyết thực trước Luận văn tập trung nghiên cứu thực nghiệm để phân tích ứng xử thực tế dầm so sánh với lý thuyết xây dựng ác kết thực nghiệm thu phản ánh với ứng xử đề cập trước Từ khóa – dầm Tensairity, nghiên cứu thực nghiệm, vải kỹ thuật, biến dạng lớn EXPERIMENTTAL ANALYSIS ON THE BEHAVIOR OF TENSAIRITY BEAM Abstract - Tensairity bending structure is a composite structure, made up of a compression bar, a tension cable and a thin beam inflated Each component is to maximize the ability to work to make up the overall bending resistance for beams The theoretical research has been done before The thesis only focuses on experimental research to analyze the actual behavior of beams and compare with the built theory The experimental results obtained reflect quite right to behave mentioned previously Key words - free vibration, inflatable beam, orthotropic material, change of material properties, material orientation, finite deformation D N MỤ CÁC HÌNH Hình 1-1: Kết cấu Tensairity Hình 1-1: Một số dầm thép sử dụng .4 Hình 1-2: Một số dầm bê tông cốt thép sử dụng Hình 1-3: Một số dầm gỗ sử dụng Hình 1-4: Dầm đàn hồi Hình 1-5: Dàn thép Hình 1-6: Dầm thổi phồng .8 Hình 1-7: Kết cấu thổi phồng sử dụng tạm thời .9 Hình 1-8: Một số cơng trình thổi phồng ứng dụng đời sống 10 Hình 1-10: hững sân vận động với mái vòm sử dụng kết cấu thổi phồng 10 Hình 1-12: Một số cơng trình ứng dụng Tensegrity 12 Hình 1-13: Một số cơng trình ứng dụng Tensairity .13 Hình 2-1: Kích thước hình học ban đầu ống 15 Hình 2-2: Sơ đồ làm việc dầm Tensairity .22 Hình 2-3: Biến dạng ống thổi phồng bị dây cáp ép mặt 30 Hình 3-1 Ống màng mỏng sử dụng .32 Hình 3-2 Thép hộp 33 Hình 3-3 Thiết bị bơm khí 34 Hình 3-4 Thiết bị đo áp suất 34 Hình 3-5 Strain gauge PL-60-11 35 Hình 3-6 Thiết bị thu tín hiệu xuất kết 35 Hình 3-7 ndicator dùng để đo chuyển vị .36 Hình 3-8 Thước đo điện tử D TAL AL PER 150mm/6" 36 Hình 3-9 Van an toàn 37 Hình 3-10 huyển vị dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố 37 Hình 3-11 o kích thước hình học thép hộp 38 Hình 3-12 Thí nghiệm đo chuyển vị dầm đơn giản thép hộp 38 Hình 3-13 So sánh độ võng dầm thép hộp 39 Hình 3-14 Thí nghiệm đo biến dạng ống thổi phồng 40 Hình 3-15 Sơ đồ bố trí cảm biến đo biến dang 41 Hình 3-16 o cắt thép hộp .42 Hình 3-17 ịnh vị hàn ren .43 Hình 3-18 Neo cáp 43 Hình 3-19 Mơ hình dầm Tensairity 44 Hình 3-20 ia tải đo chuyển vị 45 Hình 3-21 huyển vị dầm Thực nghiệm vs Lý thuyết – eo trước 46 Hình 3-22 huyển vị dầm Thực nghiệm vs Lý thuyết – Neo sau 46 Hình 3-23 huyển vị dầm eo trước vs eo sau (kết thực nghiệm) 47 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết iện nay, phần lớn cơng trình xây dựng giới làm từ vật liệu gạch, đá, bê tông đặc biệt bê tông cốt thép thép Ưu điểm chung loại vật liệu khả chịu lực lớn, tuổi thọ cơng trình cao Tuy nhiên, nhược điểm trọng lượng thân lớn, việc xây dựng tháo dỡ không dùng đến tốn nhiều chi phí Vì vậy, để hạn chế nhược điểm vật liệu composite đời Một vật liệu composite sử dụng phổ biến vật liệu vải kĩ thuật ác 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 ác 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 goài ra, nhược điểm cố hữu loại kết cấu thổi phồng khả chịu lực bé hằm 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 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 iện giới, có nhiều cơng trình thực theo dạng này, điển hình kể đến cầu Pont de Val- enis Pháp nhiều kết cấu khác (xem ình 1) a) Pont de Val-Cenis (Pháp) b) Garage ô-tô (Thụy Sĩ) Hình 1-1: Kết cấu Tensairity Với tầm quan trọng vậy, đến nay, chưa có nhiều kết nghiên cứu đưa ra, khơng có nhiều báo khoa học đề cập đến việc nghiên cứu ứng xử loại kết cấu hững nghiên cứu kết cấu Tensairity thực nhóm nghiên cứu kết cấu siêu nhẹ Luchsinger – Thụy Sĩ hóm nghiên cứu nghiên cứu, phối hợp khả làm việc kim loại chịu nén, hệ dây cáp chịu kéo dầm thổi phồng làm nhiệm vụ chống uốn dọc cho kim loại Kết thu khả quan, với trọng lượng kết cấu chưa đến 60 k vượt nhịp 5m chịu tải trọng lên đến 3T Với phương pháp phối hợp này, nhóm tận dụng tối đa hiệu làm việc thành phần chịu lực Với nhiều tính ưu việt, kết cấu hứa hẹn sử dụng nhiều tương lai Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng cho loại kết cấu Do đó, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm làm việc kết cấu chịu uốn siêu nhẹ Tensairity” cần thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đặt nghiên cứu ứng xử dầm cấu tạo theo nguyên lý kết cấu Tensairity Qua đề xuất khả ứng dụng loại dầm vào thực tiễn xây dựng Đối tượng phạm vi nghiên cứu ối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài bước đầu giới hạn cấu kiện chịu lực dầm ác dầm ứng xử giống dầm “cổ điển” cấu tạo từ vật liệu quen thuộc gỗ, thép hay bê tông cốt thép Tuy nhiên, điều khác biệt dầm màng mỏng phải thổi phồng áp suất định trước tham gia hỗ trợ khả chịu uốn dọc cho nén Khả chịu lực dầm đảm bảo chịu nén kim loại hệ dây cáp Về nguyên tắc, dầm Tensairity có cấu tạo giống dầm, làm việc giống kết cấu dàn Phương pháp nghiên cứu - ghiên cứu lý thuyết tính tốn để xây dựng mơ hình theo phương pháp phần tử hữu hạn - So sánh với kết để hợp thức hóa mơ hình tính tốn lý thuyết Bố cục luận văn MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu ối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG ÍN hương 1: TỔNG QU N VỀ ẤU IỆN ỊU UỐN 1.1 Kết cấu chịu uốn cổ điển 1.2 Một số kết cấu chịu uốn 1.3 Kết luận chương hương 2: LÝ T UYẾT TÍN DẦM TENS IRITY 2.1 Trường hợp dây cáp được liên kết vào hai đầu nén chạy dọc theo trục ống 2.2 Trường hợp dây cáp bố trí xoắn ốc quanh trục ống 2.3 Kết luận chương hương 3: NG IÊN ỨU T Ự NG IỆM ỨNG XỬ Ủ DẦM TENSAIRITY 3.1.Vật liệu thí nghiệm 3.2 Mơ hình thí nghiệm 3.3 Kết thí nghiệm 3.4 Kết luận chương ẾT LUẬN VÀ Kết luận Kiến nghị IẾN NG Ị 48 goài ra, theo nghiên cứu guyễn cộng (2013), bị thổi phồng, dầm có bán kính lớn có biến thiên bán kính lớn so với dầm lại iều thể bảng 3.3 Do đó, trường hợp neo trước chênh lệch lực căng cáp lớn Sự chênh lớn áp suất lớn  Ảnh hưởng phương pháp neo cáp đến khả chịu uốn dầm: Theo kết thu thập được, phương pháp neo cáp (neo trước – neo sau) ảnh hưởng lớn đến khả chịu uốn dầm Một cách sơ bộ, ta nhận thấy khả chịu uốn dầm phụ thuộc lớn vào lực căng dây cáp Theo công thức (2-43), lực căng phụ thuộc vào phương pháp neo cáp - Trong trường hợp neo sau, lực căng cáp thành phần tải trọng ngang tác dụng mà thành - Trong trường hợp neo trước, lực căng cịn đóng góp thêm căng trước q trình thổi phồng Do áp suất thổi phồng lớn, lực căng trước lớn làm chênh lệch độ cứng dầm theo hai phương pháp căng ụ thể, áp suất p = 20kPa, chênh lệch chuyển vị dầm trường hợp R=0.125m 12.8%, chênh lệch tăng lên 94.3% áp suất 50kPa  Hiệu sử dụng dầm: Trong luận văn này, tác giả định nghĩa hiệu sử dụng đô cứng dầm tương ứng với trọng lượng thân định độ cứng dầm tương ứng với giá thành cụ thể Xét dầm Tensairity có bán kính dầm thổi phồng R= 0.125m Tổng trọng lượng thân dầm vào khoảng 8kg, với chiều dài 3.2m, dầm có trọng lượng riêng vào khoảng 2.5kG/m Khi dầm thổi phồng áp suất p =50kPa, dầm chịu tải trọng phân bố q=0.519 k /m, chuyển vị dầm w = 5.82mm ếu so sánh với khả chịu lực thép hộp b h 30 60 mm (đặt nằm đứng, trọng lượng riêng 1.375kG/m) sử dụng nghiên cứu này, ta thấy, với cấp tải, chuyển vị dầm w= 44.2 mm ói cách khác, thêm hệ thống đơn giản bao gồm dây cáp dầm thổi phồng, trọng lượng riêng tăng lên lần làm tăng độ cứng dầm lên lần 49 Làm phép tính đơn giản, thấy, để có độ cứng tương ứng với dầm Tensairity cần phải sử dụng thép hộp b h 50 100 1.5 mm (đặt đứng), trọng lượng riêng 3.44 k /m ó thể nói, sử dụng trọng lượng riêng, điều kiện làm việc dầm Tensairity có khả chịu lực lớn dầm thép hộp tất nhiên lớn hẳn dầm gỗ dầm bê tông cốt thép  Sai số kết lý thuyết thực nghiệm: Trong nghiên cứu này, kết lý thuyết tính hồn tồn cơng thức giải tích ụ thể: - Bán kính ống thổi phồng tính từ hệ phương trình (2-21); - Lực căng dây cáp tính từ phương trình (2-43), phụ thuộc lớn vào biến tiên bán kính ống bị thổi phồng; - huyển vị dầm Tensairity tính theo cơng thức (2-36) Sai số kết thực nghiệm lý thuyết phụ thuộc vào phương pháp neo cáp: - Neo sau: phương pháp này, ta hồn tồn bỏ qua ảnh hưởng sai số lực căng trước cáp đến chuyển vị dầm, sai số vào khoảng 15% (ngoại trừ giá trị 23.61%) chấp nhận ác sai số đến từ sai số tốn thổi phồng ống màng mỏng Theo nghiên cứu luận văn Võ gọc Quang “ ghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng mỏng thổi phồng”, sai số kết thực nghiệm lý thuyết lên đến 30% Tuy nhiên ảnh hưởng khơng lớn, biến thiên bán kính thực tế không nhiều, không ảnh hưởng nhiều đến ứng xử tổng thể kết cấu - eo trước: ngược lại với phương pháp neo sau, phương pháp này, sai số phép đo bán kính thổi phồng ảnh hưởng lớn đến kết thí nghiệm Lực căng trước dây cáp bị ảnh hưởng lớn biến thiên bán kính Khi dùng thơng số bán kính thổi phồng đo từ thực nghiệm để thay cho kết thu từ hệ phương trình (2-21) việc tính chuyển vị dầm, sai số giảm mạnh ụ thể trường hợp R=0.125, p=30kPa, sai số giảm từ 12.68% xuống 4.3% Sai số thay đổi từ 40.72% xuống 22.5% trường hợp p=50 kPa 50 goài ta sai số đến từ việc liên kết hai đầu dầm, từ tương tác không lý tưởng phận kết cấu ể nghiên cứu rõ hơn, cần phát triển đề tài 3.6 Kết luận Dầm Tensairity chế tạo nghiên cứu thực nghiệm ác kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy chuyển vị dầm Tensairity phụ thuộc lớn vào độ cứng thép hộp chịu nén, áp suất thổi phồng, kích thước dầm màng mỏng thổi phồng phương pháp neo cáp Quan hệ đại lượng nghiên cứu áp suất thổi phồng, lực căng dây cáp, kích thước dầm màng mỏng đến chuyển vị dầm Tensairity phù hợp với dự báo lý thuyết phát triển Tuy nhiên tồn sai số lớn lý thuyết thực nghiệm iều giải thích sai sót q trình chế tạo thí nghiệm dầm Tensairity hưng nhìn chung, hiệu sử dụng dầm cao đáng ứng dụng thực tế 51 ẾT LUẬN VÀ IẾN NG Ị  Kết luận: ghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm Tensairity cho thấy: - Ứng xử thực tế dầm phù hợp với xu hướng phát triển theo lý thuyết; - Dầm Tensairity có khả chịu lực cao, trọng lượng thân bé, kết cấu có hiệu sử dụng cao; - Khả chịu lực dầm phụ thuộc lớn vào áp suất thổi phồng, bán kính ống thổi phồng phương pháp neo cáp; - Khả chịu lực dầm tăng áp suất cịn bé, áp suất lớn, khơng ảnh hưởng nhiều đến độ cứng dầm; - Phương pháp neo tạo điều kiện thuận lợi cho thi công, tăng độ cứng dầm nên áp dụng thực tế  Kiến nghị: hận thấy việc neo cáp trước thổi phồng có nhiều điểm thuận lợi: - hỉ neo cáp lần lắp ráp, tiện cho việc sử dụng Khả chịu lực tăng cao, chí độ cứng dầm cịn lớn so với việc sử dụng dầm thổi phồng có bán kính lớn Vậy, q trình thiết kế, ta nên sử dụng phương pháp neo để đơn giản trọng thi công tăng hiệu khai thác kết cấu  Hướng phát triển 450 dầm Theo nghiên cứu guyễn et al 2013, định hướng vật liệu có bán kính thổi phồng lớn nhất, lực căng trước dây cáp lớn nhất, cánh tay đòn ngẫu lực lớn nhất, khả chịu lực dầm lớn Tuy nhiên, strain gauge mua cho thí nghiệm khơng thỏa mãn yêu cầu giới hạn giãn dài, đo biến dạng thực dầm có định 450 Trong nghiên cứu ti`ếp theo, phép đo thực nghiệm hướng tiến hành dầm có định hướng để phân tích ứng xử dầm cho nhận định xác tổng quát ứng xử loại dầm 52 TÀI LIỆU T M Ả [1] Light weight Structures with Tensairity R H Luchsinger*, A Pedretti, P Steingruber, M Pedretti [2] Nguyen.Q.T, ThomasJ , 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 [3] 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 [4] 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 [5] Lê Khánh Toàn, guyễn Quang Tùng " ộ võng cấu kiện chịu uốn dạng Tensairity", Tạp chí Xây dựng, vol 06/2017, no ISSN 0886-0762, pp 139-144, 2017 [6] guyễn Dương Thành, " ghiên cứu tính toán cấu kiện chịu uốn siêu nhẹ Tensairity", Luận văn thạc sĩ kỹ thuật,2017 [7] Võ gọc Quang, " ghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm màng mỏng thổi phồng", Luận văn thạc sĩ kỹ thuật,2018 ... đến việc nghiên cứu ứng xử loại kết cấu hững nghiên cứu kết cấu Tensairity thực nhóm nghiên cứu kết cấu siêu nhẹ Luchsinger – Thụy Sĩ hóm nghiên cứu nghiên cứu, phối hợp khả làm việc kim loại chịu. .. nghiệm làm việc kết cấu chịu uốn siêu nhẹ Tensairity? ?? cần thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đặt nghiên cứu ứng xử dầm cấu tạo theo nguyên lý kết cấu Tensairity. .. thống khác - Khả chịu lực kết cấu thông thường, có độ võng cao 1.2.2 Kết cấu Tensegrity Kết cấu chịu uốn cấu tạo từ hai phần thép chịu nén dây cáp chịu kéo Kết cấu chịu uốn theo nguyên lý Tensegrity