Đây là tài liệu mình nghiên cứu được trong quá trình học thép 2. Về cơ bản thì mình dịch từ tài liệu nước ngoài, tài liệu tiếng việt viết về chủ đề hệ kết cấu tensegrity (kết cấu hệ chịu lực từ nguyên tắc THANH CHỊU NÉN và DÂY MẢNH CHỊU KÉO). Trong bài mình có trình bày các hình ảnh công trình thực tế minh họa cũng như một vài công thức đơn giản trong tính toán.
ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG Tensigritic structures KẾT CẤU THÉP GVGD: LÊ VĂN THÔNG SVTH: PHẠM MINH HÙNG MSSV: 15520800141 LỚP: XD15/A4 TP.HCM, ngày 19 tháng 10 năm 2018 Mục lục Giới thiệu cấu trúc Tensigrity Khái niệm Các nguyên tắc kéo căng quy tắc Maxwell Đặc điểm cấu trúc Tensegrity Tính ổn định cấu trúc Tensegrity Các ứng dụng cấu trúc Tensegrity 6.1 Cấu trúc mái 6.2 Cấu trúc cầu 6.3 Kết cấu thông minh 6.4 Một số kết cấu khác Lợi ích cấu trúc Tensegrity 7.1 Ổn định cấu trúc thông qua lực căng 7.2 Dễ dàng điều chỉnh 7.3 Có thể triển khai 7.4 Cấu trúc hiệu 7.5 Thực nhiều Các tính tốn đơn giản cấu trúc Tensegrity 8.1 Các phương trình (3 chống) 8.2 Hệ có nhiều chống SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 Giới thiệu cấu trúc Tensigritic Kỹ sư tiếng người Mỹ, R Buckminster Füller chịu trách nhiệm soạn thảo cấu trúc Tensegrity 'và để thực công việc ban đầu quan trọng chủ đề Ông nhận thấy lực kéo lực nén ln ln tồn thiên nhiên Ơng sử dụng khái niệm phần tử chịu lực kéo nhẹ nhiều so với phần tử chịu lực nén Khái niệm sử dụng đầy đủ thể người có xương nặng gân sành Da vơ hình nước ví dụ thành phần kéo dài hiệu suất kết cấu cao Bất kỳ hệ thống cấu trúc cần liên tục phần tử phép lực qua tới móng Trong nhiều cấu trúc, tính liên tục thường đạt thông qua loạt phần tử nén kết hợp với phần tử kéo cô lập Füller ủng hộ điều khả thi, hệ thống kết cấu nhẹ xây dựng Theo Füller, hệ thống Tensegrity định nghĩa hệ thống thiết lập tập hợp thành phần nén không liên tục tương tác với tập hợp độ bền liên tục thành phần để tạo thể tích ổn định không gian[́8] Khái niệm: Cấu trúc Tensegrity dựa kết hợp vài mẫu thiết kế đơn giản: • • • Các phần tử chịu nén túy kéo tinh khiết, có nghĩa cấu trúc ổn định cáp bị phá hoại Gia tải căng ứng suất trước , cho phép dây cáp ổn định lực kéo căng Độ ổn định học, cho phép phần tử cấu trúc trì sức căng / nén lực kéo cấu trúc tăng lên Ở mơ hình này, khơng có thành phần cấu trúc chịu tác dụng uốn Điều tạo cấu trúc cứng đặc biệt cho tổng thể cho mặt cắt ngang phận Một cơg trình xây dựng dựa khái niệm tensegrity nhìn thấy Skylon 1951 Sáu dây cáp , ba dây đầu, giữ tháp vị trí ổn định Ba cáp kết nối với đáy "xác định" vị trí Ba cáp ccịn lại có nhiệm vụ đơn giản giữ thẳng đứng SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 Các Skylon Festival of Britain , 1951 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 (Cấu trúc tensegrity đơn giản Mỗi phần tử chịu nén (màu xanh cây) đối xứng với hai thành viên khác, đối xứng từ đầu đến cuối Mỗi đầu kết nối với ba dây cáp (màu đỏ) cung cấp nén xác định xác vị trí đầu cuối theo cách ba dây cáp trongSkylonxác định đầu trụ giảm dần nó.) Một cấu trúc tương tự với phần tử chịu nén Một cấu trúc ba tensegrity xây dựng cấu trúc đơn giản này: đầu màu xanh trông giống đỉnh đáy Skylon Miễn góc hai cáp nhỏ 180 °, vị trí xác định rõ Các biến thể Tháp Kim liên quan đến ba cáp họp cuối thanh, chúng coi ba cáp xác định vị trí đầu với cáp bổ sung gắn liền với điểm xác định rõ khơng gian Eleanor Hartley tính minh bạch trực quan chất lượng thẩm mỹ quan trọng cấu trúc Korkmaz et al đưa khái niệm độ căng phù hợp với kiến trúc thích ứng nhờ vào đặc tính nhẹ Các nguyên tắc kéo căng quy tắc Maxwell Một điểm thú vị hệ thống ngoằn ngoèo ba gân chống gặp tạo thành ghim đơn giản khớp đầu chống Nhưng khuôn khổ thiết kế với khớp nối ghim, theo quy tắc Maxwell, phải có tối thiểu 3J-6 phần tử, J số lượng khớp Nhưng trường hợp có chống ba dây chằng gặp đầu cuối Một hình mẫu zigzag có 2J thành viên Theo quy tắc Maxwell, số 90 hình nên có 534 phần tử Nhưng có 360 thành viên kiểm tra thực nghiệm khung cứng SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 Hệ thống cấu trúc Tensegritic Hệ thống mơ hình zigzag Do đó, khung hình cấu thành ngoại lệ nghịch lý le Maxwell Nhưng Maxwell thực tế dự đoán ngoại lệ quy tắc ông ơng 'Trong trường hợp độ cứng sản xuất với số lượng nhỏ vạch (thanh) , số điều kiện định phải đáp ứng, hiển thị trường hợp giá trị lớn tối thiểu SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 nhiều dịng (thanh) Độ cứng khung trật tự thấp hơn, lực cản nhỏ tạo chuyển vị lớn.’ Maxwell có ý định đề cập đến giá trị tối đa tối thiểu nhiều Cấu trúc Tensegrity Füller có lực căng số phần tử chúng khơng cịn cứng giảm bớt lực căng Có giới hạn chiều dài bên lưới hình thành phần tử bên ngồi, giới hạn mà khung thực tế trở nên cứng Đây có lẽ loại tối đa mà Maxwell nghĩ đến Do đó, sáng chế Füller tương ứng với trường hợp đặc biệt dự đoán Maxwell Đặc điểm cấu trúc Tensegrity Như đề cập, cấu trúc tensegritic tương tự bong bóng Trong cấu trúc này, chống nằm bên hệ thống dây giằng bên ngồi Các chống đẩy phía ngồi giống khơng khí áp lực bên bóng bị hạn chế gân tương đương với độ bền kéo bóng Một đặc tính khác thường thấy cấu trúc bóng bay chúng bị căng Mặc dù cấu trúc có cấu trúc Tensegritic cần hỗ trợ trọng lượng hệ thống, tăng khả chịu ứng suất để tăng khả chịu tải cơng trình Nếu cấu trúc dự ứng trước ổn định ứng suất trước, hình dạng cấu trúc xác định trước Hầu hết cấu trúc tensegrity, bóng bay nhạy cảm với rung động Tuy nhiên, hiệu ứng rung cải thiện cách bổ sung thêm gân Toàn hệ thống bị biến dạng tải để trở hình dạng ban đầu tải loại bỏ Tính phân biệt cấu trúc tensegrity từ mạng cáp dự ứng lực thông thường chúng đứng tự không yêu cầu neo bên ngồi dầm trịn liên tục Tính ổn định cấu trúc Tensegrity Để hoàn thành điều kiện cân nút, phải kết nối đến ba dây cáp khơng nằm mặt phẳng Các cấu trúc dự ứng lực đưa hình bên ổn định chúng có đặc điểm chung với cấu trúc khí nén dây cáp hoạt động bề mặt chuyển áp suất bên SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 Các ứng dụng cấu trúc Tensegrity 6.1 Cấu trúc mái Một ví dụ quan trọng Tensegrity sử dụng cấu trúc mái La Plata (Argentina), dựa khái niệm đoạt giải phát triển kiến trúc sư Roberto Ferreira Thiết kế thích ứng với khái niệm mái nhà Telstar Tensegrity cấp sáng chế với đường viền đỉnh kép cấu hình kế hoạch, đó, giống cấu trúc mái vịm cáp cấu trúc mái thông thường Các nghiên cứu cho việc thiết kế lưới Tensegrity thực Snelson, ứng dụng bị hạn chế Trong vài năm qua, trọng tâm phát triển SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 lưới Tensegrity hai lớp hệ thống Tensegrity gập lại Loại lưới có khả khả thi lĩnh vực tường, mái nhà cấu trúc bao phủ Cấu trúc cầu Thiết kế hệ thống lưới kép dẫn đến quan tâm đến việc áp dụng Tensegrity để xây dựng cầu Một thành tựu gần vấn đề cầu Kurilpa Brisbane, Australia Đây cầu tensegrity lớn giới, khai trương vào ngày tháng 10 năm 2009 6.2 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 Cấu trúc dây văng dựa nguyên tắc Tensegrity tạo sức mạnh tổng hợp căng thẳng cân thành phần nén để tạo cấu trúc ánh sáng mạnh mẽ Cây cầu dài 470m với nhịp 120m có hai tảng ngắm cảnh thư giãn lớn, hai khu vực nghỉ ngơi, mái che liên tục thời tiết cho toàn chiều dài cầu Một tán hỗ trợ cấu trúc tensegrity thứ cấp Người ta ước tính có 550 thép kết cấu bao gồm 6,8 km cáp xoắn ốc kết hợp vào cầu 6.3 Kết cấu thông minh Cấu trúc cơng trình dân dụng chủ yếu tĩnh Một chức đầy thách thức cấu trúc Xây dựng Dân dụng thích nghi tích cực để thay đổi nhu cầu, chẳng hạn biến thể tải, biến đổi nhiệt độ, giải hỗ trợ thiệt hại xảy Khái niệm cấu trúc hoạt động liên quan đến cấu trúc bao gồm phần tử cấu trúc tĩnh hoạt động Các cấu trúc thích ứng định nghĩa cấu trúc có hiệu suất điều khiển hệ thống gồm cảm biến, truyền động máy tính cung cấp khả tìm hiểu cải thiện phản ứng với môi trường thay đổi Hệ thống cấu trúc Tensegrity có tiềm thích ứng với thay đổi mơi trường, chúng trang bị hệ thống điều khiển hoạt động NASA Tensegrity Robot NASA Đây nguyên mẫu hệ thống mà cuối hạ cánh hành tinh khác mà khơng có túi khí, sau di SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 chuyển xung quanh khám phá Tất chuyển động đến từ việc thay đổi độ dài cáp, cấu trúc tensegrity cho tuân thủ cấu trúc để hấp thụ lực tác động hạ cánh 6.4 Một số kết cấu sử dụng nguyên tắc Tensegrity Một cấu trúc dày đặc cao 12m trưng bày Thành phố Khoa học , Kolkata 10 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 Tác phẩm điêu khắc kim tháp Kenneth Snelson Lợi ích cấu trúc Tensegrity Tensegrity hệ thống cấu trúc cung cấp nhiều lợi hệ thống kết cấu thông thường Các lợi ích cung cấp xây dựng sau: o Ổn định cấu trúc thông qua căng o Dễ dàng điều chỉnh o Có thể triển khai o Cấu trúc hiệu o Mơ hình đáng tin cậy o Thực nhiều chức 7.1 Ổn định cấu trúc thông qua lực căng Một phần tử chịu kéo có độ cứng nạp, khơng giống phần tử nén Độ cứng bị theo hai cách phần tử nén: Các lực tác động xác qua trung tâm khối lượng, trường hợp khơng có momen uốn phần tử Có gia tăng đường kính mặt cắt ngang trung tâm vật liệu lan truyền trình tải Trong trường hợp phần tử chịu kéo, có giảm tiết diện tải Thanh trở nên mềm chuyển động uốn, có mặt momen uốn Ở dịng ứng dụng lực cách xa khối tâm Hầu hết vật liệu có độ bền kéo phần tử dọc lớn sức mạnh (cát, khối xây bê tông không gia cố ngoại lệ 11 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 quy tắc này) Do đó, đạt tỷ lệ độ cứng khối lượng lớn cách tăng cường sử dụng thành phần kéo căng 7.2 Dễ dàng điều chỉnh Cấu trúc Tensegrity triển khai Kỹ thuật thực điều chỉnh nhỏ để tinh chỉnh cấu trúc nạp nói cách khác điều chỉnh cấu trúc bị hỏng Các cấu trúc thiết kế phép điều chỉnh tính quan trọng cấu trúc khí hệ tiếp theo, bao gồm cấu trúc Xây dựng Dân dụng 7.3 Có thể triển khai Tính cấu trúc Tensegrity cung cấp lợi hoạt động tính di động Một cầu di động tháp truyền tải điện chế tạo cấu trúc Tensegrity sản xuất nhà máy, lưu trữ xe tải trực thăng khối lượng nhỏ, vận chuyển đến công trường xây dựng triển khai tời Điều tiết kiệm chi phí vận chuyển cách giảm khối lượng cần thiết, cách loại bỏ yêu cầu lao động để lắp đặt 7.4 Cấu trúc hiệu Hiệu cấu trúc tăng lên với thiết kế khối lượng tối thiểu cho tập hợp đặc tính độ cứng cho Sự xếp phần tử theo chiều dọc mơ hình bất thường cho việc đạt sức mạnh tối đa với cấu trúc tensegrity làm bật khối lượng nhỏ 7.5 Thực nhiều chức Cấu trúc Tensegrity thực nhiều chức thành phần mang tải cấu trúc, cảm biến (đo độ căng chiều dài), thiết bị truyền động (như dây niken-titan), chất cách nhiệt dây dẫn điện Một lựa chọn đắn vật liệu hình học lượng điện, nhiệt học vật liệu cấu trúc kiểm sốt Các tính toán đơn giản cấu trúc Tensegrity 8.1 Các phương trình (3 chống) Mối quan hệ tốn học chống chuỗi căng thẳng đơn giản thể Một vài định nghĩa trước bắt đầu tính tốn 12 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 s = chiều dài chống a = chiều dài phần tử cuối tensegrity Ba chuỗi tensegrity đơn giản tạo thành tam giác b = chiều dài chuỗi đầu tensegrity Đây tạo thành tam giác c = chiều dài chuỗi nối đầu chống với đáy chống khác Một hình ảnh sơ đồ tensegrity hiển thị Độ dài chuỗi vị trí tam giác cố định (xem hình tam giác màu đỏ) Độ dài chống chuỗi b chọn Biến thể góc tam giác màu xanh lam hình tam giác màu đỏ, minh họa cách hiển thị chuỗi b năm vị trí khác Các chuỗi c khơng hiển thị hình ảnh này, xác chiều dài chuỗi c phải tìm thấy với tốn học Thực có vị trí cho tam giác màu xanh hình thành chuỗi b, câu hỏi đặt là: góc tam giác màu xanh tam giác màu đỏ bao nhiêu? Hoặc chi tiết hơn: vị trí tam giác màu xanh dẫn đến khoảng cách ngắn điểm góc tam giác màu đỏ tam giác màu xanh? Bởi chuỗi c kết nối hai điểm góc cách mà c căng hai điểm khoảng cách ngắn Một năm vị trí b hình thể vẽ vài dòng phụ giúp hiểu phương trình bên Các phương trình bao gồm tham số z, với chiều cao độ căng thẳng (và không hiển thị hình) Áp dụng định lý Pythagoras người ta tìm rằng: 13 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 s = ( a + x) + y + z (1) c2 = x2 + y + z (2) (1) (2) cung cấp: c2 = s2 − a2 − a x (3) Độ căng thẳng ổn định c ngắn tốt Từ phương trình (3) người ta thấy x lớn dẫn đến nhỏ c Vì vậy, x max cho ngắn với c thực tế Hình ảnh cho thấy x lớn (cho a, b s) cụ thể mà không cần tính tốn thêm Đối với tất người nhìn vào tranh này, rõ ràng khơng thể tìm thấy x lớn hơn, muốn xem "bằng chứng tốn học", người ta đọc trang 44 45 Hướng dẫn thực hành thiết kế Tensegrity Bob Burkhardt xmax mơ tả là: xmax = rb − 0.5a (4) đó: rb bán kính hình trịn chứa tam giác b (xem đường chấm ngang) Đối với tam giác đều, tỷ số rb : b là: rb = b / sin(60) (5) Phương trình (3), (4) (5) cho: s − c = a b / sin(60) (6) Phương trình (6) cho biết mối quan hệ cuối bốn độ dài a, b, c s Hệ có nhiều chống Hình ảnh cho thấy vẽ sơ đồ tensegrity với năm chống Mỗi strut s gân b vẽ ba vị trí khác Hình ảnh minh họa câu hỏi sau: Vị trí chống đỡ làm giảm khoảng cách c chống kết thúc với miminum nào? Các ký hiệu phương trình có ý nghĩa sau: s = chiều dài chống 8.2 14 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 a = chiều dài dây cáp cuối tensegrity Năm dây chằng có kích thước để tạo thành hình ngũ giác b = chiều dài dây chằng phía tensegrity Họ tạo thành ngũ giác c = chiều dài gân nối đầu chống với đầu chống Những dây chằng không hiển thị hình ảnh n = số lượng chống Hình ảnh cho thấy ba vị trí từ hình Người ta sử dụng phương trình: c2 = s2 − a2 − a x (3) Phương trình ngụ ý điều sau đây: Khoảng cách x lớn c nhỏ Tối ưu x (dẫn đến c mong muốn) định nghĩa là: xmax = rb − a (4) Cho đến khơng có khác biệt với độ căng mô tả tài liệu cũ Sự khác biệt chiều dài rb vịng trịn hình ngũ giác nội tiếp Cạnh ngũ giác b Mối quan hệ bán kính rb cạnh b đa giác là: rb = b / sin(180 / n) (7) Phương trình (3), (4) (7) dẫn đến: 15 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 (s − c ) sin(180 / n) = a b (8) Phương trình (8) cho biết mối quan hệ bốn độ dài a, b, c , s số cạnh n (= số lượng chống) Nhưng đầu cuối chống kết nối với đầu chống liền kề Nó kết nối với đầu chống (thanh chống "thứ hai") Điều thể hình thứ ba Trong hình, chống có vị trí tối ưu, với chiều dài cực đại x Chiều dài x xác định bởi: s = ( k + x) + y + z (9) c2 = x2 + y + z (10) ➔ c2 = s2 − k − k x (11) Vì vậy, trường hợp c dài dẫn đến c ngắn xmax = rb − k (12) Độ dài k phương trình (11) (12) xác định bởi: k = sin(180.2 / n) (13) Bán kính định nghĩa theo cách r b : = a / sin(180 / n) (14) Phương trình (11), (12), (13) (14) cho: (s − c ) sin (180 / n) = a b sin(180 / n) (15) Ở đây, số sin (180 * / n) đưa thực tế c kết nối đầu cuối chống với đầu chống liên tiếp thứ hai Hãy tưởng tượng v số xê-ri xác định chắn kết nối gân c (ví dụ v = có nghĩa đầu cuối chống kết nối với đầu cuối phía sau strut V = có nghĩa đầu cuối chống kết nối với đầu cuối chống thứ hai, vv) Phương trình chung sau: 16 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 (s −c2 ) sin (180 / n) = a.b.sin(180.V/ n) (16) 17 SV: PHẠM MINH HÙNG MSSV:15520800141 ... chiều dài cầu Một tán hỗ trợ cấu trúc tensegrity thứ cấp Người ta ước tính có 550 thép kết cấu bao gồm 6,8 km cáp xoắn ốc kết hợp vào cầu 6.3 Kết cấu thông minh Cấu trúc cơng trình dân dụng chủ... niệm: Cấu trúc Tensegrity dựa kết hợp vài mẫu thiết kế đơn giản: • • • Các phần tử chịu nén túy kéo tinh khiết, có nghĩa cấu trúc ổn định cáp bị phá hoại Gia tải căng ứng suất trước , cho phép dây. .. Cấu trúc cầu 6.3 Kết cấu thông minh 6.4 Một số kết cấu khác Lợi ích cấu trúc Tensegrity 7.1 Ổn định cấu trúc thông qua lực căng 7.2 Dễ dàng điều chỉnh 7.3 Có thể triển khai 7.4 Cấu trúc hiệu 7.5