Ảnh hưởng của số bước phân tích tựa tĩnh

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

2.3. Ví dụ phân tích và thảo luận

2.3.3. Ảnh hưởng của số bước phân tích tựa tĩnh

Tính hiệu quả của mơ hình đề xuất phụ thuộc vào số bước phân tích tựa tĩnh như đã trình bày ở mục 2.2. Vì vậy, mục này khảo sát sự ảnh hưởng của số bước phân tích tựa tĩnh đến kết quả phân tích. Hình 2.4 thể hiện quan hệ giữa lực trượt và khoảng trượt của phần tử nút-nút tại vị trí III khi các bước phân tích tựa tĩnh được chọn lần lượt là 100, 200 và 400 bước. Nhận thấy rằng khi số bước phân tích tựa tĩnh tăng các kết quả dần hội tụ. Tuy nhiên số bước phân tích tăng đồng nghĩa với thời gian tính tốn tăng. Hình 2.4 cho thấy rằng khơng có sự khác nhau nhiều trong kết quả phân tích giữa việc lựa chọn 200 và 400 bước phân tích. Vì vậy trong các khảo sát tiếp theo 200 bước phân tích được lựa chọn.

950 X 50 950 1000 Z 50 10 00 X Y X 1000 H V ị tr í v ịm th ép Ngàm Gối di động (X) DaihocDaNang

a. PD10a b. PD20b

Hình 2.4 Quan hệ giữa lực trượt-khoảng trượt ở phần tử nút- nút tại vị trí III

a. PD10a b. PD20b

Hình 2.5 Kết quả phân tích với mẫu PD10a 2.3.4. So sánh kết quả của mơ hình Peric và mơ hình đề xuất

Hình 2.5 thể hiện kết quả trượt theo phương x và phương y tại các vị trí I, II, III, IV và V với các mẫu PD10a của cả mơ hình Peric và mơ hình đề xuất. Nhận thấy rằng khơng có sự khác biệt giữa kết quả phân tích của mơ hình đề xuất với mơ hình Peric. Đồng thời, kết quả phân tích ở cả hai mơ hình đều cho khuynh hướng trùng khớp với kết quả thí nghiệm. Điều này cho thấy tính chính xác của mơ hình đề xuất.

Hơn thế nữa, tính hiệu quả của mơ hình đề xuất được thể hiện: số vịng lặp của mơ hình đề xuất là 689 vòng gần tương đương 636 vịng của mơ hình Peric với mẫu PD10a,

fs ( N ) fs ( N ) uy ( m m ) uy ( m m ) DaihocDaNang

14 mẫu có chiều cao vịm là 200mm. Tuy nhiên, khi chiều cao vòm là 400mm, đồng nghĩa với dạng hình học của kết cấu phức tạp hơn thì số vịng lặp tính tốn của mơ hình đề xuất là 842 vòng so với 1389 vịng của mơ hình Peric.

2.4 Kết luận chương

- Mơ hình biến chuyển dính-trượt giả định cho phép người sử dụng kết hợp phân tích phi tuyến tính tiếp xúc vào phân tích phi tuyến tính hình học với mơ hình vật liệu phi tuyến. Độ chính xác của mơ hình đề xuất được khẳng định thơng qua sự so sánh với kết quả thí nghiệm và kết quả của mơ hình Peric. Đồng thời tính hiệu quả của mơ hình đề xuất cũng được xác nhận thơng qua việc rút ngắn thời gian và số vịng lặp tính tốn.

- Mơ hình đề xuất được thực thi bởi chương trình phân tích MEM_B2019_DN0269. Trong phiên bản của dự án này, mơ hình đề xuất chỉ được áp dụng cho phần tử tiếp xúc nút-nút. Việc mở rộng sự áp dụng của mơ hình đề xuất cho các phần tử nút-mặt, mặt-mặt cần được triển khai ở các dự án tiếp theo. - Chương tiếp theo sẽ trình bày quy trình đề xuất trong chế tạo kết cấu màng kéo căng. Ảnh hưởng của ma sát đến ứng suất của tấm phim ETFE sẽ được khảo sát thơng qua mơ hình đề xuất và chương trình phân tích MEM_B2019_DN0269 thể hiện ở chương này.

15 CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO KẾT CẤU MÀNG

KÉO CĂNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU ETFE CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT

3. 1 Quy trình xác định hệ số ma sát tĩnh giữa vật liệu ETFE và ống thép ETFE và ống thép

3.1.1. Quy trình xác định hệ số ma sát tĩnh giữa vật liệu màng và ống thép và ống thép

Quy trình xác định hệ số ma sát tĩnh giữa vật liệu màng và ống thép được đề xuất trong dự án này gồm các bước như sau: + Bước 1: Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm bao gồm:

- Mẫu ống thép: chiều dài trong khoảng 200 mm đến 300 mm, được cố định hai đầu

- Mẫu vật liệu màng: có kích thước 20x400 mmxmm (rộng x dài).

- Thiết bị tạo ra các lực cố định và lực gia tải. Các thiết bị này có thể linh hoạt sử dụng như khối nặng tiêu chuẩn, nước, thiết bị đo lường khối lượng thủ công hay điện tử .

- Lưu ý rằng: kích thước mẫu vật liệu màng không ảnh hưởng đến kết quả hệ số ma sát tĩnh. Tuy nhiên, hệ số này sẽ bị giảm khi lực căng trong màng tăng [37]. Vì vậy, khối lượng gia tải và kích thước mẫu vật liệu màng được lựa chọn để đảm bảo xác định đúng hệ số ma sát tĩnh giữa vật liệu màng với ứng suất mong muốn và ống thép.

+ Bước 2: Tăng lực gia tải dần đều. Có thể sử dụng khối lượng gia tải tiêu chuẩn hay nước, và quan sát sự trượt nhau giữa vật liệu màng và ống thép. Khi sự trượt xảy ra, ngưng gia tải, và đo lường khối lượng gia tải bằng các thiết bị đo lường.

+ Bước 3: xác định hệ số ma sát tĩnh theo công thức Euler (công thức (6))

𝑙𝑛 𝑇

𝑇 = 𝜇. 𝜋 (6)

16 Trong đó, 𝑇 là khối lượng cố định, 𝑇 là khối lượng gia tải, 𝜋 là góc ma sát tiếp xúc, và 𝜇 là hệ số ma sát tĩnh

3.1.2. Hệ số ma sát tĩnh giữa ETFE và ống thép mạ kẽm Quy trình đề xuất trong mục 3.1.1 sẽ được áp dụng để Quy trình đề xuất trong mục 3.1.1 sẽ được áp dụng để xác định hệ số ma sát tĩnh giữa vật liệu ETFE và ống thép mạ kẽm. Thí nghiệm này được thực hiện ở phịng thí nghiệm Kết cấu khơng gian, Trường Đại học quốc gia Yokohama, Nhật Bản.

Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm xác định hệ số ma sát tĩnh giữa ETFE và ống thép mạ kẽm

Lần thí nghiệm Lực gia tải (g) Hệ số ma sát tĩnh

1 200 0.350

2 200 0.350

3 230 0.380

Trung bình 0.360

3.2. Quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng 3.2.1. Quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng đề xuất 3.2.1. Quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng đề xuất

a. Bước 1: Phân tích hình dạng với các tỷ lệ ứng suất trước khác nhau theo các phương

b. Bước 2: Phân tích cắt dán với phương pháp biến ngẫu

nhiên ALE

c. Bước 3: Hàn các tấm phẳng bằng các đường hàn nhiệt để

tạo thành các mẫu

d. Bước 4: Kéo vùng biên để tạo ứng suất trước. Hình 3.1 Quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng đề xuất

17 3.2.2. Phân tích hình dạng

Sơ đồ khối của phần tích hình dạng được thể hiện ở Hình 3.2

Hình 3.3 Sơ đồ khối của phân tích hình dạng 3.2.3. Phân tích cắt dán sử dụng cơng thức biến ngẫu nhiên ALE

a. Mơ tả động học

Hình 3.4 Phương pháp ALE cho phân tích cắt dán DaihocDaNang

18 b. Phương trình cân bằng

Phương trình cân bằng của hệ kết cấu có thể được xác định như trong cơng thức (7)

𝛿 Π =1 2 𝛿 𝑬 𝑺 𝐽𝑑 Ω +1 2 𝑬 𝛿 𝑺 𝐽𝑑 Ω +1 2 𝑬 𝑺𝛿 𝐽𝑑 Ω = 0 (7)

Kết quả của bài tốn phân tích cắt dán là nghiệm của phương trình (7). Kết quả này sẽ được cụ thể cho phần tử màng tam giác ở mục kế tiếp.

c. Triển khai số

Mục này sẽ trình bày triển khai số của phương pháp ALE để có được kết quả của phân tích cắt dán. Phần tử tam giác, phần tử được sử dụng trong phân tích hình dạng ở mục 3.2.2 được lựa chọn cho việc triển khai số. Chi tiết tham khảo báo cáo tổng kết

3.2.4. Hàn các tấm phẳng và kéo căng vùng biên

Sau khi có được các tấm phẳng trong phân tích cắt dán trong quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng đề xuất ở mục 3.2.1. Các tấm này được nối lại với nhau trong giai đọan 3 để hình thành các mặt cong không gian ba chiều. Với vật liệu ETFE thì kỹ thuật hàn nhiệt được sử dụng trong giai đoạn này. 3.3. Ảnh hưởng của ma sát khi kéo căng màng

3.3.1. Đơn nguyên tường hình yên ngựa

Đơn nguyên tường hình yên ngựa là đối tượng thường được sử dụng trong nghiên cứu kết cấu màng kéo căng. Đơn nguyên này được sử dụng thực tế trong cơng trình Trung tâm dịch vụ đào tạo cứu hộ ở miền núi, Bad Tölz, Đức. Trong dự án này, nhóm tác giả cũng sử dụng đơn nguyên này là đối

19 tượng nghiên cứu cho quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng đề xuất.

3.3.2. Kết quả phân tích hình dạng và phân tích cắt dán a. Phân tích hình dạng a. Phân tích hình dạng

Kết quả của phân tích hình dạng bằng chương trình MEM_B2019_DN0269 được thể hiện ở Hình 3.5.

a. Nhìn khơng gian b. Mặt cắt dọc Hình 3.5 Kết quả phân tích hình dạng. Đơn vị độ dài: mm

b. Phân tích cắt dán

a. Phần 1 b. Phần 2

Hình 3.6 Kết quả phân tích cắt dán

3.3.3. Ảnh hưởng của ma sát giữa ETFE và vòm thép khi kéo căng vùng biên

Mục này sẽ trình bày ảnh hưởng của ma sát giữa ETFE và vòm thép đến sự phân bố ứng suất trên tấm phim ETFE khi kéo căng vùng biên. Mơ hình phân tử hữu hạn gồm 400 phần tử. Kết quả phần tích ứng suất được thể hiện ở Bảng 3.2.

Bảng 3.2. Giá trị ứng suất tương đương ở vùng P1 và vùng P2 Vùng quan

trắc

𝜇 = 0.0 𝜇 = 0.36 𝜇 = 1.0

P1 13.92 13.79 13.59

P2 18.26 18.33 18.34

Khi hệ số ma sát giữa ETFE và vịm thép tăng thì ứng suất trên tấm phim ETFE tại vùng P1 giảm. Nguyên nhân là do các đại lượng kéo căng vùng biên ở vị trí a hầu như khơng ảnh hưởng tới ứng suất ở vùng P1 mà chủ yếu bị tiêu tán do ma sát giữa ETFE và vịm thép. Nói một cách khác, ứng suất trước ở vùng P1 lúc này có được chủ yếu do các đại lượng kéo căng ở vùng c và vùng d.

Ma sát giữa ETFE và vịm thép hầu như khơng ảnh hưởng tới ứng suất trước trên ETFE ở vùng P2. Bởi vì ứng suất trước ở vùng P2 chủ yếu phụ thuộc vào đại lượng kéo căng ở vị trí b. Từ kết quả khảo sát cho thấy, ứng suất ở vùng P2 là vượt giá trị ứng suất mong muốn là 14MPa, mặc dù đại lượng kéo căng ở vùng này đã được giảm xuống 10mm so với các vùng còn lại. Điều này là cần lưu ý khi chế tạo kết cấu màng kéo căng với đơn nguyên hình yên ngựa này.

3.4 Kết luận chương

- Quy trình thực nghiệm xác định hệ số ma sát tĩnh giữa vật liệu màng và ống thép đã được đề xuất ở chương này. Quy trình này đơn giản và cho kết quả tin cậy. Quy trình này đã được định hệ số ma sát tĩnh giữa ETFE và ống thép mạ kẽm là 0.36, và giá trị này có thể được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của ma sát giữa ETFE và kết cấu đỡ trong quá trình chế tạo kết cấu màng kéo căng.

- Quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng đã được đề xuất ở chương này. Trong đó, phân tích cắt dán sử dụng phương pháp biến ngẫu nhiên Lagrange và Euler cho phép xác định ảnh hưởng của ứng suất trước tới kết quả phân tích cắt dán. - Ảnh hưởng của ma sát giữa ETFE và vòm thép tới phân bố ứng suất trên ETFE khi chế tạo kết cấu màng kéo căng với đơn nguyên hình yên ngựa đã được khảo sát. Nhận thấy ảnh hưởng

21 của ma sát là nhỏ, và khi hệ số ma sát tĩnh giữa ETFE và vịm thép tăng thì ứng suất phân bố ở vùng giữa của đơn nguyên là giảm. Để đạt được trạng thái ứng suất theo yêu cầu, người sử dụng cần thay đổi các đại lượng kéo căng ở vùng biên hợp lý. - Chương trình thực nghiệm chế tạo kết cấu màng kéo căng với quy trình đề xuất trong dự án này cần được thực hiện trong các dự án tiếp theo.

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ Chương này trình bày về các kết luận đạt được từ kết quả nghiên cứu của dự án. Đồng thời các kiến nghị và các vấn đề cần được nghiên cứu tiếp theo cũng được đề cập.

4.1. Kết luận chung

Dự án thực hiện mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của ma sát giữa vật liệu ETFE và kết cấu đỡ-vòm thép khi thi công kéo căng kết cấu màng. Các kết quả đạt được từ dự án bao gồm:

- ETFE là vật liệu polymer mang các ưu điểm vượt trội so với các loại vật liệu polymer khác. Vì vậy, việc sử dụng ETFE trong các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp ngày càng phổ biến.

- Quy trình thực nghiệm xác định hệ số ma sát tĩnh giữa vật liệu màng và ống thép đã được đề xuất ở dự án này. Quy trình này đơn giản và cho kết quả tin cậy. Quy trình này đã được định hệ số ma sát tĩnh giữa ETFE và ống thép mạ kẽm là 0.36,

22 và giá trị này có thể được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của ma sát giữa ETFE và kết cấu đỡ trong quá trình chế tạo kết cấu màng kéo căng.

- Quy trình chế tạo kết cấu màng kéo căng đã được đề xuất ở dự án. Trong đó, phân tích cắt dán sử dụng phương pháp biến ngẫu nhiên Lagrange và Euler cho phép xác định ảnh hưởng của ứng suất trước tới kết quả phân tích cắt dán.

- Ảnh hưởng của ma sát giữa ETFE và vòm thép tới phân bố ứng suất trên ETFE khi chế tạo kết cấu màng kéo căng với đơn nguyên hình yên ngựa đã được khảo sát. Nhận thấy ảnh hưởng của ma sát là nhỏ, và khi hệ số ma sát tĩnh giữa ETFE và vòm thép tăng thì ứng suất phân bố ở vùng giữa của đơn nguyên là giảm. Để đạt được trạng thái ứng suất theo yêu cầu, người sử dụng cần thay đổi các đại lượng kéo căng ở vùng biên hợp lý. - Chương trình phân tích kết cấu màng MEM_B2019_DN0269 có các tính năng sau: (1) Phân tích hình dạng; (2) Phân tích biến dạng-ứng suất có kể đến ảnh hưởng của phi tuyến tiếp xúc.

4.2. Kiến nghị

Từ những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong báo cáo này, tác giả đề xuất các kiến nghị và các vấn đề cần tiếp tục được quan tâm nghiên cứu.

- Trong dự án này, mơ hình biến chuyển dính-trượt giả định chỉ được áp dụng cho phần tử tiếp xúc nút-nút. Việc mở rộng sự áp dụng của mơ hình đề xuất này cho các phần tử nút-mặt, mặt-mặt cần được triển khai ở các dự án tiếp theo.

- Chương trình thực nghiệm chế tạo kết cấu màng kéo căng với quy trình đề xuất trong dự án này cần được thực hiện trong các dự án tiếp theo. Đặc biệt là chương trình thực nghiệm để kiểm định sự chính xác của phương pháp biến ngẫu nhiên Lagrange-Euler trong phân tích cắt dán.