NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHỊU UỐN SIÊU NHẸ TENSAIRITY
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.
Với 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 tượng 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 nào 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.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
I. KẾT CẤU CHỊU UỐN CỔ ĐIỂN
I.1. Kết cấu dầm chịu lực
I.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.
Nhược điểm
– Chịu lửa kém
– Chịu sự ăn mòn bởi tác động của môi trường, độ ẩm…
I.1.2. Dầm bê tông cốt thép
Bê tông cốt thép ngày nay được sử dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp xây dựng và trở thành một trong những vật liệu được xây dựng chủ yếu trong và ngoài nước.
Loại 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.
I.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.
– 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.
I.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.
II. MỘT SỐ KẾT CẤU CHỊU UỐN MỚI
II.1. Dầm thổi phồng
Kết cấu thổi phồng được tạo thành từ các tấm vải kỹ thuật khép kín, và được ổn định bằng khí nén thổi vào.
Việc sử dụng các kết cấu dầm thổi phồng có nhiều lợi thế hơn khi so sánh với những kết cấu thông thường tương đương. Sau đây là những điểm nổi bật của kết cấu màng mỏng thổi phồng:
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. Loại 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 phẳng 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.
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 năng 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 võng cao.
II.2. Kết cấu Tensegrity
Kết cấu chịu uốn này được cấu tạo từ hai phần chính là thanh thép chịu nén và dây cáp chịu kéo.
Kết cấu chịu uốn theo nguyên lý Tensegrity đã được ứng dụng trong xây dựng một số công trình như: Cầu có khả năng vượt nhịp lớn. Tuy nhiên vẫn chưa được ứng dụng nhiều do kết cấu dễ mất ổn định.
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.
II.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.
- Ưu điểm của kết cấu Tensairity:
– Tận dụng tối đa sự làm việc của vật liệu;
– Kết cấu có khả năng chịu lực tốt;
– 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;
– Độ võng của kết cấu có thể cao hơn so với kết cấu thông thường;
– 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.
II.1. Trường hợp dây cáp được được liên kết vào hai đầu thanh nén và chạy dọc theo trục ống
Hình 1: Phương trình vi phân của dầm Tensairity.
(1)
(2)
– EI là độ cứng chống uốn của thanh nén.
– q là tải trọng tác dụng
– H là lực nén trong thanh nén và cũng là lực kéo trong dây cáp
– là sự dịch chuyển theo chiều dọc của vùng chịu nén và chịu kéo tương ứng.
(3)
– Giải phương trình (1) và (2) ta được. (4)
(5)
Trong đó hằng số tích phân . có thể được xác định từ ba điều kiện biên
II.2. Trường hợp dây cáp được bố trí xoắn ốc quanh trục ống
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.
Hình 2: Phương trình vi phân của dầm Tensairity.
(6)
(7)
– EI là độ cứng chống uốn của thanh nén.
– q là tải trọng tác dụng
– H là lực nén trong thanh nén và cũng là lực kéo trong dây cáp
– là sự dịch chuyển theo chiều dọc của vùng chịu nén và chịu kéo tương ứng.
(8)
– Giải phương trình (1) và (2) ta được. (9)
(10)
Trong đó hằng số tích phân . có thể được xác định từ ba điều kiện biên
KẾT LUẬN CHƯƠNG
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 độ 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 III. 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.
III.1. Trường hợp dây cáp được được liên kết vào hai đầu thanh nén và chạy dọc theo trục ống
III.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 1: Thông số đầu vào cho bài toán dầm Tensairity
| Nửa chiều dài dầm (m) | 2.5 |
| Tải trọng phân bố đều q(kN/m) | 2 |
| Áp suất thổi phồng p(kNm2) | 40 |
| Đường kính ống D=f (m) | 0.5 |
| Tiết diện thanh nén (mm3) | |
| Mô đun đàn hồi của thanh nén E (kN/m2) | 2.10E+08 |
Với các thông số đầu vào này, ta tính được:
Mô hình của dầm Tensairity và kết quả mô phỏng độ võng theo phương Y được thể hiện như hình bên dưới.
Hình 3: Mô hình dầm Tensairity
Hình 4: Chuyển vị của dầm theo phương Y
Bảng so sánh chuyển vị lấy từ phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn được thể hiện bên dưới.
Bảng 2 : So sánh chuyển vị w1 của thanh nén trong hệ dầm Tensairity
| Tọa độ tiết diện | Lý thuyết (mm) | PTHH (mm) | Sai lệch (%) |
| -2 | 0.0 | 0.0 | 0.0% |
| -1.8 | 16.3 | 16.2 | 0.9% |
| -1.6 | 32.2 | 31.7 | 1.7% |
| -1.4 | 47.2 | 46.0 | 2.6% |
| -1.2 | 61.0 | 58.9 | 3.4% |
| -1 | 73.2 | 70.1 | 4.3% |
| -0.8 | 83.5 | 79.3 | 5.1% |
| -0.6 | 91.8 | 86.3 | 6.0% |
| -0.4 | 97.8 | 91.2 | 6.8% |
| -0.2 | 101.5 | 93.7 | 7.7% |
| 0 | 102.7 | 94.0 | 8.5% |
| 0.2 | 101.5 | 93.7 | 7.7% |
| 0.4 | 97.8 | 91.2 | 6.8% |
| 0.6 | 91.8 | 86.3 | 6.0% |
| 0.8 | 83.5 | 79.3 | 5.1% |
| 1 | 73.2 | 70.1 | 4.3% |
| 1.2 | 61.0 | 58.9 | 3.4% |
| 1.4 | 47.2 | 46.0 | 2.6% |
| 1.6 | 32.2 | 31.7 | 1.7% |
| 1.8 | 16.3 | 16.2 | 0.9% |
| 2 | 0.0 | 0.0 | 0.0% |
Hình 5: 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.
III.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 w1 của thanh nén trong dầm Tensairity với độ võng của riêng thanh nén với tiết diện và ) khi chịu tải trọng tác dụng. Các kết quả so sánh được thể hiện trong Bảng 3 và Hình 6 bên dưới.
Bảng 3: Độ võng dầm Tensairity và dầm thép hộp
| x | w1 (m) | w120x40x3 (m) | w 40x120x3 (m) |
|---|---|---|---|
| -2.5 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| -2.25 | 0.032 | 0.046 | 0.008 |
| -2 | 0.063 | 0.091 | 0.016 |
| -1.75 | 0.093 | 0.134 | 0.023 |
| -1.5 | 0.120 | 0.173 | 0.029 |
| -1.25 | 0.144 | 0.207 | 0.035 |
| -1 | 0.164 | 0.236 | 0.040 |
| -0.75 | 0.181 | 0.260 | 0.044 |
| -0.5 | 0.192 | 0.277 | 0.047 |
| -0.25 | 0.200 | 0.287 | 0.049 |
| 0 | 0.202 | 0.291 | 0.050 |
| 0.25 | 0.200 | 0.287 | 0.049 |
| 0.5 | 0.192 | 0.277 | 0.047 |
| 0.75 | 0.181 | 0.260 | 0.044 |
| 1 | 0.164 | 0.236 | 0.040 |
| 1.25 | 0.144 | 0.207 | 0.035 |
| 1.5 | 0.120 | 0.173 | 0.029 |
| 1.75 | 0.093 | 0.134 | 0.023 |
| 2 | 0.063 | 0.091 | 0.016 |
| 2.25 | 0.032 | 0.046 | 0.008 |
| 2.5 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
Hình 6: So sánh độ võng của dầm Tensairity và dầm thép hộp
Như thể hiện trong Bảng 3, cùng vượt nhịp như nhau, chịu tải trọng giống nhau thì dầm Tensairity có chuyển vị ít hơn so với dầm thép nằm ngang , tuy nhiên lại chuyển vị lớn hơn nhiều so với dầm thép hộp nằm dọc . 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.
III.2. Trường hợp dây cáp được bố trí xoắn ốc quanh trục ống.
III.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 4: Thông số đầu vào cho bài toán dầm Tensairity
| Nửa chiều dài dầm (m) | 2.5 |
| Tải trọng phân bố đều q(kN/m) | 3 |
| Áp suất thổi phồng p(kNm2) | 40 |
| Đường kính ống D=f (m) | 0.5 |
| Tiết diện thanh nén (mm3) | |
| Mô đun đàn hồi của thanh nén E (kN/m2) | 2.10E+08 |
Với các thông số đầu vào này, ta tính được:
Độ võng w1 và w2 của thanh nén và dây cáp được tính toán và thể hiện trong biểu đồ bên dưới.
Hình 7: So sánh độ võng của dầm Tensairity theo phương pháp giải tích và phương pháp PTHH
Để kiểm chứng sự chính xác của lý thuyết tính toán dầm Tensairity, trong phần này tác giả mô phỏng dầm Tensairity bằng phần mềm phân tích kết cấu Abaqus theo phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả so sánh chuyển vị thực hiện theo hai phương pháp được thể hiện trong Bảng 5.
Bảng 5: Chuyển vị của dầm Tensairity theo hai phương pháp tính toán
| Phương pháp giải tích | Phương pháp PTHH | Sai số (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| x | w1 (mm) | w2 (mm) | w1 (mm) | w2 (mm) | w1 | w2 |
| -2.5 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.0% | 0.00% |
| -2.25 | 8.47 | -10.20 | 8.40 | -10.10 | 0.9% | 0.98% |
| -2 | 16.57 | -14.20 | 16.29 | -13.92 | 1.7% | 1.96% |
| -1.75 | 24.03 | -14.57 | 23.42 | -14.14 | 2.6% | 2.93% |
| -1.5 | 30.68 | -12.97 | 29.64 | -12.47 | 3.4% | 3.91% |
| -1.25 | 36.43 | -10.49 | 34.88 | -9.98 | 4.3% | 4.89% |
| -1 | 41.19 | -7.81 | 39.09 | -7.36 | 5.1% | 5.87% |
| -0.75 | 44.93 | -5.39 | 42.26 | -5.02 | 6.0% | 6.84% |
| -0.5 | 47.62 | -3.49 | 44.38 | -3.22 | 6.8% | 7.82% |
| -0.25 | 49.24 | -2.30 | 45.47 | -2.09 | 7.7% | 8.80% |
| 0 | 49.78 | -1.89 | 45.55 | -1.70 | 8.5% | 9.78% |
| 0.25 | 49.24 | -2.30 | 45.47 | -2.09 | 7.7% | 8.80% |
| 0.5 | 47.62 | -3.49 | 44.38 | -3.22 | 6.8% | 7.82% |
| 0.75 | 44.93 | -5.39 | 42.26 | -5.02 | 6.0% | 6.84% |
| 1 | 41.19 | -7.81 | 39.09 | -7.36 | 5.1% | 5.87% |
| 1.25 | 36.43 | -10.49 | 34.88 | -9.98 | 4.3% | 4.89% |
| 1.5 | 30.68 | -12.97 | 29.64 | -12.47 | 3.4% | 3.91% |
| 1.75 | 24.03 | -14.57 | 23.42 | -14.14 | 2.6% | 2.93% |
| 2 | 16.57 | -14.20 | 16.29 | -13.92 | 1.7% | 1.96% |
| 2.25 | 8.47 | -10.20 | 8.40 | -10.10 | 0.9% | 0.98% |
| 2.5 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.0% | 0.00% |
Tương tự như trường hợp dầm có cấu tạo đơn giản, sai số giữa phương pháp phần tử hữu hạn và lý thuyết tính dầm là không quá 10% nên có thể nói rằng lý thuyết được xây dựng là tương đối chính xác. Và có thể được sử dụng để tính toán và phân tích ứng xử của kết cấu dầm Tensairity.
III.2.2 Phân tích sự làm việc của dầm Tensairity
- So sánh chuyển vị của dầm Tensairity và dầm thép hộp thông thường
Để có thể hiểu rõ hơn khả năng chịu lực của dầm Tensairity, trong mục này, ta sẽ so sánh độ võng của dầm Tensairity với độ võng của thanh nén là thép hộp có tiết diện . Thanh nén sẽ được phân tích theo hai trường hợp: đặt nằm ngang như cấu tạo của dầm Tensairity; đặt nằm dọc để tăng khả năng chịu uốn. Phép so sánh được thể hiện trong bảng bên dưới.
Bảng 6: So sánh chuyển vị của dầm Tensairity – dầm thép hộp
| x | w1 (mm) | f (mm) | f (mm) | Chênh lệch (lần) | Chênh lệch (lần) |
|---|---|---|---|---|---|
| -2.5 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| -2.25 | 8.47 | 69.43 | 11.85 | 8.19 | 1.40 |
| -2 | 16.57 | 136.89 | 23.36 | 8.26 | 1.41 |
| -1.75 | 24.03 | 200.59 | 34.23 | 8.35 | 1.42 |
| -1.5 | 30.68 | 258.98 | 44.20 | 8.44 | 1.44 |
| -1.25 | 36.43 | 310.69 | 53.02 | 8.53 | 1.46 |
| -1 | 41.19 | 354.56 | 60.51 | 8.61 | 1.47 |
| -0.75 | 44.93 | 389.67 | 66.50 | 8.67 | 1.48 |
| -0.5 | 47.62 | 415.26 | 70.87 | 8.72 | 1.49 |
| -0.25 | 49.24 | 430.83 | 73.52 | 8.75 | 1.49 |
| 0 | 49.78 | 436.05 | 74.41 | 8.76 | 1.49 |
| 0.25 | 49.24 | 430.83 | 73.52 | 8.75 | 1.49 |
| 0.5 | 47.62 | 415.26 | 70.87 | 8.72 | 1.49 |
| 0.75 | 44.93 | 389.67 | 66.50 | 8.67 | 1.48 |
| 1 | 41.19 | 354.56 | 60.51 | 8.61 | 1.47 |
| 1.25 | 36.43 | 310.69 | 53.02 | 8.53 | 1.46 |
| 1.5 | 30.68 | 258.98 | 44.20 | 8.44 | 1.44 |
| 1.75 | 24.03 | 200.59 | 34.23 | 8.35 | 1.42 |
| 2 | 16.57 | 136.89 | 23.36 | 8.26 | 1.41 |
| 2.25 | 8.47 | 69.43 | 11.85 | 8.19 | 1.40 |
| 2.5 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
Như kết quả trong Bảng 6, ta nhận thấy rằng hệ dầm Tensairity giúp giảm độ võng giữa dầm đến 8.76 lần so với dầm thép hộp và 1.49 lần so với dầm thép hộp .
- Ảnh hưởng của áp suất thổi phồng đến chuyển vị của dầm Tensairity
Để phân tích ảnh hưởng của áp suất thổi phồng đến chuyển vị của dầm Tensairity, ta giữ nguyên các thông số đầu vào của bài toán và cho áp suất thổi phồng thay đổi . Quan hệ giữa chuyển vị tại vị trí giữa dầm và áp suất được thể hiện trong Hình 8 bên dưới.
|
|
| Hình 8: Khảo sát chuyển vị của dầm Tensairity |
Như đã thấy trên biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị tại vị trí giữa dầm và áp suất thổi phồng ống màng mỏng là phi tuyến. Áp suất thổi phồng có nhiệm vụ làm căng ống, tạo nền đàn hồi cho thanh nén và cũng góp phần liên kết thanh nén và dây cáp, tạo khả năng chịu lực cho dầm. Khi áp suất còn tương đối nhỏ, chuyển vị phụ thuộc nhiều vào áp suất thổi phồng. Ta nhận thấy rằng, chuyền vị giảm 65,4% khi áp suất thổi phồng thay đổi từ . Tuy nhiên, khi áp suất đủ lớn, thì việc tăng áp suất không làm tăng nhiều khả năng chịu lực của dầm. Nhận thấy, chuyền vị giảm 39,6% khi áp suất thổi phồng thay đổi từ . Vậy nên, đối với dầm Tensairity, chỉ cần duy trì áp suất (áp suất được thổi cho các cổng chào thổi phồng) là có thể đảm bảo khả năng chịu lực cho dầm, không cần thiết phải tạo áp suất quá lớn trong dầm. Trong trường hợp dầm bị thủng do một nguyên nhân nào đó thì cũng có thể duy trì áp suất này bởi một máy bơm thông dụng trên thị trường.
- Ảnh hưởng của đường kính ống thổi phồng đến chuyển vị của dầm Tensairity
Để phân tích ảnh hưởng của đường kính ống thổi phồng đến chuyển vị của dầm Tensairity, ta giữ nguyên các thông số đầu vào của bài toán và cho áp suất thổi phồng thay đổi . Quan hệ giữa chuyển vị tại vị trí giữa dầm và đường kính ống được thể hiện trong Hình 8 bên trên.
Quan hệ giữa chuyển vị tại vị trí giữa dầm và đường kính ống thổi phồng là phi tuyến. Đường kính ống thổi phồng càng lớn thì cánh tay đòn ngẫu lực càng lớn, càng làm tăng khả năng chịu lực cho dầm Tensairity. Chuyền vị giảm 66.5% khi đường kính ống thổi phồng thay đổi từ . Tuy nhiên, khi đường kính ống đã đủ lớn, thì việc tăng áp suất không làm tăng nhiều khả năng chịu lực của dầm. Chuyền vị giảm 35.9% khi đường kính ống thổi phồng thay đổi từ . Điều này có thể lý giải bởi sự chuyển vị tương đối của dây cáp, lún sâu vào trong ống thổi phồng khi ống quá lớn, làm khả năng chịu lực của dầm không được tăng đáng kể.
Do đó, đối với dầm Tensairity, để tăng khả năng chịu lực cho dầm, tăng nhịp dầm mà vẫn đảm bảo độ võng hạn chế thì nên phối hợp giữa việc tăng áp suất thổi phồng và tăng đường kính ống cho hợp lý, ngoài ta, tăng tiết diện thanh nén cũng là một yếu tố cần xét đến.
III.3. Kết luận chương
Các phép so sánh cho thấy kết quả thu được từ lý thuyết và PTHH là khá tương đồng, sai số lớn nhất không quá 10% chứng tỏ các công thức tính chuyển vị của dầm Tensairity được xây dựng tương đối chính xác và có thể áp dụng để phân tích chuyển vị của hệ dầm này.
Các kết quả đạt được cho thấy hiệu quả vượt trội khi sử dụng dầm Tensairity so với dầm cổ điển. Các phép mô phỏng và phân tích độ võng kết cấu giúp có một khái niệm tổng quát trong việc lựa chọn các thông số kỹ thuật cho dầm Tensairity, đảm bảo khả năng chịu lực và giới hạn độ võng nhất định.
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
Thông qua quá trình tìm hiểu nghiên cứu và tham khảo tài liệu về kết cấu Tensairity để làm luận văn thì học viên rút ra được những kết luận như sau:
– 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.
– Bằng một số so sánh ta thấy độ võng của dầm Tensairity ít hơn nhiều so với độ võng của dầm thép hộp
– Các phép so sánh cho thấy kết quả thu được từ lý thuyết và PTHH là khá tương đồng, chứng tỏ các công thức tính chuyển vị của dầm Tensairity được xây dựng tương đối chính xác và có thể áp dụng để phân tích chuyển vị của hệ dầm này.
– Kết cấu Tensairity còn chưa được đưa vào áp dụng nhiều trong ngành xây dựng. Để đảm bảo tính năng ưu việt của nó thì chúng ta nên áp dụng loại kết cấu này trong thực tế nhiều hơn.
– Do thời gian và khối lượng hạn chế chỉ tiến hành được một số ví dụ về số, để có những số liệu chính xác hơn cần có nhiều ví dụ và nhiều nghiên cứu thậm chí là những thí nghiệm để có được kết quả chính xác nhất.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LY LUAN VA PHUONG PHAP DẠY HOC VAT LY\XAY DUNG CONG TRINH DD&DN\NGUYEN DUONG THANH
