Nghiên cứu tính toán kết cấu chịu uốn siêu nhẹ tensairity

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN DƢƠNG THÀNH

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN
KẾT CẤU CHỊU UỐN SIÊU NHẸ TENSAIRITY

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN QUANG TÙNG

Phản biện 1: GS. TS. Phạm Văn Hội
Phản biện 2: TS. Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân
dụng và Công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày
07 tháng 7 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình Dân dụng & Công
nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.


1
MỞ ĐẦU
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.


2
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 tƣợng 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


3
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. Phƣơng 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.
5. Bố cục luận văn
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
Chương 2: LÝ THUYẾT TÍNH DẦM TENSAIRITY
Chương 3: TÍNH TOÁN ĐỘ VÕNG CỦA DẦM TENSAIRITY.
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
1.1.

ẾT CẤU CHỊU UỐN CỔ ĐIỂN
1.1.1. Kết cấu dầm chịu lực
1.1.1.1. Dầm thép
Ƣu 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.


4
Nhƣợc điểm
- Chịu lửa kém
- Chịu sự ăn mòn bởi tác động của môi trường, độ ẩm...
1.1.1.2. 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.
1.1.1.3. 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.


5
- 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.
1.1.2. 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.
1.2. MỘT SỐ KẾT CẤU CHỊU UỐN MỚI
1.2.1. 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.


6
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 ph ng 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.
 Khả năng vận hành còn nhiều hạn chế
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


7
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.
1.2.2.

ết 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.
1.2.3. 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.
 Ƣu điểm của kết cấu Tensairity:
- Tận dụng tối đa sự làm việc của vật liệu;
- Kết cấu có khả năng chịu lực tốt;


8
- Trọng lượng nhỏ;
- Dễ vận chuyển, lắp dựng, chiếm ít vị trí khi lưu kho.
 Nhƣợc 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;
- Cần bảo trì, bảo quản thường xuyên;
- Giá thành không nhất thiết rẻ hơn các kết cấu thông thường.
CHƢƠNG 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.
2.1. TRƢỜNG HỢP DÂY CÁP ĐƢỢC ĐƢỢC LİÊN

ẾT VÀO

HAİ ĐẦU THANH NÉN VÀ CHẠY DỌC THEO TRỤC ỐNG

q
H

O

x
w1

z
H

H
f

w2

Hình 2.1. Phương trình vi phân của dầm Tensairity

9
EJ

d 4 w1
Hd 2 w1

k
w

w

q


1
2
dx 4
dx 2

k  w1  w2   H

d 2  w2  f 
dx 2

0

(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
-

w1 , w2 là sự dịch chuyển theo chiều dọc của vùng chịu nén

và chịu kéo tương ứng.
.p
k
2

(3)

- Giải phương trình (1) và (2) ta được.

w1  14 C0 cosh( x)  C1 x4  C2 x2  C3





q
w2    C0  14  H 2  EI  cosh( x)  C1 x4
k
k
k 




  C2  H 12C1  x 2  C3  2H C2  EI 24C1
k
k
k



Trong đó hằng số tích phân

d 2 w1
0
dx 2 xl

C0 

qH
(m3 )
( EI )2 cosh(l )

C1 

kq
(m3 )
2
24 EI  H

(5)

C0 , C1 , C2 , C3 . có thể được xác

định từ ba điều kiện biên

w1 (l )  0, w2 (l )  0,

(4)


10
C0
cosh(l )  6C1l 2 (m1 )
2
2
C0
C3   4 cosh(l )  C1l 4  C2l 2 (m)
C2  



2.2. TRƢỜNG HỢP DÂY CÁP ĐƢỢC 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.

q
H

H
w1

f

z2

w2

H

Hình 2.2. Phương trình vi phân của dầm Tensairity.
d w1
Hd 2 w1
(6)
EJ

k
w

w

q


1
2

dx 4
dx 2
4

k  w1  w2   H

d 2  w2  f 
dx 2

0

(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
-

w1 , w2 là sự dịch chuyển theo chiều dọc của vùng chịu nén


11
và chịu kéo tương ứng.
.p
k
2

(8)

- Giải phương trình (1) và (2) ta được.

w1  14 C0 cosh( x)  C1 x4  C2 x2  C3





q
w2    C0  14  H 2  EI  cosh( x)  C1 x4
k
k
k 



  C2  H 12C1  x 2  C3  2H C2  EI 24C1
k
k
k



Trong đó hằng số tích phân

(9)

(10)

C0 , C1 , C2 , C3 . có thể được xác

định từ ba điều kiện biên

w1 (l )  0, w2 (l )  0,

d 2 w1
0
dx 2 xl

C0 

H
 qH 2 f  3
 2  (m )

EI  cosh(l )  EIk
l 

C1 

k
 q 2f

2 
24 EI   H l 2

2

 3
 (m )



C0
cosh(l )  6C1l 2 (m1 )
2 2
C
C3   04 cosh(l )  C1l 4  C2l 2 (m)

C2  



2.3.

ẾT LUẬN CHƢƠNG
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


12
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.
CHƢƠNG 3
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.
3.1. TRƢỜNG HỢP DÂY CÁP ĐƢỢC ĐƢỢC LİÊN

ẾT VÀO

HAİ ĐẦU THANH NÉN VÀ CHẠY DỌC THEO TRỤC ỐNG
3.1.1. 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 3.1. 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 b  h  d (mm3)
Mô đun đàn hồi của thanh nén E (kN/m2)

40 120  3
2.10E+08


13
Với các thông số đầu vào này, ta tính được:
qH
 C0 
 1.38574 E  05 (m3 )
2
( EI ) cosh(l )
kq
 0.001557582 (m3 )
24 EI  2 H
C
 C2   02 cosh(l )  6C1l 2  0.058236497 (m1 )
2
C
 C3   04 cosh(l )  C1l 4  C2l 2  0.303207014 (m)

 C1 



Mô hình của dầm Tensairity và kết quả mô phỏng độ võng
theo phương Y được thể hiện như hình bên dưới.

Hình 3.1. Mô hình dầm Tensairity

Hình 3.2.Chuyển vị của dầm theo phương Y

14
Bảng so sánh chuyển vị lấy từ phương pháp giải tích và phương
pháp phần tử hữu hạn được thể hiện bên dưới.
Bảng 3.2. 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%


15
SO SÁNH ĐỘ VÕ NG DẦM TENSAIRITY
Lý thuyết
-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

PTHH
0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

Hình 3.3. 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.
3.1.2. 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

b  h  d  40 120  3 và b  h  d  120  40  3 ) khi chịu tải trọng
tác dụng. Các kết quả so sánh được thể hiện trong Bảng 3 và Hình 6
bên dưới.
Bảng 3.3. 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


16
x
-1.5
-1.25
-1
-0.75
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5

0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5

w1 (m)
0.120
0.144
0.164
0.181
0.192
0.200
0.202
0.200
0.192
0.181
0.164
0.144
0.120
0.093
0.063
0.032
0.000

w120x40x3 (m)
0.173

0.207
0.236
0.260
0.277
0.287
0.291
0.287
0.277
0.260
0.236
0.207
0.173
0.134
0.091
0.046
0.000

w 40x120x3 (m)
0.029
0.035
0.040
0.044
0.047
0.049
0.050
0.049
0.047
0.044
0.040
0.035

0.029
0.023
0.016
0.008
0.000

SO SÁNH ĐỘ VÕ NG DẦM TENSAIRITY VÀ DẦM TH ÉP H Ộ P
w1
-3

-2

w40x120x3

-1

0

w120x40x3
1

2

3

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

Hình 3.4. 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 b  h  d  120  40  3 , tuy nhiên lại chuyển vị lớn hơn nhiều


17
so với dầm thép hộp nằm dọc b  h  d  40 120 3 . 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.
3.2. TRƢỜNG HỢP DÂY CÁP ĐƢỢC BỐ TRÍ XOẮN ỐC
QUANH TRỤC ỐNG
3.2.1. 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 3.4. 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
2
Áp suất thổi phồng p(kNm )
40
Đường kính ống D=f (m)
0.5
Tiết diện thanh nén b  h  d (mm3)
40 120  3
2
Mô đun đàn hồi của thanh nén E (kN/m )
2.10E+08
Với các thông số đầu vào này, ta tính được:
H
 qH 2 f 
C0 
 2   0.000298133 (m3 )

2
EI  cosh(l )  EIk
l 
3
C1  0 (m )

C0
cosh(l )  0.003718454 (m1 )
2
2
C
C3   04 cosh(l )  C2l 2  0.02169204 (m)

C2  



Độ võng w1 và w2 của thanh nén và dây cáp được tính toán và
thể hiện trong biểu đồ bên dưới.


18
ĐỘ VÕNG CỦA DẦM TENSAIRITY
-20.00

-10.00
-3

-2

-1

0

1

2

3

0.00
10.00
20.00

30.00
40.00
50.00

w1 w2 w1 w2 -

Analyze
Analyze
PTHH
PTHH

60.00

Hình 3.5. 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.


19
Bảng 3.5. Chuyển vị của dầm Tensairity theo hai

x
-2.5
-2.25
-2
-1.75

-1.5
-1.25
-1
-0.75
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5

phương pháp tính toán
Phƣơng pháp giải tích Phƣơng pháp PTHH
w1 (mm)
w2 (mm) w1 (mm) w2 (mm)
0.00
0.00
0.00
0.00
8.47
-10.20
8.40
-10.10

16.57
-14.20
16.29
-13.92
24.03
-14.57
23.42
-14.14
30.68
-12.97
29.64
-12.47
36.43
-10.49
34.88
-9.98
41.19
-7.81
39.09
-7.36
44.93
-5.39
42.26
-5.02
47.62
-3.49
44.38
-3.22
49.24
-2.30

45.47
-2.09
49.78
-1.89
45.55
-1.70
49.24
-2.30
45.47
-2.09
47.62
-3.49
44.38
-3.22
44.93
-5.39
42.26
-5.02
41.19
-7.81
39.09
-7.36
36.43
-10.49
34.88
-9.98
30.68
-12.97
29.64
-12.47

24.03
-14.57
23.42
-14.14
16.57
-14.20
16.29
-13.92
8.47
-10.20
8.40
-10.10
0.00
0.00
0.00
0.00

Sai số (%)
w1
w2
0.0% 0.00%
0.9% 0.98%
1.7% 1.96%
2.6% 2.93%
3.4% 3.91%
4.3% 4.89%
5.1% 5.87%
6.0% 6.84%
6.8% 7.82%
7.7% 8.80%

8.5% 9.78%
7.7% 8.80%
6.8% 7.82%
6.0% 6.84%
5.1% 5.87%
4.3% 4.89%
3.4% 3.91%
2.6% 2.93%
1.7% 1.96%
0.9% 0.98%
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.


20
3.2.2. 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 b  h  d  40  120  3 (mm 3 ) . Thanh
nén sẽ được phân tích theo hai trường hợp: đặt nằm ngang  40 120  3
như cấu tạo của dầm Tensairity; đặt nằm dọc 120  40 3  để tăng khả
năng chịu uốn. Phép so sánh được thể hiện trong bảng bên dưới.
Bảng 3.6. So sánh chuyển vị của dầm Tensairity – dầm thép hộp

x

w1
(mm)

f (mm)

f (mm)

40 x120 x3

120 x40 x3

-2.5
-2.25
-2
-1.75
-1.5
-1.25
-1
-0.75
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5

1.75
2
2.25
2.5

0.00
8.47
16.57
24.03
30.68
36.43
41.19
44.93
47.62
49.24
49.78
49.24
47.62
44.93
41.19
36.43
30.68
24.03
16.57
8.47
0.00

0.00
69.43
136.89

200.59
258.98
310.69
354.56
389.67
415.26
430.83
436.05
430.83
415.26
389.67
354.56
310.69
258.98
200.59
136.89
69.43
0.00

0.00
11.85
23.36
34.23
44.20
53.02
60.51
66.50
70.87
73.52
74.41

73.52
70.87
66.50
60.51
53.02
44.20
34.23
23.36
11.85
0.00

Chênh
lệch (lần)

Chênh lệch
(lần)

0.00
8.19
8.26
8.35
8.44
8.53
8.61
8.67
8.72
8.75
8.76
8.75
8.72

8.67
8.61
8.53
8.44
8.35
8.26
8.19
0.00

0.00
1.40
1.41
1.42
1.44
1.46
1.47
1.48
1.49
1.49
1.49
1.49
1.49
1.48
1.47
1.46
1.44
1.42
1.41
1.40
0.00

40 x120 x3

120 x40 x3


21
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  40 120  3 và 1.49 lần so với dầm thép hộp 120  40  3 .
 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 p  10  60 (kN / m2 ) . Quan hệ

w1 ( x  0) tại vị trí giữa dầm và áp suất p được thể

giữa chuyển vị

hiện trong Hình 8 bên dưới.
w1 (mm)

200

175
150

125
100

75

50
25

p (kN/m2)
0
0

10

20

30

40

50

60

175
150

w1 (mm)

a) Quan hệ giữa chuyển vị và áp suất
200

125

100

75
50
25

D (mm)
0
0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

0.65

b) Quan hệ giữa chuyển vị và đường kính ống
Hình 3.6. Khảo sát chuyển vị

w1 ( x  0) của dầm Tensairity


22
Như đã thấy trên biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị

w1 ( x  0) 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

w1 ( x  0) giảm 65,4% khi áp suất thổi phồng p thay đổi từ
10  30 (kN / m2 ) . 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

w1 ( x  0) giảm 39,6% khi áp suất thổi phồng p thay đổi từ

30  50 (kN / m2 ) . Vậy nên, đối với dầm Tensairity, chỉ cần duy trì

áp suất p  30 (kN / m2 ) (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 D  20  60 (mm) . Quan
hệ giữa chuyển vị w1 ( x  0) tại vị trí giữa dầm và đường kính ống

D được thể hiện trong Hình 8 bên trên.
Quan hệ giữa chuyển vị w1 ( x  0) tại vị trí giữa dầm và đường
kính ống thổi phồng là phi tuyến. Đường kính ống thổi phồng D càng

lớn thì cánh tay đòn ngẫu lực càng lớn, càng làm tăng khả năng chịu
lực cho dầm Tensairity. Chuyền vị w1 ( x  0) giảm 66.5% khi đường
kính ống thổi phồng D thay đổi từ 0.2  0.4 (m) . Tuy nhiên, khi


23
đường kính ống đã đủ lớn, thì việc tăng áp suất không làm tăng nhiều
khả năng chịu lực của dầm. Chuyền vị w1 ( x  0) giảm 35.9% khi
đường kính ống thổi phồng D thay đổi từ 0.4  0.6 (m) . 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.
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG
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.