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

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng và Công 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

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ cơng trình nào 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
1. Tính cấp thiết ...........................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2
3. ối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2
5. Bố cục luận văn .......................................................................................................3
ƯƠ
1. TỔ
QUA VỀ ẤU K Ệ
ỊU UỐ ............................................4
1.1 ấu kıện chịu uốn cổ đıển .....................................................................................4
1.1.1 Dầm thép ........................................................................................................4
1.1.2 Dầm bê tông cốt thép .....................................................................................5
1.1.3 Dầm gỗ ...........................................................................................................6

1.1.4 Dầm trên nền đàn hồi .....................................................................................7
1.1.5 Kết cấu dàn chịu lực ......................................................................................7
1.2 Một số kết cấu chịu uốn mới .................................................................................8
1.2.1 Dầm thổi phồng..............................................................................................8
1.2.2 Kết cấu Tensegrity .......................................................................................11
1.2.3 Kết cấu Tensairity ........................................................................................12
1.3 KẾT LUẬ
ƯƠ .......................................................................................13
ƯƠ
2. TÍ
TỐ KẾT ẤU TE SA R TY ................................................14
2.1 Thiết lập phương trình cho bài tốn 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 bằng .................................................................................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 bài tốn dầm Tensairity chịu uốn ............................22
2.2.1 ệ phương trình cân bằng ............................................................................22
2.2.2 Lực căng trong dây cáp ................................................................................29


2.3 Kết luận ...............................................................................................................30
ƯƠ
3.
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 và đo áp suất trong 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 của thanh nén ..........................................................36
3.2.5 Thiết bị an tồn ............................................................................................36
3.2.6 Thiết bị bảo hộ .............................................................................................37
3.3 o mơ đun đàn hồi của thép hộp chịu nén ..........................................................37
3.3.1 ơ sở lý thuyết .............................................................................................37
3.3.2 Mơ hình thí nghiệm ......................................................................................38
3.4 ghiên cứu biến dạng của dầm thổi phồng .........................................................40
3.4.1 Lắp đặt thiết bị đo ........................................................................................40
3.4.2 Kết quả .........................................................................................................41
3.5 ghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm Tensairity .........................................42
3.5.1 Mơ hình thí nghiệm......................................................................................42
3.5.2 Kết quả 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 là một kết cấu liên hợp, được tạo thành từ 1

thanh chịu nén, một dây cáp chịu kéo và một dầm màng mỏng thổi phồng. Mỗi thành
phần đều được phát huy tối đa khả năng làm việc, tạo nên khả năng chịu uốn tổng thể cho
dầm. ác nghiên cứu lý thuyết đã được thực hiện trước đây. Luận văn chỉ tập trung
nghiên cứu thực nghiệm để phân tích ứng xử thực tế của dầm và so sánh với lý thuyết đã
được xây dựng. ác kết quả thực nghiệm thu được phản ánh khá đúng với ứng xử đã
được đề cập trước đây.
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 ...........................................................................................1
Hình 1-1: Một số dầm thép được sử dụng .......................................................................4
Hình 1-2: Một số dầm bê tơng cốt thép được sử dụng ....................................................5
Hình 1-3: Một số dầm gỗ được sử dụng ..........................................................................6
Hình 1-4: Dầm trên nền đàn hồi ......................................................................................7
Hình 1-5: Dàn thép ..........................................................................................................7
Hình 1-6: Dầm thổi phồng ...............................................................................................8
Hình 1-7: Kết cấu thổi phồng được sử dụng tạm thời .....................................................9
Hình 1-8: Một số cơng trình thổi phồng được ứng dụng trong 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 của ống ...........................................................15
Hình 2-2: Sơ đồ làm việc của dầm Tensairity ...............................................................22
Hình 2-3: Biến dạng của ống thổi phồng khi bị dây cáp ép mặt ...................................30
Hình 3-1. Ống màng mỏng được 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 và xuất kết quả ..............................................................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 tồn ...................................................................................................37
Hình 3-10. huyển vị của dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều ............................37
Hình 3-11. o kích thước hình học thép hộp ................................................................38
Hình 3-12. Thí nghiệm đo chuyển vị dầm đơn giản bằng 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 các cảm biến đo biến dang ......................................................41
Hình 3-16. o và cắt thép hộp.......................................................................................42
Hình 3-17. ịnh vị và hàn ren .......................................................................................43
Hình 3-18. Neo cáp ........................................................................................................43
Hình 3-19. Mơ hình dầm Tensairity ..............................................................................44


Hình 3-20. ia tải và đo chuyển vị................................................................................45
Hình 3-21. huyển vị giữa dầm Thực nghiệm vs Lý thuyết – eo trước.....................46
Hình 3-22. huyển vị giữa dầm Thực nghiệm vs Lý thuyết – Neo sau ........................46
Hình 3-23. huyển vị giữa dầm eo trước vs eo sau (kết quả thực nghiệm) ............47

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
iện nay, phần lớn những cơng 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 khơng 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. ác 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. ác ống thổi phồng này được liên kết với nhau để tạo nên
khung chịu lực chính trong rất nhiều cơng 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. goài
ra, nhược điểm cố hữu của loại kết cấu thổi phồng này là khả năng chịu lực rất bé.
hằm 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. iện
nay trên thế giới, đã có nhiều cơng trình được thực hiện theo dạng này, điển hình có
thể kể đến cầu Pont de Val- enis ở Pháp và rất nhiều kết cấu khác (xem ình 1).

a) Pont de Val-Cenis (Pháp)

b) Garage ơ-tơ (Thụy Sĩ)

Hình 1-1: Kết cấu Tensairity


2

Với tầm quan trọng như vậy, nhưng đến nay, vẫn chưa có nhiều kết quả nghiên
cứu được đưa ra, khơng có nhiều bài báo khoa học đề cập đến việc nghiên cứu ứng xử
của loại kết cấu mới này.
hững nghiên cứu đầu tiên về kết cấu Tensairity được thực hiện bởi nhóm
nghiên cứu về kết cấu siêu nhẹ của Luchsinger – Thụy Sĩ. hóm 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 k 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 thực nghiệm sự làm việc của 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
ối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bước đầu được giới hạn trong các
cấu kiện chịu lực cơ bản như dầm. ác 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
- ghiên cứu lý thuyết tính tốn để xây dựng mơ hình theo phương pháp phần tử
hữu hạn
- So sánh với kết quả để hợp thức hóa mơ hình tính tốn lý thuyết.


3

5. Bố cục luận văn
. MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu nghiên cứu
3. ối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. 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 mới
1.3. Kết luận chương
hương 2: LÝ T UYẾT TÍN

DẦM TENS IRITY

2.1. Trường hợp dây cáp được được liên kết vào hai đầu thanh nén và chạy dọc
theo trục ống
2.2. Trường hợp dây cáp được 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 quả thí nghiệm
3.4. Kết luận chương.
.

ẾT LUẬN VÀ

1. Kết luận
2. Kiến nghị

IẾN NG Ị


4

hương 1.TỔNG QU N VỀ ẤU

IỆN

ỊU UỐN

hương này đề cập đến các cấu kiện chịu uốn cơ bản cũng như vật liệu cấu tạo
đã và đang được sử dụng trong các cơng trình xây dựng. Ưu nhược điểm và phạm vi
sử dụng của từng loại cấu kiện được phân tích rõ ràng nhằm nêu bật đặc tính loại cấu
kiện chịu uốn mới Tensairity.
1.1 Cấu kıện chịu uốn cổ đıển
Dầm là cấu kiện dạng thanh, chịu tải trọng vng góc với trục thanh. Thường
được sử dụng như kết cấu chịu lực trong các cơng trình xây dựng dân dụng và cơng
nghiệp. Dầm chịu lực có thể được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau như: thép, bê
tông cốt thép, gỗ…
1.1.1 Dầm thép
Kết cấu thép sử dụng hoàn toàn thép làm kết cấu chịu lực chính. (cột thép, dầm
thép hình...) Tùy vào hình dạng cơng trình, khơng gian, ứng dụng... mà người ta sử
dụng những hệ kết cấu phù hợp.
Kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng hiện nay trên thế giới.
ũng như các vật liệu khác, kết cấu thép cũng có những ưu và nhược điểm riêng.

Hình 1-1: Một số dầm thép được sử dụng
ác ưu điểm của loại dầm này có thể được liệt kê như sau:
-

ó tính đa dạng cao, linh hoạt, áp dụng cho mọi cơng trình và hình dáng đa
dạng.

- Dễ sữa chữa, nâng cấp.
-

iá thành thấp.


5

-

hất lượng cao.

- Thi cơng nhanh.
- Chi phí bảo hành thấp.
Tuy nhiên, dầm thép cũng có các nhược điểm cố hữu như:
-

iá thành cao, vật liệu đa phần phải nhập khẩu từ nước ngồi

-

hịu lửa kém

-

hịu sự ăn mịn bởi tác động của môi trường, độ ẩm...

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 ngồi
nước.

Hình 1-2: Một số dầm bê tơng cốt thép được sử dụng

Loại kết cấu này sở hữu nhiều ưu điểm khiến nó ngày càng được ứng dụng nhiều
trong lĩnh vực xây dựng như:
- ơn giản, dễ chế tạo, có thể sử dụng các loại vật liệu tại địa phương (cát, đá...)
- hịu lực tốt, tuổi thọ cơng 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 khơng 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 BT T thơng thường.
- Bê tơng cốt thép dễ có khe nứt ở vùng chịu kéo khi chịu lực, thông thương bề
rộng khe nứt khơng lớn và ít ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng của kết cấu.


6

- ách âm, cách nhiệt kém, thi công phức tạp, khó kiểm tra chất lượng, gia cố
hay sữa chữa.
1.1.3 Dầm gỗ
ỗ là nguyên liệu, vật liệu được con người sử dụng rộng rãi và lâu đời.
dụng rộng rãi trong các ngành nơng nghiêp, cơng nghiêp, xây dựng...

ược sử

Hình 1-3: Một số dầm gỗ được sử dụng
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 cơng trình.
- hi phí bão dưỡng thấp.
- hống xâm thực của mơi trường hóa học tốt.

Tuy nhiên dầm gỗ cũng có những nhược điểm như:
- Vật liệu không bền, dex mối mục, dễ cháy.
- ó nhiều khuyết tật làm giảm khả năng chịu lực.
- Kích thước gỗ tự nhiên hạn chế.
- Vật liệu ngậm nước, độ ẩm thay đổi theo nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Khi
khô co giãn không đều theo các phương, dễ cong vênh, nứt nẻ làm hỏng liên kết.
ể hạn chế nhược điểm của gỗ tự nhiên, khi sử dụng cần sử lý để gỗ khỏi bị
mục.
- Phải sấy, hong khô trước khi sử dụng, không dùng gỗ tươi, gỗ quá độ ẩm quy
định.


7

1.1.4 Dầm trên nền đàn hồi
Khi dầm hay bộ phận cơng trình đặt trực tiếp trên nền, tác dụng của tải trọng
được truyền xuống nền bằng áp lực phân bố trên mặt tiếp xúc giữa dầm và nền. ếu
nền có tính đàn hồi thì dầm đặt trực tiếp trên nền được gọi là dầm trên nền đàn hồi, thí
dụ như dầm móng, tà vẹt. Trong thực tế kỹ thuật ta thường gặp một dầm tựa trên một
dãy gối đàn hồi liên tiếp gần nhau thí dụ ray tựa lên tà vẹt.

Hình 1-4: Dầm trên nền đàn hồi
1.1.5 Kết cấu dàn chịu lực
Một trong các nhược điểm quan trọng của kết cấu dầm là khả năng chịu lực và
khả năng vượt nhịp. Do trong dầm cịn nhiều vùng làm việc khơng hiệu quả. ụ thể
như vùng bụng của dầm hầu như không làm việc. ể giảm nhẹ trọng lượng kết cấu,
nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu cũng như để nâng cao khả năng chịu lực và khả
năng vượt nhịp của kết cấu. gười ta đã đề xuất kết cấu dàn. Kết cấu dàn được tổ hợp
từ các phần tử dạng thanh. ũng như dầm, tuy nhiên dàn được thiết kế tối ưu hơn, loại
bỏ được những phần không cần thiết, các thành phần của dàn hầu như chỉ chịu kéo

hoặc nén nên có khả năng làm việc tốt hơn kết cấu dầm.

Hình 1-5: Dàn thép
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 cơng
trình vượt nhịp lớn.


8

1.2 Một số kết cấu chịu uốn mới
1.2.1 Dầm thổi phồng
Kết cấu màng mỏng là những kết cấu được làm bằng vải kỹ thuật và được ổn định
bằng cách tạo ra một ứng suất trước trong vải. Dự ứng lực này được cung cấp trong
màng mỏng bằng cách:
-

ặt vào một ngoại lực làm căng màng mỏng. ây là trường hợp của các kết cấu
kéo căng.

- Tạo ra một áp lực từ bên trong để chịu tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài.
ây là lĩnh vực nghiên cứu của kết cấu màng mỏng thổi phồng.
Trong lĩnh vưc này, có hai loại kết cấu khác nhau:
- Kết cấu được giữ vững bằng máy thổi khí: các kết cấu này được cấu thành từ
một lớp màng mỏng, và khả năng chịu tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài
phụ thuộc vào áp lực khí thổi vào.
- Kết cấu thổi phồng: loại kết cấu này được cấu tạo với hai lớp màng mỏng. Kết
cấu này tự chịu lực được, và tự tạo được hình dạng khi được thổi khí. Kết cấu
này được bịt kín, một khi được thổi đầy khí rồi thì khơng cần phải cung cấp khí
liên tục nữa. Trong một vài trường hợp cụ thể, kết cấu bị xì, nó sẽ được liên kết

với máy để giữ nguyên áp suất thổi phồng cho kết cấu.

Hình 1-6: Dầm thổi phồng
ề xuất đầu tiên về 1 cơng trình thổi phồng được đưa ra bởi rederick illiam
Lanchester, người được cấp bằng sáng chế vì đã thiết kế thành cơng một bệnh viện dã
chiến (xem ình 1.6) vào năm 1917. ó là một chiếc lều vải được thổi phồng với áp
suất thấp.


9

Hình 1-7: Kết cấu thổi phồng được sử dụng t m thời
Trong những năm tiếp theo, mơ hình kết cấu thổi phồng đã được sử dụng trong
phạm vi các hoạt động ngắn hạn như tạm trú khẩn cấp sau khi thiên tai, lều của ội
hữ thập đỏ.... ấy là những trường hợp cần những chỗ lưu trú khẩn cấp, nhanh chóng
và dễ tháo lắp
ăm 1970, ội nghị triển lãm tại Osaka hật Bản được tổ chức với chủ đề “Sự
phát triển hài hịa của hân Loại “. Trong đó, chủ đề về cấu trúc vật liệu nhẹ trong xây
dựng được nhắc đến rất nhiều, lý do là vì hật Bản là một nước thường xuyên xảy ra
động đất. Từ thời điểm đó, mơ hình kết cấu thổi phồng ngày càng phát triển và được
áp dụng vào nhiều lĩnh vực chứ không chỉ trong việc xây dựng nhà tạm, ở đây sẽ là

những cơng trình bền vững hơn, lâu dài hơn. ó thể chỉ ra một số ví dụ như: bục
danh dự tại Tour de rance, những nhà kho thổi phồng, nhà mái vòm, và cả những nhà
thờ thổi phồng… (xem Hình 1.7)
Kết cấu thổi phồng cũng có thể được lựa chọn vì lý do thẩm mỹ. ác kết cấu
dạng cong, màu sắc rực rõ, kết cấu đẹp và mê hoặc có thể được sử dụng để gây ấn
tượng với người xem. hính vì vậy, kết cầu thổi phồng có thể được xem như là một
cuộc cách mạng của tương lai. ai tác phẩm Leviathan và Air orest (xem Hình 1.7)
chính là những minh chứng rõ ràng nhất cho lập luận đó.

10

Hình 1-8: Một số cơng trình thổi phồng được ứng dụng trong đời sống
Do trọng lượng nhẹ, các kết cấu màng mỏng thổi phồng này còn được sử dụng
để làm những mái che khổng lồ, ví dụ như mái che sân vận động Minesota Metrodome
ở Mỹ hay sân vận đông Tokyo Dome ở hật Bản (xem Hình 1.8). Việc sử dụng những
mái che kiểu màng mỏng thổi phồng này giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng so với
một cơng trình thơng thường.

Hình 1-9: Những sân vận động với mái vòm sử dụng kết cấu thổi phồng
Trong một số trường hợp, những kết cấu màng mỏng thổi phồng này còn được
sử dụng như là những yếu tố phụ được kết nối với những kết cấu chịu lực chính nhằm
mục đích làm mới cơng trình, cũng như tăng tính thẩm mỹ. Ví dụ như trường hợp
Trung tâm vũ trụ quốc gia của Anh và sân Allianz Arena ở ức.
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:
-

ó rất nhẹ và chỉ chiếm ít thể tích lưu kho.


11

-

hi 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.
-

hững 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 cố hữu cần phải khắc phục như:
- Kết cấu có thể bị xì hơi. ác 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. hững 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.
- Khó có được hình dạng phẳng. ó những hạn chế nhất định về hình dáng của
kết dầm thổi phồng này. Bất k màng thổi phồng nào (túi khí, ống, vịng hình
xuyến) đều có xu hướng hình dáng theo đường cong.
- 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 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. ó thể nói khả năng chịu
lực của nó thấp hơn những kết cấu truyền thống khác.
- Khả năng chịu lực kém không thể bằng các kết cấu thơng thường, có độ võng
cao.

1.2.2 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 cơng trình như: ầu có khả năng vượt nhịp lớn. Tuy nhiên vẫn chưa


12

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:
-

ó 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.

Hình 1-10: Một số cơng trình ứng dụng Tensegrity
1.2.3 Kết cấu Tensairity
Tensairity là một ý tưởng thiết kế kết cấu chịu lực nhẹ hướng đến phát triển bền
vững; được tổ hợp từ thanh nén, dây cáp chịu kéo và dầm màng mỏng thổi phồng.
Trong kết cấu Tensairity, từng thành phần chịu lực được phát huy tối đa hiệu quả sử
dụng: thanh nén chỉ chịu nén, dây cáp chỉ chịu kéo và dầm màng mỏng thổi phồng có
tác dụng tạo cánh tay địn cho cặp ngẫu lực “kéo-nén” cũng như đảm bảo sự ổn định
cho thanh nén. Do đó, dầm Tensairity sẽ nhẹ hơn rất nhiều so với một dầm cổ điển.


13

Dầm này sở hữu nhiều ưu điểm so với một dầm cổ điển có khả năng chịu lực tương
đương hoặc trọng lượng tương đương.
- 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.
Tuy nhiên, như các kết cấu khác, Tensairity vẫn còn nhiều vấn đề cần khắc phục để có
thể sử dụng hiệu quả hơn:
- 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 tồn bộ hệ kết cấu;
-

ần bảo trì, bảo quản thường xuyên;

-

iá thành không nhất thiết rẻ hơn các kết cấu thơng thường.

Hình 1-11: Một số cơng trình ứng dụng Tensairity
1.3 KẾT LUẬN

ƯƠNG

Kết cấu chịu uốn có thể được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau và có nhiều
hình dạng khác nhau. Mỗi một loại cấu kiện đều có ưu nhược điểm riêng và được sử
dụng tối ưu trong lĩnh vực áp dụng của chúng, tùy thuộc vào điều kiện thi công, điều
kiện kinh tế… Tuy nhiên, để hướng đến phát triển bền vững, cần có những kết cấu có
thể tận dụng tối đa hiệu năng làm việc của các thành phần cấu tạo. Kết cấu Tensairity

hoàn tồn thích hợp trong điều kiện này và cần được nghiên cứu để phát triển. Trong
chương tiếp theo, để tạo tiền đề cho các nghiên cứu chính của đề tài, tác giả tổng hợp
các cơng thức giải tích để tính toán kết cấu chịu uốn Tensairity.


14

hương 2. TÍN

T

N

ẾT ẤU TENS IRITY

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu ứng xử của dầm Tensairity. Quá trình
nghiên cứu sẽ được chia thành hai giai đoạn khác nhau:
Giai đoạn 1: ghiên cứu sự thay đổi kích thước hình học của ống màng mỏng khi
được thổi phồng với áp suất nhất định.
ể xử lý bài toán thổi phồng ống màng mỏng này, đầu tiên bài toán sẽ được
triển khai trong khn khổ ống trực giao có thành dày để xây dựng các phương trình
cân bằng. Sau đó, các phương trình sẽ được phát triển bằng việc giả thiết chiều dày của
vật liệu tạo nên ống là rất bé so với bán kính ống để rút ra một hệ hai phương trình đại
số. iải hệ phương trình này cho phép xác định các kích thước hình học của ống ở
trạng thái thổi phồng.
Giai đoạn 2: ghiên cứu ứng xử của dầm Tensairity chịu uốn.
Dầm kiểu Tensairity là tổ hợp gồm 3 thành phần chịu lực khác nhau là thanh
nén, ống thổi phồng và dây cáp chịu kéo. Thanh nén được liên kết chặt chẽ với ống
thổi phồng thông qua hệ thống dây cáp. Ống thổi phồng có chức năng làm nền đàn hồi
cho thanh nén, hạn chế sự mất ổn định của thanh nén, do đó tăng khả năng chịu lực

của thanh nén. Thành phần chịu kéo trong hệ kết cấu được đảm nhiệm do dây cáp, vốn
chuyên chịu kéo. Vậy nên trong kết cấu này, hiệu qua làm việc của các thành phần
được tận dụng tối đa, giúp tăng khả năng chịu lực và giảm trọng lượng kết cấu.


15

GIAI ĐOẠN 1: SỰ THỔI PHỒNG ỐNG MÀNG MỎNG
2.1 Thiết lập phương trình cho bài tốn thổi phồng ống màng mỏng trực giao
Trong mục này, tác giả tổng hợp các kết quả nghiên cứu sự thay đổi kích thước
hình học của ống trụ tròn, được cấu tạo từ vật liệu vải kỹ thuật, và bị thổi phồng bởi áp
suất p của nhóm nghiên cứu guyễn et al [2013]
2.1.1 Đặt vấn đề
Bài tốn được thiết lập trong khn khổ biến dạng lớn, do đó cần phải phân biệt
trạng thái tự nhiên và trạng thái thổi phồng của ống.

ể xây dựng các phương trình

tính tốn, tác giả sử dụng hệ trục tọa độ trụ er , e , ex , với er , e và ex lần lượt là các
vectơ chỉ phương, đính hướng theo bán kính, chu vi và theo trục của ống.
Vị trí của một phần tử của ống ở trạng thái thổi phồng sẽ được ký hiệu là x và
được xác định bằng các tọa độ trụ như r , , x , như vậy, x rer

xex . Ở trạng thái

thổi phồng này, các vectơ chỉ phương tại phần tử (hay cịn gọi là vị trí) x phụ thuộc
vào giá trị của

.

Vị trí của phần tử đó ở trạng thái tự nhiên, chưa thổi phồng sẽ được ký hiệu là X và sẽ
được xác định bằng các tọa độ như R, , X - như vậy, X Rer

Xex . Tương tự

như ở trạng thái thổi phồng, các vectơ chỉ phương tại vị trí X sẽ phụ thuộc vào giá trị
của .
Ống có kích thước ban đầu với bán kính R, chiều dày màng mỏng H và có chiều dài L,
được khép kín tại các tiết diện có tọa độ X = 0 và X = L.

Phương trực giao

et

er

ex
e

eℓ

R
X

L

H

en = er

Hình 2-1: Kích thước hình học ban đầu của ống
Trong nghiên cứu này, vật liệu vải kỹ thuật được mô hình như một màng mỏng
đàn hồi trực giao với các vectơ chỉ phương trực giao e và et lần lượt được định


16

hướng theo phương ngang và dọc của các sợi vải. óc tạo bởi các vectơ e và ex được
gọi là góc định hướng và ký hiệu là

, 0

180o .

2.1.2 Sự vận động
iả thiết rằng các tiết diện ngang của ống màng mỏng sau khi thổi phồng là
phẳng và vng góc với trục Oex của ống, như vậy ống vẫn luôn có dạng hình trụ kể cả
ở trạng thái tự nhiên và trạng thái thổi phồng. Sự vận động của ống có thể được thể
hiện bởi quan hệ giữa các tọa độ r , , x ở trạng thái thổi phồng và R, , X ở trạng thái
tự nhiên như sau:

r

kθ R

x kx X

(2-1)

trong đó, các hệ số kθ , kx lần lượt là các hệ số biểu hiện sự thay đổi bán kính, chiều dài

của ống; và

k X thể hiện góc xoay của tiết diện ngang của ống.

2.1.3 Sự biến đổi - Biến dạng
Tọa độ của phần tử x ở trạng thái thổi phồng được xác định theo tọa độ của nó
ở trạng thái tự nhiên:

x r cos .er ( ) r sin .e ( ) x.ex

(2-2)

Ma trận gradient biến đổi được viết như sau:

kr cos
kr sin

Mat (F; B)

rsin
rcos
0

,R
,R

k sin
k cos
0

rsin , X
rcos , X
kx

(2-3)

dr
dX

(2-4)

trong đó:
kr

dr
dR

kr ( R), k

r
R

k ( R)

0, k x

kx ( X )

ịnh thức của ma trận gradient biến đổi được tính như sau:

J

detF kr k kx

(2-5)


17

Ten-xơ E biểu diễn các biến dạng từ trạng thái tự nhiên sang trạng thái thổi
phồng được tính theo cơng thức E (FT F I) / 2 và được và được biểu diễn dưới
dạng ma trận như sau:
2

r 'R
E

1

0
0

0

0
k 1
rk k
2
rk k k x r 2 k 2 1
2

(2-6)

ác số hạng của ten-xơ biến dạng E không phụ thuộc vào tọa độ trụ

.

2.1.4 Ứng suất
Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của màng mỏng trực giao này có thể
được viết như sau:
E

C:Σ

(2-7)

trong đó:
-

E là ten-xơ biến dạng reen - Lagrange;

-

C là ten-xơ độ mềm (ngược với ten-xơ đàn hồi) của vật liệu;

-

là ten-xơ ứng suất Piola-Kirchhoff.

Trong hệ tọa độ trực giao (en , e , et ) , quy luật ứng xử này được khai triển như sau:

Enn
E
Ett
2E t
2 Etn
2 En

Cnnnn
C nn
Cttnn
0
0
0

Cnn
C
Ctt
0
0
0

Cnntt
C tt
Ctttt
0
0
0

0

0
0
C tt
0
0

0
0
0
0
Ctnnt
0

0
0
0
0
0
Cn

nn

tt

(2-8)

t
tn
n

n

ác số hạng của ma trận này được biểu diễn thông qua các hệ số đàn hồi của vải kỹ
thuật theo công thức bên dưới:


18

Cnnnn

1
En

Cnn

C

C

1
E

C

Ctt

C tt

1
Gt

Ctnnt

tt

n
nn

E
t

E

1
Gtn

Cnntt

Cttnn

Ctttt

1
Et

Cn

n

tn

Et
(2-9)

1
Gn

Do hệ tọa độ địa phương trực giao (en , e , et ) của vải kỹ thuật khác với hệ tọa độ trụ
của ống (er , e , e x ) vậy nên cần phải thực hiện một phép thay đổi hệ tọa độ. Ma trận
của ten-xơ ứng suất Mat[C, (er , e , e x ) ] trong hệ tọa độ trụ của ống sẽ được xác định từ
ma trận của ten-xơ này trong hệ tọa độ địa phương của vải kỹ thuật:

i, j, k ,

{r, , x},

Cijk

PiI PjJ PkK P LCIJKL

(2-10)

và ma trận P là ma trận thay đổi hệ toa độ, được viết như sau:

Mat P

1
0
0

0
sin
cos

0
cos
sin

(2-11)

Phép thay đổi hệ tọa độ (2-11) cho phép biến phương trình (2-8) thành phương
trình sau:

Err
E
Exx
2E x
2 Exr
2 Er

Crrrr
C rr
Cxxrr
C xrr
0
0

Crr
C
Cxx

Cx
0
0

Crrxx
C xx
Cxxxx
C xxx
0
0

Crrx
C x
Cxxx
C xx
0
0

0
0
0
0
Cxrrx
Cr rx

0
0
0
0
Cxr

Cr

rr

xx

(2-12)

x
r

xr

r

r

trong đó, các số hạng của ma trận độ mềm được viết trong hệ tọa độ trụ

(er , e , e x ) của ống được triển khai nhau như sau: