ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

TRẦN VĂN PHƯƠNG

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊNH HƯỚNG MÀNG MỎNG
ĐẾN ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình
Dân dụng và Cơng nghiệp
Mã số: 8.58.02.01

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Đà Nẵng, năm 2022

1


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quang Tùng

Phản biện 1:
.......TS. Bùi Quang HIếu.....................................................................
Phản biện 2:
.......TS. Phạm Đăng Khoa.....................................................................

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng họp tại Trường Đại học Bách khoa
vào ngày …23...… tháng ….04..… năm …..2022.….

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách
khoa
− Thư viện Khoa Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp, Trường Đại
học Bách khoa – ĐHĐN

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


1
MỞ ĐẦU
1) Tính câp thiết
Ngày nay, kết cấu được cấu tạo từ vải kỹ thuật ngày càng được
ứng dụng rộng rãi. Các tấm vải kỹ thuật 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 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.
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 bao gồm 1 thanh
thanh chịu nén được liên kết với ổng thổi phồng có chức năng làm
nền đàn hồi cho thanh nén nhờ được liên kết với hệ thống dây cáp.
Dạng 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.
Trong dạng kết cấu này, tương tác giữa các thành phần cấu
kiện với nhau có ảnh hưởng rất lớn đến ứng xử tổng thể của kết cấu.
Biến dạng của ống màng mỏng có tác động đến lực căng trong dây
cáp và tương tác đến thanh nén, qua đó ảnh hưởng đến độ cứng tổng
thể của dầm. Biến dạng này của dầm lại phụ thuộc vào định hướng
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


2
vật liệu cấu tạo lên nó. Lực căng trong dây cáp lại phụ thuộc vào
phương pháp neo cáp và biến dạng của ống thổi phồng. Các ứng xử
này chưa được nghiên cứu trước đây. Do đó, đề tài:
“Ảnh hưởng của định hướng màng mỏng đến ứng xử của dầm
Tensairity”
là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
2) Mục tiêu của đề tài
- Tổng hợp các công thức tính tốn dầm Tensairity;
- Nghiên cứu ứng xử của dầm Tensairity bằng mơ hình phần
tử hữu hạn và bằng thực nghiệm;

3) Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
❖ Cách tiếp cận:
- Dựa trên những kết quả nghiên cứu mới nhất về kết cấu
màng mỏng thổi phồng, kết cấu dây cáp chịu lực và kết cấu dầm
Tensairity, tổng hợp các lý thuyết tính tốn để phân tích ứng xử của
dầm Tensairity;
- Kết hợp với việc phân tích mơ hình máy tính với các số liệu
thí nghiệm, phân tích ứng xử của dầm Tensairity.
❖ Phương pháp nghiên cứu:
- Sử dụng các phương pháp phân tích giải tích để tổng hợp các
cơng thức tính tốn dầm Tensairity;
- Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu ứng xử
của kết cấu dầm Tensairity;
- Đo đạc thực nghiệm để nghiên cứu ứng xử thực tế của dầm
Tensairity

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN
Chương này đề cập đến các cấu kiện chịu uốn cơ bản như dầm
và dàn được cấu tạo từ các vật liệu cổ điển như gỗ, bê tông cốt thép và
thép. Các cấu kiện chịu lực cổ điển này có ưu nhược điểm và phạm vi
sử dụng nhất định. Ngoài ra, để hướng tới phát triển bền vững, nhiều
cấu kiện chịu lực mới được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng
vật liệu, tăng khả năng chịu lực mà vẫn đảm bảo hạn chế trọng lượng

cấu kiện. Điển hình là cấu kiện thổi phồng, kết cấu dạng tensegrity và
đặc biệt là sự phối hợp giữa cấu kiện thổi phồng và tensegrity để tạo
nên cấu kiện chịu uốn dạng Tensairity – cấu kiện có khả năng chịu lực
tốt, đồng thời hạn chế tối đa trọng lượng kết cấu.
Một số nghiên cứu về vật liệu vải kỹ thuật, ứng xử của dầm
màng mỏng thổi phồng, ứng xử của dầm Tensairity cũng được đề
cập đến trong chương này.
1.1 Cấu kiện chịu uốn cổ điển
Dầm là cấu kiện dạng thanh chịu tải trọng vng góc với trục
cấu kiện. Dầm thường được sử dụng như kết cấu chịu lực trong các
cơng trình xây dựng. Dầm có thể được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác
nhau như: thép, bê tông cốt thép, gỗ…
1.1.1 Dầm thép
Dầm thép được sử dụng rộng rãi trong các cơng trình xây
dựng như cấu kiện chịu lực chính trong cơng trình thép hoặc cơng
trình liên hợp thép – bê tông cốt thép. Tùy vào hình dạng cơng trình,
khơng gian, ứng dụng... mà người ta sử dụng những hệ kết cấu phù
hợp. Cũng như các vật liệu khác, kết cấu thép cũng có những ưu và
nhược điểm riêng.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4
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 khơng thể bàn cãi thì loại kết
cấu này cũng còn tồn tại một số nhược điểm nhất định.
1.1.3 Dầm gỗ
Gỗ là nguyên vật liệu được con người sử dụng rộng rãi và lâu
đời. Ngoài việc được sử dụng để chế tạo các vật dụng thường ngày thì
gỗ còn được sử dụng để làm kết cấu chịu lực chính trong cơng trình.
1.1.4 Kết cấu dàn chịu lực
Kết cấu dàn ra đời - được tổ hợp từ các phần tử dạng thanh.
Về mặt tổng quát, dàm cũng là cấu kiện chịu uốn 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.
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
[1]. Dự ứng lực này được cung cấp trong màng mỏng bằng cách:
- Đặt vào một ngoại lực làm căng màng mỏng. Đây là trường
hợp của các kết cấu kéo căng.
- Tạo ra một áp lực từ bên trong để chịu tải trọng bản thân và
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



5
tải trọng bên ngồi.
- 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.
- 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.
- 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 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.
- Khó có được hình dạng phẳng. Có những hạn chế nhất định
về hình dáng của kết dầm thổi phồng này. Bất kỳ màng thổi phồng
nào (túi khí, ống, vịng hình xuyến) đều có xu hướng hình dáng theo
đường cong.
- Khả năng vận hành cịn 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 chịu lực kém không thể bằng các kết cấu thông
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

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6
thép chịu nén và dây cáp chịu kéo [2,3]. Kết cấu chịu uốn theo
nguyên lý Tensegrity đã được ứng dụng trong xây dựng một số cơng
trình như: Cầu có khả năng vượt nhịp lớn. Tuy nhiên vẫn chưa được
ứng dụng nhiều do kết cấu dễ mất ổn định.
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 [4,5].
- 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.
1.3 Một số cơng trình nghiên cứu về sự làm việc của kết
cấu dầm Tensairity
1.3.1 Ứng xử của vật liệu
❖ Cấu tạo của vải kỹ thuật
Loại vải này được cấu tạo từ hai nhóm sợi đan vào nhau để tạo
nên khả năng chịu lực chính cho tấm vải. Phía bên ngồi, các sợi vải
này được bọc bởi một lớp PVC (PolyVinyl Chloride)
Ứng xử cơ học của vải kỹ thuật
Các tấm vải kỹ thuật thường được dùng để tạo nên các kết cấu
thổi phồng. Trong phần trước, ta đã thấy được các ưu điểm của loại
kết cấu này. Vây nên, việc tìm hiểu nguyên lý làm việc và ứng xử
của loại vải này sẽ giúp ích cho việc mơ hình các kết cấu màng mỏng

thổi phồng được chính xác hơn.
Thí nghiệm đo các hệ số đàn hồi của vải kỹ thuật
Để có thể mơ hình cũng như tính tốn các kết cấu thổi phồng,
các nhà khoa học cũng như các kỹ sư cần có các số liệu chính xác về
tính chất cơ lý của loại vải kỹ được sử dụng. Cũng chính vì lý do này
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7
mà rất nhiều cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện để xác định
các mô-đun đàn hồi cũng như mô-đun chống cắt của các loại vải kỹ
thuật này.
❖ Phân tích ứng xử của ống màng mỏng bằng phương
pháp giải tích
Nhóm tác giả Nguyễn và cộng sự [16] đã đề xuất bài toán thổi
phồng ống màng mỏng đến áp suất p và sau đó xác định kính thước
hình học của ống ở trạng thái thổi phồng. Trong nghiên cứu này, bài
toán được thiết lập trong khuôn khổ biến dạng lớn để kể đến ảnh
hưởng của biến dạng lớn khi thổi phồng.
❖ Thí nghiệm đo biến dạng của ống ở trạng thái thổi phồng
Thí nghiệm này đã được Thạc sĩ Võ Ngọc Quang [17] (Cao
học K34, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) thực hiện trong đề tài nghiên
cứu của mình tại phịng thí nghiệm thuộc Khoa XDDD&CN, trường
Đại học Bách Khoa. Tất cả các thiết bị đo hay ống màng mỏng được
thí nghiệm.
Ống màng mỏng được kê lên các gối tựa, cách nhau 2m. Do
khi bị thổi phồng, một đoạn dài khoảng 20cm ở phía đầu ống bị méo,
khơng có dạng hình trụ tròn xoay, các phép đo biến dạng của ống

màng mỏng được thực hiện trong phạm vi chiều dài L = 1m ở giữa
ống. Kết quả thay đổi bán kính ống sẽ được lấy là giá trị trung bình
của các số liệu đo được từ hai cảm biến.
Tuy nhiên có sự chênh lệch tương đối lớn giữa kết quả lý
thuyết và kết quả thực nghiệm. Chênh lệch lớn nhất có lúc lên đến
39,1%.
1.3.2 Độ võng của dầm Tensairity
❖ Phân tích ứng xử của dầm Tensairity bằng phương pháp
giải tích
❖ Chuyển vị của dầm Tensairity
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


8
Nghiên cứu này được thực hiện bởi Thạc sĩ Lê Văn Quang
[19] (Cao học K34, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng) thực hiện trong đề
tài nghiên cứu của mình.
Trong nghiên cứu này, hai kích thước ống thổi phồng được đo
đạc: chiều dài giống nhau L = 3m , bán kính lần lượt là

R = 10cm −12.5cm . Các ống này được cấu tạo từ cùng một loại vải
kỹ thuật. Định hướng  = 00 :đây là định hướng vật liệu cơ bản nhất,
dễ chế tạo nhất của dầm màng mỏng thổi phồng.
- Phương pháp 1: Ống thổi phồng được lắp hờ vào thanh nén
thông qua hệ thống dây cáp. Sau đó bơm phồng ống đến một áp suất
nhất định nào đó mới tiến hành rút cáp để liên kết dầm và neo lại.
- Phương pháp 2: Ống thổi phồng được lắp vào thanh nén
thông qua hệ thống dây cáp. Ngay tại trạng thái ống được thổi phồng

sơ bộ (chỉ tạo ra dạng trụ tròn của ống, áp suất thổi phồng rất bé, có
thể bỏ qua), dây cáp đã được rút và neo lại sao cho ống thổi phồng
được liên kết chặt chẽ với thanh nén. Sau khi ống được thổi phồng
đến áp suất làm việc, dây cáp sẽ bị kéo căng và tạo ra ứng suất nén
trước trong thanh nén. Khi cấu tạo dầm theo phương pháp này, ngay
cả lúc chưa chịu tải trọng, dây cáp đã có lực kéo trước, thanh nén đã
bị nén trước.
Nghiên cứu này tập trung vào phân tích ứng xử của dầm đơn
giản Tensairity, nhịp 3.2m tựa lên hai đầu khớp và chịu tải trọng
phân bố đều.
Trong nghiên cứu này, các kết quả lý thuyết được tính hồn
tồn bằng các cơng thức giải tích.
- Bán kính ống thổi phồng được tính từ hệ phương trình phi
tuyến.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9
- Lực căng trong dây cáp được tính từ phương trình (1-1), phụ
thuộc rất lớn vào sự biến tiên bán kính ống khi bị thổi phồng;
- Chuyển vị của dầm Tensairity được tính theo cơng thức
Error! Reference source not found..
Sai số giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết phụ thuộc vào
phương pháp neo cáp:
- Neo sau: trong phương pháp này, chênh lệch giữa phương
pháp thực nghiệm và phương pháp giải tích vào khoảng 23.61%.
- Neo trước: Trong phương pháp này, lực căng trước trong dây

cáp bị ảnh hưởng rất lớn bởi sự biến thiên bán kính. Chênh lệch giữa
phương pháp thực nghiệm và phương pháp giải tích có thể lên đến
40.72%.
1.3.3 Lực căng trong dây cáp
Theo nghiên cứu của Luchsinger [4], lực căng trong dây cáp
bao gồm hai thành phần:
H = H0 + H1

(1-1)

trong đó H 0 là lực căng trước trong dây cáp, trước khi dầm
chịu tải trọng ngang. Lực căng này phụ thuộc vào tương tác giữa ống
thổi phồng và dây cáp.
- Trong trường hợp ống được thổi phồng đến một áp suất nhất
định rồi mới neo cáp thì lực căng này được xem như có thể bỏ
qua H 0 = 0 ;
- Khi thổi phồng ống đến một áp suất nhất định để chịu lực,
do dây cáp có mơ đun đàn hồi lớn, coi như khơng bị dãn dài, nó sẽ
làm ống thổi phồng bị biến dạng, ngược lại, ống thổi phồng sẽ tạo ra
một lực căng trước trong dây cáp và trong thanh nén với công thức
như sau: H 0 =

2 p 2   
1−
.
 R  R 

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



10
1.4 Kết luận chương
Cấu kiện 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. 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 hồn tồn thích hợp trong điều kiện này và cần được
nghiên cứu để phát triển. Trong chương này cũng đề cập đến các
nghiên cứu về vật liệu vải kỹ thuật, lý thuyết tính tốn sự thổi phồng
của dầm màng mỏng thổi phồng, lý thuyết tính toán của dầm
Tensairity và một số đo đạc liên quan đến kết cấu dầm Tensairity.

Chương 2
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY BẰNG
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Trong chương này, việc nghiên cứu ứng xử của dầm
Tensairity sẽ được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn
(PTHH), sử dụng phần mềm phân tích ABAQUS.
2.1 Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp số để

giải các bài tốn được mơ tả bởi các phương trình vi phân riêng
phần cùng với các điều kiện biên cụ thể [27]. Cơ sở của phương pháp
này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các
miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử).
2.2 Loại phần tử trong mô phỏng
2.3 Các bước mơ hình hóa trên phần mềm ABAQUS.
2.3.1 Xác định hệ đơn vị dùng để mơ hình hóa trong Abaqus
2.3.2 Xây dựng cấu kiện (Part)
2.3.3 Khai báo đặc trưng vật liệu
❖ Mơ hình vật liệu vải kỹ thuật
❖ Định hướng màng mỏng
❖ Mơ hình vật liệu thép và cáp
2.3.4 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt
❖ Mặt cắt dầm màng mỏng thổi phồng
❖ Mặt cắt thanh nén:
❖ Mặt cắt dây cáp:
❖ Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện
2.3.5 Lắp ghép cấu kiện
2.3.6 Thiết lập các bước phân tích
Tiếp xúc (Contact)
❖ Ràng buộc Tie

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


12
2.3.7 Gán tải trọng và điều kiện biên cho mô hình
2.3.8 Chia lưới cho cấu kiện trong mơ hình

2.3.9 Cơng tác phân tích dữ liệu mơ phỏng
2.3.10 Xem kết quả mô phỏng
2.4 Ảnh hưởng của định hướng vật liệu đến ứng xử của
dầm Tensairity
Ứng xử của dầm Tensairity sẽ được nghiên cứu thông qua một
vài phép mô phỏng số. Dầm có tổng chiều dài L = 2 = 3, 2m , được
tổ hợp từ thanh nén thép hộp có mơ đun đàn hồi Es = 200.000MPa
có kích thước tiết diện b  h   = 60  30 1 (mm  mm  mm) và ống
thổi

phồng

có

chiều

dài

L1 = 2

1

= 3m ,

đường

kính

D = 0,1 − 0,125 − 0,15m . Dầm chịu tải trọng phân bố đều


q = 0,5625 kN / m . Áp suất thổi phồng được thay đổi từ
p = 20 − 50 kPa . Định hướng màng mỏng  (0 ) = 00 − 900 . Các hệ số
đàn hồi của vật liệu được thể hiện trong Error! Reference source
not found.
Màng 1

Màng 2

Màng 3

E H (kN / m)

300

300

300

Et H (kN / m)

300

150

600

G t H (kN / m)

9,5


7,5

12,5



0,25

0,22

0,12

t

2.4.1 Ảnh hưởng của định hướng vật liệu đến kích thước
dầm thổi phồng
Định hướng màng mỏng ảnh hưởng rất lớn đến kích thước của
ống thổi phồng. Trong hệ dầm Tensairity, đường kính ống thổi
phồng có ý nghĩa quyết định đến cánh tay địn f = D giữa dây cáp và

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


13
thanh nén. Ngoài ra, với phương pháp neo trước, biến thiên kích
thước ống màng mỏng ảnh hưởng trực tiếp đến lực căng H trong
dây cáp ở giai đoạn thổi phồng. Hai tham số f và H có ý nghĩa
quyết định đến độ cứng của dầm Tensairity.

Biến thiên bán kính ở trạng thái thổi phồng R=0.15m, p=30
kPa
Kết quả mô phỏng cho thấy biến thiên bán kính ổng thổi
phồng phụ thuộc rất lớn vào định hướng vật liệu.
- Trong trường hợp vật liệu cân bằng E H = Et H , biểu đồ
biến thiên bán kính đối xứng qua vị trí  (0 ) = 450 và đạt giá trị tối đa
ở  (0 ) = 450 .
- Trong trường hợp vật liệu không cân bằng E H  Et H , biểu
đồ biến thiên bán kính là khơng đối xứng. Giá trị biến thiên này đạt
giá trị tối đa ở các góc  (0 ) lân cận vị trí 450 . Có thể lớn hơn hoặc
bé hơn 450 tùy thuộc tương quan giữa E H & Et H .
Điều này được giải thích bởi sự thay đổi giá trị mơ đun đàn hồi
E H của vật liệu dọc theo chu vi ống thổi phồng khi thay đổi định

hướng vật liệu. Theo đó :
2.4.2 Ảnh hưởng của định hướng vật liệu đến lực căng
trước trong dây cáp
Theo nghiên cứu của Luchsinger (26), lực căng trong dây cáp
bao gồm hai thành phần:
H = H0 + H1

- H0 =

2 p 2   
1−
là lực căng trước trong dây cáp ở trạng
 R  R 

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


14
thái thổi phồng, trước khi dầm chịu tải trọng ngang. H1 =

qL2
là lực
8f

căng được hình thành khi dầm chịu uốn. Do dây cáp có mơ đun đàn
hồi lớn, có thể bỏ qua biến dạng của dây cáp trong quá trình làm việc
của dầm. Do đó, tọa độ cáp ở vị trí giữa dầm f = D là khơng đổi
nên H 1 hồn tồn khơng phụ thuộc vào biến thiên bán kính, hay nói
sâu hơn là định hướng vật liệu.
Lực căng trước H 0 trong dây cáp là hàm bậc 2 theo biến thiên
bán kính. Do đó biểu đồ quan hệ giữa lực căng trước trong dây cáp
với định hướng vật liệu có hình dạng tương tự như của biến thiên bán
kính R . Trong trường hợp bán kính R=0.15m, áp suất thổi phồng
p=30 kPa, lực căng trước lớn nhất ứng với màng 2, H0 = 0,888 kN ,
góc định hướng  = 410 ; tỷ lệ giữa lực căng trước và lực căng toàn
phần trong dây cáp

H0
= 25,6% .
H

Lực căng trước bé nhất ứng với màng 3, H0 = 0,093 kN , góc
định hướng  = 00 ; tỷ lệ giữa lực căng trước và lực căng toàn phần
trong dây cáp


H0
= 3,34% . Chênh lệch lực căng trước trong hai
H

trường hợp này lên tới 9.5 lần.
2.4.3 Ảnh hưởng của định hướng vật liệu đến chuyển vị của
dầm Tensairity
Lực căng trong dây cáp H = H0 + H1 và tọa độ f của dây cáp
ở vị trí giữa dầm có ý nghĩa quyết định đến khả năng chống uốn của
dầm, hay nói cách khác là độ cứng của dầm.
Chuyển vị giữa dầm vs góc định hướng, R=0.15m, p=30 kPa
Theo như thể hiện trong hình Error! Reference source not

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


15
found., dầm sẽ có độ võng lớn nhất w = 69, 47 mm khi sử dụng màng
3, góc định hướng  = 00 . Độ võng bé nhất w = 20, 44mm tương ứng
khi sử dụng màng 2, góc định hướng  = 410 . Điều thú vị được rút
ra là màng 2 là màng có hệ số đàn hồi bé nhất trong các vật liệu được
sử dụng, và màng 3 là màng có hệ số đàn hồi lớn nhất.
Như vậy, đối với kết cấu Tensairity, không cần thiết phải sử
dụng màng mỏng có hệ số đàn hồi lớn.
❖ Một nhận định đối với phương pháp neo sau.
Có thể suy luân một cách logic rằng, đối với phương pháp neo
cáp sau:

- H 0 = 0 , lực căng trong dây cáp hồn tồn khơng phụ thuộc
vào định hướng vật liệu.
- tỷ lệ đóng góp của lực căng trong dây cáp đến độ võng w của
dầm là rất đáng kể.
- tọa độ dây cáp f sẽ bằng với đường kính ống ở trạng thái
thổi phồng Dinf , mặc dù có biến thiên nhưng với tỷ lệ khơng lớn.
Do đó, độ võng của dầm hầu như không phụ thuộc vào định
hướng vật liệu màng mỏng.
2.5 Kết luận
Dầm Tensairity đã được mô phỏng bằng phương pháp phần tử
hữu hạn, sử dụng phần mềm phân tích ABAQUS 2016. Các kết quả
về biến dạng của ống màng mỏng ở trạng thái thổi phồng, lực căng
trong dây cáp và chuyển vị của dầm được phân tích theo sự thay đổi
của định hướng vật liệu. Theo kết quả thu được, nhận thấy định
hướng màng mỏng có ảnh hướng lớn đến ứng xử của dầm Tensairity
trong trường hợp neo trước. Trong chương tiếp theo, các phép đo đạc
thực nghiệm sẽ được thực hiện để quan sát ứng xử thực tế của dầm
Tensairity khi thay đổi định hướng vật liệu.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


16
Chương 3
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA DẦM TENSAIRITY BẰNG
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Trong chương này, các phép đo đạc thực nghiệm sẽ được tiến
hành để quan sát ứng xử của dầm Tensairity. Dầm Tensairity được
chế tạo với hai kích thước ống màng mỏng khác nhau và ba định

hướng vật liệu. Các phép đo đạc nhằm mục đích quan sát ảnh hưởng
của định hướng vật liệu đến chuyển vị của dầm Tensairity.
3.1 Mơ hình thí nghiệm dầm Tensairity
3.1.1 Các thành phần cơ bản
Dầm Tensairity được tạo nên từ ba thành phần chính: thanh
thép hộp chịu nén, dây cáp chịu kéo và ống thổi phồng làm nền
đàn hồi.
❖ Thanh nén bằng thép hộp
Thanh thép chịu nén được sử dụng trong thí nghiệm này là thép
hộp Hịa Phát có kích thước b  h   = 30  60 1 (mm  mm  mm) có
khối lượng riêng 1.375 kg/m.

Hình 3.1. Thép hộp
❖ Dây cáp chịu kéo
Dây cáp được sử dụng trong thí nghiệm này có đường kính
1mm, được cung cấp bởi cơng ty Perfect Connection với cường độ
chịu kéo Rs = 1000MPa .
❖ Ống màng mỏng thổi phồng
Trong nghiên cứu này, ống màng mỏng thổi phồng có chiều

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


17
dài giống nhau L = 3m và bán kính lần lượt là R = 12.5cm và 15cm
được chế tạo.
Trong hai nghiên cứu trước đây của tác giả Võ Ngọc Quang về
việc đo biến dạng ống thổi phồng và Lê Văn Quang về việc đo

chuyển vị dầm Tensairity, ống màng mỏng thổi phồng được chế tạo
với phương của các sợi vải (phương trực giao của vật liệu) được định
hướng dọc theo trục của ống  = 00 . Trong nghiên cứu này, phương
trực giao của màng mỏng không nhất thiết phải được định hướng dọc
theo trục ống mà có thể được định hướng bất kỳ. Theo kết quả phân
tích từ chương 2, góc định hướng trong phạm vi lân cận 450 sẽ cho
độ cứng dầm Tensairity lớn nhất. Tuy nhiên, do hạn chế về việc chế
tạo nên trong nghiên cứu này, góc định hướng  sẽ được giới hạn
trong 3 góc  = 00 ;150 ;300 .
Để đảm bảo tính chính xác trong khâu chế tạo, các mẫu vật
này được đặt hàng chế tạo bởi công ty TNHH Nguyện Như, thành
phố Hồ Chí Minh. Các ống màng mỏng được sử dụng trong thí
nghiệm này được cấu tạo từ vải kỹ thuật Ferrari F502. Các thông số
kỹ thuật của loại vải này được cung cấp bởi nhà phân phối, xem
Bảng 3-1. Tính chất cơ lý của vải Ferrari F502
Chỉ tiêu kỹ thuật

Sợi dọc

Sợi ngang

Sợi vải

Polyester 550 Dtex

Polyester 550 Dtex

Cách dệt vải

10 sợi / 1cm


10 sợi / 1cm

Cường độ chịu kéo

140 daN / 5cm

150 daN / 5cm

Cường độ chịu xé

10 daN / 5cm

12 daN / 5cm

Mô đun đàn hồi E

305 kN/m

294 kN/m

3.1.2 Liên kết trong dầm Tensairity
Thanh nén được đo và cắt sao cho có chiều dài lớn hơn chiều
dài ống thổi phồng một đoạn 60cm. Đoạn dôi ra này sẽ được kê lên

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



18
các gối tựa để tạo thành mơ hình dầm đơn giản.

a) Xác định vị trí cắt thép

b) Cắt thép

Trên thanh nén này, ta hàn các con ren tại vị trí giữa dầm, và
cách 30cm ở mỗi đầu dầm. Các con ren ở vị trí giữa dầm sẽ có nhiệm
vụ dẫn hướng cho dây cáp, và các con ren ở phía đầu dầm sẽ có
nhiệm vụ neo cáp.

a) Định vị ren

b) Hàn ren vào thanh nén

Để neo cáp, ta dùng các “cẳng chó” để xiết, khơng cho dây cáp
tuột tại các vị trí đầu dầm. Do có thể dễ dàng nới lỏng cũng như xiết
chặt cẳng chó nên hồn tồn có thể điều chỉnh chiều dài đoạn cáp để
dây cáp có thể ôm sát ống thổi phồng.
Thanh nén đặt lên trên dầm thổi phồng và được liên kết chặt
chẽ bởi các dây cáp nối xoắn ốc từ đầu này đến đầu kia của ống.
Có 4 đoạn dây khác nhau được lắp đặt và liên kết theo hình xoắn
ốc lên dầm:
- Hai đoạn dây có được bắt đầu từ đầu này của dầm, kéo xoắn
ốc qua vị trí giữa dầm rồi được neo vào đầu kia của dầm.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



19
- Hai đoạn dây còn lại được kéo xoắn ốc qua vị trí 1/4 dầm,
tiếp tục đi qua ren tại vị trí 1/2 dầm, lại được kéo xoắn ốc qua vị trí
3/4 dầm rồi cuối cùng được neo ở đầu kia.
Trong nghiên cứu này, có hai phương pháp kéo và neo cáp
được thực hiện:
1. Phương pháp 1: Ống thổi phồng được lắp hờ vào thanh nén
thông qua hệ thống dây cáp. Sau đó bơm phồng ống đến một áp suất
nhất định nào đó mới tiến hành rút cáp để liên kết dầm và neo lại.
Theo phương pháp này, trước khi chịu uốn, nội lực trong dây cáp có
thể được xem như bỏ qua.
2. Phương pháp 2: Ống thổi phồng được lắp vào thanh nén
thông qua hệ thống dây cáp. Ngay tại trạng thái ống được thổi phồng
sơ bộ (chỉ tạo ra dạng trụ tròn của ống, áp suất thổi phồng rất bé, có
thể bỏ qua), dây cáp đã được rút và neo lại sao cho ống thổi phồng
được liên kết chặt chẽ với thanh nén. Sau khi ống được thổi phồng
đến áp suất làm việc, dây cáp sẽ bị kéo căng và tạo ra ứng suất nén
trước trong thanh nén. Khi cấu tạo dầm theo phương pháp này, ngay
cả lúc chưa chịu tải trọng, dây cáp đã có lực kéo trước, thanh nén đã
bị nén trước. Và thậm chí dầm sẽ bị vồng ngược lên trên như ứng xử
của dầm bê tông cốt thép ứng lực trước.
Sau khi được chế tạo, dầm Tensairity sẽ được đặt lên các gối.
Thực chất các ống thổi phồng chỉ có chiều dài 3m, tuy nhiên sau khi
được thổi phồng thì hai đầu bị phình ra, khoảng cách giữa hai đầu
mút lên đến 3.2m. Do đó, các gối tựa trong thí nghiệm này được đặt
cách nhau 3.2m, nhịp tính tốn của dầm cũng sẽ là 3.2m.
Tải trọng được sử dụng trong thí nghiệm này cũng chính là các
tải trọng được sử dụng trong thí nghiệm đo chuyển vị của dầm thép

hộp. Khối lượng mỗi cục tải là m = 15kg . Các tải trọng này được

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


20
chất đều lên dầm theo chiều dài, tạo thành tải trọng phân bố đều có
cường độ q = 180kg / 3.2m ). Áp suất thổi phồng được tăng theo 5
cấp: 10 − 50kPa .

a)

Trạng thái dầm Tensairity lúc chưa thổi phồng

b) Trạng thái dầm Tensairity lúc đã thổi phồng

❖ Các dụng cụ đo
➢ Bơm khí và đo áp suất trong ống
Dầm dùng để thí nghiệm có dạng ống kín, khơng rị rỉ nên áp
suất trong ống ln được giữ ở mức ổn định. Khi thổi phồng ống,
cần phải cung cấp một lượng khí nén cần thiết cho ống nên cần phải
có một van khí phù hợp. Trong nghiên cứu này, để phù hợp với điều
kiện thực tế tại Việt Nam, tác giả đã dùng van xe máy cho dầm hơi.
Thiết bị bơm hơi là máy nén khí Sunny Compressor 2. 5Hp thường
được sử dụng để bơm xe máy và ô tơ. Ống bơm được kết nối với đầu
bơm có gắn đồng hồ đo áp suất mã hiệu Flexbimec 7301 để sơ bộ
kiểm soát áp suất Sau khi sơ bộ kiểm soát được áp suất vào ống


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


21

a) Máy nén khí Sunny Compressor
b) Đồng hồ đo áp suất
Flexbimec 7301
áp suất khí trong ống được kiểm tra chính xác hơn bằng cảm
biến đo áp suất Tire Gauge 4 in 1.

Hình 3.2. Thiết bị đo áp suất

➢ Indicator đo chuyển vị
Để đo chuyển vị, chúng tôi sử dụng thiết bị đo chuyển vị bằng
phương pháp vật lý. Thiết bị này có cho phép xác định chuyển vị của
dầm với độ chính xác lên đến 0.01mm .

Hình 3.3. Indicator dùng để đo chuyển vị

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


22
3.2 Thí nghiệm đo chuyển vị của dầm Tensairity có định
hướng màng mỏng bất kỳ

Các mô phỏng số cho thấy, ở giai đoạn thổi phồng, khi định
hướng vật liệu không trùng với trục ống, sự biến thiên bán kính
của ống sẽ lớn hơn 2%, vượt ra ngoài giới hạn đo được của các
strain gauge hiện có. Bên cạnh đó, việc đo biến dạng của ống
bằng các phương pháp khác không cho độ chính xác cao nên trong
nghiên cứu này, tác giả không thực hiện phép đo biến dạng ống
màng mỏng thổi phồng.
Ngoài ra, theo như nghiên cứu của Lê Văn Quang, chênh lệch
kết quả giữa phương pháp thực nghiệm và phương pháp giải tích là
lớn nên trong nghiên cứu này, các nghiên cứu thực nghiệm chỉ phục
vụ mục đích quan sát ứng xử của dầm Tensairity khi định hướng vật
liệu thay đổi chứ không phục vụ việc so sánh kết quả và kiểm định
sự chính xác so với phương pháp giải tích và phương pháp phần tử
hữu hạn.
Các kết quả đo được tổng hợp và vẽ thành biểu đồ quan hệ
giữa chuyển vị giữa dầm và áp suất thổi phồng, thực hiện cho 3
trường hợp định hướng màng mỏng và 2 bán kính ống thổi phồng
khác nhau.
R=0.125m

w(mm)

120
110
100
90
80

70
60

50
Áp suất p (kPa)

40

20

25

30
alpha=0

35
alpha=15

40

45
alpha=30

50

a) Ống thổi phồng có bán kính R = 0.125m

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


23

R=0.15m

w(mm)

90
80
70
60
50
40

Áp suất p (kPa)

30
20

25

30
alpha=0

35
alpha=15

40

45
alpha=30

50


b) Ống thổi phồng có bán kính R = 0.15m

Từ các biểu đồ trong Hình 3.9, nhận thấy xu hướng biến thiên
độ võng giữa dầm theo góc định hướng của vật liệu được thể hiện
trong chương 2 là hoàn toàn xác thực. Theo xu hướng này, độ cứng
của dầm Tensairity tăng dần khi góc định hướng tăng từ 00 đến 300.
Khi áp suất thổi phồng càng tăng thì ảnh hưởng của góc định
hướng đến độ võng của dầm càng lớn. Cụ thể ở p = 20 kPa ,
R = 0.15m , chuyển vị giữa dầm tương ứng với góc định hướng

 = 300 bằng 92% so với trường hợp  = 00 , tỷ lệ này giảm xuống
còn 63% khi áp suất đạt p = 50 kPa .
3.3 Kết luận
Các dầm Tensairity đã được chế tạo với các đường kính ống
thổi phồng khác nhau, định hướng vật liệu khác nhau. Các phép đo
đạc thực nghiệm đã được tiến hành và cho thấy chuyển vị của dầm
Tensairity phụ thuộc rất lớn vào áp suất thổi phồng, kích thước của
dầm màng mỏng thổi phồng và phương pháp neo cáp và đặc biệt là
định hướng vật liệu. Khi định hướng vật liệu thay đổi, dạng của ống
thổi phồng sẽ có nhiều sự khác biệt, ảnh hưởng lớn đến lực căng
trong dây cáp và từ đó ảnh hưởng đến độ cứng tổng thể của dầm, ảnh
hưởng đến chuyển vị trong dầm. Kết quả đo cho thấy, với các dữ liệu
được thực hiện trong thí nghiệm này, thay đổi định hướng vật liệu có
thể giảm gần 40% chuyển vị của dầm. Trong trường hợp định hướng

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ