Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm màng mỏng thổi phồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌ VÕ NGỌ QU NG NG IÊN ỨU T Ự NG IỆM ỨNG XỬ Ủ DẦM MÀNG MỎNG T ỔI P ỒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công 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 Tôi cam đoan đây là công 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 công trình nào khác. gười cam đoan Võ Ngọc Quang MỤ LỤ TRANG BÌA LỜ AM OA MỤ LỤ TRA TÓM TẮT LUẬ VĂ DA MỤ Á BẢ DA MỤ Á Ì MỞ ẦU ...................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết ...........................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................................2 3. ối tượng nghiên cứu: .............................................................................................2 4. Phạm vi nghiên cứu: ................................................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2 6. Bố cục đề tài ............................................................................................................2 ƯƠ 1. TỔ QUA VỀ KẾT ẤU T Ổ P Ồ .........................................4 1.1. Tổng quan về cấu tạo và ứng dụng của kết cấu thổi phồng .................................4 1.1.1. ịnh nghĩa .....................................................................................................4 1.1.2. Ứng dụng của kết cấu màng m ng thổi phồng ..............................................4 1.1.3. h ng ưu đi m và nhược đi m của kết cấu màng m ng thổi phồng ..........10 1.2. Một số nghiên cứu về ứng xử của vật liệu .........................................................13 1.2.1. ấu tạo của vải kỹ thuật ..............................................................................13 1.2.2. Ứng xử cơ học của vải kỹ thuật ...................................................................14 1.2.3. Thí nghiệm đo các hệ số đàn hồi của vải kỹ thuật ......................................15 1.3. Một số nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của dầm màng m ng thổi phồng ...17 1.4. Một số công trình nghiên cứu lý thuyết về sự làm việc của kết cấu thổi phồng 18 1.5. Kết luận chương .................................................................................................19 ƯƠ 2. TÍ TOÁ KẾT ẤU M MỎ T Ổ P Ồ .....................20 2.1. Thiết lập phương trình cho bài toán thổi phồng ống màng m ng trực giao .......21 2.1.1. ặt vấn đề ....................................................................................................21 2.1.2. Sự vận động .................................................................................................22 2.1.3. Sự biến đổi - Biến dạng ...............................................................................22 2.1.4. Ứng suất .......................................................................................................23 2.1.5. Phương trình cân bằng ...............................................................................25 2.1.6. ệ phương trình phi tuyến xác định kích thước ống màng m ng thổi phồng ....................................................................................................................25 2.2. Thiết lập phương trình cho bài toán dầm ống màng m ng thổi phồng chịu uốn ....27 2.2.1. Chuy n động ................................................................................................28 2.2.2. huy n động ảo ...........................................................................................29 2.2.3. ông suất ảo của nội ứng suất .....................................................................30 2.2.4. ông ảo của tải trọng ngoài .........................................................................31 2.2.5. Phương trình cân bằng phi tuyến .................................................................37 2.2.6. Quy luật ứng xử của vải kỹ thuật ở trạng thái thổi phồng ...........................38 2.2. . Tuyến tính hoá bài toán ...............................................................................39 2.3. Phân tích ứng xử của dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn .............................40 2.3.1. Dầm công xôn thổi phồng chịu uốn ngang..................................................40 2.3.2. Dầm đơn giản thổi phồng chịu uốn ngang ..................................................42 2.4. Kết luận chương .................................................................................................42 ƯƠ 3. Ê ỨU T Ự ỆM Ứ XỬ ỦA KẾT ẤU M MỎ T Ổ P Ồ ..................................................................................................44 3.1. Thí nghiệm đo biến dạng ống màng m ng thổi phồng.......................................44 3.1.1. Ống màng m ng thổi phồng được sử dụng .................................................44 3.1.2. Vải kỹ thuật đươc sử dụng ..........................................................................45 3.1.3. ác dụng cụ đo ............................................................................................45 3.1.4. Lắp đặt thiết bị đo ........................................................................................48 3.2. o một dầm mẫu ................................................................................................50 3.2.1. iả thiết về trạng thái rỗng của ống ............................................................50 3.2.2. Thời gian chờ đ lấy kết quả thí nghiệm .....................................................50 3.2.3. Sự ổn định của ứng xử vật liệu ....................................................................51 3.3. Quy trình thí nghiệm ..........................................................................................51 3.4. Kết quả thí nghiệm và nhận định ........................................................................52 3.4.1. Kết quả .........................................................................................................52 3.4.2. hận xét .......................................................................................................55 3.5. o chuy n vị của ống màng m ng thổi phồng chịu uốn ....................................56 3.5.1. Lắp đặt thiết bị đo ........................................................................................56 3.5.2. Quy trình thí nghiệm ...................................................................................56 3.6. Kết luận...............................................................................................................59 KẾT LUẬ V K Ế Ị .......................................................................................60 T L ỆU T AM K ẢO .............................................................................................61 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 ỨNG XỬ Ủ DẦM MÀNG MỎNG T ỔI P ỒNG ọc viên: Võ gọc Quang huyên ngành: Kỹ thuật công trình xây dựng Mã số: 8580201 Khóa: K34 -XDD.Qng Trường ại học Bách khoa – Tóm tắt – Dầm màng m ng thổi phồng là một cấu kiện chịu uốn được cấu tạo từ vải kỹ thuật và được tạo hình thành ống kín. Ưu đi m của loại kết cấu này là trọng lượng nhẹ, tốn ít th tích lưu kho và khả năng vận chuy n, lắp dựng dễ dàng. Các nghiên cứu lý thuyết về loại kết cấu này đã được thực hiện trước đây. Luân văn này chỉ giới hạn trong các nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm khi bị thổi phồng và khi chịu uốn. ác kết quả thực nghiêm thu được khá tương đồng với xu hướng ứng xử của dầm trong các nghiên cứu lý thuyết trước đây. Từ khóa – dầm thổi phồng, nghiên cứu thực nghiệm, vải kỹ thuật, biến dạng lớn. EXPERIMENTTAL ANALYSIS ON THE BEHAVIOR OF INFLATABLE BEAM Abstract - An inflated membrane beam is a flexural component made of technical fabric and made into a closed tube. The advantage of this type of structure is light weight, low storage volume and easy transport and erection capability. The theoretical studies of this type of structure have been done before. This practice is limited to experimental studies of beam behavior when inflated and under bending. The actual results obtained are quite similar to the behavior trend of beams in previous theoretical studies. Key words - inflatable beam, orthotropic material, experimental study, material orientation, finite deformation. D N MỤ CÁC ẢNG Bảng 3.1. Tính chất cơ lý của vải Ferrari F502 .............................................................. 45 Bảng 3.2. Kết quả đo biến dạng ống màng m ng trong quá trình thổi phồng ............... 53 Bảng 3.3. Kết quả đo chuy n vị theo tải trọng tác dụng ................................................ 58 Bảng 3.4. Kết quả đo chuy n vị theo áp suất thổi phồng ............................................... 59 D N Hình 1.1. Vệ tinh thổi phồng MỤ CÁC HÌNH O .............................................................................5 ình 2.1. Sự biến đổi trong quá trình uốn dầm thổi phồng ...........................................27 ình 2.2. Mô hình chuy n động của ống màng m ng thổi phồng chịu uốn .................28 ình 2.3. Tải trọng tĩnh .................................................................................................31 ình 2.4. ệ tọa độ cong ...............................................................................................34 ình 2.5. ông-xôn thổi phồng chịu uốn ngang ...........................................................40 ình 2.6. Dầm đơn giản thổi phồng chịu uốn ngang ....................................................42 Hình 3.1. Ống màng m ng được sử dụng .....................................................................44 ình 3.2. Thiết bị bơm khí ............................................................................................46 ình 3.3. Thiết bị đo áp suất .........................................................................................46 Hình 3.4. Strain gauge PL-60-11 ...................................................................................47 ình 3.5. Thiết bị thu tín hiệu và xuất kết quả ..............................................................47 Hình 3.6. Indicator dùng đ đo chuy n vị .....................................................................48 ình 3. . Thí nghiệm đo biến dạng ống thổi phồng......................................................48 ình 3.8. Sơ đồ bố trí các cảm biến đo biến dang.........................................................49 Hình 3.9. Van an toàn ....................................................................................................50 Hình 3.10. Quy trình thí nghiệm đo biến dạng ống trong quá trình thổi phồng ............52 ình 3.11. Sự biến thiên kích thước hình học của ống .................................................55 ình 3.12. Mô hình thí nghiệm .....................................................................................56 Hình 3.13. Biến thiên của độ võng theo tải trọng tác dụng – p=30 kPa........................57 ình 3.14. Biến thiên của độ võng theo áp suất – F=30N ............................................57 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết iện nay, phần lớn nh ng công trình xây dựng trên thế giới làm từ vật liệu cổ đi n là: gạch, đá, bê tông và đặc biệt là bê tông cốt thép và thép. Ưu đi m chung của các loại vật liệu này là khả năng chịu lực lớn, tuổi thọ công trình cao. Tuy nhiên, nhược đi m của nh ng vật liệu cổ đi n này là trọng lượng bản thân lớn, việc xây dựng và tháo dỡ khi không dùng đến tốn nhiều chi phí. Vì vậy, một loại vật liệu mới nhẹ hơn đang được nghiên cứu và đưa vào sử dụng là vật liệu vải kỹ thuật. Stadium Tennis Center - USA Allianz Arena - ức Pont de Val Cenis - Thụy Sỹ Tokyo Dome - hật Bản Hình 1 – Một số công trình có sử dụng kết cấu thổi phồng ác tấm vải kỹ thuật này thường được tạo hình thành nh ng ống kín, được thổi khí vào đ có th 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 đ tạo nên khung chịu lực chính trong rất nhiều công trình xây dựng trên thế giới như mái v m phục vụ sự kiện, nhà v m phục vụ hội nghị, các kết cấu đỡ mái nhà dân dụng, các cầu tạm . Ưu đi m của dạng kết cấu mới này là quá trình xây dựng nhanh, có th tháo dỡ và chuy n đến nơi khác một cách nhanh chóng, tiện lợi. Tải trọng bản thân của kết cấu nh nên sẽ giảm thi u trọng lượng bản thân công trình. . . goài ra, khi dầm thổi phồng này được kết hợp với các vật liệu truyền thống một cách hiệu quả thì có th 2 nâng cao rất nhiều khả năng chịu lực của kết cấu mà không làm tăng nhiều trọng lượng bản thân. Kết cấu liên hợp này hiện đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới như một cấu kiện chịu lực cơ bản của công trình. 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 ứng xử của loại kết cấu này. a phần các nghiên cứu trong nước tập trung vào phương pháp giải tích cũng như phương pháp mô ph ng bằng phương pháp phần tử h u hạn đ phân tích ứng xử của dầm màng m ng thổi phồng. iện tại chưa có nghiên cứu nào được đầu tư theo hướng thực nghiệm. Vậy nên đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm màng mỏng thổi phồng” có ý nghĩa khoa học cao nhằm ki m chứng các lý thuyết được xây dựng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài a) Mục tiêu tổng quát: ghiên cứu ứng xử của dầm màng m ng thổi phồng bằng phương pháp thực nghiệm b) Mục tiêu cụ thể: - hế tạo được các mẫu dầm thổi phồng dùng đ thí nghiệm; - Xác định được sự thay đổi đặc trưng hình học của dầm màng m ng sau khi được thổi phồng bằng phương pháp thực nghiệm; ghiên cứu ứng xử của dầm màng m ng thổi phồng khi chịu uốn; - So sánh với các kết quả lý thuyết và mô ph ng đã có trước đây đ đưa ra kết luận. 3. Đối tượng nghiên cứu: Dầm màng m ng thổi phồng được cấu tạo từ vải kỹ thuật. 4. Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử của dầm màng m ng khi được thổi phồng và khi chịu tải trọng. 5. Phương pháp nghiên cứu ghiên cứu cứu thực nghiệm ứng xử của dầm màng m ng thổi phồng. 6. ố cục đề tài hương 1. Tổng quan về kết cấu màng mỏng thổi phồng 1. 1. Tổng quan về cấu tạo và ứng dụng của kết cấu màng m ng thổi phồng 1. 2. Một số kết quả nghiên cứu về ứng xử của vật liệu vải kỹ thuật 1. 3. Một số công trình nghiên cứu về sự làm việc của kết cấu màng m ng thổi phồng 1. 4. Kết luận chương hương 2. Nghiên cứu thực nghiệm sự thổi phồng dầm màng mỏng 2. 1. Thiết bị thí nghiệm 3 2. 2. Quy trình thí nghiệm sự thổi phồng dầm màng m ng 2. 3. ường quan hệ áp suất – thay đổi kích thước hình học của dầm 2. 4. So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm 2. 5. Xác định hệ số đàn hồi của vải kỹ thuật từ thí nghiệm thổi phồng 2. 6. Kết luận chương hương 3. Nghiên cứu thực nghiệm dầm màng mỏng thổi phồng chịu uốn 3. 1. Thiết bị thí nghiệm 3. 2. Quy trình thí nghiệm dầm màng m ng thổi phồng chịu uốn 3. 3. ường quan hệ tải trọng – chuy n vị của dầm 3. 4. So sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm 3. 5. Kết luận chương ết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 4 ƯƠNG 1. TỔNG QU N VỀ KẾT CẤU THỔI PHỒNG Trong chương này, tác giả đ cập đến cấu tạo của dầm màng m ng thổi phồng cũng như các ứng dụng khác nhau của hệ kết cấu màng m ng thổi phồng được cấu tạo từ vải kỹ thuật. Bên cạnh đó, tác giả giới thiệu các ưu nhược đi m của loại kết cấu màng m ng này. hương này được kết thúc bằng việc tóm tắt lại các công trình nghiên cứu giải tích, mô ph ng số cũng như thực nghiệm đã được thực hiện trên thế giới. 1.1. Tổng quan về cấu tạo và ứng dụng của kết cấu thổi phồng 1.1.1. Định nghĩa Kết cấu màng m ng là nh ng 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 m ng bằng cách: ặt vào một ngoại lực làm căng màng m ng. ây là trường hợp của các cấu trúc kéo căng. - Tạo ra một áp lực từ bên trong đ chịu tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài. ây là lĩnh vực nghiên cứu của kết cấu màng m ng thổi phồng. Trong lĩnh vưc này, có hai loại kết cấu khác nhau: + Kết cấu được gi v ng bằng máy thổi khí: các kết cấu này được cấu thành từ một lớp màng m ng, 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 cấu trúc này được cấu tạo với hai lớp màng m ng. 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 không cần phải cung cấp khí liên tục n a. Trong một vài trường hợp cụ th , kết cấu bị xì, nó sẽ được liên kết với máy đ gi nguyên áp suất thổi phồng cho kết cấu. Trong báo cáo này, chủ nhiệm đề tài chỉ xem xét kết cấu màng m ng thổi phồng. Loại kết cấu này có nh ng đặc tính rất thú vị và xuất hiện ngày càng nhiều trong các lĩnh vực cũng như các sự kiện khác nhau. 1.1.2. ng dụng của t c u màng mỏng thổi phồng  L nh vực kh ng gian: Sự phát tri n trong lĩnh vực công nghệ vũ trụ đã tập trung vào việc giảm chi phí quá cao của các chuyến đi khảo sát không gian [VV02]. Thực vậy, với nh ng hạn chế về kích thước cũng như trọng lượng của các vật th được đưa lên không gian trong lĩnh vực này, người ta phải tìm kiếm nh ng phương tiện phóng với kích thước nh hơn, nh ng dự án không gian hiện nay đang hướng đến việc phát tri n và nghiên cứu đ giảm thi u tối đa khối lượng và kích thước của các vật th , nguyên liệu trong ngành không gian. Ý tưởng được đưa ra ở đây là sử dụng nh ng vật liệu siêu nhẹ đ thay thế cho các vật liệu truyền thống. Và đ đạt được mục tiêu này, việc sử dụng công nghệ 5 thổi phồng là 1 giải pháp rất hứa hẹn đ phát tri n và mở rộng nh ng hệ thống không gian trong tương lai. h ng vật th lớn sẽ được gấp và cuộn lại đ thuận tiện cho việc phóng vào không gian, sau đó nó sẽ được mở ra khi đã bay vào quỹ đạo. Dưới đây là một số ứng dụng của kết cấu thổi phồng trong ngành khoa học vũ trụ: a) ệ tinh thổi phồng Trong nh ng năm 60 của thế kỷ trươc, ASA ( ơ quan hàng không vũ trụ quốc gia Mỹ) đã quan tâm đến kết cấu thổi phồng. Dự án nghiên cứu mang tên O1 (xem Hình 1.1) đã được tri n khai đ tìm ra nh ng yếu đi m cũng như nh ng đi m mạnh của công nghệ này. hiếc vệ tinh thổi phồng trong ảnh đã được phát tri n vào năm 1960 (VV02). Và tiếp sau sự thành công của dự án này thì nhiều vệ tinh khác đã được chế tạo trong nh ng năm sau đó, đơn cử như vệ tinh XPLOR R X (1961), EXPLORER XIX (1964), ECHO II (1966). . . [CT95]. Hình 1.1. Vệ tinh thổi phồng O b) ng t n à nh ph n x thổi phồng Sau nh ng thử nghiệm đầu tiên về vệ tinh thổi phồng, do ảnh hưởng của cuộc chạy đua về công nghệ vũ trụ gi a Mỹ và ga đã làm gián đoạn sự phát tri n của kết cấu thổi phồng này bởi vì cả 2 phía đều quyết định và tập trung nguồn lực vào việc nghiên cứu nh ng kết cấu truyền thống hơn. Khi chiến tranh lạnh kết thúc, nh ng nghiên cứu về kết cấu thổi phồng được đưa trở lại trong nh ng chương trình của NASA [Jia07]. Trong số nh ng các dự án được phát tri n, ASA đã cho phát tri n các ăng ten thổi phồng trong không gian (thí nghiệm . A. E, Hình 1). Ăng ten này đã được vận chuy n trên tàu con thoi phóng lên trạm vũ trụ SPARTA 20 và bơm hơi khi đã vào quỹ đạo. 6 a. Mô hình tri n khai trong vũ trụ b. Vệ tinh đã được tri n khai Hình 1.2. Vệ tinh không gian h ng tấm kính phản xạ dạng parapol có đường kính 14m và chiều dài hình ống khoảng 28m. iều đó chỉ ra rằng: - h ng kết cấu không gian có kích thước lớn vẫn có th được chế tạo với kinh phí thấp nếu sử dụng công nghệ thổi phồng; - ác kết cấu thổi phồng này có th được gấp lại đ tiết ki m th tích lưu kho hoặc vận chuy n. c) Tr m hông gian thổi phồng Việc sử dụng trạm không gian bằng cấu trúc bơm hơi được dự kiến sử dụng làm đi m dừng chân trên nh ng quỹ đạo bay gi a các hành tinh. ác trạm này cũng được xem xét sử dụng trực tiếp trên bề mặt của các hành tinh. h ng kết cấu không gian theo dạng kết cấu thổi phồng dưới dạng hình v m hoặc v ng xuyến đã được đề cập đến trong dự án thăm d sao a [Jia0 ]. Trạm vũ trụ ngoài không gian đầu tiên theo dạng thổi phồng với tên gọi Trans ab đã được đề xuất cho trạm vũ trụ quốc tế [Ape10]. Hình 1.3 giới thiệu minh họa về cấu trúc dạng bơm hơi trong không gian dành cho dự án thám hi m Mặt Trăng. Hình 1.3. Trạm vũ trụ thổi phồng của dự án khám phá Mặt Trăng c. Khinh h cầu hoa học bay ở độ cao lớn h ng quả khinh khí cầu này được thiết kế đ mang các thiết bị đo lên đến độ cao thích hợp đ làm nhiệm vụ. h ng chương trình phát tri n loại khinh khí cầu này 7 được thực hiện trên khắp thế giới. h ng hạn như ở Mỹ, một chương trình với tên gọi Super-Pressure Balloons (SPB) được tài trợ bởi ASA đ phát tri n nh ng quả bóng bay có th mang được một khối lượng lớn các thiết bị đo, nó sẽ được bơm hơi và cho bay đến một độ cao thích hợp đ thực hiện nh ng các phép đo cần thiết (nhiệt độ, tốc độ gió, ) hoặc đ giám sát liên tục các hoạt động khí tượng trên Trái ất. Tại châu u, loại bóng này được phát tri n ở trung tâm điều hành không gian Kiruna ở Thụy i n và S ở Pháp. Trên thế giới, một số nước cũng đã và đang phát tri n nh ng dự án tương tự như: hật Bản, Ấn ộ, anada, auy, Brazin, Argentina và ndonesia, cùng hợp tác với Mỹ và Pháp. Hình 1.4. Khinh khí cầu siêu áp của ASA Hình 1.4. cho thấy một quả bóng khoa học có đường kính 120m dạng bí ngô có th mang khối lượng lên tới 3500kg có th bay 100 ngày ở độ cao 3800m.  T ong l nh vực kỹ thuật dựng: ề xuất đầu tiên về 1 công trình thổi phồng được đưa ra bởi Frederick illiam Lanchester, người được cấp bằng sáng chế vì đã thiết kế thành công một bệnh viện dã chiến (Hình 1.5a) vào năm 191 . ó là một chiếc lều vải được thổi phồng với áp suất thấp. a. Bệnh viện dã chiến b. Lều hội ch thập đ c. Lều tạm Hình 1.5. Kết cấu thổi phồng được sử dụng tạm thời Trong nh ng năm tiếp theo, mô hình kết cấu thổi phồng đã được sử dụng trong 8 phạm vi các hoạt động ngắn hạn như tạm trú khẩn cấp sau khi thiên tai, lều của ội h thập đ . . . . ấy là nh ng trường hợp cần nh ng chỗ lưu trú khẩn cấp, nhanh chóng và dễ tháo lắp, xem hình 1.5. ăm 19 0, ội nghị tri n lãm tại Osaka hật Bản được tổ chức với chủ đề “ Sự phát tri n hài h a 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 đi m đó, mô hình kết cấu thổi phồng ngày càng phát tri n và được áp dụng vào nhiều lĩnh vực chứ không chỉ trong việc xây dựng nhà tạm, ở đây sẽ là nh ng công trình bền v ng hơn, lâu dài hơn. ó th chỉ ra một số ví dụ như: bục danh dự tại Tour de France, nh ng nhà kho bơm hơi, nhà mái v m, và cả nh ng nhà thờ bơm hơi (xem hình 1.6.) Kết cấu thổi phồng cũng có th được lựa chọn vì lý do thẩm mỹ. ác kết cấu dạng cong, màu sắc rực rõ, kết cấu đẹp và mê hoặc có th được sử dụng đ gây ấn tượng với người xem. hính vì vậy, kết cầu thổi phồng có th được xem như là một cuộc cách mạng của tương lai. Hai tác phẩm Leviathan và Air Forest (xem Hình 1.) chính là nh ng minh chứng rõ ràng nhất cho lập luận đó. a. Nhà mái vòm b. hà thờ Hình 1.6. Một số công trình thổi phồng được ứng dụng trong đời sống a. Leviathan – Paris b. Air Forest - USA Hình 1.7. Tác phẩm nghệ thuật bằng vải kỹ thuật 9 - Leviathan là một tác phẩm điêu khắc màng m ng được thiết kế bởi nghệ sĩ Anish Kapoor dành cho sự kiện Monumenta (xem hình 1.7), tác phẩm này được trưng bày trong 5 tuần tại ung điện hoàng gia Paris vào năm 2011. Tác phẩm cao 35m với tổng diện tích bề mặt là 33x 2 m2, bao gồm 3 bóng đ n lớn hình cầu được kết nối với nhau bởi một mái v ng khu trung tâm. Sự thành công của tác phẩm này chính là nhờ vào vẻ đẹp, kích thước to lớn, và độ tương phản của nó. - Air Forest là một t a kiến trúc công cộng tạm thời, được đặt tại Park city, Denver, Colorado, oa kỳ. Tọa lạc bên bờ rừng Denver. Kiến trúc của công trình này trông như chính là một phần của khu rừng. Tổng diện tích của nó là 56,3 × 25 m2 với độ cao 4m, được cấu thành bởi 9 mái v m hình lục giác kết nối với nhau. Tác phẩm này được thổi phồng lên bởi 14 máy quạt hơi khổng lồ đặt tại mỗi chân trụ của nó. Tác phẩm này trở thành một khu vực công cộng đ tổ chức nh ng buổi lễ, cả ngày lẫn đêm. Do trọng lượng nhẹ, các kết cấu màng m ng thổi phồng này c n được sử dụng đ làm nh ng 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 nh ng mái che ki u màng m ng thổi phồng này giúp giảm đáng k chi phí xây dựng so với một công trình thông thường. a. Metrodome Minnesota - USA b. Tokyo Dome - hật Bản Hình 1.8. Mái v m sử dụng kết cấu thổi phồng Trong một số trường hợp, nh ng kết cấu màng m ng thổi phồng này c n được sử dụng như là nh ng yếu tố phụ được kết nối với nh ng kết cấu chịu lực chính nhằm mục đích làm mới công 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 . 10 a. Trung tâm không gian quốc gia - Anh b. Tokyo Dome - hật Bản Hình 1.9. Kết cấu màng m ng thổi phồng được dùng đ trang trí  Một số l nh vực khác Kết cấu màng m ng thổi phồng có th được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Trong lĩnh vực hàng hải và chế tạo tàu ngầm, người ta có th tìm thấy nh ng hệ thống m neo thổi phồng. ệ thống neo bơm hơi được cấu tạo bởi 1 ống thép hình trụ, xung quanh được cố định một lớp màng cao su. ác chất l ng hoặc khí sẽ được bơm vào các khoảng trống gi a ống và lớp màng đ thổi phồng lên. Sự kết hợp này giúp làm tăng khả năng chịu lực của hệ thống m neo [ S03]. Trong lĩnh vực nuôi trồng thủy hải sản, kết cấu thổi phồng được sử dụng cho việc thiết kế và chế tạo lồng thổi phồng sử dụng trên bi n. h ng chiếc lồng này bao gồm thanh cứng trung tâm và v ng thổi phồng dùng đ thay thế cho nh ng kết cấu chịu lực thông thường và có tác dụng giảm đáng k chi phí vận chuy n, tri n khai và lắp ráp. a. eo trong đất b. Lồng thổi phồng Hình 1.10. Kết cấu thổi phồng được dùng trong hàng hải 1.1.3. Nh ng u điểm à nh a) Ưu đi m của cấu t c điểm của t c u màng mỏng thổi phồng c màng mỏng thổi phồng Việc sử dụng các kết cấu màng m ng thổi phồng có nhiều lợi thế hơn khi so sánh với nh ng cấu trúc thông thường tương đương. Sau đây là nh ng đi m nổi bật của cấu 11 trúc màng m ng thổi phồng: - ó rất nhẹ và chỉ chiếm ít th tích lưu kho, cho phép giảm đến 50% tổng khối lượng và 25% th tích lưu kho so với một kết cấu thông thường khác. - Chi phí sản xuất thấp. Thật vậy, việc sản xuất, chế tạo cấu trúc này không yêu cầu các công cụ tinh vi và vật liệu đắt tiền. Ví dụ, đối với nh ng ăng ten bơm hơi khổng lồ ngoài không gian, chi phí sản xuất ước tính chỉ bằng 10% chi phí sản xuất 1 ăng ten vũ trụ thông thường. n trong lĩnh vực xây dựng, chi phí xây 1 t a nhà bơm hơi thấp hơn 35% so với xây bằng gỗ. - Thiết kế và chế tạo đơn giản hơn so với nh ng cấu trúc thông thường tương đương. Khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi thì nh ng ứng dụng mới sẽ trở nên đơn giản và dễ phát tri n hơn. - h ng dự án không gian thành công đã chỉ ra rằng cấu trúc màng m ng thổi phồng có độ tin cây cao và dễ tri n khai [SLF00]. b) Một vài nhược đi m của kết cấu màng mỏng thổi phồng Kết cấu màng m ng thổi phồng có rất nhiều ưu đi m, tuy nhiên nó cũng có vài nhược đi m cần phải khắc phục.  K t c u 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 đ bảo vệ. h ng 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 đ gi ổn định và độ cứng của cấu trúc. Trong môi trường vũ trụ, đối với nh ng dự án không gian ngắn ngày, đ khắc phục trường hợp kết cấu bị xì hơi, người ta có th cung cấp một lượng khí ga vừa đủ đ gi áp suất bên trong. ối với nh ng sứ mệnh dài ngày, chúng ta có th dùng một số phương pháp sau đây: - Sử dụng tia cực tím, tia hồng ngoại đ làm cứng lớp màng bảo vệ [Sch69] - Dùng công nghê phun bọt làm cứng - Làm cứng bằng cơ khí: Sử dụng một lá nhôm được kẹp gi a bởi 2 tấm phim 12 polymer gia cố bằng sợi carbon. iều này cho phép làm ph ng và uốn cong nó sao cho có th chiếm một không gian hạn chế nhất, sau đó người ta sẽ làm phồng nó đ 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 nh ng ống đủ lớn và có khả năng chống thấm cao hơn [ K84]. - Dùng hóa chất làm cứng: ác xi lanh sẽ được ngâm tẩm 1 loại nhựa giúp làm nước bay hơi vào trong không khí khiến cho cấu trúc trở nên cứng hơn và chống thấm cao. Kỹ thuật này có ưu đi m là ta có th đảo ngược nó, chỉ cần tạo 1 môi trường đủ ẩm ướt đ khôi phục lại sự linh hoạt, mềm dẻo ban đầu của cấu trúc. [GW98]  Nh ng hó hăn để có đ c hình d ng phẳng ó nh ng hạn chế nhất định về hình dáng của cấu trúc màng điều áp này. Bất kỳ màng bơm hơi nào ( túi khí, ống, v ng hình xuyến ) đều có xu hướng hình dáng theo đường cong. Tuy nhiên, vẫn có một giải pháp đ có th làm được dạng ph ng: đó là sử dụng nh ng tấm panô 2 lớp, 2 mặt của kết cấu sẽ được kết nối bởi nh ng sợi chỉ rất khít đan nhau gần như liên tục. iều này cho phép 2 lớp sẽ luôn song song với nhau (xem hình 1.11). Kỹ thuật này khá phức tạp. Hình 1.11. Mặt cắt của 1 tấm panô bơm hơi  Kh năng ận hành còn nhiều h n ch So với nh ng cấu trúc truyền thống (gỗ, kim loại) thì khả năng vận hành của cấu trúc màng điều áp có nh ng 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 th nói khả năng chịu lực của nó thấp hơn nh ng cấu trúc truyền thống khác. tăng hiệu suất sử dung của cấu trúc màng này, người ta có th sử dụng công nghệ Tensairity [LPSP04], [RMDLL13]. Tensairity là một công nghệ kết hợp cấu trúc khí động học và nh ng yếu tố của cấu trúc truyền thống ch ng hạn như dây cáp và 13 thanh giằng. Trong hệ thống này, hiệu năng của dây cáp, thanh giằng và khí nén sẽ được hoàn thiện hơn. Kết quả của nó cho phép chúng ta sỡ h u 1 hệ thống dẫn (xem hình 1.12a) có cùng hiệu suất và khả năng chống thấm như ở cấu trúc truyền thống, nhưng khối lượng đã được giảm đi đáng k . ông nghệ này rất lý tưởng cho nh ng kết cấu, công trình lớn như là cầu hay nh ng khu lều lớn [LPR04]. Một kết cấu dựa trên công nghệ Tensarity bao gồm 1 dầm thổi phồng, 1 thanh giằng kết nối với dầm thổi phồng theo toàn bộ chiều dài của dầm và có ít nhất một cặp dây cáp xoắn ở vị trí xung quanh dầm đó. h ng sợi cáp này được kết nối chặt chẽ với thanh giằng ở 2 đầu mút của thanh dầm [LPSP04]. a. ầu thổi phồng b. Lồng thổi phồng Hình 1.12. Kết cấu tensairity Kết cấu này được vận hành dựa trên dây cáp và thanh giằng. Sức căng của dây cáp sẽ được tải lên thanh giằng và tạo ra một lực nén (xem Hình ). Ở đây, dầm màng m ng ứng xử như một nền đàn hồi liên tục đ đở thanh giằng. ộ cứng của kết cấu được xác định từ áp suất thổi phồng dầm màng m ng [LPR04]. Vải kỹ thuật ác kết cấu thổi phồng thường được cấu tạo từ các tấm vải kỹ thuật, được tạo hình thành các ống kín. Dưới tác dụng của áp suất thổi phồng, kết cấu này có độ cứng và có th chịu được tác dụng của tải trọng ngoài. có th mô hình cũng như đ nghiên cứu ứng xử của loại kết cấu này, trước tiên cần phải nghiên cứu ứng xử của loại vải kỹ thuật cấu tạo nên nó. Trong phần này, chúng sẽ tìm hi u sự cấu tạo cũng như tính chất cơ lý của các loại vải kỹ thuật cơ bản. 1.2. Một số nghiên cứu về ứng xử của vật liệu 1.2.1. C u t o của i ỹ thuật iện nay trên thị trường có rất nhiều loại vải kỹ thuật khác nhau. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng ta chỉ xét các loại vải kỹ thuật mà các sợi vải được dệt theo hai phương vuông góc nhau. Loại vải này được cấu tạo từ hai nhóm sợi đan vào nhau đ tạo nên khả năng chịu lực chính cho tấm vải. Phía bên ngoài, các sợi vải