Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với ứng xử của kính ghép cường lực chịu tải trọng uốn

• Tác giả: Lê Thị Xuân Thanh
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Hữu Chỉnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử của kính ghép cường lực chịu tải trọng uốn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

I. Giới thiệu về kính ghép cường lực và nhiệt độ

Kính ghép cường lực được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhờ vào tính năng an toàn và khả năng chịu lực cao. Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến ứng xử vật liệu của kính ghép cường lực. Khi nhiệt độ tăng cao, các thuộc tính của lớp vật liệu polyme xen giữa, thường là PVB, có thể thay đổi đáng kể, dẫn đến sự biến dạng và giảm khả năng chịu lực của kính. Cụ thể, nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, độ võng, và ứng suất của kính ghép khi chịu tải trọng uốn. Nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử của kính ghép cường lực khi chịu tải trọng uốn, từ đó đưa ra những nhận xét và kết luận có giá trị cho các ứng dụng thực tiễn.

1.1 Tính chất của kính ghép cường lực

Kính ghép cường lực được cấu tạo từ nhiều lớp kính và lớp film PVB, tạo ra một cấu trúc vững chắc và an toàn. Khi bị vỡ, các mảnh kính sẽ dính vào lớp film, ngăn chặn việc rơi ra ngoài, từ đó đảm bảo an toàn cho công trình. Ứng xử vật liệu của kính ghép cường lực phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có nhiệt độ. Các nghiên cứu cho thấy rằng khi nhiệt độ môi trường thay đổi, đặc biệt là ở các mức nhiệt độ cao, khả năng chịu lực và tính bền vững của kính ghép có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu ứng xử của kính ghép dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp thực nghiệm để khảo sát khả năng chịu uốn của kính ghép cường lực dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Chương trình thí nghiệm được thực hiện trên 18 mẫu kính ghép với các thông số khác nhau như chiều dày kính và số lớp PVB. Các mẫu được thử nghiệm ở nhiều mức nhiệt độ cao, nhằm đánh giá khả năng chịu lực, độ võng và ứng suất của kính. Phương pháp thí nghiệm được thực hiện theo sơ đồ uốn 4 điểm, giúp xác định chính xác các thông số cần thiết. Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các tính toán lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm PTHH.

2.1 Thí nghiệm và phân tích số liệu

Quá trình thí nghiệm bao gồm việc chuẩn bị mẫu kính ghép và thiết lập thiết bị thí nghiệm. Các mẫu kính được đặt vào thiết bị thí nghiệm với tải trọng uốn được áp dụng theo sơ đồ 4 điểm. Kết quả thu được sẽ được phân tích bằng các phương pháp thống kê để xác định đặc tính cơ học của kính ghép. Phân tích ứng xử của kính ghép cường lực dưới tải trọng uốn ở các mức nhiệt độ khác nhau sẽ cung cấp những thông tin quý giá về khả năng chịu lực và độ bền của kính ghép trong thực tế.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực và ứng xử vật liệu của kính ghép cường lực. Các mẫu kính ghép thử nghiệm dưới nhiệt độ cao cho thấy sự giảm sút rõ rệt về khả năng chịu tải, đồng thời độ võng và ứng suất cũng có sự thay đổi lớn. Phân tích cho thấy rằng tính bền vững của kính ghép phụ thuộc vào độ dày của lớp kính và số lớp PVB. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn đúng loại kính ghép phù hợp với điều kiện môi trường là rất quan trọng trong thiết kế công trình.

3.1 So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết

Kết quả thực nghiệm được so sánh với các tính toán lý thuyết dựa trên công thức của Wölfel. Mặc dù có sự khác biệt về giá trị cụ thể, nhưng các xu hướng ứng xử của kính ghép dưới tải trọng uốn vẫn được phản ánh rõ ràng. Điều này cho thấy rằng các mô hình lý thuyết hiện tại có thể được sử dụng như là công cụ tham khảo hữu ích trong việc dự đoán ứng xử của kính ghép trong thực tế. Việc so sánh này không chỉ giúp khẳng định tính chính xác của các mô hình lý thuyết mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa thiết kế kính ghép cường lực.

Tổng quan nghiên cứu

Kính ghép cường lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp nhờ tính thẩm mỹ, an toàn và khả năng chịu lực cao. Tại Việt Nam, với điều kiện môi trường có sự biến đổi nhiệt độ lớn, việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử của kính ghép cường lực dưới tải trọng uốn là rất cần thiết. Luận văn tập trung khảo sát thực nghiệm trên 18 mẫu kính ghép cường lực với các biến đổi về chiều dày kính, số lớp và chiều dày lớp PVB xen giữa ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng chịu tải, độ võng và ứng suất của kính ghép khi chịu tải uốn trong điều kiện nhiệt độ thay đổi, từ đó so sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết và mô phỏng phần tử hữu hạn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mẫu kính kích thước 1100x360 mm, thí nghiệm uốn 4 điểm theo tiêu chuẩn EN 1288-3:2000, với nhiệt độ thí nghiệm dao động từ 300°C đến 800°C. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn loại kính ghép phù hợp cho các công trình tại Việt Nam, đảm bảo an toàn, hiệu quả kinh tế và khả năng chịu lực trong điều kiện nhiệt độ thay đổi lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về ứng xử cơ học của kính ghép cường lực dưới tải trọng uốn và ảnh hưởng của nhiệt độ đến vật liệu polymer xen giữa. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Công thức tính chiều dày hiệu quả heff do Wölfel (1987) đề xuất, giúp xác định chiều dày hiệu quả của kính ghép dựa trên chiều dày các lớp kính và lớp PVB, cùng hệ số truyền lực cắt. Công thức này là cơ sở để tính toán độ võng và ứng suất uốn của kính ghép.

• Mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng phần mềm SJ MEPLA v3 và ANSYS v14 để mô phỏng ứng xử phi tuyến của kính ghép dưới tải trọng uốn và các mức nhiệt độ khác nhau. Mô hình bao gồm các phần tử SOLID65 cho kính và SOLSH190 cho lớp PVB, mô phỏng chính xác sự tương tác giữa các lớp vật liệu.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: kính ghép cường lực (tempered laminated glass), lớp film polyvinyl butyral (PVB), ứng suất uốn, độ võng, môđun đàn hồi, hệ số truyền lực cắt, và ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ học của vật liệu polymer xen giữa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả thí nghiệm thực tế trên 18 mẫu kính ghép cường lực với kích thước 1100x360 mm, được gia nhiệt ở các mức nhiệt độ 300°C, 500°C, 650°C và 800°C, sau đó tiến hành thí nghiệm uốn 4 điểm theo tiêu chuẩn EN 1288-3:2000. Các mẫu được phân nhóm theo chiều dày kính (8 mm và 12 mm) và số lớp PVB (2 lớp và 3 lớp), nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố này đến khả năng chịu uốn.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật và tính đại diện cho các loại kính ghép phổ biến trong xây dựng. Cỡ mẫu đủ lớn để đảm bảo tính tin cậy của kết quả.

Phân tích dữ liệu sử dụng so sánh trực tiếp giữa kết quả thực nghiệm, tính toán lý thuyết theo công thức Wölfel và mô phỏng phần tử hữu hạn bằng SJ MEPLA v3 và ANSYS v14. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2013, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thí nghiệm, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng chịu tải uốn: Kết quả thực nghiệm cho thấy lực uốn lớn nhất (Pu) của kính ghép giảm rõ rệt khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, nhóm mẫu 8mm+2PVB+8mm có lực uốn giảm khoảng 20% khi nhiệt độ tăng từ 300°C lên 800°C. Điều này phản ánh sự giảm môđun đàn hồi và khả năng chống cắt của lớp PVB ở nhiệt độ cao.

2. Ảnh hưởng của chiều dày kính và số lớp PVB: Mẫu kính dày 12 mm và có 3 lớp PVB cho thấy khả năng chịu tải uốn cao hơn khoảng 15-25% so với mẫu 8 mm và 2 lớp PVB ở cùng điều kiện nhiệt độ. Độ võng ymid cũng giảm tương ứng, chứng tỏ sự gia tăng chiều dày và số lớp PVB cải thiện độ cứng tổng thể của kính ghép.

3. So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết: Mặc dù giá trị tính toán theo công thức Wölfel có sự chênh lệch so với thực nghiệm (khoảng 10-15%), xu hướng biến đổi lực uốn và độ võng theo nhiệt độ được phản ánh tương đối chính xác. Điều này cho thấy công thức lý thuyết vẫn có giá trị tham khảo trong thiết kế.

4. Độ tin cậy của mô phỏng phần tử hữu hạn: Kết quả mô phỏng bằng SJ MEPLA v3 và ANSYS v14 gần sát với kết quả thực nghiệm, sai số dưới 10%. Mô phỏng thể hiện rõ sự phân bố ứng suất uốn và ứng suất cắt trong kính ghép, đồng thời mô phỏng được sự giảm môđun đàn hồi của PVB khi nhiệt độ tăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm khả năng chịu tải uốn khi nhiệt độ tăng là do tính chất cơ học của lớp PVB bị suy giảm, làm giảm khả năng truyền lực cắt giữa các lớp kính. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu polymer trong kính ghép. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả của luận văn có sự tương đồng về xu hướng và mức độ ảnh hưởng nhiệt độ, tuy nhiên có sự khác biệt nhỏ do điều kiện thí nghiệm và đặc tính vật liệu PVB sử dụng tại Việt Nam.

Việc mô phỏng phần tử hữu hạn chứng minh tính khả thi và độ chính xác cao trong việc dự đoán ứng xử của kính ghép dưới tải trọng uốn và nhiệt độ thay đổi, hỗ trợ hiệu quả cho thiết kế và đánh giá kết cấu kính trong thực tế. Biểu đồ quan hệ lực uốn Pu và độ võng ymid theo nhiệt độ được trình bày rõ ràng, giúp minh họa trực quan sự ảnh hưởng của nhiệt độ và các thông số vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng kính ghép cường lực có chiều dày và số lớp PVB phù hợp: Đề xuất ưu tiên sử dụng kính ghép dày 12 mm với 3 lớp PVB cho các công trình tại vùng có nhiệt độ biến đổi lớn nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và an toàn.

2. Áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và thi công sử dụng phần mềm SJ MEPLA hoặc ANSYS để mô phỏng ứng xử kính ghép, giúp dự đoán chính xác hơn khả năng chịu tải trong điều kiện nhiệt độ thực tế.

3. Kiểm soát nhiệt độ môi trường thi công và vận hành: Đề xuất giám sát và hạn chế nhiệt độ tiếp xúc với kính ghép trong quá trình thi công và sử dụng, đặc biệt tránh các mức nhiệt cao trên 500°C để duy trì tính năng cơ học của kính.

4. Nghiên cứu bổ sung về vật liệu film xen giữa: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu các loại vật liệu polymer mới có khả năng chịu nhiệt tốt hơn để nâng cao hiệu quả và độ bền của kính ghép trong điều kiện nhiệt độ cao.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, phối hợp giữa các nhà nghiên cứu, đơn vị thiết kế và nhà thầu thi công nhằm nâng cao chất lượng và an toàn công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Giúp hiểu rõ ảnh hưởng của nhiệt độ đến kính ghép, từ đó lựa chọn vật liệu và thiết kế phù hợp cho các công trình chịu tải uốn.

2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Cung cấp kiến thức về quy trình thí nghiệm và mô phỏng, giúp kiểm soát chất lượng thi công kính ghép và đảm bảo an toàn trong thi công.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, mô phỏng phần tử hữu hạn và phân tích ứng xử vật liệu composite trong xây dựng.

4. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu được tầm quan trọng của việc lựa chọn kính ghép phù hợp với điều kiện môi trường, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả, đảm bảo an toàn và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu lực của kính ghép?
   Nhiệt độ cao làm giảm môđun đàn hồi và khả năng chống cắt của lớp PVB, dẫn đến giảm lực uốn lớn nhất khoảng 20% khi nhiệt độ tăng từ 300°C lên 800°C, làm giảm khả năng chịu lực tổng thể của kính ghép.

2. Chiều dày kính và số lớp PVB có vai trò gì trong khả năng chịu uốn?
   Tăng chiều dày kính và số lớp PVB giúp tăng độ cứng và khả năng truyền lực cắt, nâng cao lực uốn tối đa và giảm độ võng, cải thiện hiệu suất chịu tải của kính ghép.

3. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn có chính xác không?
   Mô phỏng bằng SJ MEPLA và ANSYS cho kết quả gần sát với thực nghiệm, sai số dưới 10%, thể hiện độ tin cậy cao trong dự đoán ứng xử kính ghép dưới tải uốn và nhiệt độ thay đổi.

4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại kính ghép khác không?
   Kết quả chủ yếu áp dụng cho kính ghép cường lực với lớp PVB, tuy nhiên phương pháp nghiên cứu và xu hướng ảnh hưởng nhiệt độ có thể tham khảo cho các loại kính ghép khác với điều chỉnh phù hợp.

5. Làm thế nào để nâng cao khả năng chịu nhiệt của kính ghép?
   Nghiên cứu và sử dụng các loại vật liệu film xen giữa có khả năng chịu nhiệt cao hơn như Sentry Glass Plus (SGP) hoặc các polymer mới, đồng thời kiểm soát nhiệt độ môi trường thi công và vận hành.

Kết luận

• Luận văn đã khảo sát thực nghiệm và mô phỏng ứng xử uốn của kính ghép cường lực dưới các mức nhiệt độ khác nhau, với 18 mẫu kính đa dạng về chiều dày và số lớp PVB.
• Kết quả cho thấy nhiệt độ tăng làm giảm đáng kể khả năng chịu tải uốn và độ cứng của kính ghép do ảnh hưởng đến lớp film PVB.
• Công thức tính toán lý thuyết và mô phỏng phần tử hữu hạn cho kết quả tương đối chính xác, hỗ trợ hiệu quả cho thiết kế và đánh giá kết cấu kính.
• Đề xuất sử dụng kính ghép dày hơn, nhiều lớp PVB hơn và áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.
• Các bước tiếp theo gồm nghiên cứu vật liệu film mới chịu nhiệt tốt hơn và ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế công trình tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thiết kế và thi công công trình, đồng thời mở rộng nghiên cứu để nâng cao chất lượng kính ghép trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.