MỞ ĐẦU Thiết kế kết cấu chủ yếu là sử dụng các thông tin của vật liệu dưới dạng quan hệ ứng suất-biến dạng. Để thiết kế được tối ưu, các thông tin này càng phải chính xác. Hiện nay, các thông tin này thường được thu thập bằng các thí nghiệm mẫu thử với tốc độ gia tải rất chậm. Theo Shigley và Mitchell [1], “tốc độ gia tải trung bình được sử dụng để có được biểu đồ ứng suất-biến dạng bé hơn 10-3 s-1.
Khi tốc độ gia tải càng tăng, chẳng hạn tải va chạm, thì vật liệu sẽ có cường độ cao hơn. Công trình dưới tải va chạm sẽ có ứng xử thế nào, mô hình vật liệu của nó ra sao, vì thế, đã gây được nhiều hứng thú cho nhiều kỹ sư thiết kế cũng như cho các nhà nghiên cứu. Thí nghiệm với thiết bị Hopkinson là phương pháp thông dụng nhất hiện nay để xác định tính chất của vật liệu với tải trọng tốc độ cao vì kỹ thuật này cho kết quả chính xác và độ tin cậy cao. Thiết bị này có thể gây ra tải trọng với tốc độ biến dạng 104 s-1 một cách dễ dàng [2].
Thiết bị Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) đường kính 75 mm TS. Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 2 Trong thí nghiệm này, mẫu thử trụ tròn được kẹp giữa 2 thanh dài, như trong Hình 0. Các thanh này thường được làm từ thép cường độ cao với đường kính từ 20mm và chiều dài từ 2m tùy theo kích thước mẫu thí nghiệm. Sơ đồ làm việc của thiết bị Hopkinson Các đầu thanh và mẫu thử được mài phẳng và được kẹp giữa như mô tả.
Một thanh strike (striker bar) được phóng vào đầu thanh incident (incident bar) làm phát sinh một xung ứng suất nén. Ngay sau va chạm, xung này sẽ chạy dọc thanh truyền đến mặt tiếp giáp giữa thanh incident và mẫu thử, và rồi một phần xung này phản xạ chạy ngược trở lại trong thanh incident, một phần khác truyền qua mẫu thử đi vào thanh transmitted (transmitted bar). Theo nguyên tắc truyền sóng, xung phản xạ trong thanh incident là xung kéo, còn xung truyền vào thanh transmitted là xung nén. Các lịch sử biến dạng (strain histories) trong 2 thanh nhập và xuất được ghi lại bằng hai cảm biến A và B.
Quan hệ ứng suất-biến dạng, tốc độ biến dạng của mẫu thử sẽ được tính toán trên cơ sở dữ liệu của cảm biến A và B miễn là các thanh incident và transmitted được đảm bảo làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Chỉ cần ghi nhận hai xung quan trọng, một là xung phản xạ và hai là xung truyền qua mẫu thử, Kolsky [4] đã tìm được ứng suất trong mẫu thử qua quan hệ sau đây: (1) trong đó E và Ao là mô đun đàn hồi và tiết diện của các thanh, A là tiết diện ngang của mẫu thử, εT(t) là lịch sử biến dạng truyền (transmitted strain history). Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 3 Tốc độ biến dạng của mẫu thử có thể được tính từ: (2) trong đó εR(t) là lịch sử biến dạng phản xạ trong thanh nhập, L là chiều dài ban đầu của mẫu thử, và Co là vận tốc sóng (wave velocity) trong thanh nhập được cho bởi: (3) với E và ρ là mô đun đàn hồi và mật độ của các thanh. Phương trình (1.2) có thể được tích phân để có biến dạng của mẫu thử: (4) Mặc dù các phương trình này được phát triển từ khoảng thập niên 40, nhưng chúng chỉ được phổ biến rộng rãi vào các thập kỷ cuối của thế kỷ trước vì chỉ khi ấy các kỹ thuật xử lý dữ liệu mới có thể xử lý được nhờ vào các máy tính tốc độ cao [2].
Sự phức tạp của bài thí nghiệm này nằm ở chỗ lý thuyết truyền sóng và kỹ thuật xử lý số liệu. Như đã trình bày ở phần trước, các xung phản xạ và xung truyền xuất hiện trong thí nghiệm là các xung phụ thuộc theo thời gian. Đối với mẫu đồng chất, độ lớn (amplitude) của 2 xung này tỷ lệ tương ứng với tốc độ biến dạng và ứng suất trong mẫu thử. Vì biến dạng của mẫu thử được tính bằng cách tích phân tốc độ biến dạng, nên dễ dàng tìm được các biểu đồ ứng suất-thời gian và biến dạng-thời gian.
Tuy thế, chúng không hữu dụng và quen thuộc lắm so với biểu đồ ứng suất-biến dạng động lực (dynamic stress-strain diagram), chính là sự kết hợp của 2 biểu đồ trên. Cách đơn giản là dóng 2 biểu đồ đó theo một điểm khởi đầu tạm nào đó. Vốn dĩ sự kiện va chạm là một sự kiện xảy ra với vài mili giây (ms), nên thật khó có thể có 2 điểm dóng đầu tiên chính xác được như mong muốn. Đây chính là điểm khó khăn đầu tiên của bài thí nghiệm này.
Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 4 Điểm khó khăn thứ hai chính là sự phân tán của sóng truyền trong thanh, làm ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. Hầu hết các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp của Bancroft [3] để có thể dự đoán và hiệu chỉnh được mức độ phân tán của các sóng này. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Trong nước, lĩnh vực nghiên cứu này vẫn còn tương đối mới mẽ, vì thế số lượng nghiên cứu không nhiều. Tìm trên mạng, chỉ thấy hai công trình có liên quan xa gần đến lĩnh vực này.
Công trình đầu tiên là luận án tiến sĩ kỹ thuật của Đặng Văn Kiên [5], “nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận”. Luận án đã thực hiện thí nghiệm động SHPB và mô phỏng số để xác định các thông số của khối đá và vỏ chống; tìm ra các mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng theo thời gian của kết cấu chống giữ dưới tác dụng của ải trọng động giống như áp lực nổ mìn trên thực tế. Công trình thứ hai là của nhóm tác giả Lê Bá Danh và nhóm cộng sự [6], công bố trên Tạp chí Khoa học Công Nghệ Xây Dựng năm 2019. Bài báo trình bày “nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tác động tải trọng nổ của vật liệu bê tông chất lượng siêu cao (UHPC)”.
Tải trọng nổ sử dụng là thuốc nổ nhũ tương. Sự hư hại và phá hủy ở mặt trên, mặt dưới của các mẫu thí nghiệm và thành phần hạt của các mảnh vỡ bắn ra dưới tác động của tải trọng nổ được phân tích và so sánh giữa bê tông UHPC và bê tông thường. CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Nghiên cứu về ứng xử của vật liệu dưới tác động của tải trọng tốc độ cao xuất hiện từ rất sớm trên thế giới. Thiết bị đầu tiên (Hình 0.3) rất nổi tiếng để thí nghiệm ứng xử kéo của vật liệu là do John Hopkinson [7] đề xuất năm 1872 và sau đó, năm 1914, con ông ta Bertram Hopkinson đã giới thiệu một kỹ thuật khác (Hình 0.4) để xác định quan hệ lực nén-thời gian do một va chạm phát ra từ một viên đạn hoặc từ một vụ nổ.
Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 5 Hình 0. Thiết bị của John Hopkinson [7, 8] Đến năm 1941, Dennison Bancroft [3] giải phương trình tần số của Pochhammer và Love để tìm vận tóc sóng trong các thanh trụ tròn. Bancroft biểu diễn vận tốc sóng dưới dạng chiều dài sóng, hệ số Poisson, và tỷ số của đường kính thanh với chiều dài sóng. Lợi ích của nghiên cứu này – như được đưa vào ứng dụng trong kỹ thuật Hopkinson – đã không được nhận thức đầy đủ cho đến khi công cụ xử lý dữ liệu nhờ máy tính phát triển mạnh mẽ.
Công trình của Bancroft đã thúc đẩy mảng nghiên cứu về hiệu chỉnh sự phân tán sóng truyền. Thiết bị của Bertram Hopkinson [8] TS. Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 6 Bảy năm sau, năm 1948, Davies đã phát triển kỹ thuật sử dụng các cảm biến để đo các biến dạng trong các thanh nén (Hình 0. Các dữ liệu xuất ra từ cảm biến sẽ tỷ lệ với quan hệ chuyển vị-thời gian và cũng tỷ lệ với quan hệ ứng suất-thời gian.
Dùng các cảm biến để đo biến dạng là một cái tiến quan trọng để đạt được độ chính xác so với thiết bị gốc của Hopkinson, vốn dựa vào sự đo đạt về động lượng của viên bi thép bay chạm vào đầu thanh nén. Thiết bị của Davies [8] Sau đó 1 năm, năm 1949, Kolsky thêm vào 1 thanh nén thứ 2 vào thiết bị gốc của Hopkinson, vì vậy có tên là thanh chia Hopkinson (Split Hopkinson bar). Thay vì gắn mẫu vào đầu xa của thanh, Kolsky đã kẹp mẫu vào giữa 2 thanh (Hình 0. Ông đã giới thiệu các biểu thức để tính toán tính chất của mẫu dựa trên các lịch sử biến dạng trong thanh.
Các biến dạng được đo bằng các kỹ thuật tương tự như của Davies. Dĩ nhiên thiết bị 2 thanh mới đòi hỏi các đo đạc cho cả 2 thanh. Kỹ thuật 2 thanh này trở nên kỹ thuật sử dụng rộng rãi nhất cho tới hôm nay. Trong một số tài liệu, Thanh Hopkinson cũng được gọi là thanh Kolsky.
Kể từ đó, thiết bị Hopkinson đã nhanh chóng trở thành một thiết bị được sử dụng rộng rãi để thí nghiệm các vật liệu dưới tải trọng tốc độ cao [8]. Trần Tuấn Kiệt| Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Bê Tông Chịu Nén Dưới Tải Tốc Độ Cao Luan van Trang 7 Mục đích của nghiên cứu này là 1) tìm hiểu chi tiết về thiết bị này, rồi 2) tiến hành dùng Abaqus để mô phỏng thiết bị, để từ đó 3) đưa ra một vài thông tin về ứng xử của bê tông dưới tải trọng nén tốc độ cao. Thiết bị Hopkinson (SHPB) hay còn gọi là thiết bị Kolsky [8] C. TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hình 0.
Khủng bố ở Mỹ ngày 11/9/2001 Thế giới ngày nay đang đối diện với nạn khủng bố, nhất là sau sự kiện 11/9, giới xây dựng luôn đau đáu về giải pháp tìm kiếm vật liệu thích hợp để có thể chịu được các tải trọng va chạm tốc độ cao. Trong khi ấy, bê tông là một vật liệu xây dựng được sử dụng TS.