Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trong chương trình bày sơ lược về đặc tính của vụ nổ, tổng quan về các giải pháp để giảm thiểu tác hại cho kết cấu khi chịu áp lực nổ. Trình bày các nghiên cứu sử dụng vật liệu xốp để giảm tác động của áp lực nổ, các phương pháp mô hình hóa tính chất cơ học của vật liệu xốp và khó khăn khi tính toán vật liệu xốp với kích thước lớn. Đánh giá khả năng ứng dụng mô phỏng số cho vụ nổ để khắc phục những khó khăn trong thực nghiệm nổ và cũng là giải pháp khả thi nhằm tính toán vật liệu xốp kích thước lớn. Sơ lược về cơ chế và đặc tính của vụ nổ Khi vụ nổ trong không khí xảy ra sẽ tạo ra một số các nhân tố tác động tiêu cực đến công trình nói chung và kết cấu công trình nói riêng, có thể kể đến một số yếu tố chính như tác động cháy, tác dụng mảnh văng và tác dụng nổ.
Đối với tác dụng nổ thì tuỳ thuộc vào vị trí của vụ nổ, công trình có thể chịu tác dụng xung nổ tiếp xúc khi sản phẩm nổ có áp suất, nhiệt độ lớn tác dụng trực tiếp lên công trình hoặc chịu tác dụng của áp lực nổ do sóng xung kích lan truyền trong không khí [1-4]. Tác động của vụ nổ Trong một vụ nổ, một phản ứng hóa học xảy ra dẫn đến sự tăng nhiệt độ và áp suất đột ngột. Các sóng xung kích do vụ nổ tạo ra, truyền đi và tác động vào các cấu trúc chướng ngại với áp suất lớn hơn áp suất khí quyển (Hình 1. Nói chung, các vụ nổ trong không khí tác động đối với một công trình thường tạo ra bốn loại tải trọng, bao gồm tác động của các mảnh vỡ chính, tác động của các mảnh thứ cấp, áp lực và áp lực phản xạ [5].
Tác động của vụ nổ lên công trình [6] Các mảnh vỡ chính và thứ cấp đều có thể gây thương vong đáng kể, tuy nhiên chúng không gây ra hư hỏng lớn cho kết cấu. Khi sóng xung kích tác động đến một vật thể vuông góc với đường đi của nó, sóng bị phản xạ tạo ra áp lực cao. Độ lớn của áp lực phản xạ này phụ thuộc vào hình dạng, độ cứng của cấu trúc chướng ngại và hướng của nó đối với sóng nổ. Do đó, đối với các phần tử kết cấu, áp lực phản xạ được coi là tác động chính gây phá hoại của áp lực nổ [5].
Sóng xung kích Vụ nổ là sự giải phóng năng lượng trên diện rộng, nhanh và đột ngột do quá trình đốt cháy mạnh của vật liệu nổ. Quá trình đốt cháy xảy ra trong vòng vài mili giây, tạo ra một thể tích khí có nhiệt độ cao và áp suất cao [3, 7]. Các khí này nở ra gây ra sự giải phóng năng lượng nhanh chóng và dẫn đến hình thành sóng nổ. Bề mặt của sóng (gọi là “mặt sóng xung kích”) truyền nhanh hơn tốc độ âm thanh, tạo ra áp lực phá hoại [2, 4, 8].
Chuyển động nhanh của sóng làm áp suất nổ vượt quá áp suất khí quyển, dẫn đến việc tạo ra một khoảng chân không đằng sau sóng nổ, được gọi là pha âm hay pha dãn [2, 4, 9]. Trong giai đoạn này một phần chân không được tạo ra và không khí bị hút vào mang theo các mảnh vỡ ra xa nguồn nổ [10]. Áp lực của sóng xung kích, nhất là áp lực phản xạ là nguyên nhân tác động chính gây phá hoại các phần tử kết cấu công trình trên diện rộng. Do đó, đây là đối tượng tải trọng tính cần được quan tâm cũng như xem xét các yếu tố chính của vụ ảnh hưởng đến áp lực sóng xung kích là khoảng các và khối lượng nổ.
Biểu đồ áp lực sóng xung kích của vụ nổ trong không khí 1. Ảnh hưởng khối lượng nổ hiệu dụng và khoảng cách Để tính toán áp lực nổ theo thời gian của sóng nổ từ một vụ nổ thông thường, cần xem xét hai yếu tố quan trọng: khối lượng nổ hiệu dụng và khoảng cách tác động (SOD). Khối lượng nổ hiệu dụng phản ánh khối lượng chất nổ được kích nổ. Nó thường được biểu thị bằng trọng lượng tương đương của thuốc nổ trinitrotoluene (TNT).
Đối với lượng nổ hình trụ, áp lực đỉnh và xung lực phụ thuộc vào vị trí kích nổ. Khi tỷ lệ chiều dài trên đường kính nhỏ, năng lượng hơn nổ được hướng nhiều hơn theo hướng trục, còn khi tỷ lệ chiều dài trên đường kính lớn, năng lượng được hướng nhiều hơn theo hướng xuyên tâm. Do đó, hình dạng lượng nổ về cơ bản sẽ ảnh hưởng đến áp lực đỉnh và xung lực [11]. SOD được tính từ trọng tâm của lượng nổ đến các bộ phận của công trình [12].
Đối với các vụ nổ có chủ đích, việc xác định SOD thích hợp cho một công trình xây dựng nhất định để chống lại các tác động của vụ nổ thường là rất khó, nhất là trong môi trường các đô thị. Thông thường, trong môi trường đô thị việc xác định SOD chính xác là khó có thể thực hiện và không thực tế. Hơn nữa, việc dự đoán khối lượng nổ của vũ khí hay một vụ tấn công nói chung là không khả thi. Tuy nhiên, DOD (2005) quy định một SOD tối thiểu dựa trên mức độ bảo vệ cần thiết [13].
Nếu SOD tối thiểu có thể được đáp ứng, các kỹ thuật xây dựng thông thường có thể được sử dụng để đạt được mức độ bảo vệ thích hợp, còn không thì công trình phải được tăng cứng hoặc có các giải pháp bảo vệ khác. Giới hạn tải trọng nghiên cứu Thông qua tóm lược cơ bản nhất về tác động của vụ nổ cho thấy ảnh hưởng của sóng xung kích có tác động mạnh cũng như trên diện rộng và là yếu tố 7 chính tác động đến công trình. Khoảng cách từ lượng nổ tới đối tượng tác động được đặc biệt quan tâm vì áp lực của lượng nổ sẽ suy giảm nhanh khi khoảng cách tác động tăng lên. Bên cạnh đó để đảm bảo nội dung nghiên cứu phù hợp với đáp ứng của thiết bị thí nghiệm tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, trong nghiên cứu này giới hạn tác động của tải trọng là áp lực của sóng xung kích từ vụ nổ.
Một số giải pháp giảm tác dụng áp lực nổ lên công trình Để giảm tác dụng của áp lực nổ và gia tăng khả năng chịu lực cho kết cấu công trình, trong thực tế đã có nhiều giải pháp khác nhau để giảm tác dụng của loại tải trọng đặc biệt này. Giải pháp chung Tác động của vụ nổ lên công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như khoảng cách từ tâm nổ đến công trình, các chướng ngại giữa tâm nổ và công trình, điều kiện địa hình, khối lượng nổ hiệu dụng,… mà gây ra các tác động khác nhau lên công trình. Từ các đặc điểm cơ bản đó, trong thực tế ứng dụng đã có rất nhiều giải pháp khác nhau được đưa ra để giảm thiểu tác động của vụ nổ lên công trình. Giải pháp đẩy xa tâm nổ khỏi công trình: đây là một trong những giải pháp mang ý nghĩa quan trọng do áp lực nổ được giảm thiểu đáng kể, sẽ hạn chế được tối đa khả năng nổ tiếp xúc để giảm áp suất, nhiệt độ lớn tác động trực tiếp lên công trình.
Các kết quả thực nghiệm cho thấy áp lực nổ tác động lên công trình phụ thuộc rất lớn vào khoảng cách từ tâm nổ đến công trình, việc làm tăng khoảng cách này sẽ làm giảm đáng kể áp lực lên công trình [1, 2, 4]. Giải pháp sử dụng kết cấu bảo vệ phía trước công trình: trong thiết kế và chế tạo các công trình quân sự (công sự), việc sử dụng kết cấu tấm chắn đạn để đẩy xa tâm nổ nhằm làm giảm tác dụng của áp lực nổ lên kết cấu là một giải pháp hữu hiệu [14]. Ngoài ra để bảo vệ cho các công trình dân sinh, các tòa nhà (công trình nổi) còn sử dụng các giải pháp tường chắn, hào, màn chắn sóng,… để giảm áp lực từ vụ nổ. Bên cạnh đó việc sử dụng các vật liệu trong tự nhiên có đặc tính xốp rỗng cũng được ứng dụng rộng rãi như việc sử dụng đất, cát, mùn cưa,… và đặc biệt là cát để làm lớp dàn lực (công sự lâu bền), sử dụng bao cát xếp xung quanh công trình (công sự dã chiến) đem lại hiểu quả tốt để giảm tác dụng của vụ nổ [14, 15].
Những giải pháp ở trên có nhiều ưu điểm nổi bật và được ứng dụng rộng rãi trong bảo vệ các công trình mang tính quân sự. Tuy nhiên, với các công 8 trình dân sinh thì việc áp dụng các giải pháp trên là khó khăn do yêu cầu sử dụng cũng như không gian hạn chế. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo vật liệu mới đã mở ra nhiều những giải pháp khác nhau hữu ích và tiện lợi cho cả thiết kế chế tạo kết cấu, sử dụng vật liệu gia cường và vật liệu hấp thụ tác động nhằm giảm tác động của áp lực nổ lên công trình. Cũng như mở ra những giải pháp phù hợp hơn cho mỗi loại kết cấu công trình cần được bảo vệ.
Trong nội dung tiếp theo sẽ đề cập đến giải pháp ứng dụng vật liệu giảm tác động của áp lực nổ. Ứng dụng vật liệu chống tác động của áp lực nổ Đối với kết cấu công trình hiện nay phần lớn được chế tạo từ bê tông cốt thép (BTCT), BTCT là loại bê tông thông thường được tạo ra từ các vật liệu cấu thành hỗn hợp tiêu chuẩn (xi măng, cốt liệu, nước, .) và được gia cố bằng thép cây. Khi chịu áp lực nổ, kết cấu BTCT thể hiện ứng xử độc đáo được gọi là hiện tượng “chấn sụp”, xuất hiện ở mặt bên kia của kết cấu, đối diện với bề mặt chịu tác dụng của vụ nổ. Do đó, khi sóng nén ban đầu do vụ nổ tạo ra truyền qua cấu kiện và phản xạ tại bề mặt tự do, sóng xung kích được chuyển thành sóng kéo, gây nứt bê tông ở mức độ cao và gây nên sự vỡ mảnh của bê tông với tốc độ cao [15].
Kết cấu bê tông bị hư hỏng xảy ra ở tốc độ biến dạng cao (hiện tượng chấn sụp) có thể bị đẩy ra dưới dạng các mảnh vỡ. Đối với áp lực nổ dạng xung động cực hạn, phản ứng của kết cấu BTCT xảy ra trong một thời gian rất ngắn nên không tồn tại quá trình cản nhớt [16]. Đỉnh dịch chuyển đầu tiên của kết cấu có biên độ lớn nhất, tiếp theo là các đỉnh dịch chuyển có biên độ thấp hơn đáng kể.