Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng để giảm áp lực nổ lên kết cấu công trình" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Công Nghị, dưới sự hướng dẫn khoa học của cố GS.TS Vũ Đình Lợi và TS Lê Anh Tuấn tại Học viện Kỹ thuật Quân sự (thuộc Bộ môn Cơ sở kỹ thuật công trình, Bộ môn Xây dựng công trình quốc phòng, Viện Kỹ thuật công trình đặc biệt). Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt / Công trình quốc phòng, sử dụng hướng tiếp cận hỗn hợp kết hợp giữa thực nghiệm vật lý (trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường) với mô phỏng số phần tử hữu hạn phi tuyến động lực học.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các vụ nổ có chủ đích như các cuộc tấn công khủng bố nhằm vào Tòa nhà Liên bang Murrah tại Oklahoma (tháng 4 năm 1995), Tháp Khobar tại Ả Rập Xê Út (tháng 6 năm 1996), Trung tâm Thương mại Thế giới WTC tại New York (ngày 11 tháng 9 năm 2001), cùng các vụ đánh bom tại Istanbul (2003), Madrid (2004) và London (2005) đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc bảo vệ các công trình và cơ sở hạ tầng trọng yếu. Vụ nổ tạo ra sóng xung kích với áp lực cực đại lớn lan truyền trong không khí, gây phá hủy nghiêm trọng kết cấu công trình. Đối với các công trình đã xây dựng hoàn thiện mà chưa được tính toán kháng nổ ngay từ ban đầu, việc cải tạo gia cường đòi hỏi những giải pháp kỹ thuật bổ sung.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các biện pháp truyền thống như tạo khoảng cách an toàn (stand-off distance - SOD) hoặc làm tường chắn, bao cát thường khó khả thi trong đô thị do hạn chế không gian; các giải pháp gia cường bề mặt bằng vật liệu composite dán ngoài (FRP) hay phun phủ polyurea (PU) vẫn buộc kết cấu phải trực tiếp tiếp nhận toàn bộ tải trọng nổ và đòi hỏi kỹ thuật thi công phức tạp, thời gian chờ đông kết kéo dài (khoảng 72 giờ trở lên). Trong khi đó, việc ứng dụng vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng (vật liệu xốp nhân tạo và nhôm bọt kim loại) để chế tạo lớp kết cấu bảo vệ đặt phía ngoài nhằm hấp thụ và phân tán năng lượng sóng xung kích nổ là hướng nghiên cứu còn thiếu các khảo sát toàn diện và hệ thống ở trong nước, đặc biệt là phương pháp mô hình hóa tương tác đa vật liệu trên quy mô kết cấu thực tế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án được xác định rõ:

  1. Nghiên cứu cơ chế ứng xử cơ học và khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu xốp khi chịu tác động của áp lực từ vụ nổ.
  2. Xác định giải pháp cấu tạo phù hợp cho kết cấu bảo vệ sử dụng vật liệu xốp nhằm giảm tác dụng của áp lực nổ lên kết cấu công trình xây dựng.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tổng quan các cơ chế truyền sóng nổ, tác động phá hoại của sóng xung kích, các phương pháp bảo vệ công trình và các mô hình tính toán vật liệu xốp.
  2. Thí nghiệm xác định đặc tính cơ học, quan hệ ứng suất - biến dạng của mẫu vật liệu xốp (xốp Extruded Polystyrene - XPS và nhôm bọt) dưới tải trọng nén tĩnh và động; khảo sát lựa chọn mô hình vật liệu phù hợp trong phần mềm mô phỏng.
  3. Xây dựng và chuẩn hóa mô hình mô phỏng số vụ nổ trong không khí, mô hình bê tông cốt thép và mô hình vật liệu xốp biến dạng chịu tải nổ trên phần mềm LS-DYNA thông qua xác minh chéo với số liệu thực nghiệm hiện trường.
  4. Nghiên cứu ứng xử của kết cấu bảo vệ bằng vật liệu xốp kết hợp tấm dàn lực kim loại, khảo sát các tham số cấu tạo (chiều dày tấm thép, số lớp vật liệu, loại vật liệu tấm mặt, mức độ phân đoạn kết cấu) và thử nghiệm mô phỏng bảo vệ cột bê tông cốt thép của công trình chịu tác động nổ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng (vật liệu xốp polymer XPS, xốp kim loại nhôm bọt) và kết cấu bảo vệ công trình được cấu tạo từ các lớp vật liệu này kết hợp tấm dàn lực.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về vật liệu xốp: Tập trung vào nhóm vật liệu xốp không phục hồi biến dạng khi chịu nén ép lớn.
    • Về tải trọng tác động: Giới hạn nghiên cứu ở tác động của áp lực sóng xung kích do vụ nổ trong không khí gây ra, không xét đến tác động nhiệt cháy và tác động xuyên thủng của mảnh văng cơ học, phù hợp với năng lực trang thiết bị đo đạc thực nghiệm tại Học viện Kỹ thuật Quân sự.
    • Về kết cấu chịu lực được bảo vệ: Tập trung vào kết cấu bê tông cốt thép thông thường (tấm sàn, tấm tường và cấu kiện cột chịu lực).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây được điểm lại

Luận án đã hệ thống hóa ba nhóm giải pháp chính trong việc giảm tác hại của vụ nổ lên công trình:

Nhóm nghiên cứu Tác giả, công trình và năm Nội dung và phát hiện chính được trích dẫn
Khoảng cách và công sự truyền thống DOD (2005) [13]; các tài liệu kỹ thuật công sự [14, 15] Quy định khoảng cách tác động tối thiểu (SOD); sử dụng tường chắn, hào, màn chắn sóng, lớp đất cát, bao cát dã chiến để tiêu tán năng lượng nổ.
Bê tông cốt sợi kháng nổ (FRC, SFRC, UHFRC) Nam và cs [18]; Chu-Jie và cs [19]; Maalej và cs [21]; Song và cs [22]; Yi và cs [24] Bổ sung sợi thép hoặc sợi polyetylen làm tăng độ dẻo, giảm hiện tượng chấn sụp (spalling) ở mặt sau; UHFRC có hệ số nén khi nổ tiếp xúc là 0.041 (gấp 3 lần FRC thường); UHSFRC có năng lượng đứt gãy 20.000 - 40.000 J/m² giúp hạn chế nứt vỡ.
Gia cường kết cấu bằng tấm composite (FRP, SRP, PU) GS Vũ Đình Lợi và cs [25]; Muzsynski & Purcell [26]; Razaqpur và cs [27]; Ha và cs [28]; Ohkubo và cs [29]; Carriere và cs [30] Tấm CFRP và GFRP làm tăng khả năng kháng uốn và chống nứt mặt sau; Razaqpur thử nghiệm nổ ANFO 22.4 kg và 33.4 kg ở cự ly 3.1 m; Ha kết hợp CFRP với phun polyurea (CPU) cho hiệu quả tăng cường 21.4%; Ohkubo so sánh AFRP và CFRP cho thấy 2 lớp AFRP giảm 62% đường kính vùng chấn sụp và giảm độ sâu chấn sụp 4 lần; Carriere ứng dụng tấm polyme cốt thép (SRP).
Vật liệu xốp và nhôm bọt hấp thụ năng lượng nổ Mukai và cs [32]; Ashby và cs [31]; Montanini [39]; Skews, Hanssen, Chengqing Wu và cs [33-35]; Karagiozova và cs [40]; Zhu [41]; H. Ackland [36]; Schenker và cs [37, 42] Nhôm bọt có khối lượng riêng bằng khoảng 10% nhôm nguyên khối, khả năng hấp thụ va chạm gấp 3 lần nhôm đặc; kéo dài thời gian tác dụng tải và giảm áp lực đỉnh truyền vào kết cấu; Ackland thử nghiệm so sánh nhôm bọt (dày 14 mm), Skydex (25 mm), Nomex tổ ong và xốp EPS; Schenker thử nghiệm dầm và tường BTCT chịu nổ khối TNT gần 1000 kg, ghi nhận gia tốc giảm tới 50%.
Mô hình hóa cấu trúc xốp Gibson & Ashby [52]; Dementjev & Tarakanov [53]; Ko [57]; Lederman [58]; Cunningham [59, 60]; Warren & Kraynik [61]; Valuyskikh [67]; Voronoi [69]; Boots [71] Phát triển các mô hình ô mạng 3D: khối lập phương, khối tetrakaidecahedron (14 mặt), khối 12 mặt hình thoi/hình thang, mô hình sợi ngẫu nhiên, mô hình tứ diện và phân vùng không gian Voronoi 3D ngẫu nhiên dựa trên các giả định phát triển bọt khí.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các mô hình cấu trúc vi mô như phân vùng Voronoi 3D mô tả sát ứng xử tế vi của vật liệu xốp, nhưng chúng đòi hỏi tài nguyên tính toán rất lớn và không thể áp dụng trực tiếp cho các bài toán phân tích kết cấu công trình kích thước lớn trong điều kiện kỹ thuật hiện nay. Tại Việt Nam, vật liệu xốp chủ yếu mới được khai thác ở khía cạnh cách âm, cách nhiệt, chưa có công trình nào nghiên cứu ứng dụng để giảm áp lực nổ lên công trình xây dựng.

Luận án chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách: nghiên cứu đặc tính nén thực tế của xốp XPS và nhôm bọt; lựa chọn mô hình vật liệu liên tục tương đương đã tích hợp trong phần mềm phần tử hữu hạn phi tuyến LS-DYNA; chuẩn hóa mô hình số thông qua các thí nghiệm nổ hiện trường có đối chứng; từ đó phát triển giải pháp kết cấu bảo vệ dạng tấm ốp nhiều lớp có phân đoạn, xác định các thông số cấu tạo tối ưu nhằm ứng dụng bảo vệ cho kết cấu công trình bê tông cốt thép.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình cơ học

  1. Lý thuyết sóng xung kích nổ trong không khí: Vụ nổ giải phóng năng lượng đột ngột trong vài mili giây, tạo sóng xung kích lan truyền nhanh hơn vận tốc âm thanh. Áp lực nổ được đặc trưng bởi pha nén với áp lực đỉnh $P_s$, thời gian duy trì $t_d$, xung lượng $J_s$ và tiếp theo là pha dãn (pha âm) với áp lực cực tiểu $P_s^-$, thời gian $t_d^-$, xung lượng $J_s^-$. Khoảng cách tỷ lệ $Z$ được xác định theo công thức điểm nổ chuẩn: $Z = R / W^{1/3}$ (trong đó $R$ là khoảng cách đến tâm nổ, $W$ là khối lượng thuốc nổ tương đương TNT).
  2. Lý thuyết hấp thụ năng lượng của vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng: Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$) của vật liệu xốp khi chịu nén gồm ba giai đoạn đặc trưng:
    • Giai đoạn đàn hồi tuyến tính: Biến dạng nhỏ, độ dốc ứng với mô đun đàn hồi $E_f$. Khung xương lỗ rỗng chịu uốn đàn hồi.
    • Giai đoạn thềm chảy dẻo (plateau): Đoạn bằng kéo dài với mức ứng suất chảy dẻo sụp đổ $\sigma_{pl}$ gần như không đổi qua một khoảng biến dạng rất lớn. Đây là giai đoạn hấp thụ phần lớn năng lượng tác động ($W_{vol} = \int \sigma , d\varepsilon$).
    • Giai đoạn nén chặt (densification): Bắt đầu tại biến dạng $\varepsilon_D$, các thành vách tế bào lỗ rỗng chạm vào nhau, vật liệu chuyển sang trạng thái nén chặt khiến ứng suất tăng vọt.
  3. Mô hình toán học và phương trình trạng thái trong LS-DYNA:
    • Thuốc nổ TNT: Sử dụng mô hình vật liệu *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN kết hợp phương trình trạng thái Jones-Wilkins-Lee (*EOS_JWL): $$p = A_{jwl}\left(1 - \frac{\omega_{jwl}}{R_1 V}\right)e^{-R_1 V} + B_{jwl}\left(1 - \frac{\omega_{jwl}}{R_2 V}\right)e^{-R_2 V} + \frac{\omega_{jwl} E_0}{V}$$
    • Không khí: Sử dụng mô hình *MAT_NULL kết hợp phương trình trạng thái khí lý tưởng tuyến tính theo thể tích đa thức *EOS_LINEAR_POLYNOMIAL với các hệ số $C_0$ đến $C_6$.
    • Vật liệu xốp: Khảo sát các thẻ vật liệu *MAT_LOW_DENSITY_FOAM (MAT_057), *MAT_HONEYCOMB (MAT_026/MAT_126), *MAT_CRUSHABLE_FOAM (MAT_063) và *MAT_CLOSED_CELL_FOAM (MAT_053).
    • Bê tông: Đánh giá các mô hình phi tuyến chuyên dụng cho bê tông chịu tải trọng động gồm Karagozian & Case Concrete (*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3 hay KCC), Continuous Surface Cap (*MAT_CSCM_CONCRETE), Winfrith (*MAT_WINFRITH_CONCRETE hay MAT_084) và RHT (*MAT_RHT).
    • Cốt thép và tấm kim loại: Sử dụng mô hình đàn dẻo song tuyến hoặc mô hình dẻo có xét đến biến dạng nhớt và phá hoại (*MAT_PLASTIC_KINEMATIC).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án phối hợp chặt chẽ các phương pháp:

  • Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm nén đơn trục chuẩn trên máy nén tĩnh để thu nhận đường cong ứng suất - biến dạng thực tế của mẫu xốp Extruded Polystyrene (XPS) và mẫu nhôm bọt lỗ rỗng kín.
  • Thực nghiệm nổ ngoài hiện trường: Thiết lập các bãi thử nổ ngoài trời, kích nổ lượng nổ TNT hình khối/trụ để:
    • Đo áp lực sóng xung kích của vụ nổ lan truyền trong không khí ở các khoảng cách khác nhau (cách tâm nổ 60 cm, 80 cm, 100 cm).
    • Khảo sát phản ứng động học của tấm bê tông cốt thép chịu tải trọng nổ (thí nghiệm TN_01 khảo sát đặc trưng động học; thí nghiệm TN_02 chịu nổ gần gây phá hoại nứt vỡ).
    • Thử nghiệm đánh giá hiệu quả hấp thụ của lớp xốp XPS đặt trên tấm bê tông cốt sợi GFRP.
  • Mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm LS-DYNA với thuật toán tích phân tường minh (Explicit). Áp dụng phương pháp tọa độ tùy biến Lagrangian-Eulerian (ALE) để mô phỏng tương tác giữa miền khí thuốc nổ, môi trường không khí (Eulerian) và kết cấu công trình (Lagrangian) thông qua thẻ tiếp xúc giằng buộc *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu được từ cảm biến áp lực áp điện, cảm biến gia tốc, đầu đo chuyển vị LVDT và hệ thống thu thập dữ liệu tốc độ cao tại hiện trường thí nghiệm của Học viện Kỹ thuật Quân sự; các thông số vật liệu do nhà sản xuất cung cấp kết hợp tài liệu kỹ thuật chuẩn quốc tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày cơ chế hình thành vụ nổ, bản chất truyền sóng xung kích trong môi trường không khí và tương tác của sóng phản xạ lên kết cấu công trình. Phân tích chỉ rõ áp lực phản xạ khi sóng nổ đập vuông góc vào bề mặt chướng ngại vật có độ lớn gấp nhiều lần áp lực tới, là nguyên nhân trực tiếp gây ra hư hỏng kết cấu. Tác giả phân tích hiện tượng "chấn sụp" (spalling) đặc trưng ở mặt sau tấm bê tông cốt thép do sóng nén phản xạ thành sóng kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông.

Tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết cho thấy:

  • Các giải pháp vật liệu gia cường như bê tông cốt sợi (SFRC, PFRC, UHFRC), tấm composite dán ngoài (CFRP, GFRP, AFRP, SRP) hoặc phủ polyurea (PU, CPU) giúp tăng tính dẻo và hạn chế nứt vỡ nhưng không làm giảm lượng áp lực mà kết cấu phải gánh chịu.
  • Vật liệu xốp (đặc biệt là nhôm bọt kim loại) sở hữu thềm dẻo dài (plateau region), cho phép hấp thụ cơ năng biến dạng lớn ở mức ứng suất truyền gần như cố định, kéo dài thời gian tác dụng của tải và hạ thấp đỉnh xung kích truyền vào mặt kết cấu bên trong.
  • Tổng kết các mô hình cấu trúc vi mô ô rỗng từ các mô hình thanh chống đơn giản (Gibson-Ashby, tetrakaidecahedron, 12 mặt hình thoi của Ko, sợi ngẫu nhiên của Lederman, tứ diện Warren-Kraynik) tới mô hình phân vùng Voronoi 3D của Boots, Valuyskikh, Gent và Thomas. Đánh giá tính bất khả thi khi giải bài toán kích thước lớn bằng mô hình vi mô và khẳng định tính tất yếu của việc sử dụng mô hình vật liệu tương đương trong phần mềm phần tử hữu hạn động lực học phi tuyến LS-DYNA (phát triển từ DYNA3D của John O. Hallquist tại LLNL).

Chương 2: Nghiên cứu khả năng hấp thụ áp lực của vật liệu xốp và ứng dụng

Nội dung chương tập trung làm rõ bản chất cơ học của vật liệu xốp chịu nén và phương pháp mô hình hóa số:

  • Cơ chế chịu lực của xốp: Phân biệt cơ chế làm việc của xốp lỗ rỗng mở (biến dạng uốn thanh vách tế bào, lực cản nhớt của dòng khí lưu thông qua lỗ rỗng) và xốp lỗ rỗng kín (uốn màng thành mỏng và tăng áp suất khí nén bị giam hãm bên trong thể tích rỗng $V_g$). Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ biến dạng: đối với nhôm bọt Alulight mật độ tương đối 0.18, ứng suất đoạn bằng $\sigma_{pl}$ gần như không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng ở dải đo lên đến $3 \times 10^3 , \text{s}^{-1}$.
  • Thí nghiệm nén đơn trục mẫu xốp XPS: Tiến hành nén mẫu xốp XPS thực tế, thu được đồ thị ứng suất - biến dạng thể hiện rõ ba pha làm việc đặc trưng: đàn hồi ban đầu, thềm biến dạng dẻo dài phẳng và nén chặt đông cứng.
  • Mô phỏng số thí nghiệm nén trên LS-DYNA: Thiết lập mô hình nén mẫu xốp bằng phần tử khối 8 nút (Solid Hexahedral). Khảo sát và so sánh ba mô hình vật liệu xốp:
    • MAT_053 (*MAT_CLOSED_CELL_FOAM): Mô hình cho xốp lỗ rỗng kín.
    • MAT_057 (*MAT_LOW_DENSITY_FOAM): Mô hình xốp mật độ thấp dỡ tải động (thông qua các tham số $HU$ và $SHAPE$).
    • MAT_063 (*MAT_CRUSHABLE_FOAM): Mô hình xốp chịu nén ép nghiền nát có thể biến dạng dẻo vĩnh viễn. Kết quả so sánh cho thấy mô hình MAT_057 và MAT_063 tái hiện sát đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng thí nghiệm sau khi được hiệu chỉnh thông số đầu vào.
  • Nguyên lý ứng dụng hấp thụ năng lượng: Phân tích định lượng năng lượng hấp thụ riêng $W_{vol}$, vai trò kéo dài xung thời gian truyền sóng nổ, nguyên lý giảm chấn rung động qua hệ số tổn thất năng lượng $\eta$ và hàm truyền dao động.

Chương 3: Nghiên cứu xây dựng và chuẩn hóa mô hình mô phỏng số

Chương 3 giải quyết khâu then chốt về kiểm chứng và chuẩn hóa mô hình số đa vật liệu qua các thực nghiệm hiện trường:

  • Chuẩn hóa bài toán vụ nổ trong không khí:
    • Thiết lập mô hình số vụ nổ thuốc nổ TNT trong không khí bằng phương pháp ALE.
    • Khảo sát độ nhạy kích thước lưới chia phần tử thuốc nổ với 4 mức độ: TNT1 (lưới 1/10), TNT2 (1/15), TNT3 (1/20), TNT4 (1/25).
    • Khảo sát hệ số tỷ lệ bước thời gian tính toán tường minh qua 6 mô hình: TSF1 ($TSSFAC = 0.1$) đến TSF6 ($TSSFAC = 0.6$).
    • Thực nghiệm nổ đo áp lực sóng xung kích tại hiện trường tại các cự ly 60 cm, 80 cm và 100 cm. So sánh dạng đường cong áp lực - thời gian và giá trị áp lực đỉnh giữa mô phỏng LS-DYNA và cảm biến thực tế để xác định cấu hình lưới và bước thời gian tối ưu đảm bảo sai số nhỏ nhất.
  • Chuẩn hóa bài toán kết cấu bê tông cốt thép chịu tải nổ:
    • Chế tạo và thử nghiệm mẫu bê tông, mẫu cốt thép để xác định các đặc trưng cơ lý đầu vào.
    • Thực hiện hai kịch bản nổ hiện trường: TN_01 (khảo sát đặc trưng động học đàn dẻo) và TN_02 (nổ gần gây nứt vỡ, phá hoại mặt dưới tấm BTCT).
    • Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tương ứng trên LS-DYNA; bê tông được mô hình bằng phần tử khối 8 nút, cốt thép sử dụng phần tử dầm Hughes-Liu tích hợp đồng chuyển vị trong bê tông.
    • Đối chiếu biến thiên chuyển vị theo thời gian, gia tốc đỉnh và hình thái phân bố vết nứt phá hủy mặt dưới giữa tính toán số và mẫu thử nghiệm hiện trường.
  • Chuẩn hóa bài toán vật liệu xốp chịu áp lực nổ trực tiếp:
    • Thí nghiệm hiện trường nổ tác dụng lên tấm bê tông cốt thanh polyme sợi thủy tinh (GFRP) có ốp lớp xốp XPS chịu nén ép không phục hồi.
    • Sau vụ nổ, lớp xốp XPS bị nén xẹp vĩnh viễn, hấp thụ phần lớn động năng vụ nổ; ghi nhận sự suy giảm rõ rệt về biên độ chuyển vị và đỉnh gia tốc của tấm bê tông.
    • Mô phỏng lại quá trình trên LS-DYNA, kết quả biến dạng nén xẹp của tấm xốp và đáp ứng động học của tấm bê tông cốt GFRP đạt mức tương đồng cao với thực nghiệm.

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu bảo vệ bằng vật liệu xốp giảm tác động của áp lực nổ

Từ mô hình số đã được chuẩn hóa, chương 4 đi sâu khảo sát các giải pháp kết cấu bảo vệ và ứng dụng bảo vệ kết cấu công trình chịu nổ:

  • Cấu trúc bảo vệ cơ bản và cơ chế làm việc: Kết cấu gồm tấm dàn lực mặt ngoài (bằng kim loại) kết hợp lõi vật liệu xốp hấp thụ năng lượng ở giữa, đặt phía trước cấu kiện bê tông cần bảo vệ. Tấm mặt có nhiệm vụ nhận áp lực nổ cục bộ, phân bố đều lực ép lên toàn bộ bề mặt lớp xốp, giúp xốp biến dạng đều và phát huy tối đa thềm chảy dẻo.
  • Khảo sát tham số cấu tạo kết cấu bảo vệ:
    • Chiều dày tấm thép mặt ngoài: Khảo sát các chiều dày $\delta_{td}$ khác nhau để tìm độ cứng uốn thích hợp, tránh hiện tượng tấm quá mỏng bị uốn cục bộ làm rách xốp hoặc quá dày gây tăng tải trọng bản thân.
    • Cấu tạo nhiều lớp (multi-layered sandwich): Khảo sát 4 sơ đồ: cấu trúc cơ bản (thép - xốp), cấu trúc loại 1 (thép - xốp - thép), cấu trúc loại 2 (thép - xốp - thép - xốp), cấu trúc loại 3 (thép - xốp - thép - xốp - thép). Kết quả chỉ ra cấu trúc xen kẽ nhiều lớp giúp phân tán sóng ứng suất qua nhiều mặt phân giới tiếp xúc, nâng cao hiệu quả giảm gia tốc và chuyển vị.
    • Vật liệu tấm dàn lực: So sánh tấm dàn lực bằng thép, nhôm và chì.
    • Phân nhỏ (phân đoạn) kết cấu bảo vệ: Khảo sát các kích thước module phân đoạn: $20 \times 20,\text{cm}$, $25 \times 25,\text{cm}$, $33 \times 33,\text{cm}$ và $50 \times 50,\text{cm}$. Việc phân đoạn thành các module nhỏ giúp hạn chế ứng suất uốn tổng thể trên tấm mặt, thuận tiện cho công tác vận chuyển, lắp dựng và thay thế từng phần sau hư hại.
  • Ứng dụng vật liệu nhôm bọt bảo vệ cột công trình nhiều tầng:
    • Thí nghiệm nén đơn trục mẫu nhôm bọt lỗ rỗng kín thực tế để xác định tham số vật liệu đưa vào mô hình số.
    • Thiết lập bài toán mô phỏng một công trình khung bê tông cốt thép 3 tầng chịu tác động của vụ nổ gần chân công trình (mô phỏng kịch bản tương tự vụ nổ Tòa nhà Liên bang Murrah năm 1995).
    • Đối tượng bảo vệ trọng tâm là cột tầng 1. So sánh ba trạng thái: (a) Cột nguyên bản chưa nổ, (b) Cột chịu nổ trực tiếp không có bảo vệ, (c) Cột được bọc kết cấu bảo vệ bằng nhôm bọt kết hợp tấm mặt kim loại phân đoạn.
    • Kết quả mô phỏng cho thấy cột chịu nổ trực tiếp bị nứt vỡ nghiêm trọng, mất khả năng chịu lực chính; trong khi cột có lớp bảo vệ nhôm bọt giữ được tính toàn vẹn hình học, các vết nứt bê tông được khống chế ở mức rất thấp, đỉnh chuyển vị ngang, gia tốc rung động và ứng suất chính trong cột giảm đi đáng kể.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm sáng tỏ cơ chế cơ học hấp thụ năng lượng áp lực nổ của vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng không phục hồi khi làm việc phối hợp với tấm dàn lực kim loại, khẳng định vai trò của thềm chảy dẻo trong việc kéo dài thời gian truyền tải và làm giảm áp lực phản xạ đỉnh truyền vào kết cấu bên trong.
  2. Xây dựng và chuẩn hóa thành công quy trình mô phỏng số bài toán tương tác đa vật liệu (khí thuốc nổ TNT - không khí - tấm dàn lực - vật liệu xốp/nhôm bọt - bê tông cốt thép) trên phần mềm LS-DYNA bằng thuật toán ALE kết hợp tích phân tường minh Explicit, được xác minh chéo qua số liệu thực nghiệm đo đạc áp lực nổ, gia tốc, chuyển vị và hình thái vết nứt ngoài hiện trường.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Đề xuất giải pháp kết cấu bảo vệ dạng tấm ốp phân đoạn nhiều lớp (tấm kim loại kết hợp lõi xốp XPS hoặc nhôm bọt) với các thông số cấu tạo định lượng cụ thể về chiều dày tấm mặt, số lớp ghép và kích thước phân đoạn module ($20 \times 20,\text{cm}$ đến $50 \times 50,\text{cm}$).
  2. Chứng minh tính khả thi và hiệu quả bảo vệ thực tế của lớp bọc nhôm bọt đối với cấu kiện cột chịu lực của công trình bê tông cốt thép nhiều tầng dưới kịch bản nổ gần, giúp bảo vệ an toàn cho các công trình hiện hữu mà không cần can thiệp đục phá kết cấu gốc hay phụ thuộc vào thời gian bảo dưỡng ướt tại chỗ.

Kiến nghị và đề xuất kỹ thuật

  • Khuyến nghị ứng dụng kết cấu bảo vệ sử dụng vật liệu nhôm bọt kết hợp tấm thép dàn lực phân đoạn module để ốp bảo vệ các cấu kiện chịu lực xung yếu (cột tầng trệt, tường bao ngoài) của các công trình công cộng trọng điểm, trụ sở cơ quan, công trình quốc phòng có nguy cơ bị tấn công nổ.
  • Khuyến nghị sử dụng các bộ tham số lưới chia (tương đương cấp TNT2 - TNT3) và hệ số bước thời gian $TSSFAC$ đã được chuẩn hóa trong luận án khi tiến hành tính toán thiết kế kháng nổ bằng phần mềm LS-DYNA.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Về loại tải trọng: Nghiên cứu mới chỉ tập trung khảo sát tác động của áp lực sóng xung kích từ vụ nổ trong không khí; chưa xét đến tác động kết hợp của nhiệt độ cao do cháy sau nổ và hiệu ứng xuyên thủng, va đập của các mảnh văng nổ.
  • Về vật liệu: Luận án chỉ giới hạn khảo sát các loại vật liệu xốp chịu nén không phục hồi (xốp polymer XPS và nhôm bọt lỗ rỗng kín), chưa mở rộng khảo sát các dạng vật liệu xốp tái sinh đàn hồi hoặc cấu trúc lỗ rỗng phân cấp phức tạp.
  • Về quy mô kết cấu: Thực nghiệm hiện trường mới dừng lại ở quy mô cấu kiện độc lập (tấm sàn, tấm tường phẳng); bài toán bảo vệ hệ khung không gian công trình nhiều tầng mới được thực hiện ở bước mô phỏng số.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu ứng xử của kết cấu bảo vệ dưới tác động đồng thời của áp lực sóng nổ, nhiệt độ cao và mảnh văng tốc độ cao (tải trọng nổ kết hợp).
  • Khảo sát ứng dụng các dạng vật liệu xốp kim loại mới, vật liệu lai (composite sandwich foams) có mật độ biến thiên theo chiều dày để tối ưu hóa khả năng hấp thụ sóng xung kích.
  • Mở rộng thử nghiệm nổ hiện trường trên mô hình khung không gian kết cấu công trình chịu lực hoàn chỉnh có lắp đặt hệ thống bảo vệ dạng module tháo lắp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt, Công trình quốc phòng, Cơ học vật thể rắn, Động lực học công trình: Tham khảo phương pháp thiết lập mô hình tính toán số trên LS-DYNA, kỹ thuật ghép nối tương tác ALE và các kỹ thuật đo đạc cảm biến áp lực, gia tốc trong thực nghiệm nổ hiện trường.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu và chuyên gia tư vấn: Sử dụng các thông số tính toán, biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của xốp XPS, nhôm bọt và các giải pháp cấu tạo tấm bảo vệ nhiều lớp để ứng dụng trong thiết kế bảo vệ tăng cường cho các công trình dân dụng, ngân hàng, tòa đại sứ hoặc công trình quân sự.
  • Các cơ quan quản lý và quy hoạch an ninh quốc phòng: Tham khảo cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn bảo vệ công trình trọng yếu trước nguy cơ khủng bố và các sự cố nổ bất ngờ.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế cơ học cốt lõi nào giúp vật liệu xốp hấp thụ và làm giảm áp lực nổ tác động lên công trình?

Vật liệu xốp có thềm chảy dẻo (plateau region) rất dài trên đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng khi chịu nén. Khi sóng xung kích nổ tác động qua tấm dàn lực, các thành vách tế bào lỗ rỗng bị uốn cong, sụp đổ dẻo hoặc gãy vỡ dần dần dưới một mức ứng suất gần như không đổi ($\sigma_{pl}$) trong suốt quá trình biến dạng nén lớn. Quá trình này tiêu tán một lượng cơ năng rất lớn thành năng lượng biến dạng dẻo vĩnh viễn, đồng thời kéo dài thời gian truyền xung lực, làm giảm đáng kể giá trị áp lực phản xạ đỉnh truyền vào bề mặt kết cấu công trình bê tông cốt thép được bảo vệ.

2. Vì sao luận án không sử dụng mô hình vi mô phân vùng Voronoi 3D để mô phỏng toàn bộ kết cấu bảo vệ trong bài toán nổ lớn?

Mô hình vi mô dựa trên kỹ thuật phân vùng không gian Voronoi 3D mô tả rất chính xác hình học các ô lỗ rỗng ngẫu nhiên thực tế, nhưng đòi hỏi số lượng phần tử hữu hạn khổng lồ và dữ liệu hình học vi mô phức tạp. Việc giải một kết cấu bảo vệ kích thước lớn (như cột hoặc tấm tường công trình) chịu tải trọng động lực học nổ bằng mô hình Voronoi vượt quá năng lực xử lý của phần cứng máy tính hiện nay. Do đó, tác giả sử dụng phương pháp mô hình hóa vật liệu liên tục tương đương trong LS-DYNA (như mô hình MAT_057, MAT_063), được gán các đặc trưng cơ lý thu được từ thí nghiệm nén thực tế để vừa phản ánh đúng ứng xử vĩ mô vừa tối ưu hóa thời gian tính toán.

3. Thực nghiệm nổ hiện trường trong luận án đã kiểm chứng và chuẩn hóa những thông số nào của mô hình số?

Thực nghiệm nổ hiện trường của luận án đã thực hiện kiểm chứng chéo trên ba khía cạnh:

  • Mô hình lan truyền sóng nổ trong không khí: Đo áp lực sóng xung kích tại các cự ly 60 cm, 80 cm và 100 cm để chuẩn hóa kích thước lưới chia phần tử thuốc nổ (khảo sát từ TNT1 đến TNT4) và tỷ lệ bước thời gian tính toán ($TSSFAC$ từ 0.1 đến 0.6).
  • Mô hình kết cấu bê tông cốt thép: Đo chuyển vị, gia tốc và chụp ảnh phân bố vết nứt phá hoại của tấm bê tông cốt thép dưới hai cấp độ nổ TN_01 và TN_02 để hiệu chỉnh mô hình vật liệu bê tông và liên kết cốt thép.
  • Mô hình tương tác xốp - kết cấu: Đo mức độ nén xẹp của xốp XPS và độ suy giảm chuyển vị của tấm bê tông cốt GFRP khi chịu nổ thực tế để khẳng định độ tin cậy của thuật toán tiếp xúc và mô hình phá hủy.

4. Vai trò của tấm kim loại dàn lực và việc phân đoạn kết cấu bảo vệ thành các module nhỏ là gì?

Tấm kim loại mặt ngoài (tấm dàn lực) đóng vai trò tiếp nhận áp lực nổ cục bộ và phân bố đều tải trọng nén lên toàn bộ diện tích bề mặt lớp xốp, ngăn chặn hiện tượng rách thủng cục bộ và ép lớp xốp biến dạng đồng đều để hấp thụ tối đa năng lượng. Việc phân chia kết cấu bảo vệ thành các module nhỏ (từ $20 \times 20,\text{cm}$ đến $50 \times 50,\text{cm}$) giúp giải tỏa ứng suất uốn uốn cục bộ trên tấm mặt, tăng hiệu quả dập tắt dao động, đồng thời tạo thuận lợi cho chế tạo công nghiệp, vận chuyển, lắp dựng tháo dỡ và thay thế cục bộ các tấm bị hư hỏng sau sự cố nổ.

5. Lớp bảo vệ bằng nhôm bọt đem lại kết quả cụ thể nào khi ứng dụng bảo vệ cột công trình 3 tầng chịu nổ gần?

Dưới tác động của vụ nổ gần chân công trình (kịch bản tương tự vụ tấn công Tòa nhà Murrah), cột bê tông cốt thép không có bảo vệ bị vỡ vụn bê tông, uốn cong cốt thép và mất khả năng chịu lực chính, đe dọa trực tiếp đến sự ổn định của toàn bộ công trình 3 tầng. Ngược lại, khi được bọc lớp kết cấu bảo vệ bằng nhôm bọt kết hợp tấm mặt kim loại, năng lượng sóng nổ bị triệt tiêu phần lớn qua biến dạng nén xẹp của nhôm bọt; cột bên trong giữ được tính toàn vẹn, mức độ nứt vỡ bề mặt rất nhỏ, giá trị gia tốc dao động đỉnh, chuyển vị ngang và ứng suất kéo - nén chính trong cột đều giảm mạnh so với trường hợp chịu nổ trực tiếp.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Công Nghị đã giải quyết một vấn đề kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn cao trong lĩnh vực bảo vệ công trình xây dựng trước tác động của tải trọng nổ. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa thí nghiệm nén mẫu, thực nghiệm nổ hiện trường và mô phỏng số phi tuyến tường minh trên phần mềm LS-DYNA, tác giả đã làm rõ cơ chế hấp thụ năng lượng của vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng và chuẩn hóa thành công mô hình tính toán động lực học đa vật liệu. Các kết quả nghiên cứu về cấu tạo tấm dàn lực, kết cấu sandwich nhiều lớp và phương án phân đoạn module bằng nhôm bọt cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật tin cậy để gia cường, nâng cao khả năng kháng nổ cho các cấu kiện công trình bê tông cốt thép trọng yếu.