Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng hiện đại, các vật liệu truyền thống như bê tông, thép và bê tông cốt thép thông thường tồn tại những nhược điểm cố hữu về trọng lượng bản thân lớn và nguy cơ bị ăn mòn, xâm thực dưới tác động của môi trường. Xu hướng phát triển vật liệu và kết cấu xây dựng mới đòi hỏi việc kết hợp tối ưu giữa các vật liệu có cường độ cao tại các vùng chịu lực tập trung và vật liệu nhẹ tại các khu vực ít chịu lực, điển hình là dạng kết cấu sandwich.

Kết cấu sandwich truyền thống sử dụng lớp vỏ bằng bê tông cốt thép thường yêu cầu chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn để chống gỉ cho cốt thép, làm tăng đáng kể trọng lượng cấu kiện. Các nghiên cứu gần đây trên thế giới đã bước đầu sử dụng bê tông cốt lưới dệt (BTCLD) làm lớp vỏ mỏng chịu lực, kết hợp với các loại lõi nhẹ như xốp polystyrene (EPS), xốp polyurethane (PU), bông khoáng hoặc bê tông xốp (EPC). Tuy nhiên, các dạng kết cấu sandwich lõi xốp này có cường độ và mô đun đàn hồi của lớp lõi rất thấp, khả năng dính bám tiếp xúc kém dẫn đến phá hoại do bong tách bề mặt hoặc phá hoại cắt giòn ở lớp lõi trước khi lớp vỏ BTCLD phát huy hết khả năng chịu kéo. Do đó, các kết cấu này chủ yếu mới chỉ được ứng dụng cho kết cấu bao che, tấm tường chịu tải trọng nhỏ mà chưa thể ứng dụng cho kết cấu chịu lực lớn như sàn công trình.

Nhằm giải quyết bài toán sàn nhẹ vượt nhịp có khả năng chịu lực cao, việc nghiên cứu sử dụng bê tông nhẹ cốt liệu keramzit (BTN-K) làm lớp lõi kết hợp với lớp vỏ bằng BTCLD là một giải pháp khả thi. Cốt liệu keramzit từ đất sét nở phồng giúp giảm khối lượng thể tích của bê tông nhưng vẫn duy trì được cường độ chịu nén và độ cứng đáng kể so với các loại xốp. Khoảng trống nghiên cứu hiện nay là chưa có các nghiên cứu toàn diện từ cấp độ vật liệu đến cấu kiện kết cấu đối với hệ sandwich BTCLD và BTN-K tại Việt Nam, đặc biệt là sự thiếu hụt các mô hình giải tích dự đoán ứng xử nứt, mô hình sức kháng uốn và mô hình tính toán sức kháng cắt theo sơ đồ hệ thanh phản ánh đúng tương tác làm việc đồng thời giữa các lớp vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Đề xuất được một dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ứng dụng cho kết cấu sàn trong công trình xây dựng.
  2. Xây dựng được mô hình tính toán một số ứng xử chịu uốn và chịu cắt cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ở trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel đúc sẵn, làm việc chịu uốn một phương theo sơ đồ một nhịp giản đơn.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng dầm/bản một phương giản đơn chịu tải trọng tĩnh, tác dụng ngắn hạn.
    • Bê tông hạt mịn (BTHM) có cường độ chịu nén đến 60 MPa.
    • Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu keramzit (BTN-K) có cường độ chịu nén đến 20 MPa, khối lượng thể tích khoảng 1300 kg/m³.
    • Cốt lưới dệt từ sợi carbon có cường độ chịu kéo danh định đến 3000 MPa.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Khái niệm kết cấu sandwich được khởi xướng đầu tiên bởi Fairbairn (1849) và tiếp tục được hoàn thiện bởi Noor, Burton và Bert (1996) với cấu tạo ba lớp cơ bản gồm hai lớp vỏ mỏng cường độ cao đặt cách xa nhau qua một lớp lõi nhẹ. Các tiêu chí định lượng về hình học và độ cứng cho kết cấu sandwich vỏ mỏng đã được đề xuất bởi Langlie ($t/h_c < 1/20$), Zenkert ($t/h_c < 1/(10 \div 50)$ và $E_{t,b}/E_c = 50 \div 100$), và Allen (phân loại theo tỷ số $z/t$). Về trạng thái tiếp xúc, các nghiên cứu chia kết cấu sandwich thành ba nhóm: không liên hợp, liên hợp một phần (tính toán theo Timoshenko) và liên hợp hoàn toàn (tuân theo giả thuyết tiết diện phẳng Bernoulli).

Về vật liệu BTCLD, công nghệ này được khởi xướng từ những năm 1990 tại Đại học Kỹ thuật RWTH Aachen và Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Dresden (Đức). Brockmann đã thiết lập các cấp phối BTHM sử dụng cốt liệu mịn dưới 0,6 mm và phát triển phương trình quan hệ ứng suất – biến dạng chịu nén sửa đổi từ tiêu chuẩn CEB-FIP Model Code 90. Tại Việt Nam, Lê Minh Cường nghiên cứu chế tạo BTHM từ cát quartz và bột quartz đạt cường độ nén 70 MPa; Ngô Đăng Quang và Mai Đình Lộc khảo sát BTHM sử dụng cát biển Cửa Lò đạt cường độ nén khoảng 40 MPa. Ứng xử dính bám giữa cốt sợi dệt và BTHM được Krüger và Ortlepp chuẩn hóa trong chỉ dẫn Zulassung Z-31.10-182. Ứng xử kéo dọc trục của tấm BTCLD được phân tích sâu bởi Curbach, Hegger, De Felice, Colombo và D’Antino.

Về bê tông nhẹ, TCVN 9029:2017 quy định bê tông nhẹ có khối lượng thể tích dưới 1800 kg/m³. Đặng Thùy Chi nghiên cứu chế tạo BTN-K đạt cường độ nén đến 60 MPa. Campione thiết lập phương trình ứng suất – biến dạng phi tuyến chịu nén của BTN-K với các hệ số quản lý nhánh giảm tải $k_d = 0,47$ và $\alpha = 0,7$.

Về kết cấu sandwich sử dụng BTCLD và vật liệu nhẹ, các công trình tiêu biểu gồm:

  • Lõi EPS, XPS, Bông khoáng: Hegger và Horstmann, Finzel, Colombo, Isabella, Tsangouri nghiên cứu tấm sandwich BTCLD - EPS; Von der Heid nghiên cứu lõi XPS và xốp bông khoáng. Kết quả cho thấy các kết cấu này chủ yếu bị phá hoại do cắt ở lõi hoặc bong tách bề mặt tiếp xúc; việc tăng cường dính bám giúp khả năng chịu lực tăng từ 75% đến 100%.
  • Lõi bọt xốp Foam, AAC, EPC: Chira và Junes nghiên cứu tấm tường BTCLD - foam; Dey khảo sát tấm sandwich BTCLD - bê tông khí chưng áp (AAC) chịu tải va chạm; Nguyen phát triển sandwich BTCLD - bê tông hạt xốp EPS (EPC); Schaumann nghiên cứu dầm liên hợp FRP - bê tông nhẹ - bê tông thường dùng cho bản mặt cầu.
  • Mô hình tính toán: Junes đề xuất phương pháp chia thớ (fiber section analysis); Djamai xây dựng mô hình uốn 3 giai đoạn có xét đến hiệu ứng tăng cứng kéo (tension stiffening); Ali Shams mô hình hóa biến dạng uốn - trượt của dầm BTCLD - EPS; Nguyen thiết lập công thức sức kháng cắt thực nghiệm phụ thuộc tỷ số độ mảnh cắt $a/d$.
  • Ứng dụng thực tế: Tấm tường ngoài tại tòa nhà Eastsite VIII (Đức), công trình nhà ở Dublin của O’Hegarty (Ireland), dự án EASEE tại Cinisello Balsamo (Ý) và tường chắn tiếng ồn đường cao tốc tại Đức.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu đã công bố chỉ dừng lại ở kết cấu tấm tường chịu tải trọng thấp, sử dụng lõi xốp mềm có độ cứng và cường độ nhỏ dẫn đến phá hoại sớm ở lớp lõi. Rất ít nghiên cứu sử dụng BTN-K làm lớp lõi nhằm mục đích nâng cao khả năng chịu lực để chế tạo panel sàn. Ngoài ra, các mô hình tính toán hiện hành thường giả định dính bám hoàn toàn mà chưa mô tả chi tiết quá trình hình thành và phân bố vết nứt qua các lớp vật liệu có độ cứng khác nhau, đồng thời các mô hình kháng cắt theo tiêu chuẩn bê tông truyền thống (như ACI 318-19) áp dụng cho dầm sandwich chưa phản ánh chính xác cơ chế truyền lực dạng giàn thanh. Luận án lựa chọn giải quyết trọn vẹn các khoảng trống này thông qua nghiên cứu cấu tạo, mô hình giải tích, thực nghiệm kiểm chứng và mô phỏng số.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm phân tích

  • Lý thuyết biến dạng mặt cắt: Luận án áp dụng giả thuyết tiết diện phẳng của Bernoulli đối với trạng thái liên hợp hoàn toàn giữa lớp vỏ BTCLD và lớp lõi BTN-K.
  • Mô hình ứng xử vật liệu:
    • Bê tông hạt mịn (BTHM): Sử dụng mô hình ứng suất – biến dạng của Brockmann phát triển từ CEB-FIP Model Code 90: $$\sigma_c = f_{cd} \left[ 2\left(\frac{\varepsilon_c}{\varepsilon_{c,1}}\right) - \left(\frac{\varepsilon_c}{\varepsilon_{c,1}}\right)^2 \right] \quad \text{khi } \varepsilon_c \le \varepsilon_{c,1}$$ $$\sigma_c = f_{cd} \quad \text{khi } \varepsilon_{c,1} \le \varepsilon_c \le \varepsilon_{cu}$$
    • Bê tông nhẹ keramzit (BTN-K): Áp dụng mô hình phi tuyến của Campione có kể đến hệ số suy giảm độ cứng và nhánh hạ tải.
    • Cốt lưới dệt carbon: Xem như làm việc đàn hồi tuyến tính hoàn toàn cho đến khi đứt với mô đun đàn hồi $E_f$ và cường độ chịu kéo $f_f$.
  • Phương pháp sơ đồ hệ thanh (Strut-and-Tie Model - STM): Vận dụng theo nguyên lý tiêu chuẩn ACI 318-19 để mô hình hóa vùng truyền lực cắt của dầm sandwich có tỷ số nhịp cắt trên chiều cao làm việc ($a/d$) nhỏ thành một hệ giàn ảo gồm các thanh nén bê tông (struts), thanh kéo cốt dệt (ties) và các nút liên kết (nodal zones).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp đồng bộ ba phương pháp nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu lý thuyết giải tích: Xây dựng phương pháp cân bằng nội lực mặt cắt phân lớp (chia thớ), thiết lập thuật toán xác định mô men nứt $M_{cr}$, mô men giới hạn $M_u$, mô đun chống uốn hiệu dụng $I_e$, sơ đồ khối dự đoán hai kịch bản nứt (BTHM nứt trước hoặc BTN-K nứt trước), và hệ phương toán tính toán sức kháng thanh nén, thanh kéo, nút gối và nút đặt tải trong mô hình STM.
  2. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm:
    • Xác định chỉ tiêu cơ lý của BTHM, BTN-K và cốt dệt carbon (nén, uốn, kéo ép chẻ, mô đun đàn hồi).
    • Thí nghiệm dính bám trượt giữa cốt lưới dệt và BTHM theo chỉ dẫn Zulassung Z-31.10-182.
    • Thí nghiệm dính bám tiếp xúc phẳng giữa BTHM và BTN-K theo khuyến nghị RILEM 250-CSM.
    • Thí nghiệm gia tải tĩnh uốn 4 điểm (thuần túy uốn) trên các mẫu dầm SW1, SW2, SW3 và thí nghiệm uốn 3 điểm (ứng xử cắt) trên các mẫu dầm SW4, SW5.
  3. Nghiên cứu mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn phi tuyến ATENA để rời rạc hóa kết cấu sandwich, sử dụng các phần tử tiếp xúc (interface elements) mô phỏng liên kết giữa các lớp vật liệu và giữa cốt sợi với bê tông.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối, thí nghiệm phá hoại vật liệu và cấu kiện dầm/panel được thực hiện trực tiếp tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Giao thông vận tải, kết hợp với các thông số vật liệu từ nhà sản xuất lưới carbon và các tiêu chuẩn đối chiếu (ACI 318-19, ACI 549.4R-20, RILEM 250-CSM, Zulassung Z-31.10-182, TCVN 9029:2017).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Chương 1 tổng thuật chi tiết bức tranh nghiên cứu trong và ngoài nước về ba thành phần chính: kết cấu sandwich, vật liệu BTCLD và bê tông nhẹ (đặc biệt là BTN-K). Tác giả phân tích cơ chế phân bố ứng suất và các dạng phá hoại điển hình của kết cấu sandwich (phá hoại nén uốn lớp vỏ, trượt bong tách giao diện, phá hoại cắt lớp lõi, mất ổn định cục bộ). Chương này điểm lại các công trình thực tế trên thế giới sử dụng BTCLD làm tấm tường đúc sẵn, từ đó chỉ rõ hạn chế của việc dùng lõi xốp mềm trong các kết cấu chịu lực uốn - cắt cao. Tác giả khẳng định tính khả thi của việc sử dụng BTN-K làm lớp lõi kết hợp lớp vỏ BTCLD để phát triển kết cấu sàn dạng panel, đồng thời xác lập mục tiêu và 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của luận án.

Chương 2: Nghiên cứu đề xuất cấu tạo và xây dựng mô hình xác định ứng xử chịu uốn, chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt - bê tông nhẹ

Chương này đề xuất cấu tạo hoàn chỉnh cho tấm panel sàn sandwich một phương gồm 3 lớp: lớp vỏ BTHM chịu nén phía trên dày $t_t$, lớp lõi BTN-K ở giữa dày $t_c$, và lớp vỏ BTCLD chịu kéo phía dưới dày $t_b$ có bố trí lưới dệt carbon $A_f$.

+-------------------------------------------------------------+  -- Mép trên
|        Lớp vỏ BTHM chịu nén (Chiều dày: t_t)                |
+=============================================================+  -- Giao diện tiếp xúc
|                                                             |
|        Lớp lõi nhẹ BTN-K (Chiều dày: t_c)                   |
|                                                             |
+=============================================================+  -- Giao diện tiếp xúc
|        Lớp vỏ BTCLD chịu kéo (Chiều dày: t_b)               |
| - - - - - - Cốt lưới dệt sợi carbon (Diện tích: A_f) - - - -|
+-------------------------------------------------------------+  -- Mép dưới

Về mặt lý thuyết, chương 2 xây dựng các mô hình giải tích sau:

  1. Mô hình sức kháng uốn và biến dạng: Thiết lập điều kiện cân bằng nội lực trên tiết diện quy đổi, tính toán hợp lực nén trong BTHM ($C_1$), hợp lực nén trong BTN-K ($C_2$), hợp lực kéo trong lưới dệt ($T_f$) và trong các vùng bê tông chưa nứt ($T_1, T_2$). Xác định mô men nứt $M_{cr}$ và mô men uốn giới hạn $M_u$.
  2. Mô hình dự đoán quá trình hình thành và phát triển vết nứt: Xây dựng thuật toán và sơ đồ khối phân tích hai kịch bản nứt dựa trên ứng suất kéo tới hạn của BTHM ($f_{cr}$) và BTN-K ($f_{lcr}$):
    • Trường hợp 1: Lớp BTHM phía dưới nứt trước, ứng suất kéo chuyển sang cho cốt lưới dệt và truyền một phần vào lớp BTN-K qua lực dính bám tiếp xúc.
    • Trường hợp 2: Lớp BTN-K nứt trước khi ứng suất kéo trong BTHM chưa đạt giới hạn bền.
  3. Mô hình độ cứng chống uốn hiệu dụng ($I_e$): Xác định mô men quán tính nguyên $I_g$, mô men quán tính nứt $I_{cr}$ và mô men quán tính hiệu dụng $I_e$ theo mô hình Branson cải biên để tính toán độ võng của dầm panel.
  4. Mô hình tính toán sức kháng cắt theo sơ đồ hệ thanh (STM): Mô hình hóa cấu kiện thành giàn ảo, thiết lập công thức xác định sức kháng cắt giới hạn $V_n$ là giá trị nhỏ nhất trong các điều kiện bền:
    • Sức kháng của thanh nén BTN-K/BTHM ($F_{ns} = f_{ce} A_{cs}$).
    • Sức kháng của thanh kéo cốt lưới dệt ($F_{nt} = A_{st} f_y$).
    • Sức kháng vùng nút tại gối tựa ($F_{nn} = f_{ce} A_{nz}$).
    • Sức kháng vùng nút tại điểm đặt tải trọng.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình chế tạo, đo đạc và kết quả thí nghiệm thực tế.

Bảng tổng hợp đặc trưng cơ lý vật liệu chế tạo trong nghiên cứu:

Loại vật liệu / Chỉ tiêu Cường độ chịu nén đặc trưng (MPa) Cường độ kéo uốn / kéo chẻ (MPa) Mô đun đàn hồi (GPa)
BTHM (mẫu lăng trụ 40×40×160 mm) 58,4 – 62,1 $f_{cr} = 5,6 – 6,2$ $E_c = 26,5 – 28,2$
BTN-K (cốt liệu keramzit) 16,8 – 18,5 $f_{sp} = 1,4 – 1,8$ $E_{lc} = 11,2 – 12,6$
Cốt lưới dệt carbon (phủ Epoxy) — $f_f = 2850 – 3100$ $E_f = 230 – 245$

Kết quả thí nghiệm dính bám:

  • Cường độ dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM đạt giá trị trung bình từ 2,8 đến 3,4 MPa, chiều dài truyền lực $l_f$ đảm bảo không bị tuột sợi.
  • Cường độ dính bám kéo trượt tiếp xúc giữa BTHM và BTN-K (đúc ướt – ướt) đạt 1,65 – 1,92 MPa, vượt qua yêu cầu tối thiểu của tiêu chuẩn ACI 549.4R-20 (1,38 MPa) và Zulassung Z-31.10-182 (1,5 MPa).

Kết quả thí nghiệm dầm panel sandwich: Chương trình thí nghiệm gồm 5 nhóm mẫu (từ SW1 đến SW5) với kích thước tiết diện và chiều dài thay đổi.

  • Thí nghiệm uốn 4 điểm (SW1, SW2, SW3): Sự làm việc của dầm thể hiện rõ qua 3 giai đoạn (trước khi nứt, hình thành vết nứt và giai đoạn nứt ổn định đến khi phá hoại). Vết nứt uốn xuất hiện đầu tiên ở vùng mô men thuần túy tại lớp BTHM kéo, sau đó phát triển thẳng đứng qua lớp BTN-K. Dầm bị phá hoại dẻo dai khi cốt sợi carbon đạt cường độ kéo giới hạn hoặc BTHM vùng nén bị vỡ. Độ lệch giữa mô men tính toán lý thuyết và thực nghiệm nằm trong khoảng 6% – 12%.
  • Thí nghiệm uốn 3 điểm (SW4, SW5 - kiểm tra cắt): Với tỷ số $a/d$ nhỏ, dầm bị phá hoại do vết nứt nghiêng xuất hiện trong lớp lõi BTN-K nối từ điểm đặt tải tới gối tựa. Mô hình STM dự đoán sức kháng cắt với độ chính xác cao, sai số so với thực nghiệm dưới 15%, phản ánh đúng cơ chế thanh nén - thanh kéo.

Chương 4: Nghiên cứu khảo sát các tham số và thiết kế kết cấu sandwich dạng panel ứng dụng cho kết cấu sàn

Chương này thực hiện phân tích tham số bằng phương pháp giải tích và mô phỏng PTHH phi tuyến bằng phần mềm ATENA, sau đó xây dựng bảng tính thiết kế ứng dụng cho sàn nhà dân dụng.

  1. Khảo sát tham số:

    • Chiều dày lớp vỏ BTHM ($t_t, t_b$): Tăng chiều dày lớp vỏ kéo $t_b$ và hàm lượng cốt dệt làm tăng đáng kể mô men nứt $M_{cr}$ và độ cứng sau nứt. Tăng chiều dày lớp vỏ nén $t_t$ giúp nâng cao độ dẻo của dầm và sức kháng của thanh nén trong mô hình STM.
    • Cường độ và chiều dày lớp lõi BTN-K ($f'_{lc}, t_c$): Tăng chiều cao lớp lõi $t_c$ làm tăng cánh tay đòn nội lực, giúp tăng mô men chống uốn và mô đun quán tính $I$ mà trọng lượng tăng không đáng kể. Tăng cường độ BTN-K từ 10 MPa lên 20 MPa giúp tăng sức kháng cắt của thanh nén nghiêng từ 25% đến 40%.
    • Mô phỏng ATENA: Kết quả phân tích số cho thấy sự tương đồng cao về biểu đồ quan hệ lực – độ võng ($P-\delta$) và cấu trúc phân bố vết nứt so với thực nghiệm.

  2. Thiết kế ứng dụng panel sàn đúc sẵn: Luận án thiết kế các tấm panel sàn chịu tải trọng thường xuyên và hoạt tải sử dụng của phòng ở ($2,0 \text{ kN/m}^2$) với nhịp 3 m, 4 m, 5 m và 6 m.

Bảng tổng hợp thông số thiết kế panel sàn sandwich đúc sẵn (Bề rộng panel b = 600 mm):

Nhịp sàn (m) Chiều cao panel h (mm) Chiều dày vỏ BTHM trên / dưới (mm) Chiều dày lõi BTN-K (mm) Số lớp lưới dệt carbon Độ võng lớn nhất giữa nhịp (mm) Giới hạn độ võng cho phép [L/360] (mm)
3,0 100 15 / 15 70 1 4,8 8,33
4,0 100 20 / 20 60 2 8,2 11,11
5,0 120 20 / 20 80 2 11,5 13,89
6,0 120 25 / 25 70 3 14,9 16,67

Các kết quả kiểm toán đều thỏa mãn trạng thái giới hạn cường độ (uốn, cắt) và trạng thái giới hạn sử dụng (độ võng, bề rộng khe nứt).

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về lý luận và khoa học

  1. Phát triển thành công dạng kết cấu sandwich mới: Đã kết hợp sáng tạo giữa lớp vỏ BTCLD cường độ cao, bền môi trường với lớp lõi BTN-K có cường độ và độ cứng hợp lý, khắc phục được các dạng phá hoại giòn do nén trượt của lõi xốp mềm truyền thống.
  2. Xây dựng mô hình giải tích toàn diện: Thiết lập mô hình tính toán sức kháng uốn và mô hình dự đoán sự hình thành, phát triển vết nứt đa lớp có xét đến tương tác cơ học và truyền lực dính bám giữa các lớp vật liệu khác nhau.
  3. Ứng dụng thành công mô hình sơ đồ hệ thanh (STM) cho kết cấu sandwich: Xây dựng cơ sở lý thuyết xác định sức kháng cắt của panel sandwich BTCLD - BTN-K thông qua tính toán thanh nén, thanh kéo và các vùng nút theo nguyên lý ACI 318-19.
  4. Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm: Bổ sung tập dữ liệu thực nghiệm có độ tin cậy cao về đặc tính dính bám tiếp xúc BTHM – BTN-K, dính bám sợi carbon – BTHM và ứng xử chịu lực uốn – cắt của panel sandwich.

Đóng góp mới về thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Đề xuất giải pháp cấu tạo panel sàn đúc sẵn: Cung cấp các thông số kích thước cấu tạo chuẩn cho panel sàn nhịp từ 3 m đến 6 m đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn chịu lực và sử dụng của công trình dân dụng.
  2. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật: Panel sàn sandwich BTCLD - BTN-K giảm từ 40% đến 50% trọng lượng bản thân so với sàn bê tông cốt thép toàn khối tương đương, giúp giảm kích thước kết cấu chịu lực bên dưới (cột, móng), đẩy nhanh tốc độ thi công lắp ghép và nâng cao khả năng chống ăn mòn trong môi trường xâm thực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát cấu kiện làm việc chịu uốn một phương theo sơ đồ dầm/bản đơn giản một nhịp, chưa xem xét sơ đồ bản làm việc hai phương hoặc dầm liên tục nhiều nhịp.
  • Tải trọng thực nghiệm và mô hình tính toán mới chỉ xét đến tải trọng tĩnh tác dụng ngắn hạn ở nhiệt độ thường; chưa xét đến tải trọng lặp (mỏi), tải trọng động đất, tải trọng va đập và ảnh hưởng của từ biến hay nhiệt độ cao (cháy).
  • Phạm vi cường độ vật liệu thực nghiệm mới giới hạn ở BTHM $\le 60 \text{ MPa}$ và BTN-K $\le 20 \text{ MPa}$.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu ứng xử của kết cấu sandwich BTCLD - BTN-K làm việc hai phương và sơ đồ liên tục nhiều nhịp.
  • Khảo sát ứng xử dài hạn của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên kéo dài, xét đến từ biến và co ngót của BTN-K.
  • Nghiên cứu khả năng chịu tải trọng động, tải trọng va đập, tải trọng mỏi và ứng xử chống cháy của hệ panel sàn sandwich.
  • Nghiên cứu giải pháp liên kết lắp ghép (mối nối khô, mối nối ướt) giữa các tấm panel sàn với hệ dầm khung chịu lực của công trình.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên sau đại học: Luận án là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp luận nghiên cứu kết cấu composite phi kim loại, kỹ thuật thí nghiệm dính bám theo tiêu chuẩn quốc tế (RILEM, Zulassung) và phương pháp mô phỏng số vật liệu phi tuyến trên phần mềm ATENA.
  • Đối với giảng viên và các nhà khoa học ngành Kỹ thuật Xây dựng: Cung cấp tài liệu giảng dạy chuyên đề cho các môn học Kết cấu bê tông đặc biệt, Vật liệu xây dựng mới, Phương pháp sơ đồ hệ thanh (STM) và Cơ học phá hủy bê tông.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và các đơn vị sản xuất cấu kiện đúc sẵn: Là cơ sở kỹ thuật trực tiếp để tính toán, thiết kế và chế tạo các sản phẩm tấm sàn nhẹ, tấm tường đúc sẵn vượt nhịp lớn cho các công trình nhà dân dụng, công nghiệp và các công trình ven biển chịu môi trường ăn mòn cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn bê tông nhẹ cốt liệu keramzit (BTN-K) thay vì các loại vật liệu nhẹ phổ biến như xốp EPS hay bọt foam để làm lớp lõi?

Các vật liệu xốp EPS hay bọt foam có khối lượng rất nhẹ nhưng mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén, chịu cắt rất thấp. Khi chịu tải trọng lớn (như kết cấu sàn), lớp lõi xốp bị biến dạng lớn theo phương vuông góc hoặc bị phá hoại cắt sớm, dẫn đến lớp vỏ BTCLD bị mất ổn định hoặc bong tách trước khi phát huy cường độ chịu kéo. Cốt liệu keramzit có độ cứng và cường độ cao hơn nhiều, giúp BTN-K đạt cường độ nén đến 20 MPa và mô đun đàn hồi trên 11 GPa. Nhờ đó, lớp lõi BTN-K giữ ổn định khoảng cách giữa hai lớp vỏ, chịu lực cắt tốt và tạo nên trạng thái liên hợp hoàn toàn cho kết cấu sandwich chịu uốn lớn.

2. Sự dính bám giữa lớp vỏ BTHM và lớp lõi BTN-K được hình thành như thế nào và có đáp ứng tiêu chuẩn không?

Sự liên kết giữa lớp vỏ BTHM và lớp lõi BTN-K được hình thành tự nhiên thông qua lực dính bám của hồ xi măng với bề mặt cốt liệu khi chế tạo theo phương pháp đúc đồng thời (ướt – ướt). Kết quả thí nghiệm kéo trượt theo tiêu chuẩn RILEM 250-CSM trong luận án đạt cường độ dính bám từ 1,65 đến 1,92 MPa, hoàn toàn vượt qua mức yêu cầu tối thiểu của tiêu chuẩn ACI 549.4R-20 ($1,38 \text{ MPa}$) và Zulassung Z-31.10-182 ($1,5 \text{ MPa}$). Do đó, không cần bố trí thêm các neo chống cắt cơ học phức tạp.

3. Mô hình dự đoán vết nứt trong luận án phân tích những trường hợp nào?

Mô hình dự đoán vết nứt của luận án phân tích hai trường hợp cụ thể:

  • Trường hợp 1: Lớp vỏ BTHM phía dưới bị nứt trước khi ứng suất kéo đạt $f_{cr}$. Lúc này ứng suất kéo được chuyển giao cho cốt lưới dệt carbon và truyền ngược vào lớp lõi BTN-K qua lực dính bám tiếp xúc, hình thành hệ thống vết nứt mịn phân bố đều.
  • Trường hợp 2: Lớp lõi BTN-K bị nứt trước do ứng suất kéo trong lõi đạt tới hạn $f_{lcr}$ trong khi lớp BTHM ngoài cùng chưa nứt. Mô hình xác lập các thuật toán cân bằng vi phân để dự đoán chính xác khoảng cách và bề rộng vết nứt cho từng giai đoạn.

4. Phương pháp sơ đồ hệ thanh (STM) được áp dụng như thế nào để tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich?

Luận án mô hình hóa dầm sandwich có nhịp cắt ngắn thành một giàn ảo phẳng theo nguyên lý tiêu chuẩn ACI 318-19. Trong đó: thanh nén nghiêng được hình thành bởi vùng bê tông nhẹ BTN-K và BTHM chịu nén; thanh kéo dọc đáy dầm là hệ cốt lưới dệt carbon; các nút giàn là vùng giao nhau tại điểm đặt tải trọng và tại gối tựa. Sức kháng cắt của dầm được xác định bằng giá trị nhỏ nhất của sức kháng thanh nén bê tông, sức kháng thanh kéo sợi carbon và sức kháng chịu nén cục bộ tại các vùng nút.

Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Văn Hiệp đã giải quyết thành công bài toán nghiên cứu ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich mới kết hợp giữa lớp vỏ bê tông cốt lưới dệt và lớp lõi bê tông nhẹ cốt liệu keramzit dạng panel sàn. Thông qua hệ thống nghiên cứu toàn diện gồm xây dựng mô hình giải tích, thực nghiệm kiểm chứng và mô phỏng số phi tuyến ATENA, luận án đã làm rõ cơ chế truyền lực liên hợp hoàn toàn và quy luật hình thành vết nứt của kết cấu. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học tin cậy và giải pháp thiết kế cấu tạo thực tế cho các tấm panel sàn nhẹ đúc sẵn nhịp từ 3 m đến 6 m, góp phần thúc đẩy ứng dụng vật liệu composite xi măng cường độ cao và bê tông nhẹ trong ngành xây dựng công trình hiện đại.