Nghiên cứu ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Vũ Văn Hiệp
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Đăng Quang
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Đặc Biệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Chịu Uốn Và Chịu Cắt Của Kết Cấu Sandwich Bằng Bê Tông Cốt Lưới Dệt Và Bê Tông Nhẹ
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Kết cấu sandwich và ứng dụng trong công trình xây dựng
• 1.1.1. Giới thiệu về kết cấu sandwich
• 1.1.2. Ứng xử của kết cấu sandwich khi chịu lực
• 1.1.3. Ứng dụng kết cấu sandwich trong xây dựng
• 1.2. Bê tông cốt lưới dệt
• 1.2.1. Vật liệu bê tông cốt lưới dệt
• 1.2.2. Ứng xử chịu kéo của tấm bê tông cốt lưới dệt
• 1.2.3. Tính chất dính bám bề mặt giữa lớp vỏ BTCLD và các vật liệu làm lớp lõi trong kết cấu sandwich
• 1.3. Bê tông nhẹ
• 1.3.1. Giới thiệu về bê tông nhẹ
• 1.3.2. Tính chất cơ học của bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ
• 1.4. Tổng quan về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng bê tông cốt lưới dệt
• 1.4.1. Các nghiên cứu về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD
• 1.4.2. Các mô hình tính toán sức kháng cho kết cấu sandwich
• 1.4.3. Ứng dụng BTCLD và vật liệu nhẹ trong kết cấu sandwich
• 1.5. Định hướng và nội dung nghiên cứu
• 2. 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
• 2.1. Mục đích nghiên cứu
• 2.2. Đề xuất cấu tạo cho kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng panel, làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng
• 2.2.1. Vật liệu được sử dụng làm lớp vỏ cho kết cấu sandwich
• 2.2.2. Vật liệu được sử dụng làm lớp lõi cho kết cấu sandwich
• 2.2.3. Kích thước của mặt cắt kết cấu sandwich
• 2.3. Xây dựng mô hình xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K
• 2.3.1. Phương pháp xác định khả năng chịu uốn của mặt cắt sandwich
• 2.3.2. Sức kháng uốn của kết cấu sandwich
• 2.3.3. Xây dựng mô hình dự đoán sự hành thành và phát triển vết nứt trong kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K khi chịu uốn
• 2.3.4. Xác định độ cứng chống uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K
• 2.4. Nghiên cứu xây dựng mô hình tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh
• 2.4.1. Sức kháng cắt của dầm
• 2.4.2. Phương pháp sơ đồ hệ thanh
• 2.4.3. Mô hình hoá kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh
• 2.4.4. Sức kháng của thanh nén
• 2.4.5. Sức kháng của thanh kéo
• 2.4.6. Sức kháng của nút ở vị trí gối đỡ
• 2.4.7. Sức kháng của nút ở vị trí tác dụng tải trọng
• 2.5. Kết luận chương
• 3. 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
• 3.1. Mục đích nghiên cứu
• 3.2. Nghiên cứu xác định đặc trưng cơ học của vật liệu
• 3.2.1. Bê tông hạt mịn
• 3.2.2. Bê tông nhẹ
• 3.2.3. Cốt lưới dệt
• 3.2.4. Ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt và bê tông hạt mịn
• 3.2.5. Ứng xử dính bám giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ
• 3.3. Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K
• 3.3.1. Phương pháp thí nghiệm
• 3.3.2. Thiết kế mẫu thí nghiệm
• 3.3.3. Chế tạo mẫu thí nghiệm
• 3.3.4. Thiết bị đo và quy trình thí nghiệm
• 3.3.5. Kết quả thí nghiệm
• 3.4. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU SANDWICH DẠNG PANEL ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU SÀN
• 4.1. Mục đích nghiên cứu
• 4.2. Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp giải tích
• 4.2.1. Khảo sát tham số chiều dày của các lớp vật liệu trên mặt cắt sandwich
• 4.2.2. Khảo sát tham số cường độ lớp lõi BTN-K
• 4.3. Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp PTHH
• 4.3.1. Nghiên cứu mô phỏng
• 4.3.2. Khảo sát các tham số ảnh hưởng bằng phần mềm ATENA
• 4.4. Thiết kế kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel làm kết cấu sàn trong công trình xây dựng
• 4.4.1. Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 3 m
• 4.4.2. Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 4 m; 5 m; 6 m
• 4.5. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Kết Cấu Sandwich Bê Tông Giải Pháp Xây Dựng

Kết cấu sandwich bê tông đang nổi lên như một giải pháp đầy tiềm năng trong ngành xây dựng hiện đại. Với cấu trúc ba lớp đặc biệt, kết cấu này kết hợp ưu điểm của nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo nên một hệ thống chịu lực hiệu quả và tiết kiệm. Lớp lõi thường được làm từ vật liệu nhẹ như bê tông nhẹ, trong khi lớp vỏ ngoài sử dụng vật liệu cường độ cao như bê tông cốt lưới dệt. Sự kết hợp này mang lại khả năng chịu uốn và chịu cắt vượt trội, đồng thời giảm đáng kể trọng lượng tổng thể của công trình. Nghiên cứu của Vũ Văn Hiệp (2023) tại Đại học Giao thông Vận tải đã đi sâu vào phân tích ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của loại kết cấu này, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

1.1. Cấu Tạo và Ưu Điểm Của Kết Cấu Sandwich Bê Tông

Kết cấu sandwich bê tông điển hình bao gồm ba lớp: hai lớp vỏ chịu lực bên ngoài và một lớp lõi cách nhiệt, cách âm ở giữa. Lớp vỏ thường được làm từ vật liệu có cường độ cao như bê tông cốt lưới dệt hoặc bê tông cốt sợi, trong khi lớp lõi sử dụng vật liệu nhẹ như bê tông nhẹ, xốp hoặc vật liệu composite. Ưu điểm nổi bật của kết cấu này là khả năng chịu lực cao so với trọng lượng, khả năng cách nhiệt, cách âm tốt, và dễ dàng thi công lắp dựng. Điều này giúp giảm chi phí xây dựng, thời gian thi công và tăng tính bền vững cho công trình.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Kết Cấu Sandwich Trong Xây Dựng

Kết cấu sandwich bê tông được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại công trình xây dựng, từ nhà ở dân dụng đến công trình công nghiệp và hạ tầng giao thông. Chúng được sử dụng làm tấm tường, tấm sàn, tấm mái, vách ngăn, và các cấu kiện chịu lực khác. Đặc biệt, kết cấu sandwich rất phù hợp cho các công trình yêu cầu cao về khả năng cách nhiệt, cách âm, và trọng lượng nhẹ, như nhà cao tầng, nhà máy, kho lạnh, và cầu đường. Việc sử dụng kết cấu sandwich giúp giảm tải trọng cho móng, tăng không gian sử dụng, và tiết kiệm năng lượng.

II. Thách Thức Giải Pháp Kết Cấu Sandwich Bê Tông Nhẹ

Mặc dù có nhiều ưu điểm, kết cấu sandwich bê tông cũng đối mặt với một số thách thức. Một trong những vấn đề quan trọng là đảm bảo sự liên kết giữa các lớp vật liệu khác nhau, đặc biệt là giữa lớp vỏ bê tông cốt lưới dệt và lớp lõi bê tông nhẹ. Sự khác biệt về tính chất cơ học và độ co ngót giữa các vật liệu có thể dẫn đến hiện tượng phân lớp, giảm khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu. Do đó, cần có các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp để đảm bảo sự làm việc đồng bộ của các lớp vật liệu. Nghiên cứu của Vũ Văn Hiệp (2023) đã đề xuất các mô hình tính toán và thực nghiệm để đánh giá khả năng chịu lực kết cấu sandwich và đề xuất các giải pháp tăng cường liên kết giữa các lớp kết cấu sandwich.

2.1. Vấn Đề Liên Kết Giữa Các Lớp Vật Liệu Sandwich Bê Tông

Sự liên kết giữa lớp vỏ và lớp lõi là yếu tố then chốt quyết định ứng xử chịu lực của kết cấu sandwich bê tông. Nếu liên kết yếu, các lớp vật liệu sẽ làm việc độc lập, giảm đáng kể khả năng chịu uốn và chịu cắt của kết cấu. Các yếu tố ảnh hưởng đến liên kết bao gồm: độ nhám bề mặt, cường độ dính bám, và sự tương thích về độ co ngót giữa các vật liệu. Cần có các biện pháp xử lý bề mặt, sử dụng chất kết dính, hoặc thiết kế các liên kết cơ học để tăng cường sự liên kết giữa các lớp vật liệu.

2.2. Giải Pháp Tăng Cường Liên Kết Cho Kết Cấu Sandwich

Để tăng cường liên kết giữa các lớp vật liệu trong kết cấu sandwich bê tông, có thể áp dụng nhiều giải pháp khác nhau. Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng lưới thép hàn hoặc lưới sợi để kết nối lớp vỏ và lớp lõi. Ngoài ra, có thể sử dụng các loại keo dán chuyên dụng có khả năng chịu lực cao và độ bền tốt. Thiết kế các liên kết cơ học như gân, rãnh, hoặc neo cũng là một giải pháp hiệu quả để tăng cường sự liên kết giữa các lớp vật liệu. Việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào loại vật liệu, điều kiện thi công, và yêu cầu kỹ thuật của công trình.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ứng Xử Chịu Uốn Của Kết Cấu Sandwich

Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bê tông là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Các phương pháp lý thuyết thường dựa trên các giả thiết về phân bố ứng suất và biến dạng trong kết cấu, từ đó xây dựng các mô hình tính toán khả năng chịu lực kết cấu sandwich. Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn để phân tích chi tiết ứng suất và biến dạng kết cấu sandwich dưới tác dụng của tải trọng. Phương pháp thực nghiệm tiến hành thí nghiệm trên các mẫu kết cấu thực tế để kiểm chứng kết quả lý thuyết và mô phỏng. Nghiên cứu của Vũ Văn Hiệp (2023) đã kết hợp cả ba phương pháp này để đưa ra đánh giá toàn diện về ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ.

3.1. Mô Hình Hóa Phần Tử Hữu Hạn Kết Cấu Sandwich Bê Tông

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một công cụ mạnh mẽ để phân tích ứng xử của kết cấu sandwich bê tông. Bằng cách chia kết cấu thành các phần tử nhỏ, PTHH cho phép mô phỏng chi tiết sự phân bố ứng suất, biến dạng, và độ võng kết cấu sandwich dưới tác dụng của tải trọng. Để có kết quả chính xác, cần lựa chọn mô hình vật liệu phù hợp, xác định các thông số đầu vào chính xác, và kiểm chứng kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm. Phần mềm ATENA là một lựa chọn phổ biến để mô phỏng kết cấu bê tông.

3.2. Thí Nghiệm Uốn Ba Điểm và Bốn Điểm Phương Pháp Thực Nghiệm

Thí nghiệm uốn ba điểm và bốn điểm là hai phương pháp thực nghiệm phổ biến để xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bê tông. Trong thí nghiệm uốn ba điểm, mẫu kết cấu được đặt trên hai gối đỡ và chịu tải trọng tập trung ở giữa nhịp. Trong thí nghiệm uốn bốn điểm, mẫu kết cấu được đặt trên hai gối đỡ và chịu hai tải trọng tập trung đối xứng qua giữa nhịp. Các thông số quan trọng cần đo trong thí nghiệm bao gồm: tải trọng, độ võng, biến dạng, và sự hình thành và phát triển của vết nứt. Kết quả thí nghiệm được sử dụng để kiểm chứng các mô hình lý thuyết và mô phỏng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Thiết Kế Sàn Bê Tông Sandwich Nhịp Lớn

Kết cấu sandwich bê tông có tiềm năng lớn trong việc thiết kế sàn nhịp lớn cho các công trình xây dựng. Với khả năng chịu lực cao và trọng lượng nhẹ, kết cấu này cho phép giảm số lượng cột, tăng không gian sử dụng, và giảm chi phí xây dựng. Tuy nhiên, việc thiết kế sàn bê tông sandwich nhịp lớn đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về các yếu tố như: khả năng chịu lực, độ võng, ổn định, và khả năng chống cháy. Nghiên cứu của Vũ Văn Hiệp (2023) đã đề xuất các phương pháp thiết kế và tính toán kết cấu sàn bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ dạng sandwich, đồng thời đưa ra các khuyến nghị về lựa chọn vật liệu và cấu tạo.

4.1. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Kết Cấu Sandwich Bê Tông Cho Sàn

Để tối ưu hóa kết cấu sandwich bê tông cho sàn, cần xem xét các yếu tố sau: lựa chọn vật liệu phù hợp cho lớp vỏ và lớp lõi, xác định chiều dày tối ưu của các lớp vật liệu, thiết kế các liên kết hiệu quả giữa các lớp vật liệu, và đảm bảo khả năng chịu lực và độ võng đáp ứng yêu cầu thiết kế. Ngoài ra, cần xem xét các yếu tố khác như: khả năng chống cháy, khả năng cách âm, và khả năng chống thấm. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng kết cấu có thể giúp tối ưu hóa thiết kế kết cấu sandwich một cách hiệu quả.

4.2. Tiêu Chuẩn Thiết Kế Kết Cấu Sandwich Bê Tông Hiện Hành

Hiện nay, chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu sandwich bê tông hoàn chỉnh ở Việt Nam. Tuy nhiên, có thể tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến bê tông cốt thép, bê tông nhẹ, và vật liệu composite. Ngoài ra, có thể tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế của các nước tiên tiến trên thế giới. Việc áp dụng tiêu chuẩn thiết kế cần dựa trên kinh nghiệm thực tế và kết quả nghiên cứu khoa học để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình.

V. Kết Luận Triển Vọng Kết Cấu Sandwich Bê Tông Tương Lai

Nghiên cứu về ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ đã mở ra những triển vọng mới cho việc ứng dụng loại kết cấu này trong xây dựng. Với những ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực, trọng lượng nhẹ, và khả năng cách nhiệt, cách âm, kết cấu sandwich bê tông hứa hẹn sẽ trở thành một giải pháp hiệu quả và bền vững cho các công trình xây dựng trong tương lai. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp thiết kế, thi công, và kiểm định chất lượng để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình sử dụng kết cấu sandwich bê tông.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Kết Cấu Sandwich Bê Tông

Các hướng nghiên cứu phát triển kết cấu sandwich bê tông trong tương lai bao gồm: nghiên cứu các loại vật liệu mới cho lớp vỏ và lớp lõi, phát triển các phương pháp thiết kế và thi công tiên tiến, nghiên cứu ứng xử của kết cấu sandwich dưới tác dụng của tải trọng động và tải trọng môi trường khắc nghiệt, và phát triển các phương pháp kiểm định chất lượng kết cấu sandwich một cách hiệu quả. Ngoài ra, cần tập trung vào việc tối ưu hóa kết cấu sandwich để giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh.

5.2. Ứng Dụng Kết Cấu Sandwich Bê Tông Trong Xây Dựng Bền Vững

Kết cấu sandwich bê tông có tiềm năng lớn trong việc góp phần vào xây dựng bền vững. Việc sử dụng vật liệu nhẹ như bê tông nhẹ giúp giảm tải trọng cho móng, tiết kiệm vật liệu, và giảm phát thải khí nhà kính. Khả năng cách nhiệt, cách âm tốt của kết cấu sandwich giúp tiết kiệm năng lượng cho việc sưởi ấm và làm mát công trình. Ngoài ra, kết cấu sandwich có thể được tái chế và tái sử dụng, giảm thiểu lượng chất thải xây dựng. Việc ứng dụng kết cấu sandwich bê tông trong xây dựng là một bước tiến quan trọng hướng tới một tương lai xanh và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Kết cấu sandwich và ứng dụng trong công trình xây dựng 1.1 Giới thiệu về kết cấu sandwich Kết cấu sandwich là sự phối hợp của hai hay một số dạng vật liệu hoặc kết cấu có những đặc điểm chịu lực khác nhau, đôi khi là trái ngược nhau, thành một hệ thống có khả năng chịu lực tối ưu. Khái niệm về kết cấu sandwich lần đầu được khởi xướng bởi Fairbairn [41] trong một hội nghị khoa học ở Anh vào năm 1849. Noor, Burton và Bert [63] tiếp tục phát triển kết cấu sandwich hoàn thiện hơn dựa trên cấu trúc sandwich ban đầu của Fairbairn. Dạng kết cấu sandwich cơ bản có mặt cắt ngang gồm ba lớp: hai lớp vỏ mỏng có cường độ cao, chúng được đặt cách xa nhau và liên kết với nhau bằng một lớp lõi có cường độ không cao và trọng lượng nhỏ như Hình 1-1 [63].

Cũng ở Anh, kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng kim loại và lớp lõi rỗng dạng tổ ong hoặc dạng sóng lần đầu tiên được ứng dụng để chế tạo máy bay. Kết cấu sandwich đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như tàu thủy, tàu cao tốc, hàng không vũ trụ, … Trong ngành xây dựng, kết cấu sandwich được áp dụng với mục đích chủ yếu nhằm giảm trọng lượng bản thân kết cấu, tăng độ cứng và tạo khả năng vượt nhịp lớn. Bên cạnh đó, dạng kết cấu này đòi hỏi tính dễ chế tạo và có giá thành thấp. Liên kết Hình 1-1 Cấu tạo kết cấu sandwich có 3 lớp [63] Trong kết cấu sandwich, các lớp chịu lực có cường độ cao được đặt cách xa nhau nên khả năng chịu lực và độ cứng của kết cấu được tăng lên đáng kể so với các kết cấu thông thường, trong khi trọng lượng tăng không đáng kể.

Do đó, cùng với một giá trị tải trọng nhất định, kết cấu sandwich có khả năng chịu lực lớn hơn và độ võng nhỏ hơn rất nhiều so với kết cấu thông thường sử dụng cùng vật liệu. Lớp lõi tuy không yêu cầu khả năng chịu 6 lực cao nhưng đóng vai trò tạo khoảng cách làm tăng độ cứng, giữ ổn định, tạo liên kết và đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa các lớp vật liệu trong kết cấu sandwich. Hình 1-2 thể hiện hiệu quả của kết cấu sandwich so với kết cấu thông thường trên phương diện độ cứng chống uốn, khả năng chịu uốn trong khi trọng lượng gần như không đổi. Có thể thấy, việc sử dụng thêm lớp lõi với trọng lượng nhỏ có chiều dày bằng 2 lần và 4 lần chiều dày của kết cấu thông thường thì độ cứng chống uốn của mặt cắt sẽ tăng lên tương ứng 12 lần và 48 lần, còn khả năng chống uốn sẽ tăng tương ứng 6 lần và 12 lần.

Hình 1-2 Hiệu quả về tăng khả năng chịu uốn và độ cứng chịu uốn của kết cấu sandwich [63] 1.2 Ứng xử của kết cấu sandwich khi chịu lực Kết cấu sandwich được phân loại theo sự làm việc đồng thời của các lớp vật liệu trong kết cấu sandwich thành các nhóm [70]:  “Kết cấu sandwich không liên hợp” là dạng kết cấu sandwich có khả năng dính bám giữa các lớp vật liệu rất nhỏ, tức là các lớp vật liệu trong kết cấu sandwich gần như làm việc độc lập;  “Kết cấu sandwich liên hợp một phần” là dạng kết cấu sandwich có khả năng dính bám giữa các lớp vật liệu là hữu hạn, tức là trong quá trình chịu lực, kết cấu sandwich bị bong tách các lớp vật liệu trong khi các lớp vỏ vẫn còn khả năng chịu lực;  “Kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn” là dạng kết cấu sandwich có liên kết giữa các lớp vật liệu được coi như tuyệt đối, tức là liên kết không phải là yếu tố quyết định sự phá hoại của kết cấu sandwich. 7 Hình 1-3 Phân bố biến dạng dọc trục của các lớp vật liệu ở các dạng kết cấu sandwich [70] Sự làm việc của kết cấu sandwich khi chịu tải trọng phụ thuộc vào tính chất dính bám giữa các lớp vật liệu được thể hiện trên Hình 1-3. Đối với kết cấu sandwich không liên hợp (Hình 1-3a), sự trượt giữa lớp vỏ và lớp lõi làm cho hiệu ứng sandwich mất đi. Khi đó, độ cứng chống uốn của kết cấu được hình thành từ độ cứng chống uốn của các lớp vật liệu riêng biệt.

Kết quả là ứng suất pháp (σ) tại vị trí bề mặt các lớp vỏ rất lớn (Hình 1-4), khả năng chịu lực của kết cấu sandwich kém và có biến dạng lớn [39]. Hình 1-4 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich không liên hợp [39] Với kết cấu sandwich liên hợp một phần (Hình 1-3b), khả năng dính bám giữa lớp lõi và lớp vỏ kém sẽ dẫn đến sự làm việc đồng thời của các lớp vật liệu bị giảm đi. Vì vậy, hiệu quả khai thác của kết cấu sandwich liên hợp một phần chưa cao. Các lớp vật liệu có thể chưa được khai thác hết khả năng chịu lực trong khi dính bám giữa chúng đã bị phá hoại.

Trong trường hợp này, giả thuyết mặt cắt phẳng của Bernoulli không được áp dụng. Kết cấu sandwich liên hợp một phần có thể được tính toán theo lý thuyết của Timoshenko [76]. Kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn (Hình 1-3c) được hình thành từ sự liên kết tuyệt đối giữa lớp lõi và các lớp vỏ. Vì vậy sự phân bố biến dạng trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn cũng tương tự như sự phân bố biến dạng trên mặt cắt đồng nhất, đều tuân theo giả thuyết Bernoulli.

Sự phân bố ứng suất pháp (σ) và ứng suất tiếp (τ) 8 của mặt cắt sandwich liên hợp hoàn toàn được trình bày ở Hình 1-5 [39]. Tại lớp vỏ, ứng suất pháp có giá trị lớn nhất trong khi đó, ứng suất tiếp có giá trị lớn nhất ở lớp lõi. Hình 1-5 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn Đối với kết cấu sandwich, nếu lớp vỏ có chiều dày mỏng và có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều mô đun đàn hồi của lớp lõi, khi chịu uốn, mô men uốn gần như được phân phối thành lực kéo và nén trong hai lớp vỏ. Sự phân bố ứng suất được thể hiện ở Hình 1-6.

Ứng suất pháp (σ) trong lớp vỏ gần như không đổi và ứng suất pháp trong lớp lõi rất nhỏ. Do vậy, một cách gần đúng, có thể coi ứng suất pháp phân bố đều trên các lớp vỏ và bằng không trong lớp lõi. Các định nghĩa về lớp vỏ mỏng trong kết cấu sandwich được các nhà nghiên cứu đề xuất như sau: Theo Langlie [57]: t/hc< 1/20 Theo Zenkert [85]: t/hc< 1/(10 ÷ 50) và Et,b/Ec =50 ÷ 100 Theo Allen [23]: rất mỏng: z/t > 100; mỏng: 5,77< z/t < 100; dày: z/t < 5,77 Hình 1-6 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich có lớp vỏ mỏng Khi kết cấu sandwich chịu tải trọng, các dạng phá hoại điển hình có thể xảy ra được miêu tả ở Hình 1-7 [49]. Ở hình Hình 1-7a cho thấy, kết cấu sandwich bị phá hoại do lớp lõi bị biến dạng lớn theo phương vuông góc với lớp vỏ, kéo theo lớp vỏ bị uốn cong và bị phá hoại do uốn.

Dạng phá hoại này xảy ra khi lớp lõi sử dụng vật liệu có mô đun đàn hồi 9 thấp. Hình 1-7b thể hiện dạng phá hoại do lớp vỏ và lớp lõi bị bong tách. Dạng phá hoại này xảy ra khi liên kết giữa lớp vỏ và lớp lõi kém. Hình 1-7c miêu tả dạng phá hoại do lớp lõi bị phá hoại trước khi ứng suất trong lớp vỏ đạt đến cường độ của nó.

Dạng phá hoại này xảy ra khi lớp lõi sử dụng vật liệu có cường độ thấp. Hình 1-7d thể hiện dạng phá hoại do lớp vỏ bị mất ổn định khi chịu lực cục bộ. Dạng phá hoại này xảy ra khi lớp vỏ sử dụng vật liệu có cường độ và mô đun đàn hồi không cao và lớp lõi sử dụng vật liệu có mô đun đàn hồi thấp. Hình 1-7e trình bày dạng phá hoại xảy ra ở các lớp vỏ chịu kéo và chịu nén.

Ở dạng phá hoại này, ứng suất trong các lớp vỏ đạt đến cường độ của vật liệu, khi đó kết cấu sandwich khai thác hết được khả năng chịu lực của vật liệu. Đây cũng là dạng phá hoại được hướng tới khi đề xuất cấu tạo cho kết cấu sandwich. Hình 1-7 Các dạng phá hoại của kết cấu sandwich [33] Việc phân tích ở trên cho thấy, các lớp vỏ có yêu cầu về khả năng chịu nén và chịu kéo cao. Vật liệu cho các lớp vỏ cần có các đặc tính phù hợp với kết cấu sandwich như: chống va đập, chịu lực tập trung tốt; khả năng chống ăn mòn; bền vững với môi trường; hoàn thiện bề mặt tốt [33].

Bên cạnh đó, lớp lõi cũng cần phải có khả năng chịu lực nhất định, đảm bảo đủ độ cứng theo hướng vuông góc với lớp vỏ để giữ ổn định khoảng cách giữa hai lớp vỏ, tránh bị nhăn và bị oằn dưới ứng suất nén. Kết cấu sandwich được khai thác hiệu quả nhất về khả năng chịu lực là dạng kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn. Nhằm tạo ra dạng kết cấu này, khả năng dính bám giữa lớp vỏ và lớp lõi phải đủ lớn để đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa chúng [49]. Ngoài ra, để ứng dụng vào thực tế có hiệu quả, lớp lõi còn cần đáp ứng yêu cầu cách âm, cách nhiệt và trọng lượng nhỏ.3 Ứng dụng kết cấu sandwich trong xây dựng Trong lĩnh vực xây dựng, kết cấu sandwich đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại hình công trình khác nhau như công trình dân dụng, công nghiệp, hạ tầng giao thông v.

Việc sử dụng bê tông cốt thép làm lớp vỏ kết hợp với lớp lõi bằng vật liệu nhẹ đã đem lại những hiệu quả nhất định. Sự khởi đầu cấu trúc sandwich trong công trình xây dựng được hình thành từ vật liệu bê tông cốt thép thường. Những năm 2000, kết cấu sandwich bằng bê tông và lưới thép kết hợp với lõi xốp (hay còn gọi là kết cấu 3D) bắt đầu được áp dụng trong các công trình xây dựng ở Việt Nam [12]. Các lớp vỏ trong kết cấu 3D là tấm bê tông dày khoảng 3 ÷ 5 cm, sử dụng lưới thép đường kính nhỏ làm cốt chịu lực.

Lớp lõi bằng xốp kết hợp hệ lưới thanh thép dạng giàn có nhiệm vụ liên kết các lớp vỏ với nhau như Hình 1-8. Kết cấu 3D có trọng lượng nhỏ và độ cứng tương đối lớn, khả năng cách âm và cách nhiệt tốt, đem lại những giải pháp mới cho kết cấu công trình.