Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich sử dụng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ trong xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp.

• Tác giả: Huỳnh Văn Quân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Đăng Quang
• Trường học: Đại học Giao thông vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng dân dụng
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU SANDWICH
• 1.1. KHÁI NIỆM KẾT CẤU SANDWICH
• 1.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM KẾT CẤU SANDWICH
• 1.3. PHÂN LOẠI THEO YÊU CẦU SỬ DỤNG
• 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KẾT CẤU SANDWICH TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
• 1.4.1. Trên thế giới
• 1.4.2. Tại Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ
• 2.1. BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT
• 2.1.1. Vật liệu cốt lưới sợi dệt
• 2.1.2. Vật liệu bê tông hạt mịn
• 2.1.3. Ưu, nhược điểm của bê tông cốt lưới dệt
• 2.1.4. Khả năng ứng dụng
• 2.2. BÊ TÔNG NHẸ
• 2.2.1. Khái niệm và phân loại bê tông nhẹ
• 2.2.2. Vật liệu chế tạo bê tông cốt liệu nhẹ
• 2.2.3. Các tính chất của bê tông cốt liệu nhẹ
• 2.3. ỨNG XỬ DÍNH BÁM GIỮA BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ
• 2.3.1. Dạng hư hỏng dính bám
• 2.3.2. Mô hình dính bám
• 2.3.3. Một số nghiên cứu thực nghiệm về dính bám
• 2.4. NGUYÊN TẮC CẤU TẠO CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ BÊ TÔNG NHẸ
• 2.4.1. Nguyên tắc cấu tạo
• 2.4.2. Ưu, nhược điểm của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN CỦA TẤM SANDWICH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 3.1. MÔ HÌNH TÍNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 3.2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ATENA
• 3.2.1. Giới thiệu chung
• 3.2.2. Các loại phần tử
• 3.2.3. Mô hình vật liệu trong ATENA
• 3.2.4. Một số mô hình vật liệu đặc biệt
• 3.3. NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SANDWICH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 3.3.1. Mô tả kết cấu
• 3.3.4. Tính toán một ví dụ kiểm chứng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich

Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich là trọng tâm của luận văn. Kết cấu này kết hợp bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ, mang lại nhiều ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ cứng cao và khả năng chịu lực tốt. Bê tông cốt lưới dệt (TRC) gồm lưới sợi dệt và bê tông hạt mịn, thay thế bê tông cốt thép truyền thống nhờ khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ cao. Bê tông nhẹ được sử dụng làm lớp lõi, giúp cách âm, cách nhiệt và giảm trọng lượng tổng thể. Nghiên cứu này nhằm xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu, làm cơ sở cho thiết kế và ứng dụng trong thực tế.

1.1. Khái niệm và cấu tạo kết cấu sandwich

Kết cấu sandwich gồm nhiều lớp vật liệu tổ hợp. Lớp vỏ ngoài làm từ vật liệu có độ bền cao, chịu lực chính. Lớp lõi nhẹ, có chức năng liên kết và tăng độ cứng chống uốn. Bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ được kết hợp để tạo ra kết cấu nhẹ, bền vững và có khả năng chịu lực lớn.

1.2. Ưu điểm và nhược điểm của kết cấu sandwich

Kết cấu sandwich có nhiều ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ cứng cao, khả năng cách âm, cách nhiệt tốt và tuổi thọ dài. Tuy nhiên, giá thành cao do cốt lưới dệt phải nhập khẩu và độ bền va đập kém là những hạn chế cần khắc phục.

II. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng

Luận văn sử dụng phương pháp lý thuyết và mô phỏng máy tính để nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich. Phần mềm phần tử hữu hạn (ATENA) được sử dụng để mô phỏng và phân tích kết quả. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất giải pháp thiết kế và ứng dụng kết cấu sandwich trong các công trình xây dựng, đặc biệt là ở Việt Nam.

2.1. Phương pháp lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết tập trung vào tổng hợp các đặc tính cơ học của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ. Các yếu tố như độ bền, độ cứng và khả năng chịu lực được phân tích kỹ lưỡng.

2.2. Phương pháp mô phỏng máy tính

Phần mềm ATENA được sử dụng để mô phỏng kết cấu sandwich và kiểm chứng kết quả thí nghiệm. Phương pháp này giúp đánh giá chính xác ứng xử chịu uốn của kết cấu dưới các tải trọng khác nhau.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc ứng dụng kết cấu sandwich vào các công trình xây dựng. Bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ giúp giảm trọng lượng kết cấu, tiết kiệm chi phí và tăng tuổi thọ công trình. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển mới cho vật liệu xây dựng tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh cần giải pháp xây dựng bền vững và hiệu quả.

3.1. Ứng dụng trong xây dựng

Kết cấu sandwich được ứng dụng rộng rãi trong các công trình như nhà ở, cầu đường và công trình công cộng. Khả năng cách âm, cách nhiệt và chịu lực tốt làm cho nó trở thành giải pháp tối ưu cho nhiều dự án.

3.2. Giá trị kinh tế và môi trường

Việc sử dụng kết cấu sandwich giúp giảm chi phí xây dựng và bảo trì. Đồng thời, vật liệu nhẹ và bền vững góp phần bảo vệ môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu sandwich là một dạng kết cấu lai, kết hợp nhiều lớp vật liệu khác nhau nhằm tối ưu hóa khả năng chịu lực, trọng lượng nhẹ và tính năng cách âm, cách nhiệt. Theo ước tính, bê tông nhẹ có khối lượng thể tích từ 1000 đến 2000 kg/m³, trong khi bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete - TRC) có cường độ chịu kéo lên đến 1300 MPa và cường độ chịu nén khoảng 70 MPa. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ, nhằm xác định đặc tính cơ học và khả năng ứng dụng trong xây dựng tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm lưới sợi carbon sản xuất tại Đức, bê tông hạt mịn chế tạo tại Việt Nam với cường độ đến 60 MPa, và bê tông nhẹ có cường độ khoảng 20 MPa, khối lượng riêng khoảng 1500 kg/m³. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng chịu uốn của kết cấu sandwich, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế và ứng dụng hiệu quả trong công trình xây dựng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng mới, giảm trọng lượng công trình, tăng tuổi thọ và tiết kiệm chi phí bảo dưỡng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết kết cấu sandwich và lý thuyết vật liệu composite. Kết cấu sandwich gồm lớp vỏ chịu lực làm từ bê tông cốt lưới dệt và lớp lõi nhẹ bằng bê tông nhẹ, tận dụng ưu điểm của từng vật liệu để tăng độ cứng và giảm trọng lượng. Các khái niệm chính bao gồm:

• Bê tông cốt lưới dệt (TRC): vật liệu composite gồm lưới sợi dệt (carbon hoặc thủy tinh) và bê tông hạt mịn, có cường độ chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn vượt trội.
• Bê tông nhẹ: bê tông có khối lượng thể tích từ 1000 đến 2000 kg/m³, có khả năng cách âm, cách nhiệt tốt, được phân loại theo tiêu chuẩn EN206-1 và ACI 213R-87.
• Ứng xử dính bám: liên kết giữa lớp bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ, đảm bảo sự làm việc đồng bộ của kết cấu sandwich.
• Phương pháp phần tử hữu hạn: mô hình hóa và phân tích ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng phần mềm ATENA.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm vật liệu lưới sợi carbon nhập khẩu từ Đức, bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ chế tạo tại Việt Nam. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các tấm sandwich với lớp vỏ bê tông cốt lưới dệt dày vài milimet và lớp lõi bê tông nhẹ dày hơn, được thử nghiệm cơ học và mô phỏng bằng phần mềm phần tử hữu hạn ATENA.

Phương pháp phân tích gồm:

• Nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp đặc tính cơ học của vật liệu và kết cấu sandwich từ các nghiên cứu quốc tế và trong nước.
• Thí nghiệm cơ học: thí nghiệm ép chẻ, kéo trượt để đánh giá lực dính bám giữa các lớp vật liệu.
• Mô phỏng phần tử hữu hạn: xây dựng mô hình số bằng phần mềm ATENA, mô phỏng ứng xử chịu uốn, phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng và vết nứt.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng một năm, tập trung tại các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu của Trường Đại học Giao thông Vận tải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng chịu uốn của kết cấu sandwich: Mô hình phần tử hữu hạn cho thấy tấm sandwich có khả năng chịu uốn tốt với cường độ chịu kéo của lớp vỏ TRC đạt khoảng 1300 MPa, bê tông hạt mịn chịu nén đến 60 MPa, và bê tông nhẹ chịu nén khoảng 20 MPa. Quan hệ tải trọng - chuyển vị tại giữa nhịp thể hiện độ cứng cao, phù hợp cho ứng dụng kết cấu sàn và tường.

2. Đặc tính dính bám giữa các lớp: Thí nghiệm ép chẻ cho thấy cường độ dính bám trung bình đạt từ 1,61 MPa (bề mặt không tạo nhám) đến 1,97 MPa (bề mặt tạo nhám), mức độ dính bám được đánh giá từ "tốt" đến "rất tốt". Thí nghiệm kéo trượt xác nhận dạng phá hoại chủ yếu do đứt hoặc tuột sợi, không xảy ra bong tách lớp, chứng tỏ sự liên kết bền vững giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ.

3. Ưu điểm kết cấu sandwich: Kết cấu có trọng lượng nhẹ hơn đến 40% so với vật liệu truyền thống, giúp giảm chi phí nền móng và thời gian thi công từ 10% đến 20%. Khả năng cách âm, cách nhiệt vượt trội, chịu được gió bão trên 300 km/h và động đất đến 7,5 độ Richter.

4. Hạn chế và thách thức: Giá thành lưới sợi dệt cao do nhập khẩu, công nghệ thi công chủ yếu thủ công, tiêu chuẩn thiết kế và thi công chưa hoàn thiện tại Việt Nam, hạn chế ứng dụng rộng rãi.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thí nghiệm đồng nhất, cho thấy bê tông cốt lưới dệt kết hợp bê tông nhẹ tạo thành kết cấu sandwich có hiệu quả chịu uốn cao và độ bền dính bám tốt. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết cấu này có ưu thế về trọng lượng và khả năng chống ăn mòn, phù hợp với điều kiện khí hậu và môi trường Việt Nam.

Biểu đồ tải trọng - chuyển vị và bảng kết quả thí nghiệm dính bám minh họa rõ ràng sự làm việc đồng bộ của các lớp vật liệu. Việc tạo nhám bề mặt tiếp xúc làm tăng cường độ dính bám, đề xuất áp dụng biện pháp xử lý bề mặt trong thi công thực tế.

Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc thiết kế kết cấu sandwich bằng TRC và bê tông nhẹ, mở rộng ứng dụng vật liệu mới trong xây dựng bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển công nghệ sản xuất lưới sợi dệt trong nước: Giảm chi phí nhập khẩu, tăng khả năng cung ứng vật liệu, thúc đẩy ứng dụng kết cấu sandwich. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, trong vòng 3-5 năm.

2. Hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế và thi công: Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật cho kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ, đảm bảo an toàn và hiệu quả. Chủ thể thực hiện: Bộ Xây dựng, các tổ chức chuyên môn, trong 2 năm tới.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật thi công kết cấu sandwich, áp dụng biện pháp xử lý bề mặt để tăng cường dính bám. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề, trong 1-2 năm.

4. Thử nghiệm và ứng dụng thực tế: Triển khai các dự án thí điểm xây dựng công trình sử dụng kết cấu sandwich, đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp xây dựng, chủ đầu tư, trong 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư kết cấu và thiết kế xây dựng: Nắm bắt công nghệ vật liệu mới, áp dụng kết cấu sandwich trong thiết kế công trình nhẹ, bền vững.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và kết quả thí nghiệm để phát triển nghiên cứu tiếp theo.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Đánh giá tiềm năng sản xuất và thương mại hóa lưới sợi dệt, bê tông nhẹ, mở rộng thị trường vật liệu mới.

4. Chính sách và quản lý xây dựng: Căn cứ để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về vật liệu và công nghệ xây dựng hiện đại, thúc đẩy phát triển ngành xây dựng xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ có ưu điểm gì so với bê tông truyền thống?
   Kết cấu này nhẹ hơn đến 40%, có độ cứng và khả năng chịu lực cao, cách âm, cách nhiệt tốt, chống ăn mòn và tăng tuổi thọ công trình. Ví dụ, khả năng chịu gió bão trên 300 km/h và động đất đến 7,5 độ Richter.

2. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Phần mềm ATENA được dùng để mô phỏng ứng xử chịu uốn, phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng và vết nứt của tấm sandwich, giúp kiểm chứng kết quả thí nghiệm và dự báo hiệu suất kết cấu.

3. Làm thế nào để tăng cường độ dính bám giữa lớp bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ?
   Xử lý bề mặt bê tông nhẹ bằng cách làm sạch, tạo rãnh chéo hoặc tạo nhám giúp tăng cường độ dính bám từ 1,61 MPa lên đến 1,97 MPa, đảm bảo sự làm việc đồng bộ của kết cấu.

4. Những hạn chế hiện tại của kết cấu sandwich là gì?
   Giá thành lưới sợi dệt cao do nhập khẩu, công nghệ thi công chủ yếu thủ công, tiêu chuẩn thiết kế chưa hoàn thiện, hạn chế ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam.

5. Ai nên tham khảo luận văn này và vì sao?
   Kỹ sư thiết kế, nhà nghiên cứu, doanh nghiệp vật liệu và cơ quan quản lý xây dựng nên tham khảo để cập nhật công nghệ mới, phát triển sản phẩm và hoàn thiện tiêu chuẩn xây dựng.

Kết luận

• Kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ có khả năng chịu uốn cao, trọng lượng nhẹ và độ bền dính bám tốt.
• Phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm ATENA hiệu quả trong mô phỏng và phân tích kết cấu.
• Việc xử lý bề mặt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu là yếu tố quan trọng nâng cao độ bền kết cấu.
• Ứng dụng kết cấu sandwich giúp giảm chi phí, tăng tuổi thọ và cải thiện tính năng công trình xây dựng.
• Đề xuất phát triển công nghệ sản xuất, hoàn thiện tiêu chuẩn và đào tạo kỹ thuật để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong 3-5 năm tới.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu xây dựng tiên tiến, kêu gọi các nhà khoa học, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cùng hợp tác phát triển công nghệ kết cấu sandwich tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Kết cấu sandwich là một dạng kết cấu lai, phối hợp nhiều dạng vật liệu khác nhau. Trong kết cấu sandwich các lớp vật liệu phía ngoài đóng vai trò chịu lực chính, các lớp lõi thƣờng bằng vật liệu nhẹ có yêu cầu chịu lực không cao, có khả năng cách âm, cách nhiệt tốt. Hiện nay, kết cấu sandwich trong xây dựng thƣờng có lớp vỏ bằng bê tông cốt thép thƣờng.

Kết cấu này có khả năng chịu lực lớn, độ cứng cao nên có khả năng vƣợt nhịp lớn. Tuy nhiên, nó có tuổi thọ không cao do bê tông cốt thép bị ăn mòn. Để khắc phục nhƣợc điểm này một loại vật liệu mới đƣợc nghiên cứu và phát triển có khả năng chịu lực cao và bên vững với môi trƣờng đó là bê tông cốt lƣới dệt, bê tông côt lƣới dệt sẽ thay thế bê tông cốt thép thƣờng. Bê tông cốt lƣới dệt (TRC) gồm hai thành phần: lƣới sợi dệt và bê tông hạt mịn.

Khác với bê tông sợi ngắn, lƣới sợi dệt trong bê tông cốt lƣới dệt đƣợc làm từ những sợi nhỏ (sợi cơ bản), có nguồn gốc từ carbon hoặc thủy tinh, với chiều dài không giới hạn đƣợc bó lại thành các bó nhỏ. Mỗi bó này chứa rất nhiều sợi cơ bản nằm song song với nhau và có vị trí không thay đổi trên mặt cắt ngang của bó sợi. Các bó sợi đƣợc dệt thành tấm lƣới và đặt vào bê tông hạt mịn thay thế thép làm cốt. Lƣới sợi dệt đƣợc phủ lớp bọc polymer kích thƣớc nano giúp làm tăng khả năng dính bám các sợi cơ bản với nhau và giữa các bó sợi với bê tông hạt mịn trên bề mặt tiếp xúc.

Thành phần chính thứ 2 của TRC là hỗn hợp xi măng hạt mịn đặc biệt (bê tông hạt mịn) với kích thƣớc hạt lớn nhất của cốt liệu là 1 mm. Bê tông hạt mịn này sử dụng xi măng, tro bay, microsilica làm chất kết dính, nƣớc và phụ gia trong trƣờng hợp cần thiết. Cốt lƣới dệt là vật liệu có nhiều ƣu điểm đặc biệt nhƣ có cƣờng độ cao, trọng lƣợng nhẹ và rất bền vững với môi trƣờng. Cốt lƣới dệt đƣợc sản xuất từ carbon, thủy tinh không bị ăn mòn bởi môi trƣờng, do đó chiều dày yêu cầu của lớp bê tông bảo vệ của cấu kiện giảm xuống chỉ ở mức mm và kết cấu trở nên thanh mảnh hơn.

Lớp lƣới dệt có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với thanh cốt thép truyền thống, do đó bê tông cốt Trang 10 lƣới dệt có đƣợc lực dính bám lớn hơn nhiều, có khả năng giảm chiều dài neo, khoảng cách và bề rộng vết nứt nhỏ. Bê tông nhẹ là loại bê tông có khối lƣợng riêng nhỏ, khoảng từ 1000kg/m3 đến 2000kg/m3. Vật liệu này có thể đƣợc sử dụng trong kết cấu sandwich làm lớp lõi có vai trò nhất định trong chịu lực và đặc biệt là để cách âm, cách nhiệt. Nhƣ vậy, sự kết hợp bê tông cốt lƣới dệt và bê tông nhẹ sẽ tạo thành kết cấu sandwich có nhiều ƣu điểm: nhẹ, có khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn và bền vững với môi trƣờng.

Việc nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dạng kết cấu này để làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo và ứng dụng kết câu sandwich trong công trình xây dựng là rất cần thiết. Từ đó, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng bên tông cốt lƣới dệt và bê tông nhẹ” nhằm giải quyết các nhiệm vụ trên và có thể ứng dụng hiệu quả bê tông cốt lƣới dệt ở Việt Nam. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Xác định đƣợc ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng bê tông nhẹ và bê tông cốt lƣới dệt. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Kết cấu sandwich bằng bê tông nhẹ và bê tông cốt lƣới dệt sợi carbon.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU Lƣới sợi dệt loại carbon sản xuất ở Đức, Bê tông hạt mịn đƣợc chế tạo tại Việt Nam, có cƣờng độ đến 60 MPa, Bê tông nhẹ có cƣờng độ khoảng 20 MPa và khối lƣợng riêng khoảng 1500kg/m3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phƣơng pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp các nghiên cứu các đặc tính cơ học của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lƣới dệt và bê tông nhẹ. Phƣơng pháp mô phỏng máy tính: Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn để kiểm chứng và phân tích các kết quả thí nghiệm. Trang 11 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU SANDWICH 1.1 KHÁI NIỆM KẾT CẤU SANDWICH Là dạng kết cấu có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu tổ hợp thành.

Thông thƣờng, lớp vật liệu phía ngoài là lớp vỏ mỏng nhƣng khả năng chịu lực lớn đƣợc chế tạo từ vật liệu có độ bền hay độ cứng cao có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng theo các phƣơng song song với mặt tấm. Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: Liên kết hai lớp vỏ ngoài, chống biến dạng theo phƣơng vuông góc và tạo độ cứng tránh cong vênh. Lớp lõi nhẹ, có cƣờng độ thấp nhƣng chiều dày lớn hơn nhiều, kết hợp lớp vỏ nhằm tăng độ cứng chống uốn cho toàn bộ cấu kiện. Do đặc điểm gồm nhiều lớp vật liệu tổ hợp thành nên kết cấu sandwich thƣờng đƣợc ứng dụng trong sản xuất bản (tấm panel đúc sẵn).1 kết cấu sandwich Các lớp lõi có yêu cầu chịu lực cao, độ cứng lớn thƣờng đƣợc làm bằng hợp kim nhôm, titan, thép và composite dạng lớp.

Các lớp lõi có yêu cầu chịu lực thấp, trọng lƣợng nhẹ thƣờng đƣợc làm từ bê tông nhẹ, polyme xốp, cao su nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc có cấu trúc tổ ong.2 ƢU NHƢỢC ĐIỂM KẾT CẤU SANDWICH Ƣu điểm - Độ bền cơ học cao, trọng lƣợng nhẹ. - Độ cứng lớn nên khả năng vƣợt nhịp cao. - Cách âm, cách nhiệt, cách điện tốt. Trang 12 - Chịu đƣợc môi trƣờng ẩm mặn, bức xạ mặt trời.

- Có khả năng kết hợp với các loại vật liệu khác nhƣ: Gỗ, kim loại,… để vừa tăng sức bền vừa giảm giá thành. - Dễ thi công, dễ sữa chửa, thiết bị thi công đơn giản. - Tuổi thọ cao. - Chi phí bảo dƣỡng thấp.

Sử dụng kết cấu sandwich nhẹ hơn đến 40% so với vật liệu xây dựng truyền thống, điều này sẽ giúp cho việc xử lý nền móng đơn giản hơn và có thể tiết kiệm đƣợc toàn bộ chi phí dầm, cột và thời gian thi công. điều này giúp giảm chi phí đầu tƣ từ 10% đến 20% so với việc sử dụng vật liệu xây dựng truyền thống. Bên cạnh những tính năng vƣợt trội khi áp dụng thi công thì ƣu thế nổi bật của loại vật liệu này là cách âm, cách nhiệt rất tốt. Các công trình sử dụng tấm vật liệu sandwich có khả năng cách âm, cách nhiệt tốt hơn gấp nhiều lần so với việc sử dụng các loại vật liệu khác.

Do có cấu tạo đặc biệt 3 lớp, điều này rất thuận lợi và phù hợp với các công trình ở đô thị hay những khu dân cƣ bị ô nhiễm tiếng ồn. Bên cạnh khả năng chống cháy cho các công trình thì kết cấu chịu lực của tấm sandwich còn chịu đƣợc sức gió giật lên đến trên 300km/h và khả năng chịu đƣợc các dƣ chấn động đất lên đến 7,5 độ richer. Nhƣợc điểm - Giá thành còn cao do cốt lƣới dệt phải nhập khẩu trực tiếp từ nƣớc ngoài. - Độ bền va đập kém.3 PHÂN LOẠI THEO YÊU CẦU SỬ DỤNG Kết cấu sandwich bản không yêu cầu chịu lực cao, sử dụng trong mái nhà, tấm tƣờng phân chia không gian - Bản panel bông sợi khoáng (Rock wool): vật liệu lõi là bông sợi khoáng đƣợc làm từ nguyên liệu chính là đá Bazan và đá Dolomite, sau khi đƣợc nung nóng với nhiệt độ cao làm cho đá Bazan và đá Dolomite tan chảy thành những sợi khoáng, cùng với một số phụ liệu nhƣ chất kết dính, nƣớc đánh bóng… để tạo thành.

Lớp mặt là tấm thép màu. Chúng đƣợc liên kết bởi các chất kết dính có độ bền cao sau một quá trình Trang 13 tạo áp lực. Vì lớp mặt và lõi đều là vật liệu không gây cháy, nên bản panel bông sợi khoáng đƣợc ứng dụng trong những khu vực có yêu cầu phòng cháy cao.2 Bản panel bông sợi khoáng - “Polystyrene composite panel”: Lớp lõi là nhựa polystyrene, lớp mặt là các tấm thép màu. Với khả năng chống thấm tốt, kết cấu sandwich này đƣợc áp dụng rộng rãi cho các công trình công cộng, khu công nghiệp… Hình 1.3 Polystyrene composite panel - “Polyurethane composite panel”: Lõi vật liệu là Polyurethane, nó có đầy đủ các ƣu điểm của tấm Polystyrene, ngoài ra, nó còn thêm các ƣu điểm nhƣ: không cháy, không giòn, không độc hại, không bị ăn mòn, hiệu suất nhiệt ổn định.

- “Bản panel nhôm”: Lớp lõi là nhựa, lớp mặt gồm ba lớp nhôm. Bề mặt của sản phẩm đƣợc bảo vệ bằng lớp mạ hoặc lớp màng mỏng.4 Bản panel nhôm -“Bản panel đá”: bản từ đá đƣợc tổ hợp lại từ hai hay nhiều tấm đá mỏng. Mặt đá là đá tự nhiên, chất nền là đá, thủy tinh, nhôm…Ƣu điểm của bản panel đá là cách âm, tiết kiệm năng lƣợng, cƣờng độ cao, chống bụi bẩn. Kết cấu sandwich bản chịu lực cao, sử dụng làm bản sàn panel lắp ghép Hiện nay, loại kết cấu này đã và đang đƣợc tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm kết hợp giữa vật liệu lớp lõi và vật liệu lớp mặt.5 Phân bố lực trong dầm sandwich dƣới tác dụng của tải trọng gây uốn Vật liệu lớp mặt: Với tải trọng thông thƣờng, vật liệu lớp mặt đƣợc yêu cầu có cƣờng độ chịu kéo và nén cao.

Ngoài ra, chúng có thể cần có một số đặc tính tốt nhƣ: + Độ cứng chống uốn, chống tạo hình cao Trang 15 + Sức kháng va đập + Chống ăn mòn + Khả năng hoàn thiện bề mặt + Chống lại các tác động từ tự nhiên Một số loại vật liệu đƣợc sử dụng làm lớp mặt: Thép: Vật liệu thép đã sớm đƣợc áp dụng cho kết cấu sandwich bởi độ cứng cao cũng nhƣ cƣờng độ chịu kéo, nén lớn. Nó đƣợc sử dụng làm lớp mặt của sàn hoặc kết cấu mái. Bê tông cƣờng độ cao (HSC): Với đặc điểm chịu lực lớp mặt trên chịu nén, bê tông cƣờng độ cao cũng là một lựa chọn để sử dụng làm vật liệu lớp mặt trên. Cƣờng độ chịu nén của HSC có thể lên đến 600MPa trong điều kiện đƣờng kính cốt liệu đƣợc tối ƣu, sử dụng tỉ lệ nƣớc/xi măng thấp và bổ sung các sợi thép.

Thêm vào đó, với khả năng chống ăn mòn, tuổi thọ cao, chiều dày mỏng là sự lựa chọn thích hợp cho lớp mặt trên. FRP (Fiber Reinforced Polymer): Có cƣờng độ chịu kéo cao, khối lƣợng riêng nhỏ hơn thép.