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 n 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 n 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 n 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 n 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.