Luận án tiến sĩ: Ứng xử chịu uốn và chịu cắt của kết cấu sandwich bằng bê tông cốt lưới dệt và bê tông nhẹ - Vũ Văn Hiệp, Trường ĐH Giao thông Vận tải

Kết cấu sandwich bê tông hoạt động theo nguyên lý dầm chữ I tối ưu hóa tiết diện. Hai bản mặt ngoài chịu ứng suất kéo và nén chính khi chịu uốn. Phần lõi giữ khoảng cách cố định giữa hai bản mặt và chịu lực cắt chủ yếu. Cấu trúc sandwich mang lại tỷ số cường độ trên trọng lượng rất cao. Độ cứng chống uốn của tấm panel tăng mạnh mà không làm tăng khối lượng tổng thể. Bê tông nhẹ (BTN) dùng cho lõi có khối lượng thể tích thấp. Lớp lõi này hỗ trợ chống mất ổn định cục bộ cho lớp vỏ mỏng chịu nén. Đồng thời, cấu trúc rỗng xốp của BTN cải thiện hiệu quả cách nhiệt và tiêu âm cho công trình. Các tấm panel đúc sẵn giảm tải trọng tĩnh cho hệ khung cột. Thời gian thi công lắp ghép tại công trường được rút ngắn đáng kể.

Bê tông cốt lưới dệt (BTCLD) là vật liệu composite gồm ma trận vữa hạt mịn kết hợp các lớp lưới sợi liên tục. Sợi dệt thường dùng gồm sợi thủy tinh kháng kiềm (AR-glass), sợi carbon hoặc sợi basalt. Lưới sợi phân bố tải trọng đồng đều và kiểm soát vết nứt mịn hiệu quả. Bê tông nhẹ (BTN) làm lõi thường sử dụng cốt liệu rỗng nhẹ hoặc công nghệ tạo bọt khí. Cốt liệu xốp giúp giảm khối lượng thể tích từ ba mươi đến năm mươi phần trăm so với bê tông thường. Ma trận vữa hạt mịn trong BTCLD có độ đặc chắc cao và bọc phủ hoàn toàn các bó sợi. Sự phối hợp giữa lớp vỏ BTCLD dẻo dai và lớp lõi BTN nhẹ tạo nên hệ kết cấu sàn đồng nhất. Vật liệu không chứa thép nên loại bỏ hoàn toàn nguy cơ ăn mòn điện hóa.

Hiệu quả làm việc đồng thời của sàn sandwich phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng tiếp diện liên kết. Cơ chế truyền ứng suất cắt tiếp diện truyền lực giữa lớp vỏ BTCLD và lớp lõi BTN. Liên kết tiếp diện chịu tác động của lực dính bám tự nhiên và lực ma sát cơ học. Nếu dính bám không đủ, cấu kiện dễ gặp hiện tượng tách lớp debonding sớm. Hiện tượng tách lớp làm mất khả năng làm việc liên hợp của tiết diện. Tấm sàn sẽ nhanh chóng suy giảm độ cứng và mất khả năng chịu lực. Các biện pháp xử lý bề mặt như tạo nhám cơ học hoặc bổ sung gân khóa cắt giúp tăng độ dính bám. Đánh giá chính xác ứng xử tiếp diện là tiền đề để xây dựng mô hình tính toán chuẩn xác cho sàn sandwich.

Cấu tạo tấm panel sàn sandwich BTCLD-BTN được tối ưu hóa theo kích thước mô-đun lắp ghép công nghiệp. Chiều dày tổng thể của tấm panel thường dao động từ một trăm đến một trăm năm mươi milimét. Lớp vỏ trên và dưới sử dụng bê tông cốt lưới dệt carbon hoặc thủy tinh với hàm lượng sợi hợp lý. Lớp lõi bê tông nhẹ (BTN) liên kết liền khối với hai lớp vỏ trong quá trình đổ bê tông đầm nén. Mép tấm panel có thể tạo gờ âm dương để liên kết các tấm sàn cạnh nhau. Cấu tạo này giảm thiểu cầu nhiệt và ngăn rò rỉ nước qua mối nối. Cấu trúc đối xứng hoặc bất đối xứng của panel được lựa chọn dựa trên yêu cầu chịu mô men uốn âm hoặc dương. Thiết kế cấu tạo hợp lý đảm bảo độ cứng tổng thể và tính thuận tiện trong sản xuất hàng loạt.

Mô hình giải tích xác định khả năng chịu uốn của sàn thông qua ba giai đoạn làm việc đặc trưng. Giai đoạn một là trạng thái đàn hồi tuyến tính khi tiết diện chưa xuất hiện vết nứt. Độ cứng chống uốn ở giai đoạn này do toàn bộ tiết diện nguyên đóng góp. Giai đoạn hai bắt đầu khi lớp vỏ dưới nứt chân chim và lưới dệt tham gia chịu ứng suất kéo chính. Giai đoạn ba là trạng thái phá hoại khi sợi kéo đứt hoặc bê tông vùng nén bị ép vỡ. Mô hình phi tuyến tích phân ứng suất trên từng lớp vật liệu dọc theo chiều cao sàn. Thuật toán cân bằng lực dọc và mô men cho phép vẽ biểu đồ quan hệ mô men uốn và độ cong tiết diện. Độ cứng chống uốn tương đương được suy giảm dần theo sự phát triển của vết nứt.

Kiểm soát độ võng và biến dạng sàn là yêu cầu bắt buộc theo trạng thái giới hạn sử dụng. Các lớp lưới dệt phân tán ứng suất kéo cục bộ thành hệ thống nhiều vết nứt nhỏ li ti. Bề rộng khe nứt trong lớp vỏ BTCLD thường nhỏ hơn không phẩy một milimét. Độ võng của sàn sandwich bao gồm độ võng do uốn và độ võng do biến dạng trượt cắt của lõi nhẹ. Do mô đun đàn hồi của lớp lõi BTN thấp, thành phần biến dạng cắt đóng góp đáng kể vào tổng độ võng. Công thức tính độ võng bổ sung hệ số xét đến biến dạng trượt của lớp lõi. Mô hình tính toán giúp dự báo chính xác độ võng đàn hồi và độ võng dài hạn dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên.

Ứng suất cắt tiếp diện phát sinh do sự chênh lệch ứng suất pháp uốn giữa lớp vỏ và lớp lõi. Lực trượt dọc tiếp diện truyền từ lớp vỏ mỏng vào khối bê tông nhẹ (BTN). Khi lực cắt vượt quá cường độ dính bám giới hạn, các vi nứt trượt hình thành dọc mặt tiếp xúc. Khả năng truyền lực phụ thuộc vào độ nhám bề mặt, lực dính kết hóa học và ma sát hạt. Trong kết cấu sandwich bê tông, lớp vữa mịn thẩm thấu vào lỗ rỗng của BTN tạo ngàm cơ học tự nhiên. Cơ chế chốt ngàm này giúp trì hoãn sự trượt tương đối giữa hai lớp vật liệu. Tuy nhiên, dưới tải trọng trùng phục hoặc tải trọng cực hạn, tiếp diện vẫn có nguy cơ suy giảm độ cứng trượt.

Phương pháp sơ đồ hệ thanh (Strut-and-Tie Model) mô phỏng dòng truyền lực cắt bên trong cấu kiện sandwich. Mô hình chia kết cấu thành các thanh nén bê tông (struts), thanh kéo cốt lưới dệt (ties) và các nút giao lực (nodes). Thanh nén nghiêng truyền lực nén qua lớp lõi BTN về gối đỡ. Thanh kéo dưới tiếp nhận lực kéo chính sinh ra từ cánh tay đòn nội lực. Sức kháng cắt của sàn được xác định bởi điểm yếu nhất trong hệ thống gồm thanh nén, thanh kéo hoặc vùng nút. Thuật toán kiểm tra điều kiện bền của thanh nén nghiêng trong bê tông nhẹ. Sức kháng của nút gối và nút chịu tải tập trung cũng được tính toán chi tiết. Mô hình này phản ánh trung thực trạng thái ứng suất đa trục phức tạp gần gối tựa.

Hiện tượng tách lớp debonding là dạng phá hoại đặc trưng và nguy hiểm nhất của sàn sandwich. Khi vết nứt cắt xiên trong lõi lan tới mặt tiếp xúc, ứng suất tập trung làm tách rời lớp vỏ BTCLD khỏi lớp lõi. Sự tách lớp biến panel sandwich thành hai tấm mỏng làm việc độc lập. Tiết diện mất ngay lập tức phần lớn mô men kháng uốn và độ cứng chống cắt. Phá hoại debonding thường mang tính chất giòn, xảy ra nhanh và làm giảm mạnh tải trọng cực hạn. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh rằng việc bố trí đầu neo lưới hoặc chốt liên kết cơ học ngăn chặn hiệu quả hiện tượng này. Mô hình cơ học phá hủy đàn dẻo được ứng dụng để thiết lập tiêu chuẩn chống tách lớp cho sàn.

Quy trình thí nghiệm uốn bốn điểm được thiết lập theo các tiêu chuẩn thí nghiệm kết cấu bê tông hiện hành. Mẫu sàn sandwich được gối tựa đơn tại hai đầu với nhịp tính toán xác định. Tải trọng ép từ kích thủy lực tác dụng đối xứng qua dầm phân tải thành hai điểm tập trung. Thiết bị đo độ võng LVDT được bố trí tại giữa nhịp, các điểm đặt tải và vị trí gối tựa. Các đầu đo biến dạng điện trở (strain gauge) dán trực tiếp lên bề mặt lớp vỏ BTCLD và mặt cắt bên của lớp lõi BTN. Tốc độ gia tải được kiểm soát tự động theo bước chuyển vị nhỏ để quan sát chi tiết hiện tượng nứt. Hệ thống thu thập dữ liệu tự động ghi lại biến thiên lực và chuyển vị theo thời gian thực.

Kết quả thí nghiệm uốn bốn điểm phản ánh rõ nét đường cong quan hệ tải trọng và độ võng qua từng giai đoạn. Ở cấp tải ban đầu, sàn có độ cứng cao và độ võng tăng tuyến tính theo tải trọng. Khi xuất hiện vết nứt đầu tiên ở lớp vỏ chịu kéo, độ dốc đường cong tải trọng - độ võng giảm nhẹ. Các vết nứt tiếp theo phân bố đều và có bề rộng rất nhỏ nhờ tác dụng giữ nứt của lưới dệt. Biến dạng nén trong lớp vỏ trên duy trì trạng thái ổn định cho tới gần tải trọng cực hạn. Sự phát triển của các vết nứt xiên trong lớp lõi bê tông nhẹ (BTN) được theo dõi chặt chẽ. Dữ liệu thực nghiệm xác nhận cấu kiện có khả năng hấp thụ năng lượng và độ dẻo dai cao trước khi phá hoại.

Sự so sánh giữa kết quả thực nghiệm và giá trị tính toán từ mô hình lý thuyết cho thấy mức độ tương đồng cao. Sai số dự báo về tải trọng nứt và tải trọng cực hạn dao động trong khoảng từ năm đến mười lăm phần trăm. Mô hình độ cứng chống uốn tương đương phản ánh chính xác quy luật suy giảm độ cứng thực tế của panel. Mô hình dàn ảo Strut-and-Tie ước lượng thiên về an toàn sức kháng cắt của kết cấu sandwich. Độ võng tính toán có xét đến biến dạng cắt của lõi tiệm cận rất sát với số đo LVDT trong phòng thí nghiệm. Đánh giá tương quan khẳng định các mô hình giải tích và phương pháp hệ thanh đề xuất có độ tin cậy cao để đưa vào hướng dẫn tính toán thực hành.

Phân tích tham số chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến khả năng chịu lực của sàn sandwich. Tăng chiều dày lớp vỏ BTCLD và số lớp lưới dệt giúp nâng cao rõ rệt mô men kháng uốn và kiểm soát nứt. Chiều dày lớp lõi BTN quyết định cánh tay đòn nội lực và độ cứng chống uốn tổng thể của panel. Cường độ nén và mô đun đàn hồi của bê tông nhẹ (BTN) ảnh hưởng trực tiếp đến sức kháng cắt và độ võng do trượt. Việc lựa chọn loại sợi dệt carbon hay sợi thủy tinh quyết định giá thành và mức chịu tải cực hạn. Tối ưu hóa đồng thời các tham số hình học và vật liệu giúp tạo ra mặt cắt kinh tế nhất mà vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu chịu lực.

Quy trình thiết kế sàn sandwich BTCLD-BTN được chuẩn hóa thành các bước kiểm toán rõ ràng theo trạng thái giới hạn. Bước một là xác định sơ bộ kích thước tiết diện và lựa chọn vật liệu vỏ, lõi. Bước hai là kiểm toán trạng thái giới hạn cường độ về mô men uốn và sức kháng cắt. Bước ba là kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng bao gồm độ võng và bề rộng khe nứt. Bước bốn là tính toán kiểm tra chống hiện tượng tách lớp debonding và thiết kế mối nối liên kết giữa các panel. Hệ số an toàn vật liệu và hệ số tải trọng được áp dụng phù hợp với tính chất của vật liệu composite. Hướng dẫn thiết kế chi tiết giúp các kỹ sư kết cấu dễ dàng tính toán và áp dụng vào dự án thực tế.

Tấm sàn sandwich BTCLD-BTN đặc biệt phù hợp cho các công trình nhịp lớn đòi hỏi giảm thiểu tải trọng bản thân. Các ứng dụng tiêu biểu gồm sàn nhà công nghiệp, tấm sàn lắp ghép cho nhà cao tầng và tấm sàn cầu bộ hành. Khả năng chống chịu môi trường ăn mòn giúp cấu kiện hoạt động bền bỉ trong các công trình ven biển và nhà máy hóa chất. Trọng lượng nhẹ tạo điều kiện thuận lợi cho công tác vận chuyển, nâng cẩu và thi công ở khu vực chật hẹp. Ngoài ra, sản phẩm có thể ứng dụng trong cải tạo, nâng tầng các công trình cũ mà không cần gia cố móng. Tiềm năng phát triển của vật liệu sandwich bê tông sợi dệt đóng góp tích cực vào xu thế công nghiệp hóa xây dựng.