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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ CHỊU CẮT CỦA
KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ
BÊ TÔNG NHẸ DẠNG PANEL SÀN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI, 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VŨ VĂN HIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CHỊU UỐN VÀ CHỊU CẮT CỦA
KẾT CẤU SANDWICH BẰNG BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT VÀ
BÊ TÔNG NHẸ DẠNG PANEL SÀN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH ĐẶC BIỆT
MÃ SỐ: 9580206

HÀ NỘI- 2023


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi. Các kết quả nêu

trong luận án là trung thực và chưa được cơng bố trong các cơng trình khác. Việc tham khảo
các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy
định.

Hà Nội, Ngày

tháng
Tác giả

i

năm 2023


LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ với 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 dạng panel sàn” được thực hiện tại
trường Đại học Giao thơng vận tải.
Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. hướng dẫn tận tình, hết lịng giúp đỡ trong
quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án.

Tôi xin cảm ơn các quý Thầy giáo, Cô giáo trong Bộ mơn Cơng trình Giao thơng thành
phố và Cơng trình thủy đã giúp đỡ tơi rất nhiều trong quá trình học tập và nghiên cứu, cũng
như trong các hoạt động chuyên môn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thơng vận tải, Phịng
Đào tạo Sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tơi cũng xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Khoa Kỹ
thuật xây dựng, Bộ môn Kết cấu xây dựng đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện luận
án.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã ln bên tơi,
động viên tơi hồn thành luận án này.

Hà Nội, Ngày

ii

tháng

năm 2023


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN

................................................................................................................ II

MỤC LỤC

...............................................................................................................III

DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ VI
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................ VIII
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU .................................................... XII
MỞ ĐẦU

..................................................................................................................1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................6

1.1 Kết cấu sandwich và ứng dụng trong cơng trình xây dựng .......................................6
1.1.1 Giới thiệu về kết cấu sandwich .............................................................................6
1.1.2 Ứng xử của kết cấu sandwich khi chịu lực............................................................7
1.1.3 Ứng dụng kết cấu sandwich trong xây dựng .......................................................11
1.2 Bê tông cốt lưới dệt .................................................................................................12
1.2.1 Vật liệu bê tông cốt lưới dệt ................................................................................13
1.2.2 Ứng xử chịu kéo của tấm bê tông cốt lưới dệt ....................................................18
1.2.3 Tính chất dính bám bề mặt giữa lớp vỏ BTCLD và các vật liệu làm lớp lõi trong
kết cấu sandwich ...................................................................................................19
1.3 Bê tông nhẹ ..............................................................................................................20
1.3.1 Giới thiệu về bê tơng nhẹ ....................................................................................20
1.3.2 Tính chất cơ học của bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ ......................................22
1.4 Tổng quan về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng bê tơng cốt lưới dệt .....................23
1.4.1 Các nghiên cứu về kết cấu sandwich có lớp vỏ bằng BTCLD ............................23
1.4.2 Các mơ hình tính tốn sức kháng cho kết cấu sandwich .....................................28
1.4.3 Ứng dụng BTCLD và vật liệu nhẹ trong kết cấu sandwich ................................31
1.5 Định hướng và nội dung nghiên cứu .......................................................................33
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẤU TẠO VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH
XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU UỐN, CHỊU CẮT CỦA KẾT CẤU SANDWICH BẰNG
BÊ TÔNG CỐT LƯỚI DỆT - BÊ TÔNG NHẸ ..............................................................36
2.1 Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................36
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 cơng trình xây dựng. ..................................................36
2.2.1 Vật liệu được sử dụng làm lớp vỏ cho kết cấu sandwich ....................................37
iii

2.2.2 Vật liệu được sử dụng làm lớp lõi cho kết cấu sandwich ....................................39
2.2.3 Kích thước của mặt cắt kết cấu sandwich ...........................................................40
2.3 Xây dựng mơ hình xác định ứng xử chịu uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và
BTN-K ................................................................................................................43
2.3.1 Phương pháp xác định khả năng chịu uốn của mặt cắt sandwich .......................43
2.3.2 Sức kháng uốn của kết cấu sandwich ..................................................................45
2.3.3 Xây dựng mơ hình dự đốn sự hành thành và phát triển vết nứt trong kết cấu
sandwich bằng BTCLD và BTN-K khi chịu uốn .................................................50
2.3.4 Xác định độ cứng chống uốn của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K ..65
2.4 Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD
và BTN-K theo phương pháp sơ đồ hệ thanh ..........................................................67
2.4.1 Sức kháng cắt của dầm ........................................................................................67
2.4.2 Phương pháp sơ đồ hệ thanh ...............................................................................68
2.4.3 Mơ hình hố kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K theo phương pháp sơ đồ
hệ thanh .................................................................................................................68
2.4.4 Sức kháng của thanh nén .....................................................................................73
2.4.5 Sức kháng của thanh kéo .....................................................................................74
2.4.6 Sức kháng của nút ở vị trí gối đỡ ........................................................................74
2.4.7 Sức kháng của nút ở vị trí tác dụng tải trọng ......................................................75
2.5 Kết luận chương ......................................................................................................76
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 TƠNG NHẸ ......................................................................................77
3.1 Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................77
3.2 Nghiên cứu xác định đặc trưng cơ học của vật liệu ................................................77
3.2.1 Bê tông hạt mịn ...................................................................................................77
3.2.2 Bê tông nhẹ ..........................................................................................................81
3.2.3 Cốt lưới dệt ..........................................................................................................84

3.2.4 Ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt và bê tơng hạt mịn.......................................85
3.2.5 Ứng xử dính bám giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ ......................................87
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 .........................................................................88
3.3.1 Phương pháp thí nghiệm......................................................................................88
3.3.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm ......................................................................................89
3.3.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm.......................................................................................95
3.3.4 Thiết bị đo và quy trình thí nghiệm .....................................................................95
3.3.5 Kết quả thí nghiệm ..............................................................................................96
iv


3.4 Kết luận chương ....................................................................................................105
CHƯƠNG 4
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ VÀ THIẾT KẾ KẾT
CẤU SANDWICH DẠNG PANEL ỨNG DỤNG CHO KẾT CẤU SÀN .................107
4.1 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................107
4.2 Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp giải tích ...............................107
4.2.1 Khảo sát tham số chiều dày của các lớp vật liệu trên mặt cắt sandwich ...........107
4.2.2 Khảo sát tham số cường độ lớp lõi BTN-K.......................................................108
4.3 Khảo sát các tham số ảnh hưởng theo phương pháp PTHH .................................110
4.3.1 Nghiên cứu mô phỏng .......................................................................................110
4.3.2 Khảo sát các tham số ảnh hưởng bằng phần mềm ATENA ..............................118
4.4 Thiết kế kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K dạng panel làm kết cấu sàn trong
cơng trình xây dựng ...............................................................................................120
4.4.1 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 3 m. ......................................................................121
4.4.2 Thiết kế kết cấu sàn có nhịp 4 m; 5 m; 6 m.......................................................124
4.5 Kết luận chương ....................................................................................................128
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................................129
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................................131

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................132

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thành phần của các hỗn hợp BTHM do Brockmann đề xuất [74] ..................... 15
Bảng 1.2 Thành phần BTHM được đề xuất bởi Lê Minh Cường [4] ................................. 17
Bảng 1.3 Thành phần cấp phối bê tông nhẹ được đề xuất bởi Đặng Thùy Chi [2] ............ 22
Bảng 3.1 Thành phần cấp phối BTHM (đơn vị kg/m3) ...................................................... 78
Bảng 3.2 Thành phần cấp phối hạt của cát quartz [4] ........................................................ 78
Bảng 3.3 Lượng lọt sàng (%) của bột Quartz nghiền ......................................................... 78
Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của BTHM (đơn vị MPa) ....... 79
Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn của BTHM (đơn vị MPa)
............................................................................................................................................. 80
Bảng 3.6 Giá trị mô đun đàn hồi của BTHM...................................................................... 80
Bảng 3.7 Thành phần cấp phối BTN-K .............................................................................. 81
Bảng 3.8 Thành phần cấp phối hạt Keramzit...................................................................... 82
Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của BTN-K (đơn vị MPa) ...... 83
Bảng 3.10 Kết quả xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ của BTN-K (đơn vị MPa) ..... 83
Bảng 3.11 Giá trị mô đun đàn hồi của BTN-K ................................................................... 84
Bảng 3.12 Đặc trưng cơ học của cốt lưới dệt các bon theo cung cấp của nhà sản xuất ..... 85
Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm dính bám giữa BTCLD và BTN ........................................ 88
Bảng 3.14 Kích thước chi tiết của các mẫu panel sandwich (đơn vị: mm) ........................ 90
Bảng 3.15 Mô men uốn của mặt cắt sandwich theo mơ hình lý thuyết .............................. 91
Bảng 3.16 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng thanh kéo ................ 91
Bảng 3.17 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng thanh nén ................ 91
Bảng 3.18 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng của nút gối đỡ ......... 91
Bảng 3.19 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich tính theo sức kháng của nút đặt tải ......... 92
Bảng 3.20 Sức kháng cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K tính theo lý thuyết

............................................................................................................................................. 92
Bảng 3.21 Kết quả dự đoán khoảng cách vết nứt trong kết cấu sandwich chịu uốn .......... 94
Bảng 3.22 Kết qủa lực và độ võng ở giữa nhịp của thí nghiệm uốn 4 điểm ...................... 97
Bảng 3.23 Mô men gây nứt và mô men uốn cho mẫu sandwich được xác định bằng thực
nghiệm............................................................................................................................... 100
vi


Bảng 3.24 So sánh tải trọng và mô men uốn của panel theo mơ hình lý thuyết và thực nghiệm
với sơ đồ uốn 4 điểm ......................................................................................................... 100
Bảng 3.25 So sánh khoảng cách vết nứt tính theo mơ hình lý thuyết và thực nghiệm ..... 102
Bảng 3.26 Lực lớn nhất của các dầm sandwich thí nghiệm (đơn vị kN) ......................... 104
Bảng 3.27 So sánh sức kháng cắt theo lý thuyết và thực nghiệm của kết cấu sandwich . 105
Bảng 4.1 Kết quả khảo sát kết cấu sandwich với tham số là chiều dày các lớp vật liệu .. 108
Bảng 4.2 Kết quả khảo sát kết cấu sandwich với tham số BTN-K thay đổi .................... 109
Bảng 4.3 Kết quả tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich khi thay đổi BTN-K ............ 110
Bảng 4.4 Thông số của vật liệu BTHM và BTN-K .......................................................... 112
Bảng 4.5 So sánh giá trị lực lớn nhất của các mẫu SW giữa mô phỏng và thực nghiệm . 117
Bảng 4.6 So sánh kết quả khảo sát chiều dày lớp vỏ theo phương pháp giải tích và PTHH
........................................................................................................................................... 119
Bảng 4.7 Giá trị lực lớn nhất gây phá hoại cho các mơ hình khi BTN-K thay đổi .......... 120
Bảng 4.8 So sánh kết quả khảo sát cường độ BTN-K theo phương pháp giải tích và PTHH
........................................................................................................................................... 120
Bảng 4.9 Tải trọng thường xuyên của kết cấu sandwich .................................................. 121
Bảng 4.10 Hoạt tải sử dụng của sàn phòng ở ................................................................... 122
Bảng 4.11 Sức kháng của mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm ................................. 122
Bảng 4.12 Sức kháng của mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm và 120 mm .............. 123
Bảng 4.13 Độ võng của kết cấu sàn nhịp 3 m................................................................... 123
Bảng 4.14 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 3 m ......................... 124
Bảng 4.15 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 3 m ......................... 124

Bảng 4.16 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 4 m ......................... 124
Bảng 4.17 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 4 m ......................... 125
Bảng 4.18 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 5 m ......................... 125
Bảng 4.19 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 5 m ......................... 125
Bảng 4.20 Tổng hợp kết quả sức kháng của kết cấu sandwich nhịp 6 m ......................... 126
Bảng 4.21 Tổng hợp độ võng giữa nhịp của kết cấu sandwich nhịp 6 m ......................... 126
Bảng 4.22 Tổng hợp các loại panel đúc sẵn bằng kết cấu sandwich sử dụng làm kết cấu sàn
phòng ở trong cơng trình xây dựng ................................................................................... 127

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Cấu tạo kết cấu sandwich có 3 lớp [63]................................................................. 6
Hình 1-2 Hiệu quả về tăng khả năng chịu uốn và độ cứng chịu uốn của kết cấu sandwich
[63] ........................................................................................................................................ 7
Hình 1-3 Phân bố biến dạng dọc trục của các lớp vật liệu ở các dạng kết cấu sandwich [70]
............................................................................................................................................... 8
Hình 1-4 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich không liên hợp [38] . 8
Hình 1-5 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang kết cấu sandwich liên hợp hoàn toàn ......... 9
Hình 1-6 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của kết cấu sandwich có lớp vỏ mỏng ....... 9
Hình 1-7 Các dạng phá hoại của kết cấu sandwich [32] ..................................................... 10
Hình 1-8 Kết cấu 3D được sử dụng trong cơng trình xây dựng ở Việt Nam ..................... 11
Hình 1-9 Kết cấu sandwich làm tấm lợp mái ..................................................................... 12
Hình 1-10 Kết cấu sandwich làm tấm tường ...................................................................... 12
Hình 1-11 Các cấp độ vật liệu: BTCLD, cốt lưới dệt, bó sợi, sợi cơ bản [65] .................. 13
Hình 1-12 Các bó sợi các bon có độ mịn khác nhau [28] ................................................... 14
Hình 1-13 Quan hệ giữa ứng suất-biến dạng của cốt lưới dệt [28] .................................... 14
Hình 1-14 So sánh quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của BTHM khi chịu nén giữa thực
nghiệm và mơ hình tính sửa đổi từ MC 90 [74] ................................................................. 16

Hình 1-15 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt với BTHM [26] ........ 18
Hình 1-16 Ứng xử của tấm của BTCLD chịu kéo dọc trục [53] ........................................ 19
Hình 1-17 Thí nghiệm dính bám giữa BTCLD và bê tơng nền theo chỉ dẫn RILEM 250CSM [68] ............................................................................................................................ 20
Hình 1-18 Bê tơng nhẹ khí chưng áp .................................................................................. 21
Hình 1-19 Bê tơng nhẹ cấu tạo hốc ..................................................................................... 21
Hình 1-20 Bê tơng nhẹ sử dụng cốt liệu nhẹ ...................................................................... 21
Hình 1-21 Quan hệ giữa ứng suất – biến dạng khi chịu nén của BTN-K, Campione [57] 23
Hình 1-22 Nghiên cứu tấm tường sandwich BTCLD - EPS, Hegger và Horstmann [52] . 24
Hình 1-23 Nghiên cứu tấm tường sandwich BTCLD - EPS, Finzel [41] ........................... 24
Hình 1-24 Nghiên cứu tấm tường sandwich BTCLD - EPS, Colombo [49] ...................... 24
Hình 1-25 Nghiên cứu tấm sandwich BTCLD - EPS, Isabella [50] ................................... 24

viii


Hình 1-26 Tấm sandwich BTCLD - Xốp bơng khống, Von der Heid [81] ...................... 25
Hình 1-27 Nghiên cứu tấm tường BTCLD - Xốp foam, Chira [30] ................................... 26
Hình 1-28 Kết cấu sandwich BTCLD - Xốp foam, Junes [54] .......................................... 26
Hình 1-29 Kết cấu sandwich BTCLD - ACC chịu tải trọng va chạm, Dey [37] ................ 27
Hình 1-30 Nghiên cứu kết cấu sandwich BTCLD – EPC, Nguyen [62] ............................ 27
Hình 1-31 Dầm sandwich liên hợp FRP – bê tông nhẹ - bê tơng thường [69]. .................. 28
Hình 1-32 Mơ hình xác định ứng xử chịu lực của Junes [54] ............................................ 29
Hình 1-33 Mơ hình xác định sức kháng uốn của mặt cắt sandwich, Djamai [83].............. 30
Hình 1-34 Mơ hình tính sức kháng cắt của kết cấu sandwich BTCLD - EPC, Nguyễn [62]
............................................................................................................................................. 30
Hình 1-35 Kết cấu tấm tường sandwich sử dụng BTCLD – bê tơng xốp ở Đức ............... 31
Hình 1-36 Tòa nhà Eastsite VIII (Đức) sử dụng kết cấu sandwich bằng BTCLD – Bê tơng
xốp....................................................................................................................................... 32
Hình 1-37 Cơng trình nhà ở Dublin (Ireland) [66] hoàn toàn bằng kết cấu sandwich ....... 32
Hình 1-38 Tịa nhà EASEE ở Cinisello Balsamo (Ý) có tường là sandwich BTCLD ....... 32

Hình 1-39 Tấm tường sandwich được sử dụng để chống ồn cho đường cao tốc ............... 33
Hình 2-1 Cấu tạo sandwich bằng BTHM – BTN-K – BTCLD .......................................... 37
Hình 2-2 Quy đổi mặt cắt sandwich về vật liệu BTHM ..................................................... 41
Hình 2-3 Phân bố ứng suất trên mặt cắt sandwich khi chịu uốn ........................................ 43
Hình 2-4 Ứng suất và hợp lực trong các lớp vật liệu .......................................................... 44
Hình 2-5 Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt lưới dệt ................................................... 46
Hình 2-6 Phân bố ứng suất trên mặt cắt sandwich sau khi được chia thành các lớp mỏng 47
Hình 2-7. Ứng suất - biến dạng trên mặt cắt sandwich chưa nứt ....................................... 51
Hình 2-8. Các trường hợp vết nứt đầu tiên xuất hiện trên kết cấu sandwich ..................... 54
Hình 2-9 Ứng suất - biến dạng của mặt cắt sandwich khi BTHM bị nứt ........................... 55
Hình 2-10 Biểu đồ ứng suất trong kết cấu sandwich khi BTHM bị nứt ............................. 56
Hình 2-11 Dạng phân bố vết nứt trên kết cấu sandwich – trường hợp (1) - (a) ................. 58
Hình 2-12 Biểu đồ phân bố ứng suất khi BTHM và BTN-K cùng nứt tại một vị trí ......... 59
Hình 2-13 Dạng phân bố vết nứt trên kết cấu sandwich – trường hợp (1) - (b) ................. 60
Hình 2-14 Ứng suất - biến dạng của mặt cắt khi BTN-K bị nứt và BTHM chưa nứt ........ 60
ix


Hình 2-15 Biểu đồ phân bố ứng suất khi BTN-K bị nứt, BTHM chưa bị nứt.................... 62
Hình 2-16 Dạng phân bố vết nứt trong BTN-K khi BTN-K nứt trước, trường hợp (2) - (a)
............................................................................................................................................. 63
Hình 2-17 Dạng phân bố vết nứt trên BTHM khi BTN-K nứt trước, trường hợp (2) – (a) 63
Hình 2-18 Sơ đồ khối dự đốn q trình hình thành và phát triển vết nứt trong kết cấu
sandwich ............................................................................................................................. 64
Hình 2-19 Quy đổi mặt cắt sandwich chưa nứt .................................................................. 66
Hình 2-20 Quy đổi mặt cắt sandwich bị nứt ....................................................................... 66
Hình 2-21 Sơ đồ hệ thanh cho dầm ngắn theo ACI 318-19 [18] ........................................ 69
Hình 2-22 Một số dạng nút theo ACI-318-19 [18] ............................................................. 70
Hình 2-23 Nút ở vị trí gối đỡ .............................................................................................. 71
Hình 2-24 Nút ở vị trí đặt tải trọng ..................................................................................... 71

Hình 2-25 Nút ở vị trí đặt tải trọng giữa nhịp ..................................................................... 72
Hình 2-26 Sơ đồ hệ thanh trong kết cấu sandwich có a/d nhỏ ........................................... 72
Hình 3-1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và chịu kéo uốn của BTHM ............... 79
Hình 3-2 Thí nghiệm đo mơ đun đàn hồi............................................................................ 80
Hình 3-3 Sỏi Keramzit ........................................................................................................ 81
Hình 3-4 Mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tơng nhẹ ............................ 82
Hình 3-5 Mẫu thử BTN-K được thí nghiệm ép chẻ ............................................................ 83
Hình 3-6 Kích thước cốt lưới dệt sợi carbon ...................................................................... 85
Hình 3-7 Thí nghiệm xác định ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt với BTHM ................. 86
Hình 3-8 Quan hệ lực trượt – chuyển vị điển hình giữa cốt lưới dệt và BTHM ................ 86
Hình 3-9 Thiết lập thí nghiệm kéo trượt BTCLD – BTN ................................................... 87
Hình 3-10 Các dạng phá hoại của mẫu dính bám BTCLD và BTN-K ............................... 87
Hình 3-11 Cấu tạo mẫu panel sandwich cho thí nghiệm uốn 4 điểm ................................. 89
Hình 3-12 Cấu tạo mẫu panel sandwich cho thí nghiệm uốn 3 điểm ................................. 89
Hình 3-13 Chế tạo mẫu thí nghiệm SW .............................................................................. 95
Hình 3-14 Thiết lập thí nghiệm uốn 4 điểm........................................................................ 96
Hình 3-15 Thiết lập thí nghiệm uốn 3 điểm........................................................................ 96
Hình 3-16 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW1 ....................................... 97
x


Hình 3-17 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW2 ....................................... 97
Hình 3-18 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW3 ....................................... 98
Hình 3-19 Các dạng phá hoại của một số mẫu kết cấu sandwich....................................... 99
Hình 3-20 Biến dạng nén ở mép trên và biến dạng nén ở mép dưới của panel SW1-1 ... 100
Hình 3-21 Sự phân bố vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần tuý của mẫu SW1 ................... 101
Hình 3-22 Sự phân bố vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần tuý của mẫu SW2 ................... 102
Hình 3-23 Sự phân bố vết nứt ở khu vực chịu uốn thuần tuý của mẫu SW3 ................... 102
Hình 3-24 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW4 ..................................... 103
Hình 3-25 Quan hệ lực và độ võng giữa nhịp của các mẫu SW5 ..................................... 103

Hình 3-26 Các vết nứt chính khi phá hoại của mẫu SW4, SW5....................................... 105
Hình 4-1 Mơ hình ½ dầm sandwich ................................................................................. 110
Hình 4-2 Mơ hình rời rạc hóa kết cấu sandwich trong phần mềm ATENA .................... 111
Hình 4-3 Mơ hình vật liệu BTHM trong phần mềm ATENA .......................................... 112
Hình 4-4 Mơ hình vật liệu BTN-K trong phần mềm ATENA ......................................... 112
Hình 4-5 Mơ hình hố dính bám bề mặt giữa BTHM và BTN-K trong phần mềm ATENA
........................................................................................................................................... 113
Hình 4-6 Mơ hình vật liệu cốt lưới dệt trong phần mềm ATENA .................................... 114
Hình 4-7 Mơ hình dính bám giữa cốt lưới dệt và BTHM trong phần mềm ATENA ....... 114
Hình 4-8 So sánh biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị của dầm giữa mô phỏng và thực nghiệm
........................................................................................................................................... 116
Hình 4-9 Cấu trúc vết nứt tại thời điểm gần phá hoại của mơ hình SW1 ......................... 117
Hình 4-10 Quan hệ ứng suất – chuyển vị của các mơ hình có chiều dày lớp vỏ khác nhau
........................................................................................................................................... 118
Hình 4-11 Quan hệ lực – độ võng giữa nhịp của các mơ hình với BTN-K có cường độ khác
nhau ................................................................................................................................... 119
Hình 4-12 Cấu tạo mặt cắt sandwich có chiều cao 100 mm được bố trí 1 lớp cốt lưới dệt
........................................................................................................................................... 121

xi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Ý nghĩa

AASHTO

Hiệp hội Quan chức Giao thông và xa lộ Tiểu bang Mỹ (American

Association of State Highway and Transportation Officials)

ACI

Hiệp hội Bê tơng Mỹ (American concrete institute)

ASTM

Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing
and Materials)

BTCLD

Bê tông cốt lưới dệt

BTHM

Bê tông hạt mịn

BTN-K

Bê tông nhẹ sử dụng cốt liệu keramzit

EPC

Bê tông xốp polystyrene, Expanded Polystyrene Concrete

EPS

Bê tông xốp, Expanded Polystyrene

PU

Xốp đặc PU, polyurethane

RILEM

Liên đoàn thế giới của các phịng thí nghiệm và chun gia trong lĩnh vực
vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu (The International Union of
Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and
Structures)

TCVN

Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam

Af

Diện tích cốt lưới dệt

a

Khoảng cách từ điểm đặt lực đến gối đỡ

b

Bề rộng của mặt cắt sandwich

c

Chiều cao vùng bê tơng chịu nén

d

Chiều cao có hiệu của mặt cắt sandwich

h

Chiều cao của mặt cắt sandwich

L

Chiều dài dầm sandwich

tb

Chiều dày lớp bê tơng hạt mịn phía dưới

tc

Chiều dày lớp bê tông nhẹ

tt

Chiều dày lớp bê tông hạt mịn phía trên

Ec

Mơ đun đàn hồi của bê tơng hạt mịn

Ef

Mô đun đàn hồi chịu kéo của cốt lưới dệt

Elc

Mô đun đàn hồi của bê tông nhẹ

Mcr

Mô men gây nứt của mặt cắt sandwich

Ma

Mô men nội lực lớn nhất trên chiều dài nhịp

Mu

Mô men uốn lớn nhất của mặt cắt sandwich
xii


Pcr

Lực gây nứt của mặt cắt sandwich

Pu

Lực phá hoại của mặt cắt sandwich

I

Mơ men qn tính của mặt cắt

I cr

Mơ men qn tính của mặt cắt sau khi nứt

Ie

Mơ men qn tính có hiệu của mặt cắt

Ig

Mơ men qn tính của mặt cắt chưa nứt

C1

Hợp lực trong lớp bê tông hạt mịn chịu nén

J1

Khoảng cách từ hợp lực C1 đến trọng tâm của cốt sợi chịu kéo

C2

Hợp lực nén trong bê tông nhẹ

T1

Hợp lực kéo trong bê tông hạt mịn

T2

Hợp lực kéo trong bê tông nhẹ

Tf

Hợp lực kéo trong cốt lưới dệt

C1A

Hợp lực nén trong bê tông hạt mịn tại vị trí bị nứt đầu tiên

C2A

Hợp lực nén trong bê tơng nhẹ tại vị trí bị nứt đầu tiên

T2A

Hợp lực kéo trong bê tơng nhẹ tại vị trí bị nứt đầu tiên

TfA

Hợp lực kéo trong cốt lưới dệt tại vị trí bị nứt đầu tiên

T1A

Hợp lực kéo trong bê tơng hạt mịn chịu kéo tại vị trí bị nứt đầu tiên

εc

Biến dạng khi chịu nén của bê tông hạt mịn

εcu

Biến dạng khi phá hoại của bê tông hạt mịn

εt

Biến dạng nén của bê tông hạt mịn ở mép trên

ε1

Biến dạng nén ở vị trí tiếp xúc giữa bê tơng hạt mịn và bê tông nhẹ

εf

Biến dạng của sợi chịu kéo

f c

Cường độ chịu nén của bê tông hạt mịn

f lc

Cường độ chịu nén của bê tông nhẹ

f cr

Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông hạt mịn

flcr

Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông nhẹ

f sp

Cường độ chịu kéo khi ép chẻ của bê tông nhẹ

ff

Cường độ chịu kéo của cốt lưới dệt



Cường độ dính bám giữa hai vật liệu

lf

Chiều dài truyền lực giữa cốt lưới dệt và bê tông hạt mịn

lc

Chiều dài truyền lực giữa bê tông hạt mịn và bê tông nhẹ

xiii


MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Hiện nay, xây dựng cơng trình đã phát triển ở trình độ cao, các vật liệu xây dựng truyền
thống như bê tông, thép, bê tông cốt thép đang được sử dụng một cách hiệu quả. Tuy nhiên,
những vật liệu này vẫn còn tồn tại những hạn chế như có trọng lượng lớn, dễ bị xâm thực
bởi mơi trường. Do đó, việc tìm ra những vật liệu xây dựng mới, có khả năng đáp ứng tốt
các yêu cầu về sử dụng, chịu lực, độ bền và hiệu quả kinh tế luôn là nhiệm vụ hàng đầu
của khoa học hiện nay. Ngoài ra, việc nghiên cứu phát triển các dạng kết cấu mới, trong
đó, có kết cấu nhẹ cũng là một lĩnh vực đang rất được ưu tiên trong xây dựng. Các hướng
nghiên cứu kết cấu nhẹ có thể kể đến như kết cấu sử dụng vật liệu có cường độ cao dẫn
đến giảm kích thước và trọng lượng của kết cấu hoặc sử dụng vật liệu nhẹ hoặc, hiệu quả
hơn, sử dụng kết hợp một cách tối ưu vật liệu cường độ cao và vật liệu nhẹ. Trong dạng
kết cấu sử dụng kết hợp nhiều loại vật liệu này, các khu vực kết cấu không yêu cầu chịu
lực cao sẽ được thay thế bằng vật liệu nhẹ có cường độ thấp. Điển hình trong dạng kết cấu
sử dụng kết hợp vật liệu này là kết cấu sandwich.
Kết cấu sandwich là dạng kết cấu có nhiều lớp được sắp xếp theo một thứ tự nhất định
nhằm khai thác một cách hiệu quả khả năng chịu lực của các vật liệu thành phần. Các lớp
ở bên ngoài được gọi là lớp vỏ, thường được làm từ vật liệu cường độ cao, đóng vai trị
chịu lực chính. Lớp ở bên trong được gọi là lớp lõi, được tạo thành từ vật liệu có khả năng
chịu lực khơng cao và trọng lượng nhỏ. Lớp lõi đóng vai trị cấu tạo, giữ ổn định cho các
lớp vỏ và đảm bảo yêu cầu cách âm, cách nhiệt. Với cấu trúc dạng này, kết cấu sandwich
có khả năng chịu lực cao, độ cứng lớn nhưng trọng lượng nhỏ, rất phù hợp cho các kết cấu
dạng tấm tường, tấm sàn hay cầu thang … trong cơng trình xây dựng. Trong các kết cấu
sandwich có sử dụng bê tông hiện nay, lớp vỏ chịu lực được làm bằng vật liệu bê tông cốt
thép thường. Để đáp ứng yêu cầu chống gỉ, kết cấu sandwich sử dụng bê tơng cốt thép phải
có chiều dày lớn nên kết cấu nặng nề dẫn đến chưa thực sự hợp lý về chịu lực và kinh tế.
Nhiều loại vật liệu mới đã được nghiên cứu và chế tạo thành công đáp ứng các yêu cầu của
lớp vỏ trong kết cấu sandwich, trong đó có bê tơng cốt lưới dệt (BTCLD).
BTCLD là một dạng vật liệu composite được tạo thành từ hai thành phần chính là bê
tơng hạt mịn và cốt lưới dệt. Bê tông hạt mịn là một loại bê tông xi măng có cốt liệu nhỏ
và cốt lưới dệt là một hệ thống lưới với các bó sợi từ carbon, thuỷ tinh kháng kiềm, basalt,

1


v.v. Do được cấu tạo từ các vật liệu có cường độ cao và khơng bị ăn mịn nên BTCLD có
nhiều tính năng ưu việt như cường độ và độ bền cao, trọng lượng nhỏ [27]. Một số nghiên
cứu đã cho thấy, BTCLD, khi được sử dụng làm lớp vỏ kết hợp với lớp lõi bằng vật liệu
nhẹ như bọt xốp polystyrene [52], xốp cứng polyurethane [64], bê tông xốp [82] đã tạo ra
kết cấu sandwich có trọng lượng nhỏ nhưng độ cứng cao, có khả năng cách âm và cách
nhiệt tốt. Tuy nhiên, các dạng kết cấu sandwich này thường có khả năng chịu lực khơng
cao do lớp lõi có cường độ và độ cứng nhỏ và thường được sử dụng trong các kết cấu bao
che hoặc kết cấu chịu lực nhỏ.
Nhằm mục đích tạo ra một dạng kết cấu sandwich có khả năng chịu lực cao, vượt nhịp
lớn, hướng nghiên cứu được đề xuất ở đây là sử dụng các vật liệu nhẹ nhưng có cường độ
và mơ đun đàn hồi tương đối lớn làm lớp lõi cho kết cấu sandwich. Bê tông nhẹ sử dụng
cốt liệu nhẹ keramzit (BTN-K) là một vật liệu có những đặc điểm phù hợp với yêu cầu của
lớp lõi cho kết cấu sandwich chịu lực này. Keramzit là cốt liệu dạng hạt, có nguồn gốc từ
đất sét nở phồng, với hàm lượng lỗ rỗng trong hạt keramzit lớn là yếu tố chính làm giảm
trọng lượng của BTN-K. Ngoài ra, cường độ và độ cứng của hạt keramzit cũng khá lớn nên
BTN-K có cường độ cao [69], thậm chí với những cấp phối phù hợp có thể tạo ra BTN-K
có cường độ rất cao [2].
Với những đặc tính vượt trội của BTCLD và BTN-K, việc kết hợp BTCLD làm lớp vỏ
và BTN-K làm lớp lõi sẽ tạo ra một dạng kết cấu sandwich có khả năng chịu lực cao, trọng
lượng nhỏ, cách âm và cách nhiệt tốt. Hướng nghiên cứu này có tính khả thi và sẽ có tính
ứng dụng cao. Cho đến nay, kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K chưa được nghiên
cứu nhiều. Do đó, để hiện thực hố ý tưởng này, cần thực hiện các nghiên cứu cơ bản từ
quy mô vật liệu đến quy mô kết cấu, bao gồm ngun tắc cấu tạo, phương pháp tính tốn,
thiết kế cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K được sản xuất ở Việt Nam. Kết quả
nghiên cứu sẽ là cơ sở để từng bước triển khai áp dụng kết cấu sandwich bằng BTCLD và
BTN-K vào xây dựng cơng trình.
2. Mục đích nghiên cứu.

Với các vấn đề được đặt ra như trên, luận án này được thực hiện nhằm các mục tiêu sau:
 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 mơ hình tính tốn 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.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là 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 có cường độ chịu nén đến 60 MPa;
 BTN-K có cường độ chịu nén đến 20 MPa, khối lượng riêng khoảng 1300 kg/m3;
 Cốt lưới dệt từ sợi các bon có cường độ chịu kéo đến 3000 MPa.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án được nghiên cứu dựa trên ba phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết, nghiên
cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng số. Phần nghiên cứu lý thuyết được thực hiện
trên cơ sở tổng hợp, phân tích và kế thừa các nghiên cứu ở trong nước và nước ngoài về
BTCLD, BTN-K để đề xuất dạng kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. Luận án sẽ
xây dựng các mơ hình tính tốn cho kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K. Phần
nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong phịng thí nghiệm nhằm xác định một số ứng
xử chịu lực thực tế của vật liệu và kết cấu sử dụng BTCLD, BTN-K, qua đó, giúp cho
nghiên cứu lý thuyết có cơ sở phân tích q trình làm việc của kết cấu và đề ra các phương
pháp tính thích hợp. Nghiên cứu thực nghiệm cũng có vai trị kiểm nghiệm, đánh giá mức
độ chính xác của các mơ hình tính toán được đề xuất trong phần nghiên cứu lý thuyết. Phần

nghiên cứu mô phỏng số được xây dựng trên phần mềm phần tử hữu hạn để phân tích ứng
xử chịu lực của kết cấu sandwich.
5. Cấu trúc của luận án
- Phần mở đầu nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên
cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
- Chương 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu.
3


Chương 1 trình bày về tình hình nghiên cứu đã được thực hiện ở trong nước và nước
ngoài về kết cấu sandwich, vật liệu BTCLD, vật liệu BTN-K và ứng dụng các vật liệu này
trong kết cấu sandwich. Từ đó, hướng nghiên cứu được đề xuất và những nội dung cần
được giải quyết trong luận án này được làm rõ.
- Chương 2. Nghiên cứu đề xuất cấu tạo và xây dựng mơ hình xác định ứng xử chịu uốn
và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K.
Chương này trình bày việc đề xuất cấu tạo kết cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K
dạng panel sàn trong công trình xây dựng, làm việc một phương, và các mơ hình tính tốn
được xây dựng để xác định một số ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết cấu sandwich
bằng BTCLD và BTN-K.
- Chương 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.
Nội dung của chương 3 sẽ trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định một số
đặc tính cơ học chính của BTCLD, BTN-K bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu
kéo uốn, mô đun đàn hồi, ứng xử dính bám giữa cốt lưới dệt và bê tơng hạt mịn, giữa bê
tông hạt mịn và BTN-K.
Đồng thời, các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt của kết
cấu sandwich bằng BTCLD và BTN-K làm việc một phương cũng được thực hiện. Các kết
quả này sẽ được sử dụng để kiểm chứng lại các mơ hình tính tốn đã xây dựng ở nội dung
Chương 2.
- 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 trình bày việc nghiên cứu khảo sát các tham số như: cường độ của lớp lõi
BTN-K, chiều dày các lớp vật liệu của mặt cắt sandwich ảnh hưởng đến ứng xử chịu lực
của kết cấu sandwich.
Đồng thời, chương này cũng giới thiệu thiết kế một kết cấu sandwich bằng BTCLD và
BTN-K dạng panel đúc sẵn làm kết cấu sàn trong cơng trình xây dựng.
- Phần kết luận và kiến nghị
Trình bày các kết luận chính của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
4


6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học của luận án:
Luận án đã phát triển được một dạng kết cấu sandwich mới có cấu tạo lớp vỏ bằng
BTCLD và lớp lõi bằng BTN-K dạng panel đúc sẵn. Đây là kết cấu sandwich có khả năng
chịu lực cao và bền vững với môi trường.
Luận án đã xây dựng được một số mơ hình tính tốn sức kháng và quá trình hình thành
vết nứt cho kết cấu sandwich. Các mơ hình tính tốn này có xét đến sự làm việc đồng thời
giữa các lớp vật liệu khác nhau trong kết cấu.
Luận án đã cung cấp được một bộ dữ liệu thực nghiệm về ứng xử chịu lực kết cấu
sandwich có sử dụng BTCLD và BTN-K.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Các kết quả nghiên cứu ban đầu của luận án cho thấy tính hiệu quả khi kết hợp vật liệu
có khả năng chịu lực cao là BTCLD với vật liệu nhẹ là BTN-K trong kết cấu sandwich.
Kết cấu sandwich dạng này có khả năng chịu lực cao, bền vững với môi trường, trọng
lượng nhỏ. Kết cấu sử dụng loại sàn sandwich này có lợi thế đáng kể với kết cấu truyền
thống.
Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở triển khai kết cấu sandwich bằng BTCLD và
BTN-K ứng dụng cho kết cấu sàn trong cơng trình xây dựng.

5


CHƯƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Kết cấu sandwich và ứng dụng trong cơng trình xây dựng

1.1.1 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, đơi 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 khơng
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 địi 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 khơng 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 trị 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 khơng
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 thơng 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]

1.1.2 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 khơng 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 khơng 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 tốn theo lý thuyết của Timoshenko
[76].
Kết cấu sandwich liên hợp hồn tồn (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 hồn tồn 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 mơ 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 vng 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 mơ 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 mơ đun đàn hồi không cao và lớp lõi sử dụng vật liệu có mơ 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 mịn; bền vững với mơi trường; hồn
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 vng 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.

10