Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép bị cháy

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH TR NG I H C BÁCH KHOA T HOÀNG DUY H O NGHIÊN C U NG X U N C A D M BÊ TÔNG C T THÉP B CHÁY FLEXURAL BEHAVIOUR OF REINFORCED CONCRETE BEAMS EXPOSED TO FIRE Chuyên ngành: K thu t xây d ng Mã s : 8580201 LU N V N TH CăS TP H CHÍ MINH, tháng 07 n m 2022 CỌNG TRỊNH TR NGă C HOÀN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA I H C QU C GIA TP H Cán b h ng d n khoa h c: Cán b h ng d n: PGS.TS.ăCaoăV năVui CHÍ MINH Cán b ch m nh n xét 1: PGS TS Ơoă ìnhăNhơn Cán b ch m nh n xét 2: TS Liêu Xuân Quí Lu n v n th c s đ c b o v t i Tr ng i h c Bách Khoa, HQG Tp HCM, ngày 22 tháng 07 n m 2022 Thành ph n H i đ ng đánh giá Lu n v n th c s g m: TS Nguy n H ng Ânầầ - Ch t ch H i đ ng TS Nguy n Thái Bìnhầầ- Th kỦ PGS.ăTSă Ơoă ìnhăNhơnầ- y viên (Ph n bi n 1) TS Liêu Xuân Quíầầầ - y viên (Ph n bi n 2) TS Nguy nă ìnhăHùngầ - y viên CH T CH H I NG TR NG KHOA K THU T XÂY D NG C NG HÒA XÃ H I CH NGH AăVI T NAM I H C QU C GIA TP.HCM TR NGă I H C BÁCH KHOA c L p - T Do - H nh Phúc NHI M V LU N V N TH CăS H tên h c viên: T HOÀNG DUY H O Ngày, tháng, n m sinh: 23/07/1997 Chuyên ngành: K thu t xây d ng TÊN MSHV: 2070186 N i sinh: Qu ng Ngãi Mã s : 8580201 TÀI: Nghiên c u ng x u n c a d m bê tông c t thép b cháy (Flexural behaviour of reinforced concrete beams exposed to fire) I NHI M V VÀ N I DUNG: - Nghiên c u t ng quan tình hình nghiên c u th gi i vƠ n c v d m bê tông c t thép b cháy - Nghiên c u mô ph ng ng x u n d m bê tông c t thép b cháy b ng ph n m m SAFIR - Phân tích k t qu có đ cv ng x u n c a d m BTCT b cháy v i th i gian cháy khác - So sánh vƠ đánh giá ng x u n c a d m BTCT b cháy v i tr tông b o v khác đ ŕt nh ng k t lu n ng h p l p bê II NGÀY GIAO NHI M V : 14/02/2022 III NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 06/06/2022 IV H VÀ TÊN CÁN B H NG D N: PGS.TS.ăCaoăV năVui TP HCM, ngày 22 tháng 07 n m 2022 CÁN B H NG D N CH NHI M B (H tên ch ký) MỌNă ĨOăT O (H tên ch ký) PGS.TS.ăCaoăV năVui TR NG KHOA K THU T XÂY D NG (H tên ch ký) i L I C Mă N Lu n V n Th c S K thu t Xây d ng n m h th ng lu n cu i khóa nh m trang b cho h c viên cao h c kh n ng t nghiên c u, bi t cách gi i quy t nh ng v n đ c th đ t th c t xây d ng ó lƠ trách nhi m, ni m t hào k t qu sau nh ng ngày tháng mi t mài c a m i h c viên cao h c hoàn thành lu n v n nƠy, ngoƠi s c g ng n l c c a b n thân, h c viên đư nh n đ c s gíp đ h tr nhi u t t p th cá nhân H c viên xin ghi nh n bày t lòng bi t n đ n t p th cá nhơn đư dƠnh cho h c viên s giúp đ quỦ báu S ng h c a m i ng i lƠ đ ng l c đ h c viên hoàn thành lu n V n Th c S u tiên, h c viên xin bày t lòng bi t n sơu s c đ n th y PGS TS Cao V n Vui Th y đư đ a g i Ủ đ u tiên đ hình thành Ủ t ng c a đ tƠi c ng nh cách nh n đ nh đ́ng đ n nh ng v n đ nghiên c u cách ti p c n có hi u qu su t q trình làm Ti p đ n, h c viên xin chân thành c m n quỦ Th y Cô Khoa K Thu t Xây d ng, tr ng i h c Bách Khoa Tp.HCM đư truy n d y nh ng ki n th c quý báu cho h c viên, c ng lƠ nh ng ki n th c không th thi u đ ng nghiên c u khoa h c s nghi p c a h c viên sau Cu i cùng, h c viên xin c m n gia đình, b n bè đư ng h , h tr v v t ch t l n tinh th n đ h c viên có th hoàn thành t t Lu n V n Th c S nƠy Lu n v n Th c S đư đ c hoàn thành th i gian quy đ nh, nhiên không th tránh kh i nh ng thi u sót Kính mong q Th y Cơ ch d n góp ý thêm đ h c viên b sung ki n th c hoàn thi n b n thơn h n Xin trân tr ng c m n Tp HCM, ngày 22 tháng 07 n m 2022 T Hồng Duy H o ii TĨM T T LU NăV N H a ho n m t nh ng t i tr ng đ c bi t đ i v i k t c u cơng trình xây d ng Khi h a ho n x y ra, l a gây nh ng tác d ng b t l i cho k t c u bê tông c t thép (BTCT) C th , l a lƠm t ng bi n d ng làm gi m kh n ng ch u l c c a k t c u BTCT S thay đ i nƠy đ t đ n m t m c đ nƠo có th làm k t c u b phá ho i D m BTCT m t b ph n c a k t c u ch u tác đ ng tr c ti p c a l a, đó, l p bê tơng b o v có vai trị quan tr ng đ n nhi t đ c a c t thép ch u l c Lu n v n nƠy trình bày k t qu mô ph ng nh h BTCT b cháy đ tđ tiêu chu n ISO 834 đ ng c a l p bê tông b o v đ n đ võng c a d m c m c đích nƠy, d m BTCT b cháy v i nhi t đ cháy theo c phơn tích c nhi t đ ng th i Q trình phơn tích đ hi n b ng ph n m m SAFIR Ch ng trình mô ph ng đ d m 300 x 300 mm 250 x 400 mm, m i ti t di n đ c th c c th c hi n ti t di n c mô ph ng tr ng h p cháy lƠ: cháy m t (không xét nh h ng c a b n sàn), cháy m t (có xét nh h ng h p cháy nƠy đ ng c a b n sàn) cháy m t Các tr thay đ i v chi u dày l p bê tông b o v T có th v đ nhi t đ - chuy n v c a d m th ŕt đ ánh giá đ cđ c mô ph ng v i s ng cong quan h ng cong quan h nhi t đ - chuy n v , có c th i gian s p đ c a d m cháy Ngoài s phân b nhi t đ bên c u ki n c ng đ c đánh giá vƠ so sánh ki m ch ng K t qu phân tích cho th y r ng đ võng t ng g n nh n tính v i th i gian cháy giai đo n đ u vƠ sau tính phi n t ng nhanh cho đ n s p đ hoàn toàn Chi u dày l p b o v có vai trị quan tr ng đ i v i đ ng cong quan h đ võng th i gian cháy c a d m BTCT iii ABSTRACT Fire is one of the extreme loads acting on constructional structures When a fire occurs, fire causes negative effects on reinforced concrete (RC) structures Specifically, fire increases the deformation demand and reduces the load-carrying capacity of RC structures When these changes approach a certain extent, failure of structures occurs RC beams, a part of structures, is directly affected by fire, in which the concrete cover plays an important role in the temperature of steel reinforcement This thesis presents the simulation results on the effects of concrete cover thickness on the deflection of RC beams exposed to fire To achieve this aim, RC beams simultaneously subjected to loads and exposed to ISO 834 fire were analyzed The simulations were performed using SAFIR software The thesis presents a study on simulation of the reinforced concrete beams exposed to fire The simulation program is carried out on two beams with sections 300 x 300 mm and 250 x 400 mm, each section is simulated with fire cases: 3-sided fire (without considering the influence of floor slabs), 3-sided fire (with consideration of the influence of floor slabs) and 4sided fire These beams are simulated with the change of the thickness of concrete cover From there, the temperature-displacement curve of the beam can be represented Evaluating the temperature-displacement curve, it is possible to derive the collapse time of the beam in fire In addition, the temperature distribution inside the structure is also evaluated and compared The analytical results show that the deflection increases almost linearly with the fire time in the first stage and then the nonlinearity increases rapidly until complete collapse The thickness of concrete cover plays an important role on the relationship between the deflection and the fire time of RC beams iv L IăCAMă OAN Tôi xin cam đoan bƠi lƠm tơi th c hi n d PGS TS Cao V n Vui is h Các k t qu bƠi lƠm lƠ đ́ng theo tính tốn vƠ ch a đ nghiên c u khác ng d n c a Th y c công b Tôi xin ch u trách nhi m v lu n v n th c hi n H c viên cao h c T Hoàng Duy H o v M CL C L I C M N i TÓM T T .ii ABSTRACT iii L I CAM OAN iv M C L C v DANH M C CÁC B NG BI U .viii DANH M C CÁC HÌNH NH ix DANH SÁCH CÁC KÝ HI U VÀ VI T T T xiii CH NG M U 1.1 Lý th c hi n đ tài 1.2 M c đích nghiên c u 1.3 it ng ph m vi nghiên c u 1.4 ụ ngh a nghiên c u 1.5 C u trúc lu n v n CH NG T NG QUAN 2.1 Gi i thi u chung 2.2 T ng quan tình hình nghiên c u th gi i vƠ n 2.2.1 n 2.2.2 n c c c 15 2.3 T ng k t 18 CH NG C S LÝ THUY T 19 3.1 Nguyên t c thi t k c u ki n bê tông c t thép ch u l a theo EN 1992-1-2 [1] 19 3.1.1 Gi i thi u chung v phân tích k t c u u ki n cháy 19 3.1.2 S phát tri n nhi t đ bu ng cháy 19 vi 3.1.3 S truy n nhi t k t c u 20 3.1.4 ng gia nhi t tiêu chu n 21 3.1.5 T h p h qu c a tác đ ng ch u l a 23 3.1.6 Kh n ng ch u l a nguyên t c ki m tr kh n ng ch u l c 24 3.2 Quan h - c a bê tông thép nhi t đ t ng cao 24 3.2.1 V t li u c t thép 25 3.2.2 V t li u bê tông 28 3.3 S phân b nhi t đ d m BTCT 31 3.4 Các ph ng pháp tính tốn 32 3.4.1 Ph ng pháp tra b ng tính tốn d m BTCT 3.4.2 Ph ng pháp đ nhi t đ cao 33 ng đ ng nhi t 500oC tính tốn d m BTCT nhi t đ cao 35 3.5 T ng quan v ph n m m SAFIR 37 CH NG PHÂN TÍCH S 39 4.1 Phân tích nhi t 39 4.1.1 Tính tốn c t thép d m 39 4.1.2 Mô t d m BTCT ti t di n 300 x 300 mm 42 4.1.3 Trình t mô ph ng b ng ph n m m 43 4.1.4 S li u đ u vƠo 43 4.1.5 K t qu mô ph ng 48 4.2 Phơn tích đ võng d m 300 x 300 mm cháy 51 4.2.1 Tr ng h p d m cháy m t (không xét b n sàn) 51 4.2.2 Tr ng h p d m cháy m t (có xét b n sàn) 54 4.2.3 Tr ng h p d m cháy m t 56 83 DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH KHOA H C Bài báo t păchíătrongăn c T H D H o, N N V and C V Vui, ắ nh h ng c a chi u dày l p bê tông b o v đ n đ võng c a d m bê tông c t thép b cháy.” Sci Tech Dev J - Eng Tech., vol 5, no 2, pp 1549-1557, 2022 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 TÀI LI U THAM KH O [1] CEN (European Committee for Standardization), ắEurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-2: General rules -Structural fire design,” British Standards Institution, Brussels, EN 1992-1-2, 2004 [2] B Xơy d ng, ắQuy chu n k thu t qu c gia v an toƠn cháy cho nhƠ vƠ cơng trình,” HƠ N i, QCVN 06:2021/BXD, 2021 [3] J.-C Dotreppe and J.-M Franssen, ắThe use of numerical models for the fire analysis of reinforced concrete and composite structures,” Engineering Analysis, vol 2, no 2, pp 67ậ74, 1985 [4] M M El-Hawary, A M Ragabs, A Abd El-Azim, and S Elibiarif, ắEffect of fire on flexural behaviour of RC beams,” Constr Build Mater, vol 10, no 2, pp 147ậ150, 1996 [5] I M El-Hawary, A M Ragabs, A Abd El-Azim, and S Elibiarif, ắEffect of Fire on Shear Behaviour of RC Beams,” Comput Struct, vol 65, no 2, pp 281ậ287, 1997 [6] S B Desai, ắDesign of reinforced concrete beams under fire exposure conditions,” Magazine of Concrete Research, vol 1, pp 75ậ83, 1998 [7] M B Dwaikat and V K R Kodur, ắResponse of Restrained Concrete Beams under Design Fire Exposure,” J Struct Eng, vol 1, pp 1408ậ1417, 2009, doi: 10.1061/ASCEST.1943-541X.0000058 [8] R A Hawileh, ắHeat Transfer Analysis of Reinforced Concrete Beams Reinforced with GFRP Bars.”, Convection and Conduction Heat Transfer, vol.1, pp 299-313, 2011 [9] C D Eamon and E Jensen, ắReliability Analysis of RC Beams Exposed to Fire,” Journal of Structural Engineering, vol 139, no 2, pp 212ậ220, Feb 2013, doi: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0000614 94 [10] L Han, Q Tan, and T Song, ắFire Performance of Steel Reinforced Concrete (SRC) Structures,” Procedia Eng, vol 62, pp 46ậ55, Jan 2013, doi: 10.1016/J.PROENG.2013.08.043 [11] R G Nair and S Mariya Gomez, ắNumerical Analysis on Fire Resistance of Prestressed Concrete T-beam,” IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, vol 1, pp 66ậ73, 2014 [12] T Gernay and J M Franssen, ắA plastic-damage model for concrete in fire: Applications in structural fire engineering,” Fire Saf J, vol 71, pp 268ậ278, 2015, doi: 10.1016/j.firesaf.2014.11.028 [13] W Y Gao, J G Teng, and J G Dai, ắFire resistance of RC beams under design fire exposure,” Magazine of Concrete Research, vol 69, no 8, pp 402ậ423, Apr 2017, doi: 10.1680/jmacr.15.00329 [14] Y Song, C Fu, S Liang, A Yin, and L Dang, ắFire Resistance Investigation of Simple Supported RC Beams with Varying Reinforcement Configurations,” Advances in Civil Engineering, vol 5, 2019, doi: 10.1155/2019/8625360 [15] C Thongchom and A Lenwari, ắEffect of Sustained Service Loading on Post-Fire Flexural Response of Reinforced Concrete T-Beams,” ACI Struct J, vol 116, no 3, pp 243ậ254, 2019 [16] A H Akca and N Özyurt, ắPost-fire mechanical behavior and recovery of structural reinforced concrete beams,” Constr Build Mater, vol 253, Aug 2020, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119188 [17] F Tariq, M Gaikwad, and P Bhargava, ắAnalysis of behaviour of corroded RC beams exposed to elevated temperatures,” Journal of Building Engineering, vol 42, p 102508, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102508 [18] M Esfahani, M Hoseinzade, M Shakiba, F Arbab, M Yekrangnia, and G Pachideh, ắExperimental investigation of residual flexural capacity of 95 damaged reinforced concrete beams exposed to elevated temperatures,” Eng Struct, vol 240, Aug 2021, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112388 [19] C Liu, X Lu, G Ba, H Liu, and J Miao, ắInfluence of Loading Conditions on the Residual Flexural Capacity of Reinforced Concrete T-beams after Fire Exposure,” KSCE Journal of Civil Engineering, vol 25, no 12, pp 4710ậ 4723, 2021, doi: 10.1007/s12205-021-1924-6 [20] A Sharma, J Boởnjak, and M Tonidis, ắPost-fire performance of RC beams with critical lap splices ậ Experimental investigation and numerical validation,” Journal of Building Engineering, vol 34, Feb 2021, doi: 10.1016/j.jobe.2020.102045 [21] M Tonidis, J Boởnjak, and A Sharma, ắPost-fire performance of RC beams with critical lap splices ậ Numerical parametric study,” Journal of Building Engineering, vol 44, Dec 2021, doi: 10.1016/j.jobe.2021.102637 [22] B A Gedam, ắFire resistance design method for reinforced concrete beams to evaluate fire-resistance rating,” Structures, vol 33, pp 855ậ877, Oct 2021, doi: 10.1016/j.istruc.2021.04.046 [23] Q X Le, J L Torero, and V T N Dao, ắStressậstrainậtemperature relationship for concrete,” Fire Saf J, vol 120, p 103126, Mar 2021, doi: 10.1016/J.FIRESAF.2020.103126 [24] N C D ng and H A Giang, ắKh o sát đánh giá h h ng b ph n k t c u nhƠ bê tông c t th́p ch u tác đ ng c a l a,” T p chí KHCN Xây d ng, vol 4, pp 11ậ18, 2010 [25] N T Th ng and N T Ninh, ắBi u đ t ng tác c a c t bê tông c t th́p nhi t đ cao theo tiêu chu n Chơu Ểu EC2,” T p Chí Khoa H c Công Ngh Xây D ng, vol 28, pp 55ậ61, 2016 [26] H A Giang, ắD m Bê Tông C t Th́p Ch u Tác ng C a L a-L a Ch n Ph n T Cho Mô Hình Nhi t H c Trong Ansys,” T p chí KHCN Xây d ng, vol 4, pp 9ậ17, 2017 96 [27] N T Th ng and N T Trung, ắKh o sát s suy gi m kh n ng kháng u n cháy c a d m bê tông c t th́p theo tiêu chu n chơu Ểu,” T p chí Khoa h c Cơng ngh Xây d ng (KHCNXD) - HXD, vol 13, no 4V, pp 22ậ34, Sep 2019, doi: 10.31814/stce.nuce2019-13(4v)-03 [28] N T Trung, D V Hai, and P M Ph sƠn bê tông c t th́p b ng ph ng, ắ ánh giá kh n ng ch u l a c a ng pháp đ n gi n theo tiêu chu n EN 1992-1-2,” T p chí Khoa h c Cơng ngh Xây d ng (KHCNXD) - HXD, vol 13, no 2V, pp 41ậ52, May 2019, doi: 10.31814/stce.nuce2019-13(2v)-05 [29] K T ToƠn and V C ThƠnh, ắTính tốn kh n ng ch u l a c a c t bê tông c t th́p theo tiêu chu n EN 1992-1-2,” T p Chí V t Li u & Xây D ng, vol 3, pp 56ậ61, 2021 [30] T Q Vinh, ắPhơn tích k t c u liên h p th́p - bê tông u ki n cháy có x́t đ n trình t ng nhi t vƠ gi m nhi t”, Lu n án ti n s , Tr ng ih c Ki n Tŕc HƠ N i, HƠ N i, 2018 [31] ASTM International, ắFire-resistance tests ậ Elements of building construction Part,” Geneva, ISO 834:2014, 2014 [32] ASTM International, ắStandard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials,” West Conshohocken, ASTM E119, 2020 [33] J Marc Franssen and T Gernay, ắModeling structures in fire with SAFIR®: Theoretical background and capabilities,” Journal of Structural Fire Engineering, vol 8, no pp 300ậ323, 2020 97 LÝ L CH TRÍCH NGANG H tên: T HOÀNG DUY H O NgƠy tháng n m sinh: 23/07/1997 a ch liên l c: T 11, Ph N i sinh: Qu ng Ngãi ng Ngh a Chánh, TP Qu ng Ngãi, T nh Qu ng Ngãi QUÁ TRỊNHă ĨOăT O 2015 ậ 2019: K s xơy d ng, chuyên ngành k thu t công trình xây d ng, Tr ng i h c Bách Khoa TP HCM 2020 ậ 2022: H c viên cao h c, chuyên ngành k thu t xây d ng, Tr Bách Khoa TP HCM ng ih c ... n c v d m bê tông c t thép b cháy - Nghiên c u mô ph ng ng x u n d m bê tông c t thép b cháy b ng ph n m m SAFIR - Phân tích k t qu có đ cv ng x u n c a d m BTCT b cháy v i th i gian cháy khác... th ch ng ph m vi nghiên c u NgoƠi ph c u c ng đ Ch c trình bày ch ng pháp nghiên c u vƠ Ủ ngh a nghiên ng ng gi i thi u t ng quan tình hình nghiên c u k t c u bê tông c t thép b cháy t i cơng trình... l p bê tông b o v , hƠm l ng ng c a m t s thông s quan tr ng ng c t thép th i gian cháy đ qu cho th y t ng chi u dày l p bê tông b o v vƠ hƠm l c kh o sát K t ng c t thép kh n ng ch u l c cháy