Phân tích và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu lửa (tt)

Xác định giá trị nhỏ nhất của chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính từ mặt đáy đến trục cốt thép của các bản sàn để đảm bảo khả năng chịu lửa tiêu chuẩn R 30 đến R 240 được cho trong Bảng 2.

PHAN N

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHAN NHẬT KHẢI

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU LỬA

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Xây Dựng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phan Nhật Khải

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU LỬA

Tóm tắt – Kết cấu bê tông cốt thép là một trong những kết cấu được sử dụng phổ biến

nhất hiện nay Với nhu cầu xây dựng ngày càng cao, ngành xây dựng đã phát triển không ngừng để phục vụ các yêu cầu cấp thiết của những ngành công nghiệp khác, trong đó thiết kế chống cháy là một phần quan trọng của quá trình thiết kế kết cấu bê tông cốt thép Nghiên cứu này trình bày các quy trình tính toán khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản (sàn, dầm, cột) và thực hiện các ví dụ tính toán theo các phương pháp khác nhau của các tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE 29-05, NZS-3101, National Building Code of Canada 2010 Các kết quả tính toán theo các tiêu chuẩn cũng được so sánh và đánh giá

Từ khóa: bê tông cốt thép, sàn , dầm, cột, khả năng chiu lửa

FIRE DESIGN METHODS FOR REINFORCED CONCRETE STRUCTURES Abstract – Reinforced concrete structure is one of the most popular structures today

With the increasing demand for construction, the construction industry has developed constantly to serve the urgent requirements of other industries, in which fire design is

an important part of reinforced concrete structure design process This study presented the procedures for calculating the fire resistance of basic reinforced concrete members (floors, beams, columns) and performed calculation examples using various fire design methods according to Eurocode EN 1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE 29-05, NZS-3101, National Building Code of Canada 2010 The calculated results using these building codes were also compared and evaluated

Keywords: reinforced concrete, slab, beam, column, fire resistance

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài 8

2 Mục tiêu nghiên cứu 8

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8

4 Phương pháp nghiên cứu 9

5 Bố cục của luận văn 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI CHỊU LỬA 10

1.1 Tính chất cơ lý của vật liệu khi chịu nhiệt độ 10

1.1.1 Tính năng cơ lý của bê tông 10

1.1.2 Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt độ tăng cao 14

1.2 Tình hình nghiên cứu 17

1.3 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN 19

2.1 Phương pháp tra bảng 19

2.1.1 Sàn 19

2.1.1.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) 19

2.1.1.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05 21

2.1.1.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101 21

2.1.1.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada 22

2.1.2 Dầm 23

2.1.2.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) 23

2.1.2.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05 24

2.1.2.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101 25

2.1.2.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada 26

2.1.3 Cột 26

2.1.3.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) 26

2.1.3.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05 28

2.1.3.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101 28

2.1.3.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada 29

2.1.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp tra bảng 30

2.2 Phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) 31

2.2.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng 31

2.2.2 Quy trình thiết kế tiết diện bê tông cốt thép chịu tác động uốn nén 31

2.2.3 Các đường đẳng nhiệt áp dụng cho các cấu kiện 35

2.2.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C 38

2.3 Phương pháp phân lớp theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) 39

2.3.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng 39

2.3.2 Quy trình thiết kế 39

2.3.3 Sơ đồ thuật toán phương pháp phân lớp 43

2.4 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CƠ BẢN 45

3.1 Ví dụ tính toán khả năng chịu lửa của cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản 45

3.2 So sánh kết quả giữa các tiêu chuẩn: 51

3.3 Kết luận chương 3: 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho các bản loại dầm và bản hai phương bằng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước

19

Bảng 2.2 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho bản đặc, phẳng, bằng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước 19

Bảng 2.3 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho bản có sườn bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng lực trước làm việc hai phương với gối tựa đơn giản 20

Bảng 2.4 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho bản có sườn bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng lực trước làm việc hai phương với ít nhất 1 cạnh bị cản giữ 20

Bảng 2.5 Khả năng kháng lửa của sàn bê tông cốt thép 21

Bảng 2.6 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cho sàn bê tông cốt thép 21

Bảng 2.7 Khả năng chịu lửa của sàn đặc và sàn hộp 22

Bảng 2.8 Khả năng chịu lửa của sàn phẳng 22

Bảng 2.9 Khả năng chịu lửa của sàn sườn 22

Bảng 2.10 Độ dày tối thiểu của sàn bê tông (mm) 23

Bảng 2.11 Lớp bảo vệ bê tông tối thiểu trên cốt thép trong sàn bê tông, mm 23

Bảng 2.12 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho các dầm đơn giản bằng bê tông cốt thép và ứng lực trước 23

Bảng 2.13 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho các dầm đơn giản bằng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước 24

Bảng 2.14 Tăng bề rộng và chiều dày sườn của dầm bê tông cốt thép và dầm BT ứng lực trước tiết diện chữ I đối với các điều kiện nêu trong 5.6.3(6) (EN 1992 1:2) 24

Bảng 2.15 Kích thước lớp bê tông bảo vệ tối thiểu cho dầm bê tông cốt thép 25

Bảng 2.16 Khả năng chịu lửa của dầm đơn giản 25

Bảng 2.17 Khả năng chịu lửa của dầm liên tục 26

Bảng 2.18 Bề dày tối thiểu cho dầm (mm) 26

Bảng 2.19 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho tiết diện chữ nhật và tiết diện tròn 27

Bảng 2.20 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho cột bê tông cốt thép có tiết diện chữ nhất hoặc tròn 27

Bảng 2.21 Kích thước tối thiểu cột bê tông cốt thép 28

Bảng 2.22 Khả năng chịu lửa đối với cột 29

Bảng 2.23 Giá trị của hệ số f (1) 30 Bảng 2.24 Bề rộng nhỏ nhất của tiết diện là hàm số của khả năng chịu lửa (áp dụng cho đám cháy tiêu chuẩn) và của mật độ tải trọng cháy (áp dụng cho tác động của đám cháy tham số)31

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Độ giản nở dài của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13] 10

Hình 1.2 Độ giản nở của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13] 11

Hình 1.3 Nhiệt dung riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13] 12

Hình 1.4 Tính dẫn nhiệt của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13] 12

Hình 1.5 Khối lượng riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13] 13

Hình 1.6 Mối quan hệ ứng suất – biến dạng khi nhiệt độ khác nhau [13] 13

Hình 1.7 Độ giản nở dài của thép khi nhiệt độ tăng cao [13] 14

Hình 1.8 Độ giản nở của thép khi nhiệt độ tăng cao [13] 15

Hình 1.9 Nhiệt dung riêng của thép khi nhiệt độ tăng cao [13] 15

Hình 1.10 Tính dẫn nhiệt của thép khi nhiệt độ cao [13] 16

Hình 1.11 Đường cong ứng suất (Stress) – biến dạng (Strain) khi nhiệt độ tăng cao với cường độ thép 350MPa [13] 16

Hình 2.1 Sơ đồ thuật toán phương pháp tra bảng 30

Hình 2.2 Tiết diện giảm yếu của dầm và cột bê tông cốt thép 32

Hình 2.3 Phân bố ứng suất ở trạng thái giới hạn độ bền áp dụng cho tiết diện bê tông hình chữ nhật có cốt thép chịu nén 33

Hình 2.4 Các đường đẳng nhiệt áp dụng cho sàn ( chiều dày h = 200), khả năng chịu lửa R30 đến R240 35

Hình 2.5 Các đường đẳng nhiệt (ºC) áp dụng cho dầm, h x b = 150 x 80 – R30 36

Hình 2.6 Các đường đẳng nhiệt (ºC) áp dụng cho dầm, h x b = 300 x 60 36

Hình 2.7 Các đường đẳng nhiệt (ºC) áp dụng cho cột, h x b = 300 x 300 – R30 37

Hình 2.8 Các đường đẳng nhiệt (ºC) áp dụng cho cột, h x b = 300 x 300 – R60 37

Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán phương pháp đường đẳng nhiệt 38

Hình 2.10 Sự giảm cường độ và tiết diện áp dụng cho các mặt cắt khác nhau 40

Hình 2.11 Phân chia tường có hai mặt chịu tác động của lửa thành các lớp để dùng cho việc tính toán sự giảm cường độ và các giá trị az 40

Hình 2.12 Sự giảm tiết diện và cường độ bê tông dự kiến khi chịu tác động của lửa theo quan hệ Nhiệt độ - Thời gian tiêu chuẩn 41

Hình 2.13 Sơ đồ thuật toán phương pháp phân lớp 43

Hình 3.1 Bảng so sánh kết quả ứng với c=25mm 51

Hình 3.2 Bảng so sánh kết quả ứng với c=30mm 52

Hình 3.3 Bảng so sánh kết quả ứng với c=35mm 52

Hình 3.4 Bảng so sánh kết quả ứng với c=25mm, b=300 54

Hình 3.5 Bảng so sánh kết quả ứng với c=30mm, b=300 54

Hình 3.6 Bảng so sánh kết quả ứng với c=35mm, b=300 55

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kết cấu Bê tông cốt thép (BTCT) là một trong những kết cấu được sử dụng rộng rải, phổ biến nhất hiện nay Cùng với sự phát triển vượt bậc của các ngành khoa học hiện đại, ngành xây dựng cũng phát triển không ngừng để phục vụ các yêu cầu cấp thiết của những ngành công nghiệp khác Trong đó một yêu cầu hết sức được quan tâm

là thiết kế kết cấu công trình khi xảy ra hỏa hoạn Bởi vì khi cháy, nhiệt độ tăng cao sẽ làm cho kết cấu phá hủy đổ sập, gây những thiệt hại to lớn về người và tài sản Do đó ngoài những biện pháp phòng chống cứu hỏa, thì vấn đề nghiên cứu thiết kế kết cấu công trình đảm bảo độ bền, sức chịu tải khi xảy ra cháy là một chủ đề nghiên cứu đóng vai trò rất quan trọng và cấp thiết

Hiện nay, nhiều tiêu chuẩn thiết kế kết cấu công trình ở Việt Nam cũng như các quốc gia trên thế giới có đề cập đến yếu tố đảm bảo an toàn kết cấu khi xảy ra cháy, tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành điều có những hạn chế nhất định khi áp dụng tính toán QCVN 03:2012/BXD và QCVN 06:2021/BXD mới chỉ đề cập đến quy định bậc chịu lửa của công trình, an toàn cháy cho công trình qua các yêu cầu về tính chất vật liệu và cấu tạo kết cấu công trình nhằm ngăn ngừa cháy, hạn chế lan truyền, đảm bảo dập tắt đám cháy, ngăn chặn các yêu tố nguy hiểm đến con người và thiệt hại về tài sản và công trình Các quy chuẩn và tiêu chuẩn trong nước chưa đề cập đến các phương pháp xác định khả năng chịu lực của cấu kiện bê tông cốt thép (sàn, dầm, cột) khi công trình chịu lửa Do đó đề tài “Phân tích và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu lửa” được thực hiện để đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản theo một số tiêu chuẩn nước ngoài

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép khi chịu lửa

Đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản theo các tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE 29-05, NZS-3101, National Building Code of Canada 2010

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Khả năng chịu lửa của các cấu kiện chịu lực cơ bản của kết cấu bê tông cốt thép (sàn, dầm, cột)

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Theo các tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE 29-05,

NZS-3101, National Building Code of Canada 2010

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, tính toán khả năng chịu lửa của các cấu kiện chịu lực cơ bản bằng BTCT theo các tiêu chuẩn

5 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm phần: Mở đầu, 03 Chương và phần Kết luận, kiến nghị

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Bố cục của luận văn

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Chương 1: Tổng Quan Về Sự Làm Việc Của Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép Khi Chịu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI CHỊU LỬA

1.1 Tính chất cơ lý của vật liệu khi chịu nhiệt độ

1.1.1 Tính năng cơ lý của bê tông

Về tính chất cơ học và nhiệt học của vật liệu bê tông đã có nhiều nghiên cứu trước đâycông bố kết quả như [7], [8], [13], [15] Dựa vào các nghiên cứu đó, các mô hình ứng xử của vật liệu đã được đề xuất dưới dạng các công thức để phục vụ cho việc

mô phỏng số bằng các phần mềm

a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của bê tông do nhiệt

Độ giãn nở dài hay còn được gọi là giãn nở tuyến tính có nghĩa là sự thay đổi theo độ dài dọc theo một chiều của lõi bê tông, khác với giãn nở thể tích Sự thay đổi chiều dài của cấu kiện do giãn nở nhiệt, liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ theo hệ số giản nở tuyến tính

Độ giãn nở dài vì nhiệt của bê tông được ký hiệu là (Δl/l)c, cách xác định độ giản dài nhiệt của bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode 2 (EC2) [15] Giá trị phụ thuộc vào ngưỡng nhiệt độ xác định

- Đối với cốt liệu Silic:

trong đó: l là chiều dài, giá trị này được xác định ở nhiệt độ 20°C;

Δl là nhiệt độ gây ra sự kéo dài của thành phần bê tông;

θc là nhiệt độ bê tông [ºC]

Sau khi tính toán hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ tăng, đường cong thể hiện mối quan hệ độ giãn nở dài với nhiệt độ được thể hiện như Hình 1.1

Hình 1.1 Độ giản nở dài của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13]

b) Hệ số giãn nở vì nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu bê tông

Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (αc) được định nghĩa là một đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi kích thước của nó khi có sự thay đổi nhiệt độ Hệ số giãn nở nhiệt của

bê tông phụ thuộc vào cấp phối của bê tông, vào tính chất của cốt liệu và chất kết dính Xác định hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xác định theo công thức:

trong đó: θc là nhiệt độ của bê tông [ºC]

Sau khi tính toán hệ số giãn nở của bê tông theo nhiệt độ, đường cong thể hiện mối quan hệ giữa hệ số giản nở bê tông với nhiệt độ như biểu đồ Hình 1.2

Hình 1.2 Độ giản nở của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13]

Dựa vào Hình 1.2, ta có nhận xét như sau: Hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông (αc) tăng theo nhiệt độ Khi nhiệt độ đạt 700ºC, có hiện tượng chuyển pha từ tăng hệ số giãn nở sang giảm hệ số giãn nở

c) Nhiệt dung riêng (Specific Heat) của vật liệu bê tông

Nhiệt dung riêng cp (θc ) của bê tông (với độ ẩm vật liệu 0%), theo tiêu chuẩn EC2 [15], nhiệt dung riêng của bê tông được xác định như sau:

cp(θc) = 900+(θc - 100) [J/kg K] từ nhiệt độ 100ºC ≤ θc ≤ 200ºC (1.7) cp(θc) = 1000+(θc - 200)/2 [J/kg K] từ nhiệt độ 200ºC ≤ θc ≤ 400ºC (1.8)

trong đó: θc là nhiệt độ bê tông [ºC]

Nếu độ ẩm (Moisture) không được xem xét rõ ràng trong phương pháp tính toán, các phương trình trước đó cần được sửa đổi bằng cách thêm giá trị ở mức tối đa nằm ở Cp.peak giữa nhiệt độ 100ºC và 115ºC với mức giảm tuyến tính giữa nhiệt độ 115ºC và 200ºC Giá trị này tỷ lệ với giá trị độ ẩm bằng:

Cp.peak = 900 J/kg K cho độ ẩm 0% của trọng lượng bê tông

Cp.peak =1470 J/kg K cho độ ẩm 1.5% của trọng lượng bê tông Cp.peak=2020 J/kg K cho độ ẩm 3.0% của trọng lượng bê tông

Sau khi sử dụng những công thức (1.7), (1.8), (1.9) mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện ở Hình 1.3

Hình 1.3 Nhiệt dung riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13]

Cần lưu ý rằng, theo tiêu chuẩn EC4 [17], khi độ ẩm 10% giá trị Cp.peak =5600 J/kgK

d) Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductiviy) vật liệu bê tông

Tính dẫn nhiệt (λc) của bê tông, theo tiêu chuẩn EC2 [15], được xác định bởi giới hạn dưới và giới hạn trên bởi phương trình sau:

- Giới hạn trên (Upper Limit)

λc =2-0.2451(θc/100)+0.0107 (θc/100)2 [W/mK] từ 20ºC ≤ θc ≤ 1200ºC (1.10)

- Giới hạn dưới (Lower Limit)

λc =1.36-0.136(θc/100)+0.0057(θc/100)2 [W/m K] từ 20ºC ≤ θc ≤ 1200ºC (1.11) trong đó: θc là nhiệt độ bê tông [ºC]

Sau khi sử dụng các công thức tính toán (1.10), (1.11) quan hệ đường cong giữa nhiệt độ và tính dẫn nhiệt của bê tông được thể hiện như Hình 1.4

Hình 1.4 Tính dẫn nhiệt của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13]

e) Khối lượng riêng (Density) của bê tông

Khối lượng riêng (ρ) của bê tông sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, vì khi nhiệt độ tăng, lượng nước trong bê tông sẽ bị suy giảm Theo tiêu chuẩn EC2 [15] thì khối lượng riêng của bê tông được xác định theo công thức sau:

ρc = ρ(20ºC) (0.98 - 0.03(θc - 200)/200) từ 200ºC ≤ θc ≤ 400ºC (1.14)

ρc = ρ(20ºC) (0.95 - 0.07(θc - 400)/800) từ 400ºC ≤ θc ≤ 1200ºC (1.15) trong đó: θc là nhiệt độ của bê tông [ºC], và ρ(20ºC) = 2300kg/m3

Sau khi tính toán theo phương trình trên, đường cong giữa nhiệt độ và khối lượng riêng của bê tông được thể hiện như Hình 1.5

Hình 1.5 Khối lượng riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [13]

f) Cường độ của bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt độ tăng

Khi nhiệt độ tăng cao làm cho cường độ bê tông sẽ suy giảm Mối quan hệ ứng suất (Stress) - biến dạng (Strain) của bê tông có sự biến đổi khác nhau khi thay đổi nhiệt độ, được xác định trong tiêu chuẩn EC2 [15] Đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông có sự thay đổi đáng kể so với biểu đồ của cốt thép (Hình 1.6)

Hình 1.6 Mối quan hệ ứng suất – biến dạng khi nhiệt độ khác nhau [13]

Tất cả các đường cong này đều đạt cường độ chịu nén cao hơn giới hạn đàn hồi hiệu quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi xuống Trong trường hợp này, khả năng chịu kéo của bê tông cũng xem như bằng không

1.1.2 Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt độ tăng cao

Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt tăng cao được xác định theo tiêu chuẩn EC3 [16] và tiêu chuẩn EC4 [17] Cho đến nay có một số nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề này [7], [8], [13], [16], [17]

a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của thép vì nhiệt

Độ giãn nở dài của thép (Δl/l)a, theo tiêu chuẩn EC3 [16] được tính toán theo công thức sau:

(Δl/l)a = -1.2x10-5 + 0.4x10-8θ2 + 2.416x10-4 từ 20ºC ≤ θa ≤750ºC (1.16)

trong đó: θa là nhiệt độ của thép [ºC]

Sau khi sử dụng các công thức (1.16), (1.17), (1.18), quan hệ đường cong giữa nhiệt độ và độ giãn nở dài của thép được thể hiện như Hình 1.7

Hình 1.7 Độ giản nở dài của thép khi nhiệt độ tăng cao [13]

b) Hệ số giãn nở nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu thép

Hệ số giãn nở vì nhiệt (αa) tăng theo nhiệt độ Ở nhiệt độ phòng, αt thường là 12x10-6 /ºC, ở nhiệt độ 200-600ºC, là 14x10-6/ºC Ở nhiệt độ lên đến 730ºC, vật liệu thép chịu một sự đổi pha, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc tinh thể, vật liệu trở nên đặc chắc hơn và sự giãn nở trong quá trình hấp thụ năng lượng tạm thời dừng lại

Xác định hệ số giãn nở nhiệt của thép (αa) theo công thức:

( / ) ( ) 20

Sau khi tính toán hệ số giãn nở của thép theo nhiệt độ, đường cong thể hiện mối quan hệ hệ số giản nở thép với nhiệt độ như biểu đồ (Hình 1.8)

Hình 1.8 Độ giản nở của thép khi nhiệt độ tăng cao [13]

c) Nhiệt dung riêng (Specific Heat) của vật liệu thép

Nhiệt dung riêng của thép ca (θa là nhiệt lượng lưu giữ trong một đơn vị khối lượng của thép để tăng 1ºC hay 1K Vật liệu có nhiệt dung riêng càng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ (tăng lên để vật liệu hấp thụ một năng lượng nhiệt cho trước hoặc giảm đi

để tỏa ra một lượng nhiệt cho trước) càng nhỏ Theo tiêu chuẩn EC3 [16], nhiệt dung riêng của thép được xác định như sau:

ca = 425+7.73x10-1θa–1.69x10-3θa +2.22x10-6 θa [J/kgK] (1.20)

từ 20ºC ≤ θa ≤ 600ºC

a

a13002

Sau khi sử dụng những công thức (1.20), (1.21), (1.22) để tính toán, mối quan

hệ giữa nhiệt dung riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện như Hình 1.9

Hình 1.9 Nhiệt dung riêng của thép khi nhiệt độ tăng cao [13]

d) Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductiviy) vật liệu thép

Tính dẫn nhiệt (λa) được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích tiết diện ngang của vật liệu trong một đơn vị thời gian tương ứng với một đơn vị nhiệt (tức là 1ºC hoặc 1K thay đổi trên một đơn vị chiều dài) Thông số này ít quan trọng hơn đối với thép so với các vật liệu bảo vệ bởi tính dẫn nhiệt của thép rất lớn, lớn hơn 50 lần so với bê tông và 500 lần so với xi măng khoáng (một loại vật liệu bảo

vệ điển hình) Tính dẫn nhiệt của thép cũng biến thiên theo nhiệt độ, theo tiêu chuẩn EC3 [16], được xác định bởi phương trình sau:

trong đó: θa là nhiệt độ bê tông [ºC]

Sau khi sử dụng các phương trình trên, đường cong giữa nhiệt độ và tính dẫn nhiệt của thép được vẽ thể hiện Hình 1.10

Hình 1.10 Tính dẫn nhiệt của thép khi nhiệt độ cao [13]

e) Khối lượng riêng (Density) của thép

Khối lượng riêng của thép (ρa) Theo tiêu chuẩn EC4 [17] thì giá trị khối lượng riêng của thép là 7850 kg/m3

f) Cường độ của thép khi chịu nhiệt độ tăng

Cường độ, độ cứng của thép sẽ thay đổi khi nhiệt độ tăng cao Khi nhiệt độ đạt đến 300ºC cường độ của thép bắt đầu suy giảm và khi nhiệt độ tăng đến 600ºC thì cường độ kết cấu thép đạt 40% so với cường độ ban đầu ở nhiệt độ thường Với cường

độ chịu kéo của cốt thép đạt 350 MPa thì quan hệ ứng suất (Stress) - biến dạng (Strain) của vật thép khi nhiệt độ tăng cao được thể hiện như Hình 1.11

Hình 1.11 Đường cong ứng suất (Stress) – biến dạng (Strain) khi nhiệt độ tăng cao với cường độ thép 350MPa [13]

Đề tài nghiên cứu của TS Nguyễn Cao Dương, Ths Hoàng Anh Giang (2010),

“Khảo Sát Đánh Giá Hư Hỏng Các Bộ Phận Kết Cấu Nhà Bê Tông Cốt Thép Chịu Tác Động Của Lửa” Đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ cao trong các đám cháy đến các tính chất cơ học và vật lý của các vật liệu thành phần của kết cấu bê tông cốt thép

Đề tài nghiên cứu của Nguyễn Trường Thắng, Nguyễn Tuấn Ninh (2016),

"Biểu đồ tương tác của cột bê tông cốt thép ở nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn EC2" Đề tài nghiên cứu giới thiệu nguyên tắc chung về phân tích khả năng chịu lực của cột ở nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn châu Ân EC2

Luận văn thạc sĩ của Phan Thành Đồng (2018), “Thiết kế sàn bê tông cốt thép chịu lửa theo Tiêu chuẩn EN 1992-1-2” Luận văn trình bày phương án xác định khả năng chịu lực của sàn bê tông cốt thép khi chịu cháy theo tiêu chuẩn EN 1992-1-2 bằng phương pháp tra bảng và các phương pháp đơn giản

Nghiên cứu trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD) của Nguyễn Tuấn Trung (2019), nghiên cứu “Đánh giá khả năng chịu lửa của sàn bê tông cốt thép bằng các phương pháp đơn giản theo tiêu chuẩn EN 1992-1-2” Đề tài trình bày các nguyên tắc thiết kế chung và các phương pháp tính toán đơn giản cho cấu kiện sàn bê tông cốt thép, được quy định trong tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện cháy

Nhìn chung các nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam đã đề cập đến thiết kế kết cấu cho công trình chịu lửa, nhưng vẫn còn hạn chế Các nghiên cứu này vẫn chưa đề cập đầy đủ đến các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng và nhiệt độ của các quốc gia khác Hầu hết các nghiên cứu này vẫn tập trung vào tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) để nghiên cứu, cần có thêm nghiên cứu của một số tiêu chuẩn quốc gia

về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng và nhiệt độ tăng cao

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương này đã thực hiện được tổng quan các vấn đề sau:

- Tổng quan về kết cấu bê tông cốt thép

- Trình bày tính chất cơ lý của vật liệu bê tông và thép thay đổi theo nhiệt độ

- Giới thiệu về tình hình nghiên cứu trong nước

Qua tổng quan nhận thấy tình hình nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam về kết cấu

bê tông cốt thép trong điều kiện cháy vẫn còn hạn chế, phương pháp phân tích và thiết

kế kết cấu bê tông cốt thép khi cháy ít được đề cập, các tính chất cơ lý của vật liệu bê tông và thép được tính toán dựa vào các tiêu châu Âu Khi cháy xảy ra, kết cấu sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ tăng cao, vật liệu bê tông và thép sẽ bị giãn nở cùng với ngoại lực do tải trọng tác dụng làm cho kết cấu sẽ phân phối lại nội lực, và ứng xử kết cấu

trở nên phức tạp, việc tính toán thiết kế trở nên phức tạp Do đó, việc nghiên cứu đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản theo các tiêu chuẩn của các quốc gia là cần thiết để khảo sát chi tiết hơn về tiêu chuẩn tính toán kết cấu bê tông cốt thép khi chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ

CHƯƠNG 2 KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN

Chương này khảo sát và tổng hợp các phương pháp tính toán khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép theo các tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE 29-05, NZS-3101, National Building Code of Canada 2010

2.1 Phương pháp tra bảng

2.1.1 Sàn

2.1.1.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)

Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) [15], phương pháp tra bản được trình bày chi tiết trong mục 5.7, cung cấp các số liệu được công nhận cho trường hợp chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa cấp REI

240 bằng cách xác định các giá trị đề cập trong bảng tra như sau

Xác định giá trị nhỏ nhất của chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính từ mặt đáy đến trục cốt thép của các bản sàn để đảm bảo khả năng chịu lửa tiêu chuẩn R 30 đến R 240 được cho trong Bảng 2.1 đến Bảng 2.4 theo các trường hợp tính toán của loại sàn

Trong trường hợp bản hai phương lưu ý là chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép được tính cho cốt thép lớp dưới

Bảng 2.1 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho các bản loại dầm và bản hai phương bằng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước

REI 240 200 50

Bảng 2.3 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho bản có sườn bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng lực trước làm việc hai phương với gối tựa đơn giản

Khả năng

chịu lửa

(phút)

Các kích thước nhỏ nhất (mm) Các tổ hợp có thể của bề rộng gân,

b min , và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép, a

Chiều dày bản, h s , và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép trong phần bản, a

Khả năng

chịu lửa

(phút)

Các kích thước nhỏ nhất (mm) Các tổ hợp có thể của bề rộng gân,

b min , và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép, a

Chiều dày bản, h s , và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép trong phần bản, a

≥200 10*

Với : a - chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép

asd - khoảng cách giữa trục của cốt thép với bề mặt nằm ngang của gân chịu tác động của lửa

lx và ly là nhịp theo hai phương vuông góc nhau của bản hai phương, trong đó 1y là nhịp dài hơn

* Thường thì sẽ áp dụng chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo quy định trong EN 1992-1-1

Từ chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trọng tâm cốt thép, tra các Bảng trên ứng với mỗi loại sàn, ta xác định được Khả năng chịu lửa tiêu chuẩn của bản sàn

2.1.1.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05

Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05 [19], phương pháp tra bảng được trình bày trong mục 2.4 và 2.5, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 1 giờ đến 4 giờ bằng cách xác định các giá trị đề cập trong bảng tra như sau

Xác định chiều dày tương đương tối thiểu của các loại tấm sàn và mái bê tông theo chiều dày nêu trong Bảng 2.5

Bảng 2.5 Khả năng kháng lửa của sàn bê tông cốt thép

Độ dày tương đương tối thiểu để đánh giá khả năng chống cháy (giờ) Loại cốt liệu bê tông 1 giờ 1,5 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ

Bảng 2.6 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cho sàn bê tông cốt thép

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm)

2.1.1.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101

Với tiêu chuẩn NZS-3101 [20], phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa đến REI 240 bằng cách xác đinh các giá trị được quy đinh qua các bảng sau

Xác định giá trị nhỏ nhất của chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính từ mặt đáy đến trục cốt thép lớp dưới của các bản sàn và kích thước hình học của bản sàn để đảm bảo khả năng chịu lửa tiêu chuẩn R 30 đến R 240 được cho trong Bảng 2.7 đến Bảng 2.9 theo các trường hợp tính toán của loại sàn

Bảng 2.7 Khả năng chịu lửa của sàn đặc và sàn hộp

Khả năng

chịu lửa

(phút)

Khoảng cách trục, a, đến cốt thép lớp dưới(mm) Sàn đơn giản

Sàn liên tục (bản loại dầm và bản kê bốn cạnh)

Bảng 2.8 Khả năng chịu lửa của sàn phẳng

Khả năng chịu lửa

nhỏ nhất (mm)

Khoảng cách trục (mm)

Chiều rộng sườn nhỏ nhất (mm)

Khoảng cách trục (mm)

2.1.1.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada

Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada [21], phương pháp tra bảng đề cập trong phụ lục D-2.2, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa

từ 30 phút đến 4 giờ qua các bước xác đình đề cập trong bảng sau

Xác định loại bê tông chiều dày tương đương tối thiểu của các loại tấm sàn theo chiều dày nêu trong Bảng 2.10

Bảng 2.10 Độ dày tối thiểu của sàn bê tông (mm)

Loại bê

tông

Khả năng chịu lửa

30 phút 45 phút 1 giờ 1,5 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ Loại S 60 77 90 112 130 158 180 Loại N 59 74 87 108 125 150 171 Loại L40S

Khả năng chịu lửa

30 phút 45 phút 1 giờ 1,5 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ Sàn BTCT 20 20 20 20 25 32 39 Sàn BTCT

dự ứng lục 20 25 25 32 39 50 64

2.1.2.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)

Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) [15], phương pháp tra bảng được trình bày chi tiết trong mục 5.6, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa cấp REI 240 bằng cách xác định các giá trị đề cập trong bảng tra sau

Xác định kích thước hình học và của lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép

và tra Khả năng chịu lửa thích hợp của dầm bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng

lực trước bằng cách sử dụng các số liệu trong các bảng từ Bảng 2.12 đến Bảng 2.14

Bảng 2.12 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho các dầm đơn giản bằng bê tông cốt thép và ứng lực trước

Khả

năng chịu

lửa (phút)

Các kích thước nhỏ nhất (mm) Các tổ hợp có thể của a và b min với a là

chiều dày trung bình của lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép và b min là bề rộng của

200 15*

chiều dày trung bình của lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép và b min là bề rộng của

200 15*

Bảng 2.14 Tăng bề rộng và chiều dày sườn của dầm bê tông cốt thép và dầm

BT ứng lực trước tiết diện chữ I đối với các điều kiện nêu trong 5.6.3(6) (EN 1992 1:2)

Khả năng chịu lửa (phút) Bề rộng nhỏ nhất của dầm, bmin (mm) và

chiều dày của bụng, b w (mm)

R 120 220

R 180 380

R 240 480

2.1.2.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05

Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05 [19], phương pháp tra bảng được trình bày trong mục 2.5, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 1 giờ đến 4 giờ bằng cách xác định các giá trị đề cập trong bảng tra như sau

Xác định chiều dày tối thiểu của lớp bảo vệ bê tông tính đến cốt thép không ứng suất trước có mô men dương (thép dưới) cho các dầm có chiều rộng khác nhau đối với cấp độ chịu lửa từ 1 đến 4 giờ đối với tất cả các loại vật liệu của bê tông không được nhỏ hơn chiều dày nêu trong Bảng 2.15 Độ lớp bê tông bảo vệ cho bề rộng dầm trung gian phải được xác định bằng phép nội suy trực tiếp

Bảng 2.15 Kích thước lớp bê tông bảo vệ tối thiểu cho dầm bê tông cốt thép

Đặt tính Bề rộng

(mm)

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm)

1 giờ 1,5 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ Dầm giới hạn 127 19 19 19 25 32

2.1.2.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101

Với tiêu chuẩn NZS-3101 [20], phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa đến REI 240

Xác định kích thước hình học và của lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép

và tra Khả năng chịu lửa thích hợp của dầm bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng lực trước bằng cách sử dụng các số liệu trong các bảng từ Bảng 2.16 đến Bảng 2.17

Với: a Là khoảng cách trục

b Là bề rộng nhỏ nhất của dầm

bw Là bề rộng của bản bụng (đối với tiết diện không phải chữ nhât)

Bảng 2.16 Khả năng chịu lửa của dầm đơn giản

Bảng 2.17 Khả năng chịu lửa của dầm liên tục

2.1.2.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada

Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada [21], phương pháp tra bảng đề cập trong phụ lục D-2.9, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa

từ 30 phút đến 4 giờ qua các bước xác đình đề cập trong bảng sau

Xác định chiều dày tối thiểu của lớp bảo vệ trên cốt thép chính trong dầm bê tông cốt thép được thể hiện trong Bảng 2.18 đối với hệ số khả năng chịu lửa từ 30 phút đến 4 giờ trong đó chiều rộng của dầm ít nhất là 100 mm

Bảng 2.18 Bề dày tối thiểu cho dầm (mm)

Loại bê tông Khả năng chịu lửa

30 phút 45 phút 1 giờ 1,5 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ Loại S, N, L 20 20 20 25 25 39 50

2.1.3 Cột

2.1.3.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)

Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) [15], phương pháp tra bảng được trình bày chi tiết trong mục 5.3, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa cấp REI 240 bằng cách xác định các giá trị đề cập trong bảng tra như sau

Xác định chiều dài tính toán của cột, độ lệch tâm bậc nhất dưới các điều kiện chịu lửa, hàm lượng cốt thép, độ mảnh của cột trong các điều kiện chịu lửa để xác định trường hợp tính toán

Xác đinh hệ số giảm đối với mức tải trong thiết kế trong trường hợp chịu lửa (đối với trường hợp A):

d ,fi

d E fi

RN N

=

+

Xác định kích thước hình học và của lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép

và tra Khả năng chịu lửa thích hợp của cột bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng lực trước bằng cách sử dụng các số liệu trong các bảng từ Bảng 2.19 đến Bảng 2.20

Bảng 2.19 Các kích thước nhỏ nhất và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép áp dụng cho tiết diện chữ nhật và tiết diện tròn

R 90 200/31

300/25

300/45 400/38

350/53 450/40** 155/25

Kích thước tối thiểu (mm) Chiều rộng cột, b min / chiều dày lớp bê tông

bảo vệ tính đến trục cốt thép, a

n = 0,15 n = 0,3 n = 0,5 n = 0,7

R 30

0,100 0,500 1,000

R 60

0,100 0,500 1,000

R 90

0,100 0,500 1,000

R 120

0,100 0,500 1,000

R 180

0,100 0,500 1,000

(1) 600/75 (1)

R 240

0,100 0,500 1,000

(1) (1) (1)

* Thường thì sẽ lấy chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo yêu cầu của EN 1992-1-1;

2.1.3.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05

Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05 [19], phương pháp tra bảng được trình bày trong mục 2.6, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 1 giờ đến 4 giờ bằng cách xác định các giá trị đề cập trong bảng tra như sau

Xác đinh kích thước nhỏ nhất của cột bê tông cốt thép của các loại cốt liệu bê tông khác nhau đối với cấp độ chịu lửa từ 1 đến 4 giờ không được nhỏ hơn kích thước nêu trong Bảng 2.21

Xác đinh chiều dày tối thiểu của lớp bảo vệ bê tông đối với cốt thép dọc chính trong cột, bất kể loại cốt liệu được sử dụng trong bê tông, không được nhỏ hơn 1 in (25 mm) nhân với số giờ của yêu cầu chống cháy, hoặc 2 in (51 mm), tùy theo giá trị nào nhỏ hơn

Bảng 2.21 Kích thước tối thiểu cột bê tông cốt thép

Kích thước cột tối thiểu (mm) Loại cốt liệu bê tông 1 giờ 1,5 giờ 2 giờ 3 giờ 4 giờ Silic 203 229 254 305 256

Đá vôi 203 229 254 279 305 Cát nhẹ 203 216 229 267 305

2.1.3.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101

Phương pháp này [20] trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa đến REI 240

Xác đinh giá trị của mức tải, ηfi,sẽ được lấy bằng 0,7 hoặc được tính như sau:

* f fi

u

NN

 =

Xác định kích thước hình học và của lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép

và tra Khả năng chịu lửa thích hợp của cột bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông ứng lực trước bằng cách sử dụng các số liệu trong các bảng Bảng 2.22

Bảng 2.22 Khả năng chịu lửa đối với cột

Khả năng chịu lửa (phút)

Kích thước tối thiểu

Cột tiếp xúc với lửa nhiều hơn 1 mặt Cột tiếp xúc

2.1.3.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada

Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada [21], phương pháp tra

bảng đề cập trong phụ lục D-2.8, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa

từ 30 phút đến 4 giờ qua các bước xác đình đề cập trong bảng sau

Xác định Kích thước tối thiểu, t, tính bằng milimét, của cột bê tông cốt thép hình chữ nhật phải bằng

(a) 75 f (R + 1) cho tất cả các loại bê tông L và L40S,

(b) 80 f (R + 1) đối với bê tông loại S khi điều kiện thiết kế của cột bê tông được xác định trong cột 2 và 4 của Bảng 2.23,

(c) 80 f (R + 0,75) đối với bê tông loại N khi điều kiện thiết kế của cột bê tông được xác định trong cột 2 và 4 của Bảng 2.23, và

(d) 100 f (R + 1) đối với bê tông loại S và N khi điều kiện thiết kế của cột bê tông được xác định trong cột 3 của Bảng 2.23

Trong đó

f = giá trị được thể hiện trong Bảng 2.23,

R = hệ số khả năng chịu lửa yêu cầu tính bằng giờ,

k = hệ số chiều dài hiệu dụng thu được từ CAN / CSA-A23.3, “Thiết kế kết cấu

bê tông"

h = chiều dài không được hỗ trợ của cột tính bằng mét

p = diện tích cốt thép dọc trong cột tính bằng phần trăm diện tích cột

(2) Đường kính của cột tròn không được nhỏ hơn 1,2 lần giá trị t được xác định trong câu (1) cho một cột hình chữ nhật

Trong trường hợp hệ số khả năng chịu lửa yêu cầu của cột bê tông là 3 giờ hoặc nhỏ hơn, chiều dày tối thiểu tính bằng milimét của lớp bào vệ bê tông trên cốt thép dọc phải bằng 25 lần số giờ chịu lửa yêu cầu hoặc 50 mm,lấy theo kết quả ít hơn

Trong trường hợp hệ số khả năng chịu lửa yêu cầu của cột bê tông lớn hơn 3 giờ, chiều dày tối thiểu tính bằng milimét của lớp bảo vệ bê tông trên cốt thép dọc phải bằng 50 cộng với 12,5 lần số giờ chịu lửa yêu cầu vượt quá trong 3 giờ

Trường hợp lớp bảo vệ bê tông trên thép thẳng đứng yêu cầu trong Câu (2) vượt quá 62,5 mm, thì cốt thép lưới thép với đường kính 1,57 mm và các lỗ hở 100 mm phải được kết hợp ở giữa trong lớp bảo vệ bê tông để sơn lại lớp bê tông

2.1.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp tra bảng

Hình 2.1 Sơ đồ thuật toán phương pháp tra bảng

2.2 Phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)

Phương pháp này chỉ hợp lệ với bề rộng nhỏ nhất của tiết diện như nêu trong Bảng 2.24:

a) Áp dụng cho đám cháy tiêu chuẩn, phụ thuộc vào khả năng chịu lửa;

Phụ lục A, EN 1992-1-1)

Bảng 2.24 Bề rộng nhỏ nhất của tiết diện là hàm số của khả năng chịu lửa (áp dụng cho đám cháy tiêu chuẩn) và của mật độ tải trọng cháy (áp dụng cho tác động của đám cháy tham số)

a) Khả năng chịu lửa

của tiết diện, mm 100 140 160 200 240

Phương pháp tính toán đơn giản được thực hiện dựa trên sự giảm chung về kích thước tiết diện khi xét đến lớp bê tông bề mặt bị hỏng do nhiệt độ cao Chiều dày của lớp bê tông bị hỏng, a500, được lấy bằng chiều sâu trung bình của đường đẳng nhiệt 500ºC trong vùng chịu nén của tiết diện

Bê tông bị hỏng, tức là bê tông có nhiệt độ cao hơn 500ºC, được coi là không có đóng góp gì cho khả năng chịu lực của cấu kiện, trong khi đó tiết diện bê tông còn lại vẫn duy trì toàn bộ giá trị cường độ và mô đun đàn hồi ban đầu của nó

Đối với một dầm hình chữ nhật chịu tác động của lửa ở 3 mặt, tiết diện giảm yếu trong điều kiện chịu lửa sẽ tuân theo Hình 2.2

2.2.2 Quy trình thiết kế tiết diện bê tông cốt thép chịu tác động uốn nén

Trên cơ sở tiếp cận theo cách tiết diện giảm yếu như trên, quy trình tính toán độ bền của một tiết diện bê tông cốt thép trong điều kiện chịu lửa có thể tiến hành như sau:

a) Xác định đường đẳng nhiệt 500ºC đối với tác động của đám cháy cụ thể, đám cháy tiêu chuẩn hoặc đám cháy tham số (Phụ lục A, tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2));

b) Xác định một bề rộng mới, bfi, và chiều cao làm việc mới, dfi, của tiết diện bằng cách loại trừ lớp bê tông phía ngoài đường đẳng nhiệt 500ºC (xem Hình 2.1) Có thể xét đến các góc lượn của đường đẳng nhiệt bằng cách lấy dạng thực tế của đường

đẳng nhiệt xấp xỉ là một hình chữ nhật hoặc một hình vuông, như thể hiện trong Hình 2.1;

c) Xác định nhiệt độ trong các thanh cốt thép trong các vùng chịu kéo và chịu nén Nhiệt độ của các thanh cốt thép đơn lẻ có thể được xác định từ đường đẳng nhiệt cho trong Phụ lục A hoặc các tài liệu hướng dẫn (sổ tay hướng dẫn) và được coi là nhiệt độ tại tâm của thanh cốt thép Một số thanh cốt thép có thể nằm ngoài phạm vi của tiết diện giảm yếu, như thể hiện trên Hình 2.2 Trong những trường hợp đó, các thanh cốt thép này có thể vẫn được đưa vào tính toán khả năng chịu lực cực hạn của thiết diện chịu tác động của lửa;

d) Xác định cường độ bị suy giảm của cốt thép do nhiệt độ theo EN 1992-1-1; e) Sử dụng các phương pháp tính toán truyền thống để xác định khả năng chịu lực cực hạn của tiết diện giảm yếu với giá trị cường độ của các thanh cốt thép như xác định được trong d);

f) So sánh khả năng chịu lực cực hạn với tác động của tải trọng tính toán hoặc thế bằng khả năng chịu lửa dự kiến với khả năng chịu theo yêu cầu

T-kéo C-nén

a) Lửa tác động ở 3 mặt,

trong đó có vùng chịu kéo

b) Lửa tác động ở 3 mặt, trong đó có vùng chịu nén

c) Lửa tác động ở 4 mặt (dầm hoặc cột)

Hình 2.2 Tiết diện giảm yếu của dầm và cột bê tông cốt thép

Hình 2.2trình bày việc tính toán khả năng chịu lực của tiết diện với các cốt thép chịu kéo cũng như chịu nén

Nếu tất cả các thanh cốt thép được bố trí trong các lớp có diện tích bằng nhau thì có thể sử dụng những biểu thức sau để tính toán chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trục cốt thép, a

Hình 2.3 Phân bố ứng suất ở trạng thái giới hạn độ bền áp dụng cho tiết diện

bê tông hình chữ nhật có cốt thép chịu nén

Với:

bfi là bề rộng của tiết diện giảm yếu;

dfi là chiều cao tính toán (chiều cao làm việc hiệu quả) của tiết diện giảm yếu;

z là cánh tay đòn giữa cốt thép chịu kéo và bê tông;

z’ là cánh tay đòn giữa cốt thép chịu kéo và cốt thép chịu nén;

As là diện tích của cốt thép chịu kéo;

As1 là phần cốt thép chịu kéo cân bằng với khối ứng suất nén của bê tông

As2 là phần của cốt thép chịu kéo cân bằng với cốt thép chịu nén;

A’s là diện tích của cốt thép chịu nén;

chịu lửa ở nhiệt độ thường lấy bằng fck/γc,fi;

lửa ở nhiệt độ trung bình của thớ là θm;

lửa ở nhiệt độ trung bình của thở là θm

Cường độ bị suy giảm trung bình của một lớp cốt thép theo mức tăng nhiệt độ được tính toán theo biểu thức (2.1)

v

v

kk

n



trong đó:

θ là nhiệt độ của thanh cốt thép thứ i;

k(θi) là sự suy giảm về cường độ của thanh cốt thép thứ i gây ra bởi mức nhiệt

độ θi;

kv(θ) - là sự suy giảm về cường độ của lớp cốt thép v,

nv là số lượng thanh cốt thép trong lớp v

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ, a, tính đến trọng tâm của các lớp cốt thép, có thể được xác định theo biểu thức (2.2)