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

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 t

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

Mã số: 60580208

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Đà Nẵng - năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Anh Thiện

Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Chính

Phản biện 2: TS Đặng Khánh An

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 23 tháng 04 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

− Thư viện Khoa Xây Dựng Dân Dụng & Công Nhiệp, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

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 Tuy nhiên khi xảy ra 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

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo thì trong luận văn gồm có 3 chương như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU

BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI CHỊU LỬA

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

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

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

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, 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 [12]

Hình 1 2 Độ giản nở của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [12]

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 theo hình 1.2 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 [14], nhiệt dung riêng của bê tông được xác định theo như trình bày trong luận án, mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện ở Hình 1.3

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

Tính dẫn nhiệt (λc) của bê tông, theo tiêu chuẩn EC2 [14], được xác định bởi giới hạn dưới và giới hạn trên theo phương trình đã trình bày trong luận án, quan hệ đường cong giữa nhiệt độ và tính dẫn nhiệt của bê tông được thể hiện như Hình 1.4

Hình 1 3 Nhiệt dung riêng của bê

tông khi nhiệt độ tăng cao [12]

Hình 1 4 Tính dẫn nhiệt của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [12]

e) Khối lượng riêng (Density) của bê tông

Khối lượng riêng (ρ) của bêtông sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, vì khi nhiệt độ tăng, lượng nước trong bê tông sẽ bị suy giảm Theo tiêu chuẩn EC2 [14] thì khối lượng riêng của bê tông được xác định theo công thức trình bày trong luận án, 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

Hình 1 6 Mối quan hệ ứng suất - biến dạng khi nhiệt độ khác nhau

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 [14] 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)

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

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

Độ giãn nở dài của thép (Δl/l)a, theo tiêu chuẩn EC3 [15] được tính toán theo công thức được trình bày trong luận án, 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 [12]

Hình 1 8 Độ giản nở của thép khi nhiệt độ tăng cao [12]b) Hệ số giãn nở nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu thép 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, đường cong thể hiện mối quan

hệ hệ số giản nở thép với nhiệt độ như biểu đồ (Hình 1.8)

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

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, 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 [12]

Hình 1 10 Tính dẫn nhiệt của thép khi nhiệt độ cao [12] 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, đường cong giữa nhiệt độ

và tính dẫn nhiệt của thép được vẽ thể hiện Hình 1.10

e) Khối lượng riêng (Density) của thép

Khối lượng riêng của thép (ρa) Theo tiêu chuẩn EC4 [16] 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 [12]

1.2 Tình hình nghiên cứu

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

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

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), 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 2.1 đến Bảng 2.4 (được trình bày chi tiết trong luận án) theo các trường hợp tính toán của loại sàn

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

Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05, 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 2.5 đến Bảng 2.6 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.1.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101

Với tiêu chuẩn NZS-3101, 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 2.5 đến Bảng 2.6 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.1.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada

Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada , 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 2.10 đến Bảng 2.11 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.2 Dầm

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

Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2), 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 2.12 đến Bảng 2.14 (được trình bày chi tiết trong luận án)

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

Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05, 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 2.15 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.2.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101

Với tiêu chuẩn NZS-3101, 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 2.16 đến Bảng 2.17 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.2.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada

Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada, 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 2.18 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.3 Cột

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

Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2), 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 2.19 đến Bảng 2.20 (được trình bày chi tiết trong luận án)

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

Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05, 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 2.21 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.3.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101

Với tiêu chuẩn NZS-3101, 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 Bảng 2.22 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.3.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada

Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada, 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 2.23 (được trình bày chi tiết trong luận án)

2.1.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp tra bảng

Sơ đồ thuật toán pháp pháp tra bảng theo các tiêu chuẩn được thể hiện chi tiết trong hình 2.1

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

2.2.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng

Phương pháp này có thể áp dụng được cho tác động của đám cháy tiêu chuẩn và mọi chế độ nhiệt độ theo thời gian khác nhau, chỉ hợp lệ với bề rộng nhỏ nhất của tiết diện như nêu trong Bảng 2.24 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

Khả năng chịu lửa R 60 R 90 R120 R180 R240

Quy trình thiết kế được trình bày chi tiết trong luận án

2.2.3 Các đường đẳng nhiệt áp dụng cho các cấu kiện

Các đường đẳng nhiệt được trình bày chi tiết trong luận án

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

Sơ đồ thuật toán pháp pháp đường đẳng nhiệt 500°C thể hiện chi tiết trong hình 2.9

2.3 Phương pháp phân lớp theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) 2.3.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng

Phương pháp này có thể áp dụng cho mọi đám cháy phát triển hoàn toàn khác nhau nhưng tiêu chuẩn này chỉ trình bày các số liệu của đám cháy có quan hệ Nhiệt độ - Thời gian tiêu chuẩn

2.3.2 Quy trình thiết kế

Quy trình thiết kế được trình bày chi tiết trong luận án