TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Các vụ hỏa hoạn không chỉ gây thiệt hại về tài sản và sinh mạng mà còn làm mất đi nhiều giá trị văn hóa, lịch sử và di sản quý báu Điển hình là vụ cháy nhà thờ Đức Bà Paris (2019), Đại Chiêu cổ tự Tây Tạng (2018) và bảo tàng Quốc gia Brazil (2018) Đặc biệt, vụ cháy tại bảo tàng Quốc gia Brazil đã không gây thiệt hại về người nhưng đã tiêu hủy 20 triệu hiện vật quý giá từ các nền văn minh Hy Lạp, La Mã cổ đại và Ai Cập, trong đó có hóa thạch người cổ nhất mang tên “Luzia”.
Hình 2-1: Hỏa hoạn tại bảo tàng Quốc gia Brazil tại Rio de Janeiro [7]
Hình 2-2: Hỏa hoạn trong khu dân cư tại Hà Nội, Việt Nam [8]
Theo thống kê của tờ báo VOV, năm 2021, Việt Nam ghi nhận 1.154 vụ cháy, dẫn đến 53 người thiệt mạng và 77 người bị thương, với thiệt hại tài sản gần 300 tỷ đồng Đặc biệt, trong các khu dân cư, hỏa hoạn có nguy cơ lan rộng nhanh chóng, gây thiệt hại nghiêm trọng đến tính mạng và tài sản.
Năm 2022, số vụ cháy tại Việt Nam đã giảm xuống còn 848 vụ, cùng với đó là thiệt hại về người và tài sản cũng được giảm bớt Tuy nhiên, tác động của hỏa hoạn vẫn còn ở mức cao và tiềm ẩn nhiều nguy hiểm.
Khi xảy ra hỏa hoạn, sàn bê tông cốt thép (BTCT) đóng vai trò là cấu kiện chịu lực chính và chịu ảnh hưởng trực tiếp từ ngọn lửa Khả năng chịu lực của kết cấu sàn BTCT sẽ thay đổi đáng kể và bị tác động mạnh mẽ trong quá trình cháy.
Vì vậy, việc nghiên cứu tác động của ngọn lửa đối với khả năng chịu lửa và ứng xử của sàn BTCT là thật sự rất cần thiết.
Sơ lược lịch sử phát triển
Trong suốt lịch sử nhân loại, nhiều công trình đã bị biến mất hoặc sụp đổ do hỏa hoạn Con người đang nghiên cứu các phương pháp để bảo vệ công trình khỏi hỏa hoạn, nhằm đảm bảo chúng có thể tồn tại lâu hơn trong những tình huống nguy hiểm Đồng thời, nghiên cứu cũng tập trung vào thời gian mà các công trình có thể chịu đựng trước khi nhận được sự can thiệp từ các biện pháp phòng cháy chữa cháy.
Năm 2004, Lim và cộng sự đã giới thiệu một mô hình số để nghiên cứu ứng xử cháy của sàn bê tông cốt thép hai phương Mô hình này được phát triển bằng cách sử dụng chương trình phần tử hữu hạn phi tuyến SAFIR.
Nghiên cứu đã mô phỏng sàn trong điều kiện hỏa hoạn bằng cách sử dụng ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 trong chương trình SAFIR Các mẫu sàn bê tông cốt thép và sàn liên hợp cho thấy sự phát triển của lực màng khi cháy, điều này góp phần nâng cao khả năng chịu lửa của sàn Kết quả mô phỏng cũng cho thấy sự tương thích với các thử nghiệm cháy thực tế, chứng minh rằng phần mềm SAFIR có khả năng dự đoán ứng xử màng của các sàn bê tông cốt thép trong tình huống hỏa hoạn.
Năm 2004, Lim và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng cháy cho sàn BTCT một nhịp dài 5 m với tải trọng phân bố đều, sử dụng chương trình phần tử hữu hạn SAFIR Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của vị trí lực nén dọc trục và độ cứng của điều kiện biên Kết quả phân tích cho thấy ứng xử của sàn BTCT rất nhạy cảm với vị trí lực nén và độ cứng, trong đó sàn có liên kết ngàm thể hiện khả năng chống cháy tốt hơn.
Năm 2005, Bruce đã tiến hành nghiên cứu về tổ hợp tải trọng nhằm thiết kế sàn chịu cháy, cung cấp cơ sở xác suất xảy ra trong điều kiện hỏa hoạn cho các loại tải trọng và đề xuất tổ hợp tải trọng cụ thể Kết quả nghiên cứu được so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành, với mục tiêu tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc mô hình phân tích bằng máy tính trong tương lai Nghiên cứu này hỗ trợ công tác thiết kế và đánh giá các trạng thái giới hạn, trường hợp cháy, và điều kiện cháy thực tế một cách rõ ràng hơn.
Năm 2005, Franssen nghiên cứu phương pháp mô phỏng cấu kiện chịu cháy bằng cách rời rạc hóa thành các phần tử hình tứ giác nhằm tối ưu hóa kết quả trong phần mềm SAFIR, một công cụ phần tử hữu hạn cho phân tích nhiệt và cơ học của kết cấu tiếp xúc với lửa SAFIR cung cấp một thư viện các phần tử khác nhau như giàn và dầm, cho phép sử dụng các mô hình vật liệu đa dạng Các mô hình vật liệu này dựa trên lý thuyết von Mises cho vật liệu đẳng hướng, với các tham số được chọn phù hợp với khuyến nghị của Eurocode 2.
3 Các đường cong ứng suất-biến dạng của bê tông và thép trong điều kiện cháy cũng được tham khảo theo Eurocode 2 [2]
Năm 2013, Krzysztof và Szymon đã trình bày các phương pháp xác định khả năng chịu lửa của cấu kiện sàn, dầm, cột BTCT theo Eurocode 2, bao gồm phương pháp phân lớp và phương pháp lặp tăng dần Các cấu kiện này đã được tính toán dựa trên các phương pháp đó và so sánh với kết quả thử lửa tham khảo từ tài liệu nghiên cứu trước đây Kết quả nghiên cứu cho thấy
• Phương pháp phân lớp chỉ cho thấy kết quả phù hợp với kết quả thực nghiệm ở một số trường hợp
Phương pháp lặp tăng dần cho kết quả thực nghiệm tương đối chính xác, mặc dù tốn nhiều thời gian cho tính toán và phân tích So với các phương pháp tiêu chuẩn Châu Âu khác, phương pháp này mang lại kết quả phù hợp nhất với thực tế.
Trong nghiên cứu này, các phương pháp phân tích tính toán hiện tại được coi là đơn giản Tác giả đề xuất rằng trong tương lai, nên áp dụng các phần mềm mô phỏng và các phương pháp hiện đại hơn để đạt được kết quả chính xác nhất.
Năm 2008, Moss và cộng sự đã nghiên cứu mô hình số về ứng xử khi cháy của các sàn bê tông cốt thép hai phương trong tòa nhà nhiều tầng hình vuông, với hệ khung bê tông cốt thép không có dầm bên trong Nghiên cứu sử dụng phần mềm SAFIR để phân tích các tấm bê tông cốt thép, mô phỏng hai điều kiện hỏa hoạn: đám cháy tiêu chuẩn ISO 834 kéo dài bốn giờ và một giờ sau đó là giai đoạn ngưng cháy Kết quả cho thấy, các tác động của đám cháy đã làm phân bố lại các mô men uốn và phát triển lực màn trong sàn, ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực và thời gian chịu lửa của sàn bê tông Nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng cho thiết kế chống cháy trong các tòa nhà nhiều tầng, cho phép kỹ sư đánh giá hiệu quả các biện pháp chống cháy Phần mềm SAFIR là công cụ mạnh mẽ giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên trong việc thử nghiệm các phương án chống cháy trước khi triển khai thực tế.
Năm 2008, Chang và cộng sự đã đề xuất một phương pháp đơn giản cho các nhà thiết kế mô hình hóa ứng xử kết cấu của tấm sàn bê tông lõi rỗng (HC) khi bị cháy, sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng Nghiên cứu so sánh kết quả mô phỏng với các thử nghiệm thực tế trong các điều kiện cháy khác nhau, cho thấy sự phù hợp giữa hai kết quả Ngoài ra, một số hệ thống sàn HC cũng được mô phỏng để so sánh với các kết quả trước đây tại Đại học Canterbury, cho thấy rằng điều kiện biên có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chống cháy của sàn bê tông.
Vào năm 2010, Huang đã nghiên cứu ứng xử của các tấm bê tông cốt thép có vết nứt trong hỏa hoạn, phân tích chi tiết một sàn bê tông cốt thép dưới tải trọng phân bố đều và các mức độ vết nứt khác nhau khi tiếp xúc với ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng số cho 16 trường hợp sàn khác nhau trên một tòa nhà bê tông cốt thép thông thường, không thực hiện thí nghiệm vật lý Kết quả cho thấy lực màng nén trong các sàn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tác động của vết nứt đến ứng xử kết cấu khi xảy ra cháy, đồng thời cho thấy rằng vết nứt trong bê tông có ảnh hưởng đáng kể đến độ võng của các sàn.
Năm 2010, Bastami và cộng sự đã tiến hành đánh giá các tính chất cơ học của bê tông ở nhiệt độ cao, nghiên cứu các mô hình và mối quan hệ của bê tông khi cháy để cung cấp một mô hình hiệu quả Các thông số được xem xét bao gồm cường độ nén, cường độ kéo, mô đun đàn hồi và mối quan hệ ứng suất-biến dạng ở nhiệt độ cao Nghiên cứu này so sánh và kiểm tra các mối quan hệ của bê tông ở nhiệt độ cao với kết quả thực nghiệm và các mô hình hiện có, nhằm xác định ưu nhược điểm của các mối quan hệ ứng suất-biến dạng hiện tại Kết quả cho thấy các mô hình và mối quan hệ được nghiên cứu phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, từ đó thiết lập các mối quan hệ ứng suất-biến dạng tổng quát và chính xác hơn.
Năm 2011, Zaharia và cộng sự đã giới thiệu một phương pháp đơn giản để phân bố nhiệt độ trong các sàn mỏng, tập trung vào việc phát triển và thiết kế hệ thống sàn mỏng cho các công trình nhà thép tại châu Âu Hệ thống sàn mỏng được xem là giải pháp nhanh chóng, sáng tạo và kinh tế Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp số để phân tích nhiệt độ phân bố trên mặt cắt chịu lực của các sàn khi tiếp xúc với lửa ISO, đồng thời phát triển một số công thức đơn giản để xác định giá trị nhiệt độ tại các điểm khác nhau Từ đó, khả năng chịu tải của sàn có thể được tính toán thông qua phương pháp phân tích đơn giản.
Phương pháp phân lớp được đề xuất giúp tính toán khả năng chịu tải của cấu kiện trong đám cháy, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà thiết kế trong việc đánh giá khả năng chịu lửa của hệ thống Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về phân bố nhiệt độ, từ đó nâng cao hiệu quả thiết kế và phát triển các hệ thống sàn mỏng (Slim Floor) trong xây dựng.
Nhận xét
Các nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu lửa của sàn bê tông cốt thép (BTCT) Mặc dù có nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng cấu kiện chịu lửa ở nước ngoài, nhưng các tham số thiết kế như độ dày lớp bê tông bảo vệ, cốt thép chịu lực và bề dày sàn vẫn chưa được phân tích đầy đủ, đặc biệt là ảnh hưởng của chúng đến độ võng và thời gian chịu lửa Do đó, việc tăng cường nghiên cứu trong lĩnh vực này là rất cần thiết Tại Việt Nam, hỏa hoạn xảy ra với tần suất cao và gây thiệt hại nghiêm trọng, trong khi các nghiên cứu về khả năng chịu lửa của cấu kiện vẫn còn hạn chế, với chỉ một số công bố và luận văn thạc sĩ, tiến sĩ từ năm 2000 Nghiên cứu về khả năng chịu lửa sẽ trở thành một mối quan tâm hàng đầu trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EN 1992
3.1.1 Các phương pháp tính toán
Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [2] đề xuất ba phương pháp tính toán kết cấu chịu lửa, bao gồm phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản và phương pháp nâng cao Mỗi phương pháp có khái niệm và phạm vi áp dụng được trình bày chi tiết trong bảng 3-1.
Bảng 3-1: Phương pháp thiết kế kết cấu chịu lửa theo Eurocode 2 [2] Phương pháp tra bảng
Phương pháp tính đơn giản
Phân tích riêng lẻ các cấu kiện
Nêu số liệu áp dụng cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn
Nêu số liệu phân bố nhiệt độ cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn Đưa ra các nguyên tắc
Phân tích một phần kết cấu Không đề cập
Nêu số liệu phân bố nhiệt độ cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn Đưa ra các nguyên tắc
Phân tích tổng thể toàn bộ hệ kết cấu Không đề cập Không đề cập Đưa ra các nguyên tắc
Các phương pháp thiết kế được chia thành hai nhóm chính: thiết kế theo nguyên tắc định trước và thiết kế theo tính năng kết cấu Thiết kế theo nguyên tắc định trước xác định khả năng chịu lực của cấu kiện dựa trên ứng xử nhiệt và cơ học của vật liệu khi chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO Ngược lại, phương pháp thiết kế theo tính năng kết cấu xác định khả năng chịu lực thông qua các mô hình tính toán khi chịu tác động của đường gia nhiệt bất kỳ.
3.1.2 Phương pháp tra bảng tính toán sàn BTCT ở nhiệt độ cao
Phương pháp tra bảng cho tính toán sàn một phương và sàn hai phương được quy định trong bảng 3.2, lấy từ bảng 5.8 của tiêu chuẩn Eurocode 2, cung cấp giá trị tối thiểu của bề dày sàn (h s) và khoảng cách lớp bê tông bảo vệ (a) từ mặt dưới đến trọng tâm của các thanh cốt thép chịu lực gần nhất Điều này nhằm đảm bảo khả năng kháng cháy theo quy định từ 30 phút đến 240 phút.
Bảng 3-2: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo Eurocode 2 [2]
Kích thước tối thiểu (mm)
Chiều dày sàn hs (mm)
Lớp bê tông bảo vệ
Sàn một phương Sàn hai phương l y /l x 1,5 1,5 < l y /l x 2
- l y và lx là chiều dài và chiều rộng của sàn hai phương, trong đó ly là chiều dài
Bảng 3-2 cung cấp thông tin cần thiết để thiết kế sàn bê tông cốt thép chịu lửa theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 Thiết kế sàn một phương trong bảng được tính toán dựa trên sơ đồ hai đầu khớp, trong khi thiết kế sàn hai phương dựa trên điều kiện bản kê bốn cạnh Sàn bê tông cốt thép được đề cập ở đây là cấu kiện đơn lẻ, không xem xét đến điều kiện liên tục.
Phương pháp tra bảng cho tính toán sàn bê tông cốt thép (BTCT) được quy định trong bảng 3.3, lấy từ bảng F.12 trong Quy chuẩn Việt Nam 06:2021/BXD, cung cấp giá trị tối thiểu của bề dày sàn (mm) và chiều dày lớp bê tông bảo vệ, tính từ mặt dưới đến trọng tâm của các thanh cốt thép chịu lực gần nhất Những thông số này đảm bảo khả năng kháng cháy từ 30 phút đến 240 phút.
Bảng 3-3: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo QCVN 06 [43],
Kết cấu sàn BTCT sàn BTCT
(Cốt liệu Silic hoặc đá vôi)
Giá trị nhỏ nhất của thông số, mm, để đảm bảo chịu lửa REI
Sàn đặc a) Chiều dày trung bình lớp bê tông bảo vệ b) Chiều cao tổng thể của tiết diện
Theo kết quả từ hai phương pháp bảng tra của Eurocode 2 và QCVN 06, tiết diện thiết kế cho sàn chịu lửa R30, R60, và R90 theo Eurocode cho thấy sự tiết kiệm hơn so với phương pháp còn lại.
Sàn được thiết kế theo tiêu chuẩn QCVN với khả năng chịu lửa R240 và R180 cho thấy yêu cầu của Eurocode cao hơn đáng kể, đặc biệt là về lớp bê tông bảo vệ.
3.1.3 Phường pháp đường đẳng nhiệt 500 0 C tính toán sàn ở nhiệt độ cao
Phương pháp đường đẳng nhiệt 500 °C được áp dụng cho cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) bị cháy theo tiêu chuẩn ISO 834 Dưới tác động của nhiệt, các đặc trưng cơ lý của bê tông thay đổi theo thời gian cháy Phương pháp này xác định một hệ số suy giảm chung cho các kích thước của tiết diện trong khu vực bị hư hại do nhiệt gần bề mặt bê tông Độ dày của lớp bê tông bị hư hại được xác định bằng độ sâu trung bình của đường đẳng nhiệt 500 °C Những phần bê tông có nhiệt độ trên 500 °C được coi là đã bị hư hại và không còn khả năng chịu tải, trong khi các phần bê tông ở phía bên trong tiết diện với nhiệt độ thấp hơn vẫn giữ được giá trị cường độ và mô đun đàn hồi nhất định.
Hình 3-1: Sự phân bố nhiệt độ sàn bị cháy 30 đến 240 phút theo Eurocode 2 [2]
Hình 3-1 thể hiện sự phân bố nhiệt độ trong các sàn chịu lửa từ 30 đến 240 phút theo tiêu chuẩn Châu Âu, cho phép xác định lớp sàn nào đã vượt quá 500 độ C trong thời gian cháy Dựa trên các phân lớp còn lại, khả năng chịu lực của sàn sẽ được tính toán Trong hình, trục X biểu thị khoảng cách từ vị trí đang xét đến bề mặt tiếp xúc với ngọn lửa, trong khi trục Y thể hiện nhiệt độ tương ứng của vị trí đó.
3.1.4 Phương pháp phân lớp tính toán sàn ở nhiệt độ cao
Phương pháp phân lớp là một phương pháp tính toán khả năng chịu lực của sàn bê tông cốt thép (BTCT) ở nhiệt độ cao với độ chính xác tối ưu hơn các phương pháp khác Đầu tiên, chiều dày của sàn BTCT được chia thành ít nhất ba phân lớp có kích thước bằng nhau Tiếp theo, nhiệt độ trong mỗi phân lớp sẽ được xác định thông qua bảng tra cứu hoặc mô hình trong phần mềm phân tích nhiệt Cường độ suy giảm cơ học của từng phân lớp sẽ được tính toán, từ đó xác định cường độ suy giảm trung bình k c (θ M 2) của cấu kiện sàn dựa trên các giá trị suy giảm của từng phân lớp Cường độ suy giảm trung bình này giúp xác định phần bê tông bị hư hại a z 2, từ đó tính toán khả năng chịu lực của sàn dựa trên các phân lớp còn lại.
Hình 3-2: Phương pháp phân lớp tính toán phần sàn bị cháy trong Eurocode 2 [2]
Phương pháp phân lớp được trình bày trong Hình 3-2 cho phép tính toán phần bê tông sàn bị hư hỏng theo tiêu chuẩn Châu Âu, mang lại kết quả tối ưu hơn so với phương pháp đường đẳng nhiệt 500 °C Theo Eurocode 2, đặc trưng cơ lý của bê tông vẫn còn khả năng làm việc trong điều kiện cháy sau 500 °C, do đó giả định rằng phần bê tông ở nhiệt độ này đã hư hỏng là chưa tối ưu.
3.1.5 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn Đường tiêu chuẩn (Standard) phù hợp cho việc mô phỏng đám cháy trong các công trình mà vật liệu gây cháy là vật liệu gốc Xenlulozo Đường Hydrocarbon [35] phù hợp cho việc mô phỏng đám cháy có nguồn gốc từ Hydrocarbon, những đám cháy này gây nhiệt độ tăng lên rất cao và nhanh Đường External phù hợp cho việc mô phỏng các đám cháy xảy ra bên ngoài công trình Trong kết cấu nhà cửa thường được thiết kế chịu cháy với đường Standard Đường này được gọi là đường tiêu chuẩn ISO 834 [4]
Đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO-834 là biểu đồ thể hiện sự tăng nhiệt độ theo thời gian, được sử dụng rộng rãi trong việc tính toán khả năng chịu lửa của các kết cấu Hình 3-3 minh họa một số đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian cháy, giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm này Công thức của đường gia nhiệt tiêu chuẩn là cơ sở cho các tính toán liên quan đến an toàn cháy.
Trong công thức này, đại lượng t đại diện cho thời gian tính bằng phút, trong khi T là nhiệt độ tương ứng tại thời điểm cháy Đồng thời, công thức đường gia nhiệt của Hydrocarbon và External được trình bày như sau:
3.1.6 Sự phát triển của đám cháy
Mỗi vụ cháy đều có những đặc điểm riêng như loại chất dễ cháy, thời gian bắt đầu, kích thước cửa sổ và lỗ thoát khói, dẫn đến mức độ gia tăng nhiệt lượng khác nhau Thông thường, các vụ cháy trải qua ba giai đoạn chính: giai đoạn bắt đầu, giai đoạn tăng nhiệt và giai đoạn hạ nhiệt Tuy nhiên, hầu hết các báo cáo chỉ chú trọng vào giai đoạn bắt đầu và tăng nhiệt vì cho rằng đây là những giai đoạn quan trọng nhất Bài luận này sẽ tập trung nghiên cứu giai đoạn tăng nhiệt của sàn bị cháy theo tiêu chuẩn ngọn lửa ISO 834.
3.1.7 Tổ hợp hệ quả các tác động chịu lửa
Tổng quan về phần mềm SAFIR
SAFIR là một chương trình phần tử hữu hạn chuyên dụng cho việc mô phỏng nhiệt học và cơ học của kết cấu trong điều kiện hỏa hoạn Phần mềm này hỗ trợ phân tích ứng xử kết cấu thông qua mô phỏng 2D đơn giản và mô phỏng 3D chi tiết Quy trình tính toán và phân tích cơ nhiệt của kết cấu bị cháy được thực hiện qua hai bước: đầu tiên là phân tích nhiệt học, sau đó kết quả sẽ được chuyển tiếp để thực hiện phân tích cơ học.
Hình 3-8: Kết quả mô phỏng kết cấu thép trong phần mềm SAFIR [3]
Phần mềm SAFIR [3] đã được áp dụng trong nhiều dự án nghiên cứu, với cơ sở dữ liệu phong phú từ các nghiên cứu và thí nghiệm về nhiều loại vật liệu, thành phần kết cấu và mức độ cháy khác nhau Được phát triển tại Đại học Liege, Bỉ, SAFIR sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán hành vi kết cấu trong điều kiện cháy.
Kết quả mô phỏng cháy trong phần mềm SAFIR cho cấu kiện dầm thép liên kết với cột thép cho thấy nhiệt độ ở từng phân lớp sàn BTCT bị cháy Hình 3-10 minh họa nhiệt độ chi tiết tại các vị trí trên các cấu kiện, cho phép xác định rõ ràng mức độ ảnh hưởng của cháy đến các cấu trúc này.
Hình 3-9: Kết quả nhiệt độ trong từng phân lớp sàn được mô phỏng bằng SAFIR [3]
Ứng dụng phần mềm SAFIR có khả năng tính toán nhiệt độ trong kết cấu dựa trên điều kiện đám cháy và các tính chất cơ nhiệt của vật liệu thép và bê tông Kết quả từ phân tích nhiệt học này có thể được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện theo các phương pháp và tiêu chuẩn hiện hành Ngoài ra, dữ liệu này còn được chuyển tiếp sang giai đoạn phân tích cơ học trong SAFIR để thực hiện tính toán và phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn.
Cơ sở lý thuyết cho SAFIR dựa trên các hiện tượng và định luật vật lý, đặc biệt là quá trình dẫn nhiệt trong chất rắn Quá trình trao đổi nhiệt này được mô tả qua phương trình Fourier, và trong hệ tọa độ Descartes, nó được thể hiện bằng một biểu thức cụ thể.
Trong biểu thức, {x, y, z} đại diện cho vector tọa độ Descartes, T là nhiệt độ tính bằng Kelvin, k là hệ số dẫn nhiệt tính bằng W/m/K, Q là nhiệt lượng sinh ra bên trong (W/m³), ρ là khối lượng riêng (kg/m³), c là nhiệt dung riêng (J/kgK), và t là thời gian cháy (s) Quá trình trao đổi nhiệt tại bề mặt và trong các khoang diễn ra thông qua đối lưu tuyến tính, được mô tả bởi công thức q = h (Tg - Ts), trong đó q là thông lượng nhiệt đối lưu giữa khí và rắn, h là hệ số đối lưu, Tg là nhiệt độ khí, và Ts là nhiệt độ bề mặt.
Mô hình cường độ vật liệu và mối quan hệ giữa cường độ và nhiệt độ được áp dụng trong SAFIR dựa trên mô hình trong Eurocode 2, như đã nêu trong mục 3.1.9.
PHÂN TÍCH SỐ
Mô hình sàn phân tích
4.1.1 Cấu hình sàn phân tích
Sàn bê tông cốt thép (BTCT) được phân tích với kích thước và sơ đồ như trong hình 4-1 Sàn có chiều dài L2 = 2000mm, chiều rộng L1 = 400mm, và độ dày h của sàn.
= 80 mm Sàn được xem là sàn một phương
Hình 4-1: Sơ đồ tính sàn 1 phương đơn giản
Tải trọng truyền vào sàn bao gồm:
- Tĩnh tải trọng lượng bản thân của sàn: D = 2,0 kN/m 2
- Tĩnh tải hoàn thiện (vữa, gạch, trần, và MEP): G = 1,7 kN/m 2
- Hoạt tải của sàn: Q = 2,0 kN/m 2
- Tổ hợp tải trọng khi cháy [44]: 1,0G + 0,4 Q = 4,5 kN/m 2
- Tải trọng quy đổi: q = 4,5 x 0,4 = 1,8 kN/m
- Điều kiện đám cháy: Đường gia nhiệt ISO 834
- Nhiệt độ môi trường xung quanh: 20 o C
Sàn BTCT có các thông số vật liệu như sau:
- Cường độ chịu nén ở nhiệt độ thường: f c = 20 MPa
- Cường độ chịu kéo ở nhiệt độ thường: f t = 0 MPa
- Lớp bê tông bảo vệ (tính đến mép cốt thép): a = 15 mm
- Cường độ chịu kéo ở nhiệt độ thường f y = 355 MPa
- Mô đun đàn hồi tại ở nhiệt độ thường E s = 210 Gpa
Cấu tạo sàn BTCT này được tính toán theo TCVN [45] Chiều dày bản sàn được xác định sơ bộ như sau:
Chọn sàn có chiều dày hs = 8 cm để tính toán diện tích bố trí cốt thép
Phương pháp tính toán nội lực sàn được sử dụng được giá trị moment tại gối và nhịp,
Chọn chiều dày lớp bê tông bảo vệ a = 15 mm cho nên h0 = h - a = 80 - 15 = 65 mm
Cốt thép CIII ( b =0,9), có cấp độ bền chịu nén Rb = 11,5 MPa
= = Chọn diện tích cốt thép được bố trí trong sàn là A s = 201 mm 2 min max
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ sàn được xác định lần lượt là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm và 20 mm, trong khi diện tích cốt thép chịu lực tương ứng là 141 mm2, 201 mm2, 314 mm2 và 452 mm2 Bề dày sàn được thiết kế với các kích thước 7 cm, 8 cm và 9 cm Những thay đổi trong các tham số thiết kế này hoàn toàn phù hợp với tiêu chuẩn TVCN và các điều kiện đã nêu trong phần tính toán trước đó.
Các sàn bê tông cốt thép (BTCT) có các thông số như chiều dày, lớp bê tông bảo vệ và diện tích bố trí cốt thép khác nhau sẽ được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR Dải nhiệt độ phân bố trong sàn sẽ được so sánh với tiêu chuẩn Eurocode 2 Kết quả ứng xử của các sàn trong tình huống cháy sẽ được ghi nhận và so sánh với nhau để đánh giá hiệu quả.
4.1.2 Phân tích nhiệt bằng phần mềm SAFIR
Sự gia tăng nhiệt độ trong cấu kiện sàn bê tông cốt thép (BTCT) theo thời gian được xác định dựa trên đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Tại thời điểm chưa cháy (t = 0 giây), nhiệt độ ban đầu là 20 oC Trong bài viết này, nhiệt độ môi trường xung quanh được lấy bằng với nhiệt độ của đường gia nhiệt ISO 834 tại thời điểm chưa cháy, tức là 20 oC.
4.1.2.2 Thông số vật liệu a) Thép
Vật liệu cốt thép trong phần mềm SAFIR [3] được mô phỏng với các thông số nhiệt học quan trọng như hệ số đối lưu nóng, hệ số đối lưu lạnh và hệ số bốc hơi, được trình bày trong bảng 4-1 Những dữ liệu này sau đó được thiết lập trong mục thông số nhiệt học của cốt thép trong SAFIR [3], như thể hiện trong hình 4-2.
Bảng 4-1: Thông số nhiệt học trong SAFIR [3] của cốt thép
Thông số nhiệt học Kí hiệu Giá trị
Hệ số đối lưu nóng h h 25
Hệ số đối lưu lạnh h c 4
Hình 4-2: Thiết lập thông số nhiệt học trong SAFIR cho Thép
Vật liệu cốt thép trong phần mềm SAFIR được mô phỏng với các thông số cơ học như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và cường độ chảy dẻo, được trình bày trong bảng 4-2 Những thông số này sẽ được thiết lập trong phần mềm SAFIR, như thể hiện trong hình 4-3.
Bảng 4-2: Thông số cơ học trong SAFIR [3] của cốt thép
Thông số cơ học Kí hiệu Giá trị
Mô đun đàn hồi E s 210 GPa
Cường độ chảy dẽo f y 355 MPa
Hình 4-3: Thiết lập thông số cơ học trong SAFIR [3] cho cốt thép b) Bê tông
Vật liệu bê tông được mô phỏng trong phần mềm SAFIR có các thông số nhiệt học quan trọng như khối lượng riêng, độ ẩm, hệ số đối lưu nóng, hệ số đối lưu lạnh, hệ số bốc hơi và thông số dẫn nhiệt, được trình bày trong bảng 4-3 Những dữ liệu này sẽ được nhập vào mục thiết lập thông số nhiệt học của bê tông trong SAFIR, như thể hiện trong hình 4-4.
Bảng 4-3: Thông số nhiệt học trong SAFIR [3] của bê tông
Thông số nhiệt học Kí hiệu Giá trị
Khối lượng riêng 2500 kN/m 3 Độ ẩm m 0 4,8%
Hệ số đối lưu nóng h h 25
Hệ số đối lưu lạnh h c 4
Hình 4-4: Thiết lập thông số nhiệt học trong SAFIR [3] cho Bê tông
Vật liệu bê tông trong phần mềm SAFIR được mô phỏng với các thông số cơ học như hệ số Poisson, cường độ chịu nén khối trụ và cường độ chịu kéo, được trình bày trong bảng 4-4 Những dữ liệu này sẽ được nhập vào phần thiết lập thông số cơ học của bê tông trong SAFIR, như thể hiện trong hình 4-5.
Bảng 4-4: Thông số cơ học trong SAFIR [3] của bê tông
Thông số cơ học Kí hiệu Giá trị
Cường độ chịu nén khối trụ f ck 20 MPa
Cường độ chịu kéo f t 0 MPa
Hình 4-5: Thiết lập thông số cơ học trong SAFIR [3] cho bê tông
Thực tế, cường độ chịu kéo của bê tông bằng 1
Cường độ chịu nén của bê tông theo tiêu chuẩn IS: 456 – 2000 là 10-15 MPa Trong phần mềm SAFIR, cường độ chịu kéo của bê tông được thiết lập là 0 MPa, dẫn đến kết quả mô phỏng được coi là một ước tính thận trọng Lý thuyết này đã được đề cập trong các nghiên cứu của tác giả Lim.
Nghiên cứu của Wang (2004) và Moss cùng các cộng sự đã chỉ ra rằng trong tài liệu hướng dẫn mô phỏng của phần mềm SAFIR, cường độ chịu kéo của bê tông được khai báo là 0 Mpa.
Phần mềm SAFIR cho phép mô phỏng nhiệt trong sàn thông qua ứng dụng SAFIR THERMAL Ứng dụng này cung cấp chức năng tạo các đối tượng hình học như đường thẳng, hình tròn, hình vuông và hình chữ nhật Bên cạnh đó, SAFIR cũng cho phép gán các đặc tính vật liệu, điều kiện đám cháy, nhiệt độ và các điều kiện biên khác nhau cho các đối tượng.
Hình 4-6: Đường gia nhiệt ISO 834 [4] và nhiệt độ thường của sàn trong SAFIR [3]
Hình 4-6 minh họa điều kiện nhiệt độ và đường tiêu chuẩn cháy ISO 834 được áp dụng cho sàn BTCT trong SAFIR Nhiệt độ từ đường gia nhiệt ISO 834 sẽ tiếp xúc với thớ dưới của sàn, do đó, đường FISO màu xanh lá được gán vào thớ dưới, trong khi đường màu đỏ đại diện cho nhiệt độ vật liệu ở 20°C, tương ứng với nhiệt độ môi trường Trước khi tiến hành phân tích nhiệt, sàn BTCT cần được rời rạc hóa thành các phần tử cho bê tông và cốt thép Tiết diện được chia thành các phần tử tam giác, với lưới phần tử xung quanh cốt thép được chia mịn hơn, trong khi lưới phần tử bê tông thô hơn, nhằm giúp SAFIR thực hiện phân tích hiệu quả và tiết kiệm thời gian.
Hình 4-7: Mô hình sàn BTCT đã được rời rạc hóa phần tử trong SAFIR [3]
4.1.2.4 Kết quả mô phỏng nhiệt
Hình 4-9, 4-10 và 4-11 thể hiện sự phân bố nhiệt độ trong sàn được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR trong 120 phút Sau mỗi 1 phút, nhiệt độ tại các tiết diện sàn được ghi lại, với thớ dưới tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa ISO 834, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ nhanh chóng Tại thời điểm 30 phút, nhiệt độ thớ dưới đạt từ 700 °C đến 800 °C, trong khi cốt thép ở mức 300 °C đến 400 °C Đến 60 phút, thớ dưới tăng lên 800 °C đến 900 °C, cốt thép đạt 500 °C đến 600 °C, và thớ trên của bê tông đã có sự thay đổi với nhiệt độ từ 100 °C đến 200 °C Tại thời điểm 90 phút, thớ dưới đạt từ 900 °C đến 1000 °C, cốt thép từ 600 °C đến 700 °C, trong khi thớ trên của bê tông có nhiệt độ khoảng 200 °C.
Hình 4-8: Nhiệt độ trong sàn tại thời điểm cháy 30 phút
Hình 4-9: Nhiệt độ trong tiết diện sàn tại thời điểm cháy 60 phút
Hình 4-10: Nhiệt độ trong tiết diện sàn tại thời điểm cháy 90 phút
Đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian cháy của cốt thép được mô phỏng bằng SAFIR, thể hiện bề mặt thớ trên, bề mặt thớ dưới và ngọn lửa tiêu chuẩn ISO.
Bề mặt thớ dưới của bê tông tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa ISO có nhiệt độ gia tăng nhanh chóng, đặc biệt sau 60 phút cháy khi nhiệt độ gần đạt đến nhiệt độ của ngọn lửa tiêu chuẩn Sau khoảng 30 phút cháy, nhiệt độ của cốt thép đạt 400 °C và tiếp tục tăng, dẫn đến việc đặc trưng cơ lý của cốt thép bị suy giảm theo tiêu chuẩn Eurocode 2 khi vượt quá 400 °C Trong khi đó, nhiệt độ bề mặt thớ trên của sàn, không tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa, duy trì ở 20 °C trong 20 phút đầu Tuy nhiên, từ 20 phút trở đi, nhiệt độ của lớp này bắt đầu gia tăng do tác động của sự truyền nhiệt, và theo Eurocode 2, đặc trưng cơ lý của bê tông sẽ suy giảm khi nhiệt độ vượt quá 100 °C Do đó, từ khoảng 50 phút cháy, nhiệt độ thớ trên của sàn bê tông cốt thép đã vượt 100 °C, dẫn đến sự suy giảm các đặc trưng cơ lý của bê tông.
Hình 4-11: Đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian khi mô phỏng SAFIR [3]
Kết quả của dải nhiệt độ phân bố trong sàn BTCT được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR
Kết quả và thảo luận
4.2.1 Sự ảnh hưởng của lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn
4.2.1.1 Sàn có chiều dày h s = 7 cm
Các sàn bê tông cốt thép (BTCT) có chiều dày h s = 7 cm, có diện tích cốt thép trong sàn A s
Trong nghiên cứu này, các sàn bê tông cốt thép (BTCT) với chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau đã được phân tích nhiệt học và cơ học bằng phần mềm SAFIR Cụ thể, bốn trường hợp với các chiều dày bảo vệ là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm và 20 mm đã được khảo sát Mục tiêu của mô phỏng là đánh giá ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn BTCT.
Hình 4-19: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Biểu đồ trong Hình 4-18 mô tả mối quan hệ giữa độ võng và thời gian cháy được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong thời gian chịu cháy của các sàn bê tông với các độ dày lớp bảo vệ khác nhau Cụ thể, sàn có lớp bê tông bảo vệ dày 12,5 mm có thời gian chịu cháy là 58 phút, trong khi lớp dày 15 mm là 64 phút, 17,5 mm là 69 phút, và 20 mm đạt 74 phút Điều này chứng tỏ rằng sàn bê tông cốt thép với lớp bảo vệ dày hơn sẽ có khả năng chịu lửa tốt hơn.
Đường cong độ võng theo thời gian cháy của 4 trường hợp sàn mô phỏng cho thấy giá trị trung bình của slope khoảng 1,5, với sự gia tăng nhanh chóng khi bước vào giai đoạn sụp đổ Giá trị 1,5 được chọn làm điểm mốc để xác định thời điểm trước khi sàn sụp đổ Thời điểm sụp đổ sẽ được đánh dấu trong hình 4-18 dựa trên kết quả này.
Hình 4-20: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Hình 4-20 minh họa thời gian sụp đổ của sàn bê tông cốt thép (BTCT) bị cháy, tương ứng với bốn trường hợp khác nhau về chiều dày lớp bê tông bảo vệ Cụ thể, các sàn BTCT có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 12,5 mm cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng chịu lửa và thời gian sụp đổ của công trình.
Khi tăng bề dày lớp bê tông bảo vệ của sàn từ 12,5 mm lên 15 mm, 17,5 mm và 20 mm, thời gian sụp đổ tương ứng là 0,96 giờ, 1,07 giờ, 1,15 giờ và 1,23 giờ Thời gian chịu lửa của sàn bê tông cốt thép (BTCT) với bề dày 7 cm tăng lần lượt 11,5%, 19,8% và 28,1% khi bề dày lớp bê tông bảo vệ gia tăng Điều này chứng tỏ rằng việc tăng cường bề dày lớp bê tông bảo vệ có tác động tích cực đến khả năng chịu lửa của sàn.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Độ co ng đ ườn g ch uy ển v ị
Thời gian (phút) a = 12,5mm a = 15mm a = 17,5 mm a = 20mm
1,5 tông bảo vệ từ 12,5mm đến 20mm với a= 2,5 mm thì thời gian chịu lửa của sàn cũng tăng đến 28,1%
Hình 4-21: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ
Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa của sàn dày 7 cm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ được mô tả qua phương trình T kncl = 0,0363a + 0,5117 (giờ) Trong đó, T kncl đại diện cho thời gian chịu lửa của sàn và a là chiều dày lớp bê tông bảo vệ Phương trình này được xây dựng dựa trên việc vẽ đường thẳng tuyến tính giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ và thời gian chịu lửa của bốn trường hợp sàn thiết kế.
T hời gian ch ịu lửa (g iờ)
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm)
4.2.1.2 Sàn có chiều dày h s = 8 cm
Các sàn bê tông cốt thép (BTCT) có chiều dày h = 8 cm và diện tích cốt thép A_s = 201 mm² đã được mô hình hóa trong phần mềm SAFIR để phân tích nhiệt học và cơ học Nghiên cứu đã xem xét 4 trường hợp với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau: 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm và 20 mm Mục tiêu của mô phỏng này là để đánh giá ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn BTCT.
Hình 4-22: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Biểu đồ trong Hình 4-21 minh họa mối quan hệ giữa độ võng và thời gian cháy được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong thời gian chịu cháy của các sàn có lớp bê tông bảo vệ khác nhau: sàn với lớp bê tông bảo vệ 12,5 mm có thời gian chịu cháy 67 phút, lớp 15 mm là 75 phút, lớp 17,5 mm là 82 phút, và lớp 20 mm đạt 91 phút Điều này chứng tỏ rằng sàn có lớp bê tông bảo vệ dày hơn sẽ có khả năng chịu lửa tốt hơn.
Đường cong độ võng theo thời gian cháy của 4 trường hợp sàn mô phỏng cho thấy giá trị trung bình của slope khoảng 1,5 Giá trị này tăng nhanh chóng khi sàn tiến vào giai đoạn sụp đổ, do đó, 1,5 được chọn làm điểm mốc để xác định thời điểm trước khi sàn sụp đổ Thời điểm sụp đổ sẽ được đánh dấu trong hình 4-21.
Hình 4-23: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Hình 4-23 minh họa thời gian sụp đổ của sàn bê tông bị cháy, tương ứng với bốn trường hợp có chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau Trong đó, các sàn bê tông cốt thép (BTCT) có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 12,5 mm.
Thời gian sụp đổ của sàn bê tông cốt thép (BTCT) tăng khi lớp bê tông bảo vệ dày hơn, với các kích thước 15 mm, 17,5 mm và 20 mm có thời gian sụp đổ lần lượt là 1,12 giờ, 1,24 giờ, 1,37 giờ và 1,52 giờ Cụ thể, khi tăng độ dày lớp bê tông từ 12,5 mm lên 15 mm, 17,5 mm và 20 mm, thời gian chịu lửa gia tăng lần lượt 10,8%, 22,3% và 35,7% Điều này chứng tỏ rằng khả năng chịu lửa của sàn BTCT với bề dày 8 cm có thể cải thiện đáng kể khi tăng độ dày lớp bê tông bảo vệ.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Độ co ng đ ườn g ch uy ển v ị
Thời gian (phút) a = 12,5mm a = 15mm a = 17,5 mm a = 20mm
1.5 tông bảo vệ từ 12,5mm đến 20mm với a= 2,5 mm thì thời gian chịu lửa của sàn cũng tăng đến 35,7%
Hình 4-24: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ
Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa của sàn dày 8 cm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ được mô tả bằng phương trình T kncl = 0,0525a + 0,4583 (giờ) Trong đó, T kncl là thời gian chịu lửa của sàn, còn a là chiều dày lớp bê tông bảo vệ Phương trình này được xây dựng dựa trên việc vẽ đường thẳng tuyến tính thể hiện mối liên hệ giữa chiều dày lớp bê tông và thời gian chịu lửa của bốn trường hợp sàn đã được thiết kế.
T hờ i g ian chị u lửa ( gi ờ)
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm)
4.2.1.3 Sàn có chiều dày h s = 9 cm
Các sàn bê tông cốt thép (BTCT) có chiều dày h = 9 cm và diện tích cốt thép A s = 201 mm² đã được phân tích nhiệt học và cơ học trong phần mềm SAFIR Nghiên cứu bao gồm 4 trường hợp với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau: 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm và 20 mm Mục đích của mô phỏng này là để đánh giá ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn BTCT.
Hình 4-25: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Biểu đồ trong Hình 4-24 minh họa mối quan hệ giữa độ võng và thời gian cháy được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR Kết quả cho thấy rõ sự khác biệt giữa các trường hợp sàn Cụ thể, sàn có lớp bê tông bảo vệ dày 12,5 mm có thời gian chịu cháy là 75 phút, trong khi lớp dày 15 mm kéo dài thời gian lên 85 phút, lớp 17,5 mm đạt 95 phút và lớp 20 mm có thời gian chịu cháy lên đến 105 phút Điều này chứng tỏ rằng sàn với lớp bê tông bảo vệ dày hơn sẽ có khả năng chịu lửa tốt hơn.
Hình 4-25 thể hiện đường cong độ võng theo thời gian cháy của bốn trường hợp sàn mô phỏng, với giá trị trung bình của slope khoảng 1,5 Giá trị này tăng nhanh chóng khi sàn tiến vào giai đoạn sụp đổ, do đó, 1,5 được chọn làm điểm mốc xác định thời điểm trước khi sàn sụp đổ Kết quả này sẽ được đánh dấu vào hình 4-24 để thể hiện thời điểm mốc trước khi các trường hợp sàn bước vào giai đoạn sụp đổ.
Hình 4-26: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Kết luận chương
Kết quả mô phỏng nhiệt từ phần mềm SAFIR cho mặt cắt ngang sàn BTCT phù hợp với tiêu chuẩn Eurocode 2 Dữ liệu nhiệt độ bên trong sàn phân bố rõ ràng và tuân theo đường gia nhiệt ISO 834 Do đó, phần mềm SAFIR là công cụ tin cậy để phân tích nhiệt học của cấu kiện sàn BTCT.
Kết quả về đường cong độ võng theo thời gian cháy được chia thành ba giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên có đặc điểm gần như tuyến tính, trong khi giai đoạn thứ hai và thứ ba thể hiện sự phi tuyến, với độ võng tăng nhanh chóng dẫn đến sụp đổ Hai giai đoạn này có thể gộp lại thành giai đoạn sụp đổ do diễn ra trong khoảng thời gian ngắn Điểm cuối của giai đoạn 1 đánh dấu trạng thái sụp đổ của sàn BTCT, sau đó sàn sẽ bước vào giai đoạn phá hoại Thời gian sụp đổ tương ứng với thời điểm kết thúc giai đoạn 1 Công thức slope được sử dụng để xác định độ cong của độ võng và thời gian cháy, giúp xác định thời điểm mà độ cong bắt đầu vượt qua giá trị trung bình, được gọi là điểm cuối của giai đoạn 1 hay thời điểm sụp đổ.
Hình 4-61: Các giai đoạn của sàn khi mô phỏng cháy
Thời gian sụp đổ của công trình có thể gia tăng đáng kể bằng cách tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép chịu lực và bề dày của sàn bê tông cốt thép Việc điều chỉnh các thông số này là rất quan trọng để nâng cao khả năng chịu lực và độ bền của công trình.
Khi bề dày sàn tăng từ 7 cm đến 9 cm, thời gian sụp đổ của sàn có lớp bê tông bảo vệ 12,5 mm tăng từ 16,7% đến 29,2%, trong khi sàn với lớp bê tông bảo vệ 20 mm tăng từ 23,6% đến 41,4% Đối với diện tích cốt thép chịu lực, khi tăng từ 141 mm2 đến 452 mm2, thời gian sụp đổ của sàn dày 7 cm tăng từ 28% đến 83%, và sàn dày 9 cm tăng từ 38,2% đến 88,2% Ngoài ra, khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng, thời gian sụp đổ cũng tăng đáng kể, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa độ dày sàn, diện tích cốt thép và khả năng chịu lực của sàn.
Thời gian chịu lửa của sàn tỷ lệ thuận với chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép chịu lực và bề dày sàn Mối quan hệ này được thể hiện qua các phương trình: T kncl = 0,0363a + 0,5117 (giờ) cho bề dày sàn 7 cm và T kncl = 0,0525a + 0,4583 (giờ) cho bề dày sàn 8 cm.
T kncl = a + (giờ) khi bề dày sàn đạt 9 cm Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa của sàn và diện tích cốt thép chịu lực được thể hiện qua các phương trình.
Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa và bề dày sàn được thể hiện qua các phương trình T kncl = 0,0026 A s + 0,6407 (giờ) cho bề dày 7 cm, T kncl = 0,0027 A s + 0,7633 (giờ) cho bề dày 8 cm, và T kncl = 0,0027 A s + 0,7633 (giờ) cho bề dày 9 cm Đối với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm và 20 mm, các phương trình tương ứng là T kncl = 0,1417 h s − 0,0264 (giờ), T kncl = 0,1729 h s − 0,143 (giờ), T kncl = 0,2146 h s + 0,3514 (giờ), và T kncl = 0,2542 h s − 0,5361 (giờ) Ngoài ra, mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa và diện tích cốt thép cũng được mô tả qua các phương trình T kncl = 0,1 h s + 0,1133 (giờ) cho diện tích 141 mm², T kncl = 0,1813 h s − 0,2153 (giờ) cho 201 mm², T kncl = 0,1829 h s + 0,0522 (giờ) cho 314 mm², và T kncl = 0,2083 h s + 0,0522 (giờ) cho 452 mm².