Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép bị cháy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số : 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS CAO VĂN VUI

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS ĐỖ NGUYỄN VĂN VƯƠNG Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG - Chủ tịch Hội đồng

3 PGS.TS ĐỖ NGUYỄN VĂN VƯƠNG - Ủy viên (Phản biện 1)4 PGS.TS ĐÀO ĐÌNH NHÂN - Ủy viên (Phản biện 2)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 07/12/1997 Nơi sinh: Thành phố Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8580201

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép bị cháy Behaviour of reinforced concrete slabs exposed to fire I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về sàn bê tông cốtthép (BTCT) bị cháy.

2 Mô phỏng ứng xử của sàn bê tông cốt thép bị cháy.3 Phân tích ứng xử của sàn BTCT bị cháy.

4 Phân tích thời gian chịu lửa của sàn BTCT bị cháy theo các tham số thiết kế khácnhau như chiều dày lớp bể tông bảo vệ, diện tích cốt thép và chiều dày bản sànkhác nhau.

5 So sánh và đưa ra kết luận.

PGS.TS Cao Văn Vui

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

TÓM TẮT

Luận văn này nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép (BTCT) bị cháy Phần mềm phần tử hữu hạn SAFIR đã được sử dụng để mô phỏng và phân tích ứng xử nhiệt học và cơ học cho sàn BTCT bị cháy theo tiêu chuẩn ISO 834 Đầu tiên, phần mềm sẽ mô phỏng và phân tích nhiệt học cho sàn BTCT bị cháy Kết quả sẽ được so sánh và kiểm chứng với tiêu chuẩn Eurocode 2 Sau khi mô phỏng nhiệt học, dữ liệu nhiệt độ sẽ tiếp tục được sử dụng để phân tích cơ học trong SAFIR, để xác định độ võng của sàn BTCT bị cháy Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng quan hệ độ võng-thời gian cháy của sàn có thể được chia làm ba giai đoạn: giai đoạn một gần như tuyến tính, giai đoạn hai là giai đoạn chuyển tiếp, và giai đoạn ba là giai đoạn sụp đổ Đồng thời, kết quả mô phỏng cho thấy các tham số thiết kế như chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép, và bề dày sàn có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lửa của sàn BTCT Trong các tham số thiết kế, diện tích cốt thép có vai trò khá lớn đối với khả năng chịu lửa của sàn BTCT

ABSTRACT

This thesis investigates on the behaviour of reinforced concrete (RC) slabs exposed to fire Finite element SAFIR software was used to conduct thermal and mechanical analyses of RC slabs exposed to ISO 834 fire First, thermal analyses were conducted to obtain the temperature distribution in RC slabs exposed to fire The results of thermal analysis were compared with those of Eurocode 2 The results of thermal analyses were used for mechanical analyses to determine the deflection of RC slabs The results showed that the deflection-fire time relationship of RC slabs exposed to fire can be divided into three phases: phase one was almost linear, phase two was a transitional phase, and phase three was the collapse phase The results also show that the design parameters such as the thickness of concrete cover, the steel area and the slab thickness had significant influences on the fire resistance of RC slabs Among the considered parameters, the steel area played the most important role in the fire resistance of RC slabs

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bài làm do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Cao Văn Vui Các kết quả trong bài làm là đúng theo tính toán và chưa được công bố ở các nghiên cứu nào khác Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn do mình thực hiện

Học viên cao học

Ngô Phi Giang

2.1 Giới thiệu chung 5

2.2 Sơ lược lịch sử phát triển 6

2.2.1 Ở nước ngoài 6

2.2.2 Ở trong nước 14

2.3 Nhận xét 17

CHƯƠNG 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

3.1 Nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EN 1992 18

3.1.1 Các phương pháp tính toán 18

3.1.2 Phương pháp tra bảng tính toán sàn BTCT ở nhiệt độ cao 19

3.1.3 Phường pháp đường đẳng nhiệt 5000C tính toán sàn ở nhiệt độ cao 21

3.1.4 Phương pháp phân lớp tính toán sàn ở nhiệt độ cao 22

3.1.5 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn 23

3.1.6 Sự phát triển của đám cháy 24

3.1.7 Tổ hợp hệ quả các tác động chịu lửa 24

3.1.8 Các tiêu chí về khả năng chịu lửa và nguyên tắc kiểm tra 25

3.1.9 Sự suy giảm tính năng chịu lực của vật liệu ở nhiệt độ cao 26

3.2 Tổng quan về phần mềm SAFIR 28

CHƯƠNG 4.PHÂN TÍCH SỐ 30

4.1 Mô hình sàn phân tích 30

4.1.1 Cấu hình sàn phân tích 30

4.1.2 Phân tích nhiệt bằng phần mềm SAFIR 32

4.1.3 Mô hình phân tích cơ học bằng phần mềm Safir 41

4.1.4 Kiểm chứng cơ học 44

4.2 Kết quả và thảo luận 46

4.2.1 Sự ảnh hưởng của lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn 46

4.2.2 Sự ảnh hưởng của diện tích cốt thép đến ứng xử của sàn 57

4.2.3 Sự ảnh hưởng của chiều dày bản sàn đến ứng xử khi cháy 68

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Cháy rụi công ty sản xuất ghế sofa ở Bình Dương [5] 3Hình 1-2: Vụ cháy trung tâm thương mại ở Thủ đô Dhaka của

Bangladesh [6] 3Hình 2-1: Hỏa hoạn tại bảo tàng Quốc gia Brazil tại Rio de Janeiro [7] 5Hình 2-2: Hỏa hoạn trong khu dân cư tại Hà Nội, Việt Nam [8] 5Hình 3-1: Sự phân bố nhiệt độ sàn bị cháy 30 đến 240 phút theo

Eurocode 2 [2] 21Hình 3-2: Phương pháp phân lớp tính toán phần sàn bị cháy trong

Eurocode 2 [2] 22Hình 3-3: Một số đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian cháy

cháy 23Hình 3-4: Sự suy giảm cường độ của bê tông bị cháy theo tiêu chuẩn

Châu Âu [2] 26Hình 3-5: Bảng tra sự suy giảm cường độ bê tông bị cháy theo tiêu

chuẩn Châu Âu [2] 26Hình 3-6: Sự suy giảm cường độ của cốt thép bị cháy theo tiêu chuẩn

Châu Âu [2] 27

Hình 3-7: Bảng tra sự suy giảm cường độ cốt thép bị cháy theo tiêu chuẩn Châu Âu [2] 27Hình 3-8: Kết quả mô phỏng kết cấu thép trong phần mềm SAFIR [3] 28Hình 3-9: Kết quả nhiệt độ trong từng phân lớp sàn được mô phỏng

bằng SAFIR [3] 29Hình 4-1: Sơ đồ tính sàn 1 phương đơn giản 30Hình 4-2: Thiết lập thông số nhiệt học trong SAFIR cho Thép 33Hình 4-3: Thiết lập thông số cơ học trong SAFIR [3] cho cốt thép 34Hình 4-4: Thiết lập thông số nhiệt học trong SAFIR [3] cho Bê tông 35Hình 4-5: Thiết lập thông số cơ học trong SAFIR [3] cho bê tông 36Hình 4-6: Đường gia nhiệt ISO 834 [4] và nhiệt độ thường của sàn trong

SAFIR [3] 36Hình 4-7: Mô hình sàn BTCT đã được rời rạc hóa phần tử trong SAFIR

[3] 37Hình 4-8: Nhiệt độ trong sàn tại thời điểm cháy 30 phút 38Hình 4-9: Nhiệt độ trong tiết diện sàn tại thời điểm cháy 60 phút 38Hình 4-10: Nhiệt độ trong tiết diện sàn tại thời điểm cháy 90 phút 38

Hình 4-11: Đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian khi mô phỏng SAFIR [3] 39Hình 4-12: So sánh nhiệt độ mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] và

hồ sơ nhiệt độ trong Eurocode 2 [2] tại thời điểm cháy 30 phút (R30) 40Hình 4-13: So sánh nhiệt độ mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] và

hồ sơ nhiệt độ trong Eurocode 2 [2] tại thời điểm cháy 60 phút (R60) 40Hình 4-14: Ứng dụng phân tích cơ học trong phầm mềm SAFIR [3] 41Hình 4-15: Mô hình phân tích cơ học của sàn trong phần mềm SAFIR

[3] 41Hình 4-16: Kết quả độ võng của sàn theo thời gian cháy được mô phỏng

trong SAFIR [3] 42Hình 4-17: Độ cong của độ võng theo thời gian 43Hình 4-18: Kết quả độ võng của sàn theo thời gian cháy được mô phỏng

trong SAFIR [3] 44Hình 4-19: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê

tông bảo vệ 46Hình 4-20: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê

tông bảo vệ 47

Hình 4-20: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ 48Hình 4-21: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê

tông bảo vệ 49Hình 4-22: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê

tông bảo vệ 50Hình 4-23: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều

dày lớp bê tông bảo vệ 51Hình 4-24: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê

tông bảo vệ 52Hình 4-25: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê

tông bảo vệ 53Hình 4-26: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều

dày lớp bê tông bảo vệ 54Hình 4-27: Thời gian chịu lửa của các sàn có chiều dày lớp bê tông bảo

vệ khác nhau 55Hình 4-28: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có chiều dày lớp

bê tông bảo vệ khác nhau 56Hình 4-29: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi diện

tích cốt thép 57

Hình 4-30: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi diện tích cốt thép 58Hình 4-31: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các diện tích cốt

thép khác nhau 59Hình 4-32: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi diện

tích cốt thép 60Hình 4-33: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi diện

tích cốt thép 61Hình 4-34: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các diện tích

cốt thép khác nhau 62Hình 4-35: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi diện

tích cốt thép 63Hình 4-36: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi diện

tích cốt thép 64Hình 4-37: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các diện tích

cốt thép khác nhau 65Hình 4-38: Thời gian chịu lửa của các sàn có diện tích cốt thép khác

nhau 66Hình 4-39: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có diện tích cốt

thép khác nhau 67

Hình 4-40: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 68Hình 4-41: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các bề dày khác

nhau 69Hình 4-42: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 70Hình 4-43: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày

khác nhau 71Hình 4-44: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 72Hình 4-45: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các bề dày khác

nhau 73Hình 4-46: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 74Hình 4-47: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các bề dày khác

nhau 75Hình 4-48: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 76Hình 4-49: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày

khác nhau 77Hình 4-50: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 78Hình 4-51: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày

khác nhau 79Hình 4-52: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 80

Hình 4-53: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày khác nhau 81Hình 4-54: Đường cong độ võng theo thời gian cháy 82Hình 4-55: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các diện tích

cốt thép khác nhau 83Hình 4-56: Thời gian sụp đổ tương ứng với các chiều dày bản sàn và bê

tông bảo vệ 84Hình 4-57: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có bề dày khác

nhau 85Hình 4-58: Thời gian sụp đổ tương ứng với các chiều dày bản sàn và

tiết diện cốt thép 85Hình 4-59: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có bề dày khác

nhau 86Hình 4-60: Các giai đoạn của sàn khi mô phỏng cháy 87

Bảng 4-1: Thông số nhiệt học trong SAFIR [3] của cốt thép 32

Bảng 4-2: Thông số cơ học trong SAFIR [3] của cốt thép 33

Bảng 4-3: Thông số nhiệt học trong SAFIR [3] của bê tông 34

Bảng 4-4: Thông số cơ học trong SAFIR [3] của bê tông 35

Bảng 4-5: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo Eurocode 2 [2] 44

Bảng 4-6: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo QCVN 06 [43] 45

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do thực hiện đề tài

Ngày nay, ngành xây dựng đã phát triển rất nhiều so với trước đây Các công trình đã có thể đạt được những chiều cao chọc trời, với độ bền hàng trăm năm Thế nhưng, khi hỏa hoạn xảy ra, mọi thứ đều đối mặt với nguy cơ bị phá hủy và sụp đổ Sự mất mát về con người và tài sản sẽ thật sự rất lớn nếu như công trình bị hỏa hoạn Chính vì thế, các nghiên cứu về khả năng chịu lửa và thời gian chịu lửa trong đám cháy của các công trình bê tông cốt thép là thật sự cần thiết

Khi hỏa hoạn xảy ra, sàn BTCT chịu tác động trực tiếp của ngọn lửa từ bên dưới Mọi thứ được chất bên trên bao gồm tài sản, con người, … gần như chắc chắn sẽ bị thiệt hại nếu như sàn bị sụp đổ Khi tiếp xúc với ngọn lửa, các đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép của sàn sẽ bị thay đổi dẫn đến khả năng chịu lực của sàn bị giảm đi đáng kể Đến một lúc nào đó, khả năng chịu lực của sàn không còn đủ để chịu các tải trọng hiện hữu thì sàn sẽ sụp đổ Thế nên, nghiên cứu về khả năng chịu lửa trong đám cháy của sàn là thật sự quan trọng

Khả năng chịu lửa của sàn BTCT rất khó để có thể xác định chính xác được Tiêu chuẩn Việt Nam [1] có đề ra những hướng dẫn thiết kế sơ bộ cho vật liệu bê tông và cốt thép chịu cháy Tuy nhiên, phần lớn mọi chỉ dẫn của TCVN lại không có những công thức thiết kế chi tiết, mà chủ yếu nêu ra các thông số mặc định dưới dạng bảng Khả năng chịu cháy của sàn sẽ ứng với bề rộng, bề dày, chiều dày lớp bê tông bảo vệ và diện tích cốt thép tối thiểu phù hợp Các thông số trên được căn cứ dựa trên các thí nghiệm thực tế Bên cạnh đó, một số tiêu chuẩn nước ngoài có chỉ dẫn về tính toán khả năng chịu lửa của kết cấu và trong đó có tiêu chuẩn của châu Âu Eurocode 2 [2] trình bày khá là chi tiết Đây là tiêu chuẩn được dùng để thiết kế kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện cháy

Khoa học và công nghệ ngày nay rất phát triển, nhiều phần mềm có khả năng phân tích được ứng xử cơ nhiệt đồng thời cho sàn BTCT bị cháy Kết quả mô phỏng từ phần mềm được đánh giá là sát với kết quả thực nghiệm Vậy nên, trong bài luận này, phần mềm phần tử hữu hạn SAFIR [3] sẽ được dùng để phân tích mô phỏng sàn BTCT bị cháy nhằm đánh giá ứng xử và khả năng chịu cháy của sàn BTCT Đồng thời, sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến ứng xử và thời gian chịu lửa của sàn cũng sẽ được so sánh và đánh giá

- Phân tích ứng xử và thời gian chịu lửa của sàn BTCT

- So sánh khả năng chịu lửa của các sàn BTCT có các tham số thiết kế khác nhau - Đưa ra nhận xét và kết luận

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là sàn BTCT bị cháy

- Phạm vi nghiên cứu là đánh giá ứng xử và thời gian chịu lửa sàn BTCT được mô phỏng cháy dưới ngọn lửa ISO – 834 [4]

1.4 Ý nghĩa khoa học

- Đánh giá ảnh hưởng của ngọn lửa đến cấu kiện sàn bê tông cốt thép - Phân tích nhiệt độ được phân bố trong sàn BTCT bị cháy

- Đánh giá ứng xử và khả năng chịu lửa của sàn BTCT bị cháy

- Đánh giá sự thay đổi các tham số thiết kế đến thời gian chịu lửa của sàn BTCT

Những vụ cháy liên tiếp đã xảy ra gây nên thiệt hại rất lớn về người và tài sản Theo số liệu thống kê của Cục Cảnh sát PCCC, trong tháng 5/2021, toàn lãnh thổ Việt Nam đã xảy ra 450 vụ cháy nổ, làm chết 14 người, bị thương 26 người; thiệt hại tài sản ước tính 28,9 tỷ đồng Đồng thời, trên thế giới, các vụ hỏa hoạn còn có số lượng và quy mô lớn hơn rất nhiều Bên cạnh đó, kết quả thu được từ nghiên cứu này góp phần bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong cùng lĩnh vực Vì vậy mục đích nghiên cứu của đề tài này là tìm hiểu kĩ hơn về khả năng chịu cháy

của sàn BTCT nhằm đưa ra những biện pháp thiết kế chịu cháy tốt hơn cho công trình Hình 1-1 đề cập đến một đám cháy lớn xảy ra ở Bình Dương [5] Hàng nghìn mét vuông nhà xưởng ở Khu công nghiệp Sóng Thần 3 đã bị thiêu rụi hoàn toàn và đổ sập trong vụ cháy kinh hoàng xảy ra vào ngày 1/11 Sau hơn 2 giờ, đám cháy đã được khống chế nhưng thiệt hại về tài sản là vô cùng lớn [5]

Hình 1-1: Cháy rụi công ty sản xuất ghế sofa ở Bình Dương [5].

Hình 1-2: Vụ cháy trung tâm thương mại ở Thủ đô Dhaka của Bangladesh [6]

Sáng ngày 13/3/2009, ngọn lửa đã bùng phát tại tòa nhà trung tâm thương mại 21 tầng Bashundhara City tại Thủ đô Dhaka của Banggladesh [6].May mắn thay, phần lớn các khu

vực văn phòng, và khu phức hợp là trống tại thời điểm hỏa hoạn Tổng cộng có 17 người bị thương và 1 người bị thiệt mạng [6] Hình 1-2 là hình ảnh vụ cháy trung tâm thương mại Bashundhara City tại Thủ đô Dhaka của Banggladesh nhìn từ trên cao [6]

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu chung

Những vụ hỏa hoạn không chỉ lấy đi tiền của, vật chất, sinh mạng của rất nhiều người, mà còn hủy hoại đi mất nhiều nét đẹp văn hóa, lịch sử, di sản văn hóa từ xa xưa đến đương đại Ở nước ngoài, điển hình như đám cháy nhà thờ Đức Bà Paris (2019), Đại Chiêu cổ tự Tây Tạng (2018) và bảo tàng Quốc gia Brazil (2018) [7] Hình 2-1 chính là đám cháy lớn ở bảo tàng Quốc gia Brazil [7] Sự kiện hỏa hoạn này không thiệt hại về người nhưng đã hủy hoại đi 20 triệu hiện vật giá trị từ các thời kỳ Hy Lạp, La Mã cổ đại, Ai Cập và đặc biệt nhất trong số đó là hóa thạch người cổ nhất mang tên “Luzia” [7]

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]

Còn ở Việt Nam, theo như thống kê của tờ báo VOV [8], năm 2021 có tổng cộng 1154 đám cháy trên toàn quốc, 53 người mất, 77 người bị thương, thiệt hại về tài sản là gần 300 tỷ đồng Đặc biệt trong những khu dân cư, khi hỏa hoạn xảy ra dễ cháy lan qua những công trình xung quanh, rất dễ gây thiệt hại đến tính mạng và tiền của như hình 2-2 Sang năm 2022, các vụ cháy đã có phần thuyên giảm xuống còn 848 vụ cũng như những thiệt hại về người và tài sản cũng được thuyên giảm [8] Nhưng nhận xét chung là tác động của hỏa hoạn ở Việt Nam vẫn còn ở mức rất cao và nguy hiểm

Khi có hỏa hoạn, sàn là một cấu kiện chịu lực chính và chịu tác động trực tiếp của ngọn lửa Khả năng chịu lực của kết cấu sàn BTCT khi bị cháy sẽ thay đổi và bị ảnh hưởng rất nhiều 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

2.2 Sơ lược lịch sử phát triển

Suốt lịch sử phát triển của nhân loại thì không ít những công trình đã bị biến mất, sụp đổ vì những trận hỏa hoạn Con người đã và đang nghiên cứu những phương pháp để giúp công trình có thể tồn tại được sau những đám cháy Hay là, nghiên cứu thời gian công trình có thể trụ vững được để chờ các tác động từ biện pháp phòng cháy chữa cháy

Năm 2004, Lim và cộng sự [9] đã trình bày mô hình số của ứng xử cháy của sàn bê tông cốt thép (BTCT) hai phương Tác giả sử dụng chương trình phần tử hữu hạn phi tuyến SAFIR [10] để mô phỏng sàn trong điều kiện hỏa hoạn Nhiều mẫu sàn BTCT và sàn liên hợp được mô phỏng cháy bởi ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4] trong chương trình SAFIR [3] Các phân tích cho thấy sự phát triển của lực màng khi sàn bị cháy và chính sự phát triển này đem đến sự tích cực cho khả năng chịu lửa của sàn Đồng thời, các kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với các thử nghiệm cháy thực tế Điều này chứng minh phần mềm SAFIR [3] có thể được sử dụng để dự đoán ứng xử màng của các sàn bê tông cốt thép trong điều kiện hỏa hoạn

Năm 2004, Lim và cộng sự [11] đã nghiên cứu về việc ứng dụng phần mềm máy tính để mô phỏng cháy cho các sàn BTCT một phương với các điều kiện biên khác nhau Sàn BTCT một nhịp có chiều dài là 5 m, tải trọng phân bố đều đã được phân tích bằng chương trình

phần tử hữu hạn SAFIR [3] Nghiên cứu đã xem xét ảnh hưởng của vị trí lực nén dọc trục và các độ cứng khác nhau được gán vào điều kiện biên Các tác động của lực dọc trục cũng đã được nghiên cứu Các phân tích cho thấy rằng ứng xử của sàn BTCT rất nhạy cảm với vị trí của lực nén dọc trục và độ cứng của điều kiện biên Các sàn có liên kết ngàm được cho rằng có ứng xử và khả năng chống cháy tốt hơn

Năm 2005, Bruce [12] đã nghiên cứu về tổ hợp tải trọng để thiết kế sàn chịu cháy Nghiên cứu đã cung cấp các cơ sở xác xuất xảy ra trong điều kiện hỏa hoạn của các loại tải trọng, đồng thời là đề xuất các tổ hợp tải trọng cụ thể Kết quả này được so sánh với các tiêu chuẩn hiện hữu Mục đích của bài nghiên cứu này là cung cấp một cơ sở lý thuyết về tổ hợp tải trọng để phục vụ việc mô hình phân tích bằng máy tính trong tương lai, phục vụ cho công tác thiết kế và đánh giá các trạng thái giới hạn, các trường hợp cháy, và các điều kiện cháy thực tế một cách rõ ràng hơn

Năm 2005, Franssen [13] nghiên cứu phương pháp mô phỏng cấu kiện chịu cháy được rời rạc hóa thành các phần tử hình tứ giác để tối ưu kết quả trong phần mềm SAFIR [3] là phần mềm phần tử hữu hạn để phân tích nhiệt và cơ học của kết cấu tiếp xúc với lửa, được sử dụng trong nghiên cứu này Đối với phân tích cơ học, một thư viện các phần tử khác nhau có sẵn trong SAFIR [3]: giàn, dầm, Các mô hình vật liệu khác nhau có thể được sử dụng Đây là những mô hình đàn dẻo dựa trên thuyết von Mises (đối với vật liệu đẳng hướng) Các tham số của mô hình đã được chọn sao cho phù hợp với các khuyến nghị của Eurocode 2 và 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 [14] đã trình bày các phương pháp xác định khả năng chịu lửa của cấu kiện sàn, dầm, cột BTCT theo Eurocode 2 [2] Đó là các phương pháp phân lớp và phương pháp lặp tăng dần Các cấu kiện dầm, cột, sàn đã được tính toán dựa trên các phương pháp nêu trên và đã được so sánh với kết quả thử lửa tham khảo từ tài liệu nghiên cứu trước đây Kết quả của 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 thấy kết quả tương đối phù hợp với toàn bộ kết quả thực nghiệm Tuy rằng, phương pháp này mất rất nhiều thời gian để tính toán và phân

tích, nhưng so với các phương pháp khác của tiêu chuẩn Châu Âu thì phương pháp này cho kết quả phù hợp với thực nghiệm nhất

Các phương pháp phân tích tính toán trong nghiên cứu này vẫn còn được xem là các phương pháp tính toán đơn giản Tác giả khuyến nghị trong tương lai nên sử dụng các phần mềm mô phỏng cũng các phương pháp hiện đại hơn để cho ra kết quả chính xác nhất

Năm 2008, Moss và cộng sự [15] đã nghiên cứu mô hình số về ứng xử khi cháy của các sàn BTCT hai phương trong một tòa nhà nhiều tầng Tòa nhà có hình vuông, mỗi hướng có ba gian Sàn được được đỡ bởi hệ khung bê tông cốt thép Hệ khung bao gồm bốn cột và không có dầm bên trong Đồng thời, tất cả chín ô sàn bê tông đều được giả định bị cháy ở mặt dưới Nghiên cứu giới thiệu phương pháp nghiên cứu số và phân tích kết quả của các tấm bê tông cốt thép và phần mềm SAFIR [3] đã được sử dụng để thực hiện các phân tích Hai điều kiện hỏa hoạn đã được sử dụng để mô phỏng Một là đám cháy tiêu chuẩn ISO 834 [4] trong thời gian bốn giờ và hai là đám cháy tiêu chuẩn ISO 834 [4] trong một giờ sau đó là giai đoạn ngưng cháy và giảm nhiệt trong hai giờ nữa Các tác động của đám cháy đã làm phân bố lại các mô men uốn và phát triển lực màn trong sàn Đồng thời, kết quả của nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng sự phân phối lại các mô men uốn có tác động đáng kể đến sự chịu lực của sàn bê tông bị cháy, là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến thời gian chịu lửa và ngăn ngừa sự sụp đổ của tấm bê tông Bên cạnh đó, nghiên cứu này đã cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế chống cháy trong các tòa nhà nhiều tầng Nó cho phép các kỹ sư xác định và đánh giá hiệu quả của các biện pháp chống cháy được áp dụng trong hệ thống sàn BTCT hai phương Việc sử dụng phần mềm SAFIR [3] trong nghiên cứu đã cho thấy, đây là một công cụ mạnh mẽ để thực hiện phân tích cháy và đánh giá hiệu quả chống cháy của các cấu trúc Với SAFIR [3], các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể thử nghiệm và đánh giá các phương án chống cháy khác nhau trước khi triển khai thực tế Điều này giúp tiết kiệm thời gian, công sức và tài nguyên, đồng thời đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong quá trình thiết kế

Năm 2008, Chang và cộng sự [16] đã cung cấp các khuyến nghị cho các nhà thiết kế và đề xuất một phương pháp đơn giản để các nhà thiết kế mô hình hóa ứng xử kết cấu của tấm sàn BTCT lõi rỗng (Hollow-core concrete (HC)) bị cháy Mô hình phần tử hữu hạn được đề xuất sử dụng để mô phỏng Nghiên cứu này so sánh mô phỏng với kết quả thực nghiệm ở các

điều kiện cháy khác nhau của các sàn HC Các kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với các kết quả thử nghiệm Một số hệ thống sàn HC cũng đã được mô phỏng để so sánh với kết quả thực nghiệm trước đây tại Đại học Canterbury Kết quả cho thấy rằng điều kiện biên có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chống cháy của sàn bê tông

Năm 2010, Huang [17] đã trình bày ứng xử trong hỏa hoạn của các tấm bê tông cốt thép có vết nứt Nghiên cứu phân tích một cách chi tiết một sàn bê tông cốt thép dưới tác động của tải trọng phân bố đều có các mức độ vết nứt bê tông khác nhau dưới tác động từ ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4] Kế đến, một loạt phân tích cũng được áp dụng cho nhiều tấm sàn có các mức độ vết nứt khác nhau trên một tòa nhà BTCT thông thường Trong bài, tổng cộng có 16 trường hợp sàn đã được phân tích Nghiên cứu này chỉ sử dụng phương pháp mô phỏng số để phân tích và không có thực nghiệm vật lý Kết quả cho thấy là lực màng nén trong các sàn là nhân tố chính trong việc giảm tác động của vết nứt trong bê tông đối với ứng xử kết cấu của các tấm sàn khi cháy Tác giả kết luận, việc bê tông có vết nứt ảnh hưởng đáng kể đến độ võng của các sàn

Năm 2010, Bastami và cộng sự [18] đã đánh giá các tính chất cơ học của bê tông ở nhiệt độ cao Các mô hình và các mối quan hệ của bê tông khi cháy đã được nghiên cứu, nhằm cung cấp mô hình hiệu quả Các thông số của bê tông được nghiên cứu bao gồm cường độ nén, cường độ kéo, mô đun đàn hồi, mối quan hệ ứng suất-biến dạng ở nhiệt độ cao Trong nghiên cứu này, các mối quan hệ của bê tông ở nhiệt độ cao được so sánh và kiểm tra với kết quả thực nghiệm và các mô hình hiện có Việc này sẽ giúp tìm ra một số ưu điểm và nhược điểm của các mối quan hệ ứng suất-biến dạng hiện tại và sử dụng các kết quả này để thiết lập các mối quan hệ ứng suất-biến dạng tổng quát và chính xác hơn Các mô hình và mối quan hệ đã được tác giả nghiên cứu tổng quát và kết quả cho thấy là phù hợp với dữ liệu thực nghiệm Năm 2011, Zaharia và cộng sự [19] đã trình bày phương pháp đơn giản cho phân bố nhiệt độ trong các sàn mỏng Trong nghiên cứu này, các tác giả đã tập trung vào việc phát triển và thiết kế hệ thống sàn mỏng trong các công trình nhà thép tại châu Âu Hệ thống sàn mỏng là một giải pháp nhanh chóng, sáng tạo và kinh tế Nhiệt độ phân bố trên mặt cắt chịu lực của các sàn khi tiếp xúc với lửa ISO đã được nghiên cứu bằng phương pháp số và một số công thức đơn giản đã được phát triển để xác định giá trị nhiệt độ tại các điểm khác nhau Sau đó, khả năng chịu tải có thể được tính toán thông qua phương pháp phân tích đơn giản

Kết luận, Phương pháp phân lớp này có thể dùng để tính toán khả năng chịu tải trong đám cháy của cấu kiện Điều này giúp các nhà thiết kế đánh giá khả năng chịu lửa của hệ thống một cách dễ dàng và tiện lợi Đồng thời, kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng về phân bố nhiệt độ và giúp tăng hiệu quả trong thiết kế và phát triển các hệ thống sàn mỏng (Slim Floor) trong các công trình xây dựng

Năm 2012, Zaharia và Franssen [20] đã đề xuất một phương pháp để tính toán khả năng chịu uốn khi cháy bởi ngọn lửa ISO 834 [4] Tác giả đã áp dụng cho hệ sàn mỏng sử dụng dầm thép không đối xứng, với mặt bích bên dưới rộng hoặc mặt bích bên trên hẹp, chúng được hàn vào một nửa thanh thép cán nóng Nhiệt độ trong mặt cắt ngang được đánh giá bằng các công thức thực nghiệm được xác định thông qua phân tích tham số, được thực hiện với chương trình SAFIR [3] Trong SAFIR [3], việc tính toán ứng xử khi cháy bao gồm tính toán nhiệt độ trong mặt cắt ngang và khả năng chịu tải, đồng thời, phần mềm cũng xem xét đến sự phát triển của các đặc trưng cơ học của thép và bê tông Mô men uốn trong trường hợp cháy khác nhau có thể được xác định bằng cách sử dụng phương pháp phân tích tính toán đơn giản Nghiên cứu này đã được tiến hành trên các mẫu sàn mỏng Kết quả so sánh giữa phương pháp đơn giản này và SAFIR [3] cho thấy sự phù hợp Có thể nhận định, phương pháp đơn giản được trình bày trong bài luận là đáng tin cậy trong việc tính toán khả năng chịu lực của các cấu kiện trong điều kiện chịu lửa Điều này cung cấp cho nhà thiết kế một công cụ để đánh giá nhiệt độ trong hệ thống sàn mỏng loại IFB trong điều kiện lửa ISO 834 [4] mà không cần sử dụng các phần mềm mô phỏng số phức tạp

Năm 2014, Kamila và cộng sự [21] đã trình bày nghiên cứu về tác động của sự lan truyền lửa đối với ứng xử của sàn liên hợp thép và bê tông Đầu tiên, sàn liên hợp có kích thước 9,0 m x 9,0 m được phân tích nhiệt học bằng các tiêu chuẩn Sau đó, ứng xử cơ học của sàn liên hợp này sẽ được mô phỏng trong phần mềm phần tử hữu hạn Vì sự nghiêm trọng của việc lửa cháy lan gây ra điều kiện nhiệt độ không đồng nhất, nên một so sánh giữa hai phương pháp được trình bày Các kết quả cho thấy rằng đám cháy lan gây ra sự biến dạng và tác động cơ học đáng kể lên sàn liên hợp Đồng thời, nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về tác động của sự đám cháy lan lên sàn liên hợp thép và bê tông Điều này sẽ giúp cải thiện phương pháp thiết kế chống cháy cho các công trình xây dựng

Năm 2016, Izbicki và cộng sự [22] đã trình bày khả năng chống cháy của các tòa nhà bê tông cốt thép Đồng thời, tác giả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của khả năng chống cháy trong việc bảo vệ tính mạng và tài sản khỏi nguy cơ cháy nổ Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá khả năng chống cháy của một số mẫu Kết quả cho thấy, BTCT có khả năng chống cháy tốt và đáng tin cậy Bên cạnh đó, tác giả cũng cung cấp thông tin về các trường hợp cháy nổi tiếng trong lịch sử và số liệu thống kê về thiệt hại do cháy nổ Nghiên cứu này cũng đề cập đến quy định về khả năng chống cháy trong các tiêu chuẩn xây dựng và quan điểm của tổ chức CRSI (Hội Kết cấu bê tông cốt thép Hoa Kỳ) về việc giảm tiêu chí đánh giá về khả năng chống cháy

Năm 2016, Silva [23] đã trình bày ba phương pháp thiết kế chịu lửa cho sàn bê tông cốt thép liên hợp Đó là thiết kế theo tiêu chuẩn ABNT NBR 14323:2013 [24], thiết kế theo phương pháp được phát triển bởi tác giả Bailey [25] và thiết kế bằng phần mềm phần tử hữu hạn Mục tiêu là kiểm tra và so sánh kết quả từ ba phương pháp Từ kết quả so sánh, tác giả đã đưa ra nhận định, phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn nên được tận dụng để thiết kế chịu lửa cho các cấu kiện Bên cạnh đó, ba phương pháp trên còn được áp dụng để kiểm chứng một trường hợp thực tế là sàn lửng của ga tàu điện ngầm Butantã, Sao Paulo Kết quả của nghiên cứu cho thấy sàn của ga điện ngầm đúng là có khả năng chịu cháy trong 90 phút dưới tác dụng của ngọn lửa ISO 834 [4] như công ty Sao Paulo Metropolitan đã công bố Đồng thời, sàn cũng thỏa các quy định về thông số tiết diện cho cấu kiện chịu lửa

Năm 2016, Balaji và cộng sự [26] đã trình bày ứng xử của sàn BTCT bị cháy bằng việc mô phỏng phần mềm phần tử hữu hạn Một vài mẫu sàn hai phương đã được mô phỏng trong bài, bên cạnh đó, các thông số đặc trưng của sàn cũng được thay đổi để đánh giá sự ảnh hưởng đến khả năng chịu lửa Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với tiêu chuẩn Ấn Độ IS456 [27] và tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [2] Nghiên cứu kết luận,

• Thời gian chịu lửa của sàn BTCT theo tiêu chuẩn Châu Âu có kết quả gần với kết quả mô phỏng

• Thời gian chịu lửa của sàn BTCT theo tiêu chuẩn Ấn Độ có kết quả thấp hơn kết quả mô phỏng

• Thời gian chịu lửa của sàn được gia tăng khi tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ

• Sàn bị cháy cả hai mặt trên và dưới sẽ giảm khả năng chịu lửa sẽ giảm đi 40%.

• Đám cháy hydrocacbon được xem là nguy hiểm hơn đám cháy tiêu chuẩn ISO 834 [4] Thời gian chịu lửa của sàn sẽ giảm đi 12% nếu thay đổi điều kiện cháy sang ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4]

Năm 2017, Oleg và cộng sự [28] đã trình bày sàn BTCT có hình học phức tạp dưới tác dụng của nhiệt độ cao và có xem xét đến các vật liệu tạo lỗ trống bên trong sàn Việc phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của hệ thống kiến trúc và xây dựng kiểu mới 'Monofant' dưới tác dụng ở nhiệt độ cao đã được thực hiện Một số trường hợp kết cấu 'Monofant' đã được mô phỏng SAFIR [3] là phần mềm phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng trong nghiên cứu này Các phân lớp nhiệt độ đã được thể hiện rõ trong mặt cắt ngang của sàn 'Monofant' khi được tiếp xúc với ngọn lửa tiêu chuẩn ISO [4] trong khoảng thời gian từ 0 phút đến 240 phút Kết quả cũng hiển thị khả năng chịu tải của kết cấu khi tiếp xúc với nhiệt độ cao được xác định bằng phương pháp biến dạng Đồng thời, nghiên cứu cũng đề xuất thuật toán xem xét sự biến đổi của các mẫu thiết kế phụ thuộc vào các giá trị nhiệt độ trong các khoang cách nhiệt, có tính đến ảnh hưởng của biến dạng đối với sự phân bố nhiệt độ.

Năm 2018, Piloto và cộng sự [29] đã công bố nghiên cứu về ứng xử nhiệt của các sàn liên hợp Các điều kiện thử nghiệm được kiểm soát tương ứng với trường hợp cháy từ bề mặt bên dưới Giải pháp tổng hợp này bao gồm một lớp phủ bê tông được đúc trên đỉnh của một sàn liên hợp Bê tông có một lớp thép chịu lực đồng thời tại một số vị trí được gia cường thêm một số thanh thép Giải pháp liên hợp này được sử dụng rộng rãi trong mọi loại công trình và đáp ứng được các yêu cầu về khả năng chống cháy, và phù hợp với các quy định và tiêu chuẩn Việc đánh giá cháy của loại cấu kiện này thường được thực hiện bằng các thử nghiệm cháy tiêu chuẩn [4] Hai mẫu đang được chuẩn bị để thử nghiệm và cần tính đến tiêu chí về độ ổn định (R), Tính toàn vẹn (E) và cách nhiệt (I) Phạm vi đánh giá này liên quan đến xếp hạng chống cháy đối với vật liệu cách nhiệt (I) Mô phỏng số được thực hiện thông qua hộp công cụ Matlab PDE cho các hiệu ứng nhiệt khi tiếp xúc với đám cháy tiêu chuẩn Nghiên cứu này giúp xác định khả năng chống cháy của các mẫu sàn liên hợp và so sánh kết quả thực nghiệm với các phương pháp tính toán đơn giản hiện có Kết qua so sánh cho thấy, Phương pháp đơn giản hóa trong Eurocode 2 [2] dường như là chưa phù hợp Điều này có

thể đóng góp vào việc cải thiện quy định và tiêu chuẩn về khả năng chống cháy của sàn composite và để gia tăng sự đảm bảo an toàn trong xây dựng

Năm 2018, Michal and Szymon [30] đã trình bày khả năng chịu lửa của các sàn BTCT có độ dày lớn hơn 15 cm được tính với phương pháp đường đẳng nhiệt 500 0C Đồng thời, các thông số về chiều dày lớp bê tông bảo vệ và diện tích cốt thép chịu lực trong sàn đã được thay đổi phục vụ cho việc đánh giá thêm về ứng xử của sàn khi cháy Kết quả nghiên cứu khả năng chịu lửa của các sàn bằng phương pháp trên được đã được thông qua và kết luận dưới dạng bảng Các số liệu trong bảng tra này có thể được dùng để thiết kế khả năng chịu lửa cho sàn BTCT Đây như là một đề xuất cho các nhà thiết kế có thể sử dụng trong tương lai

Năm 2018, Dzidic [31] đã trình bày nghiên cứu về việc xác định khả năng chịu lửa của sàn BTCT bằng cách sử dụng Phương pháp bảng tra để xác định khả năng chịu lửa của sàn theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [2] và Khuyến nghị kỹ thuật BRANZ [32] Các sàn bê tông cốt thép được được xem là chịu tác động của ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4] Nghiên cứu này xem xét việc xác định khả năng chống cháy của các sàn BTCT có các thông số tiết diện khác nhau, các cường độ bê tông khác nhau, và các chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau Kết quả cho thấy,

• Thời gian chịu lửa theo thông số thiết kế bảng tra ở hai phương pháp là giống nhau ở phần lớn các trường hợp Nhưng, một số mẫu thiết kế có sự khác nhau lớn giữa 2 tiêu chuẩn về thời gian chịu lửa Thời gian chịu lửa theo Eurocode 2 [2] lớn hơn BRANZ [32] tại các mẫu thiết kế này là 30 phút Sàn được thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [2] có thể được xem là một giải pháp tiết kiệm

• Sự thay đổi cường độ bê tông ảnh hưởng rất ít đến thời gian chịu lửa của sàn

• Sự thay đổi chiều dày lớp bê tông bảo vệ ảnh hưởng một cách rõ ràng đến thời gian chịu lửa của sàn

Tác giả nghiên cứu chủ đề này vì ông cho rằng bê tông là một phần không thể thiếu với các công trình và dự án xây dựng

Năm 2019, Romero và cộng sự [33] đã nghiên cứu ứng dụng sàn mỏng như là một giải pháp để tiết kiệm chi phí cho các công trình công nghiệp và thương mại Bên cạnh đó, tác giả mô

phỏng sàn bằng phần mềm SAFIR [3] và so sánh với các mô hình đơn giản trong tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [2] Kết quả cho thấy rằng, dầm sàn mỏng làm việc hiệu quả trong điều kiện cháy và nên được khuyến khích sử dụng trong thực tế Cụ thể, sàn vẫn ổn định khi bị cháy trong thời gian là 60 phút Ngoài ra, nếu sàn được gia cường hoặc sử dụng các vật liệu cách nhiệt phù hợp thì khả năng chịu lửa của sàn có thể đạt đến 90 phút hoặc 120 phút Năm 2021, Cherif và cộng sự [34] đã trình bày một nghiên cứu về ứng xử của các sàn bê tông cốt thép chịu tác động nghiêm trọng của đám cháy hydrocacbon [35] Hiện tượng nứt vỡ của bê tông cũng được xem xét đến trong quá trình cháy Đường gia nhiệt hydrocacbon [35] được áp dụng khi có thể xảy ra các đám cháy do xăng dầu, ví dụ như thùng nhiên liệu ô tô, tàu chở xăng hoặc dầu, một số cơ sở hóa dầu, đường hầm, công trình bãi đậu xe, Phản ứng cơ nhiệt của sàn BTCT được đánh giá bằng cách mô phỏng các phần tử có nhiệt độ cao bằng phần mềm SAFIR [3] Kết quả từ phần mềm phần tử hữu hạn SAFIR [3] đã giúp cho tác giả phân tích được về rủi ro sụp đổ của sàn Đồng thời các kết quả về sự phân bố nhiệt độ trong sàn và độ võng giữa nhịp cũng được tác giả so sánh giữa SAFIR [3] với dữ liệu thực nghiệm đã được công bố trước đây Kết luận rằng, kết quả mô phỏng từ phần mềm cho thấy sự phù hợp với dữ liệu thực nghiệm trong toàn bộ quá trình sàn bị cháy dưới ngọn lửa hydrocacbon [35] Điều này cho thấy phương pháp mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] rất hữu ích trong việc dự đoán ứng xử của bê tông

Năm 2018, Hoàng Giang Anh [36] đã nghiên cứu và so sánh sự phân bố nhiệt độ trên mặt tiết diện của dầm bê tông cốt thép Kết quả thu được là dữ liệu thực nghiệm cháy và phân tích phần tử hữu hạn với các phương pháp tác động nhiệt khác nhau lên một mô hình Kết quả này cho thấy tương thích giữa kết quả mô phỏng và mẫu thực nghiệm Nghiên cứu đã xác định được mô hình hoàn thiện hơn trong điều kiện thử nghiệm khả năng chịu lửa dưới ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4]

Năm 2018, Quang Vinh [37] đã phát triển ý tưởng về việc dùng chỉ số DHP để đánh giá kết cấu trong điều kiện cháy Đây là một chỉ số đánh giá kết cấu trong đám cháy tự nhiên có cả giai đoạn tăng và giảm nhiệt Các quy chuẩn, tiêu chuẩn trong và ngoài nước hiện dùng chỉ đưa ra chỉ số đánh giá khả năng chịu cháy của kết cấu trong đám cháy chuẩn không xét đến quá trình giảm nhiệt Xây dựng được thuật toán tính chỉ số DHP cho kết cấu sử dụng phần

mềm phân tích kết cấu SAFIR [3] Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến DHP của cột liên hợp thép - bê tông Tìm quy luật của DHP với một số tham số ảnh hưởng chủ yếu đến DHP như: tỉ số tải trọng sử dụng, loại tiết diện cột, cường độ vật liệu, độ lệch tâm của lực dọc, độ mảnh của cấu kiện Đề xuất chỉ số DelayT là khoảng thời gian tính từ khi đám cháy bắt đầu giảm nhiệt đến khi kết cấu bị phá hoại Nghiên cứu kết luận,

• Độ mảnh của cột ảnh hưởng đến chính giá trị của DHP

• Cường độ vật liệu và lực nén lệch tâm không ảnh hưởng đáng kể đến giá trị DHP • Thời gian tăng nhiệt của đám cháy và tỷ số tải trọng ảnh hưởng đáng kể đến chỉ số

DelayT

• Cường độ vật liệu và lực nén lệch tâm không ảnh hưởng đáng kể đến chỉ số DelayT • Trong các cấu kiện đã tính toán, thời gian DelayT lên đến 250 phút Nghĩa là công

trình vẫn sẽ sập sau 250 phút kể từ khi đám cháy đã được khống chế

Năm 2019, Nguyễn Trung Tuấn [38] đã trình bày trên tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng “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” Tác giả nghiên cứu 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 [2] về thiết kế kết cấu BTCT trong điều kiện cháy Quy trình tính toán theo ba phương pháp đơn giản bao gồm tra bảng, đường đẳng nhiệt và phương pháp phân lớp được trình bày cụ thể và minh họa thông qua ví dụ tính toán Ảnh hưởng của một số thông số quan trọng như lớp bê tông bảo vệ, hàm lượng cốt thép và thời gian cháy được khảo sát Kết quả cho thấy khi tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ và hàm lượng cốt thép thì khả năng chịu lực khi cháy của sàn tăng lên, tuy nhiên khả năng chịu lực chỉ tăng đến một giá trị nào đó thì lại giảm dần do chiều cao làm việc giảm Khi thời gian cháy tăng lên thì khả năng chịu lực khi cháy của sàn cũng giảm đi Nếu vẽ giá trị mô men và khả năng chịu lực trên cùng một biểu đồ thì dễ dàng xác định được khả năng chịu lực khi cháy của sàn BTCT Năm 2019, Trường Thắng và Tấn Trung [39] đã trình bày các nguyên tắc chung và một số phương pháp tính toán được quy định trong tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 [2] về thiết kế kháng cháy cho kết cấu bê tông cốt thép Đồng thời tiêu chuẩn cũng được áp dụng để xác định các hệ số suy giảm của dầm BTCT dưới điều kiện đám cháy tiêu chuẩn Các đặc trưng

cơ lý ở nhiệt độ cao của vật liệu bê tông và cốt thép, phương pháp tra bảng và phương pháp đường đẳng nhiệt 500 0C được giới thiệu và có các ví dụ minh họa Một công cụ bản tính được thiết lập để tính toán và khảo sát khả năng kháng uốn của dầm (KNKU) Kết quả khảo sát đã minh họa một cách rõ ràng rằng hệ số suy giảm KNKU của dầm BTCT ở nhiệt độ cao tỷ lệ thuận với kích thước, tiết diện và chiều dày lớp của lớp bê tông bảo vệ, nhưng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi cường độ chịu nén của bê tông

Năm 2020, Võ Đức Thịnh [40] trong luận văn trường Đại học Kiến trúc Thành phố Hồ Chí Minh đã trình bày luận văn “Ứng xử của dầm BTCT chịu lửa” sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Tác giả mô phỏng quá trình truyền nhiệt theo thời gian trong mặt cắt dầm bê tông cốt thép trong hai trường hợp: có và không có lớp chống cháy mặt cắt dầm được chia thành những lớp có nhiệt độ khác nhau, để xác định được tính chất cơ lý của vật liệu theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [2] Mô phỏng cấu kiện dầm bằng phần mềm để thực hiện phân tích khả năng chịu lực của các mặt cắt cũng như toàn bộ dầm BTCT Từ những kết quả thu được, ta có thể thấy được sự khác biệt về khả năng chịu lực theo thời gian cháy trong trường hợp thép chịu lực nằm trên và nằm dưới Đồng thời vẽ được biểu đồ tải trọng cực hạn của dầm BTCT theo thời gian trong trường hợp có lớp chống cháy và không có lớp chống cháy Từ đó thấy được sự quan trọng của lớp chống cháy đối với dầm bê tông cốt thép trong trường hợp có hỏa hoạn xảy ra

Năm 2021, Trọng Toàn và Công Thành [41] trình bày nghiên cứu về các nguyên tắc thiết kế chung và các phương pháp tính toán đơn giản cho kết cấu cột bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode [2] Tiêu chuẩn Châu Âu [2] là tiêu chuẩn dùng để thiết kế cột bê tông cốt thép bị cháy Quá trình tính toán tuân theo phương pháp đơn giản và được minh họa thông qua các ví dụ tính toán Kết quả cho thấy khi tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ và hàm lượng cốt thép thì khả năng chống cháy của cột tăng lên, nhưng khi tăng thời gian cháy thì khả năng chống cháy của cột cũng giảm theo

Năm 2021, Võ Bá Huy và cộng sự [42] đã nghiên cứu thực nghiệm về sử dụng FRP để phục hồi khả năng chịu tải của sàn BTCT bị cháy Chín mẫu sàn bao gồm một mẫu không cháy, 4 mẫu cháy 45 phút và 4 mẫu cháy 75 phút đã được sử dụng Kết quả nghiên cứu cho thấy, sau khi bị cháy và nguội xuống nhiệt độ bình thường, khả năng chịu lực của sàn bị suy giảm

10,5% Khả năng chịu tải của sàn BTCT bị cháy được gia cường FRP tăng đến 65,4% so với sàn BTCT bị cháy không được gia cường.

2.3 Nhận xét

Các nghiên cứu trên đã có chung mục tiêu là đánh giá khả năng chịu lửa của sàn BTCT Ở nước ngoài, mặc dù nhiều nghiên cứu thực nghiệm cũng như mô phỏng các cấu kiện chịu lửa đã được thực hiện Tuy nhiên, các tham số thiết kế như chiều dày lớp bê tông bảo vệ, cốt thép chịu lực và bề dày sàn, chưa được phân tích kỹ Đặc biệt là ảnh hưởng của chúng đối với độ võng và thời gian chịu lửa của sàn BTCT Vì vậy, việc đẩy mạnh các nghiên cứu trong lĩnh vực này là công việc cần thiết

Ở Việt Nam, hỏa hoạn đã xảy ra với tần suất khá cao, gây thiệt hại rất nghiêm trọng, đồng thời các nghiên cứu về khả năng chịu lửa của các cấu kiện lại khá ít, chỉ có một số công bố liên quan đến công trình trong điều kiện hỏa hoạn và số ít luận văn thạc sỹ, tiến sỹ nghiên cứu về cấu kiện chịu lửa kể từ năm 2000 Các nghiên cứu trong lĩnh vực này sẽ là mối quan tâm hàng đầu trong tương lai

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EN 1992

Trong tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [2], có ba phương pháp tính toán kết cấu chịu lửa được trình bày gồm phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản và phương pháp nâng cao Khái niệm và phạm vi áp dụng của từng phương pháp 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

Phương pháp nâng cao

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 trên được chia thành hai nhóm chính, đó là thiết kế theo các nguyên tắc định trước (phương pháp tra bảng và phương pháp tính toán đơn giản), và thiết kế theo tính năng kết cấu (phương pháp nâng cao) Phương pháp thiết kế theo nguyên tắc định trước là xác định khả năng chịu lực của cấu kiện dựa trên các ứng xử nhiệt và ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu khi chịu tác động của một đường gia nhiệt cho trước, thường là đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO [4] Còn trong phương pháp thiết kế theo tính năng kết cấu, khả năng chịu lực của kết cấu được xác định theo các mô hình tính toán khi chịu tác động của một 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 tương ứng trong bảng 3.2 được lấy từ bảng 5.8 trong tiêu chuẩn Eurocode 2 [2], trong đó cung cấp

giá trị tối thiểu của bề dày sàn hs (mm), cùng với giá trị tối thiểu của khoảng cách lớp bê tông bảo vệ tính từ mặt dưới đến trọng tâm của các thanh cốt thép chịu lực gần nhất (gọi là chiều dày lớp bê tông bảo vệ a), để 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]

Tiêu chuẩn chịu lửa

Kích thước tối thiểu (mm) Chiều dày

sàn hs (mm)

Lớp bê tông bảo vệ

Sàn một phương Sàn hai phương

- ly và lx là chiều dài và chiều rộng của sàn hai phương, trong đó ly là chiều dài

Bảng 3-2 là bảng tra tính toán dùng để thiết kế sàn BTCT chịu lửa trong tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [2] Thiết kế của sàn một phương trong bảng tra là sàn được tính toán dựa trên sơ đồ tính hai đầu khớp Thiết kế sàn 2 phương trong bảng tra là sàn được tính toán dựa trên điều kiên bản kê 4 cạnh Sàn BTCT được thiết kế ở mục này là cấu kiện đơn lẻ, không xét đến điều kiện liên tục

Phương pháp tra bảng cho tính toán sàn BTCT được quy định tương ứng trong bảng 3.3 được lấy từ bảng F.12 trong Quy chuẩn Việt Nam 06:2021/BXD [43], trong đó cung cấp giá trị tối thiểu của bề dày sàn (mm), cùng với giá trị tối thiểu của khoảng cách lớp bê tông bảo

vệ tính từ mặt dưới đến trọng tâm của các thanh cốt thép chịu lực gần nhất (gọi là chiều dày lớp bê tông bảo vệ ), để đảm bảo khả năng kháng cháy theo 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 240

REI 180

REI 120

REI 90

REI 60

REI 30

25 150

20 125

20 125

15 100

15 100

Kết quả theo hai phương pháp bảng tra của Eurocode 2 [2] và QCVN 06 [43], thì tiết diện thiết kế cho sàn chịu lửa R30, R60, và R90 theo Eurocode có phần tiết kiệm hơn so với QCVN Sàn được thiết kế để chịu lửa R240 và R180 thì lại cho thấy sự yêu cầu của Eurocode là có phần đáng kể hơn và đặc biệt là ở yêu cầu về lớp bê tông bảo vệ

3.1.3 Phường pháp đường đẳng nhiệt 5000C tính toán sàn ở nhiệt độ cao

Phương pháp đường đẳng nhiệt 500 0C được áp dụng cho cấu kiện BTCT bị cháy bởi ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4] Dưới sự tác động về nhiệt, các đặc trưng cơ lý của bê tông sẽ thay đổi theo thời gian cháy Phương pháp này xem xét một hệ số suy giảm chung cho các kích thước của tiết diện đối với một khu vực bị hư hại do nhiệt ở gần bề mặt bê tông Độ dày của lớp bê tông bị hư hại được lấy bằng độ sâu trung bình của đường đẳng nhiệt 500 0C Những phần bê tông có nhiệt độ trên 500 0C bị coi là đã bị hư hại và không có khả năng chịu tải, trong khi những phần bê tông còn lại ở phía bên trong của tiết diện có nhiệt độ thấp hơn vẫn có được những giá trị nhất định về cường độ và module đàn hồi

Hình 3-1: Sự phân bố nhiệt độ sàn bị cháy 30 đến 240 phút theo Eurocode 2 [2] Hình 3-1 biểu thị sự phân bố nhiệt độ trong các sàn chịu lửa từ 30 phút đến 240 phút theo tiêu chuẩn Châu Âu [2] Sự phân bố nhiệt độ này giúp ta xác định được tại thời điểm cháy, phân lớp nào của sàn đã vượt quá 500 0C Từ đó, khả năng chịu lực của sàn sẽ được tính toán dựa trên các phân lớp còn lại Ở trong hình 3-1, trục X là đại diện cho khoảng cách của vị trí đang xét đến so với vị trí tiếp xúc ngọn lửa (ở đây là bề mặt bên dưới của bê tông), và trục Y là đại diện cho nhiệt độ tương ứng của vị trí đang được xét đến

3.1.4 Phương pháp phân lớp tính toán sàn ở nhiệt độ cao

Phương pháp phân lớp được xem là phương pháp tính toán khả năng chịu lực của sàn ở nhiệt độ cao với độ chính xác tối ưu hơn hai phương pháp trên Đầu tiên, chiều dày sàn BTCT w2

được chia nhỏ thành nhiều phân lớp có kích thước bằng nhau (tối thiểu 3 phân lớp) Kế đến nhiệt độ trong đám cháy của từng phân lớp sẽ được xác nhận thông qua phương pháp tra bảng hoặc mô hình trong các phần mềm phân tích nhiệt Từ đó cường độ suy giảm đặc trưng cơ học của từng phân lớp sẽ được tính toán Phương pháp này đưa ra công thức để xác định cường độ suy giảm trung bình kc(M2) của cấu kiện sàn dựa trên các cường độ suy giảm của từng phân lớp Cường độ suy giảm trung bình này giúp tìm ra phần bê tông được giả định là bị hư hại az2 Từ đó, khả năng chịu lực của sàn sẽ được tính toán dựa trên các phân lớp còn lại

Hình 3-2: Phương pháp phân lớp tính toán phần sàn bị cháy trong Eurocode 2 [2] Hình 3-2 trình bày phương pháp phân lớp được dùng để tính toán phần bê tông sàn bị hư hỏng trong tiêu chuẩn Châu Âu [2] Việc sử dụng phương pháp này sẽ cho ra kết quả tối ưu hơn phương pháp đường đẳng nhiệt 500 0C Vì theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [2], đặc trưng cơ lý của vật liệu bê tông sau 500 0C vẫn còn khả năng làm việc trong điều kiện cháy Thế nên việc giả định phần bê tông có nhiệt độ từ 500 0C là xem như 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]

Hình 3-3: Một số đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian cháy cháy

Đường gia nhiệt tiêu chuẩn, hay còn gọi là đường gia nhiệt ISO-834 [4], là đường biểu diễn sự tăng tiến nhiệt độ theo thời gian Đường gia nhiệt tiêu chuẩn được sử dụng rất phổ biến để tính toán khả năng chịu lửa của kết cấu Công thức đường gia nhiệt tiêu chuẩn là,

0.167 2.5

0.32 3.8 20 1080 1 – 0.325 – 0.675 20 660 1 – 0.687 – 0

0100200300400500600700800900100011001200

3.1.6 Sự phát triển của đám cháy

Trong thực tiễn, mỗi đám cháy có các đặc tính riêng biệt: chủng loại chất dễ cháy, thời gian bắt đầu diễn ra cháy, kích thước mở cửa sổ, lỗ thoát khói … Do vậy mức độ gia tăng nhiệt lượng của từng vụ hoả hoạn là này khác nhau Mỗi vụ hoả hoạn thông thường có 3 giai đoạn chính: giai đoạn bắt đầu cháy, giai đoạn tăng nhiệt và giai đoạn hạ nhiệt, nhưng hầu hết mọi báo cáo chỉ tập trung ở bắt đầu cháy và tăng nhiệt do nghĩ rằng là giai đoạn quan trọng nhất Bài luận này tập trung nghiên cứu giai đoạn tăng nhiệt cho sàn bị cháy bởi ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4]

Hệ quả của các tác động khi chịu lửa có thể được xác định bằng phương pháp tổ hợp trực tiếp hoặc phương pháp tổ hợp gián tiếp Trong phương pháp trực tiếp, tổ hợp tải trọng được xác định bao gồm tĩnh tải tiêu chuẩn và hoạt tải tiêu chuẩn nhân với hệ số 2 (hệ số phụ thuộc vào loại công trình lấy theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 [2]) Từ tổ hợp tải trọng này, hệ quả các tác động sẽ được xác định dựa theo các phương pháp thông thường của cơ học kết cấu Theo phương pháp gián tiếp, hệ quả của các tác động khi chịu lửa có thể được xác định từ hệ quả phân tích kết cấu ở nhiệt độ thường như công thức (3.2)

Ed,fi,t là giá trị thiết kế tương ứng của tác động trong trường hợp cháy

ηfi là hệ số giảm tải trọng trong trường hợp cháy, xác định bởi công thức (3.3)

kfikfi