TỔNG QUAN
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.
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
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.
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
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
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 h s (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]
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 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
Sàn đặc a) Chiều dày trung bình lớp bê tông bảo vệ b) Chiều cao tổng thể của tiết diện
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 500 0 C tính toán sàn ở nhiệt độ cao
Phương pháp đường đẳng nhiệt 500 0 C 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 0 C Những phần bê tông có nhiệt độ trên 500 0 C 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 0 C 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 w 2 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 k c ( M 2 ) 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 a z 2 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 0 C Vì theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [2], đặc trưng cơ lý của vật liệu bê tông sau 500 0 C vẫn còn khả năng làm việc trong điều kiện cháy Thế nên việc giả định phần bê tông có nhiệt độ từ 500 0 C 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,
Trong công thức trên thì đại lượng t là thời gian (được tính bằng phút) và T là nhiệt độ tương ứng tại thời điểm cháy Bên cạnh đó, công thức đường gia nhiệt của Hydrocarbon và External lần lượt là:
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]
3.1.7 Tổ hợp hệ quả các tác động chịu lửa
Tổng quan về phần mềm SAFIR
SAFIR [3] là một chương trình phần tử hữu hạn có khả năng mô phỏng nhiệt học và cơ học cho kết cấu trong điều kiện hỏa hoạn Phần mềm này có thể phân tích ứng xử kết cấu dưới dạng mô phỏng đơn giản 2D và mô phỏng chi tiết 3D Quy trình tính toán và phân tích cơ nhiệt của kết cấu bị cháy trong phần mềm được chia thành hai bước Đầu tiên, quá trình phân tích nhiệt học cho kết cấu sẽ được diễn ra Sau đó, kết quả phân tích nhiệt của kết cấu sẽ được chuyển tiếp sang giai đoạn phân tích cơ học
Hình 3-8: Kết quả mô phỏng kết cấu thép trong phần mềm SAFIR [3]
SAFIR [3] đã được sử dụng trong nhiều dự án nghiên cứu Cơ sở dữ liệu của phần mềm trên nhiều nghiên cứu và thí nghiệm trên các loại vật liệu, thành phần kết cấu và các mức độ cháy khác nhau Phần mềm SAFIR [3] được phát triển tại đại học Liege ở Vương quốc Bỉ Phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán kết cấu trong điều kiện cháy Hình 3-
9 là kết quả mô phỏng cháy trong phần mềm SAFIR [3] cho cấu kiện dầm thép liên kết với cột thép Hình 3-10 biểu diễn kết quả nhiệt độ trong từng phân lớp sàn BTCT bị cháy được mô phỏng trong phần mềm SAFIR Có thể nhận thấy, nhiệt độ chi tiết của từng vị trí trên các cấu kiện đã được xác định thông qua kết quả mô phỏng
Hình 3-9: Kết quả nhiệt độ trong từng phân lớp sàn được mô phỏng bằng SAFIR [3]
Như vậy, ứng dụng phần mềm SAFIR [3] có thể tính toán nhiệt độ trong kết cấu khi đã biết điều kiện đám cháy và các tính chất cơ nhiệt của vật liệu thép và bê tông Kết quả từ quá trình phân tích nhiệt học này có thể sử dụng để tính toán khả năng chịu lửa của các cấu kiện theo các phương pháp tính và tiêu chuẩn Hoặc, dữ liệu này sẽ được chuyển tiếp qua giai đoạn phân tích cơ học trong phần mềm SAFIR để tính toán và phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn
Cơ sở lý thuyết của các hiện tượng và định luật vật lý làm cơ sở cho SAFIR Đối với sự dẫn nhiệt trong chất rắn, quá trình trao đổi nhiệt dựa trên phương trình Fourier Trong hệ tọa độ Descartes, nó được biểu thị bằng biểu thức là
Trong biểu thức trên, {x, y, z} là vector của tọa độ Descartes, T là nhiệt độ [K], k là thông số dẫn nhiệt [Wm/K], Q là đại lượng dùng để chỉ lượng nhiệt sinh ra bên trong [W/m³], ρ là khối lượng riêng [kg/m³], c là nhiệt dung riêng [J/kgK], t là thời gian cháy [s] Ở bề mặt và trong các khoang bên trong, quá trình trao đổi nhiệt dựa trên sự đối lưu tuyến tính thông qua công thức q = h ( T g − T s ) Trong đó, q là thông lượng nhiệt đối lưu giữa chất khí và chất rắn, h là hệ số đối lưu, T g là nhiệt độ chất khí, và T s là nhiệt độ bề mặt
Các mô hình về cường độ của vật liệu, quan hệ giữa cường độ và nhiệt độ của vật liệu được sử dụng trong SAFIR được lấy theo mô hình trong Eurocode 2 [2] đã trình bày ở 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) phân tích trong phần này có kích thước và sơ đồ thể hiện trong hình 4-1 Sàn có chiều dài là L 2 = 2000mm, có chiều rộng là L 1 = 400mm, và có bề dày h 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 lần lượt là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm, và 20 mm Diện tích cốt thép chịu lực trong sàn lần lượt là 141 mm2, 201 mm2, 314 mm2 và 452 mm2 Bề dày sàn lần lượt là 7 cm, 8 cm, và 9 cm Sự thay đổi số liệu của các tham số thiết kế này là phù hợp với TVCN [45] và các điều kiện ở mục tính toán bên trên
Như vậy, các sàn BTCT có các thông số về chiều dày, lớp bê tông bảo vệ, diện tích bố trí cốt thép khác nhau sẽ được mô phỏng trong phần mềm SAFIR [3] Dải nhiệt độ phân bố trong sàn mô phỏng bằng phần mềm sẽ được so sánh với tiêu chuẩn Eurocode 2 [2] Đồng thời, kết quả ứng xử của các sàn bị cháy sẽ được ghi nhận lại và so sánh các kết quả với nhau
4.1.2 Phân tích nhiệt bằng phần mềm SAFIR
Sự gia tăng nhiệt độ trong cấu kiện sàn BTCT theo thời gian được lấy theo đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 [4] Công thức của đường gia nhiệt ISO [4] đã đề cập ở mục 3.1.5 Tại thời điểm chưa cháy (t = 0 giây), nhiệt độ sẽ là 20 o C Trong bài luận này, nhiệt độ môi trường xung quanh được lấy bằng với nhiệt độ của đường gia nhiệt ISO 834 [4] tại thời điểm chưa cháy là 20 o C
4.1.2.2 Thông số vật liệu a) Thép
Vật liệu cốt thép được được mô phỏng trong SAFIR [3] có các thông số nhiệt học được khai báo như bảng 4-1 Các thông số nhiệt học của cốt thép lần lượt là hệ số đối lưu nóng, hệ số đối lưu lạnh và hệ số bốc hơi Sau đó, các dữ liệu này sẽ được khai báo vào mục thiết lập thông số nhiệt học của cốt thép trong phần mềm SAFIR [3] như 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 được được mô phỏng trong SAFIR [3] có các thông số cơ học được khai báo như bảng 4-2 Các thông số cơ học của cốt thép lần lượt là mô đun đàn hồi, hệ số poisson, cường độ chảy dẽo Sau đó, các dữ liệu này sẽ đươc khai báo vào mục thiết lập thông số cơ học của cốt thép trong phần mềm SAFIR [3] như 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
Vât liệu bê tông được được mô phỏng trong SAFIR [3] có các thông số nhiệt học được khai báo như bảng 4-3 Các thông số nhiệt học của bê tông lần lượt là khối lượng riêng, độ ẩm, hệ số đối lưu nóng, hệ số đối lưu lạnh, hệ số bốc hơi và thông số dẫn nhiệt Sau đó, các dữ liệu này sẽ đươc khai báo vào mục thiết lập thông số nhiệt học của bê tông trong phần mềm SAFIR [3] như 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
Vât liệu bê tông được được mô phỏng trong SAFIR [3] có các thông số cơ học được khai báo như bảng 4-4 Các thông số cơ học của bê tông lần lượt là hệ số Poisson, cường độ chịu nén khối trụ và cường độ chịu kéo Sau đó, các dữ liệu này sẽ đươc khai báo vào mục thiết lập thông số cơ học của bê tông trong phần mềm SAFIR [3] như 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
10 15 cường độ chịu nén của bê tông (IS: 456 – 2000 [27]) Trong phần mềm SAFIR [3], cường độ chịu kéo của bê tông được khai báo bằng 0 MPa Kết quả mô phỏng ghi nhận được từ việc khai báo này được xem như là một ước tính thận trọng Lý thuyết vừa đề cập được đưa ra trong các nghiên cứu của tác giả Lim (2004) [9], nghiên cứu của Wang [46] và nghiên cứu Moss cùng các cộng sự [15] Bên cạnh đó, tài liệu hướng dẫn mô phỏng của phần mềm SAFIR [47] cũng sử dụng việc khai báo cường độ chịu kéo của bê tông là 0 Mpa
Phần mềm SAFIR [48] cho phép mô phỏng nhiệt trong sàn bằng ứng dụng SAFIR THERMAL [3] Ứng dụng có sẵn chức năng tạo các đối tượng hình học như đường thẳng, hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật… Ứng dụng của SAFIR [3] này cũng có thể gán các đặc tính vật liệu, điều kiện đám cháy, điều kiện nhiệt độ và điều kiện biên khác nhau cho đối tượng
Hình 4-6: Đường gia nhiệt ISO 834 [4] và nhiệt độ thường của sàn trong SAFIR [3]
Hình 4-6 biểu diễn điều kiện nhiệt độ và đường tiêu chuẩn cháy ISO 834 [4] được gán vào sàn BTCT trong SAFIR [3] Nhiệt độ của đường gia nhiệt ISO 834 [4] sẽ tiếp xúc với thớ dưới của sàn, nên đường FISO màu xanh lá được gán vào thớ dưới của sàn như hình 4-6 Đồng thời, đường màu đỏ được gán vào thớ trên của sàn, để khai báo nhiệt độ của vật liệu ở nhiệt độ thường Nhiệt độ này bằng với nhiệt độ môi trường là 20 o C được đề cập ở mục trên Sau đó, trước khi phần mềm phân tích nhiệt, sàn BTCT phải được rời rạc hóa phần tử cho cả bê tông và cốt thép như hình 4-7 Tiết diện được rời rạc hóa thành các phần tử tam giác và lưới phần tử xung quanh cốt thép được chia mịn hơn Trong khi đó, lưới phần tử của bê tông được chia thô hơn Điều này giúp SAFIR [3] phân tích với mức độ vừa phải và thời gian hợp lý.
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, hình 4-10 và hình 4-11 đã thể hiện sự phân bố nhiệt độ trong sàn được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [48] Kết quả nhiệt độ trong tiết diện sàn được ghi lại sau mỗi 1 phút trên tổng thời gian mô phỏng cháy là 120 phút Thớ dưới của sàn được tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa của đường gia nhiệt ISO 834 [4], nên nhiệt độ của phân lớp đáy sẽ gia tăng một cách nhanh chóng Hình 4-9 thể hiện nhiệt độ trong sàn tại thời điểm cháy 30 phút Nhiệt độ tại thớ dưới của sàn có màu hiển thị là cam tương ứng nhiệt độ từ 700 0 C đến 800 0 C Nhiệt độ cốt thép tại thời điểm này có màu xanh biển nhạt tương ứng là từ 300 0 C đến 400 0 C Thớ trên của bê tông không tiếp xúc với lửa thì nhiệt không có sự thay đổi quá nhiều so với thời điểm chưa cháy Hình 4-10 thể hiện nhiệt độ trong sàn tại thời điểm cháy 60 phút Nhiệt độ tại thớ dưới của sàn có màu hiển thị là cam đất tương ứng nhiệt độ từ 800 0 C đến 900 0 C Nhiệt độ cốt thép tại thời điểm này có màu xanh lá nhạt tương ứng là từ 500 0 C đến 600 0 C Thời điểm này, thớ trên của bê tông đã chuyển sang màu hiển thị là xanh dương nhạt với nhiệt độ là từ 100 0 C đến 200 0 C Thớ trên của sàn không tiếp xúc với ngọn lửa ISO [4] nhưng sự truyền nhiệt đã làm thay đổi nhiệt độ của phân lớp này Hình 4-11 thể hiện nhiệt độ trong sàn tại thời điểm cháy 90 phút Nhiệt độ tại thớ dưới của sàn có màu hiển thị là đỏ tương ứng nhiệt độ từ 900 0 C đến 1000 0 C Nhiệt độ cốt thép tại thời điểm này có màu xanh vàng tương ứng là từ 600 0 C đến 700 0 C Nhiệt độ của thớ trên của bê tông tương ứng là 200
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
Hình 4-11 biễu diễn đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian cháy được mô phỏng bằng SAFIR [3] của cốt thép, bề mặt thớ trên, bề mặt thớ dưới và ngọn lửa tiêu chuẩn ISO
834 [4] Bề mặt thớ dưới của bê tông tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa ISO [4] có nhiệt độ gia tăng nhanh chóng Ở giai đoạn đầu bị cháy, nhiệt độ phân lớp này vẫn nhỏ hơn so với nhiệt độ của ngọn lửa tiêu chuẩn Giai đoạn cháy từ 60 phút cháy trở đi, nhiệt độ của bề mặt thớ dưới bắt đầu tiến sát và tiệm cận với nhiệt độ của ngọn lửa ISO [4] Đường biểu diễn nhiệt độ theo thời gian cháy của cốt thép trong hình 4-11 cho thấy từ khoảng sau 30 phút cháy thì nhiệt độ cốt thép sẽ đạt 400 0 C và tiếp tục gia tăng Theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [2], đặc trưng cơ lý của cốt thép sẽ bị suy giảm khi nhiệt độ cốt thép lớn hơn 400 0 C Nhiệt độ của bề mặt thớ trên của sàn không tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa có nhiệt độ là 20 0 C từ 0 phút đến 20 phút cháy Từ giai đoạn 20 phút cháy trở đi, tác động của sự truyền nhiệt đã làm cho nhiệt độ của phân lớp này gia tăng Theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [2], đặc trưng cơ lý của bê tông khi nhiệt độ lớn hơn 100 0 C thì sẽ bắt đầu suy giảm Vậy nên, từ khoảng 50 phút cháy, nhiệt độ thớ trên của sàn bê tông cốt thép đã vượt hơn 100 0 C và các đặc trưng cơ lý của bê tông cũng bắt đầu suy giảm
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 [3] được so sánh và kiểm chứng với tiêu chuẩn Eurocode 2 [2] Hình 4-12 và hình 4-13 thể hiện đường cong quan hệ giữa các vị trí trong sàn và nhiệt độ tương ứng trong sàn của SAFIR [3] và Eurocode 2 [2] tại thời điểm cháy 30 phút và cháy 60 phút Kết quả so sánh cho thấy sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng với tiêu chuẩn tại các thời điểm cháy Vậy nên, kết quả mô phỏng nhiệt cho sàn BTCT từ phần mềm SAFIR [3] là đáng tin cậy Tiếp đến, dữ liệu phân tích nhiệt độ của sàn sẽ được gán vào nhập liệu vào ứng dụng SAFIR STRUCTURAL [3] để tiến hành phân tích cơ học
ISO 834 Bề mặt thớ trên bê tông
Cốt thép Bề mặt thớ dưới bê tông
Hình 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)
Hình 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)
Khoảng cách đến vị trí tiếp xúc cháy (mm)
Khoảng cách đến vị trí tiếp xúc cháy (mm)
4.1.3 Mô hình phân tích cơ học 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
= 201 mm 2 và có các thông số chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau được mô hình phân tích nhiệt học và cơ học trong phần mềm SAFIR [3] Tổng cộng có 4 trường hợp sàn đã được phân tích tương ứng với chiều dày lớp bê tông bảo vệ lần lượt là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm, và 20 mm Mục đích cho việc mô phỏng này là để kiểm tra ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn BTCT a) a = 12,5 mm b) a = 15 mm c) a = 17,5 mm d) a = 20 mm
Hình 4-19: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Hình 4-18 biểu diễn đường cong quan hệ giữa độ võng và thời gian cháy được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] Kết quả của các trường hợp sàn được mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt Thời gian chịu cháy của sàn có lớp bê tông bảo vệ 12,5 mm là 58 phút, chiều dày 15 mm tương ứng 64 phút, chiều dày 17,5 mm tương ứng 69 phút, và chiều dày 20 mm là 74 phút Điều này cho thấy, sàn BTCT có chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn hơn sẽ có khả năng chịu lửa tốt hơn
Hình 4 -19 là đường cong của độ võng theo thời gian cháy của 4 trường hợp sàn được mô phỏng Kết quả cho thấy giá trị trung bình của đường cong slope là khoảng 1,5 và giá trị sẽ tăng nhanh chóng khi bước vào giai đoạn sụp đổ Nên chọn giá trị 1,5 là điểm mốc để xác định thời điểm trước khi sàn sụp đổ Từ kết quả có được, thời điểm sụp đổ sẽ được đánh dấu vào hình 4-18
Hình 4-20: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Hình 4-20 thể hiện thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với 4 trường hợp chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau Các sàn BTCT có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 12,5 mm;
15 mm; 17,5 mm, và 20 mm có thời gian sụp đổ tương ứng là 0,96 giờ, 1,07 giờ, 1,15 giờ, và 1,23 giờ Lớp bê tông bảo vệ của sàn khi tăng từ 12,5 mm lên 15 mm, 17,5 mm, và 20 mm thì thời gian chịu lửa đến khi sụp đổ gia tăng lần lượt là 11,5%; 19,8%; 28,1% Điều này cho thấy, khả năng chịu lửa của sàn BTCT có bề dày hs = 7cm khi tăng bề dày lớp bê
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 có bề dày là 7 cm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ có thể được biễu diễn bằng phương trình T kncl = 0, 0363 a + 0,5117 (giờ) ở hình 4-20 Trong đó, T kncl là thời gian chịu lửa của sàn, a là chiều dày lớp bê tông bảo vệ Phương trình có được bằng cách vẽ một đường thẳng tuyến tính quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ và thời gian chịu lửa của 4 trường hợp sàn được thiết kế ở mục này
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 BTCT có chiều dày h s = 8 cm, có diện tích cốt thép trong sàn A s = 201 mm 2 và có các thông số chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau được mô hình phân tích nhiệt học và cơ học trong phần mềm SAFIR [3] Tổng cộng có 4 trường hợp sàn đã được phân tích tương ứng với chiều dày lớp bê tông bảo vệ lần lượt là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm, và 20 mm Mục đích cho việc mô phỏng này là để kiểm tra ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn BTCT a) a = 12,5 mm b) a = 15 mm c) a = 17,5 mm d) a = 20 mm
Hình 4-22: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Hình 4-21 biểu diễn đường cong quan hệ giữa độ võng và thời gian cháy được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] Kết quả của các trường hợp sàn được mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt Thời gian chịu cháy của sàn có lớp bê tông bảo vệ 12,5 mm là 67 phút, chiều dày 15 mm tương ứng 75 phút, chiều dày 17,5 mm tương ứng 82 phút, chiều dày và sàn có lớp bê tông bảo vệ 20 mm là 91 phút Điều này cho thấy, sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn hơn sẽ có khả năng chịu lửa tốt hơn
Hình 4 -22 là đường cong của độ võng theo thời gian cháy của 4 trường hợp sàn được mô phỏng Kết quả cho thấy giá trị trung bình của đường cong slope là khoảng 1,5 và giá trị sẽ tăng nhanh chóng khi bước vào giai đoạn sụp đổ Nên chọn giá trị 1,5 là điểm mốc để xác định thời điểm trước khi sàn sụp đổ Từ kết quả có được, thời điểm sụp đổ sẽ được đánh dấu vào 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 thể hiện thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với 4 trường hợp chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau Các sàn BTCT có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 12,5 mm;
15 mm; 17,5 mm, và 20 mm có thời gian sụp đổ tương ứng là 1,12 giờ, 1,24 giờ, 1,37 giờ, và 1,52 giờ Lớp bê tông bảo vệ của sàn khi tăng từ 12,5 mm lên 15 mm, 17,5 mm, và 20 mm thì thời gian chịu lửa đến khi sụp đổ gia tăng lần lượt là 10,8%; 22,3%; 35,7% Điều này cho thấy, khả năng chịu lửa của sàn BTCT có bề dày hs = 8 cm khi tăng bề dày lớp bê
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 có bề dày là 8 cm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ có thể được biễu diễn bằng phương trình T kncl = 0, 0525 a + 0, 4583 (giờ) ở hình 4-23 Trong đó, T kncl là thời gian chịu lửa của sàn, a là chiều dày lớp bê tông bảo vệ Phương trình có được bằng cách vẽ một đường thẳng tuyến tính quan hệ giữa chiều dày lớp bê tông bảo vệ và thời gian chịu lửa của 4 trường hợp sàn được thiết kế ở mục này
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 BTCT có chiều dày h s = 9 cm, có diện tích cốt thép trong sàn A s = 201 mm 2 và có các thông số chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau được mô hình phân tích nhiệt học và cơ học trong phần mềm SAFIR [3] Tổng cộng có 4 trường hợp sàn đã được phân tích tương ứng với chiều dày lớp bê tông bảo vệ lần lượt là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm, và 20 mm Mục đích cho việc mô phỏng này là để kiểm tra ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn BTCT a) a = 12,5 mm b) a = 15 mm c) a = 17,5 mm d) a = 20 mm
Hình 4-25: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Hình 4-24 biểu diễn đường cong quan hệ giữa độ võng và thời gian cháy được mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] Kết quả của các trường hợp sàn được mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt Thời gian chịu cháy của sàn có lớp bê tông bảo vệ 12,5 mm là 75 phút, chiều dày 15 mm tương ứng 85 phút, chiều dày 17,5 mm tương ứng 95 phút, chiều dày và sàn có lớp bê tông bảo vệ 20 mm là 105 phút Điều này cho thấy, sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ lớn hơn sẽ có khả năng chịu lửa tốt hơn
Hình 4 -25 là đường cong của độ võng theo thời gian cháy của 4 trường hợp sàn được mô phỏng Kết quả cho thấy giá trị trung bình của đường cong slope là khoảng 1,5 và giá trị sẽ tăng nhanh chóng khi bước vào giai đoạn sụp đổ Nên chọn giá trị 1,5 là điểm mốc để xác định thời điểm trước khi sàn sụp đổ Từ kết quả có được, thời điểm mốc trước khi tiến vào giai đoạn sụp đổ của từng trường hợp sàn sẽ được đánh dấu vào hình 4-24
Hình 4-26: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ
Kết luận chương
Kết quả có được từ mô phỏng nhiệt từ phần mềm SAFIR [3] cho mặt cắt ngang sàn BTCT là phù hợp với kết quả trong tiêu chuẩn Eurocode 2 [2] Dữ liệu nhiệt độ bên trong sàn có sự phân bố rõ ràng và tuân theo đường gia nhiệt ISO 834 [4] Vậy nên, việc sử dụng phần mềm SAFIR [3] để phân tích nhiệt học của cấu kiện sàn BTCT là có độ tin cậy
Kết quả về đường cong độ võng theo thời gian cháy có chung đặc điểm là có thể chia làm 3 giai đoạn Giai đoạn đầu tiên, đường cong có thể xem gần như là tuyến tính Giai đoạn kế tiếp, quan hệ độ võng theo thời gian cháy là đường cong phi tuyến Giai đoạn cuối cùng, độ võng tăng rất nhanh, tiến đến sụp đổ Giai đoạn 2 và giai đoạn 3 có thể gộp chung thành giai đoạn sụp đổ, vì 2 giai đoạn này được diễn ra trong thời gian cháy tương đối ngắn Vậy nên điểm cuối cùng của giai đoạn 1 được xem là điểm biểu diễn trạng thái sụp đổ của sàn BTCT, vì sau điểm này thì sàn sẽ bước vào giai đoạn phá hoại Thời gian sụp đổ của sàn BTCT có thể xem xét bằng với thời điểm cuối giai đoạn 1 Sau đó, công thức slope được xử dụng để xác định độ cong của độ võng và thời gian cháy Thông qua đồ thị này để xác định thời điểm trước khi mà độ cong của độ võng có giá trị bắt đầu lớn hơn giá trị trung bình Thời điểm này được gọi là điểm cuối của giai đoạn 1, hay còn gọi là thời điểm sụp đổ
Hình 4-61: Các giai đoạn của sàn khi mô phỏng cháy
Thời gian sụp đổ được gia tăng lên đáng kể khi tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép chịu lực và bề dày của sàn BTCT Thông số chiều dày lớp bê tông bảo vệ khi được
THỜI ĐIỂM PHÁ HOẠI tăng từ 12,5 mm đến 20 mm thì thời gian sụp đổ của sàn có bề dày bằng 7 cm tăng từ 11,5% đến 28,1%, thời gian sụp đổ của sàn có bề dày bằng 8 cm tăng từ 10,7% đến 35,7%, thời gian sụp đổ của sàn có bề dày bằng 9 cm tăng từ 13,7% đến 40,3% Thông số diện tích cốt thép chịu lực khi được tăng từ 141 mm2 đến 452 mm2 thì thời gian sụp đổ của sàn có bề dày bằng 7 cm tăng từ 28% đến 83%, thời gian sụp đổ của sàn có bề dày bằng 8 cm tăng từ 37,8% đến 93,3%, thời gian sụp đổ của sàn có bề dày bằng 9 cm tăng từ 38,2% đến 88,2% Thông số bề dày sàn khi được tăng từ 7 cm đến 9 cm thì thời gian sụp đổ của sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ bằng 12,5 mm sẽ tăng từ 16,7% đến 29,2%, sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ bằng 15 mm sẽ tăng từ 15,9% đến 31,8%, sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ bằng 17,5 mm sẽ tăng từ 19,1% đến 37,4%, sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ bằng 20 mm sẽ tăng từ 23,6% đến 41,4% Thông số bề dày sàn khi được tăng từ 7 cm đến 9 cm thì thời gian sụp đổ của sàn có diện tích cốt thép chịu lực bằng 141 mm2 sẽ tăng từ 5,9% đến 22,4%, sàn có diện tích cốt thép chịu lực bằng 201 mm2 sẽ tăng từ 15,9% đến 31,8%, sàn có diện tích cốt thép chịu lực bằng 314 mm2 sẽ tăng từ 12,6% đến 25,9%, sàn có diện tích cốt thép chịu lực bằng 452 mm2 sẽ tăng từ 15,8% đến 26,3%
Thời gian chịu lửa của sàn có mối quan hệ tuyến tính với chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép chịu lực và bề dày sàn Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa của sàn và chiều dày lớp bê tông bảo vệ được biểu diễn qua các phương trình T kncl = 0, 0363 a + 0,5117 (giờ) khi bề dày sàn là 7 cm, T kncl = 0, 0525 a + 0, 4583 (giờ) khi bề dày sàn là 8 cm, và
T kncl = a + (giờ) khi bề dày sàn là 9 cm Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa của sàn và diện tích cốt thép chịu lực được biểu diễn qua thông qua các phương trình
T = A + (giờ) khi bề dày sàn là 7 cm, T kncl = 0, 0026 A s + 0, 6407 (giờ) khi bề dày sàn là 8 cm, và T kncl = 0, 0027 A s + 0, 7633 (giờ) khi bề dày sàn là 9 cm Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa và bề dày sàn được biểu diễn qua các phương trình 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) tương ứng với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm, và 20 mm Mối quan hệ giữa thời gian chịu lửa của sàn và bề dày sàn được biểu diễn qua các phương trình T kncl = 0,1 h s + 0,1133 (giờ), T kncl = 0,1813 h s − 0, 2153 (giờ), T kncl = 0,1829 h s + 0,0522 (giờ), và T kncl = 0, 2083 h s + 0,0522 (giờ) tương ứng với các diện tích cốt thép là 141 mm 2 , 201 mm 2 , 314 mm 2 và 452 mm 2