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

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung

Tình trạng hỏa hoạn gây hư hỏng, sập đổ các công trình đã và đang là vấn đề nan giải trong nhiều năm nay Trên thế giới đã có nhiều vụ cháy dẫn đến sụp đổ công trình và thiệt hại rất nhiều về tính mạng con người Ở thành phố Sao Paulo vào ngày 1/5/2018, một vụ cháy đã xảy ra và gây sập đổ hoàn toàn một tòa nhà 26 tầng

Vụ việc này đã khiến ít nhất 1 người thiệt mạng và 3 người mất tích

Hình 2.1 Một tòa nhà 26 tầng ở thành phố Sao Paulo sập đổ sau khi cháy Tại Bồ Đào Nha vào ngày 20/12/2020, cháy đã làm sập một tòa nhà ở ngay tại trung tâm thành phố Lisbon Gần 50 lính cứu hỏa đã phải tới hiện trường để dập lửa và cứu hộ

Hình 2.2 Tòa nhà ở Lisbon, Bồ Đào Nha sập đổ sau một vụ cháy

Tại Việt Nam, 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 và CNCH, trong tháng 4/2022, toàn quốc xảy ra 132 vụ cháy, làm chết 8 người, bị thương 5 người; thiệt hại tài sản ước tính 22,5 tỷ đồng Như vậy, tình hình cháy ở nhà ở hộ gia đình là một thực trạng đáng lo ngại và cần phải ngăn ngừa, giảm thiểu mất mát

Hỏa hoạn có ảnh hưởng với các mức độ khác nhau đến khả năng chịu lực của kết cấu Khi hỏa hoạn xảy ra, dầm và cột là các cấu kiện chịu lực chính nhưng lại bị tác động trực tiếp của lửa Điều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của kết cấu Vì vậy, việc đánh giá tác động của lửa đối với khả năng chịu lực của dầm trở nên rất cần thiết.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Năm 1985, Dotreppe và Franssen [3] đã sử dụng phương pháp số để phân tích kết cấu BTCT và kết cấu liên hợp chịu lửa Tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích mặt cắt dầm, mặt cắt dầm này được chia thành các phần tử nhỏ hình vuông Kết cấu tăng nhiệt được phân tích từng bước bằng cách sử dụng phương trình Newton-Raphson Tác giả so sánh giữa lý thuyết và các kết quả thí nghiệm đối với một dầm BTCT và một dầm liên hợp Trong cả hai trường hợp, có sự tương đồng khá cao giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm Bài báo này còn chỉ ra rằng, mặc dù cùng một loại mô hình tuy nhiên phân tích kết cấu liên hợp tương đối khó khăn hơn phân tích BTCT

Năm 1996, El-Hawary và cộng sự [4] đã trình bày một nghiên cứu về ảnh hưởng của lửa đến ứng xử uốn của dầm BTCT Bốn nhóm dầm BTCT được đúc, tiếp xúc với lửa ở 650°C trong các khoảng thời gian 0, 30, 60 và 120 phút và sau đó được làm nguội bằng nước Cường độ chịu nén của bê tông trong dầm được xác định bằng búa Schmidt Các dầm đã được kiểm khả năng kháng uốn bằng cách tác dụng hai tải trọng ngang tăng dần Các biến dạng và độ lệch được đo ở mỗi lần tăng tải Tải trọng gây nứt, sự hình thành vết nứt và tải trọng tới hạn được ghi lại cho mỗi dầm Sau thí nghiệm, tác giả quan sát thấy sự giảm tải trọng tới hạn, tăng độ võng, tăng cả biến dạng kéo, nén đồng thời giảm cường độ nén của bê tông do tiếp xúc với lửa

Năm 1997, El-Hawary và cộng sự [5] tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc với lửa và độ dày lớp bê tông bảo vệ đối với ứng xử của dầm BTCT chịu lửa trong vùng chịu cắt và sau đó làm nguội bằng nước Thí nghiệm 8 dầm BTCT (180×20×12 cm) được thực hiện trong nghiên cứu này Các dầm được chia thành 2 nhóm Nhóm (1) gồm bốn dầm có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 2 cm và nhóm (2) gồm bốn dầm có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 4 cm Mỗi nhóm phải chịu ngọn lửa ở 650°C trong các khoảng thời gian khác nhau (0, 30, 60 và 120 phút) Cường độ chịu nén của bê tông trong dầm được xác định bằng cách sử dụng búa Schmidt sau khi tiếp xúc với lửa Các dầm được thí nghiệm bằng cách tác dụng tăng dần hai tải trọng ngang Các biến dạng được đo ở mỗi lần tăng tải Tải trọng nứt, sự hình thành vết nứt và tải trọng tới hạn được ghi lại cho mỗi dầm Ứng xử của các dầm tiếp xúc với lửa trong vùng chịu cắt bị ảnh hưởng nhiều bởi thời gian tiếp xúc với lửa và sự thay đổi lớp bê tông bảo vệ

Năm 1998, Desai [6] trình bày một phương pháp để ước tính khả năng chịu uốn và cắt của một dầm BTCT, tương ứng với một khoảng thời gian nhất định mà dầm BTCT tiếp xúc với lửa Phương pháp đề xuất này dựa trên việc đánh giá sự suy giảm cường độ của bê tông và cốt thép, do nhiệt độ cao phát triển bên trong dầm Các quy tắc thiết kế về khả năng chịu uốn và chịu cắt được kiểm chứng với các thí nghiệm trên dầm để xem xét ảnh hưởng của một loạt các thông số thực tế: kích thước của dầm, cường độ của bê tông và cốt thép, khối lượng và vị trí của cốt thép

Năm 2009, Dwaikat & Kodur [7] đã thực hiện các thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu lửa của 6 dầm BTCT đánh số từ B1 – B6 Tất cả dầm đều có chiều dài là 3,96 m và tiết diện ngang 406ì254 mm 2 , sử dụng thộp dọc ỉ19 chịu kộo và ỉ13 chịu nén Trong đó B1 và B2 làm từ bê tông cường độ bình thường, B3 – B6 làm từ bê tông cường độ cao Các thí nghiệm bao gồm thí nghiệm kiểm tra cường độ bê tông, điều kiện ảnh hưởng, quá trình cấu kiện bị cháy, tỷ lệ tải trọng Dữ liệu từ các thí nghiệm được sử dụng để so sánh hiệu suất của dầm bê tông cường độ cao và bê tông cường độ bình thường trong điều kiện cháy Ngoài ra, dữ liệu từ các thí nghiệm còn được sử dụng để đối chiếu với mô hình phản ứng cháy của dầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn Kết quả từ các thí nghiệm và mô phỏng số, có thể rút ra các kết luận như: dầm với bê tông cường độ cao có khả năng chống cháy thấp hơn so với dầm sử dụng bê tông cường độ thấp Đồng thời bê tông cường độ cao dễ bị nứt vỡ hơn, lý do là vì tính thấm của bê tông thấp Ngoài ra, mức tải trọng, cách tiếp xúc với lửa và các điều kiện liên kết cũng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống cháy chung của dầm BTCT Do đó, sự phá hoại và khả năng chống cháy của dầm BTCT tiếp xúc với lửa phải được xác định dựa trên điều kiện cháy, tải trọng và diễn biến thực tế

Năm 2011, tác giả Hawileh [8] đã nghiên cứu việc sử dụng mô hình phi tuyến để xác định khả năng truyền nhiệt trong cấu kiện BTCT được gia cường bằng GFRP Chương trình mô phỏng ANSYS 2007 được sử dụng để mô hình dầm BTCT có tiết diện 350×400 mm dài 4.25 m Trong thí nghiệm mô phỏng, nhiệt độ trung bình trong các thanh GFRP được lấy sau mỗi 0,5 giây Kết quả dự đoán nhiệt độ trung bình sau 25 phút tiếp xúc với lửa là khá chính xác Có một sự sai lệch nhỏ có thể liên quan đến việc thiếu các đặc tính vật liệu chịu nhiệt của các thanh GFRP Dầm BTCT được thí nghiệm bị phá hoại sau khoảng 128 phút tiếp xúc với lửa, khi nhiệt độ trung bình trong các thanh GFRP đạt 462 °C Tương tự, dự đoán thời gian dầm bị phá hoại là 130 phút Sự khác biệt thời gian phá hoại theo tỷ lệ phần trăm giữa mô hình phi tuyến và thời gian thực nghiệm là 1.5% Sự truyền nhiệt bắt đầu từ các cạnh dầm, sau đó truyền vào trong dầm Lớp bê tông bảo vệ có thể trì hoãn sự tăng nhiệt độ trong GFRP lên tới 130 phút Từ đó cho thấy dầm bê tông được gia cố bằng thanh GFRP có thể đạt được độ bền chịu lửa khoảng 130 phút, cao hơn nhiều so với thời gian tối thiểu 90 phút được khuyến nghị trong tiêu chuẩn Anh Hơn nữa, khi làm thí nghiệm có thể thiếu dữ liệu về sự gia tăng nhiệt độ trong các thanh GFRP riêng lẻ trong quá trình tiếp xúc với lửa Tuy nhiên, khi dùng mô hình FE thì có thể dự đoán sự gia tăng nhiệt độ tại bất kỳ vị trí và thời gian cụ thể nào Vì vậy, mô phỏng FE có thể được sử dụng thay thế cho các thí nghiệm tốn kém

Năm 2013, Eamon [9] và cộng sự trình bày quy trình phân tích độ tin cậy của dầm BTCT bị cháy Nghiên cứu này đề cập đến việc xác định các tổ hợp tải trọng có liên quan, xác định các biến tải trọng ngẫu nhiên và tải trọng tới hạn đặc biệt, thiết lập mô hình ứng xử nhiệt độ cao để xác định khả năng chịu tải dầm Dựa trên nghiên cứu, một phân tích độ tin cậy được thực hiện bằng cách sử dụng các dữ liệu có sẵn Các biến ngẫu nhiên là tĩnh tải, hoạt tải duy trì và nhiệt độ Khả năng chịu lực là khả năng chịu mô men, với các biến ngẫu nhiên được lấy là cường độ chảy dẻo của thép, cường độ chịu nén của bê tông, vị trí đặt cốt thép, chiều rộng dầm và độ khuếch tán nhiệt Ảnh hưởng của các thông số khác nhau của dầm đã được xem xét, bao gồm lớp bê tông bảo vệ, chiều rộng dầm, loại cốt liệu, cường độ nén, tỷ lệ tĩnh tải trên hoạt tải, tỷ lệ cốt thép, điều kiện chống đỡ, nhiệt độ cháy trung bình và các thông số khác Sử dụng quy trình được đề xuất, độ tin cậy được ước tính từ 0 đến 4 giờ tiếp xúc với đám cháy bằng cách sử dụng mô phỏng Monte Carlo Tác giả kết luận rằng độ tin cậy giảm phi tuyến tính như một hàm của thời gian Trong đó các thông số quan trọng nhất là lớp phủ bê tông, tỷ lệ nhịp/chiều sâu khi có các vật cản dọc trục, nhiệt độ cháy trung bình và các điều kiện hỗ trợ

Cũng trong năm 2013, Han và cộng sự [10] đã có một nghiên cứu về hiệu suất chống cháy của kết cấu composite (SRC) Bài báo này tóm tắt một số nghiên cứu gần đây được công bố về kết cấu SRC trong hoặc sau khi tiếp xúc với lửa Nội dung bài báo bao gồm: 1) Khả năng chịu lửa và tính chất sau cháy của cột SRC; 2) Tính năng chống cháy của cột SRC với các khớp dầm, bằng cách áp dụng trình tự chất tải bao gồm chất tải ban đầu, gia nhiệt, làm mát và chất tải sau cháy; 3) Khả năng chống cháy và ứng xử sau cháy của khung SRC

Năm 2014, Nair & Gomez [11] đã xuất bản một bài nghiên cứu về khả năng chống lửa của dầm chữ T ứng suất trước bằng phương pháp mô hình số, nhằm đánh giá khả năng làm việc của các cấu kiện bê tông dự ứng lực đúc sẵn trong các kết cấu khung bê tông Kết cấu dầm T được mô hình bằng phần mềm ANSYS, một phần mềm có khả năng dự đoán phản ứng cháy của kết cấu Đối tượng nghiên cứu trong nghiên cứu này là dầm T kép chịu lửa Các dầm được phân tích với các độ dày sàn bên trên lần lượt là 51 mm, 76 mm, 102 mm, 121 mm và 152 mm Đồ thị thu được từ việc phân tích được biểu diễn dưới dạng hàm thời gian theo nhiệt độ nút ở các bước thời gian khác nhau và độ dày tấm khác nhau Trong mọi trường hợp, nhiệt độ ở phía không được tiếp xúc với lửa của dầm ban đầu tăng chậm theo kiểu tuyến tính, sau đó tăng nhanh hơn và theo xu hướng tương tự như đường gia nhiệt tiêu chuẩn ASTM E119 Kết luận được rút ra là khả năng chống cháy phụ thuộc vào lớp bê tông bảo vệ và độ dày của tấm topping trong sàn Ngoài ra, độ cứng của liên kết trong dầm cũng ảnh hưởng tới khả năng chống cháy

Vào năm 2015, nhóm Gernay & Franssen [12] phát triển một mô hình kếu cấu đa trục mới cho bê tông trong tình huống hỏa hoạn Một số ví dụ về mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến tính được sử dụng để tìm hiểu các khả năng chống cháy của kết cấu khung bê tông Tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng SAFIR Bài viết tập trung nghiên cứu về mô hình phá hoại dẻo ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao Nghiên cứu sử dụng EN 1992-1-2 để khái quát hóa cho các trạng thái ứng suất đa trục bằng cách sử dụng giả định đẳng hướng để tính toán biến dạng nhiệt tự do Bê tông khi chịu nhiệt độ cao sẽ bị suy giảm về cường độ và độ cứng Hiệu ứng này được xem xét thông qua các thông số vật liệu Quy luật biến đổi của các tham số nhiệt độ được lấy từ các quy ước như trong EN 1992-1-2 hoặc từ dữ liệu thí nghiệm đã được công bố Mô hình kết cấu đa trục mới cho bê tông ở nhiệt độ cao được phát triển dựa trên sự phá hoại dẻo Trong bài báo này, mô hình bê tông đã được sử dụng trong các mô hình số được thực hiện với phần mềm dành riêng cho việc phân tích các cấu trúc tòa nhà trong điều kiện hỏa hoạn Mục tiêu là để chứng minh khả năng ứng dụng mô hình cụ thể trong khung dựa trên hiệu suất và cho thấy rằng nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng thực tế trong thiết kế kết cấu kháng cháy Các mô phỏng của nghiên cứu đã làm nổi bật độ tin cậy và độ chính xác của mô hình bê tông Đặc biệt, mô hình đã thành công trong việc dự đoán được sự hình thành vết nứt trong một mẫu bê tông đơn giản chịu lực cắt và lực kéo kết hợp, và sự phát triển của lực kéo trong các tấm bê tông chịu uốn

Năm 2017, Gao và cộng sự [13] đã trình bày bài báo về sự phát triển của một phương pháp dự đoán khả năng chống cháy của dầm BTCT tiếp xúc với lửa Phương pháp đề xuất dựa trên phương pháp thời gian tương đương trong đó năng lượng kết hợp với các hệ số hiệu chỉnh được xây dựng dưới dạng hàm gồm các biến số là bề dày lớp bê tông bảo vệ và các đặc tính bề mặt Theo cách tiếp cận được đề xuất, khoảng thời gian chịu lửa của dầm BTCT trong điều kiện tiếp xúc với lửa có thể được suy ra khi dầm BTCT tiếp xúc với đường gia nhiệt tiêu chuẩn, sau này có thể được dự đoán bằng cách sử dụng một tập hợp các phương trình đã được các tác giả phát triển trước đó Dữ liệu về khả năng chịu lửa của dầm BTCT trong điều kiện tiếp xúc với đường gia nhiệt tiêu chuẩn được sử dụng để xây dựng và đối chứng với phương pháp đề xuất Phương pháp thiết kế đề xuất được chứng minh là chính xác trong việc dự đoán khả năng chống cháy của dầm BTCT khi tiếp xúc với đường gia nhiệt tiêu chuẩn

Năm 2019, Song và cộng sự [14] đã nghiên cứu về khả năng chống cháy của dầm BTCT với sự thay đổi về cốt thép Nội dung chính của báo cáo này là khảo sát các ứng xử của dầm BTCT đơn giản có ba mặt tiếp xúc với lửa Tác giả đã thí nghiệm 6 mẫu với kích thước thật được thiết kế theo nguyên tắc “uốn mạnh và cắt yếu” Một dầm được thí nghiệm với nhiệt độ phòng trong khi 5 dầm khác được thí nghiệm chịu nhiệt độ cao Các thông số liên quan đến khả năng chịu cắt dã được thảo luận và trình bày, chẳng hạn như tỷ lệ cốt thép dọc và tỷ lệ cốt thép đai Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng phá hoại giòn do cắt dưới nhiệt độ phòng có thể chuyển sang phá hoại uốn – cắt ở nhiệt độ cao do giãn nở nhiệt và suy giảm cường độ của bê tông và cốt thép Ngoài ra tác giả còn kết luận rằng tỷ lệ cốt thép dọc càng cao thì thời gian phá hoại của mẫu càng lớn Điều đó có thể chỉ ra rằng cốt thép dọc có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu cắt của dầm dưới tác động của nhiệt độ cao Ngoài ra, sự cấu tạo của cốt thép đai cũng có thể làm giảm một cách hiệu quả độ võng của dầm khi bước vào giai đoạn phá hủy do nhiệt

Năm 2019, Thongchom và cộng sự [15] đã nghiên cứu những ảnh hưởng của tải trọng làm việc liên tục ở nhiệt độ cao đối với phản ứng uốn của dầm BTCT tiết diện chữ T sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao 700 °C và 900 °C trong 3 giờ và sau đó làm nguội trong không khí Hai dầm phải chịu tải trọng làm việc mô phỏng không đổi bằng 22.6 % độ bền uốn không bị hư hại (không bị gia nhiệt), trong khi các dầm đối ứng tiếp xúc với lửa mà không có bất kỳ tải trọng duy trì nào được tác dụng Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng các cốt thép (chịu kéo) trong tất cả các dầm tiếp xúc với lửa đã trải qua nhiệt độ đỉnh cao hơn giá trị tới hạn (593 °C) trước khi thí nghiệm tĩnh sau cháy Kết quả thí nghiệm tĩnh sau cháy cho thấy tải trọng duy trì có ảnh hưởng bất lợi đến phản ứng uốn sau cháy của dầm BTCT Ảnh hưởng bất lợi này thể hiện rõ rệt hơn ở độ cứng và độ dẻo sau cháy Trong bài báo, mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để dự đoán phản ứng nhiệt độ và các mối quan hệ tải trọng

- độ võng sau cháy của dầm BTCT tiếp xúc với lửa

Năm 2020 Akca và ệzyurt [16] đó trỡnh bày bài bỏo về ứng xử cơ học sau cháy và ảnh hưởng của các điều kiện bảo dưỡng sau cháy khác nhau (làm nguội, xử lý lại, bảo dưỡng trong nước, bảo dưỡng trong không khí) để phục hồi các đặc tính cơ học của dầm BTCT sau cháy Kết quả của các thí nghiệm cháy thu được từ các mẫu thử có kích thước nhỏ có thể không thể hiện được đặc tính sau cháy thực của các thành phần kết cấu Do đó, trong nghiên cứu này, kết cấu dầm bê tông được tiếp xúc với đường gia nhiệt ISO 834 và sau đó chịu các điều kiện bảo dưỡng khác nhau để hiểu rõ hơn về những thay đổi của bê tông trong giai đoạn sau cháy Dầm được thí nghiệm chịu uốn ở bốn điểm để đánh giá ứng xử cơ học Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để theo dõi những thay đổi về hình thái của bê tông do tiếp xúc với lửa Kết quả cho thấy việc tiếp xúc với nhiệt độ cao gây ra sự suy giảm hình thái và giảm các đặc tính cơ học còn lại của bê tông, trong khi việc đóng rắn lại sau cháy cải thiện các đặc tính cơ học và sự phục hồi trong cấu trúc vi mô Kết quả cũng chỉ ra rằng các điều kiện bảo dưỡng sau cháy đã phục hồi đáng kể sự giảm độ cứng kháng uốn của dầm BTCT sau cháy

Sau đó vào năm 2021 nhóm tác giả Tariq và Bhargava [17] đã trình bày nghiên cứu về ứng xử uốn của dầm BTCT bị ăn mòn khi chịu lửa Bài báo này kiểm tra phản ứng lệch tải của dầm BTCT nhịp ngắn có tính đến khả năng tiếp xúc với sự kết hợp của hư hỏng do ăn mòn và tiếp xúc với nhiệt độ cao Ý tưởng của nghiên cứu này là mô phỏng một đám cháy trong một cấu trúc cũ hoặc lâu đời nằm trong một môi trường ẩm ướt Đầu tiên dầm BTCT được làm ăn mòn bằng phương pháp điện phân để đạt được mức ăn mòn tổn thất khối lượng 4% và 8% Những dầm này sau đó đã bị đốt cháy ở 400 °C và 600 °C và cuối cùng được thử tải đến phá hoại Các kết quả chỉ ra rằng việc tiếp xúc với các tổ hợp ăn mòn-cháy-tải như vậy đã gây ra sự giảm đáng kể về cường độ Đường cong quan hệ tải trọng-chuyển vị của các dầm cũng được xem xét và đánh giá Mức giảm độ cứng (stiffness) lên tới 50%, đây là mức giảm cao nhất so với bất kỳ thông số nào khác Các kết quả thu được thông qua thí nghiệm đã được kiểm chứng với các phân tích mặt cắt sử dụng các mô hình ứng suất-biến dạng dư cho bê tông và thép khi chịu ăn mòn và nhiệt độ cao

Tổng kết

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm cũng như mô phỏng các cấu kiện chịu lửa trong và ngoài nước nhưng việc nghiên cứu về khả năng chịu lửa của cấu kiện dầm BTCT khi thay đổi chiều dày lớp bê tông bảo vệ bằng phần mềm mô phỏng là khá hạn chế Việc đánh giá được khả năng chịu lửa của cấu kiện cũng như vật liệu sau hỏa hoạn là rất cần thiết để có thể quyết định tiếp tục sử dụng hay gia cường các kết cấu sau hỏa hoạn Việc đẩy mạnh các nghiên cứu trong lĩnh vực này là công việc rất đáng được quan tâm.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quan hệ σ - ε của bê tông và thép khi nhiệt độ tăng cao

Để thiết kế kết cấu BTCT chịu lửa, các thông số quan trọng nhất là quan hệ ứng suất - biến dạng, độ suy giảm cường độ của bê tông và cốt thép Các mô hình toán học cho vật liệu thép đã được nhiều nghiên cứu kiểm chứng và đồng thuận, song mô hình toán học cho vật liệu bê tông được chia làm hai dạng mà mỗi dạng cho kết quả mô phỏng khác nhau đáng kể

3.2.1 Vật liệu cốt thép Đối với cốt thép, biến dạng trong điều kiện nhiệt độ cao chịu tải trọng gồm hai thành phần: tot th 

 tot : biến dạng tổng (total)

 th : biến dạng tự do do nhiệt độ (free thermal strain)

 : biến dạng do lực (stress-depended strain)

Biến dạng tự do do nhiệt độ  th được xác định theo công thức đề xuất trong EN1992-1-2 [1], phụ thuộc vào nhiệt độ:

Trong đó:  là nhiệt độ của cốt thép ( 0 C)

Biến dạng do lực   được suy ra từ các mối quan hệ ứng suất-biến dạng cho trong Hình 3.4 được xác định bởi ba tham số:

- Độ dốc của phần đàn hồi tuyến tính E s,θ

- Giới hạn đàn hồi f sp,θ

- Ứng suất tới hạn f sy,θ

Hình 3.4 Mô hình toán học cho mối quan hệ ứng suất-biến dạng của cốt thép và thép ứng suất trước ở nhiệt độ cao Bảng 3-1 Công thức xác định Biến dạng do lực   Các giai đoạn biến dạng Ứng suất  Mô đun tiếp tuyến

Module đàn hồi của thép theo nhiệt độ được lấy theo mục 3.2.3 trong tiêu chuẩn EN 1992-1-2 Trong trường hợp này, hệ số suy giảm module đàn hồi kEs được lấy từ bảng 3.2b trang 24 - tiêu chuẩn EN 1992, áp dụng cho thép loại X

Bảng 3-2 Hệ số suy giảm đặc trưng cốt thép loại X Nhiệt độ cốt thép f sy,θ / f yk f sp,θ / f yk E s,θ / E s θ [°C] Cán nóng và cán nguội

Cán nóng và cán nguội

Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng cao thì cường độ của cốt thép cũng giảm đáng kể

Tỷ lệ giữa cường độ cốt thép ở nhiệt độ T so với cường độ cốt thép ở nhiệt độ bình thường được gọi là hệ số k s Hệ số suy giảm cường độ của cốt thép được lấy theo Hình 3.5 Đường cong số 1 đại diện cho cốt thép l đại diện cho cốt thép cán nóng và cán nguội với điều kiện biến dạng ε s ≥ 2% Đường cong số 2 đại diện cho cốt thép loại X – cán nóng, chịu kéo và nén với điều kiện biến dạng ε s < 2%

Hình 3.5 Đặc trưng cơ lý của thép ở nhiệt độ cao theo EN 1992 [1]

3.2.2 Vật liệu bê tông Đối với vật liệu bê tông thì biến dạng trong điều kiện nhiệt độ cao và chịu tải trọng gồm các thành phần sau: r tot th  tr c

 : biến dạng do lực (stress-related strain)

 tr : biến dạng từ biến nhanh (transient creep strain) r

 c : biến dạng từ biến (creep)

Biến dạng do nhiệt độ th phụ thuộc rất nhiều vào loại cốt liệu làm bê tông và thay đổi theo nhiệt độ nên được viết là hàm của nhiệt độ có hệ số khác nhau cho loại bê tông cốt liệu đá canxit và đá silic Trong nghiên cứu này, biến dạng do nhiệt độ  th được lấy theo công thức đề xuất trong tiêu chuẩn EN 1992 [1] , phụ thuộc vào nhiệt độ Trong đó đường 1: bê tông cốt liệu đá silic, đường 2: bê tông cốt liệu đá canxit

Hình 3.6 Biến dạng do nhiệt độ của bê tông cốt liệu đá silic và cốt liệu đá canxit

Biến dạng do lực   : biến dạng liên quan đến ứng suất thường được biểu diễn bằng các công thức toán học

Biến dạng từ biến  c r : Biến dạng từ biến là biến dạng theo thời gian khi giữ nguyên nhiệt độ và ứng suất trong vật liệu Trong điều kiện cháy, biến dạng từ biến rất nhỏ so với các biến dạng khác nên được bỏ qua

Biến dạng từ biến nhanh  tr hay biến dạng nhiệt tức thời (transient creep strain) của bê tông, biến dạng này xảy ra ở lần đầu tiên bê tông bị nung nóng khi đã chịu ứng suất nén Biến dạng từ biến nhanh ở đây được định nghĩa là sự chênh lệch biến dạng của bê tông khi thí nghiệm chất tải trước rồi mới nung nóng và biến dạng khi thí nghiệm nung nóng trước rồi mới chất tải

Tiêu chuẩn châu Âu hiện hành EN 1992-1-2 [1] dựa vào các thí nghiệm, để xây dựng mô hình toán học liên hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu bê tông ở nhiệt độ cao và đưa ra mô hình tích hợp biến dạng nhiệt tức thời vào biến dạng do lực (implicit model) như trình bày dưới đây Biến dạng của bê tông trong nhiệt độ cao được tính như sau: r tot th  tr c

 m : biến dạng cơ học (mechanical) r

 c : biến dạng từ biến (creep), rất nhỏ so với các biến dạng khác trong điều kiện nhiệt độ cao nên bỏ qua m  tr

 = + trong đó   là biến dạng do lực và  tr là biến dạng nhiệt tức thời tức là biến dạng nhiệt tức thời đã được kể chung vào biến dạng do lực và gọi chung là biến dạng cơ học

Tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 [1] đưa ra công thức toán học liên hệ giữa biến dạng cơ học và ứng suất như Hình 3.7 Nhánh đi xuống có thể tính phi tuyến, tuyến tính hoặc bỏ qua Trong phần mềm SAFIR, nhánh đi xuống được coi là tuyến tính

Hình 3.7 Mô hình toán học biểu diễn quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông chịu nén ở nhiệt độ cao Khi nhiệt độ càng tăng thì cường độ của bê tông ở nhiệt độ T so với cường độ bê tông ở nhiệt độ theo Hình 3.8 Đường cong số 1 đại diện cho bê tông cốt liệu silicat, đường cong số 2 đại diện cho bê tông cốt liệu canxi

Hình 3.8 Đặc trưng cơ lý của bê tông ở nhiệt độ cao theo EN 1992 [1]

3.3 Sự phân bố nhiệt độ trong dầm BTCT

Khi cấu kiện dầm BTCT được gia nhiệt từ bên ngoài theo đường cong tiêu chuẩn ISO 834, sự truyền nhiệt giữa môi trường ngoài với cấu kiện BTCT diễn ra thông qua các hiện tượng đối lưu (định luật Newton) và bức xạ nhiệt (định luật StephanBoltzman)

Tiờu chuẩn EN 1992-1-2 [1] sử dụng hệ số bức xạ nhiệt à f = 1,0 và hệ số truyền nhiệt đối lưu α c = 25 W/m 2 K Giả thiết bỏ qua sự ảnh hưởng của cốt thép và nhiệt độ tại vị trí cốt thép được lấy bằng nhiệt độ của bê tông xung quanh nó Như vậy, tại một thời điểm nhất định kể từ khi bắt đầu bị gia nhiệt, nhiệt độ tại các điểm bên trong tiết diện dầm là khác nhau và tăng dần từ bên trong ra phía ngoài, các điểm có nhiệt độ bằng nhau tạo nên nhiều họ đường đẳng nhiệt khép kín trong tiết diện Phụ lục A của Tiêu chuẩn EN 1992-1-2 [1] cung cấp thông tin về sự phân bố nhiệt độ trên một số dầm BTCT tiết diện chữ nhật tại một số thời điểm nhất định của đám cháy là 30, 60, 90, 120, 180 và 240 phút (ký hiệu là R30, R60, R90, R120, R180 và R240) Hình 3.9 minh họa các đường đẳng nhiệt do EN 1992-1-2 cung cấp trên 1/4 tiết diện của dầm có b × h = 300 × 600 mm tại các thời điểm R60, R90 và R120 a) R30 b) R60

Hình 3.9 Phân bố nhiệt độ trên 1/4 tiết diện dầm theo EN 1992 [1]

3.4 Các phương pháp tính toán

Tiêu chuẩn EN 1992-1-2 trình bày ba phương pháp tính toán kết cấu chịu lửa là phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản và phương pháp nâng cao

Ba phương pháp trên được chia thành h ai nhóm chính là thiết kế theo các nguyên tắc định trước (phương pháp tra bảng và phương pháp tính toán đơn giản), và thiết kế theo ứng xử kết cấu (phương pháp nâng cao)

Các phương pháp tính toán

Tiêu chuẩn EN 1992-1-2 trình bày ba phương pháp tính toán kết cấu chịu lửa là phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản và phương pháp nâng cao

Ba phương pháp trên được chia thành h ai nhóm chính là thiết kế theo các nguyên tắc định trước (phương pháp tra bảng và phương pháp tính toán đơn giản), và thiết kế theo ứng xử 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) Còn trong phương pháp thiết kế theo ứng xử 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

Bảng 3-3 Các phương pháp tính toán kết cấu chịu lửa theo EN 1992-1-2 [1]

Phương pháp tính đơn giản

Phân tích cấu kiện riêng lẻ

Chỉ nêu số liệu áp dụng cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn

Chỉ nêu số liệu phân bố nhiệt độ cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn Đưa ra các nguyên tắc

Phân tích một phần kết cấu

Chỉ nêu số liệu phân bố nhiệt độ cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn Đưa ra các nguyên tắc

Phân tích cả hệ kết cấu Không đề cập Không đề cập Đưa ra các nguyên tắc

3.4.1 Phương pháp tra bảng tính toán dầm BTCT ở nhiệt độ cao

Phương pháp tra bảng cho tính toán dầm đơn giản và dầm liên tục được quy định tương ứng trong các Bảng 5.5 và 5.6 của EN 1992, trong đó cung cấp giá trị tối thiểu của bề rộng dầm (b min), cùng với giá trị tối thiểu của khoảng cách tính từ mặt dưới và hai mặt bên của dầm tới trọng tâm của các thanh cốt thép dọc chịu lực gần nhất (gọi tắt là khoảng cách trục a), để đảm bảo khả năng kháng cháy từ R30 tới R240

Bảng 3-4 Kích thước tối thiểu của dầm BTCT một nhịp [1]

Kích thước tối thiểu (mm) Khoảng cách trung bình từ mặt ngoài tới trọng tâm cốt thép a và bề rộng dầm b min

Bảng 3-5 Kích thước tối thiểu của dầm BTCT nhiều nhịp liên tục [1]

Kích thước tối thiểu (mm) Khoảng cách trung bình từ mặt ngoài tới trọng tâm cốt thép a và bề rộng dầm b min

Bảng 3-3 cũng có thể được sử dụng cho dầm liên tục có sự phân phối lại moment lớn hơn 15%, nhưng với điều kiện dầm phải có khả năng năng xoay tại gối tựa trong điều kiện nhiệt độ cao

Số liệu trong các bảng trên chỉ có hiệu lực nếu:

• Các yêu cầu cấu tạo được thỏa mãn

• Sự phân phối lại moment uốn thiết kế tại nhiệt độ thường trong dầm liên tục không vượt quá 15%, nếu không dầm phải được coi là dầm đơn giản

3.4.2 Phương pháp đường đẳng nhiệt 500 o C tính toán dầm BTCT ở nhiệt độ cao

Phương pháp đường đẳng nhiệt 500 o C được áp dụng cho cấu kiện BTCT chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO-834 Với các tác động nhiệt khác theo thời gian, cần tiến hành các phép phân tích cụ thể liên quan tới cường độ bê tông thay đổi theo nhiệt độ và thời gian

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 o C trong vùng nén của tiết diện cấu kiện Những phần bê tông có nhiệt độ trên 500 o 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

Trên cơ sở phương pháp suy giảm tiết diện ngang, các bước tính toán khả năng chịu lực của một tiết diện BTCT khi chịu lửa có thể được thực hiện như sau:

- Xác định các đường đẳng nhiệt 500 o C khi tiết diện bị tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn hoặc tác động nhiệt theo tham số

- Xác định một bề rộng mới (b fi) và một chiều cao hiệu quả mới (d fi) của tiết diện bằng cách loại trừ các phần bê tông nằm bên ngoài đường đẳng nhiệt 500 o C Các góc tròn của các đường đẳng nhiệt có thể được quy về góc vuông và tiết diện được coi xấp xỉ như một hình chữ nhật (Hình 3.10)

- Xác định nhiệt độ của cốt thép trong vùng nén và vùng kéo từ biểu đồ phân bố nhiệt độ trong Phụ lục A của Tiêu chuẩn EN 1992-1-2 và được lấy là nhiệt độ tại trọng tâm tiết diện cốt thép Hình 4 cho thấy một số thanh cốt thép có thể nằm ngoài tiết diện ngang suy giảm Mặc dù vậy, các thanh thép này vẫn có thể được kể tới trong tính toán khả năng chịu lực cuối cùng của tiết diện BTCT khi bị tác động nhiệt

- Xác định cường độ suy giảm theo nhiệt độ của cốt thép

- Sử dụng các phương pháp tính toán thông thường cho tiết diện ngang suy giảm để xác định khả năng chịu lực tới hạn của tiết diện với cường độ của các thanh cốt thép thu được từ bước (d)

- So sánh khả năng chịu lực của tiết diện với nội lực gây bởi tải trọng thiết kế theo biểu thức (2)

Trong phương pháp đường đẳng nhiệt 500 o C, bê tông vùng nén trong phạm vi bên trong đường 500 o C được giả thiết là có cường độ không đổi ở 20 o C, chỉ có chiều cao vùng nén là bị thay đổi để cân bằng với lực kéo trong cốt thép ở nhiệt độ cao Hình 3.10 cho thấy khi chịu tác động nhiệt từ hai mặt bên và mặt đáy tiết diện, do có vùng nén nằm phía trên (ở khu vực nguội hơn của tiết diện), dầm chịu mô men dương sẽ làm việc gần với giả thiết trên hơn so với dầm chịu mô men âm (vùng nén nằm phía dưới)

Hình 3.10 Tiết diện ngang suy giảm của dầm BTCT [27]

Tổng quan về phần mềm SAFIR

SAFIR là một chương trình mô phỏng hoạt động của các kết cấu trong xây dựng khi chịu tác động của lửa Kết cấu có thể được làm bằng khung 3D gồm các phần tử tuyến tính như dầm và cột, kết hợp với các phần tử phẳng như tấm và tường Các vật liệu khác nhau như thép, bê tông, gỗ, nhôm, thạch cao hoặc các sản phẩm cách nhiệt có thể được sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp trong mô hình

Hình 3.11 Nhiệt độ trong một tiết diện ngang của dầm liên hợp thép – bê tông [33] SAFIR đã được sử dụng trong nhiều dự án nghiên cứu Nó đã được xác nhận dựa 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 được phát triển tại đại học Liege- Vương quốc Bỉ dùng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán kết cấu trong điều kiện cháy Phần mềm này có thể tính nhiệt độ trong kết cấu theo cả mô hình truyền nhiệt hai chiều (Hình 3.11) và ba chiều (Hình 3.12) Dữ liệu đầu vào là quan hệ thời gian - nhiệt độ ở bề mặt biên kết cấu và các tính chất cơ nhiệt của vật liệu trong kết cấu Đầu ra là nhiệt độ tại các điểm trong kết cấu tại các thời điểm trong quá trình chịu cháy

Hình 3.12 Nhiệt độ trong một dầm BTCT [33]

Như vậy, ứng dụng phần mềm SAFIR có thể tính toán nhiệt độ trong kết cấu khi đã biết đường quan hệ giữa thời gian cháy - nhiệt độ bề mặt biên và các tính chất cơ nhiệt của vật liệu thép và bê tông Chương trình SAFIR không mô phỏng được vết nứt trong bê tông nhưng tính bê tông có ứng suất bằng 0 khi ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo, khi đó ứng suất được truyền sang các thớ bên cạnh bằng cốt thép hoặc bê tông chưa nứt Ngoài ra bài toán phân tích cơ nhiệt bằng phần mềm SAFIR sẽ không xét đến sự thay đổi của lực dính (hay bong tách) giữa bê tông và cốt thép, đồng thời phần mềm sẽ không xét đến sự phát sinh ứng suất do nhiệt độ SAFIR phân tích phần tử dầm với các giả thuyết sau:

• Chuyển vị được tính trong hệ tọa độ dịch chuyển (co-rotational discription);

• Mỗi phần tử gồm 3 nút: hai nút hai đầu gồm 2 chuyển vị thẳng và 1 chuyển vị xoay, nút giữa phần tử chỉ có chuyển vị dọc trục dùng để biểu diễn chuyển vị dọc trục dầm là phương trình bậc 2;

• Giả thuyết Bernoulli được sử dụng: tiết diện ngang vẫn phẳng khi chịu uốn;

• Giả thuyết Von Karman được sử dụng: biến dạng nhỏ;

• Góc xoay là nhỏ (lưu ý các phần tử được tính trong hệ tọa độ dịch chuyển);

• Dùng phương pháp Gauss’ để tính tích phân dọc trục;

• Mặt cắt ngang được chia thành các phần tử nên mỗi phần tử dầm gồm các thớ song song Mỗi thớ có thể là một loại vật liệu nên các tiết diện bê tông cốt thép hoặc liên hợp thép - bê tông có thể dễ dàng được mô phỏng.

PHÂN TÍCH SỐ

Phân tích nhiệt

4.1.1 Tính toán cốt thép dầm Đối tượng được nghiên cứu ở phần này là dầm BTCT (trục 2) chịu lửa, nằm trong mặt phẳng sàn 2 chiều là ô bản kê 4 cạnh Dầm trục 2 nằm giữa 2 ô sàn, ô sàn thứ nhất có chiều dài 4 m và chiều rộng 3 m, ô sàn thứ hai có chiều dài 4 m và chiều rộng 2 m Sơ đồ tính toán của dầm trục 2 được thể hiện ở Hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ tính dầm đơn giản Tải trọng truyền vào dầm trục 2 bao gồm:

- Tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn BTCT

- Tải trọng tường gạch xây trên dầm

- Trọng lượng bản thân dầm

- Hoạt tải từ sàn truyền vào dầm

Chọn chiều dày sàn BTCT: h sàn = 100 mm, trọng lượng riêng BTCT 25 kN/m 3

Chiều dày lớp vữa cán nền h vữa = 30 mm, trọng lượng riêng vữa 18 kN/m 3 Chiều dày lớp gạch lát nền h gạch lát = 12 mm, trọng lượng riêng 24 kN/m 3

Tải trọng của trần thạch cao 0.21 kN/m 2

Tĩnh tải phân bố đều trên sàn:

Tải trọng phân bố đều tương đương do ô bản 3 m x 4 m truyền vào dầm trục 2:

=  −    +   Tải trọng phân bố đều tương đương do ô bản 2 m x 4 m truyền vào dầm trục 2:

=  −    +   Xác định trọng lượng bản thân dầm:

Chọn dầm b x h = 300 x300 mm, trọng lượng riêng bê tông 25 kN/m 3

Hoạt tải sàn truyền vào dầm trục 2: Nhà ở kiểu căn hộ p = 1.5 kN/m 2

Tải phân bố đều tương đương do 2 ô bản truyền vào p 1,td ; p 2,td

Sử dụng phương pháp tính toán nội lực dầm đơn giản 2 đầu ngàm, ta có được giá trị moment tại gối và nhịp của dầm trục 2: M nhịp = 34.85 kNm, V gối = 34.85 kN

Sử dụng thộp ỉ20 tại nhịp, chọn a = 55 mm a = 55 mm h 0 = h − a = 300 − 55 = 245 mm Cốt thép được tính theo công thức cho cấu kiện chịu uốn:

Chọn cốt thép CIII (γ b = 1), bê tông B25 s

=  − − = −  − −    −  max R 0 0.583 245 142.92 x = h =  = mm x x max→ Cốt đơn

Chọn 2ỉ20 lớp dưới → 628 mm 2 Lớp trờn chọn cấu tạo 2ỉ20

Chọn đường kớnh cốt đai ỉ8, số nhỏnh n = 2 → w 8 2 100.48( 2 ) s nhanh 4

Kiểm tra TDBT đảo bảo khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm

Tính toán bước rải cốt đai

  Điều kiện phá hoại giòn w

0.25 0.25 1.05 300 sw sw s bt w bt q R b s R A mm

 →  =    Điều kiện khoảng cách lớn nhất giữa cốt đai

1.05 300 245 35.5 680 w m bt bt m s R bh R bh s mm h Q Q

= → = = Yêu cầu cấu tạo đối với dầm chữ nhật 150 ct 2 s = mm h

4.1.2 Mô tả dầm BTCT tiết diện 300 x 300 mm

Hình 4.2 Tiết diện dầm BTCT b x h = 300 x 300 mm

Dầm BTCT có kích thước 300 x 300 mm tính toán ở phần trước được chọn để mô phỏng bằng SAFIR Dữ liệu phân tích nhiệt từ tiết diện dầm 300 x 300 mm này sẽ được dùng để so sánh với đường đẳng nhiệt có sẵn trong EN 1992 [1] Cốt thép dọc của dầm bao gồm 2 thanh thép lớp trên và 2 thanh thép lớp dưới, mỗi thanh thép có đường kính 20 mm; cốt đai dầm có đường kính 8 mm với khoảng cách 150 mm Chiều dày lớp bê tông bảo vệ được quy định tối thiểu là 20 mm đến

45 mm tính từ mép ngoài của lớp bê tông đến mép cốt đai Trong phạm vi đề tài này, tác giả sẽ tiến hành mô phỏng các trường hợp dầm với chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau để so sánh thời gian chịu lửa cũng như xem xét ứng xử của dầm chịu lửa khi thay đổi chiều dày lớp bê tông bảo vệ

4.1.3 Trình tự mô phỏng bằng phần mềm

Hình 4.3 mô tả tiết diện dầm 300 x 300 mm được mô phỏng bằng SAFIR

Hình 4.3 Mặt cắt dầm BTCT trong SAFIR

Vật liệu cốt thép như đã trình bày ở phần trước có các thông số nhiệt học và cơ học được khai báo trong phần mềm SAFIR như Hình 4.4 và Hình 4.5

Hệ số đối lưu nóng h h = 25

Hệ số đối lưu lạnh h c = 4

Hệ số bốc hơi tương đối e r = 0.7

Hình 4.4 Thiết lập thông số nhiệt học vật liệu cốt thép

Cường độ chảy dẻo f y = 300 Mpa

Hình 4.5 Thiết lập thông số cơ học vật liệu cốt thép

Vật liệu bê tông như đã trình bày ở phần trước có các thông số nhiệt học và cơ học được khai báo trong phần mềm SAFIR như Hình 4.6 và Hình 4.7

Trọng lượng riêng ρ = 2400 kg/m 3 Độ ẩm m o = 48

Hệ số đối lưu nóng h h = 25

Hệ số đối lưu lạnh h c = 4

Hệ số bốc hơi tương đối e r = 0.7

Hình 4.6 Thiết lập thông số nhiệt học vật liệu bê tông

Cường độ chịu kéo f ct = 3x10 6 N/m 2

Hình 4.7 Thiết lập thông số cơ học vật liệu bê tông

Hệ số truyền nhiệt đối lưu, h, có thể được định nghĩa là: Tốc độ truyền nhiệt giữa bề mặt rắn và chất lỏng trên một đơn vị diện tích bề mặt trên một đơn vị nhiệt độ chênh lệch Hệ số truyền nhiệt đối lưu phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu

Sử dụng chương trình SAFIR_Thermal_2d của SAFIR để tiến hành mô phỏng 2D mặt cắt dầm như đã nêu ở phần trước Phần mềm có sẵn công cụ cho phép tạo các đối tượng hình học như đường thẳng, hình chữ nhật, hình tròn…Mỗi đối tượng này có thể tùy ý gán các đặc tính như vật liệu, điều kiện nhiệt độ, điều kiện biên khác nhau

Hình 4.8 Chương trình phân tích nhiệt 2D

Các đường màu xanh đại diện cho đường bao của mặt cắt và các đường màu hồng đại diện cho bề mặt được giới hạn bởi các đường màu xanh Vì vậy các đường màu xanh được sử dụng để gán các điều kiện biên về nhiệt độ cho các mặt biên của mặt cắt ngang, trong khi đó các đường màu hồng được sử dụng để gán các đặc tính cho một vùng của mặt cắt

Hình 4.9 Điều kiện nhiệt độ ở 4 mặt tiết diện dầm Khi bị cháy, lửa thường tiếp xúc với hai mặt bên và mặt dưới Do đó, hai mặt bên và mặt dưới sẽ được gán điều kiện cháy theo đường chuẩn ISO 834 Mặt trên và hai mặt bên trong phạm vi bản sàn của dầm được xem như tiếp xúc với nhiệt độ thường ở 20 o C trong suốt quá trình cháy Hình 4.9 thể hiện mặt cắt ngang đã gắn các điều kiện nhiệt độ Mặt trên không tiếp xúc với lửa nên được gán điều kiện nhiệt độ thường F20 Hai mặt bên và mặt dưới tiếp xúc với lửa và được gắn điều kiện cháy FISO theo ISO 834

Hình 4.10 Rời rạc hóa kết cấu thành các phần tử con trong phân tích nhiệt

Trong bước phân tích nhiệt, kết cấu có thể được chia thành các phần tử khối hoặc phần tử phẳng Nghiên cứu này giả thiết nhiệt độ không thay đổi theo chiều dài dầm, nên chỉ tính nhiệt độ trên tiết diện ngang của dầm Tiết diện được chia thành các phần tử 3 nút và tính nhiệt độ tại mỗi nút như hình Hình 4.10

Quá trình cháy là một quá trình phản ứng oxy hóa khử nhiệt độ cao giữa chất đốt và chất oxy hóa Sự cháy tạo ra ngọn lửa, và tạo ra nhiệt độ đủ cho sự cháy tự duy trì Kết quả phân tích nhiệt độ bên trong cấu kiện được ghi nhận mỗi 60s, tổng thời gian phân tích là 18000s a) t = 600s b) t = 1800s c) t = 2400s d) t = 3600

Hình 4.11 Nhiệt độ trong tiết diện dầm ở thời điểm 600s, 1800s, 2400s, 3600s

Hình 4.12 Đường đẳng nhiệt với tiết diện 30 x 30 cm (R60) trong EN1992-1-2 [1]

Hình 4.13 So sánh đường đẳng nhiệt phân tích bằng SAFIR và đường đẳng nhiệt trong EN 1992-1-2 [1]

- Nhận xét: Ta nhận thấy sự truyền nhiệt trên tiết diện dầm 30 x 30 cm ở thời gian

60 phút khi được mô phỏng bằng SAFIR là khá tương đồng với sự truyền nhiệt được thể hiện ở EN1992-1-2 Vì vậy có thể kết luận là việc mô phỏng truyền nhiệt bằng SAFIR là tương đối chính xác

Nhận xét: Tiêu chuẩn EN1992-1-2 đã trình bày đường cong gia nhiệt đối với tiết diện chữ nhật 300 x 300 mm, do đó kết quả mô phỏng bằng phần mềm SAFIR của tiết diện 300 x

300 mm được lấy ra để phân tích, so sánh và được thể hiện theo Hình 4.14 Nhận thấy, nhiệt độ ở các điểm số 1 và 199 là khá tương đồng với đường gia nhiệt ISO-834 a) ISO 834 b) Node 1, 199 c) Node 53 d) Node 200, 272

Hình 4.14 Đường cong quan hệ nhiệt độ – thời gian tại nút 53, 1, 199, 200, 272

Phân tích độ võng dầm 300 x 300 mm khi cháy

4.2.1 Trường hợp dầm cháy 3 mặt (không xét bản sàn)

Dữ liệu ở bước phân tích nhiệt được sử dụng để phân tích cơ học Tiết diện dầm BTCT kích thước 300 x 300 mm ở phần trước được sử dụng để mô phỏng cơ học Chương trình SAFIR_Structural_3d là chương trình mô phỏng cơ học của phần mềm SAFIR

Hình 4.15 Chương trình phân tích cơ học 3D Trong bước phân tích cơ học, cấu kiện dầm thường được chia thành nhiều phần tử Trong mô phỏng này, dầm BTCT được chia bởi 10 nút và 9 phần tử như Hình 4.16 Dầm được mô phỏng là phần tử thanh thẳng Mỗi phần tử có tiết diện ngang chính là tiết diện đã mô phỏng ở bước phân tích nhiệt

Hình 4.16 Chia phần tử trên dầm và gán điều kiện biên Tại một thời điểm xác định, nhiệt độ tại mỗi nút của cấu kiện đã xác định ở bước phân tích nhiệt nên quan hệ ứng suất - biến dạng của từng thớ (fibre) cũng xác định Nội lực trong cấu kiện được tính toán dựa vào ứng suất các thớ trên tiết diện

Các thông số được ghi nhận trong quá trình mô phỏng là độ võng của dầm theo thời gian Dầm đơn giản có chiều dài 4m chịu tải trọng 17.4 kN/m

Hình 4.17 Tải trọng phân bố đều trên dầm Kết quả phân tích nhiệt mặt cắt dầm được thể hiện ở Hình 4.18 a) t = 3600s b) t = 5400s c) t = 7200s d) t = 9000

Hình 4.18 Nhiệt độ mặt cắt dầm 250 x 400 mm tại 3600s, 5400s, 7200s, 9000s Chuyển vị điểm giữa dầm có tọa độ (2,0,0) được ghi lại đối với 6 trường hợp lớp bê tông bảo vệ từ 20 mm đến 45 mm Dựa vào dữ liệu có thể tính được thời gian chịu lửa tối đa của tiết diện tương ứng theo từng trường hợp lớp bê tông bảo vệ khác nhau Hình 4.19 trình bày kết quả phân tích độ võng của các dầm BTCT theo thời gian cháy Các dầm này giống nhau về kích thước nhưng có sự khác nhau về chiều dày lớp bê tông bảo vệ Mục đích là để xét ảnh hưởng của chiều dày lớp bảo vệ đến độ võng theo thời gian cháy của dầm BTCT Có 6 trường hợp chiều dày lớp bảo vệ (tính đến mép ngoài của cốt đai) được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến độ võng của dầm gồm 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm Các đường cong độ võng−chuyển vị theo thời gian cháy được trình bày trên Hình 4.40 Về tổng thể, các đường này có sự khác nhau rất rõ rệt Điều này cho thấy vai trò quan trọng của chiều dày lớp bảo vệ đối với ứng xử độ võng−thời gian cháy của dầm BTCT a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

Hình 4.19 Đường cong độ võng – thời gian cháy ứng với chiều dày lớp bảo vệ a khác nhau

4.2.2 Trường hợp dầm cháy 3 mặt (có xét bản sàn)

Hình 4.20 Điều kiện nhiệt độ ở 4 mặt tiết diện dầm Mặt trên và hai mặt bên trong phạm vi bản sàn của dầm được xem như tiếp xúc với nhiệt độ thường ở 20 o C trong suốt quá trình cháy Hình 4.20 thể hiện mặt cắt ngang đã gắn các điều kiện nhiệt độ Mặt trên không tiếp xúc với lửa nên được gán điều kiện nhiệt độ thường F20 Hai mặt bên (trừ phần sàn) và mặt dưới tiếp xúc với lửa được gán điều kiện cháy FISO theo ISO 834 a) t = 3600s b) t = 5400s c) t = 7200s d) t = 9000

Hình 4.21 Nhiệt độ mặt cắt dầm 250 x 400 mm tại 3600s, 5400s, 7200s, 9000s

Tương tự phần trước, chuyển vị điểm giữa dầm được ghi lại đối với 6 trường hợp lớp bê tông bảo vệ từ 20 mm đến 45 mm Có 6 trường hợp chiều dày lớp bảo vệ (tính đến mép ngoài của cốt đai) được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến độ võng của dầm gồm 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm Các đường cong độ võng−chuyển vị theo thời gian cháy được trình bày trên Hình 4.22 a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

4.2.3 Trường hợp dầm cháy 4 mặt

Hình 4.23 Điều kiện nhiệt độ ở 4 mặt tiết diện dầm Ngoài những trường hợp cháy như thông thường thì trên thực tế vẫn có khả năng dầm bị cháy ở 4 mặt Vì vậy tác giả tiến hành mô phỏng dầm BTCT có 4 mặt tiếp xúc với lửa Hình 4.23 thể hiện mặt cắt ngang đã gắn điều kiện nhiệt độ Kết quả của bước phân tích nhiệt tiết diện dầm được thể hiện ở Hình 4.24 a) t = 3600s b) t = 5400s c) t = 7200s d) t = 9000

Hình 4.24 Nhiệt độ mặt cắt dầm 250 x 400 mm tại 3600s, 5400s, 7200s, 9000s

Tương tự như các phần trước, chuyển vị điểm giữa dầm được ghi lại đối với 6 trường hợp lớp bê tông bảo vệ (tính đến mép ngoài của cốt đai) gồm 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm Các đường cong độ võng−chuyển vị theo thời gian cháy được trình bày trên Hình 4.25 a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

Các đường cong trên Hình 4.19, Hình 4.22 và Hình 4.25 có đặc điểm chung là có thể chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: đường cong gần như tuyến tính

Giai đoạn 2: giai đoạn phi tuyến, quan hệ độ võng và thời gian cháy là đường cong Giai đoạn 3: giai đoạn sụp đổ, độ võng tăng rất nhanh

Sự phi tuyến (giai đoạn 2 và giai đoạn 3) xảy ra trong khoảng thời gian cháy tương đối ngắn Do đó, có thể gộp hai giai đoạn này thành giai đoạn phá hoại Thời điểm cuối giai đoạn 1 có ý nghĩa cho công tác thiết kế dầm BTCT bị cháy Điểm này có thể được định nghĩa là điểm biểu diễn trạng thái giới hạn sụp đổ của dầm Thời gian ứng với điểm này thể hiện thời gian sụp đổ của dầm BTCT Các thời gian sụp đổ được thể hiện trên Hình 4.26 Rõ ràng, khi chiều dày lớp bảo vệ tăng, thời gian sụp đổ tăng lên đáng kể Đối với trường hợp mô phỏng có xét sự ảnh hưởng của bản sàn, khi chiều dày lớp bảo vệ là 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm, thời gian sụp đổ lần lượt là 1,0 giờ, 1,2 giờ, 1,4 giờ, 1,7 giờ, 1,9 giờ và 2,2 giờ So với thời gian sụp đổ của dầm với lớp bảo vệ 20 mm, thời gian sụp đổ lần lượt tăng 19.6%, 41.2%, 62.8%, 88.4% và 119.8% khi chiều dày lớp bảo vệ lần lượt là 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm

Hình 4.26 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy trường hợp có xét bản sàn

Hình 4.27 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy trường hợp không xét bản sàn Khi mô phỏng tiết diện dầm không xét thêm ảnh hưởng của bàn sàn thì thời gian sụp đổ của dầm có xu hướng thấp hơn so với trường hợp mô phỏng không xét ảnh hưởng của bản sàn Đối với trường hợp mô phỏng không xét sự ảnh hưởng của bản sàn, khi chiều dày lớp bảo vệ là 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm, thời gian sụp đổ lần lượt là 0,9 giờ, 1,1 giờ, 1,3 giờ, 1,5 giờ, 1,7 giờ và 1,9 giờ

So với thời gian sụp đổ của dầm với lớp bảo vệ 20 mm, thời gian sụp đổ lần lượt tăng 27.3%, 48.3%, 70.6%, 91.1% và 118.4% khi chiều dày lớp bảo vệ lần lượt là

20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm

Hình 4.28 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy trường hợp cháy 4 mặt Dầm BTCT trường hợp cháy 4 mặt có thời gian sụp đổ tăng dần từ 0,9 giờ đến 1,7 giờ đối với chiều dày lớp bê tông bảo vệ từ 20 mm đến 45 mm Điều này cho thấy mặt phía trên của dầm bị cháy khiến thời gian sụp đổ của dầm cao hơn so với 2 trường hợp mô phỏng cháy 3 mặt So với thời gian sụp đổ của dầm với lớp bảo vệ 20 mm, thời gian sụp đổ lần lượt tăng 23.3%, 30.3%, 46.6%, 69.9% và

95.5% khi chiều dày lớp bảo vệ lần lượt là 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm Hình 4.29 cho thấy thời gian sụp đổ của dầm giảm dần theo 3 phương án mô phỏng a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

Hình 4.29 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy theo các phương án mô phỏng

Phân tích độ võng dầm 250 x 400 mm khi cháy

4.3.1 Tính toán cốt thép dầm

Hình 4.30 Sơ đồ tính dầm đơn giản Tải trọng truyền vào dầm trục 2 bao gồm:

- Tĩnh tải các lớp cấu tạo sàn BTCT

- Tải trọng tường gạch xây trên dầm

- Trọng lượng bản thân dầm

- Hoạt tải từ sàn truyền vào dầm

Chọn chiều dày sàn BTCT: h sàn = 100 mm, trọng lượng riêng BTCT 25 kN/m 3 Chiều dày lớp vữa cán nền h vữa = 30 mm, trọng lượng riêng vữa 18 kN/m 3 Chiều dày lớp gạch lát nền h gạch lát = 12 mm, trọng lượng riêng 24 kN/m 3

Tải trọng của trần thạch cao 0.21 kN/m 2

Tĩnh tải phân bố đều trên sàn:

Tải trọng phân bố đều tương đương do ô bản 3m x 4m truyền vào dầm trục 2:

=  −    +   Tải trọng phân bố đều tương đương do ô bản 2 m x 4 m truyền vào dầm trục 2:

=  −    +   Xác định trọng lượng bản thân dầm:

Chọn dầm b x h = 250 x 400 mm, trọng lượng riêng bê tông 25 kN/m 3

Xác định tải trọng tường gạch dày 100 mm, cao 3 m và trọng lương riêng 18 kN/m 3

Hoạt tải sàn truyền vào dầm trục 2: Nhà ở kiểu căn hộ p = 1.5 kN/m 2

Tải phân bố đều tương đương do 2 ô bản truyền vào p 1,td ; p2,td

Sử dụng phương pháp tính toán nội lực dầm đơn giản 2 đầu ngàm, ta có được giá trị moment tại gối và nhịp của dầm trục 2: M nhịp = 50.1 kNm, V gối = 50.107 kN

Sử dụng thộp ỉ16 tại nhịp, chọn a = 55 mm

Cốt thép được tính theo công thức cho cấu kiện chịu uốn:

Chọn cốt thép CIII (γ b = 1), bê tông B25 s

=  − − = −  − −    −  max R 0 0.583 345 201.3 x = h =  = mm x x max→ Cốt đơn

Chọn 3ỉ16 lớp dưới → 603mm2 Lớp trờn chọn cấu tạo 2ỉ14

Chọn đường kớnh cốt đai ỉ6, số nhỏnh n = 2 → w 6 2 56.5( 2 ) s nhanh 4

Kiểm tra TDBT đảo bảo khả năng chịu ứng suất nén chính của bụng dầm

Tính toán bước rải cốt đai

  Điều kiện phá hoại giòn w

0.25 0.25 1.05 250 sw sw s bt w bt q R b s R A mm

 →  =    Điều kiện khoảng cách lớn nhất giữa cốt đai

1.05 250 345 50.1 744 w m bt bt m s R bh R bh s mm h Q Q

= → = = Yêu cầu cấu tạo đối với dầm chữ nhật 150 ct 2 s = mm h

4.3.2 Mô tả dầm BTCT tiết diện 250 x 400 mm

Hình 4.31 Tiết diện dầm BTCT b x h = 250 x 400 mm Hình 4.31 trình bày dầm BTCT dài 4500 mm với kích thước mặt cắt ngang

250  400 mm Khoảng cách hai gối tựa là 4000 mm Cốt thép dọc của dầm bao gồm 3 thanh thép 16 cho cốt thép chịu kéo và 2 thanh thép 14 cho cốt thép chịu nén Cốt đai dầm có đường kính 6 mm với khoảng cách 140 mm Tiết diện dầm này được mô phỏng lần lượt với các lớp bê tông bảo vệ từ 20 mm đến 45 mm Tải trọng phân bố đều trên dầm là 25 kN/m

Hình 4.32 Tải trọng phân bố đều trên dầm

Hình 4.33 Mặt cắt dầm BTCT trong SAFIR Như đã nêu ở phần trước, hai mặt bên và mặt dưới sẽ được gán điều kiện cháy theo đường chuẩn ISO 834 Mặt trên của dầm được xem như tiếp xúc với nhiệt độ thường ở 20 o C trong suốt quá trình cháy Hình 4.34 thể hiện mặt cắt ngang đã gắn các điều kiện nhiệt độ Mặt trên không tiếp xúc với lửa nên được gán điều kiện nhiệt độ thường F20 Hai mặt bên và mặt dưới tiếp xúc với lửa và được gắn điều kiện cháy FISO theo ISO 834

Hình 4.34 Điều kiện nhiệt độ ở 4 mặt tiết diện dầm Tiết diện được chia thành các phần tử 3 nút và tính nhiệt độ tại mỗi nút như hình Hình 4.35 Việc chia lưới mịn với các phần tử tam giác nhỏ hơn ở phần rìa ngoài tiết diện và lưới lớn hơn ở gần tâm tiết diện sẽ giúp kết quả phân tích được chính xác hơn

Hình 4.35 Rời rạc hóa kết cấu thành các phần tử con trong phân tích nhiệt

4.3.4 Trường hợp dầm cháy 3 mặt (không xét bản sàn)

Kết quả của bước phân tích nhiệt tiết diện dầm được thể hiện ở Hình 4.36 a) t = 3600s b) t = 7200s c) t = 10800s d) t = 14400

Hình 4.36 Nhiệt độ mặt cắt dầm 250 x 400 mm tại 3600s, 7200s, 10800s,14400s Dữ liệu ở bước phân tích nhiệt được sử dụng để phân tích cơ học Tiết diện dầm BTCT kích thước 250 x 400 mm ở phần trước được sử dụng để mô phỏng cơ học

Tương tự như phần trước, tiến hành mô phỏng 6 trường hợp chiều dày lớp bảo vệ (tính đến mép ngoài của cốt đai) được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến độ võng của dầm gồm 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm Các đường cong độ võng−chuyển vị theo thời gian cháy được trình bày trên Hình 4.40 a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

4.3.5 Trường hợp dầm cháy 3 mặt (có xét bản sàn)

Hình 4.38 Hình 4.37thể hiện mặt cắt ngang đã gắn các điều kiện nhiệt độ Mặt trên không tiếp xúc với lửa nên được gán điều kiện nhiệt độ thường F20 Hai mặt bên và mặt dưới tiếp xúc với lửa và được gắn điều kiện cháy FISO theo ISO

Hình 4.38 Điều kiện nhiệt độ ở 4 mặt tiết diện dầm Kết quả của bước phân tích nhiệt tiết diện dầm được thể hiện ở Hình 4.39 a) t = 3600s b) t = 7200s c) t = 10800s d) t = 14400 Hình 4.39 Nhiệt độ mặt cắt dầm 250 x 400 mm tại 3600s, 7200s, 10800s,14400s

Chuyển vị điểm giữa dầm được ghi lại đối với 6 trường hợp lớp bê tông bảo vệ từ

20 mm đến 45 mm Các đường cong độ võng−chuyển vị theo thời gian cháy được trình bày trên Hình 4.40 a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

4.3.6 Trường hợp dầm cháy 4 mặt

Hình 4.41 Điều kiện nhiệt độ ở 4 mặt tiết diện dầm

Cả 4 mặt của dầm tiếp xúc với lửa được gán điều kiện cháy FISO theo ISO 834 Kết quả của bước phân tích nhiệt tiết diện dầm được thể hiện ở Hình 4.42 a) t = 3600s b) t = 7200s c) t = 10800s d) t = 14400

Hình 4.42 Nhiệt độ mặt cắt dầm 250 x 400 mm tại 3600s, 7200s, 10800s,14400s

Tương tự như các phần trước, chuyển vị điểm giữa dầm được ghi lại đối với 6 trường hợp lớp bê tông bảo vệ từ 20 mm đến 45 mm Đường cong độ võng-thời gian được thể hiện ở Hình 4.43 a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

Thời gian sụp đổ được thể hiện trên Hình 4.44 Cụ thể, khi chiều dày lớp bảo vệ là 35 mm, thời gian sụp đổ là 3,2 giờ Đối với trường hợp có xét bản sàn, khi chiều dày lớp bảo vệ là 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm, thời gian sụp đổ lần lượt là 2,3 giờ, 2,5 giờ, 2,8 giờ, 3,2 giờ, 3,4 giờ và 3,8 giờ So với thời gian sụp đổ của dầm với lớp bảo vệ 20 mm, thời gian sụp đổ lần lượt tăng 11,5%, 25,8%, 40,5%, 52,0% và 67,1% khi chiều dày lớp bảo vệ lần lượt là 20 mm,

25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm

Hình 4.44 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy trường hợp có xét bản sàn Tương tự như tiết diện dầm 300 x 300 mm thì trường hợp mô phỏng tiết diện dầm không xét thêm ảnh hưởng của bàn sàn có thời gian sụp đổ của dầm thấp hơn so với trường hợp mô phỏng không xét ảnh hưởng của bản sàn Đối với trường hợp mô phỏng không xét sự ảnh hưởng của bản sàn, khi chiều dày lớp bảo vệ là 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm, thời gian sụp đổ lần lượt là 2,2 giờ, 2,5 giờ, 2,8 giờ, 3,2 giờ, 3,4 giờ và 3,8 giờ So với thời gian sụp đổ của dầm với lớp bảo vệ 20 mm, thời gian sụp đổ lần lượt tăng 11,6%, 25,8%, 40,9%, 52,5% và 68,6% khi chiều dày lớp bảo vệ lần lượt là 20 mm,

25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm

Hình 4.45 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy trường hợp không xét bản sàn Dầm BTCT trường hợp cháy 4 mặt có thời gian sụp đổ tăng dần từ 2,1 giờ đến 3,4 giờ đối với chiều dày lớp bê tông bảo vệ từ 20 mm đến 45 mm Điều này cũng cho thấy mặt phía trên của dầm bị cháy khiến thời gian sụp đổ của dầm tăng nhanh hơn so với 2 trường hợp mô phỏng cháy 3 mặt So với thời gian sụp đổ của dầm với lớp bảo vệ 20 mm, thời gian sụp đổ lần lượt tăng 4.5%, 18.8%, 29.5%, 42.9% và 53.6% khi chiều dày lớp bảo vệ lần lượt là 20 mm, 25 mm, 30 mm, 35 mm, 40 mm và 45 mm

Hình 4.46 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy trường hợp cháy 4 mặt

Hình 4.47 cho thấy thời gian sụp đổ của dầm giảm dần khi mô phỏng cháy xét bản sàn, không xét bản sàn và cháy 4 mặt a) a = 20 mm b) a = 25 mm c) a = 30 mm d) a = 35 mm e) a = 40 mm f) a = 45 mm

Hình 4.47 Thời gian sụp đổ của dầm BTCT bị cháy theo các phương án mô phỏng

Tính toán khả năng kháng uốn theo phương pháp đường đẳng nhiệt 500 o C

Luận văn trình bày nghiên cứu mô phỏng ứng xử của dầm BTCT bị cháy Chương trình mô phỏng được thực hiện trên 2 tiết diện dầm 300x300mm và 250 x 400mm, mỗi tiết diện được mô phỏng 3 trường hợp cháy đó là: cháy 3 mặt (không xét ảnh hưởng của bản sàn), cháy 3 mặt (có xét ảnh hưởng của bản sàn) và cháy 4 mặt Các trường hợp cháy này được mô phỏng với sự thay đổi về chiều dày lớp bê tông bảo vệ Từ đó có thể vẽ được đường cong quan hệ nhiệt độ - chuyển vị của dầm Đánh giá đường cong quan hệ nhiệt độ - chuyển vị, có thể rút ra được thời gian sụp đổ của dầm khi cháy Ngoài ra sự phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện cũng được đánh giá và so sánh kiểm chứng

• Kết quả có được từ mô phỏng về sự phân bố nhiệt trong mặt cắt ngang phù hợp với kết quả trong tiêu chuẩn EN 1992-1-2 Dữ liệu nhiệt độ bên trong cấu kiện có sự phân bố rõ ràng, tuân theo đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO

834 Điều này chứng tỏ được độ tin cậy trong việc sử dụng dữ liệu từ phần mềm mô phỏng SAFIR

• Khi chiều dày lớp bảo vệ tăng, thời gian sụp đổ tăng lên đáng kể Khi chiều dày lớp bảo vệ tăng từ 20 mm đến 45 mm, đối với dầm tiết diện 300 x 300 mm, thời gian sụp đổ tăng từ 19.6% đến 119.8% đối với trường hợp có xét bản sàn, từ 27.3% đến 118.4% đối với trường hợp không xét bản sàn và từ 23.3% đến 95.5% đối với trường hợp cháy 4 mặt Còn đối với dầm tiết diện

250 x 400 mm thì thời gian sụp đổ lần lượt tăng từ 11.5% đến 67.1% đối với trường hợp có xét bản sàn, từ 11,6%, đến 68,6% đối với trường hợp không xét bản sàn và từ 4.5% đến 53.6% đối với trường hợp cháy 4 mặt

• Khi mô phỏng tiết diện dầm có xét thêm ảnh hưởng của bản sàn thì thời gian sụp đổ của dầm có xu hướng cao hơn so với trường hợp mô phỏng không xét ảnh hưởng của bản sàn Vì vậy phương án mô phỏng không xét sự ảnh

Tiêu đề	Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép bị cháy
Tác giả	Tạ Hoàng Duy Hảo
Người hướng dẫn	PGS. TS. Cao Văn Vui
Trường học	Đại học Quốc gia Tp. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. HCM

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	5,14 MB