Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép trong các điều kiện cháy khác nhau

Trang 1

-

LÊ HUY CHƯƠNG

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CHÁY KHÁC NHAU

LOAD-CARRYING CAPACITY ANALYSIS OF REINFORCED CONCRETE COLUMNS EXPOSED TO

DIFFERENT FIRE CONDITIONS

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2022

Trang 2

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Cao Văn Vui

PGS.TS Trần Cao Thanh Ngọc Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Đào Đình Nhân

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Đình Hùng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM,

ngày 22 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Nguyễn Hồng Ân………- Chủ tịch Hội đồng 2 TS Liêu Xuân Quí…………- Thư ký

3 PGS TS Đào Đình Nhân… - Ủy viên (Phản biện 1) 4 TS Nguyễn Đình Hùng……- Ủy viên (Phản biện 2) 5 TS Nguyễn Thái Bình…… - Ủy viên

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 3

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1997 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8580201

TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỘT BTCT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CHÁY KHÁC NHAU (Load-carrying capacity analysis of reinforced concrete columns exposed to different fire conditions)

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về khả năng chịu tải của cột BTCT bị cháy

2 Nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm khả năng chịu tải của các tiết diện cột BTCT bị cháy trong các điều kiện khác nhau

3 Thu thập và phân tích kết quả có được về khả năng chịu tải của các tiết diện cột BTCT bị cháy trong các điều kiện khác nhau

4 So sánh khả năng chịu tải của các tiết diện cột BTCT bị cháy trong các điều kiện khác nhau và với khả năng chịu tải của cột không bị cháy để rút ra những kết luận

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/6/2022 IV HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

- Cán bộ hướng dẫn 1: PGS.TS Cao Văn Vui

- Cán bộ hướng dẫn 2: PGS TS Trần Cao Thanh Ngọc

Trang 4

Tp HCM, ngày 22 tháng 07 năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 (Họ tên và chữ ký)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 (Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

PGS TS Cao Văn Vui PGS.TS Trần Cao Thanh Ngọc

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp có thể xem là bài tổng kết quan trọng nhất trong suốt quá trình học tập của học viên cao học, nhằm đánh giá lại những kiến thức đã thu nhặt được và cũng là thành quả cuối cùng thể hiện những nỗ lực và cố gắng của học viên trong hai năm vừa qua Để có được ngày hôm nay, em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến toàn thể Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu, giúp em mở rộng thêm tầm hiểu biết, nhằm bắt kịp xu thế phát triển chung của đất nước và thế giới

Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cao Văn Vui – giảng viên bộ môn Sức bền Kết cấu và Thầy Trần Cao Thanh Ngọc – giảng viên trường Đại học Quốc Tế đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn, để em có thể hoàn thành luận văn đúng thời gian quy định Những lời khuyên, những hướng dẫn của các Thầy là rất quan trọng để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này và cũng là những kinh nghiệm quý báu để em thực hiện tốt công tác của mình sau này

Trong quá trình nghiên cứu, mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, do đó luận văn tốt nghiệp này khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự chỉ dẫn của các Thầy Cô để em củng cố, hoàn thiện kiến thức của mình hơn

Cuối cùng, em kính chúc các Quý Thầy Cô luôn luôn dồi dào sức khỏe để hoàn thành tốt sự nghiệp giảng dạy của mình để đào tạo ra nhiều thế hệ học viên cao học có ích cho xã hội

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên cao học Lê Huy Chương

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn này trình bày một nghiên cứu về khả năng chịu tải của cột BTCT trong các điều kiện cháy khác nhau Phân tích nhiệt được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng trên phần mềm SAFIR Sau đó, khả năng chịu tải được tính toán sử dụng phương pháp chia thớ Có tổng cộng 03 tiết diện được sử dụng để mô phỏng, gồm cột 150×150 mm, 300×300 mm, và 450×450 mm Mỗi tiết diện cột được tiến hành mô phỏng với các mốc thời gian lần lượt là 15, 30, 45 và 60 phút Kết quả cho thấy rằng, thời gian cháy ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của cột BTCT Giá trị này lần lượt là 8%, 17%, 26%, 36% cho cột 150x150 mm, tiếp theo là 2%, 8%, 15%, 20% cho cột 300x300 mm, cuối cùng là 2%, 8%, 15%, 20% cho cột 450x450 mm Ngoài ra, số mặt cháy cũng là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực dọc trục của cột Giá trị này lần lượt là 3%, 9%, 18%, 28% cho cột 150x150 mm, tiếp theo là 3%, 9%, 16%, 22% cho cột 300x300 mm, cuối cùng là 2%, 7%, 13%, 18% cho cột 450x450 mm

Trang 7

ABSTRACT

This thesis presents research results on load-carrying capacity of reinforced concrete columns under different fire conditions (number of surfaces exposed to fire) The thermal simulations were performed using SAFIR software The results of thermal analyses were used to analyze the axial load-carrying capacity of the columns using fiber model There are 03 cross section of columns used for simulation, including 150x150 mm, 300x300 mm and 450x450 mm Each column cross section was simulated with 15, 30, 45 and 60 min, respectively The analysis results show that the fire duration significantly reduces the axial load-carrying capacity of columns The reduction values are 8%, 17%, 26% 36% for 150x150 mm column, 2%, 8%, 15%, 20% for 300x300 mm column and 2% 8% 15% 20% for the last 450x450 mm one In addition, fire conditions reduce the load-carrying capacity of columns to different extents The reduction values are 3%, 9%, 18%, 28%; 3%, 9%, 16%, 22%; 2%, 7%, 13%, 18% for the column cross section 150x150 mm, 300x300 mm and 450x450 mm, respectively

Trang 8

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bài làm do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Cao Văn Vui và Thầy Trần Cao Thanh Ngọc

Các kết quả trong bài làm là đúng theo tính toán và chưa được công bố ở các nghiên cứu nào khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn do mình thực hiện

Học viên cao học Lê Huy Chương

Trang 9

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa nghiên cứu 2

1.5 Cấu trúc luận văn 3

CHƯƠNG 2 5

2.1 Giới thiệu chung 5

2.2 Tổng quan các nghiên cứu nước ngoài về ứng xử của cột BTCT bị cháy 6

2.3 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về ứng xử của cột BTCT bị cháy 12

CHƯƠNG 3 19

3.1 Nguyên tắc thiết kế cấu kiện BTCT chịu lửa theo Eurocode 2 [1] 19

3.1.1 Các phương pháp tính toán 19

3.1.2 Sự phát triển nhiệt độ trong buồng cháy 21

3.1.3 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn 22

3.1.4 Tổ hợp hệ quả của các tác động khi chịu lửa 26

3.1.5 Các tiêu chí về khả năng chịu lửa và nguyên tắc kiểm tra theo tiêu chí chịu lực 27

3.1.6 Sự suy giảm tính năng chịu lực của vật liệu ở nhiệt độ cao 28

3.1.7 Sự phân bố nhiệt độ trong cột BTCT 29

3.1.8 Phương pháp tra bảng tính toán cột BTCT ở nhiệt độ cao 31

3.1.9 Phương pháp đường đẳng nhiệt 500oC tính toán cột BTCT ở nhiệt độ cao 33

Trang 10

3.2 Tổng quan về SAFIR [28] 34

3.2.1 Các phương thức phân tích 35

3.2.2 Phân tích ứng xử của kết cấu trong điều kiện nhiệt độ tăng cao 36

3.2.3 Vật liệu bê tông và thép trong SAFIR [21] 38

4.1.4 Mô phỏng ứng xử của cột BTCT bị cháy thông qua SAFIR [21] 44

4.2 Phân tích nhiệt dựa vào phần mềm SAFIR 45

Trang 11

Trang 12

4.2.3.1.2 Cột chịu cháy hai mặt 117

Trang 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Hình ảnh các vụ cháy lớn trên thế giới 5

Hình 2 Hình ảnh vụ cháy Carina Plaza 6

Hình 3 Quan hệ giữa thời gian cháy và nhiệt độ bề mặt biên kết cấu [28] 22

Hình 4 Một số đường cong cháy tiêu biểu theo ISO 834 [7] 23

Hình 5 Quan hệ giữa thời gian cháy - nhiệt độ bề mặt biên (theo đường chuẩn ISO 834 và ASTM E119-16a) [7] [29] 24

Hình 6 Quan hệ giữa thời gian cháy - nhiệt độ bề mặt biên (theo một số đường khác) [28] 25

Hình 7 Đặc trưng cơ lý của bê tông ở nhiệt độ cao [26] 28

Hình 8 Đặc trưng cơ lý của cốt thép ở nhiệt độ cao [26] 29

Hình 9 Phân bố nhiệt độ trên 1/4 tiết diện cột [1] 30

Hình 10 Tiết diện ngang suy giảm của cột BTCT [26] 34

Hình 11 Sự biến thiên độ giãn dài của thép theo nhiệt độ [1] 37

Hình 12 Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông chịu nén ở nhiệt độ cao [1] 37

Hình 13 Chi tiết tiết diện cột 150x150 (mm) 40

Hình 16 Thông số nhiệt học của thép trong SAFIR 41

Hình 17 Thông số cơ học của thép trong SAFIR 42

Hình 18 Thông số nhiệt học của bê tông trong SAFIR 43

Hình 19 Thông số cơ học của bê tông trong SAFIR 44

Hình 20 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy một mặt theo thời gian46 Hình 21 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy hai mặt theo thời gian 48 Hình 22 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy ba mặt theo thời gian 50

Hình 23 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy bốn mặt theo thời gian 52 Hình 24 Phân lớp cho tiết diện cột cháy một mặt 54

Trang 14

Hình 25 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy một mặt 57

Hình 26 Phân lớp cho tiết diện cột cháy hai mặt 58

Hình 27 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy hai mặt 64

Hình 28 Phân lớp cho tiết diện cột cháy ba mặt 65

Hình 29 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy ba mặt 71

Hình 30 Phân lớp cho tiết diện cột cháy bốn mặt 72

Hình 31 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy bốn mặt 78

Hình 32 Ảnh hưởng của điều kiện cháy đến KNCL của cột 79

Hình 33 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy một mặt trong thời gian 82

Hình 34 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy hai mặt theo thời gian 84 Hình 35 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy ba mặt trong thời gian 86 Hình 36 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy bốn mặt theo thời gian 88 Hình 37 Phân lớp cho tiết diện cột cháy một mặt 90

Hình 46 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy một mặt theo thời gian 116

Hình 47 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy hai mặt theo thời gian 118 Hình 48 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy ba mặt theo thời gian 120

Trang 15

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048Hình 49 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy bốn mặt theo thời gian

122

Hình 50 Phân lớp cho tiết diện cột cháy một mặt 124

Trang 16

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Kết quả tính toán cột bị cháy một mặt trong thời gian 15 phút 54

Bảng 5 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy một mặt 56

Bảng 6 Kết quả tính toán cột bị cháy hai mặt trong thời gian 15 phút 59

Bảng 10 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy hai mặt 63

Bảng 11 Kết quả tính toán cột bị cháy ba mặt trong thời gian 15 phút 66

Bảng 15 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy ba mặt 70

Bảng 16 Kết quả tính toán cột bị cháy bốn mặt trong thời gian 15 phút 73

Bảng 20 Kết quả KNCL của cột trước và sau khi cháy bốn mặt 77

Bảng 21 Ảnh hưởng của điều kiện cháy đến KNCL cột 79

Trang 17

Trang 18

Trang 19

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Hỏa hoạn là một vấn đề lớn đe dọa đến sức khỏe và cuộc sống của con người không những trong lúc cháy mà còn cả lúc sau cháy Hầu hết các công trình đều có những giải pháp phòng cháy chữa cháy như bố trí hệ thống báo khói, báo cháy, phun nước tự động, v.v Tuy nhiên, tính toán để hệ thống kết cấu chính khi xảy ra hoả hoạn có thể đứng vững trong bao lâu cũng hết sức quan trọng, khi mà các giải pháp về phòng cháy chữa cháy kể trên không phát huy được tác dụng như mong đợi

Trong kết cấu công trình, cột là cấu kiện chịu lực chính Cột sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của lửa khi xảy ra hỏa hoạn và khi đó các tính chất cơ lý của bê tông và thép bị thay đổi dẫn đến khả năng chịu lực của cột bị giảm đáng kể Vì vậy, việc đánh giá khả năng chịu lực của cột sau khi cháy trở nên rất quan trọng Trên thế giới, nhiều nghiên cứu về ứng xử của kết cấu BTCT bị cháy đã được công bố Các kết quả cho thấy, kích thước tiết diện cột, tỉ lệ cốt thép và cách bố trí cốt thép trong cột sẽ ảnh hưởng đến khả năng kháng cháy của cột Ngoài ra,khả năng chịu lực của cột cũng sẽ tăng lên khi tăng bề dày lớp bê tông bảo vệ cho cột Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này, mối quan hệ giữa thời gian cháy, các điều kiện cháy với khả năng chịu lực của cột vẫn là một vấn đề cần nghiên cứu thêm

Việc xác định khả năng chịu lực của kết cấu BTCT trong điều kiện cháy là tương đối phức tạp do phải kể đến sự thay đổi các tính chất cơ lý của vật liệu khi nhiệt độ tăng và cả sự biến dạng do nhiệt Đã có nhiều tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật được đưa ra để tính toán, thiết kế các cấu kiện chịu cháy Một số tiêu chuẩn nước ngoài có chỉ dẫn về tính toán kết cấu chịu nhiệt, trong đó tiêu chuẩn của châu Âu trình bày khá chi tiết Đó là tiêu

Trang 20

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048chuẩn EN 1992 1-2 (Eurocode 2) [1] dùng cho thiết kế kết cấu BTCT trong điều kiện cháy, được phát hành cùng với tiêu chuẩn thiết kế kết cấu trong điều kiện nhiệt độ thường EN 1992 1-1[1]

Các nghiên cứu về kết cấu BTCT bị cháy trong điều kiện cháy khác nhau còn rất hạn chế Luận văn này trình bày kết quả nghiên cứu về khả năng chịu lực của cột BTCT

trong các điều kiện cháy khác nhau Đề tài “Phân tích khả năng chịu tải của cột trong các điều kiện cháy khác nhau” sẽ góp phần làm rõ các vấn đề về sự suy giảm khả năng

chịu tải của cột BTCT nêu trên Ngoài ra, sự ảnh hưởng của thời gian cháy đến khả năng chịu lực của cột sau cháy cũng được trình bày trong đề tài này

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu ảnh hưởng của lửa đến các đặc trưng cơ học của bê tông và cốt thép

- Phân tích sự phân bố nhiệt độ trong tiết diện cột BTCT trong các điều kiện cháy khác nhau

- Phân tích khả năng chịu tải của cột BTCT trong các điều kiện cháy khác nhau - Phân tích và đánh giá sự suy giảm độ cứng của cột BTCT trong các điều kiện cháy khác nhau bằng cách so sánh sức chịu tải của chúng so với sức chịu tải trong điều kiện không cháy

1.3 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Cột BTCT tiết diện vuông bị cháy

- Phạm vi nghiên cứu: Cột BTCT bị cháy theo ISO-834 [2], đồng thời chỉ khảo sát khả năng chịu lực dọc trục của các tiết diện cột

1.4 Ý nghĩa nghiên cứu

- Ý nghĩa khoa học:

• Đánh giá ảnh hưởng của lửa đến bê tông và cốt thép

Trang 21

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048• Phân tích sự phân bố nhiệt độ trong cột BTCT bị cháy

• Đánh giá và nhận xét sự suy giảm khả năng chịu lực của cột BTCT bị cháy so với các cột không bị cháy

• Đánh giá khả năng chịu tải của cột BTCT bị cháy

1.5 Cấu trúc luận văn

Từ mục tiêu và hướng nghiên cứu, có thể xây dựng nội dung nghiên cứu của luận văn với cấu trúc như sau:

Luận văn được trình bày cụ thể trong 5 chương Mở đầu luận văn là Chương 1 Trong

chương này nêu lên lý do thực hiện đề tài nghiên cứu, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Ngoài ra, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa nghiên cứu cũng được trình bày trong chương này

Chương 2: Tổng quan trình bày tóm tắt các nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng xử

của cột BTCT bị cháy Phần đầu của chương này trình bày các vụ cháy lớn đã xảy ra trên thế giới và hậu quả nặng nề do các vụ cháy này gây ra Qua đó cho thấy, việc đánh giá sự tác động của lửa lên kết cấu BTCT là rất cần thiết Các nghiên cứu cho thấy rằng, sự ảnh hưởng của kích thước tiết diện cột đến khả năng kháng cháy của cột sau cháy được đa số các tác giả tập trung nghiên cứu Hơn nữa, tỉ lệ cốt thép dọc, cách bố trí cốt thép trong cột ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của cột sau cháy

Trang 22

Tiếp theo là Chương 3: Cơ sở lý thuyết trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp tính

toán kết cấu BTCT chịu lửa Ngoài ra, chương này còn nêu ra phương pháp, quy trình tính toán kết cấu BTCT chịu lửa theo tiêu chuẩn Eurocode 2 và phương pháp phân tích phần mềm SAFIR

Kế đến là Chương 4: Phân tích số làm rõ các vấn đề như bài toán mô phỏng ứng xử của

cấu kiện cột BTCT bị cháy, mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong tiết diện cột BTCT bằng phầm mềm SAFIR Từ đó, phân tích cấu kiện cột BTCT bằng SAFIR và đưa ra kết quả mô phỏng Cuối chương 4 luận văn là nhận xét kết quả đạt được

Cuối cùng, là Chương 5: Kết luận nêu lên các kết quả đạt được trong nghiên cứu và

kiến nghị những hướng nghiên cứu mới trong tương lai Mục tài liệu tham khảo trong luận văn trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài

Trang 23

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chung

Trên thế giới, nhiều vụ hỏa hoạn xảy ra đã gây thiệt hại lớn về người và tài sản Ví dụ như, vụ hỏa hoạn kinh hoàng xảy ra tại tháp Grenfell 24 tầng ở phía tây thủ đô Luân Đôn (Anh) vào năm 2017 đã làm 80 người thiệt mạng, hàng chục người bị thương đã được đưa đến 6 bệnh viện trên khắp thành phố (Hình 1) [3]

Hình 1 Hình ảnh các vụ cháy lớn trên thế giới

Tại Việt Nam, thời điểm năm 2018, vụ hỏa hoạn tại chung cư Carina Plaza (tọa lạc tại Quận 8 – Tp Hồ Chí Minh) đã làm 13 người chết, hơn 90 người nhập viện và đặc biệt là để lại một vết gợn trong việc thực hiện các quy định về phòng cháy, chữa cháy với công trình là chung cư (Hình 2) [4]

Trang 24

Hình 2 Hình ảnh vụ cháy Carina Plaza

Khả năng chịu lực của kết cấu sẽ bị ảnh hưởng với các mức độ khác nhau khi gặp hỏa hoạn Cột là một cấu kiện chịu lực chính và chịu ảnh hưởng trực tiếp của lửa Điều này tác động trực tiếp đến khả năng chịu lực của kết cấu Các công trình đứng trước hai sự lựa chọn là phá dỡ và xây mới lại công trình hoặc gia cường kết cấu để đáp ứng khả năng chịu lực theo các tiêu chuẩn hiện hành Giải pháp thứ hai ngày càng được quan tâm và lựa chọn vì đáp ứng được điều kiện về mặt kinh tế Do đó, việc phân tích khả năng chịu lực của cột trước và sau khi cháy trở nên rất cần thiết

2.2 Tổng quan các nghiên cứu nước ngoài về ứng xử của cột BTCT bị cháy

Trên thế giới, các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu BTCT bị cháy đã được công bố từ những năm đầu của thế kỷ 21 Năm 2000, Khoury [5] đã thực hiện một phân tích khoa học về sự tác động của nhiệt lên vật liệu bê tông lẫn kết cấu bê tông Nhìn chung, khi ở nhiệt độ từ 550 – 600oC bê tông có gốc xi măng Portland đều mất khả năng chịu tải Khi nhiệt độ dưới 500oC, việc sử dụng các loại cốt liệu ít bị giãn nở dưới tác dụng của nhiệt độ cao và xi măng với một tỷ lệ CaO/SiO thích hợp sẽ làm này có cải thiện sự

Trang 25

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048suy giảm tính chất cơ học này Đối với các loại bê tông có tính chống thấm kém, có thể hạn chế hiện tượng trên nhờ thêm sợ polypropylene vào thành phần cấp phối bê tông và sử dụng lớp phủ chắn nhiệt để bảo vệ bề mặt bê tông dưới sự tác dụng trực tiếp của nhiệt độ

Năm 2006, Kodur và cộng sự [6] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ứng xử của cột BTCT gia cường FRP và vật liệu cách nhiệt Chương trình thí nghiệm được tiến hành trên 5 mẫu cột Trong đó, một cột tròn với đường kính 355 mm với cốt thép dọc là 6ø20 và không gia cường; hai cột tròn có đường kính 406 mm với cốt thép dọc là 8ø20 và được gia cường thêm FRP và vật liệu cách nhiệt; một cột vuông với tiết diện là 406×406 mm với cốt thép dọc là 8ø20 không gia cường; một cột vuông với kích thước là 406×406 mm với cốt thép dọc là 4ø25 có gia cường FRP và vật liệu cách nhiệt Năm mẫu cột này đều có chiều cao là 3810 mm Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc gia cường FRP giúp cột tăng khả năng chịu tải so với cột không gia cường Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu cách nhiệt giúp cột chịu được nhiệt độ cao với thời gian cháy hơn 4 giờ

Một năm sau đó, Wu và cộng sự [7] đã mô phỏng để nghiên cứu về khả năng kháng cháy của 960 cột BTCT, trong đó 480 cột sử dụng bê tông cường độ thường (normal strength concrete - NSC) và 480 cột còn lại sử dụng bê tông cường độ cao (high strength concrete - HSC) Bốn mặt của cột được mô phỏng tiếp xúc với lửa, nhiệt độ cháy tuân theo đường cong lửa trong tiêu chuẩn ISO 834 Phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng để tính toán cho các nhiệt độ này Nhiệt độ được tăng dần từ 0 đến 1400oC trong quá trình mô phỏng Kết quả cho thấy rằng, kích thước mặt cắt ngang có ảnh hưởng đến khả năng kháng cháy của các cột bê tông Tỷ lệ kháng cháy của cột NSC và HSC tăng theo tỷ lệ tải trọng dọc trục Tuy nhiên, kết quả cho thấy rằng khi tăng tiết diện mặt cắt ngang của cột thì tỷ lệ kháng cháy chỉ giảm hoặc hầu như không thay đổi

Cũng trong năm 2007, Jau và Huang đã nghiên cứu về ứng xử của các cột biên trong khung kết cấu sau khi bị cháy Thí nghiệm được tiến hành trên 6 mẫu cột BTCT

Trang 26

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048300×450 mm, trong đó 3 mẫu sử dụng thép dọc 4ø25, 3 mẫu sử dụng 4ø32 và độ dày lớp bê tông bảo vệ là 50, 60 và 70 mm Thời gian cháy của các mẫu từ 2 đến 4 giờ Kết quả chỉ ra rằng, khả năng chịu tải của cột sau cháy có ảnh hưởng đến cốt thép trong cột Theo đó, khả năng chịu tải các cột sử dụng cốt thép ø25 kém hơn các cột sử dụng ø32

Vài năm sau, Rodrigues và cộng sự [8] đã thực hiện nghiên cứu để phân tích ứng xử ảnh hưởng của lửa lên cột bê tông cốt sợi Mẫu thử có tiết diện 250×250×3000 mm được sử dụng để tiến hành nghiên cứu Tỉ lệ thép dọc và tỉ lệ cốt sợi được thay đổi sao cho tổng tỉ lệ thép và sợi thép trong các mẫu cột là như nhau Kết quả cho thấy:

• Việc có mặt các sợi polypropylene làm tăng khả năng kháng cháy của cột Ngoài ra, các sợi polypropylene cũng góp phần làm hạn chế sự xuất hiện các vết nứt • Việc thay thế các thanh cốt thép bằng các sợi thép không phải là một giải pháp

tối ưu Bởi vì, khi thay thế các thanh thép bằng các sợi thép đến một tỉ lệ nào đó thì khả năng kháng cháy của cột bắt đầu giảm Hơn nữa, việc có mặt các thanh thép cũng làm cho cột tăng khả năng kháng cháy

Năm 2011, Nassar [9] đã nghiên cứu cách cải thiện khả năng kháng cháy cho cột BTCT 123 mẫu cột có kích thước 100×100×300 mm được sử dụng để tiến hành phân tích, trong đó cốt thép chủ 4ø10 dài 250 mm và 3 cốt đai ø6 Các mẫu cột được chia thành 4 nhóm:

• Nhóm 1: là hỗn hợp của bê tông với sợi Polypropylenen Fibers (PP) (0kg/m3, 0,5kg/m3 và 0,75 kg/m3)

• Nhóm 2: Các mẫu cột với độ dày lớp bê tông bảo vệ là 20 và 30 mm • Nhóm 3: Các mẫu được đốt với thời gian khác nhau là 0, 2, 4 và 6 giờ

• Nhóm 4: Các mẫu được đốt với nhiệt độ khác nhau lần lượt là 0, 400, 600 và 800oC

Kết quả sau thí nghiệm cho thấy:

Trang 27

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048• Sự hiện diện của các sợi polypropylene làm gia tăng nhẹ khả năng chịu lực của

Năm 2011, Yaqub và Bailey [10] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm phân tích ảnh hưởng hình dạng mặt cắt ngang đến cường độ và độ dẻo của cột BTCT sau gia nhiệt được gia cường bằng vật liệu FRP Tác giả tiến hành thí nghiệm trên 17 mẫu cột BTCT Các cột được chia thành ba nhóm gồm nhóm cột không gia nhiệt, nhóm cột gia nhiệt và cột được gia cường sau khi gia nhiệt Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng chịu tải của các cột được gia cường FRP sau khi gia nhiệt bị ảnh hưởng đáng kể bới yếu tố hình dạng mặt cắt ngang Đối với cột tiết diện tròn, cường độ chịu nén của cột sau khi gia nhiệt được gia cường FRP có thể phục hồi lại hoặc lớn hơn cường độ của cột trước khi gia nhiệt Tuy nhiên, cường độ của cột tiết diện vuông sau khi gia nhiệt được gia cường bằng GFRP hoặc CFRP đã phục hồi ở một mức độ nào đó nhưng không phục hồi lại như ban đầu Đối với tất cả các cột bị hư hỏng do nhiệt, việc sử dụng FRP không khôi phục lại độ cứng như ban đầu Chi tiết kết quả thí nghiệm được trình bày sau đây Sau khi gia nhiệt đến 500oC cường độ của các cột tiết diện vuông và tròn sau khi gia nhiệt

Trang 28

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048tăng lên đáng kể bằng cách gia cường một lớp GFRP hoặc CFRP Hình dạng mặt cắt ngang có vai trò quan trọng trong việc gia tăng cường độ và độ dẻo của cột Trong nghiên cứu này, việc gia tăng cường độ và độ dẻo cột tiết diện tròn sau khi gia nhiệt được gia cường bằng GFRP hoặc CFRP mang lại hiệu quả cao hơn so với cột tiết diện vuông Điều nay là do ở các cột tiết diện vuông xảy ra tập trung ứng suất tại các góc Sau khi gia nhiệt đến 500oC, các cột được gia cường bằng một lớp GFRP hoặc CFRP, đối với các cột tiết diện tròn thì cường độ được khôi phục hoặc cao hơn so với cột không gia nhiệt Trong khi đó, các cột tiết diện vuông thì sự gia tăng đáng kể nhưng không phục hồi lại như ban đầu Khi được gia cường bằng một lớp GFRP hoặc CFRP, các cột tiết diện tròn bị gia nhiệt có cường độ tăng từ 10% đến 29% so với cột không gia nhiệt và từ 65% đến 122% so với cột không gia cường sau khi gia nhiệt Trong khi đó, cường độ tiết diện vuông phục hồi 71% đến 86% so với cột không gia nhiệt và cao hơn 26% đến 51% so với cột không gia cường sau khi gia nhiệt Các cột tiết diện tròn được gia cường lớp GFRP hoặc CFRP có biến dạng cực hạn cao hơn so với cột tiết diện vuông Việc gia cường một lớp GFRP hoặc CFRP ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng của cột tiết diện vuông và tròn sau khi gia nhiệt GFRP hoặc CFRP rất hiệu quả trong việc cải thiện cường độ nén của cột tiết diện vuông và tròn bị hư hỏng do nhiệt Điều này là do các cột được gia nhiệt trở nên “mềm” sau khi gia nhiệt và có sự giản nở nhiệt nhiều hơn so với cột không gia nhiệt Tuy nhiên, hiệu ứng bó hông của GFRP hoặc CFRP đối với cột tiết diện tròn tốt hơn là đối với cột tiết diện vuông

Cũng trong năm 2011, Raut và Kodur [11] đã đi sâu vào ứng xử cột BTCT bị cháy chịu uốn hai phương bằng phương pháp phần tử hữu hạn Mẫu cột với kích thước lần lượt là 305×305 mm và 406×406 mm được sử dụng để tiến hành mô phỏng Các cột đều có chiều cao là 3800 mm Với cột có tiết diện 305×305 mm có cốt dọc là 4ø25 Mẫu cột 406×406 mm sử dụng thép dọc là 8ø25 Các cột được mô phỏng tiếp xúc với nhiệt độ và tuân theo đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Kết quả chỉ ra rằng, khi xuất hiện

Trang 29

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048nhiệt độ các cột BTCT trong khung kết cấu có thể bị uốn theo hai phương trong các điều kiện cháy khác nhau

Năm 2014, Bikinet [12] đã thực hiện một nghiên cứu về sự suy giảm khả năng chịu nén của cột sau cháy chịu tác dụng của tải trọng dọc trục và đánh giá Trong nghiên cứu này, phần đầu tiến hành thí nghiệm trên 15 mẫu cột BTCT 150×150×1000 mm Phần tử thứ hai tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều Tỉ lệ cốt thép dọc trong cột tăng dần từ 1,4 đến 3,6%, thép đai ø6 bước 100 mm, chiều cao cột là 1000 mm Các mẫu cột đươc thí nghiệm cháy ở nhiệt độ lên đến 600oC và chia làm 7 nhóm Sau khi thí nghiệm cháy, các mẫu được nén đến khi bị phá hoại Đối với tất cả các mẫu thử sau gần 30% thời gian cháy, lớp bê tông bảo vệ bắt đầu nứt và vỡ ra với âm thanh nứt đáng chú ý Với cột BTCT không bị cháy thì vết nứt xuất hiện ở mức 80% tải trọng phá hoại Trong khi đó, các cột tiếp xúc với lửa có vết nứt đầu tiên xuất hiện ở tải chỉ bằng 50% tải trọng phá hoại Hơn nữa, tải trọng phá hoại của các cột bị cháy nhỏ hơn cột không bị cháy từ 20% đến 40%

Trong năm 2015, Bamonte và Monte [13] đã tiến hành mô phỏng các mẫu cột BTCT bị cháy bằng phương pháp phần tử hữu hạn, với bốn mô hình của các nghiên cứu [14][15][16][17] Kết quả cho thấy thời gian phá hoại của các kết cấu BTCT liên quan đến hiệu ứng bậc hai của nhiệt độ khi cột chịu tải dọc trục Ngoài ra, độ cứng cũng ảnh hưởng đến thời gian phá hoại của cột BTCT

Một năm sau, Balaji và cộng sự [18] đã đi sâu nghiên cứu ứng xử của cột BTCT bị cháy sử dụng chương trình ANSYS Các tiết diện cột lần lượt là 300×300 mm, 400×400 mm và 500×500 mm với chiều cao là 3000 mm Cốt thép dọc là 6ø28, cốt thép đai ø6 bước 150 mm Lớp bê tông bảo vệ thay đổi từ 40 đến 80 mm Nhiệt độ khác nhau được sử dụng để mô phỏng và tuân theo đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Nghiên cứu đã chỉ ra các cột chịu cháy ở bốn mặt tiết diện thì khả năng chịu tải và khả năng

Trang 30

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048kháng cháy giảm mạnh nhất so với các trường hợp còn lại Ngoài ra, cùng một tiết diện mặt cắt ngang, lớp bê tông bảo vệ tỉ lệ thuận với khả năng kháng cháy của cột

Năm 2017, Shah và Sharma [19] đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bê tông, cốt thép đai và cấu tạo của thép chủ đến khả năng chống cháy của cột Có tất cả 8 cột BTCT được sử dụng để tiến hành nghiên cứu, với 6 cột sử dụng bê tông cường độ bình thường (NSC) trong khi 2 cột còn lại sử dụng bê tông cường độ cao (HSC) Tất cả các cột dài 2800 mm và tiết diện vuông 300×300 mm Thép dọc của cột là 8ø16, thép đai ø10 với bước đai tăng dần từ 50 đến 200 mm.Thời gian cháy của tất cả cột là 60 phút Kết quả cho thấy rằng, việc bố trí thép dọc và thép đai có ảnh hưởng đến khả năng kháng cháy của cả hai cột NSC và HSC Tỷ lệ cốt đai tăng lên 50% đã làm tăng khả năng chống cháy lần lượt là 12% và 3,5% trong các cột NSC và HSC

Năm 2017, Kodur và cộng sự [20] đã tiến hành một nghiên cứu để phân tích khả năng chịu tải của cột BTCT sau cháy Mẫu cột có tiết diện là 203×203 mm, chiều cao cột là 3350 mm được sử dụng thí nghiệm Cốt thép dọc trong cột sử dụng 4ø19 và cốt thép đai là ø10 bước 200 mm Thời gian thí nghiệm cháy của hai cột là khác nhau Cột C1 được thí nghiệm cháy trong thời gian 90 phút Cột C2 được thí nghiệm cháy lâu hơn cột C1 30 phút Để nguội cột trong vòng 48 giờ sau cháy với nhiệt độ bình thường và thí nghiệm nén đươc tiến hành Tiến hành gia tải 2,5kN mỗi phút cho đến khi xảy ra phá hoại Kết quả thu được, biến dạng dọc trục của cột C1 là 9,3 mm và cột C2 là 6,8 mm Ngoài ra, khả năng chịu tải của cột C1 chỉ bằng 95% khả năng chịu tải của cột C2

2.3 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về ứng xử của cột BTCT bị cháy

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu BTCT bị cháy còn rất hạn chế Năm 2010, Trương Quang Vinh đã làm một đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở, thuộc trường Đại học Phòng cháy chữa cháy, có tên “Nghiên cứu phương pháp tính toán về khả năng chịu lực của kết cấu thép – kết cấu BTCT trong điều kiện cháy theo tiêu chuẩn châu Âu và Canada” Nghiên cứu tập trung vào phương pháp tính toán khả năng

Trang 31

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048chịu lực của kết cấu thép – BTCT liên hợp trong điều kiện cháy theo các chỉ dẫn trong tiêu chuẩn châu Âu và tiêu chuẩn Canada

Năm 2012, TS Chu Thị Bình đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện cháy Phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAFIR được dùng để mô phỏng phân tích nhiệt và ứng xử cơ học của cột thí nghiệm Mười cột ống thép nhồi bê tông với 5 loại tiết diện khác nhau đã được thí nghiệm Nghiên cứu này tập trung vào loại tiết diện ống thép tròn hoặc vuông bao bọc một thép hình khác bên trong Do vậy, bê tông nhồi bên trong cột là bê tông tự đầm để bê tông dễ dàng lắp đầy tiết diện cột Mười cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông trong đó có hai cấu kiện có sơn phủ chống cháy bằng sơn phồng (intumescent paint) được thí nghiệm xác định khả năng chịu cháy Nhiệt độ tại một số điểm trong tiết diện được ghi lại dạng biểu đồ thời gian cháy – nhiệt độ Chuyển vị đứng tại đỉnh cột và chuyển vị ngang tại giữa cột cũng được ghi lại Thí nghiệm này tập trung vào các thông số: loại tiết diện và hệ số tải trọng sử dụng Tất cả mười cột có chiều dài 3310 mm (kể cả chiều dày hai tấm bịt đầu cột), mỗi loại tiết diện được thí nghiệm hai lần, mỗi lần một giá trị tải trọng Tất cả cột đều được thiết kế liên kết khớp ở hai đầu bằng các tấm đầu cột là các nửa trụ có thể xoay theo phương thiết kế Các cột được gia tải đến tải trọng thiết kế ở nhiệt độ thường (từ 25% đến 50% khả năng chịu tải của cột) Nhiệt độ trong lò được điều chỉnh tuân theo đường cong nhiệt độ - thời gian tiêu chuẩn ISO 834 Kết quả thí nghiệm cho thấy, tất cả các cột đều bị phá hoại do uốn dọc tổng thể mặc dù có quan sát được mất ổn định cục bộ ở một số vị trí Việc tăng hệ số sử dụng tải làm giảm rõ rệt khả năng chịu cháy của cấu kiện Hai cột được sơn bởi lớp sơn chống cháy intumescent paint thì lớp sơn này phồng lên, tăng chiều dày khi nhiệt độ bắt đầu khoảng 200oC đến 300oC Quan sát cho thấy rằng, lớp sơn này có những vết nứt và các vết nứt phát triển theo nhiệt độ Sau đó, một mô phỏng bằng phần mềm SAFIR – phân tích phi tuyến kết cấu trong điều kiện nhiệt độ thường và nhiệt độ tăng cao được thực hiện để kiểm chứng kết quả thí nghiệm Phân tích kết cấu trong đám cháy được chia thành hai bước Bước 1 gọi là phân tích nhiệt: xác định nhiệt độ trong kết cấu thay đổi

Trang 32

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048theo thời gian cháy Bước 2 gọi là bước phân tích kết cấu: tính ứng suất, biến dạng trong kết cấu tại từng bước thời gian cháy có cập nhật tính chất cơ lý của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ So sánh kết quả thí nghiệm và kết quả tính, tác giả thu được kết quả sau đây Kết quả tính độ dãn dài của cột ở 5 phút đầu đốt cột lớn hơn so với kết quả đo Nhưng sau đó, kết quả thí nghiệm và kết quả đo tương đối giống nhau Giả thuyết về độ cong ban đầu cột ảnh hưởng lớn đến chuyển vị ngang tính toán tại điểm giữa cột Trong mô phỏng, cột có độ dẻo kém hơn so với kết quả thí nghiệm Trước khi bị phá hoại chuyển vị ngang của cột trong mô phỏng thay đổi theo thời gian và độ dốc lớn Còn trong thí nghiệm, chuyển vị ngang tăng từ từ trong khoảng thời gian lớn hơn Thí nghiệm cho thấy sự mất ổn định cục bộ của ống thép bao ngoài trong khi mô phỏng bỏ qua hiện tượng này Phân tích kỹ ứng suất – biến dạng trong ống thép thấy rằng sau 30 phút chịu cháy, thép bên ngoài đã đạt nhiệt độ tới trên 600oC, cường độ và độ cứng trong thép đã giảm gần hết, hầu như toàn bộ lực truyền sang lỗi bê tông bên trong Như vậy, sự mất ổn định cục bộ của lõi thép ngoài hầu như không ảnh hưởng đến khả năng chịu cháy của cột

Năm 2016, tại trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Chu Thị Bình [21] đã thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường “Thiết kế kết cấu công trình theo điều kiện an toàn cháy” Qua đó trình bày các bước thiết kế kết cấu BTCT, thép và liên hợp thép – bê tông đảm bảo điều kiện an toàn cháy theo quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam Đồng thời chỉ ra những hạn chế và bất cập của tiêu chuẩn Việt Nam

Năm 2017, Trương Quang Vinh [22] đã thực hiện luận văn tiến sĩ tại Đại học Kiến trúc Hà Nội với đề tài “Phân tích kết cấu liên hợp thép – bê tông trong điều kiện cháy có xét đến quá trình tăng nhiệt và giảm nhiệt” Tác giả đã tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện cháy đối với kết cấu liên hợp bê tông – thép bằng phần mềm SAFIR, có xét tới nhiều yếu tố như sự phát triển nhiệt độ trong buồng cháy, sự truyền nhiệt trong kết cấu, tính chất cơ lý của vật liệu ở nhiệt độ cao,… Từ đó rút ra được các kết luận sau:

Trang 33

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048• Kết quả tính toán bằng SAFIR, dùng loại vật liệu CONC-ETC, do lập trình cho

kết quả mô phỏng gần với kết quả thí nghiệm hơn so với kết quả tính dùng mô hình đang có sẵn trong tiêu chuẩn Eurocode 2

• Biến dạng do nhiệt làm thay đổi đáng kể ứng suất biến dạng của kết cấu so với chúng ở điều kiện nhiệt độ thường, làm nội lực trong kết cấu luôn thay đổi trong điều kiện cháy, điều kiện liên kết và tỉ số tải trọng sử dụng ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc của kết cấu trong điều kiện cháy

• Hiện tượng phá hoại trễ làm cho nội lực trong kết cấu có thể tăng và khả năng chịu lực của kết cấu tiếp tục giảm trong giai đoạn giảm nhiệt

• Thời gian tăng nhiệt của đám cháy và tỉ số tải trọng sử dụng ảnh hưởng đáng kể đến khoảng thời gian kể từ khi đám cháy bắt đầu giảm nhiệt đến khi kết cấu bị phá hoại (DelayT), cường độ vật liệu và độ lệch tâm của lực dọc ảnh hưởng không đáng kể đến DelayT nếu giữ nguyên tỉ số tải trọng sử dụng, thời gian phá hoại trễn của kết cấu có thể rất lớn

Cũng trong năm 2017, Hoàng Anh Giang [23] đã tiến hành một nghiên cứu về dầm BTCT chịu lửa – lựa chọn phần tử cho mô hình nhiệt học trong ANSYS Mục đích của thí nghiệm này là lấy số liệu nhiệt độ tác dụng thực tế lên kết cấu làm số liệu đầu vào về tác động của nhiệt, áp dụng lên mô hình phân tích bằng chương trình máy tính Mẫu được thử nghiệm cháy là một khung BTCT toàn khối với cấu kiện dầm có chiều dài phần lộ lửa là 2900 mm và kích thước tiết diện là 200×350 mm còn cấu kiện cột có tiết diện 200×250 mm và chiều dài lộ lửa là 2900 mm Tác động của nhiệt được lấy theo đường nhiệt độ - thời gian thực tế, ghi nhận được trong quá trình thử nghiệm Việc áp dụng tác động của nhiệt vào mô hình được thực hiện theo hai cách tiếp cận khác nhau Truyền qua bề mặt hiệu ứng nhiệt: coi đường nhiệt độ - thời gian thực tế là sự thay đổi của nhiệt độ khối khí trong lò thử nghiệm và truyền vào các phần tử khối đặc của mô hình thông qua phần tử hiệu ứng bề mặt nằm ở mặt ngoài của cấu kiện và tiếp xúc với môi trường của lò thửu nghiệm Truyền trực tiếp vào nút: coi đường nhiệt độ - thời gian

Trang 34

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048thực tế là sự thay đổi nhiệt độ chính xác của điểm trên bề mặt ngoài của cấu kiện và tiếp xúc với môi trường lò thử nghiệm Khi phân tích bằng ANSYS, các giá trị nhiệt độ này được áp dụng trực tiếp vào các nút của phần tử khối đặc của mô hình và truyền nhiệt vào bên trong bằng hình thức dẫn nhiệt Quá trình phân tích về nhiệt độ được thực hiện theo cách thay đổi các tính chất vật liệu theo nhiêt độ Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi phân tích bằng ANSYS thì phương án áp dụng tác động của nhiệt trực tiếp lên các nút trên bề mặt lộ lửa của mô hình sẽ cho kết quả gần với số liệu đo của thử nghiệm thực tế hơn so với phương án áp dụng tác động của nhiệt thông qua phần tử bề mặt Tuy nhiên, điều này cũng nảy sinh vấn đề là trong trường hợp nào thì có thể sử dụng phẩn tử để áp dụng các tác động nhiệt vào mô hình PTHH Việc kiểm soát nhiệt độ của thử nghiệm theo các tiêu chuẩn quốc tế hoặc châu Âu hoặc được biên soạn dựa trên những tiêu chuẩn này đòi hỏi phải được thực hiện bằng các đầu đo nhiệt độ dạng tấm, do vậy về hình thức đó là kiểm soát nhiệt độ của khối khí trong lò, song về thưc chất đó là chính là mức nhiệt độ mà khối khí nóng trong lò đã tác động lên bề mặt của các mẫy thử vì đầu đo nhiệt dạng tấm đã cho phép tính đến thành phần nhiệt tác động theo của phương thức đối lưu và bức xạ Điều này cho thấy áp dụng tác động của nhiệt lên mô hình thông qua phàn tử hiệu ứng bề mặt sẽ không phù hợp do chưa bao gồm được thành phần bức xạ Ngoài ra, quy định về cấu tạo đầu đo nhiệt độ để kiểm soát đường nhiệt độ - thời gian theo các tiêu chuẩn của Mỹ chỉ đòi hỏi phần tiếp xúc để cảm nhận nhiệt độ của môi trường lò thử nghiệm có đường kính khoảng 3mm Với diện tích nhỏ như vậy, thì nhiệt độ mà nó cảm nhận được có thể chủ yếu là thành phần nhiệt đối lưu, do đó trong trường hợp này việc áp dụng mô hình truyền tác động nhiệt qua các phần tử hiệu ứng bề mặt có thể là chấp nhận được

Tháng 5 năm 2019, Nguyễn Tuấn Trung và cộng sự [24] công bố nghiên cứu “Đánh giá khả năng chịu lửa của sàn BTCT bằng các phương pháp đơn giản theo tiêu

chuẩn EN 1992-1-2” trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Bài báo này trình bày

các nguyên tắc thiết kế chung và các phương pháp tính toán đơn giản cho cấu kiện sàn

Trang 35

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048BTCT, được quy định trong tiêu chuẩn Eurocode 2 về thiết kế kết cấu BTCT trong điều kiện cháy Quy trình tính toán được trình bày cụ thể và minh hoạ thông qua ví dụ tính toán theo ba phương pháp bao gồm: Tra bảng, đường đẳng nhiệt và phương pháp phân lớp Kết luận rút ra là: Khi chiều dày lớp bê tông bảo vệ tăng lên thì khả năng chịu lửa cũng tăng lên theo dạng phi tuyến Tuy nhiên, đến một giá trị nào đó của lớp bê tông bảo vệ thì khả năng kháng cháy lại giảm dần do chiều cao làm việc giảm, dẫn đến việc chọn lớp bê tông bảo vệ cho sàn là khá quan trọng để cân đối giữa khả năng chịu lực ở nhiệt độ thường và khả năng kháng cháy Một kết luận nữa được rút ra là với cùng một lớp bê tông bảo vệ, khi tăng hàm lượng cốt thép dọc thì mô men kháng cháy của sàn tăng nhanh Mức độ tăng mô men kháng cháy sẽ tuỳ thuộc vào chiều dày của lớp bê tông bảo vệ Khi thời gian cháy tăng lên thì khả năng kháng cháy của sàn cũng giảm đi Nếu vẽ giá trị mô men ngoại lực và khả năng chịu lực trên cùng một biểu đồ thì dễ dàng xác định được khả năng chịu lực khi cháy của sàn BTCT

Cũng trong năm 2019, Ngô Tấn Sang và Cao Văn Vui [25] đã thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của lửa đến bê tông và sự phá hoại của cột BTCT Chương trình thí nghiệm của bài báo được thực hiện trên 30 mẫu cột BTCT có kích thước 150×150×3000 mm và được chia làm 5 nhóm Các mẫu cột được chia thành 5 nhóm với số lượng mẫu bằng nhau và có thời gian cháy lần lượt là 0, 15, 30, 45, 60 và 75 phút Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cột xuất hiện nhiều vết nứt li ti dưới tác dụng của lửa Các mẫu cột BTCT bị cháy có màu hồng nhạt, trong khi đó bê tông không bị cháy có màu hơi xám Khi các mẫu này bị nén cho phá hoại thì màu hồng nhạt càng thể hiện rõ hơn đối với bê tông bên trong Ngoài ra, dưới tác dụng của tải trọng dọc trục, đối với các cột BTCT bị cháy thì dạng phá hoại của nó cũng thay đổi nhiều và phần bê tông bị bong tách xuất hiện nhiều hơn So với mẫu BTCT không bị cháy thì lửa làm cho cột BTCT bị phá hoại dòn hơn

Trang 36

2.4 Tổng kết

Mặc dù, nhiều nghiên cứu thực ngiệm trong và ngoài nước đã thực hiện để phân tích ứng xử của cột BTCT bị cháy Tuy nhiên, mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu rất đa dạng Theo đó, các nghiên cứu [8, 9, 12, 17] chủ yếu xoay quanh sự ảnh hưởng của cốt thép trong cột đến khả năng chịu tải của cột sau cháy Nghiên cứu [10, 11] thì đi sâu nghiên cứu cách cải thiện khả năng kháng cháy của cột bằng cách sử dụng tấm sơi composite Nghiên cứu [18, 19] thì tập trung phân tích ảnh hưởng của kích thước tiết diện đến khả năng kháng cháy của cột Còn đối với các nghiên cứu [28, 14, 24, 29] thì đi theo hướng khác là nghiên cứu ứng dụng việc gia cường tấm sợi carbon FRP để cải thiện khả năng kháng cháy của cột BTCT Nghiên cứu [19] tập trung phân tích ảnh hưởng của vật liệu bê tông cường độ thường và cường độ cao đến khả năng kháng cháy của cột Nghiên cứu [5] thì xoay quanh phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng chịu tải của cột Nghiên cứu [20] đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chế tạo cột đến khản năng chịu tải của cột sau cháy Còn nghiên cứu [22] phân tích cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện cháy

Ở Việt Nam, mặc dù hoả hoạn xảy ra với tần suất khá cao, gây thiệt hại rất nghiêm trọng nhưng 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 chịu cháy và số ít luận văn thạc sĩ, tiến sĩ, nghiên cứu về cấu kiện chịu lửa kể từ năm 2000 Vì vậy, việc đẩy mạnh các nghiên cứu trong lĩnh vực này là công việc cần thiết Thông qua đề tài này, học viên có mong muốn tìm hiểu, nghiên cứu, có đóng góp cho lĩnh vực phòng chống hoả hoạn trong xây dựng

Trang 37

Phương pháp tra bảng

Các phương pháp tính đơn giản

Phương pháp nâng cao

Phân tích riêng lẻ các cấu kiện

Nêu số liệu áp dụng cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn

Nêu số liệu phân bố nhiệt độ cho đường gia nhiệt

tiêu chuẩn

Đưa ra các nguyên tắc

Phân tích một phần

kết cấu Không đề cập

Nêu số liệu phân bố nhiệt độ cho đường gia nhiệt

tiêu chuẩn

Đưa ra các nguyên tắc

Trang 38

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048Phương pháp thiết kế theo nguyên tắc định trước là xác định khả năng chịu lửa 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 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

Ngoài ra, trong tiêu chuẩn Eurocode 2 [1] cũng đã quy định cụ thể hơn về các

phương pháp được nêu trong Bảng Thứ nhất, đối với tính toán theo dựa theo phương pháp tra bảng thì trong phương pháp này, các tính toán được thực hiện dựa trên các bảng

đã được thiết kế sẵn cho từng loại cấu kiện kết cấu như sàn, cột, dầm Tuy nhiên, việc tính toán theo phương pháp này có hạn chế do chỉ sử dụng được bảng tra với một số loại tiết diện, kích thước tiết diện nhất định nên khả năng ứng dụng bị hạn chế Thứ hai, đối

với tính toán theo phương pháp đơn giản, thì đây là một phương pháp đã được đơn giản

hoá để thiết kế các cấu kiện riêng rẽ và dựa trên các giả thiết về an toàn Các giả thiết đơn giản hoá thường không kể đến ảnh hưởng của biến dạng nhiệt, không xét đến sự phân bố lại ứng suất biến dạng trong kết cấu trong điều kiện cháy, ứng xử của kết cấu giống như trong nhiệt độ thường chỉ có cường độ của vật liệu suy giảm Do vậy, mô hình tính toán đơn giản thường cho kết quả về cường độ sai lệch nhiều so với kết quả thí nghiệm song thiên về an toàn Trong thực hành thiết kế, mô hình tính toán đơn giản thường được áp dụng vì nó không cần đến kiến thức của các chuyên gia phân tích kết

cấu chịu cháy, cũng như không cần phần mềm phân tích chuyên sâu Thứ ba, phương pháp nâng cao gồm các mô hình tính toán nâng cao có thể được áp dụng tính toán từng

cấu kiện riêng biệt, cho từng cụm cấu kiện hoặc cho toàn bộ công trình Các mô hình tính toán nâng cao có thể bao gồm những mô hình tính toán riêng biệt để xác định những yếu tố khác theo hai bước tính như sau:

• Bước 1: Phân tích sự phát triển và phân bố nhiệt bên trong thành phần kết cấu (mô hình ứng xử nhiệt)

Trang 39

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048• Bước 2: Phân tích trạng thái cơ học của kết cấu hay một phần nào đó của kết cấu

trong quá trình nhiệt độ trong kết cấu thay đổi (mô hình ứng xử cơ học)

Những tác dụng của ứng suất và biến dạng do sự gia tăng nhiệt độ và chênh lệch của nhiệt độ cũng được tính đến Độ tin cậy của mỗi mô hình tính toán nâng cao đều được minh chứng trên cơ sở các kết quả thí nghiệm

Một số phần mềm phân tích cơ học nói chung có thể ứng dụng để phân tích kết cấu trong điều kiện cháy như ANSYS, ABAQUS Ngoài ra, có một số phần mềm chuyên dụng về phân tích kết cấu trong điều kiện cháy như VULCAN (UK), SISMEF (France) và SAFIR (Belgium)

3.1.2 Sự phát triển nhiệt độ trong buồng cháy

Trong thực tế, mỗi đám cháy có đặc điểm riêng: loại nhiên liệu gây cháy, vị trí bắt đầu xảy ra cháy, kích thước cửa ra vào, cửa thông gió,v.v nên sự gia tăng nhiệt độ trong từng đám cháy là khác nhau Quá trình tăng nhiệt độ của hoả hoạn tự nhiên trong phòng kín có thể được phân làm ba giai đoạn bao gồm: giai đoạn bắt đầu cháy, giai đoạn tăng nhiệt mạnh và cuối cùng là giai đoạn giảm nhiệt Trong đó giai đoạn tăng nhiệt mạnh là thời gian nguy hiểm nhất với tốc độ tăng của nhiệt độ rất cao, trong một thời gian ngắn có thể đạt nhiệt độ tối đa và tiếp tục được duy trì cho đến khi hết vật liệu gây cháy

Sự truyền nhiệt từ nguồn cháy đến bề mặt kết cấu thông qua hai hình thức: truyền nhiệt bức xạ và truyền nhiệt đối lưu Việc tính toán nhiệt độ từ nguồn cháy đến bề mặt kết cấu thuộc về bước 1 (phân tích nhiệt độ buồng cháy) không trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này Việc phân tích kết cấu trong điều kiện cháy được tiến hành khi đã biết nhiệt độ trên bề mặt kết cấu theo thời gian

Trang 40

Hình 3 Quan hệ giữa thời gian cháy và nhiệt độ bề mặt biên kết cấu [26]

Mỗi một đám cháy có đường quan hệ giữa thời gian cháy và nhiệt độ bề mặt biên kết cấu khác nhau, song để phân tích tính toán hoặc từ kết quả thí nghiệm có thể quy về các đường cong thời gian cháy – nhiệt độ tiêu chuẩn Nhiệt độ ở đây được tính toán là nhiệt độ trên bề mặt biên kết cấu

3.1.3 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn

Đường gia nhiệt tiêu chuẩn (Standard) hay còn gọi là đường cong ISO 834, là đường biểu diễn sự tăng tiến nhiệt độ theo thời gian Đường gia nhiệt này phù hợp cho việc mô phỏng đám cháy trong các công trình mà vật liệu gây cháy là vật liệu gốc Xenlulozo Đường Hydrocacbon 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 Đường Slow burning phù hợp cho việc mô phỏng đám cháy có nguồn gốc từ các vật liệu xảy ra phản ứng hấp thụ nhiệt