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

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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 chuẩn 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

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.

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.

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.

Ý nghĩa nghiên cứu

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

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

• Qua các trận hoả hoạn xảy ra trong nước và trên thế giới, thiệt hại về người và của là đáng kể Do đó, hỏa hoạn là đề tài có ý nghĩa thực tiễn

• Ngoài ra, kết quả thu được từ nghiên cứu này góp phần bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 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

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]

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.

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 – 600 o C bê tông có gốc xi măng Portland đều mất khả năng chịu tải Khi nhiệt độ dưới 500 o C, 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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 suy 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 thộp dọc là 6ứ20 và khụng gia cường; hai cột trũn cú đường kớnh 406 mm với cốt thộp dọc là 8ứ20 và được gia cường thờm FRP và vật liệu cỏch nhiệt; một cột vuụng với tiết diện là 406ì406 mm với cốt thộp dọc là 8ứ20 khụng gia cường; một cột vuụng với kớch thước là 406ì406 mm với cốt thộp dọc là 4ứ25 cú gia cường FRP và vật liệu cỏch 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

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 1400 o C 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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 300ì450 mm, trong đú 3 mẫu sử dụng thộp dọc 4ứ25, 3 mẫu sử dụng 4ứ32 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 đú, khả năng chịu tải cỏc cột sử dụng cốt thộp ứ25 kộm hơn cỏc cột sử dụng ứ32

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 tớch, trong đú cốt thộp chủ 4ứ10 dài 250 mm và 3 cốt đai ứ6 Cỏc mẫu cột được chia thành 4 nhóm:

• Nhóm 1: là hỗn hợp của bê tông với sợi Polypropylenen Fibers (PP) (0kg/m 3 , 0,5kg/m 3 và 0,75 kg/m 3 )

• 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

Kết quả sau thí nghiệm cho thấy:

• Sự hiện diện của các sợi polypropylene làm gia tăng nhẹ khả năng chịu lực của các cột BTCT bị cháy

• Việc tăng độ dày của lớp bê tông bảo vệ giúp cải thiện khả năng kháng cháy của cột BTCT

• Để phân tích sự ảnh hưởng của độ dày lớp bê tông bảo vệ đến khả năng kháng cháy của cột, tác giả đã chia các mẫu thành ba nhóm mẫu với cốt thép có đường kớnh ứ10 và chiều dài 500 mm Trong nhúm đầu tiờn, cỏc mẫu cột BTCT cú kớch thước 100×100×600 mm với lớp bê tông bảo vệ là 30 mm Các mẫu của nhóm thứ hai có lớp bê tông bảo vệ là 20 mm, và các mẫu nhóm thứ ba phải chịu tác dụng trực tiếp của lửa mà không có lớp bê tông bảo vệ Sau đó, ba nhóm mẫu được thí nghiệm cháy ở nhiệt độ cao 800 o C trong 6 giờ Kết quả cho thấy lớp bê tông bảo vệ có tác động đến cường độ chịu kéo Trong đó, sự giảm cường độ chịu kéo lần lượt là 32%, 48% và 60% cho cột có lớp bê tông bảo vệ 30, 20 mm và chịu ảnh hưởng trực tiếp của lửa

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 500 o C cường độ của các cột tiết diện vuông và tròn sau khi gia nhiệt

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 tăng 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 500 o C, 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 cú chiều cao là 3800 mm Với cột cú tiết diện 305ì305 mm cú cốt dọc là 4ứ25 Mẫu cột 406ì406 mm sử dụng thộp dọc là 8ứ25 Cỏc cột được mụ phỏng tiếp xỳc với nhiệt độ và tuân theo đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Kết quả chỉ ra rằng, khi xuất hiện

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 nhiệt độ các cột BTCT trong khung kết cấu có thể bị uốn theo hai phương trong các điều kiện cháy khác nhau

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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 chịu 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 200 o C đến 300 o C 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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 theo 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 600 o C, 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:

• 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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 thực 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

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 BTCT, 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

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

3.1.1 Các phương pháp tính toán

Trong tiêu chuẩn Eurocode 2 [1], có ba phương pháp tính toán cho kết cấu chịu lửa được trình bày gồm phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản và phương pháp nâng cao Khái niệm và phạm vi áp dụng của từng phương pháp được trình bày chi tiết trong Bảng bên dưới

Các phương pháp tính đơn giản

Phân tích riêng lẻ các cấu kiện

Nêu số liệu áp dụng cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn

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

Phân tích một phần kết cấu Không đề cập

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

Phân tích tổng thể toàn bộ hệ kết cấu Không đề cập Không đề cập Đưa ra các nguyên tắc Các phương pháp được chia thành hai nhóm chính, đó là thiết kế theo các nguyên tắc định trước (phương pháp tra bảng và phương pháp tính toán đơn giản), và thiết kế theo tính năng kết cấu (phương pháp nâng cao)

Phương pháp thiết kế theo nguyên tắc định trước là xác định khả năng chịu 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)

• 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

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

Trong kết cấu nhà cửa thường được thiết kế chịu cháy với đường Standard – ISO

Hình 4 Một số đường cong cháy tiêu biểu theo ISO 834 Đường chuẩn ISO 834 được xác định từ phương trình sau:

Trong đó t là thời gian (phút) và T là nhiệt độ trong buồng cháy ( o C), T0 là nhiệt độ ban đầu của buồng cháy (thường lấy 20 o C)

Sau 15 phút cháy, nhiệt độ buồng cháy của đám cháy chuẩn là 625 o C

Hình 5 Quan hệ giữa thời gian cháy - nhiệt độ bề mặt biên (theo đường chuẩn ISO

Hai đường nhiệt độ chuẩn thường được dùng trong hầu hết các nghiên cứu là đường chuẩn ISO 834 [7] và đường ASTM E119-16a [20] Đường ASTM E119-16a (sử dụng rộng rãi ở Nam Mỹ) được xác định thông qua một số điểm rời rạc

Hai đường cong này không khác nhau nhiều (Hình 5) Mốt số tiêu chuẩn quốc gia như: tiêu chuẩn Canada và tiêu chuẩn Australia cũng đưa ra đường cong thời gian cháy – nhiệt độ nhưng đều dựa trên đường chuẩn ISO 834 hoặc ASTM E119-16a [20] Đối với TCVN cũng dùng đường chuẩn ISO 834 trong các thí nghiệm

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

Ngoài ra, ở Pháp một loại đường nhiệt độ khác cũng được sử dụng trong những điều kiện hoả hoạn khắc nghiệt hơn, đường HCM với vật liệu gây cháy dạng hydrocacbon và hiệu ứng sốc nhiệt độ lúc ban đầu (sau hơn 10 phút nhiệt độ đạt cực đại

1300 o C và giữ nguyên trong vòng khoảng 2 giờ thí nghiệm) là đặc biệt phù hợp với những điều kiện trong ác vụ hoả hoạn của đường hầm hay tàu điện ngầm… Ở Hà Lan và Đức lại sử dụng các loai đường nhiệt độ khác là RWS và RABT, đặc biệt đường RWS với nhiệt độ cực đại 1350 o C và giảm dần sau đó cho đến khi ổn định ở 1200 o C, đường RWS thí nghiệm trong vòng 2 giờ đang được đánh giá là điều kiện khắc nghiệt nhất có thể xảy ra trong hoả hoạn đường hầm giao thông Đường Hydrocacbon Major (HCM) được xác định từ phương trình sau:

Trong đó, t là thời gian cháy (s);

T0 là nhiệt độ môi trường (thường lấy bằng 20 0 C)

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 Đường RWS được xác định từ phương trình sau:

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

Tổng quan về SAFIR [28]

SAFIR [29] là một chương trình máy tính có mục đích đặc biệt là để phân tích các kết cấu trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường xung quanh [21] Chương trình được dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), có thể được sử dụng để nghiên cứu ứng xử của một, hai và ba chiều (3D) của một kết cấu Chương trình SAFIR [21] được phát triển bởi Đại học Liege – Vương quốc Bỉ và hiện nay được xem là thế hệ thứ hai của thuật toán về kết cấu chịu lửa đã được phát triển ở Đại học Liege Ở thế hệ thứ nhất, SAFIR còn có tên gọi khác là Kỹ thuật máy tính về thiết kế chịu lửa của kết cấu composite và kết cấu thép (Computer Engineering of the Fire deign of Composite and Steel Structures – CEFICOSS)

Là một chương trình phần tử hữu hạn, SAFIR [21] cung cấp nhiều phần tử khác nhau cho các ý tưởng khác nhau, quy trình tính toán và các mô hình vật liệu khác nhau để kết hợp, khảo sát mối quan hệ ứng sử của ứng suất – biến dạng Các phần tử bao gồm: phần tử 2 – D Solid, 3 – D Solid, phần tử dầm, phần tử tấm và phần tử dàn Các quy luật về

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 ứng suất – biến dạng của vật liệu bao gồm đa tuyến tính hoặc tuyến tính elip và phi tuyến tính đối với bê tông

3.2.1 Các phương thức phân tích Đối với SAFIR [21], việc phân tích một kết cấu tiếp xúc với lửa có thể bao gồm nhiều bước tính toán Bước đầu tiên liên quan đến việc dự đoán được sự phân bố nhiệt độ bên trong các thành phần kết cấu – được gọi là “phân tích nhiệt” [21] Việc phân tích lực xoắn có thể cần thiết cho phần tử 3-D dầm, khi một mặt cắt dầm chịu xoắn dẫn đến độ cứng lúc này của mặt cắt này không còn hợp lý nữa Bước phân tích cuối cùng, gọi là

“phân tích kết cấu” được tiến hành cho mục tiêu chính là xác định ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và nhiệt độ

+ Nhiệt được chuyển hoá bằng sự truyền dẫn trong vật liệu rắn được mô tả tuân theo phương trình truyền nhiệt Fourier [30] Phương trình này được tính toán trong SAFIR theo các bước tính toán cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn:

Trong đó: k: hệ số dẫn nhiệt, (W/mK)

T: nhiệt độ, (K) x,y,z: các toạ độ (m)

Q: nhiệt lượng sinh ra bên trong kết cấu (nếu có), W/m 3

C: nhiệt dung riêng của vật liệu, (J/kgK)

: khối lượng riêng của vật liệu, (kg/m 3 )

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 t: thời gian, (s)

+ Đối với phương trình Fourier áp dụng cho SAFIR [21] thì một số giả thiết chính được đưa ra như:

• Các vật liệu được xem là đẳng hướng, hạn chế có sự chuyển động, không chịu nén và không có sự tiêu tán cơ học

• Không có sự kháng lại việc thoát nhiệt độ qua các bề mặt tiếp xúc giữa các vật liệu liền kề

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

Khi phân tích kết cấu trong điều kiện cháy, sự phức tạp gặp phải là nhiệt độ của vật liệu luôn thay đổi, dẫn đến mối quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu cũng luôn thay đổi

Do đó, để phân tích kết cấu trong điều kiện cháy, cần tính toán biến dạng và ứng suất trong kết cấu tại từng thời điểm cháy tương ứng với nhiệt độ trong kết cấu đã xác định trước

Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông và cốt thép lấy theo tiêu chuẩn châu Âu Chương trình SAFIR [21] không mô phỏng được vết nứt trong bê tông nhưng tính chất 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 Quá trình thay đổi cả nhiệt độ và biến dạng trong bê tông và thép sau mỗi bước thay đổi nhiệt độ được tính lặp đi lặp lại Để phân tích kết cấu trong cả quá trình cháy, cần tính nhiệt độ trong kết cấu tại từng bước thời gian cháy (thường chọn bước thời gian 30s hoặc 60s) Sau mỗi bước thời gian cháy, phải cập nhật nhiệt độ trong kết cấu, rồi cập nhật các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ứng với nhiệt độ xác định, rồi dùng các phương trình cân bằng cơ học để tính ứng suất – biến dạng

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

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

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

Trong phần mềm SAFIR [32], đã có sẵn mô hình vật liệu thép và bê tông mà các tính chất vật liệu lấy theo quy định trong tiêu chuẩn châu Âu Ví dụ, vật liệu thép có mô hình STEELEC3, bê tông có SILCONC_EN cho bê tông cốt liệu đá silic, CALCON_EN cho bê tông cốt liệu đá canxit Ngoài ra, SAFIR còn có sẵn có mô hình vật liệu khác như: INSULATION (không mang bất kì tải nào), ELASTIC, BILIN, RAMBOSGOOD (chỉ dành cho nhiệt độ phòng) Có thể khai báo vật liệu bất kỳ tên USERx và khai báo các thông số vật liệu đính kèm

Trong luận văn này, vật liệu dùng trong phân tích nhiệt độ lấy theo mô hình có sẵn trong SAFIR [21], lấy bê tông và thép theo tiêu chuẩn châu Âu

Số liệu đầu vào

Quá trình cháy là quá trình lý hoá phức tạp, trong đó xảy ra các phản ứng hoá học toả nhiệt và phát sáng Nhiệt lượng toả ra trong một đám cháy là rất lớn Trong luận văn này, ta giả định nhiệt độ môi trường quanh cấu kiện được chọn để có được sự phân bố nhiệt độ trong tiết diện giống với mô hình tham khảo trong Phụ lục A của tiêu chuẩn Eurocode

2 [1] Sự gia tăng nhiệt độ trong cấu kiện theo thời gian được lấy theo đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834

4.1.2 Thông số cấu kiện a) Cột có tiết diện 150×150 mm

- Cột vuộng sử dụng thép dọc 4∅16 được bố trí theo chu vi của cột

- Chiều dày lớp bê tông bảo vệ a = 20 mm được tính đến mép cốt dọc

- Cột chịu cháy lần lượt từ 1 đến 4 mặt (tiếp xúc với đường quan hệ nhiệt ISO 834) Trong quá trình cháy, các mặt không tiếp xúc với nhiệt được mô phỏng ở nhiệt độ thường là 20 o C

Hình 13 Chi tiết tiết diện cột 150x150 (mm) b) Cột có tiết diện 300×300 mm

Hình 14 Chi tiết tiết diện cột 300x300 (mm) c) Cột có tiết diện 450×450 mm

Hình 15 Chi tiết tiết diện cột 450x450 (mm)

Thông số nhiệt học Giá trị

Hệ số đối lưu nóng 25

Hệ số đối lưu lạnh 4

Hình 16 Thông số nhiệt học của thép trong SAFIR [21]

Thông số cơ học Giá trị

Hình 17 Thông số cơ học của thép trong SAFIR [21]

Thông số nhiệt học Giá trị

Khối lượng riêng 2400 Độ ẩm 48

Hệ số đối lưu nóng 25

Hệ số đối lưu lạnh 4

Hình 18 Thông số nhiệt học của bê tông trong SAFIR [21]

Thông số cơ học Giá trị

Cường độ chịu nén 3x10 7 MPa

Cường độ chịu kéo 3x10 6 MPa

Hình 19 Thông số cơ học của bê tông trong SAFIR [21]

4.1.4 Mô phỏng ứng xử của cột BTCT bị cháy thông qua SAFIR [21] Đối với luận văn này, sử dụng phần mềm SAFIR để mô hình đầy đủ sự truyền nhiệt và xác định sự phân bố nhiệt độ trong mặt cắt cột BTCT trong khoảng thời gian 60 phút Kết quả phân tích nhiệt độ bên trong cấu kiện được ghi nhận sau mỗi 15 phút, tại các mốc thời gian là 15, 30, 45 và 60 phút

Phân tích nhiệt dựa vào phần mềm SAFIR

4.2.1.1 Sự phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện

4.2.1.1.1 Cột chịu cháy một mặt a) 15 phút b) 30 phút

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 c) 45 phút d) 60 phút

Hình 20 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy một mặt theo thời gian

4.2.1.1.2 Cột chịu cháy hai mặt a) 15 phút b) 30 phút

Hình 21 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy hai mặt theo thời gian

4.2.1.1.3 Cột chịu cháy ba mặt a) 15 phút b) 30 phút

Hình 22 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy ba mặt theo thời gian

4.2.1.1.4 Cột chịu cháy bốn mặt

Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 a) 15 phút b) 30 phút

Hình 23 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy bốn mặt theo thời gian

- Các kết quả nhiệt độ thu được từ phần mềm SAFIR [21] và được hiển thị dưới dạng đồ thị cho điểm nút trên mặt cắt ngang của tiết diện cột Các nút nằm sâu bên trong mặt cắt ngang cột thường có nhiệt độ thấp hơn các nút nằm ở vị trí biên

- Nhìn chung, nhiệt độ tăng dần theo thời gian cháy và giá trị nhiệt độ lớn nhất đạt được khi cột bị cháy đầy đủ bốn mặt Biểu đồ đường thể hiện kết quả nhiệt độ (Hình 20-23) cho kết quả tương quan với đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 (Hình 5)

4.2.1.2 Phân tích cơ học dựa vào kết quả phân tích nhiệt của phần mềm SAFIR

Khả năng chịu lực (KNCL) của cột theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [1]

Trong đó: γ c là hệ số an toàn riêng cho vật liệu khi tính theo trạng thái giới hạn 1 ( c =1,5cho trường hợp bê tông lâu dài và tạm thời) f ck là cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông đối với mẫu trụ tiêu chuẩn (lấy f ck 30MPa) f yd là cường độ tính toán của cốt thép Được xác định bằng tỷ số giữa giới hạn chảy đặc trưng f uk và hệ số riêng γ s (lấy f uk = 400 N/mm 2 và γs =1,15)

A c là diện tích của tiết diện bê tông

A s là diện tích của cốt thép

Từ công thức (4.1) suy ra N Rd 82.5(kN)

4.2.1.3 Tính toán theo phương pháp phân lớp

Mô hình cột BTCT bằng Safir_thermal_2D có tiết diện 150×150 mm, cốt thép 4∅16

Mô hình được gán FISO cho các mặt tiếp xúc với đám cháy tiêu chuẩn ISO 834, F20 cho các mặt là nơi vẫn hoạt động với điều kiện nhiệt độ tự nhiên là 20 0 C Giả thiết không có sự thay đổi của lực dính (hay bong tách) giữa bê tông và cốt thép, không có sự phát sinh ứng suất do nhiệt

4.2.1.3.1 Cột chịu cháy một mặt

Học viên chia cột thành 30 phân lớp, mỗi lớp có h = 5mm, cháy trong thời gian lần lượt là 15, 30, 45 và 60 phút Sau đó tính toán nhiệt độ trung bình cùng hệ số độ giảm cường độ vật liệu bê tông và cốt thép.

Hình 24 Phân lớp cho tiết diện cột cháy một mặt

*Cháy trong thời gian 15 phút

Hệ số giảm cường độ bê tông

Hệ số giảm cường độ cốt thép

Khả năng chịu lực (kN)

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

Thời gian cháy KNCL cột (kN) Khoảng giảm ∆P (%) t = 0 (chưa cháy) 382,5 - t = 15 phút 354 7.33% t = 30 phút 348 8.97% t = 45 phút 340 11.07% t = 60 phút 337 11.77%

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

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

- Hình 25 mô tả khả năng chịu lực dọc trục của cột khi cháy trong các khoảng thời gian lần lượt là 15, 30, 45 và 60 phút so với khả năng chịu lực ban đầu (chưa cháy) của cột

Số liệu lực dọc thể hiện trong Hình 25 đươc tính toán theo phương pháp phân lớp trong từng mốc thời gian 15, 30, 45 và 60 phút Quan sát Hình 25, khả năng chịu lực dọc trục của cột bị cháy giảm so với khả năng chịu lực của nó lúc ban đầu Khả năng chịu lực của cột lúc ban đầu là 382,5 kN Đối với 15 phút đầu tiên, khả năng chịu lực của cột giảm từ 382,5 kN xuống còn 354.45kN, tương đương 7,3% khả năng chịu lực lúc ban đầu Sự suy giảm khả năng chịu lực càng thể hiện rõ khi khả năng chịu tải của cột cháy 30 phút giảm từ 354,45 kN xuống còn 348,20 kN, tương ứng 8,97% ban đầu Tương tự trong khoảng thời gian 45 phút tiếp theo, khả năng chịu lực giảm xuống còn 340,17 kN, xấp xỉ 11,07% Cuối cùng là nhóm 60 phút cuối, khả năng chịu lực giảm còn 337,49 kN, tương đương 11,77% Điều này chứng tỏ rằng, lửa làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu sau cháy

4.2.1.3.2 Cột chịu cháy hai mặt

Học viên chia cột thành một số phân lớp có chiều dày bằng nhau theo hai phương Do đó, các phân lớp sẽ tạo ra được các ô vuông như hình 26 (n0 ô) Sau đó, tiến hành tính toán nhiệt độ trung bình cùng hệ số độ giảm cường độ vật liệu bê tông và cốt thép

Hình 26 Phân lớp cho tiết diện cột cháy hai mặt

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

Thời gian cháy KNCL cột (kN) Khoảng giảm ∆P (%) t = 0 (chưa cháy) 382.5 - t = 15 phút 353 7.6% t = 30 phút 348 9.0% t = 45 phút 322 15.8% t = 60 phút 302 21.1%

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

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

- Hình 27 mô tả khả năng chịu lực dọc trục của cột chịu cháy hai mặt trong các khoảng thời gian lần lượt là 15, 30, 45 và 60 phút so với khả năng chịu lực ban đầu (chưa cháy) của cột Số liệu lực dọc thể hiện trong hình 27 đươc tính toán theo phương pháp phân lớp hai phương trong từng mốc thời gian 15, 30, 45 và 60 phút Quan sát hình 27, khả năng chịu lực dọc trục của cột bị cháy giảm so với khả năng chịu lực của nó lúc ban đầu Khả năng chịu lực của cột lúc ban đầu là 382,5 kN Đối với 15 phút đầu tiên, khả năng chịu lực của cột giảm từ 382,5 kN xuống còn 353,45kN, tương đương 7,6% khả năng chịu lực lúc ban đầu Sự suy giảm khả năng chịu lực càng thể hiện rõ khi khả năng chịu tải của cột cháy 30 phút giảm từ 353,45 kN xuống còn 348,13 kN, tương ứng 9,0% ban đầu Tương tự trong khoảng thời gian 45 phút tiếp theo, khả năng chịu lực giảm xuống còn 322,19 kN, xấp xỉ 15,8% Cuối cùng là nhóm 60 phút cuối, khả năng chịu lực giảm còn 301,79 kN, tương đương 21,8% So với trường hợp cháy một mặt, ta có thể thấy ở các mốc thời gian 15 – 45 phút thì sự chênh lệch về độ giảm KNCL của cột là không nhiều Chỉ khi đến 60 phút, KNCL của cột mới có sự khác biệt rõ (11,8% cho trường hợp cháy một mặt so với 21,8% trường hợp cháy hai mặt)

4.2.1.3.3 Cột chịu cháy ba mặt

Học viên chia cột thành một số phân lớp có chiều dày bằng nhau theo hai phương Do đó, các phân lớp sẽ tạo ra được các ô vuông như hình 28 (n0 ô) Sau đó, tiến hành tính toán nhiệt độ trung bình cùng hệ số độ giảm cường độ vật liệu bê tông và cốt thép.

Hình 28 Phân lớp cho tiết diện cột cháy ba mặt

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

Thời gian cháy KNCL cột (kN) Khoảng giảm ∆P (%) t = 0 (chưa cháy) 382.5 - t = 15 phút 355.57 7.0% t = 30 phút 338.13 11.6% t = 45 phút 307.79 19.5% t = 60 phút 280.5 26.7%

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

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

- Hình 29 mô tả khả năng chịu lực dọc trục của cột chịu cháy ba mặt trong các khoảng thời gian lần lượt là 15, 30, 45 và 60 phút so với khả năng chịu lực ban đầu (chưa cháy) của cột Số liệu lực dọc thể hiện trong hình 27 đươc tính toán theo phương pháp phân lớp hai phương trong từng mốc thời gian 15, 30, 45và 60 phút Quan sát hình 29, khả năng chịu lực dọc trục của cột bị cháy giảm so với khả năng chịu lực của nó lúc ban đầu Khả năng chịu lực của cột lúc ban đầu là 382,5 kN Đối với 15 phút đầu tiên, khả năng chịu lực của cột giảm từ 382,5 kN xuống còn 355,57 kN, tương đương 7,0% khả năng chịu lực lúc ban đầu Sự suy giảm khả năng chịu lực càng thể hiện rõ khi khả năng chịu tải của cột cháy 30 phút giảm từ 355,57 kN xuống còn 338,13 kN, tương ứng 11,6% ban đầu Tương tự trong khoảng thời gian 45 phút tiếp theo, khả năng chịu lực giảm xuống còn 307,79 kN, xấp xỉ 19,0% Cuối cùng là nhóm 60 phút cuối, khả năng chịu lực giảm còn 280,5 kN, tương đương 26,67% So với trường hợp cháy một và hai mặt, ta có thể thấy ở các mốc thời gian 15 – 45 phút thì sự chênh lệch về độ giảm KNCL của cột là không nhiều Chỉ khi đến 60 phút, KNCL của cột mới có sự khác biệt rõ (11,8% cho trường hợp cháy một mặt, 21,8% trường hợp cháy hai mặt và 26,7% cho trường hợp cháy ba mặt)

4.2.1.3.4 Cột chịu cháy bốn mặt

Học viên chia cột thành một số phân lớp có chiều dày bằng nhau theo hai phương Do đó, các phân lớp sẽ tạo ra được các ô vuông như hình 26 (n0 ô) Sau đó, tiến hành tính toán nhiệt độ trung bình cùng hệ số độ giảm cường độ vật liệu bê tông và cốt thép.

Hình 30 Phân lớp cho tiết diện cột cháy bốn mặt

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

Thời gian cháy KNCL cột (kN) Khoảng giảm ∆P (%) t = 0 (chưa cháy) 382,5 - t = 15 phút 354,5 7.3% t = 30 phút 318,2 16.8% t = 45 phút 279,7 26.9% t = 60 phút 244,3 36.1%

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

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

- Hình 31 mô tả khả năng chịu lực dọc trục của cột chịu cháy bốn mặt trong các khoảng thời gian lần lượt là 15, 30, 45 và 60 phút so với khả năng chịu lực ban đầu (chưa cháy) của cột Số liệu lực dọc thể hiện trong hình 31 đươc tính toán theo phương pháp phân lớp hai phương trong từng mốc thời gian 15, 30, 45 và 60 phút Quan sát hình 31, khả năng chịu lực dọc trục của cột bị cháy giảm rất nhanh so với các trường hợp trước và giảm nhiều nhất là 36,1% tại thời gian là 60 phút sau khi cháy

4.2.1.4 Ảnh hưởng của số mặt cháy đến khả năng chịu lực của cột trong cùng một mốc thời gian

Thời gian cháy Số mặt cháy KNCL cột (kN) t = 15 phút

Bảng 21 Ảnh hưởng của điều kiện cháy đến KNCL cột a) 15 phút b) 30 phút c) 45 phút d) 60 phút

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

355 Khả năng chịu lực cột (kN)

Khả năng chịu lực cột (kN)

244Khả năng chịu lực cột (kN)

- Hình 32 mô tả ảnh hưởng của điều kiện cháy đến khả năng chịu lực của cột trong cùng một mốc thời gian Quan sát hình 32, khả năng chịu lực dọc trục của cột bị cháy giảm rất ít ở trường hợp cháy một và hai mặt Tuy nhiên, ở hai trường còn lại là cháy ba và bốn mặt thì khả năng chịu lực của cột giảm nhanh đáng kể Hơn nữa, số mặt cháy cũng tỉ lệ thuận với thời gian cháy Số mặt cháy càng nhiều, thời gian cháy càng lâu thì khả năng chịu lực của cột giảm dần

4.2.2.1 Sự phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện

4.2.2.1.1 Cột chịu cháy một mặt a) 15 phút b) 30 phút

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

4.2.2.1.2 Cột chịu cháy hai mặt a) 15 phút b) 30 phút

Hình 34 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy hai mặt theo thời gian

4.2.2.1.3 Cột chịu cháy ba mặt a) 15 phút b) 30 phút

Hình 35 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy ba mặt trong thời gian

4.2.2.1.4 Cột chịu cháy bốn mặt a) 15 phút b) 30 phút

Hình 36 Sự phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang của cột cháy bốn mặt theo thời gian

- Các kết quả nhiệt độ thu được từ phần mềm SAFIR [21] và được hiển thị dưới dạng đồ thị cho điểm nút trên mặt cắt ngang của tiết diện cột Giá trị nhiệt độ thu được trong tiết diện cột C300 nhỏ hơn C150 (trong các khoảng thời gian đầu tiên) do cột C300 có tiết diện cũng như là khả năng chịu nhiệt lớn hơn dẫn đến quá trình cháy sẽ hấp thụ nhiệt độ lâu hơn trong cùng mốc thời gian cháy

Kết luận

• Phân tích sự phân bố nhiệt bên trong cấu kiện được sử dụng bằng phương pháp mô phỏng với phần mềm SAFIR Kết quả cho thấy rằng sự phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện tương đối rõ ràng, tuân theo đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO-834 [7] Mặt khác, các đường đẳng nhiệt thể hiện trên mặt cắt ngang của cột cũng tương tự như trong tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 [1]

• Thời gian cháy ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của cột BTCT Với thời gian cháy 15, 30, 45 và 60 phút thì kết quả độ giảm khả năng chịu lực của cột với tiết diện 150×150 mm lần lượt là 8%, 17%, 26%, 36% Tiếp theo, với cột

300×300 mm thì giá trị tương ứng là 3%, 10%, 18%, 24% Cuối cùng, độ giảm khả năng chịu lực là 2%, 8%, 15%, 20% cho cột 450×450 mm Điều này được giải thích là thời gian cháy càng lâu, nhiệt độ bên trong cấu kiện sẽ tăng nhanh, dẫn đến khả năng chịu lực của cột sẽ giảm một cách đáng kể Với cột 150×150 mm, nhiệt độ tối đa thường đạt sớm nhất Do đó, ở các thời gian cháy 15 và 30 phút thì đã có sự giảm nhanh về khả năng chịu lực Càng về sau sẽ càng giảm nhanh hơn Ngược lại, với cột 300×300 và 450×450 mm thì khả năng hấp thụ nhiệt lâu hơn, nhiệt độ tối đa đạt đươc ở khoảng thời gian xa hơn Vì vây, ở hai tiết diện này, sự suy giảm khả năng chịu lực của cột thường xảy ra nhanh ở thời gian 45 và 60 phút

• Số mặt cháy cũng là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực dọc trục của cột Trong cùng một mốc thời gian nhất định, cột bị cháy với số mặt nhiều hơn thì khả năng chịu lưc dọc trục của cột sẽ bị giảm nhiều hơn so với lúc ban đầu chưa bị cháy Kết quả phân tích cho thấy rằng, ở cột 150×150 mm trong cùng thời gian cháy là 15 phút, thì cột bị cháy bốn mặt có khả năng chịu lực giảm nhiều nhất là 3% Ở các mốc thời gian cháy là 30, 45 và 60 phút thì kết quả lần lượt là 9%, 18%, 28% Tương tự, với cột cột 300×300 mm độ giảm khả năng chịu lực của cột lần lượt là 3%, 9%, 16% và 22% khi bị cháy bốn mặt và tiến hành cháy trong cùng mốc thời gian từ 15 đến 60 phút Cuối cùng, kết quả này cho cột 450×450 mm là 2%, 7%, 13% và 18%.

Kiến nghị

Luận văn đã đạt được một số kết quả được trình bày ở trên Tuy nhiên, đề tài vẫn cần được nghiên cứu thêm trong tương lai do việc tính khả năng chịu lực của cột đã bỏ qua độ lệch tâm sinh ra đáng kể do nhiệt Học viên có một số kiến nghị như sau: Phân tích đồng thời ảnh hưởng cơ – nhiệt tác dụng lên cột BTCT bị cháy, khi đó sẽ có sự lệch tâm của lực dọc, làm phát sinh mô men uốn và dẫn đến sự phân bố lại ứng suất Phân tích cột bị cháy ở tiết diện tròn hoặc chữ nhật cũng là các vấn đề cần được nghiên cứu

Tiêu đề	Phân tích khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép trong các điều kiện cháy khác nhau
Tác giả	Lê Huy Chương
Người hướng dẫn	PGS. TS. Cao Văn Vui, PGS. TS. Trần Cao Thanh Ngọc
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, 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. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	174
Dung lượng	2,58 MB