Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của khung bê tông cốt thép bị cháy chịu tải ngang

TỔNG QUAN

GIỚI THIỆU CHUNG

2.1.1 Đặc điểm khung bê tông cốt thép bị cháy

Hỏa hoạn là một trong những hiểm họa mà con người thường xuyên phải đối mặt trong cuộc sống hàng ngày Trên thế giới đã xảy ra nhiều vụ hỏa hoạn gây thiệt hại đến tính mạng con người và tài sản Nhiều vụ hỏa hoạn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người và làm giảm hoặc hư hỏng nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của các công trình đang được sử dụng Vụ hỏa hoạn Chicago vào năm 1871, kéo dài trong 3 ngày, phá hủy toàn bộ hơn 7 km vuông diện tích thành phố Chicago, 100.000 người rơi vào hoàn cảnh mất nhà cửa Năm 2010, vụ cháy chung cư 28 tầng ở Thượng Hải, Trung Quốc [2] như Hình 2.1b đã khiến 58 người thiệt mạng và 70 người khác bị thương Vào năm 2017, hỏa hoạn đã thiêu rụi tòa nhà Grenfel Tower ở Anh [3] như Hình 2.1a khiến 80 người thiệt mạng Ở Việt Nam, vụ hỏa hoạn ở chung cư Carina Plaza tại thành phố Hồ Chí Minh khiến cho 13 người thiệt mạng Các công trình đã bị hư hại ở mức độ khác nhau Gì vậy nhiều vụ hỏa hoạn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người và làm giảm hoặc hư hỏng nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của các công trình đang được sử dụng Sự cố hỏa hoạn xảy ra trong các công trình có thể ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau đến kết cấu chịu lực và các bộ phận kiến trúc của công trình Vì thế hỏa hoạn làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu

Khung bê tông cốt thép là một trong những kết cấu chịu lực chính của các công trình xây dựng Kết cấu khung bê tông cốt thép ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa trong nhiều bộ phận của các công trình Trong hệ kết cấu nhà, khung BTCT trực tiếp chịu sự ổn định trong kết cấu của công trình Trực tiếp nhận tải trọng thẳng đứng để truyền xuống sàn, tường, sau đó là xuống móng Đồng thời, khung BTCT còn là liên kết cứng tiếp nhận tải trọng ngang (gió, động đất,…) để chịu sự ổn định trong kết cấu ngôi nhà, và từ đó truyền xuống móng

Khả năng chịu lửa của khung bê tông cốt thép phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu cấu thành Ngoài ra, ứng xử của khung còn phụ thuộc vào chất liệu của bê tông cốt thép và đặc tính cấu thành nên kết cấu khung BTCT

Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của môi trường xung quanh dưới các hình thái khác nhau như các tác động cơ học, lý học, hóa học và những hư hỏng, sự cố do những sai

Trang 6 sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công Những tác động này dẫn đến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng công trình hoặc mất an toàn về phương diện chịu tải

Với những tác động đặc biệt như động đất, hỏa hoạn, cháy nổ… có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng, có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần hoặc toàn bộ công trình Trong đó, khung là một trong những cấu kiện chịu lực quan trọng nhất trong hệ thống kết cấu nhà Khi xảy ra hỏa hoạn, cấu kiện khung phải đồng thời chịu tác động của các yếu tố bất lợi bao gồm sự nén lệch tâm, lực nén phát sinh do sự cản giãn nở nhiệt dọc trục, bề mặt khung liên tục tiếp xúc với lửa a) Grenfell Tower b) Chung cư 28 tầng ở Thượng Hải

Hình 2.1 Các vụ hỏa hoạn trên thế giới

2.1.2 Đặc điểm của khung bê tông cốt thép thực hiện nghiên cứu

Nhiều nghiên cứu phân tích ứng xử cấu kiện khung bê tông cốt thép tiết diện khác nhau chịu tải trọng khác nhau khi bị cháy và sau khi cháy Vì vậy, việc nghiên cứu thực nghiệm để phân tích, so sánh, đánh giá khả năng chịu tải trọng ngang của khung BTCT trước và sau khi bị cháy

Khung ta cần thí nghiệm là khung có hệ dầm dưới tiết diện 300x400 mm chiều dài của dầm là 4m Có thép chủ 614 và thép đai gần gối 6a100, giửa nhịp 6a200 Dầm được gắn vào 2 cột thẳng đứng ở 2 đầu Tiết diện 2 cột là 200x250 mm dài 3,34 m, khoảng cách

2 cột có chiều dài là 2,5 m Có 6 cây thép chủ 614 và thép đai gần gối cách 900 mm ta bố trí 6a100, giữa nhịp 6a180 Đầu trên của 2 cột liên kết với một dầm tiết diện 200x220

Trang 7 mm chiều dài dầm 3,5 m, khoảng cách giữa dầm trên và dầm dưới là 2,5 m Có thép chủ

414 và thép đai từ hai gối vào 1,15 m bố trí 6a100, giửa nhịp 6a200 Ở đầu dầm tại vị trí lắp đặt kích thủy lực bố trí 2 lưới thép 6 gia cường để làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu ở đầu dầm khi được gia tải

2.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI

Năm 2007, Wu và cộng sự [4] đã tiến hành nghiên cứu khả năng kháng cháy của cột bê tông cốt thép tiết diện vuông Một mô hình số để dự đoán khả năng chống cháy của cả hai cột bê tông thường (NSC) và bê tông cường độ cao (HSC) được phát triển Người ta cho rằng các cột có bốn mặt được tiếp xúc với lửa, có nhiệt độ theo đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834 Nhiệt độ cột được tính bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) Chương trình mô phỏng tính toán trên 480 mặt cắt ngang của cột và 480 cột bê tông cường độ cao được làm bằng cốt liệu silic Tác giả mô phỏng các mẫu chịu nhiệt tăng dần từ 0 đến 1400 0 C Với các kết quả thu được từ phân tích mô hình số, các tác giả rút ra các kết luận sau:

 Ảnh hưởng của kích thước mặt cắt ngang đến khả năng chống cháy của các cột bê tông là đáng kể Khả năng chống cháy của cả hai loại cột HSC và NSC tăng khi kích thước mặt cắt ngang tăng

 Khả năng chống cháy của các cột HSC nhỏ hơn nhiều so với các cột NSC, do sự nổ bề mặt tiết diện của cột HSC khi nhiệt độ tăng nhanh Tỷ lệ kháng cháy của cột NSC so với cột HSC tăng theo tỷ lệ tải trọng dọc trục, nhưng nhìn chung giảm hoặc hầu như không thay đổi với kích thước tăng của mặt cắt ngang cột

 Với sự gia tăng tỷ lệ tải trọng dọc trục, khả năng chống cháy của các cột HSC giảm nhanh lúc đầu, và sau đó giảm dần ổn định Ngoài ra, sự gia tăng tỷ lệ tải dọc trục cũng làm giảm đáng kể khả năng chống cháy của các cột NSC và khả năng chống cháy của các cột NSC thay đổi tuyến tính

 Tỷ lệ thép không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống cháy của các cột NSC và HSC chịu nén đúng tâm

Năm 2008, Jau và Huang [5] nghiên cứu về ứng xử của các cột biên trong khung kết cấu sau khi chịu cháy Thí nghiệm được tiến hành trên 6 mẫu có kích thước tiết diện 300x450 mm Trong đó, 3 mẫu sử dụng thép dọc 4D25 mm, 3 mẫu sử dụng 4D32mm và lớp bê tông bảo vệ là 50mm, 60mm, 70mm Các mẫu được đốt trong lò ở thời gian là 2 giờ

Trang 8 và 4 giờ Sau đó tiến hành thí nghiệm nén các mẫu Kết quả mà các tác giả rút ra sau khi thí nghiệm:

CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM

VẬT LIỆU

Bê tông được sử dụng với cấp phối được trình bày trong Bảng 3.1 Mác bê tông được sử dụng với cường độ 25 Mpa cho tất cả các dầm và cột của khung BTCT thí nghiệm

Bảng 3.1 Cấp phối bê tông

Thành phần Mô tả Khối lượng /m 3

Xi măng Vicem PC40 402 kg Đá 1x2 Dmax = 25mm 0,83 m3

Vật liệu cát, đá, xi măng, thép và phụ gia được tập kết để thí nghiệm như Hình 3.1 Vật liệu được sàn rửa và vệ sinh sạch sẽ Cấp phối được thiết lập mác 250 cho các khung BTCT được thí nghiệm Vật liệu được đo lường đúng theo thể tích cấp phối định mức mác 250, để bê tông đạt chất lượng yêu cầu Thời gian thi công phải đảm bảo tiến độ thi công, thi công theo từng phần, từng giai đoạn Số lượng nhân công phải đầy đủ kịp thời, đảm bảo an toàn lao động và vệ sinh môi trường Thi công kịp thời đảm bảo thời tiết tốt tránh mưa bảo làm chậm tiến độ thi công và chất lượng công trình Thi công đúng thiết kế ban đầu, kích thước khung BTCT phải đảm bảo không bị sai lệch Vật liệu nhập vào công trình phải được kiểm tra đầy đủ các tiêu chí nguồn góc và xuất xứ của vật liệu Thi công đúng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, các bước thi công phải trình tự và liên tục, không bị gián đoạn sẽ làm ảnh hưởng đến tiến độ và chất lượng của công trình Số lượng công nhân phải đảm bảo kịp thời và đều đặn, bố trí công việc thích hợp cho mỗi công nhân từ bậc thợ tay nghề cao đến bậc thợ tay nghề thấp, đúng theo chuyên môn của họ, để họ làm việc tốt hơn

Trang 24 a) Đá Antraco An Giang b) Cát Tân Châu c) Xi măng vicem Hà Tiên d) Phụ gia Sika d) Thép Miền Nam

Hình 3.1 Cát, đá, xi măng, thép và phụ gia được dùng trong thí nghiệm

Thép tròn Miền nam sử dụng mác thép SS400 là loại thép các bon thông thường Thành phần hoá học P≤0,045%, S≤0,05% với giới hạn bền kéo là 455 MPa, giới hạn chảy là 235 MPa

CHẾ TẠO KHUNG THÍ NGHIỆM

Hình 3.2 Khung BTCT tiến hành thí nghiệm

Khung BTCT như Hình 3.2 bê tông mác 250, có hệ dầm dưới tiết diện 300x400 mm chiều dài của dầm là 4 m Có thép chủ 614 và thép đai gần gối 6a100, giữa nhịp

6a200 Dầm được gắn vào 2 cột thẳng đứng ở 2 đầu Tiết diện 2 cột là 200x250 mm dài 2,94 m từ mặt trên của dầm, khoảng cách 2 cột có chiều dài là 2,5 m Có 6 cây thép chủ 614 và thép đai gần gối cách 900 mm ta bố trí 6a100, giữa nhịp 6a180 Đầu trên của 2 cột liên kết với một dầm tiết diện 200x220 mm chiều dài dầm 3,5 m, khoảng cách giữa dầm trên và dầm dưới là 2,5 m Có thép chủ 414 và thép đai từ hai gối vào 1,15 m bố trí 6a100, giữa nhịp 6a200 Ở đầu dầm tại vị trí lắp đặt kích thủy lực bố trí 2 lưới thép 6 gia cường để làm tăng chịu lực của kết cấu khi được gia tải

Các khung BTCT được thi công và đánh số từng khung khác nhau Khung đầu tiên là khung đối chứng không cháy được đặt tên là F-0 Với các khung còn lại ta chia làm 2 khung với thời gian cháy khác nhau: gồm khung cháy 45 phút, còn lại là khung cháy với thời gian là 75 phút Các khung được đánh số theo thứ tự khác nhau Khung không cháy là: F-0; khung cháy với thời gian 45 phút là: F-45-1; khung cháy với thời gian 75 phút được đặt tên lần lược là: F-75-1

3.2.2 Qui trình chế tạo khung thí nghiệm

Bước 1: Vật liệu dùng trong thí nghiệm: cát, đá, xi măng, thép, phụ gia, được vệ sinh sàn rửa sạch sẽ để đưa vào công trình Có láng trại tập kết vật tư để vật tư bảo quản an toàn và chất lượng, tránh thời tiết nắng nóng và mưa bão Công tác điện nước phải chuẩn bị đầy đủ kịp thời trong thời gian thi công Nguồn điện phải đủ công suất khi sử dụng các thiết bị máy móc trong công trình Tránh trường hợp điện nước bị gián đoạn sẽ ảnh hưởng đến công việc Trong công tác sử dụng điện cần phải cẩn thận về việc an toàn điện, trách trường hợp điện rò rỉ, các đường dây điện không an toàn sẽ không được sử dụng Máy xây dựng và các thiết bị sử dụng trong công trình cần được kiểm tra thật kỹ về độ an toàn và bị hư hỏng trước khi sử dụng Kiểm tra tránh những tiếng động lạ trong máy phát ra, đó là tín hiệu cần quan tâm khi đó máy có thể hư hỏng và nổ bể bất cứ lúc nào Có như vậy công việc thi công của chúng ta sẽ được an toàn và tích cực hơn, các công nhân thi công cũng tự tin thì chất lượng công việc sẽ tốt hơn Thi công theo trình tự đúng theo thiết kế ban đầu và chất lượng đạt yêu cầu

Trang 27 a) Khu đất rộng xây dựng khung BTCT b) Xây dựng láng trại

Hình 3.3 Khu đất xây dựng khung BTCT tại Phường 2, TP Vĩnh Long

Khu vực chế tạo khung BTCT thí nghiệm là một khu đất trống rộng khoảng 1000 m 2 Mặt bằng rất bằng phẳng, sạch sẽ, xung quanh dân cư thưa thớt Đường vào khu đất rất rộng và thông thoáng, tiện lợi cho việc vận chuyển vật tư rất dễ dàng Vị trí tọa lạc tại Phường 2, Thành Phố Vĩnh Long như Hình 3.3 Tập kết vật tư, xây dựng láng trại, kho bãi để bảo quản vật tư và thiết bị máy móc sử dụng cho công tác chế tạo và thí nghiệm khung BTCT Chúng tôi đã xin phép để thực hiện thi công và thí nghiệm cháy các khung BTCT và được chính quyền địa phương Ủy ban nhân dân Phường 2 chấp nhận và cấp giấp phép xây dựng cho chúng tôi thi công thí nghiệm cháy và gia tải các khung BTCT, cho đến khi xong và hoàn tất hết chương trình thí nghiệm trong thời gian nhất định như Hình 3.4 Nhờ đó mà chúng tôi an tâm hơn trong việc thi công và hoàn thành chương trình thí nghiệm của mình với sự hỗ trợ của chính quyền địa phương Thi công phải an toàn sạch sẽ, không làm ảnh hưởng đến các hộ dân xung quanh Khi thí nghiệm cháy phải dùng tole bao che nơi các khung cháy, để đảm bảo an toàn xung quanh Khi thí nghiệm khung BTCT hoàn thành, công tác trả mặt bằng phải thu gom xà bần, rác thải nơi công trình thật sạch sẽ Không làm ảnh hưởng đến công năng sử dụng của khu đất sau này

Trang 29 b) Giấy phép Hình 3.4 Giấy phép xây dựng thực hiện thí nghiệm cho luận văn

- Bước 2: Chế tạo khung bê tông cốt thép

Ta tiến hành thi công cho các khung BTCT thí nghiệm Chia thành khung 03 khung BTCT thí nghiệm: khung BTCT cháy với thời gian 75 phút, khung BTCT cháy với thời gian đốt 45 phút và một khung BTCT không cháy, khung này là khung đối chứng Để so sánh các kết quả thí nghiệm với các khung bị cháy Khi gia tải với tải trọng ngang vào các khung BTCT đó thì chúng ta sẽ so sánh tải trọng ngang tác dụng và các kết quả chuyển vị giữa các khung với nhau

Vệ sinh mặt bằng thi công, lắp đặt ván khuôn cốt thép dầm 300x400 mm dài 4 m Dầm có thanh thép chủ 614, thép đai 6a200 Kiểm tra và vệ sinh ván khuôn cốt thép của dầm để đảm bảo an toàn khi đổ bê tông Sau khi kiểm tra ván khuôn cốt thép xong thì tiến hành đổ bê tông dầm Bê tông dầm được thiết kế mác 250 đúng theo liều lượng của cấp phối Trong lúc đổ bê tông cần phải đầm dùi kỹ, kết hợp với đầm tay, ván khuôn phẳng Công tác trộn bê tông và đo lường vật liệu cát, đá, xi măng, nước theo đúng cấp phối của bê tông Khi đổ bê tông xong trong khoảng thời gian 60 phút ta sẽ tiến hành xoa bề mặt bê tông để bê tông sẽ được phẳng mặt không bị răng nứt Kết hợp với việc dưỡng hộ bê tông sau khi đổ bê tông trong 45 phút, bằng cách ta tưới nước đều đều lên bê tông, khoảng thời gian 60 phút dưỡng hộ 1 lần, và tiếp tục dưỡng hộ trong 7 ngày Kiểm tra kích thước hình học của dầm sau khi tháo ván khuôn như Hình 3.5

Hình 3.5 Dầm đã tháo ván khuôn

Trang 31 Sau khi tháo ván khuôn dẩm 300x400 mm ta kiểm tra kích thước và hình học của bê tông dầm phẳng và đều, không bị lòi lõm Bảo dưỡng bê tông liên tục, khoảng 60 phút ta tưới nước lên bề mặt bê tông, để bê tông được giữ ẩm Bảo dưỡng liên tục trong 7 ngày, để bê tông đạt chất lượng yêu cầu Liên kết với dầm bê tông ta có 2 cột thẳng đứng ở 2 đầu dầm, nên có liên kết 6 thép chờ 614 từ đáy dầm, với chiều cao là 560 mm tính từ mặt dầm Sau khi đổ bê tông các thép chờ phải được vệ sinh sạch sẽ, tránh dính nước bê tông sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng của thép Để cho tiện việc thi công các công đoạn tiếp theo

Hình 3.6 Mẫu thí nghiệm bê tông hình trụ đường kính 150 mm, cao 300 mm

Thi công 2 cột gần 2 đầu dầm và liên kết với dầm phía dưới, kích thước 200x250 mm cao 2,94 m tính từ mặt trên của dầm dưới, mác bê tông 250 Thép chủ của cột 614, thép đai gần chân cột 6a100, giửa nhịp 6a180 Chống và niền chặt ván khuôn cột để đảm bảo an toàn trong khi đổ, thì ta tiến hành đổ bê tông Trong lúc đổ bê tông thì ta tiến hành lấy mẩu bê tông của cấu kiện đó như Hình 3.6 Đổ bê tông cột cần được đầm kỹ để đảm bảo cột không bị rỗ mặt bê tông Trộn bê tông bằng máy trộn với cấp phối phù hợp, máy trộn 1 bao vừa đủ cho mỗi lần trộn Khi đỗ bê tông cột ta tiến hành đổ từ từ, chiều cao đổ khoảng 2 m trở xuống, không được cao quá để tránh tình trạng bê tông bị phân tầng Cột được chỉnh thẳng đứng, đảm bảo tiết diện cột đúng kích thước và đủ lớp da bảo vệ thép và bê tông Ta đổ bê tông cột đến cao độ của đáy dầm như Hình 3.7, đảm bảo thép chờ của cột với độ dài là 650 mm, để đủ liên kết ngàm với dầm trên Sau khi đổ bê tông cột khoàng 60 phút ta tiến hành dưỡng hộ bê tông cột bằng cách tưới

Trang 32 nước xung quanh ván khuôn cột, tưới liên tục trong 7 ngày, đến ngày tháo ván khuôn cột ta vẫn tiến hành dưỡng hộ Ta thi công lần lược cho từng khung, khung không cháy F-0, khung F-45-1 cháy 45 phút, khung F-75-1 cháy 75 phút Các khung đều tiến hành thi công như nhau, đảm bảo trong điều kiện thời tiết thật tốt không mưa để tránh ảnh hưởng chất lượng của bê tông Khi thi công cột công tác làm việc trên cao cũng không thể tránh khỏi, nên phải an toàn tuyệt đối cho công nhân khi làm việc trên cao, cần phải thắt dây an toàn Bên cạnh đó cũng đảm bảo vệ sinh môi trường thật sạch sẽ, tránh ảnh hưởng đến nơi làm việc và môi trường xung quanh a) Gia công cốt thép ván khuôn cột b) Chỉnh và niền chặt cốt thép ván khuôn cột c) Gia công chỉnh sửa cốt thép cột d) Đổ bê tông cột

Hình 3.7 Thi công cột BTCT Trong lúc đổ bê tông cột ta tiến hành lấy mẫu bê tông thí nghiệm, mẫu hình trụ tròn kích thước đường kính 150 mm, cao 300 mm, mỗi tổ mẫu gồm 3 viên Các tổ mẫu sẽ được

Trang 33 ký hiệu mẫu, ghi tên mẫu, ngày tháng lấy mẫu, loại cấu kiện Các tổ mẫu được bảo dưỡng và ngâm trong nước trong 7 ngày, đem ra ngoài đến 28 ngày ta sẽ tiến hành nén thí nghiệm mẫu bê tông Cường độ mác bê tông của mẩu nén cũng được so sánh với kết cấu bê tông của chúng ta ở hiện trường Khi nén mẫu thí nghiệm cường độ mẫu nén đạt tối thiểu mác

250 thì bê tông hiện trường cũng được so sánh đạt với cường độ đó

Hình 3.8 Tháo ván khuôn cột

Cột được tháo ván khuôn như Hình 3.8, kiểm tra kích thước hình học của cột Bê tông cột liền phẳng mặt, không bị rỗ mặt bê tông, cột phải vuông đều đúng kích thước tiết diện, như vậy cột đạt chất lượng yêu cầu như Đồng thời kiểm tra phương thẳng đứng của cột, các cột luôn thẳng đứng và song song nhau, chiều cao cột đúng cao độ của đáy dầm trên, chiều cao cột đều bằng nhau Sau khi tháo ván khuôn cột ta tiếp tục tiến hành bão dưỡng bê tông cột tưới nước liên tục đến 7 ngày để chất lượng bê tông cột đạt chất lượng yêu cầu Cứ như thế bê tông cột của khung khác cũng tiến hành thi công tương tự Tất cả các cột được tiến hành thi công liên tục đến khi hoàn thành Khi thi công xong các cột ta tiếp tục tiến hành thi công hệ dầm trên Dầm trên là hệ dầm trên cao, thi công phải tỷ mỹ Các công nhân và thiết bị máy móc cần phải an toàn tuyệt đối khi làm việc trên cao như Mặt cột phải bằng phẳng, cần tạo nhám đầu cột để cho bê tông dầm và cột liên kết toàn khối với nhau thật vững chắc

Trước khi thi công dầm, ta tiến hành vệ sinh sạch sẽ các thép chờ của cột và bê tông đầu cột để đảm bảo kết cấu dầm và cột liên kết với nhau Thi công dầm trên cách dầm

Trang 34 dưới 2,72 m, tiết diện dầm 220x200 mm, dài 3,5 m Thép chủ của dầm 414, thép đai gần gối 6a100 và giửa cột 6a200, bê tông mác 250 Dầm thi công trên cao, nên cần đảm bảo tính an toàn trong việc lắp dựng ván khuôn cốt thép và an toàn trong lao động Thực hiện công tác chống và niền chặt ván khuôn, cây chống dưới đáy dầm đúng quy cách để đảm bảo vị trí giữa dầm luôn luôn vững chắc và không bị võng ở vị trí giữa dầm và thành dầm như Hình 3.9 Lắp dựng ván khuôn thẳng đều, niền chặt ván khuôn đảm bảo tiết diện dầm đúng kích thước và ít bị sai lệch Ván khuôn và cốt thép phải đều nhau, đảm bảo khoảng cách lớp da bảo vệ giữa thép và bê tông đều và đúng thiết kế ban đầu không bị sai lệch Khi kiểm tra ván khuôn và cốt thép dầm đạt yêu cầu ta tiến hành đổ bê tông dầm Trước khi đổ bê tông dầm ta trộn xi măng và nước tạo nên hồ dầu và tưới đều trên 2 đầu cột để tạo sự bám dính liên kết với bê tông dầm Công tác đổ bê tông dầm từ từ, ta thực hiện máy trộn 1 bao xi măng, vật liệu cát, đá, xi măng được chia đều theo đúng yêu cầu định mức của cấp phối mác 250 Vừa đổ bê tông thì ta vừa đầm dùi liên tục, tạo cho bê tông được liên kết đều và liên tục trên ván khuôn dầm Đổ bê tông trong khoảng 45 phút sau thì ta tiến hành xoa trên bề mặt dầm để bê tông dầm được phẳng mặt không bị nứt nẻ Khoảng 60 phút sau ta tiến hành bảo dưỡng bê tông dầm cho tưới nước lên trên mặt dầm Ta tưới nước bảo dưỡng liên tục cho đến khi tháo ván khuôn dầm và tiếp tục tưới nước bảo dưỡng đến 7 ngày Có như vậy bê tông dầm sẽ được đạt yêu cầu mác bê tông trong 28 ngày a) Gia công thép, ván khuôn, đổ bê tông dầm

Trang 35 b) Kiểm tra trước khi đổ bê tông dầm

Hình 3.9 Thi công hệ dầm trên

Ta sẽ thi công dầm đối với các khung kế tiếp theo Thi công từ từ cho từng dầm của khung từ khung 1 đến khung cuối cùng như Hình 3.9 Thi công sạch sẽ và an toàn tránh các trường hợp tiêu cực xảy ra Có 02 khung ta sẽ thí nghiệm cháy khung BTCT, còn 1 khung thì không cháy Nhưng việc thi công thì các khung đều như nhau, đều đúng theo thiết kế ban đầu

QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM

Hệ thống phụ trợ để thí nghiệm cháy được thiết kế riêng Xung quanh khung được dựng tole bao che với chiều cao 2 m như Hình 3.10a Xây tường dầy 100 mm xung quanh khung với chiều cao 0,5 m, để làm khu chứa dầu và củi như Hình 3.10b và Hình 3.10c Có như vậy lượng dầu và củi được giữ trong khu chứa không bị thất thoát ra ngoài Tole bao che xung quanh khung sẽ làm cho lửa không cháy lan sang bên ngoài và ngọn lửa cháy cũng tập trung vào các khung đã cháy

300 2000 a) Khung BTCT chuẩn bị đốt cháy

Trang 37 b) Mặt bằng chứa dầu khung BTCT

100 c) Mặt đứng chứa dầu khung BTCT chuẩn bị đốt cháy

Trang 38 d) Xây tường và dựng tole bao che xung quanh khung BTCT

Hình 3.10 Khung BTCT xây tường xung quanh dựng tole bao che chuẩn bị cháy

Công tác xây tường được tiến hành như Hình 3.10d Xây tường làm vách ngăn chứa dầu và củi, cho tiện lợi để ta tiến hành đốt cháy khung Xây tường các khung cháy và 1 khung không cháy khung này ở vị trí riêng xa các khung bị cháy nên không xây tường Tiến hành xây tường xung quanh khung đốt cháy 45 phút và khung đốt cháy với thời gian 75 phút Lắp dựng tole bao che quanh khung thí nghiệm cháy đã được xây tường, để việc đốt cháy khung được an toàn và nhiệt độ cháy cũng được ổn định trong khung đó như Hình 3.10 Lắp tole bao quanh khung thí nghiệm sẽ được an toàn và ngăn cản được các đám cháy lớn, không cháy lan rộng ra ngoài sẽ làm ảnh hưởng đến các hộ dân gần khu vực và môi trường xung quanh Nên ta cần chuẩn bị các phương án tiêu cực xảy ra khi đốt cháy như Hình 3.11 Xung quanh khu đốt phải vệ sinh sạch sẽ và trống trải, tránh người đứng gần khu cháy, sẽ không làm ảnh hưởng khi lửa cháy cao và lan rộng ra ngoài Chuẩn bị vòi nước xịt nước luôn luôn đảm bảo lượng nước đầy đủ và liên tục, bình chữa cháy CO 2 để đảm bảo an toàn khi cần thiết Trong lúc ngọn lửa cháy lớn thì tole bao che xung quang các khung cháy sẽ hấp thu nhiệt độ và nóng lên, ta tiến hành phun xịt nước vào xung quanh tole đều đặn và liên tục Lúc này tole bao che sẽ mát diệu và không bị cháy lan sang bên ngoài

Hình 3.11 Tole được lắp dựng bao che xung quanh các khung BTCT

Tiến hành thí nghiệm cháy khung BTCT, khi bê tông của khung được 28 ngày và đạt cường độ mác 250 thì ta tiến hành thực hiện thí nghiệm cháy khung BTCT Khung cháy đã được bao che bằng tole và 1 khung còn lại thì ta không thí nghiệm cháy, khung này là khung đối chứng Khung này nằm ngoài tole bao che và xa các khung cháy để đảm bảo không bị ảnh hưởng của nhiệt độ như Hình 3.11 Ta thực hiện thí nghiệm cháy trước khung BTCT với thời gian 45 phút gồm khung F-45-1 Tiếp theo ta thực hiện thí nghiệm cháy khung với thời gian 75 phút gồm khung F-75-1 Thời tiết tốt, không mưa thì việc thí nghiệm cháy sẽ diễn ra thuận lợi hơn Có như thế khi thí nghiệm cháy nhiệt độ sẽ tăng cao, nó sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến khung BTCT mà ta được thí nghiệm Giúp ta thu được các số liệu chính xác để được phân tích kết quả cần thiết

Hình 3.12 Củi và dầu được cho vào kệ chứa

Trang 40 Củi và dầu đã được cho vào khung như Hình 3.12, với số lượng: dầu 800 lít, củi 5m3 Để đủ số lượng cháy trong các khung thí nghiệm Sẽ tiến hành thí nghiệm cháy các khung với thời gian là 45 phút và thí nghiệm cháy các khung với thời gian là 75 phút Mọi việc đã chuẩn bị xong thì chúng ta tiến hành thí nghiệm cháy các khung như Hình 3.13 Trong thời gian cháy thì cứ mỗi phút ta sẽ đo nhiệt độ của lửa cháy 1 lần, đạt được nhiệt độ bao nhiêu để ta dễ dàng phân tích cường độ cháy Đối với các khung cháy trong thời gian 45 phút thì số lượng củi và dầu ta dùng là: củi 02 m3, dầu 325 lít Đối với các khung đốt với thời gian

75 phút thì lượng dầu và củi cần dùng là: củi 03 m3, dầu 475 lít Dầu và củi được đưa vào chia đều liều lượng cho các khung để tiến hành thí nghiệm cháy Ngọn lửa cháy đều và được bảo toàn thời gian khi cháy như Hình 3.13

Khâu chuẩn bị trong quá trình thí nghiệm cháy các khung BTCT là dầu phải được tiếp đều để đám cháy được duy trì đúng thời gian dự kiến Việc đốt cháy cũng được đảm bảo đến môi trường xung quanh, không làm ảnh hưởng đến việc cháy lan ra ngoài của lửa Đảm bảo an toàn trong khi cháy Ngọn lửa được cháy từ từ, từ thấp đến cao, nhiệt độ nóng tăng lên dần Nhiệt độ nóng sẽ được đo và lưu lại trong đồng hồ khi nhiệt độ tăng lên hoặc hạ xuống Các số liệu nhận được khi nhiệt độ tăng lên ta cần được so sánh và phân tích các kết quả sau này khi tiến hành thí nghiệm

Hình 3.13 Lửa bắt đầu cháy trong các khung thí nghiệm

Trong thời gian đốt cháy, ta nhận thấy khi nhiệt độ càng lên cao thì khung BTCT có hiện tượng xuất hiện tiếng nổ nhẹ của bê tông, các góc cột và góc dầm bê tông bị nứt ra và bể ra ngoài như Hình 3.14 và Hình 3.15 Vậy khi khung BTCT bị cháy sẽ ảnh hưởng và làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu Các cột và dầm đều bị cháy đen, các vết nứt bể dài tại vị trí ngay góc cột và dầm Các vết bể có chiều dài khoảng 40 cm đến 50 cm Tất cả các khung cột và dầm đều bị nứt bể Nhiệt độ tăng

Trang 41 lên càng cao thì các vết nứt bể tại các dầm và cột tăng lên càng nhiều Nó sẽ giúp cho ta có cơ sở để tìm hiểu nghiên cứu và phân tích trong thí nghiệm Những nơi tiếp xúc với lửa nhiều như chân cột thì sẽ xuất hiện các vết nứt bể nhiều hơn

Hình 3.14 Khung BTCT đã bị cháy và xuất hiện vết nứt a) Cột nứt bể sau khi bị cháy

Trang 42 a) Dầm nứt bể sau khi bị cháy

Hình 3.15 Cột, dầm nứt bể sau khi bị cháy

3.3.2 Thí nghiệm gia tải khung BTCT

 Thép I có kích thước 200x200x12 chiều dài 2,94 m được lắp thẳng đứng trên đầu dầm dưới BTCT 300x400 mm Đầu dưới lắp liên kết vào dầm BTCT bởi 4 bu lông 20, đầu trên được đặt kê vào kích thủy lực Thép I có chức năng chịu lại lực nén ngang và ổn định của kích khi gia tải vào hệ khung BTCT

 Thép V có kích thước 80x80x8 chiều dài 3,5 m, gồm 2 thanh thép V, được lắp liên kết từ đầu trên thép I xuống dầm dưới BTCT 300x400 mm Thép V chịu lại sự ổn định và lực kéo căng của thanh thép I khi kích thủy lực gia tải ngang vào hệ khung a) Kích thủy lực b) Chuyển vị kế

200 c) Sơ đồ gia tải khung BTCT

Hình 3.16 Kích thủy lực, chuyển vị kế và sơ đồ gia tải khung BTCT

Gia tải khung bê tông cốt thép bị cháy theo phương ngang bằng kích thủy lực 20 tấn, quan sát cho đến khi khung BTCT bị phá hoại Chuyển vị kế dùng để đo chuyển vị khi ta gia tải khung BTCT thì các chỉ số đồng hồ trên chuyển vị kế sẽ thay đổi như Hình 3.16 Sau khi đốt cháy xong các khung BTCT, ta tiến hành vệ sinh các khung BTCT cho sạch sẽ và thực hiện gia tải nén tải bằng kích thủy lực 20T Các khung BTCT, gia tải theo phương ngang Kích thủy lực 20 tấn đặt trên đầu dầm trên cao kích vào liên tục, tải trọng sẽ tăng lên dần và các vết nứt sẽ xuất hiện Ta kích liên tục tải trọng sẽ tăng lên đều dựa vào số đọc trên đồng hồ kích thủy lực, kích đến khi khung BTCT có nhiều vết nứt và đến khung BTCT bị phá hủy như Hình 3.17 Ta lắp đặt các chuyển vị lên khung để đo và kiểm tra các thông số tương ứng khi ta kích lực Tải trọng kích tăng lên thì hệ khung sẽ nghiêng về hướng bị kích, khung nghiêng dần, khi đó sẽ xuất hiện các vết nứt chân cột và vết nứt đầu cột liên kết với dầm

Trang 44 a) Lắp đặt kích thủy lực và các chuyển vị b) Cân chỉnh vào vị trí chuẩn bị kích Hình 3.17 Lắp đặt kích thủy lực và chuyển vị kế vào khung BTCT thí nghiệm

Ta tiến hành gia tải khung không bị cháy F-0 trước Khung F-0 là khung không bị cháy để ta đối chứng kết quả nén gia tải với khung bị cháy, so sánh các số liệu mà ta có được như Hình 3.17 Ta thực hiện kích từ từ tải trọng đồng hồ lực sẽ tăng lên đều, lên đến tải trọng cuối cùng thì các vết nứt sẽ xuất hiện như Hình 3.18 Các cột sẽ nghiêng về hướng bị kích so với phương thẳng đứng của cột Ta sẽ kiểm tra đo chuyển vị của các cột và dầm Chuyển vị sẽ thay đổi và được các số liệu quan trọng cần được phân tích Khi hành trình kích gia tải kết thúc, ta nhận thấy vết nứt xuất hiện chân cột và trên đầu cột ngay vị trí giao giữa dầm và cột như Hình 3.19 Khung F-0 là khung đối chứng không bị cháy nên khi gia tải ngang vào khung thì tải trọng lực sẽ tăng lên cao, vì khung không bị suy giảm kết cấu chịu lực do khung không bị ảnh hưởng của lửa và nhiệt độ cao, khung không bị cháy

Hình 3.18 Kiểm tra độ nghiêng của cột và đo vết nứt ở dầm trên

Hình 3.19 Các vết nứt chân cột

Khi khung F-0 kích gia tải ngang với tải trọng lên cao thì các vết nứt dầm trên xuất hiện rất lớn, ta tiến hành kiểm tra và đo lại chiều dài và rộng của từng vết nứt Khi hệ khung đã phá hủy, khung BTCT nghiêng về hướng bị nén khi ta quan sát bằng phương đứng của cột

Các chân cột đều bị nứt và phá hủy, các đoạn nứt dài, rộng Hệ dầm trên liên kết với cột các vết nứt xuất hiện ngang dầm và cột làm cho hệ dầm trên gần đầu cột bị phá hoại Khi đó hệ khung sẽ chuyển vị rất lớn, khi kích lực nén ngang tăng lên thì chuyển vị của khung cũng thay đổi theo

Hình 3.20 Vết nứt xuất hiện trên đầu cột và dầm

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Dạng phá hoại khi gia tải nén ngang khung BTCT

Hình 4.3 mô tả sự phá hoại của khung đối chứng dưới tác dụng của lực ngang Nhìn chung, khung đối chứng F-0 bị phá hoại do lực tác dụng ngang vào khung rất lớn và chuyển vị của khung cũng rất lớn so với các khung bị cháy khác Khi đó khung BTCT sẽ bị phá hủy và nghiêng nhiều Các vết nứt sẽ xuất hiện từ từ đến khi khung bị phá hủy Các vết nứt xuất hiện nhiều nhất ở chân cột và ở đầu cột liên kết với dầm Khi đó ta ghi nhận các số liệu lực ngang của khung và chuyển vị của khung Khung đối chứng do không bị cháy, nên kết cấu chịu lực không bị suy giảm như các khung bị cháy khác Do vậy lực ngang lớn nhất và chuyển vị lớn nhất sẽ lớn hơn so với các khung bị cháy khác và phá hoại của khung BTCT cũng lâu hơn a) Khung đối chứng phá hoại khi gia tải ngang b) Các vết nứt xuất hiện chân cột

Hình 4.3 Khung đối chứng bị phá hoại do gia tải lực ngang

Khung F-45-1 bị cháy với thời gian 45 phút Hình 4.4, khung này lực nén ngang lớn nhất thấp hơn khung đối chứng Khi ta gia tải ngang vào khung thì khung sẽ nghiêng dần, ta gia tải đến khi khung bị phá hoại Các vết nứt sẽ xuất hiện ở chân cột và ở đầu cột liên kết với dầm Ta tiến hành ghi nhận lực ngang và chuyển vị của hệ để ta phân tích Khung này bị cháy thời gian 45 phút nên khung bị suy giảm kết cấu chịu lực, khi gia tải lực ngang vào khung thì lực ngang lớn nhất và chuyển vị cũng thấp hơn so với khung đối chứng Đó là cơ sở để ta phân tích các kết quả thí nghiệm sau này

Hình 4.4 Khung bị cháy F-45-1 bị phá hoại do gia tải lực ngang

Khung bị cháy với thời gian 75 phút F-75-1 Hình 4.5, khung này thời gian cháy lâu nhất, nhiệt độ cháy cao hơn so với các khung khác Nên khung này sẽ suy giảm nhiều nhất đến khả năng chịu lực kết cấu của khung Tải trọng nén ngang sẽ giảm hơn so với các khung khác khi khung bị phá hủy Khi khung được gia tải lực ngang thì hệ khung BTCT sẽ nghiêng dần và các vết nứt sẽ xuất hiện Khi gia tải đến tải trọng lớn nhất thì các vết nứt chân cột và đầu cột giao với dầm sẽ xuất hiện nhiều đến khi khung bị phá hủy Khi đó ta sẽ ghi nhận lại chỉ số lực tác dụng và chuyển vị của khung để tiến hành phân tích

Như vậy trong 03 khung ta cần thí nghiệm: khung đối chứng là khung không bị cháy F-0, khung cháy thời gian 45 phút F-45-1, khung cháy thời gian 75 phút F-75-1 Thì khung F-75-1 bị cháy 75 phút, các vết nứt và bể của bê tông xuất hiện nhiều nhất ở các cột và dầm trong thời gian khung bị cháy, do nhiệt độ cháy cao Do vậy khung F-75-1 bị suy giảm kết cấu chịu lực nhiều nhất so với các khung khác Như vậy thời gian gia tải ngang nhanh hơn khi khung bị phá hủy, khi đó lực gia tải lớn nhất của khung cũng thấp hơn và các vết nứt xuất hiện nhiều hơn so với các khung khác

Hình 4.5 Khung bị cháy F-75-1 bị phá hoại khi gia tải lực ngang

Đường cong lực ngang và chuyển vị

Trong quá trình thí nghiệm, các giá trị lực dọc và chuyển vị được thu thập, sau đó biểu diễn bằng các đường cong quan hệ lực-chuyển vị cho từng khung thí nghiệm

Hình 4.6 mô tả đường cong quan hệ lực-chuyển vị của khung BTCT đối chứng F-0 Quan sát trong suốt thí nghiệm lực tác dụng nén ngang lớn nhất của khung F-0 đạt 55 kN Trong giai đoạn đầu, lực tăng thì chuyển vị tăng và quan hệ lực ngang và chuyển vị là tuyến tính Khi vết nứt phát triển, được cong chuyển thành đường gần như nằm ngang Ở giai đoạn này, lực hầu như không tăng nhưng chuyển vị cứ tiếp tục tăng Cũng trong giai đoạn này, các vết nứt càng phát triển Qua đường cong quan hệ lực và chuyển vị, ta xác định được độ cứng ban đầu của khung là 1,5 kN/mm

Hình 4.6 Đường cong lực – chuyển vị của khung đối chứng F-0

Hình 4.7 mô tả đường cong quan hệ lực - chuyển vị của hệ khung BTCT bị đốt cháy F-45-1 Trong thời gian thí nghiệm ta nhận thấy lực tác dụng gia tải ngang lớn nhất của khung F-45-1 đạt 42 kN Khi lực đạt giá trí lớn nhất thì giá trị lực về sau không thay đổi nhiều mà giữ ở mức trung bình khi đó chuyển vị vẫn tăng lên Khi chuyển vị tăng lên đến mức 90 mm thì lực bắt đầu giảm hẳn Sau khi khung phá hoại, đường cong quan hệ lực và chuyển vị hầu như nằm ngang Độ cứng ban đầu của khung xác định được từ đường cong lực – chuyển vị là 1,1 kN/mm

Hình 4.7 Đường cong lực – chuyển vị của khung đối chứng F-45-1

Hình 4.8 mô tả đường cong quan hệ lực - chuyển vị của hệ khung BTCT bị cháy trong thời gian 75 phút F-75-1 Lực tác dụng ngang lớn nhất của khung F-75-1 đạt gần 43 kN Sau khi khung phá hoại, tải trọng không tăng nhưng biến dạng tăng Kết quả là đường cong lực – chuyển vị hầu như đi ngang Tương tự, từ đường cong lực – chuyển vị, độ cứng ban đầu của khung được xác định xấp xỉ 1,1 kN/mm, bằng với động cứng của khung BTCT bị cháy 45 phút

Hình 4.8 Đường cong lực – chuyển vị của khung đối chứng F-75-1

4.3.4 So sánh và nhận xét chung về đường cong lực-chuyển vị của các khung

Hình 4.9 biểu diễn đường cong – lực chuyển vị của các khung bị cháy 45 phút và khung bị cháy 75 phút so với khung không bị cháy Khả năng chịu tải ngang của khung bị cháy bị suy giảm rõ rệt và rất đáng kể Mức độ suy giảm khả năng chịu tải ngang không những phụ thuộc vào thời gian cháy mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ khi cháy

Hình 4.9 So sánh đường cong lực - chuyển vị của các khung bị cháy so với khung không bị cháy

Bằng cách so sánh các đường cong lực-chuyển vị của các nhóm khung bị cháy 45 phút và 75 phút với khung đối chứng Thấy được rằng, đường cong của các khung bị cháy khác biệt hoàn toàn với đường cong của khung đối chứng Đường cong của khung bị cháy

45 phút sau khi đạt được giá trị lực lớn nhất thì tải trọng lực sẽ tăng lên không nhiều tăng từ từ, khi đó chuyển vị sẽ tăng lên liên tục và lúc tải trọng lực giảm xuống đột ngột thì chuyển vị vẫn tăng lên nhưng tăng giá trị thấp hơn lúc lực đạt giá trị lớn nhất Sự phá hoại của lửa đối với khung bị cháy 45 phút bị suy giảm rõ ràng khả năng chịu lực Đường cong của khung bị cháy 75 phút khác biệt so với các khung khác, tăng giảm đều nhưng không đột ngột, xét về khả năng chịu lực và độ cứng của khung bị suy giảm một cách rõ rệt Trong thời gian cháy 75 phút do thời gian cháy dài, nhiệt độ lên cao nên các vết nứt bể của khung rất nhiều làm tăng thêm khả năng suy giảm tính chịu lực kết cấu của khung và độ

Trang 59 cứng của bê tông cũng giảm Tải trọng lớn nhất của khung nhỏ hơn các khung khác khi khung bị phá hoại, nhưng chuyển vị của khung thì lớn hơn so với các khung khác

Khả năng chịu tải ngang của các khung bị cháy chỉ bằng khoảng 77% so với khung không bị cháy Độ cứng của khung bị cháy chỉ còn khoảng 71% độ cứng của khung không bị cháy Nhìn chung, độ cứng và khả năng chịu lực của khung BTCT càng suy giảm rất đáng kể.