TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn này nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu lực và ứng xử của của cột bê tông cốt thép bị cháy.. Nghiên cứu trình bày nhiều khía cạnh khác nhau của cột BTC
TỔNG QUAN
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 cháy tháp Grenfell 24 tầng ở Anh vào năm 2017 đã làm 80 người thiệt mạng, hàng chục người bị thương và thiêu rụi gần như toàn bộ cơ sở vật chất của tòa nhà (Hình 2.1a) [1] Cũng trong năm 2017, vụ hỏa hoạn ở tòa nhà Bronx ở New York, đám cháy làm ít nhất 12 người chết, 14 người bị thương (Hình 2.1b) [1] a) Tháp Grenfell b) Tòa nhà Bronx
Hình 2.1 Hình ảnh các vụ cháy lớn trên thế giới
Tại Việt Nam, vào tháng 3 năm 2018, một vụ hỏa hoạn bùng phát tại chung cƣ Carina Plaza, quận 8, thành phố Hồ Chí Minh làm 13 người chết, hơn 90 người nhập viện, 17 ô tô và hơn 340 xe máy bị thiêu rụi (Hình 2.2) [2]
Hình 2.2 Hình ảnh vụ cháy Carina Plaza Hỏa hoạn có ảnh hưởng với các mức độ khác nhau đến khả năng chịu lực của kết cấu Khi hỏa hoạn xảy ra, cột là một cấu kiện chịu lực chính nhƣng lại bị tác động trực tiếp của lửa Điều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của kết cấu Các công trình đứng trước hai sự lựa chọn: 1) phá dỡ và xây mới lại công trình; 2) gia cường kết cấu để đáp ứng khả năng chịu lực theo các tiêu chuẩn hiện hành Giải pháp thứ hai ngày càng đƣợc quan tâm và lựa chọn vì đáp ứng đƣợc điều kiện về mặt kinh tế Vì vậy, việc đánh giá tác động của lửa đối với khả năng chịu lực của cột trở nên rất cần thiết.
Tổng quan các nghiên cứu ngoài nước về ứng xử của cột BTCT bị cháy
Trên thế giới, các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu BTCT bị cháy đã đƣợc công bố từ những năm đầu thế kỉ 21 Năm 2000, Khoury [3] đã thực hiện một bài báo cáo tổng quát về sự tác động của lửa lên vật liệu bê tông lẫn kết cấu bê tông Trong quá trình gia nhiệt, hỗn hợp vật liệu trong bê tông xảy ra các biến đổi hóa lý phức tạp, từ đó dẫn đến sự suy giảm tính chất cơ học của bê tông Nhìn chung, tất cả bê tông gốc xi măng portland đều mất khả năng chịu tải khi ở nhiệt độ từ 550 – 600 0 C Khi nhiệt độ dưới 500 0 C, sự suy giảm tính chất cơ học này có thể được cải thiện nhờ việc sử dụng các loại cốt liệu ít bị giãn nỡ dưới tác dụng của nhiệt độ cao và xi măng với một tỷ lệ CaO/SiO thích hợp Ngoài ra, hiện tượng bê tông phát nổ dưới tác dụng của nhiệt độ cao đƣợc giảm một cách đáng kể đối với các loại bê tông chống thấm Các loại bê tông có tính chống thấm kém, hiện tƣợng trên có thể đƣợc hạn chế nhờ thêm sợi 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 Bisby [4] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ứng xử của cột bê tông cốt thép 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 không gia cường sử dụng cốt thép dọc là 620 Hai cột tròn có đường kính 406 mm được gia cường thêm FRP và vật liệu cách nhiệt, cốt thép dọc là 820 Một cột vuông với tiết diện là 406406 mm không gia cường, cốt thép dọc 820 Một cột vuông với kích thước 406406 mm có gia cường FRP và vật liệu cách nhiệt, cốt thép dọc là 425 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 đƣợc nhiệt độ cao hơn 4 giờ
Năm 2007, Wu và cộng sự [5] 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 (NSC) và 480 cột còn lại sử dụng bê tông cường độ cao (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 [6]
Nhiệt độ tác dụng lên cột được thiết lập bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM)
Các cột đƣợc mô phỏng cháy với nhiệt độ tăng dần từ 0 đến 1400 0 C Mô hình phân tích chỉ ra rằng, ảnh hưởng của kích thước mặt cắt ngang đến khả năng kháng cháy của các cột bê tông là đáng kể Sự gia tăng kích thước mặt cắt ngang làm tăng khả năng kháng cháy của cả hai cột NSC và HSC Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy, khả năng kháng cháy của cột HSC nhỏ hơn nhiều so với cột NSC do sự nổ bề mặt làm tiết diện của cột HSC giảm khi nhiệt độ tăng Tỷ lệ kháng cháy của cột NSC so với cột HSC tăng theo tỷ lệ tải trọng dọc trục Tuy nhiên, khi tiết diện mặt cắt ngang của cột tăng thì tỷ lệ kháng cháy này chỉ giảm hoặc hầu nhƣ không thay đổi Ngoài ra, sự gia tăng tỷ lệ tải trọng dọc trục làm khả năng kháng cháy của các cột HSC giảm nhanh lúc đầu và sau đó giảm dần ổn định Sự gia tăng tỷ lệ này cũng làm giảm đáng kể khả năng chống cháy của các cột NSC
Cũng trong năm 2007, Jau và Huang [7] đã nghiên cứu về ứng xử của các cột biên trong khung kết cấu sau khi bị cháy Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên 6 mẫu cột BTCT 300450 mm, trong đó 3 mẫu sử dụng thép dọc 425, 3 mẫu sử dụng 432 và độ dày lớp bê tông bảo vệ là 50, 60 và 70 mm Thời gian các mẫu tiếp xúc với lửa thời gian từ 2 đến 4 giờ Kết quả thu được, cấu tạo cốt thép trong cột có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của cột sau cháy Theo đó, khả năng chịu tải các cột sử dụng cốt thép 25 kém hơn các cột sử dụng 32 Hơn nữa, vết nứt trong cột hình thành khi bị cháy phụ thuộc vào tỉ lệ thép và độ dày lớp bê tông bảo vệ Ngoài ra, nhiệt độ trong cột vẫn tăng dù cột không còn chịu tác dụng của lửa nữa
Cùng năm 2007, Chen và cộng sự [8] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của cột khi tiếp xúc với lửa Nghiên cứu thực nghiệm trên chín cột BTCT 3004503000 mm với hai tỷ lệ cốt thép dọc là 1.4% và 2.3% Các mẫu đƣợc thí nghiệm cháy với thời gian là 2 và 4 giờ Sau một tháng thí nghiệm cháy, tác giả tiến hành thí nghiệm nén các cột Kết quả cho thấy khả năng chịu tải của cột giảm sau khi tiếp xúc với lửa Mức giảm trung bình về tải trong giới hạn là 27% đối với cột chịu cháy trong 2 giờ và 38% đối với các cột chịu cháy trong 4 giờ Hơn nữa, tỉ lệ thép dọc càng lớn thì độ giãn nở nhiệt càng cao Ngoài ra, sự giãn nở nhiệt của thép theo chiều dọc làm tăng khả năng kháng cháy và chịu lực cho cột
Vài năm sau, Rodrigues và cộng sự [9] đã thực hiện nghiên cứu để phân tích ứng xử ảnh hưởng của lửa lên cột bê tông cốt sợi Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu thử với tiết diện nhƣ nhau 2502503000 mm Trong đó, tác giả thay đổi tỉ lệ thép dọc và tỷ lệ cốt sợi sao cho tổng tỉ lệ thép và sợi thép trong các mẫu cột là nhƣ nhau Tác giả tập trung nghiên cứu khả năng thay thế các thanh cốt thép bằng các sợi thép Ngoài ra, các sợi polypropylene cũng đƣợc sử dụng trong hỗn hợp bê tông 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 ƣu Bởi vì, khi thay thế các thanh thép bằng các sợi thép đến một tỷ 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
Vài năm sau, Heo và cộng sự [10] nghiên cứu việc ứng dụng tấm sợi composite cường độ cao để tăng khả năng chịu lực của cột bị cháy Tác giả nghiên cứu trên 12 mẫu thử với tiết diện 300300600 mm chịu tác dụng của lửa Các mẫu cột đƣợc chia làm 3 nhóm:
Nhóm 1: Cột không sử dụng chất chống cháy
Nhóm 2: Cột quét một lớp màng chống cháy
Nhóm 3: Cột sử dụng lưới sợi tấm sợi composite cường độ cao
Tác giả tiến hành thí nghiệm cháy các mẫu cột trong lò, với nhiệt độ tăng dần đến 600 0 C Sau đó, các mẫu cột đƣợc nén và phân tích kết quả Khi nhiệt độ tăng cao, các sợi polypropylene giúp bê tông chống lại sự giãn nở nhiệt, làm tăng khả năng chịu lực cho cột gần 30% so với cột không sử dụng sợi polypropylene Hơn nữa, khi gia cường thêm tấm sợi composite, các vết nứt ít xuất hiện hơn khi chịu tác dụng của lửa so với các cột không gia cường
Năm 2011, Nassar [11] đã nghiên cứu cách cải thiện khả năng kháng cháy cho cột BTCT Tác giả tiến hành thí nghiệm trên 123 mẫu cột có kích thước 100100300 mm, sử dụng cốt thép chủ 410 dài 250mm và 3 thanh thép đai 6 Các mẫu cột đƣợc chia thành 4 nhóm:
Nhóm 1: là hỗn hợp của bê tông với sợi Polypropylene Fibers (PP) ((0 kg / m³,
Nhóm 2: các mẫu cột với độ dày lớp bê tông bào vệ là 20 và 30 mm
Nhóm 3: Các mẫu đƣợc đốt với thời gian khác nhau là 0, 2, 4 và 6 giờ
Nhóm 4: các mẫu đƣợc đốt với nhiệt độ khác nhau lần lƣợt là 0, 400, 600 và 800
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 kính 10 và chiều dài 500 mm Trong nhóm đầu tiên, các mẫu cột BTCT có kích thước 100100600 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 đƣợc thí nghiệm cháy ở nhiệt độ cao 800 0 C trong 6 giờ Sau khi thí nghiệm cháy, tác giả tách phần cốt thép từ các mẫu để tiến hành thí nghiệm kéo
Kết quả cho thấy sự gia tăng độ dày lớp bê tông bảo vệ cho các thanh cốt thép có tác động tích cực đến cường độ chịu kéo Trong đó sự giảm cường độ chịu kéo của mẫu với lớp bê tông bảo vệ 30 mm là 32%, nhƣng đối với các mẫu có lớp bê tông bảo vệ 20 mm là 48 % và đối với các mẫu đƣợc tiếp xúc trực tiếp với lửa là 60% Vì vậy, cường độ chịu kéo của cốt thép với lớp bê tông bảo vệ
30 mm cao hơn 16% so với cột có lớp bê tông bảo vệ 20 mm và cao hơn 28% so với không có lớp bê tông bảo vệ
Năm 2011, Lazarevska [12] sử dụng mô hình tiên lƣợng mạng thần kinh (neural network prognostic modelling) cho việc xác định khả năng kháng cháy của cột Tác giả tiến hành mô phỏng trên 20 cột BTCT tiết diện vuông tăng dần từ 200200 đến 500500 mm Kích thước theo mỗi phương của mẫu thử sau lớn hơn mẫu trước 100 mm, chiều cao cột là 3000 mm và độ dày lớp bê tông bảo vệ tăng từ 20 đến 40mm Tỉ lệ cốt thép dọc cũng tăng dần từ 0.6 đến 1.5% Theo đó, tỷ lệ cốt dọc cũng nhƣ độ dày lớp bê tông bảo vệ càng tăng thì khả năng kháng cháy của cột càng tăng Hơn nữa, việc sử dụng mô hình này để xác định khả năng kháng cháy hiệu quả về mặt kinh tế rất nhiều so với thực nghiệm
Năm 2011, Yaqub và Bailey [13] 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 đƣợc 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 bởi 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 nhƣ ban đầu Đối với tất cả các cột bị hƣ hỏng do nhiệt, việc sử dụng FRP không khôi phục lại độ cứng nhƣ ban đầu Chi tiết kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày sau đây Sau khi gia nhiệt đến 500 0 C cường độ của các cột tiết diện vuông và tròn giảm lần lượt là 44%, 42% Cường độ và độ dẻo của cả hai cột tiết diện vuông và tròn sau khi gia nhiệt tăng lên đáng kể bằng cách gia cường một lớp GFRP hoặc CFRP
Tổng quan 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 2012, Chu [30] 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 đƣợc 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 đƣợc 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 lấp 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) đƣợc thí nghiệm xác định khả năng chịu cháy Nhiệt độ tại một số điểm trong tiết diện đƣợc ghi lại dạng biểu đồ thời gian cháy- nhiệt độ Chuyển vị đứng tại đỉnh cột và chuyển vị ngang tại giữa cột cũng đƣợc 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 đƣợc thí nghiệm hai lần, mỗi lần một giá trị tải trọng Tất cả các cột đều đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc sơn bởi lớp sơn chống cháy intumescent paint thì lớp sơn này phồng lên, tăng chiều dày khi nhiệt độ bắt đầu khoảng 200 0 C đến 300 0 C Quan sát 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 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 đƣợc 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 Nhƣng 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 với 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 tƣợng 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 0 C, cường độ và độ cứng trong thép đã giảm gần hết, hầu nhƣ toàn bộ lực truyền sang lõi bê tông bên trong Nhƣ vậy, sự mất ổn định cục bộ của lõi thép ngoài hầu như không ảnh hưởng đến khả năng chịu cháy của cột
Năm 2017, Nguyễn [31] giới thiệu một phương pháp nghiên cứu thông qua sự suy giảm về tính chất cơ học của bê tông và cốt thép, sự truyền nhiệt và phân bố nhiệt trên tiết diện ngang cũng nhƣ ứng xử của cột, từ đó áp dụng cho việc khảo sát ảnh hưởng của sự bố trí cốt thép dọc tới khả năng chịu lực của cột tại nhiệt độ cao
Xét ảnh hưởng của lớp bê tông bảo vệ tới khả năng chịu lực: thí nghiệm được thực hiện trên 4 cột BTCT tiết diện 300300 mm, thép dọc là 425 Bề dày lớp bê tông bảo vệ tăng dần từ 35, 40, 45 và 50 mm Tất cả các mẫu đƣợc thí nghiệm cháy từ 0 đến 120 phút Tại thời điểm t0 phút, khả năng chịu lực của 4 cột đều giảm Tại các thời điểm t= 60 phút và t= 90 phút, cột có lớp bê tông bảo vệ là 50mm có khả năng chịu lực lớn nhất
Xét ảnh hưởng của số lượng cốt thép dọc: thí nghiệm cháy 1 cột tiết diện 300300 mm, cốt thép dọc 620mm, lớp bê tông bảo vệ 35 mm và so sánh với kết quả thu đƣợc từ thí nghiệm trên Tác giả nhận xét rằng tại thời điểm t= 90 phút cột bố trí 425 có khả năng chịu lực lớn hơn cột bố trí 620
Xét ảnh hưởng vị trí cốt thép dọc: thí nghiệm 2 cột BTCT có cùng tiết diện 400x400mm, bố trí cốt thép dọc lần lƣợt là 6 22 + 416 và 622 + 222 Thí nghiệm cháy cho thấy 622 + 416 có khả năng chịu lực cao hơn cột còn lại
Cũng trong năm này, Nguyễn [32] đã tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu khả năng kháng cháy của cột trong kết cấu khung bê tông cốt thép Nghiên cứu thực nghiệm trên các mẫu cột BTCT có kích thước tiết diện 300300 mm, dài 3300 mm
Trong đó 3 mẫu ở nhiệt độ thường, 12 mẫu chịu tác dụng của lửa Tác giả đã khảo sát khả năng kháng cháy của cột BTCT khi bị cản nhiệt dọc trục, đồng thời chịu lực dọc cùng với uốn theo một phương và mô men uốn theo 2 phương Kết quả thí nghiệm cho thấy:
Giả thiết tiết diện phẳng được kiểm nghiệm là tương đối tin cậy trên cột lệch tâm xiên, tiêu chuẩn EC2-1-1 có thể dự báo khả năng chịu lực tới hạn của cột lệch tâm xiên ở nhiệt độ thường
Chuyển vị ngang giữa cột khi bị nung nóng tỷ lệ với độ lệch tâm và độ lớn của lực tác dụng trước khi gia nhiệt
Sự phát triển của lực dọc tương đối phát sinh do cản giãn nở nhiệt dọc trục tỷ lệ với độ lệch tâm, tỷ lệ độ cứng dọc trục giữa hệ cản - cột và cường độ bê tông
Lực dọc tương đối do cản nhiệt dọc trục trong cột lệch tâm xiên lớn hơn trong cột lệch tâm phẳng
Hiện tƣợng nứt vỡ của bê tông xuất hiện nhiều hơn trong cột lệch tâm xiên so với cột lệch tâm phẳng
Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu gia nhiệt đến lúc bị phá hoại theo cơ chế mất ổn định hoặc cơ chế kết hợp của các mẫu cột thí nghiệm là tỷ lệ nghịch với độ lệch tâm
Năm 2017, Hoàng [33] đã tiến hành một nghiên cứu về dầm bê tông cốt thép chịu lửa – lựa chọn phần tử cho mô hình nhiệt học trong ANSYS Tác giả tiến hành cả nghiên cứu thực nghiệm và phân tích trên mô hình 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 bê tông cốt thép toàn khối với cấu kiện dầm có chiều dài phần lộ lửa là 2900 mm và kích thước tiết diện 200350 mm còn cấu kiện cột có tiết diện 200250 mm và chiều dài lộ lửa là 2900 mm Tác động của nhiệt đƣợc 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 đƣợc 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 thử nghiệm Truyền trực tiếp vào nút: coi đường nhiệt độ - thời gian thực tế là sự thay đổi nhiệt độ của chính các điểm trên bề mặt ngoài của của cấu kiện và tiếp xúc với môi trường lò thử nghiệm Khi phân tích bằng ANSYS, các giá trị nhiệt độ này đƣợc 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 đƣợc thực hiện theo cách có thay đổi các tính chất vật liệu theo nhiệt 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 phần 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 đƣợc biên soạn dựa trên những tiêu chuẩn này đòi hỏi phải thực hiện bằng các đầu đo nhiệt độ dạng tấm, do vậy về hình thức đó là kiểm soát nhiệt độ của khối không khí trong lò, song về thực chất đó chính là mức nhiệt độ mà khối khí nóng trong lò đã tác động lên bề mặt của các mẫu thử vì đầu đo nhiệt dạng tấm đã cho phép tính đến thành phần nhiệt tác động theo cả phương thức đối lưu và bức xạ Điều này cho thấy việc áp dụng tác động của nhiệt lên mô hình thông qua phần tử hiệu ứng bề mặt sẽ không phù hợp do chƣa bao gồm đƣợc thành phần nhiệt 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 3 mm Với diện tích nhỏ nhƣ vậy thì nhiệt độ mà nó cảm nhận đƣợc 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 đƣợc.
Tổng kết
Mặc dù, nhiều nghiên cứu thực nghiệm trong và ngoài nước đã được 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 [7, 8, 11, 16, 31] chủ yếu xoay quanh sự ảnh hưởng của cốt thép trong cột đến khả năng chịu tải của cột sau cháy Nghiên cứu [9, 10] thì đi sâu nghiên cứu cách cải thiện khả năng kháng cháy của cột bằng cách sử dụng tấm sợi composite Nghiên cứu [17, 18] 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 [4, 13, 24, 29] thì đi theo một 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 [26] 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 [27] thì xoay quanh phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng chịu tải của cột Nghiên cứu [32] tác giả lại đi sâu phân tích sự ảnh hưởng của lực dọc tương đối phát sinh do cản giãn nở nhiệt đến khả năng kháng cháy của cột Nghiên cứu [28] đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chế tạo cột đến khả năng chịu tải của cột sau cháy Còn nghiên cứu [30] phân tích cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện cháy
Trong các nghiên cứu trên, ảnh hưởng của lửa đến bê tông và sự phá hoại của cột BTCT vẫn chƣa đƣợc phân tích một cách cụ thể Hơn nữa, thí nghiệm cháy rất tốn kém nên số mẫu thử trong các thí nghiệm là hạn chế, các kết quả thu đƣợc chƣa phản ánh hết ứng xử của cột BTCT bị cháy Việc phân tích độ cứng của cột BTCT sau cháy cũng là một vấn đề cần được nghiên cứu Ngoài ra, đường cong quan hệ giữa lực và chuyển vị cũng là một vấn đề cần đƣợc phân tích Vì vậy để giải quyết các vấn đề trên, tác giả trình bày nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cột BTCT bị cháy Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 30 mẫu cột BTCT có kích thước 150150300 mm
Các mẫu cột đƣợc chia làm 5 nhóm, mỗi nhóm có 6 mẫu cột với thời gian đốt của mỗi nhóm lần lƣợt là 0, 30, 45, 60 và 75 phút
Bê tông với chi tiết cấp phối nhƣ Bảng 3.1 đƣợc sử dụng để chế tạo mẫu
Bảng 3.1 Cấp phối bê tông dùng trong thí nghiệm
Thành phần Mô tả Khối lƣợng /m 3
Xi măng HOLCIM PC40 402 kg Đá 1x2 D max = 25 mm 0.828 m3
Nước Nước sinh hoạt 197.925 lít Để xác định mác bê tông thực tế, tại hiện trường tiến hành lấy 3 mẫu bê tông hình trụ tròn đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm Mẫu nén hình trụ được lấy trực tiếp tại hiện trường trước khi đổ bê tông cấu kiện, để đảm bảo sự đồng nhất về vị trí, cách thức lấy mẫu, điều kiện bảo dƣỡng Hình 3.1 là hình ảnh mẫu 28 ngày tuổi sau khi đƣợc tháo khỏi ván khuôn
Hình 3.1 Mẫu bê tông hình trụ 28 ngày tuổi
Giá trị trung bình của ứng suất nén tại thời điểm phá hủy (do nén mẫu) của cả 3 mẫu trong tổ mẫu, đƣợc lấy để xác định mác của bê tông Quy trình thí nghiệm tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 4453:1995 Cường độ chịu nén trung bình lúc 28 ngày tuổi là 25.6 Mpa
Cốt thép sử dụng trong thí nghiệm là thép Việt Nhật CB400 – V Trong đó, cốt thép dọc sử dụng 12 và cốt thép đai 6 Tại hiện trường, ta tiến hành lấy 312 dài 600 mm và 36 dài 600 mm để tiến hành thí nghiệm kéo Sau khi mẫu thép đƣợc lắp đặt vào máy kéo thì tiến hành tăng lực dần dần và theo dõi trên đồng hồ để đọc giá trị lực chảy Pc (kN) Sau khoảng 10-30s tiếp tục tăng lực cho đến khi mẫu đứt, lực ứng với mẫu đứt chính là lực bền Pb (kN) Sau khi thí nghiệm, cốt thép dọc 12 có giới hạn chảy là 401.05 MPa và giới hạn bền là 597.01 MPa Cốt đai là 6 có giới hạn chảy là 361.83 MPa và giới hạn bền là 487.16 MPa
Công tác chế tạo đƣợc thực hiện trên 30 mẫu cột tiết diện 150150300 mm
Kích thước mẫu được lựa chọn dựa trên cơ sở tương tự với kích thước của mẫu bê tông hình trụ 150300 mm trong thí nén theo tiêu chuẩn Ngoài ra, chiều cao của mẫu thử được chọn là 300 mm để phù hợp với các thiết bị nén hiện có tại Trường Đại Học Bách
Khoa Tp HCM Các mẫu này đƣợc chia thành 5 nhóm, mỗi nhóm gồm 6 mẫu Cấu tạo mẫu được trình bày trên Hình 3.2 Trong đó, cốt thép chủ là 412, cốt thép đai 6 bước 75mm Bước cốt đai được chọn dựa vào tiêu chuẩn TCVN 5574:2012
Hình 3.2 Chi tiết cấu tạo mẫu thí nghiệm
Hiện nay, khi hỏa hoạn bùng phát tại các công trình thì trong khoảng 15 đến 30 phút sau đó, lực lượng cứu hỏa đã có mặt ở hiện trường để khống chế đám cháy Hơn nữa, các đám cháy thường được dập tắt trong vòng khoảng 40 đến 60 phút sau đó Vì vậy, thời gian thí nghiệm cháy cũng dựa vào cơ sở nêu trên Các nhóm mẫu đƣợc thí nghiệm cháy với các thời gian 0, 30, 45, 60 và 75 phút Trong đó, nhóm mẫu thí nghiệm cháy 0 phút là nhóm mẫu đối chứng Bảng 3.2 thể hiện chi tiết nhóm mẫu thí nghiệm Tên mẫu đƣợc đặt theo quy cách S-T-n, trong đó, S là mẫu (specimen), T là thời gian đốt (time) và n=1-6 là số thứ tự mẫu trong nhóm (number) Các mẫu thí nghiệm đƣợc trình bày nhƣ Hình 3.3
Bảng 3.2 Chi tiết nhóm mẫu thí nghiệm
STT Tên mẫu Nhóm mẫu Thời gian đốt (phút)
Hình 3.3 Hình ảnh 30 mẫu thí nghiệm
3.2.2 Quy trình thi công mẫu
Cốp pha cột và cốt thép cột được gia công tại hiện trường theo đúng kích thước bản vẽ thiết kế, chi tiết xem Hình 3.4 Cốp pha cột đảm bảo độ thẳng đứng, ván gỗ thẳng không cong vênh
Hình 3.4 Cốp pha cột và cốt thép cột
Cốp pha, cốt thép cột đƣợc tập kết tới bãi đổ bê tông Cốp pha cột đƣợc đặt trên mặt phẳng để đảm bảo độ thẳng đứng của cột Sau đó, tiến hành cho cốt thép cột vào trong cốp pha cột, cân chỉnh vị trí cốt thép cột trong cốp pha để tạo lớp bê tông bảo vệ đảm bảo đúng thiết kế mẫu thí nghiệm, chi tiết xem Hình 3.5
Hình 3.5 Cân chỉnh vị trí cốt thép trong cốp pha cột
Bê tông được trộn thủ công tại hiện trường theo đúng cấp phối quy định tại Bảng 3.1 Mỗi mẻ trộn lấy trực tiếp 3 mẫu bê tông hình trụ 150300 mm và bảo dƣỡng đủ 28 ngày để nén kiểm tra lại cường độ Trước khi đổ bê tông, cốp pha được tưới nước làm mát để tránh làm mất nước bê tông
Bê tông cột đƣợc đổ thành từng lớp Bê tông lớp đầu tiên đƣợc đổ với chiều dày khoảng 50 mm và tiến hành cân chỉnh lại vị trí của cốt thép cột trong cốp pha Sau đó đổ từ từ bê tông tiếp vào và tiến hành đầm bê tông để tránh hiện tƣợng phân tầng cũng nhƣ rổ bê tông Cuối cùng, tiến hành làm mặt tạo mặt phẳng đầu cột Hình 3.6 là hình ảnh học viên thực hiện đổ bê tông cột
Hình 3.6 Hình ảnh học viên tiến hành đổ bê tông cột
Sau khi đổ bê tông cột, các mẫu cột đƣợc bao phủ bằng bao bố để tránh ánh nắng chiếu trực tiếp vào bê tông gây hiện tƣợng rổ mặt hay nứt bê tông Bê tông đƣợc bảo dưỡng hàng ngày bằng cách tưới nước làm mát, xem Hình 3.7
Hình 3.7 Bảo dưỡng bê tông cột
Sau thời gian bảo dƣỡng 22 ngày, ta tiến hành tháo dỡ cốp pha Khi tháo cốp pha tránh làm hƣ hỏng bề mặt cột Các mẫu cột sau khi tháo cốp pha đƣợc tập kết về phòng thí nghiệm để chuẩn bị thực hiện các công tác tiếp theo
Tất cả các mẫu cột đƣợc cho tiếp xúc với lửa trong lò thí nghiệm cháy với thiết kế đặc biệt Lò có kích thước 3000934757 mm và dung tích chứa là 2200410400 mm Vỏ ngoài của lò đƣợc chế tạo bằng thép không gỉ Phía trong lớp vỏ thép là hai lớp bông ceramic cách nhiệt có tác dụng giảm thiểu sự truyền nhiệt trực tiếp lên vỏ thép, đảm bảo an toàn khi sử dụng Tiếp theo, phía trong cùng của lò đƣợc xây bằng gạch chịu nhiệt lên đến 1650 0 C Vỏ của nắp lò cũng đƣợc sản xuất bằng thép không gỉ, phía trong là một lớp bông ceramic cách nhiệt dày và mặt dưới nắp được gắn một tấm lưới thép Mặt tiếp xúc giữa nắp lò và mặt lò được phủ bởi một lớp bông ceramic nhằm hạn chế sự thất thoát nhiệt ra ngoài Sáu bánh xe được gắn phía dưới lò giúp người sử dụng có thể di chuyển lò một cách dễ dàng Chi tiết cấu tạo lò thí nghiệm cháy xem Hình 3.8
CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
Vật liệu
Bê tông với chi tiết cấp phối nhƣ Bảng 3.1 đƣợc sử dụng để chế tạo mẫu
Bảng 3.1 Cấp phối bê tông dùng trong thí nghiệm
Thành phần Mô tả Khối lƣợng /m 3
Xi măng HOLCIM PC40 402 kg Đá 1x2 D max = 25 mm 0.828 m3
Nước Nước sinh hoạt 197.925 lít Để xác định mác bê tông thực tế, tại hiện trường tiến hành lấy 3 mẫu bê tông hình trụ tròn đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm Mẫu nén hình trụ được lấy trực tiếp tại hiện trường trước khi đổ bê tông cấu kiện, để đảm bảo sự đồng nhất về vị trí, cách thức lấy mẫu, điều kiện bảo dƣỡng Hình 3.1 là hình ảnh mẫu 28 ngày tuổi sau khi đƣợc tháo khỏi ván khuôn
Hình 3.1 Mẫu bê tông hình trụ 28 ngày tuổi
Giá trị trung bình của ứng suất nén tại thời điểm phá hủy (do nén mẫu) của cả 3 mẫu trong tổ mẫu, đƣợc lấy để xác định mác của bê tông Quy trình thí nghiệm tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 4453:1995 Cường độ chịu nén trung bình lúc 28 ngày tuổi là 25.6 Mpa
Cốt thép sử dụng trong thí nghiệm là thép Việt Nhật CB400 – V Trong đó, cốt thép dọc sử dụng 12 và cốt thép đai 6 Tại hiện trường, ta tiến hành lấy 312 dài 600 mm và 36 dài 600 mm để tiến hành thí nghiệm kéo Sau khi mẫu thép đƣợc lắp đặt vào máy kéo thì tiến hành tăng lực dần dần và theo dõi trên đồng hồ để đọc giá trị lực chảy Pc (kN) Sau khoảng 10-30s tiếp tục tăng lực cho đến khi mẫu đứt, lực ứng với mẫu đứt chính là lực bền Pb (kN) Sau khi thí nghiệm, cốt thép dọc 12 có giới hạn chảy là 401.05 MPa và giới hạn bền là 597.01 MPa Cốt đai là 6 có giới hạn chảy là 361.83 MPa và giới hạn bền là 487.16 MPa.
Chế tạo mẫu
Công tác chế tạo đƣợc thực hiện trên 30 mẫu cột tiết diện 150150300 mm
Kích thước mẫu được lựa chọn dựa trên cơ sở tương tự với kích thước của mẫu bê tông hình trụ 150300 mm trong thí nén theo tiêu chuẩn Ngoài ra, chiều cao của mẫu thử được chọn là 300 mm để phù hợp với các thiết bị nén hiện có tại Trường Đại Học Bách
Khoa Tp HCM Các mẫu này đƣợc chia thành 5 nhóm, mỗi nhóm gồm 6 mẫu Cấu tạo mẫu được trình bày trên Hình 3.2 Trong đó, cốt thép chủ là 412, cốt thép đai 6 bước 75mm Bước cốt đai được chọn dựa vào tiêu chuẩn TCVN 5574:2012
Hình 3.2 Chi tiết cấu tạo mẫu thí nghiệm
Hiện nay, khi hỏa hoạn bùng phát tại các công trình thì trong khoảng 15 đến 30 phút sau đó, lực lượng cứu hỏa đã có mặt ở hiện trường để khống chế đám cháy Hơn nữa, các đám cháy thường được dập tắt trong vòng khoảng 40 đến 60 phút sau đó Vì vậy, thời gian thí nghiệm cháy cũng dựa vào cơ sở nêu trên Các nhóm mẫu đƣợc thí nghiệm cháy với các thời gian 0, 30, 45, 60 và 75 phút Trong đó, nhóm mẫu thí nghiệm cháy 0 phút là nhóm mẫu đối chứng Bảng 3.2 thể hiện chi tiết nhóm mẫu thí nghiệm Tên mẫu đƣợc đặt theo quy cách S-T-n, trong đó, S là mẫu (specimen), T là thời gian đốt (time) và n=1-6 là số thứ tự mẫu trong nhóm (number) Các mẫu thí nghiệm đƣợc trình bày nhƣ Hình 3.3
Bảng 3.2 Chi tiết nhóm mẫu thí nghiệm
STT Tên mẫu Nhóm mẫu Thời gian đốt (phút)
Hình 3.3 Hình ảnh 30 mẫu thí nghiệm
3.2.2 Quy trình thi công mẫu
Cốp pha cột và cốt thép cột được gia công tại hiện trường theo đúng kích thước bản vẽ thiết kế, chi tiết xem Hình 3.4 Cốp pha cột đảm bảo độ thẳng đứng, ván gỗ thẳng không cong vênh
Hình 3.4 Cốp pha cột và cốt thép cột
Cốp pha, cốt thép cột đƣợc tập kết tới bãi đổ bê tông Cốp pha cột đƣợc đặt trên mặt phẳng để đảm bảo độ thẳng đứng của cột Sau đó, tiến hành cho cốt thép cột vào trong cốp pha cột, cân chỉnh vị trí cốt thép cột trong cốp pha để tạo lớp bê tông bảo vệ đảm bảo đúng thiết kế mẫu thí nghiệm, chi tiết xem Hình 3.5
Hình 3.5 Cân chỉnh vị trí cốt thép trong cốp pha cột
Bê tông được trộn thủ công tại hiện trường theo đúng cấp phối quy định tại Bảng 3.1 Mỗi mẻ trộn lấy trực tiếp 3 mẫu bê tông hình trụ 150300 mm và bảo dƣỡng đủ 28 ngày để nén kiểm tra lại cường độ Trước khi đổ bê tông, cốp pha được tưới nước làm mát để tránh làm mất nước bê tông
Bê tông cột đƣợc đổ thành từng lớp Bê tông lớp đầu tiên đƣợc đổ với chiều dày khoảng 50 mm và tiến hành cân chỉnh lại vị trí của cốt thép cột trong cốp pha Sau đó đổ từ từ bê tông tiếp vào và tiến hành đầm bê tông để tránh hiện tƣợng phân tầng cũng nhƣ rổ bê tông Cuối cùng, tiến hành làm mặt tạo mặt phẳng đầu cột Hình 3.6 là hình ảnh học viên thực hiện đổ bê tông cột
Hình 3.6 Hình ảnh học viên tiến hành đổ bê tông cột
Sau khi đổ bê tông cột, các mẫu cột đƣợc bao phủ bằng bao bố để tránh ánh nắng chiếu trực tiếp vào bê tông gây hiện tƣợng rổ mặt hay nứt bê tông Bê tông đƣợc bảo dưỡng hàng ngày bằng cách tưới nước làm mát, xem Hình 3.7
Hình 3.7 Bảo dưỡng bê tông cột
Sau thời gian bảo dƣỡng 22 ngày, ta tiến hành tháo dỡ cốp pha Khi tháo cốp pha tránh làm hƣ hỏng bề mặt cột Các mẫu cột sau khi tháo cốp pha đƣợc tập kết về phòng thí nghiệm để chuẩn bị thực hiện các công tác tiếp theo.
Thí nghiệm cháy
Tất cả các mẫu cột đƣợc cho tiếp xúc với lửa trong lò thí nghiệm cháy với thiết kế đặc biệt Lò có kích thước 3000934757 mm và dung tích chứa là 2200410400 mm Vỏ ngoài của lò đƣợc chế tạo bằng thép không gỉ Phía trong lớp vỏ thép là hai lớp bông ceramic cách nhiệt có tác dụng giảm thiểu sự truyền nhiệt trực tiếp lên vỏ thép, đảm bảo an toàn khi sử dụng Tiếp theo, phía trong cùng của lò đƣợc xây bằng gạch chịu nhiệt lên đến 1650 0 C Vỏ của nắp lò cũng đƣợc sản xuất bằng thép không gỉ, phía trong là một lớp bông ceramic cách nhiệt dày và mặt dưới nắp được gắn một tấm lưới thép Mặt tiếp xúc giữa nắp lò và mặt lò được phủ bởi một lớp bông ceramic nhằm hạn chế sự thất thoát nhiệt ra ngoài Sáu bánh xe được gắn phía dưới lò giúp người sử dụng có thể di chuyển lò một cách dễ dàng Chi tiết cấu tạo lò thí nghiệm cháy xem Hình 3.8
Lửa trong lò đƣợc tạo ra từ đầu đốt dầu gắn động cơ 2 HP sử dụng điện ba pha với nhãn hiệu D.O GX4STL Đầu đốt đƣợc đặt tại một đầu của lò và chếch một góc 60 0 so với thân lò, xem Hình 3.9 Khi hoạt động, dầu đƣợc dẫn vào buồng đốt và đƣợc phân tán thành các hạt sương nhỏ, cùng lúc động cơ đánh lửa và tạo áp lực gió làm cho ngọn lửa xoáy tròn trong lò Hai ống dầu đƣợc kết nối từ đầu đốt vào bình chứa dầu
Một ống làm nhiệm vụ cấp dầu, ống còn lại là ống hồi dầu dƣ từ buồng đốt về bình dầu
2 50 Hình 3.8 Chi tiết cấu tạo lò
Hình 3.9 Đầu đốt dầu DO GX4STL
Nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm đƣợc theo dõi bằng can nhiệt loại K có thể đo nhiệt độ từ 0-1200 o C, xem Hình 3.10 Can nhiệt loại K là loại cảm biến cặp nhiệt đƣợc cấu tạo bởi hai sợi kim loại khác nhau và đƣợc hàn dính vào cùng một đầu Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị điện áp cũng sẽ thay đổi và truyền tín hiệu vào đồng hồ đo nhiệt, từ đó trích xuất đƣợc nhiệt độ
Can nhiệt đƣợc sản xuất bằng Inox 304 với đầu dò nhiệt dài 400 mm chịu đƣợc nhiệt độ tối đa 1200 0 C Trên màn hình hiển thị của đồng hồ, dãy số màu xanh 1372 có nghĩa là nhiệt độ tối đa mà đồng hồ có thể đo đƣợc là 1372 0 C, dãy số màu đỏ phía trên là nhiệt độ tại thời điểm đo nhiệt
Hình 3.10 Can nhiệt loại K và đồng hồ đo
Hình 3.11 là hình ảnh của sáu can nhiệt đƣợc bố trí hai bên lò và dọc theo chiều dài thân lò Nhiệt độ trong lò đƣợc lấy ra từ trung bình nhiệt độ của 6 can nhiệt này
Trong đó, một can nhiệt đƣợc kết nối trực tiếp với tủ điều khiển nhằm điều chỉnh nhiệt độ trong lò Khi nhiệt độ trong lò vượt quá nhiệt độ cài đặt trước, tủ điều khiển sẽ tự động ngắt điện và động cơ dừng hoạt động cho đến khi nhiệt độ trong lò giảm xuống dưới nhiệt độ đã cài đặt
Hình 3.11 Bố trí can nhiệt trong thí nghiệm
Quá trình thí nghiệm cháy diễn ra vào ban đêm bởi vì thời gian này ít gây ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của người xung quanh Hơn nữa, vào ban đêm ta có thể dễ dàng nhận thấy đƣợc lửa, điều này thì rất khó để nhận biết đƣợc vào ban ngày
Hình 3.12 là hình đại diện của các mẫu đƣợc bố trí trong lò thí nghiệm cháy Các mẫu đƣợc sắp xếp trong lò theo thứ tự của tên mẫu và dọc theo chiều dài lò sao cho khoảng cách giữa các mẫu không nhỏ hơn 20 cm Sau khi hoàn tất lắp đặt mẫu, nắp lò đƣợc đóng lại và thí nghiệm cháy đƣợc tiến hành Khi thí nghiệm cháy, quan sát màu khói thoát ra từ ống khói giúp ta điều chỉnh lƣợng dầu phù hợp trong thí nghiệm Khói thoát ra có màu đen tức dầu trong đầu đốt đang dƣ, nếu không điều chỉnh kịp thời thì sẽ làm động cơ tắt Nếu khói thoát ra có màu trắng tức đầu đốt đang thiếu dầu và dƣ áp Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ trong lò đƣợc điều chỉnh để tạo ra cấu hình nhiệt độ theo đường cong lửa tuân theo ISO-834 Sau 24 giờ để nguội, các mẫu thí nghiệm được lấy ra khỏi lò và cứ thế nhóm mẫu khác lại đƣợc lắp đặt trong lò để tiếp tục tiến hành thí nghiệm cháy
Hình 3.12 Bố trí mẫu trong lò
Trong quá trình thí nghiệm cháy, nhiệt độ trong lò đƣợc điều chỉnh để tạo ra đường cong nhiệt sao cho gần sát với đường cong lửa trong tiêu chuẩn ISO 834 Đường cong nhiệt độ - thời gian tiêu chuẩn có hàm: T45log 10 (8t+1)+20
Hình 3.13 thể hiện sự biến thiên của nhiệt độ trong lò theo thời gian chịu cháy Đường cong nhiệt độ trung bình thu được từ 6 bộ can nhiệt của thí nghiệm cháy với thời gian 30, 45, 60 và 75 phút Trong đó, đường cong màu đỏ thể hiện sự biến thiên nhiệt độ trong lò, đường cong màu xanh là đường cong nhiệt độ theo tiêu chuẩn ISO 834 Từ biểu đổ, ta dễ nhận ra rằng trong khoảng 10 phút đầu khi khởi động lò thí nghiệm cháy thì nhiệt độ tăng rất nhanh Tiếp theo, trong khoảng thời gian 10-30 phút nhiệt độ vẫn tăng nhƣng chậm hơn so với ban đầu Sau 30 phút, nhiệt độ trong lò bắt đầu ổn định và tăng rất chậm Ở Hình 3.13a thể hiện đường cong nhiệt độ trong lò ứng với thí nghiệm cháy 30 phút, ta có thể thấy nhiệt độ ở lần thí nghiệm này theo sát đường cong theo tiêu chuẩn ISO 834, có lúc vượt qua nhiệt độ theo tiêu chuẩn Hình 3.13b thể hiện nhiệt độ trong lò ở lần thí nghiệm cháy 45 phút, đường cong nhiệt cũng bám sát đường cong theo tiêu chuẩn Còn đối với Hình 3.13c thể hiện nhiệt độ trong lò ở lần thí nghiệm cháy 60 phút, ta có thể thấy trong khoảng 10 phút đầu, nhiệt độ trong lò tăng gần sát với nhiệt độ theo tiêu chuẩn Tuy nhiên, sau 10 phút thì nhiệt độ trong lò vẫn tăng nhưng tăng chậm và diễn biến bất thường Đường cong nhiệt ở lần thí nghiệm này không còn bám sát với đường cong theo tiêu chuẩn nữa mà lại thấp hơn Ở phút thứ 30 thì nhiệt độ đột ngột giảm rồi tăng lại Hình 3.13d thể hiện nhiệt độ trong lò ứng với lần thí nghiệm cháy 75 phút, đường cong nhiệt trong lần thí nghiệm này cũng thấp hơn so với tiêu chuẩn Ta có thể thấy trong khoảng 15 phút đầu, nhiệt độ trong lò bám sát theo nhiệt độ trong tiêu chuẩn, có lúc vƣợt qua tiêu chuẩn này Tuy nhiên sau đó, nhiệt độ bắt đầu không còn tăng theo sát nhiệt độ theo tiêu chuẩn mà có một sự chênh lệch nhất định a) Nhóm mẫu bị cháy 30 phút b) Nhóm mẫu bị cháy 45 phút c) Nhóm mẫu bị cháy 60 phút d) Nhóm mẫu bị cháy 75 phút Hình 3.13 Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trong lò theo thời gian
Thí nghiệm nén
Sau thí nghiệm cháy, các mẫu cột đƣợc mài phẳng hai mặt tiết diện ở hai đầu cột để đảm bảo khi thí nghiệm nén, lực tác dụng đều lên mặt tiến diện mẫu tránh trình trạng bị phá hoại cục bộ Hình 3.14 là hình ảnh bố trí thí nghiệm nén cột Hai đầu mẫu đƣợc đặt thêm hai tấm đệm bằng thép để đảm bảo khi nén sẽ tạo đƣợc áp lực đều trên tiết diện ngang cột Chuyển vị dọc trục của cột khi nén đƣợc đo bằng bộ đầu dò chuyển vị LVDT có giới hạn đo 50 mm và độ nhạy 200100 -6 Hai LVDT đƣợc bố trí ở hai bên phía đối diện của cột và đặt trên tấm thép đệm Chuyển vị dọc trục của cột là giá trị đo trung bình lấy từ hai LVDT này Trong quá trình thí nghiệm, dữ liệu chuyển vị và lực dọc đƣợc lấy đồng thời bằng hệ thống ghi dữ liệu tự động
Hình 3.14 Bố trí thí nghiệm nén cột
Sau khi lắp đặt mẫu và các thiết bị đo hoàn tất Để đảm bảo hai tiết diện mẫu đã tiếp xúc kín với hai tấm thép, ta tiến hành gia tải lên giá trị 5 tấn và sau đó xả tải về 0
Sau khi đảm bảo mọi thứ đã đƣợc chuẩn bị hoàn chỉnh, ta tiến hành gia tải dần dần đến khi mẫu bị phá hoại Khi gia tải đến khoảng 90% tải phá hoại, ta có thể nghe rất rõ âm thanh nứt vỡ của bê tông và sau đó là sự phá hoại của mẫu Cứ thế, lần lƣợt từng nhóm mẫu đƣợc thí nghiệm nén
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
Trong phạm vi nghiên cứu, các mẫu cột BTCT đƣợc thí nghiệm cháy trong lò với thời gian khác nhau Ảnh hưởng của lửa lên bê tông được thể hiện qua sự biến đổi màu sắc của bê tông Đặc biệt là sự xuất hiện của các vết nứt trên bê mặt tiết diện
Thông qua thí nghiệm nén các cột, nghiên cứu phân tích mối quan hệ giữa lực và chuyển vị của cột sau cháy Khả năng chịu tải của cột BTCT cũng đƣợc phân tích trong nghiên cứu này Ngoài ra, nghiên cứu cũng đánh giá sự thay đổi độ cứng của các nhóm mẫu sau cháy
4.1 Ảnh hưởng của lửa lên bê tông
Sau khi thí nghiệm cháy, tất cả các mẫu thử tiếp xúc với lửa đều xuất hiện các vết nứt trên khắp bề mặt bê tông Hơn nữa, bề rộng vết nứt cũng tăng theo thời gian mà cột tiếp xúc với lửa Hình 4.1 thể hiện bề mặt bê tông xuất hiện các vết nứt của các mẫu có thời gian đốt khác nhau a) Mẫu bị cháy 30 phút b) Mẫu bị cháy 45 phút c) Mẫu bị cháy 60 phút d) Mẫu bị cháy 75 phút Hình 4.1.Vết nứt li ti trên bề mặt bê tông
Hình 4.2 thể hiện sự thay đổi màu sắc của bê tông sau cháy Quan sát Hình 4.2, màu sắc của bê tông biến đổi từ màu xám tro (mẫu không bị cháy) sang màu hồng nhạt (mẫu cột bị cháy) Hiện tƣợng này gọi là vôi hóa bê tông Nguyên nhân là do sự mất nước liên kết hóa học của các sản phẩm thủy hóa khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao
Trong đó có thành phần Ca(OH) 2 mất nước tạo nên CaO Sau đó CaO lại hấp thụ hơi nước trong môi trường không khí, tiến hành thủy hóa lần hai, gây trương nở thể tích, tạo ứng suất phá hoại cấu trúc của vật liệu Quan sát tiếp Hình 4.2, các mẫu có thời gian tiếp xúc với lửa càng lâu thì màu hồng nhạt trên bề mặt càng đậm hơn a) Mẫu bị cháy 0 phút b) Mẫu bị cháy 30 phút c) Mẫu bị cháy 45 phút d) Mẫu bị cháy 60 phút e) Mẫu bị cháy 75 phút
Hình 4.2 Màu sắc cột BTCT thay đổi dưới tác dụng của lửa
4.2 Dạng phá hoại a) Mẫu bị cháy 0 phút b) Mẫu bị cháy 30 phút
Hình 4.3 Điển hình phá hoại của cột BTCT không bị cháy và bị cháy c) Mẫu bị cháy 45 phút d) Mẫu bị cháy 60 phút e) Mẫu bị cháy 75 phút
Hình 4.3 trình bày hình ảnh mẫu điển hình bị phá hoại sau khi nén, trong đó, Hình 4.3a là mẫu cột BTCT không bị cháy, còn Hình 4.3b, c, d là mẫu cột BTCT bị cháy với các thời gian khác nhau Hình 4.3 này cho thấy rằng, dưới tác dụng của tải trọc trục, dạng phá hoại của các cột BTCT bị cháy đã thay đổi nhiều Phần bê tông bị bong tách đối với cột BTCT bị cháy xảy ra nhiều hơn so với mẫu không bị cháy Lửa có tác động đáng kể và làm cho cột BTCT bị phá hoại dòn hơn so với mẫu BTCT không bị cháy Hình 4.3b, c, d, e cũng cho thấy rằng màu bê tông trong cột có sự thay đổi rõ rệt so với màu của mẫu cột BTCT không bị cháy (Hình 4.3a) Các mẫu bị cháy chuyển thành màu hồng nhạt
4.3 Quan hệ lực - chuyển vị
Lực dọc và chuyển vị thu thập đƣợc trong quá trình thí nghiệm sẽ đƣợc biểu diễn bằng các đường cong Mỗi nhóm có sáu đường cong được biểu diễn trên một hình Phần 4.3.1 trình bày quan hệ lực-chuyển vị của nhóm mẫu không bị cháy Phần 4.3.2 đến phần 4.3.5 thể hiện quan hệ lực-chuyển vị của nhóm mẫu bị cháy
4.3.1 Quan hệ lực – chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 0 phút
Hình 4.4 thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 0 phút – mẫu đối chứng Quan sát biểu đồ, ta có thể thấy khi lực tăng dần đến 500 kN thì đường cong có dạng tuyến tính Tuy nhiên, khi lực tăng quá 500 kN thì đường cong này không còn tuyến tính nữa và có sự khác biệt giữa các mẫu Quan sát tiếp Hình 4.4, khi lực dọc vƣợt qua lực dọc lớn nhất của mẫu thì chuyển vị của các mẫu tăng nhƣng lực lại giảm do sự phá hoại của mẫu
Hình 4.4 Đường cong lực dọc – chuyển vị của mẫu đối chứng
Bảng 4.1 thể hiện giá trị lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu đối chứng Nhìn chung, lực dọc lớn nhất của các mẫu chênh lệch không nhiều Lực dọc lớn nhất trung bình của nhóm là 590.33 kN Trong đó, mẫu S-0-6 có giá trị lực dọc lớn nhất trong nhóm là 645 kN Mẫu S-0-2 có giá trị lực dọc nhỏ nhất trong nhóm là 515 kN Chuyển vị trung bình của nhóm mẫu là 2.75 mm Trong đó mẫu S-0-6 có chuyển vị nhỏ nhất là 2.27 mm và mẫu S-0-5 có chuyển vị lớn nhất là 3.11 mm
Bảng 4.1 Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của mẫu đối chứng
Chuyển vị tương ứng (mm)
4.3.2 Quan hệ lực - chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 30 phút
Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của từng mẫu trong nhóm mẫu thí nghiệm cháy 30 phút đƣợc thể hiện trong Bảng 4.2 Số liệu chỉ ra rằng, lực dọc lớn nhất của các mẫu thí nghiệm cháy 30 phút khá đồng đều và lực dọc lớn nhất trung bình của nhóm là 538 kN Trong đó mẫu S-30-6 có lực dọc lớn nhất trong nhóm là 590 kN
Chuyển vị trung bình của nhóm là 3.00 mm Nhƣ vậy, nhìn chung chuyển vị trung bình của nhóm thí nghiệm cháy 30 phút có tăng so với nhóm mẫu đối chứng Cụ thể, chuyển vị lớn nhất trong nhóm là 3.47 mm xuất hiện tại mẫu S-30-5 Nhóm S-30-2 có chuyển vị nhỏ nhất nhóm là 2.51 mm
Bảng 4.2 Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu S-30
Hình 4.5 thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 30 phút Đường cong quan hệ lực – chuyển vị của các mẫu thí nghiệm cháy 30 phút không khác biệt nhiều so với nhóm mẫu đối chứng Theo đó, đường cong có dạng tuyến tính khi tải tăng dần đến tải trọng xấp xỉ 450 kN và sau đó không còn tuyến tính nữa Riêng với đường cong của hai mẫu S-30-5 và S-30-4 gần sát nhau nhưng độ dốc lại thấp hơn so với các mẫu còn lại Hơn nữa, chuyển vị các mẫu bị cháy 30 phút tăng nhanh hơn so với nhóm mẫu đối chứng khi tải vƣợt quá lực dọc lớn nhất của mẫu Điều này thể hiện rõ trên Hình 4.5, độ dốc của đường cong phía sau khi tải đạt tới lực dọc lớn nhất là thoải hơn so với nhóm mẫu đối chứng
Hình 4.5 Đường cong lực dọc – chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 30 phút
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
Ảnh hưởng của lửa lên bê tông
Sau khi thí nghiệm cháy, tất cả các mẫu thử tiếp xúc với lửa đều xuất hiện các vết nứt trên khắp bề mặt bê tông Hơn nữa, bề rộng vết nứt cũng tăng theo thời gian mà cột tiếp xúc với lửa Hình 4.1 thể hiện bề mặt bê tông xuất hiện các vết nứt của các mẫu có thời gian đốt khác nhau a) Mẫu bị cháy 30 phút b) Mẫu bị cháy 45 phút c) Mẫu bị cháy 60 phút d) Mẫu bị cháy 75 phút Hình 4.1.Vết nứt li ti trên bề mặt bê tông
Hình 4.2 thể hiện sự thay đổi màu sắc của bê tông sau cháy Quan sát Hình 4.2, màu sắc của bê tông biến đổi từ màu xám tro (mẫu không bị cháy) sang màu hồng nhạt (mẫu cột bị cháy) Hiện tƣợng này gọi là vôi hóa bê tông Nguyên nhân là do sự mất nước liên kết hóa học của các sản phẩm thủy hóa khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao
Trong đó có thành phần Ca(OH) 2 mất nước tạo nên CaO Sau đó CaO lại hấp thụ hơi nước trong môi trường không khí, tiến hành thủy hóa lần hai, gây trương nở thể tích, tạo ứng suất phá hoại cấu trúc của vật liệu Quan sát tiếp Hình 4.2, các mẫu có thời gian tiếp xúc với lửa càng lâu thì màu hồng nhạt trên bề mặt càng đậm hơn a) Mẫu bị cháy 0 phút b) Mẫu bị cháy 30 phút c) Mẫu bị cháy 45 phút d) Mẫu bị cháy 60 phút e) Mẫu bị cháy 75 phút
Hình 4.2 Màu sắc cột BTCT thay đổi dưới tác dụng của lửa.
Dạng phá hoại
a) Mẫu bị cháy 0 phút b) Mẫu bị cháy 30 phút
Hình 4.3 Điển hình phá hoại của cột BTCT không bị cháy và bị cháy c) Mẫu bị cháy 45 phút d) Mẫu bị cháy 60 phút e) Mẫu bị cháy 75 phút
Hình 4.3 trình bày hình ảnh mẫu điển hình bị phá hoại sau khi nén, trong đó, Hình 4.3a là mẫu cột BTCT không bị cháy, còn Hình 4.3b, c, d là mẫu cột BTCT bị cháy với các thời gian khác nhau Hình 4.3 này cho thấy rằng, dưới tác dụng của tải trọc trục, dạng phá hoại của các cột BTCT bị cháy đã thay đổi nhiều Phần bê tông bị bong tách đối với cột BTCT bị cháy xảy ra nhiều hơn so với mẫu không bị cháy Lửa có tác động đáng kể và làm cho cột BTCT bị phá hoại dòn hơn so với mẫu BTCT không bị cháy Hình 4.3b, c, d, e cũng cho thấy rằng màu bê tông trong cột có sự thay đổi rõ rệt so với màu của mẫu cột BTCT không bị cháy (Hình 4.3a) Các mẫu bị cháy chuyển thành màu hồng nhạt.
Quan hệ lực - chuyển vị
Lực dọc và chuyển vị thu thập đƣợc trong quá trình thí nghiệm sẽ đƣợc biểu diễn bằng các đường cong Mỗi nhóm có sáu đường cong được biểu diễn trên một hình Phần 4.3.1 trình bày quan hệ lực-chuyển vị của nhóm mẫu không bị cháy Phần 4.3.2 đến phần 4.3.5 thể hiện quan hệ lực-chuyển vị của nhóm mẫu bị cháy
4.3.1 Quan hệ lực – chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 0 phút
Hình 4.4 thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 0 phút – mẫu đối chứng Quan sát biểu đồ, ta có thể thấy khi lực tăng dần đến 500 kN thì đường cong có dạng tuyến tính Tuy nhiên, khi lực tăng quá 500 kN thì đường cong này không còn tuyến tính nữa và có sự khác biệt giữa các mẫu Quan sát tiếp Hình 4.4, khi lực dọc vƣợt qua lực dọc lớn nhất của mẫu thì chuyển vị của các mẫu tăng nhƣng lực lại giảm do sự phá hoại của mẫu
Hình 4.4 Đường cong lực dọc – chuyển vị của mẫu đối chứng
Bảng 4.1 thể hiện giá trị lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu đối chứng Nhìn chung, lực dọc lớn nhất của các mẫu chênh lệch không nhiều Lực dọc lớn nhất trung bình của nhóm là 590.33 kN Trong đó, mẫu S-0-6 có giá trị lực dọc lớn nhất trong nhóm là 645 kN Mẫu S-0-2 có giá trị lực dọc nhỏ nhất trong nhóm là 515 kN Chuyển vị trung bình của nhóm mẫu là 2.75 mm Trong đó mẫu S-0-6 có chuyển vị nhỏ nhất là 2.27 mm và mẫu S-0-5 có chuyển vị lớn nhất là 3.11 mm
Bảng 4.1 Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của mẫu đối chứng
Chuyển vị tương ứng (mm)
4.3.2 Quan hệ lực - chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 30 phút
Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của từng mẫu trong nhóm mẫu thí nghiệm cháy 30 phút đƣợc thể hiện trong Bảng 4.2 Số liệu chỉ ra rằng, lực dọc lớn nhất của các mẫu thí nghiệm cháy 30 phút khá đồng đều và lực dọc lớn nhất trung bình của nhóm là 538 kN Trong đó mẫu S-30-6 có lực dọc lớn nhất trong nhóm là 590 kN
Chuyển vị trung bình của nhóm là 3.00 mm Nhƣ vậy, nhìn chung chuyển vị trung bình của nhóm thí nghiệm cháy 30 phút có tăng so với nhóm mẫu đối chứng Cụ thể, chuyển vị lớn nhất trong nhóm là 3.47 mm xuất hiện tại mẫu S-30-5 Nhóm S-30-2 có chuyển vị nhỏ nhất nhóm là 2.51 mm
Bảng 4.2 Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu S-30
Hình 4.5 thể hiện mối quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 30 phút Đường cong quan hệ lực – chuyển vị của các mẫu thí nghiệm cháy 30 phút không khác biệt nhiều so với nhóm mẫu đối chứng Theo đó, đường cong có dạng tuyến tính khi tải tăng dần đến tải trọng xấp xỉ 450 kN và sau đó không còn tuyến tính nữa Riêng với đường cong của hai mẫu S-30-5 và S-30-4 gần sát nhau nhưng độ dốc lại thấp hơn so với các mẫu còn lại Hơn nữa, chuyển vị các mẫu bị cháy 30 phút tăng nhanh hơn so với nhóm mẫu đối chứng khi tải vƣợt quá lực dọc lớn nhất của mẫu Điều này thể hiện rõ trên Hình 4.5, độ dốc của đường cong phía sau khi tải đạt tới lực dọc lớn nhất là thoải hơn so với nhóm mẫu đối chứng
Hình 4.5 Đường cong lực dọc – chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 30 phút
4.3.3 Quan hệ lực - chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 45 phút Đường cong mối quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 45 phút được thể hiện trong Hình 4.6 Quan sát biểu đồ, ta thấy các mẫu có đường cong tăng tuyến tính khi tải trọng tăng xấp xỉ đến 350 kN Đường cong quan hệ lực – chuyển vị của nhóm mẫu này bắt có sự khác biệt rõ rệt so với nhóm mẫu bị cháy 30 phút và nhóm mẫu đối chứng Cụ thể, quan sát Hình 4.6 ta có thể thấy độ dốc của đường cong trong giai đoạn đàn hồi bắt đầu thoải hơn Khi chuyển vị của các mẫu đạt 2 mm thì lực tương ứng cũng tăng chưa đến 500 kN Trong khi đó, ở chuyển vị 2 mm thì lực tương ứng ở nhóm mẫu đối chứng và nhóm S-30 từ 500 – 600 kN
Hình 4.6 Đường cong lực dọc – chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 45 phút
Bảng 4.3 thể hiện giá trị lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu bị cháy 45 phút Lực dọc lớn nhất của các mẫu chênh lệch không nhiều và lực dọc lớn nhất trung bình của nhóm là 507 kN Trong đó, mẫu S-45-2 có giá trị lực dọc lớn nhất trong nhóm là 542 kN Bên cạnh đó, mẫu S-45-2 có chuyển vị nhỏ nhất trong nhóm là 2.83 mm Mẫu S-45-5 có chuyển vị lớn nhất trong nhóm là 3.86 mm Chuyển vị trung bình của nhóm mẫu S-45 là 3.21 mm
Bảng 4.3 Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu S-45
4.3.4 Quan hệ lực - chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 60 phút
Hình 4.7 thể hiện đường cong mối quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 60 phút Trong giai đoạn đàn hồi, khi lực tăng dần đến tải trọng 300 kN thì đường cong có dạng tuyến tính Sau đó, đường cong không còn tuyến tính nữa Điều này cho thấy, các mẫu bị cháy 60 phút bước vào giai đoạn dẻo sớm hơn so với các nhóm mẫu trước Ngoài ra, các đường cong giảm dần và chậm hơn so với các nhóm mẫu trước sau khi lực dọc đạt giá trị lớn nhất Quan sát tiếp Hình 4.7, ta thấy đường cong của mẫu S-60-1 có chút khác biệt khi đỉnh của đường cong này cao hơn so với các đường cong còn lại Ngược lại, mẫu S-60-6 có đỉnh đường cong thấp hơn so với các mẫu còn lại
Hình 4.7 Đường cong lực dọc – chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 45 phút
Bảng 4.4 thể hiện giá trị lực dọc lớn nhất, chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu bị cháy 60 phút Sự chênh lệch lực dọc lớn nhất giữa các mẫu là không nhiều Lực dọc lớn nhất trung bình của nhóm S-60 là 522 kN Số liệu cho thấy, mẫu S-60-1 có lực dọc lớn nhất trong nhóm với 570 kN Tuy nhiên, mẫu S-60-3 có chuyển vị nhỏ nhất trong nhóm là 2.93 mm Mẫu S-60-3 có chuyển vị lớn nhất là 4.1 mm Chuyển vị trung bình của nhóm S-60 là 3.48 mm
Bảng 4.4 Lực dọc lớn nhất, chuyển vị tương ứng, độ cứng của nhóm mẫu S-60
4.3.5 Quan hệ lực - chuyển vị của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 75 phút Đường cong quan hệ lực dọc và chuyển vị tương ứng của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 75 phút được thể hiện trong Hình 4.8 Trong giai đoạn đàn hồi, đường cong có dạng tuyến tính khi lực dọc tăng xấp xỉ 250kN Quan sát tiếp Hình 4.8, ta thấy rằng các độ dốc của các đường cong trong nhóm mẫu này thoải hơn nhóm mẫu bị cháy 60 phút
Cụ thể ta thấy, khi chuyển vị của các mẫu của nhóm đạt 1 mm thì tải trọng tương ứng lúc này đều dưới 300 kN cho tất các mẫu Trong khi đó, đối với nhóm mẫu 60 phút thì mức tải dao động trên dưới 300 kN khi chuyển vị của các mẫu đạt 1 mm Từ biểu đồ, ta có thể thấy đường cong của hau mẫu S-75-1 và S-75-6 cao hơn so với các mẫu còn lại Ngoài ra, do chuyển vị của nhóm mẫu bị cháy 75 phút tăng nên độ cong của các đường cong nhỏ
Hình 4.8 Đường cong lực dọc – chuyển vị của mẫu thí nghiệm cháy 75 phút
Các giá trị lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương tứng của nhóm mẫu thí nghiệm cháy 75 phút đƣợc thể hiện trong Bảng 4.5 Số liệu chỉ ra rằng, chuyển vị của các mẫu bị cháy 75 phút tăng đáng kể so với các nhóm mẫu trước Cụ thể, chuyển vị của các mẫu ứng với lực dọc lớn nhất đều lớn hơn 3 mm và chuyển vị trung bình của nhóm là 3.55 mm Mẫu S-75-5 có chuyển vị lớn nhất là 4.23 mm Bên cạnh đó, lực dọc lớn nhất trung bình của nhóm là 517 kN Trong đó, mẫu S-75-6 có giá trị lực dọc lớn nhất trong nhóm là 605 kN
Bảng 4.5 Lực dọc lớn nhất, chuyển vị tương ứng và độ cứng của nhóm mẫu S-75
Mẫu thí nghiệm Lực dọc lớn nhất (kN) Chuyển vị tương ứng (mm)
4.3.6 Nhận xét chung về đường cong quan hệ lực-chuyển vị
Qua các phân tích về quan hệ lực-chuyển vị nêu trên, ta có thể thấy được đường cong lực-chuyển vị của các nhóm mẫu bị cháy có sự khác biệt so với nhóm mẫu đối chứng Đối với mẫu đối chứng, đường cong tuyến tính khi lực dọc tăng dần đến giá trị lớn nhất và sau đó giảm nhanh Còn đối với nhóm mẫu bị cháy, đường cong cũng tăng tuyến tính khi lực dọc đạt giá trị lớn nhất nhƣng lại giảm chậm hơn so với nhóm đối chứng Bên cạnh đó, các biểu đồ đường cong lực-chuyển vị cho thấy rằng chuyển vị của mẫu vẫn tăng mặc dù lực dọc giảm sau khi mẫu bị phá hoại Ngoài ra, lực dọc và chuyển vị của các nhóm mẫu bị cháy đều giảm rõ rệt so với nhóm mẫu đối chứng.
Khả năng chịu tải dọc trục khi lực dọc đạt giá trị lớn nhất
Hình 4.9 mô tả khả năng chịu tải dọc trục khi lực dọc đạt giá trị lớn nhất của các nhóm mẫu bị cháy 30, 45, 60, 75 phút so với nhóm mẫu đối chứng Số liệu lực dọc thể hiện trong Hình 4.9 đƣợc lấy từ trung bình lực dọc lớn nhất trong từng nhóm mẫu
Quan sát Hình 4.9, khả năng chịu tải của các mẫu bị cháy giảm so với mẫu đối chứng
Khả năng chịu lực của mẫu đối chứng là 590 kN Đối với nhóm mẫu S-30, khả năng chịu tải của nhóm mẫu này giảm từ 590 kN xuống còn 538 kN, tương đương 91.19% khả năng chịu tải của nhóm mẫu đối chứng Sự suy giảm khả năng chịu tải càng thể hiện rõ khi khả năng chịu tải của nhóm mẫu S-45 giảm từ 590 kN xuống còn 507 kN, tương ứng 85.93% khả năng chịu tải của nhóm mẫu đối chứng Tương tự đối với nhóm mẫu S-60, khả năng chịu tải của mẫu giảm từ 590 kN xuống còn 522 kN, xấp xỉ 88.47% khả năng chịu tải của mẫu đối chứng Cuối cùng là nhóm mẫu S-75, khả năng chịu tải của nhóm này giảm từ 590 kN xuống 517 kN, tương đương 87.63% khả năng chịu tải của nhóm mẫu đối chứng Điều này chứng tỏ rằng, lửa làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu sau cháy
Quan sát tiếp Hình 4.9, nhìn chung khi thời gian bị cháy càng tăng thì khả năng chịu lực của các nhóm mẫu càng giảm Cụ thể, ta thấy nhóm mẫu S-30 có giá trị lực dọc lớn nhất trung bình là 538 kN và giá trị này là lớn nhất trong nhóm bị cháy Tiếp đến là nhóm mẫu S-60 với khả năng chịu tải là 522 kN, tương ứng 97.03% khả năng chịu tải so với nhóm S-30 Nhóm mẫu S-75 với khả năng chịu tải giảm từ 538 kN xuống còn 517 kN, xấp xỉ 96.1% so với khả năng chịu tải của nhóm S-30 Còn đối với nhóm mẫu S-45 có một chút khác biệt khi khả năng chịu tải giảm từ 538 kN xuống 507 kN, tương ứng 94.24% khả năng chịu tải của nhóm S-30 Tuy nhiên, sự khác biệt này không quá lớn khi chỉ chênh lệch không quá 3% so với các nhóm mẫu còn lại
Hình 4.9 Khả năng chịu tải của các nhóm mẫu khi lực dọc lớn nhất.
Chuyển vị khi lực dọc đạt giá trị lớn nhất
Hình 4.10 mô tả chuyển vị trung bình của từng nhóm mẫu tại thời điểm lực dọc đạt giá trị lớn nhất Các số liệu chuyển vị này đƣợc lấy từ Bảng 4.1 đến Bảng 4.5 Quan sát Hình 4.10, ta có thể thấy chuyển vị của tất cả các nhóm mẫu bị cháy đều tăng so với nhóm mẫu đối chứng Cụ thể, chuyển vị của nhóm S-30 tăng 0.25 mm, tương đương tăng 9.09% so với nhóm mẫu đối chứng Đối với chuyển vị của nhóm S-45 tăng 0.46 mm, tương đương tăng 16.73% so với nhóm đối chứng Chuyển vị của nhóm S-60 tăng từ 2.75 mm lên 3.48 mm, tương ứng tăng 0.73 mm, xấp xỉ 26.55 % so với nhóm mẫu đối chứng Nhóm S-75 có chuyển vị tăng cao nhất, cụ thể tăng từ 2.75 mm lên 3.55 mm, tương đương tăng 29.09% so với nhóm mẫu đối chứng
Quan sát tiếp Hình 4.10, khi thời gian mẫu bị cháy càng tăng thì chuyển vị của mẫu càng tăng Cụ thể, chuyển vị của nhóm S-45 tăng 0.21 mm so với nhóm S-30, tương đương tăng 7% Chuyển vị của nhóm S-60 tăng 0.48 mm, tương đương tăng 16% so với nhóm S-30 Còn đối với nhóm S-75 thì chuyển vị của nhóm này tăng 0.55 mm, tương ứng tăng 18.33% so với nhóm mẫu S-30
Hình 4.10 Chuyển vị tại thời điểm lực dọc đạt giá trị lớn nhất.
Khả chịu tải dọc trục khi lực giảm còn 85% lực dọc lớn nhất
Lực dọc trung bình của từng nhóm mẫu tại thời điểm lực dọc giảm còn 85% lực dọc lớn nhất đƣợc thể hiện trong Hình 4.11 Quan sát Hình 4.11, ta có thể thấy khả năng chịu tải của các mẫu bị cháy đều giảm so với nhóm mẫu đối chứng Cụ thể, lực dọc của nhóm mẫu S-30 giảm từ 502 kN xuống còn 457 kN, tương đương 91.04% khả năng chịu tải của nhóm mẫu đối chứng Đối với nhóm S-45 thì lực dọc giảm từ 502 kN xuống còn 431 kN, tương đương 85.86% khả năng chịu tải của nhóm mẫu đối chứng
Lực dọc của nhóm S-60 giảm từ 502 kN xuống còn 443 kN, tương đương 88.24% khả năng chịu tải của nhóm đối chứng Còn đối với nhóm S-75 thì lực dọc của nhóm này giảm từ 502 kN xuống 440 kN, tương ứng 87.65% khả năng chịu tải của nhóm mẫu đối chứng Quan sát tiếp Hình 4.11, ta có thể thấy chênh lệch lực dọc giữa các nhóm mẫu bị cháy là không nhiều Nhóm S-45 có lực dọc là 431 kN, giảm 5.69% so với nhóm S- 30 Nhóm S-60 thì lực dọc giảm 3.06% so với nhóm S-30 Còn đối với nhóm S-75 có lực dọc là 440 kN, tương đương giảm 3.72% so với nhóm S-30
Hình 4.11 Khả năng chịu tải của các nhóm mẫu khi lực giảm còn 85% lực dọc lớn nhất.
Chuyển vị khi lực dọc giảm còn 85% lực dọc lớn nhất
Bảng 4.6 trình bày lực dọc trung bình và chuyển vị tương ứng trung bình tại thời điểm lực dọc giảm xuống còn 85% lực dọc lớn nhất Các số liệu này đƣợc tính toán bằng excel và đƣợc mô tả sau đây Trong từng mẫu của nhóm mẫu, ta tiến hành xác định giá trị 85% giá trị lực lớn nhất, dựa vào biểu đồ chuyển vị của từng mẫu đã vẽ, ta suy ra đƣợc giá trị chuyển vị tại thời điểm lực giảm xuống còn 85% lực dọc lớn nhất
Cứ thế tiếp tục thực hiện cho các nhóm mẫu Sau khi đã có giá trị chuyển vị tại thời điểm 85% lực dọc lớn nhất, ta dễ dàng tính ra đƣợc chuyển vị trung bình của từng nhóm Từ số liệu ta thấy, nhìn chung chuyển vị của các nhóm mẫu bị cháy đều tăng so với nhóm mẫu đối chứng Cụ thể, chuyển vị của nhóm mẫu bị cháy 30 phút tăng 0.55 mm tương đương 13.51 % so với mẫu đối chứng Chuyển vị của nhóm bị cháy 45 phút và 60 phút cũng tăng lần lượt là 0.41 mm, tương đương 10.07% và 0.35 mm, xấp xỉ 8.6% so với mẫu đối chứng Chuyển vị của nhóm mẫu bị cháy 75 phút tăng cao nhất với 0.6 mm, tương đương 14.74% so với nhóm mẫu đối chứng
Bảng 4.6 Lực dọc và chuyển vị trung bình khi lực dọc giảm còn 85% lực dọc lớn nhất
Mẫu thí nghiệm Lực dọc trung bình (kN) Chuyển vị trung bình
Hình 4.12 mô tả các chuyển vị trung bình của từng nhóm mẫu ở thời điểm lực giảm còn 85% lực dọc lớn nhất Chuyển vị của các nhóm mẫu bị cháy chênh lệch nhau không nhiều Cụ thể, chuyển vị của nhóm S-45 giảm từ 4.62 mm xuống còn 4.48mm, tương đương giảm 3.03% Chuyển vị tiếp tục giảm, khi chuyển vị của nhóm S-60 giảm 0.2 mm, tương đương giảm 4.33% so với nhóm mẫu S-30 Còn đối với nhóm S-75, chuyển vị tăng từ 4.62 mm lên 4.67 mm, tương đương tăng 1.08% so với nhóm mẫu S-30
Hình 4.12 Chuyển vị khi lực dọc giảm còn 85% lực dọc lớn nhất.
Độ cứng của mẫu
Bảng 4.7 trình bày số liệu độ cứng của các nhóm mẫu Các số liệu độ cứng đƣợc tính toán trong excel và đƣợc trình bày sau đây Từ các số liệu và biểu đồ chuyển vị của các mẫu đã vẽ, ta tìm được miền đàn hồi của từng mẫu Theo đó, ta dựa vào đường tuyến tính trong giai đoạn đàn hồi để tìm ra hàm dạng của đường tuyến tính này Hàm này có dạng y = ax Trong đó, y là ẩn thể hiện giá trị của lực dọc, x là ẩn thể hiện giá trị của chuyển vị Vì vậy, giá trị của a là giá trị độ cứng của mẫu Sau khi có giá trị độ cứng của từng mẫu, ta dễ dàng tìm ra độ cứng trung bình của từng nhóm mẫu
Bảng 4.7 Độ cứng của các nhóm mẫu
Mẫu thí nghiệm Độ cứng (kN/mm) Độ cứng trung bình (kN/mm)
Các số liệu độ cứng trung bình của từng nhóm mẫu lấy từ Bảng 4.7 đƣợc thể hiện trên Hình 4.13 Quan sát Hình 4.13, ta có thể thấy độ cứng trung bình của tất cả các nhóm mẫu bị cháy đều giảm so với nhóm mẫu đối chứng Độ cứng trung bình của nhóm mẫu đối chứng là 310.47 kN/mm Đối với nhóm mẫu S-30, độ cứng trung bình của nhóm này giảm từ 310.47 kN/mm xuống còn 273.38 kN/mm, tương đương 88.05% độ cứng của nhóm mẫu đối chứng Tiếp đến là nhóm mẫu S-45 có độ cứng trung bình là 256.28 kN/mm, tương đương 82.55% độ cứng trung bình của nhóm mẫu đối chứng
Còn đối với nhóm mẫu S-60 thì độ cứng trung bình giảm từ 310.47 kN/mm xuống còn 290.22 kN/mm, xấp xỉ 93.48% độ cứng trung bình của nhóm mẫu đối chứng Cuối cùng là nhóm mẫu S-75 có độ cứng trung bình là 251.23 kN/mm, tương đương 80.92% độ cứng trung bình của nhóm mẫu đối chứng
Hình 4.13 Độ cứng trung bình của các nhóm mẫu
Quan sát tiếp Hình 4.13, nhìn chung khi thời gian bị cháy càng tăng thì độ cứng trung bình của các nhóm mẫu càng giảm Cụ thể, độ cứng của nhóm mẫu S-45 giảm
17.1 kN/mm tương đương giảm 6.26% so với độ cứng trung bình của nhóm S-30 Tiếp theo, độ cứng của nhóm mẫu S-75 giảm 22.15 kN/mm, tương đương giảm 8.1% so với nhóm S-30 Riêng đối với nhóm mẫu S-60 có một chút khác biệt khi độ cứng trung bình của nhóm này tăng cao hơn so với nhóm mẫu S-30 là 16.84 kN/mm, tương ứng tăng 6.16%.
