Nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa bằng thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NGUYỄN ĐỨC VIỆT NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO VỆ KẾT CẤU THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA BẰNG THỰC NGHIỆM TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng Công nghiệp Mã số: 62.58.02.08 HÀ NỘI - 2016 BỘ X CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG – BỘ XÂY DỰNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VÕ THÔNG GS TS PHẠM VĂN HỘI Phản biện 1: GS.TS ĐOÀN ĐÌNH KIẾN Phản biện 2: PGS.TS NGÔ VĂN XIÊM Phản biện 3: PGS.TS VŨ QUỐC ANH Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện theo Quyết định số …… ngày …….tháng…… năm…… Giám đốc Viện Khoa học công nghệ xây dựng, họp Viện Khoa học công nghệ xây dựng vào hồi …… …… ngày……… tháng…… năm……… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Viện Khoa học công nghệ xây dựng - Thư viện Quốc gia PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Ở nước ta nay, kết cấu thép chịu lực sử dụng cách phổ biến.Trong công trình nhà có kết cấu thép chịu lực, xảy cháy, kết cấu thép nhanh chóng bị biến dạng gây sập đổ công trình Kết cấu thép không bảo vệ chống cháy, thời gian chịu lửa từ 15 phút đến 24 phút Do đó, giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa nhằm tăng giới hạn chịu lửa vấn đề quan trọng xây dựng Khi nghiên cứu giải pháp bọc thạch cao bảo vệ chống cháy kết cấu thép, vấn đề sau cần phải làm sáng tỏ lý thuyết thực nghiệm Đó là: - Việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt thạch cao nhà sản xuất cung cấp để tính toán có phù hợp với điều kiện làm việc có đảm bảo an toàn cho kết cấu bảo vệ không - Các tham số ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt thạch cao bảo vệ chống cháy bị ẩm, độ ẩm không khí tác động gia nhiệt để làm thoát - Ảnh hưởng tác động đồng thời lửa lên số mặt cấu kiện bảo vệ 1, 2, 3, mặt - Ảnh hưởng chiều dày lớp không khí thạch cao cánh cột thép - Ảnh hưởng chiều dày thạch cao đến khả thoát nước ẩm thạch cao, làm ảnh hưởng gián tiếp đến hệ số truyền nhiệt giai đoạn thoát nước - Các yếu tố ảnh hưởng khác Hiện nay, kết cấu thép chịu lực dùng phổ biến kết cấu khung Trong kết cấu này, cột đóng vai trò quan trọng, nghiên cứu sinh chọn hướng nghiên cứu luận án “Nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa thực nghiệm” Phạm vi luận án tập trung nghiên cứu thực nghiệm làm việc cột thép chịu nén tâm bảo vệ thạch cao chống cháy bọc dạng hộp chịu tác động lửa Mục đích luận án Nghiên cứu xác định hệ số dẫn nhiệt thạch cao chống cháy làm việc cột thép chịu nén tâm bảo vệ thạch cao chống cháy bọc dạng hộp chịu tác động lửa Đối tƣợng nghiên cứu Cột thép chịu nén tâm bọc thạch cao dạng hộp chịu tác động lửa Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa, từ lựa chọn giải pháp bảo vệ phù hợp Xác định vấn đề cần làm sáng tỏ cho giải pháp để phù hợp với thực tiễn tác động đám cháy điều kiện khí hậu ẩm Việt Nam - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt thạch cao chống cháy điều kiện khí hậu ẩm Việt Nam - Cách xác định hệ số dẫn nhiệt thạch cao cho phù hợp với điều kiện thực tế, đám cháy xảy thạch cao có lượng nước định tác động không khí ẩm trình thoát nước có ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt thạch cao - Nghiên cứu sở lý thuyết trình truyền nhiệt vật rắn, sau truyền qua môi trường không khí hệ số dẫn nhiệt vật rắn thay đổi Từ xây dựng mô hình tính toán truyền nhiệt kết cấu bọc thạch cao chống cháy, có kể đến ảnh hưởng tượng đối lưu xạ truyền nhiệt qua lớp không khí - Nghiên cứu sở lý thuyết ứng xử học kết cấu chịu tác động tải trọng tác động lửa cho cấu kiện cột thép có lớp bảo vệ thạch cao chống cháy Từ xây dựng quy trình thuật toán tính kết cấu cột có lớp bọc bảo vệ thạch cao chống cháy dạng hộp chịu tác động đám cháy tiêu chuẩn - Từ mô hình lập, so sánh phân tích ảnh hưởng tham số đến truyền nhiệt khả chịu lực cột thép tác động lửa - Thí nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng số tham số đến truyền nhiệt khả chịu lực cột thép có lớp bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp tác dụng lửa Phƣơng pháp nghiên cứu - Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định giá trị hệ số dẫn nhiệt thạch cao biến thiên theo trình nước tác động đám cháy tiêu chuẩn gây - Sử dụng hệ số dẫn nhiệt xác định để nghiên cứu làm việc cột thép chịu nén tâm, không bảo vệ bọc thạch cao chống cháy chịu tác động lửa - Từ kết nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết, rút kết nghiên cứu luận án Phạm vi nghiên cứu: Cột thép chịu nén tâm bảo vệ thạch cao chống cháy bọc dạng hộp chịu tác động lửa Những đóng góp luận án - Đưa giải pháp bảo vệ cột thép chịu tác động lửa phù hợp với điều kiện Việt nam - Xây dựng quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt có kể đến trình nước thạch cao tác động đám cháy tiêu chuẩn phục vụ cho việc tính toán thời gian chịu lửa kết cấu thép - Đã xét tham số ảnh hưởng liên quan trực tiếp đến thông số thiết kế, đánh giá cho giải pháp bảo vệ kết cấu chịu tác động lửa bọc thạch cao dạng hộp gồm: kích thước hình học cột thép; chiều dày lớp thạch cao bảo vệ; hệ số dẫn nhiệt thạch cao lấy theo thông số nhà sản xuất cung cấp theo thông số xác định từ thực nghiệm; tác dụng nhiệt theo mặt theo mặt; khoảng cách thông thủy thạch cao bề mặt cột thép; ảnh hưởng giải pháp bảo vệ; tải trọng nén tâm đến truyền nhiệt khả chịu lực cho mô hình cột thép có lớp bảo vệ bọc thạch cao chống cháy dạng hộp tác dụng lửa - Đã thí nghiệm kiểm chứng, so sánh với kết tính toán lý thuyết với thực nghiệm cho trường hợp cột chịu nén tâm bọc bảo vệ thạch cao chống cháy trường hợp không bọc bảo vệ thạch cao chống cháy Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, mục lục, danh mục tài liệu tham khảo, công trình khoa học công bố, phụ lục hình vẽ, bảng biểu, luận án bố cục chương: Chƣơng 1: Tổng quan giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa lựa chọn giải pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam Chƣơng 2:Nghiên cứu yếu tố gián tiếp ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt thạch cao trình xảy cháy Chƣơng 3: Nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến truyền nhiệt khả chịu lực cột thép tác động lửa Chƣơng 4: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng số tham số đến truyền nhiệt khả chịu lực cột thép có lớp bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp tác dụng lửa CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ KẾT CẤU THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Đã tiến hành tổng quan theo nội dung 1) Các giải pháp bảo vệ cột thép khỏi tác dụng lửa Xây gạch ốp bên ngoài; Tạo lớp bê tông, cốt lưới thép bao xung quanh cấu kiện; Ốp bên vật liệu không cháy có hệ số dẫn nhiệt thấp (tấm thạch cao chống cháy); Phun lớp vữa bảo vệ bên cấu kiện; Sơn chống cháy; 2) Đã làm rõ quy định nghiên cứu nước bảo vệ cột thép chịu tác động lửa nước giới; 3) Đã đưa nghiên cứu ứng xử cột thép không bảo vệ điều kiện cháy giới nước Từ tổng quan nhận xét rút ra: để nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép bọc thạch cao chống cháy bọc dạng hộp cần làm rõ nội dung sau: - Sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt thạch cao theo mức độ nước tác động đám cháy tiêu chuẩn - Các yếu tố thực tiễn có ảnh hưởng đến mức độ tổn hao nước thạch cao: gia nhiệt (cháy) mặt hay mặt thạch cao; chiều dầy thạch cao; cường độ (tốc độ) gia nhiệt; số lượng để tạo chiều dầy ốp 4) Đã nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa phù hợp với điều kiện Việt Nam dựa điều kiện kinh tế - kỹ thuật; điều tra khảo sát số thành phố lớn Việt nam Từ nghiên cứu chương 1, tác giả luận án rút số kết luận sau: - Đối với kết cấu thép không bảo vệ chịu tác động nhiệt độ cao tính chất học thép giảm dần nhiệt độ giới hạn thép khoảng từ 500°C đến 550°C Với nhiệt độ giới hạn thời gian chịu tác dụng lửa mà kết cấu không bị sụp đổ tương đối thấp khoảng từ 15 đến 24 phút - Các tiêu chuẩn giới có quy định việc bảo vệ kết cấu thép để kết cấu đảm bảo thời gian chịu lửa theo quy định loại công trình cụ thể Trong QCVN 06:2010/BXD có quy định thời gian chịu lửa tối thiểu 90 phút kết cấu chịu lực có bậc chịu lửa II, III chí lên đến 150 phút kết cấu có bậc chịu lửa I Vì vậy, cần phải có giải pháp bảo vệ kết cấu thép để phù hợp với quy định bậc chịu lửa kết cấu thép chịu lực dầm thép cột thép - Hiện nay, có nhiều giải pháp bảo vệ kết cấu thép khỏi tác động lửa xây gạch ốp bên ngoài, tạo lớp bê tông, lớp xi măng có cốt lưới thép bao xung quanh cấu kiện, ốp bên vật liệu chống cháy thạch cao, phu lớp vữa bảo vệ bên ngoài, sử dụng sơn chống cháy Luận án tiến hành khảo sát việc sử dụng giải pháp bảo vệ số thành phố tiến hành so sánh kinh tế giải pháp bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp sơn phủ Các kết so sánh giải pháp bảo vệ, việc sử dụng thạch cao phổ biến có hiệu kinh tế - kỹ thuật tốt hơn, đáp ứng điều kiện kinh tế quy định kỹ thuật Việt Nam - Các nghiên cứu ứng xử cột thép bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp đề cập đến số nghiên cứu nước giới Tuy nhiên công trình nghiên cứu chưa đề cập đến ảnh hưởng độ ẩm thực tế có thạch cao đến khả cách nhiệt có đám cháy xảy Việc tính toán khả bảo vệ thạch cao chống cháy dựa sở hệ số dẫn nhiệt thạch cao số ứng với thạch cao nước hoàn toàn, hãng sản xuất cung cấp, thời điểm bị cháy, thạch cao có lượng nước tác động không khí ẩm Tác động nhiệt trình cháy làm cho lượng nước dần, làm cho hệ số dẫn nhiệt thay đổi Vì việc tính toán thời gian cách nhiệt an toàn cho kết cấu bảo vệ sử dụng giá trị hệ số dẫn nhiệt thay đổi kể đến ảnh hưởng trình nước cho kết sát với thực tiễn, đảm bảo an toàn cho kết cấu - Định hướng nội dung nghiên cứu luận án chương là: + Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến mức độ nước thạch cao, qua tìm mối liên hệ yếu tố ảnh hưởng đến thay đổi hệ số dẫn nhiệt điều kiện chịu tác động quy luật đám cháy tiêu chuẩn + Nghiên cứu xây dựng quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt thạch cao theo mức độ nước tác động đám cháy tiêu chuẩn + Nghiên cứu thực nghiệm mô hình để kiểm chứng tổng hợp kết nghiên cứu CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ GIÁN TIẾP ẢNH HƢỞNG ĐẾN HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA TẤM THẠCH CAO TRONG QUÁ TRÌNH XẢY RA CHÁY Nội dung chương trình bày phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt phục vụ công tác thiết kế bảo vệ kết cấu bị cháy kết nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng tham số đến khả nước thạch cao, gồm: (1) Trạng thái gia nhiệt; (2) Chiều dày thạch cao chống cháy; (3) Tốc độ gia nhiệt Do tác động không khí ẩm, thạch cao thường không trạng thái nước hoàn toàn mà có lượng nước định Lượng nước thạch cao giảm dần đến trạng thái nước hoàn toàn tác động đám cháy Cùng với trình nước này, hệ số dẫn nhiệt thạch cao biến thiên giảm dần theo thời gian bị tác động cháy 2.1 Phƣơng pháp thí nghiệm để xác định hệ số dẫn nhiệt a Phƣơng pháp thí nghiệm nhà sản xuất thực Trong công trình nghiên cứu trước đây, việc xác định hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt thực điều kiện gia nhiệt ổn định tác động nhiệt hai mặt, không tính đến ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt, tốc độ khô thạch cao độ mở vết nứt chịu tác động nhiệt độ Giá trị độ dẫn nhiệt thạch cao lấy số, ứng với trạng thái thạch cao bị nước hoàn toàn Căn vào phương pháp để xác định hệ số dẫn nhiệt nêu cho thấy có số yếu tố chưa phù hợp với điều kiện làm việc thạch cao bị tác động lửa đám cháy gây ra, cụ thể: - Khi đám cháy xảy ra, tác động không khí ẩm môi trường thạch cao làm việc nên tồn lượng nước định Lượng nước làm cho hệ số dẫn nhiệt trạng thái ban đầu lớn hệ số dẫn nhiệt mà nhà sản xuất cung cấp theo phương pháp xác định - Việc thoát hết lượng nước tồn thạch cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: (1) trạng thái gia nhiệt (tác động gia nhiệt đám cháy tác động lên mặt thạch cao); (2) chiều dầy thạch cao; (3) cường độ gia nhiệt Như vậy, thời gian bảo vệ kết cấu chịu tác động đám cháy, hệ số dẫn nhiệt thạch cao thay đổi theo hướng giảm dần trình nước có Khi lượng nước hết hệ số dẫn nhiệt ổn định có giá trị số b Phƣơng pháp thí nghiệm đề xuất luận án Để xác định hệ số dẫn nhiệt thạch cao bảo vệ kết cấu thép điều kiện bị cháy, luận án tiến hành xác định hệ số dẫn nhiệt cách gia nhiệt theo mặt lò điện Nhiệt độ gia nhiệt mặt nóng (trong lò) theo đường cong gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Mẫu thí nghiệm đặt phía trước lò điện mặt tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt (mặt nóng) Nguồn nhiệt có khả điều chỉnh để trì ổn định nhiệt độ đốt nóng Vị trí tiếp xúc mẫu thử lò chèn vật liệu cách nhiệt kín, đảm bảo không để nhiệt lượng lò thoát Sự truyền nhiệt giả thiết đơn hướng, ổn định qua mặt cắt ngang coi vật liệu đồng đẳng hướng Nhiệt độ mặt tiếp xúc với nguồn nhiệt (mặt nóng), phía (mặt lạnh) đo đầu đo nhiệt Nhiệt độ phía theo dõi đến ổn định từ xác định giá trị cần thiết tính toán hệ số dẫn nhiệt tương ứng Lò điện đặt phòng có điều hòa giữ ổn định nhiệt bên lò Hệ số dẫn nhiệt xác định theo công thức đây: U  I  (2.1)  A  T1  T2  Trong : I : cường độ dòng điện cung cấp cho lò, A U : hiệu điện cung cấp cho lò, V A : diện tích tiếp xúc mẫu với lò, m2  : chiều dày mẫu thí nghiệm, m T1: nhiệt độ mặt tiếp xúc với nhiệt, °C T2: nhiệt độ mặt tiếp xúc với môi trường, °C Trong công thức nêu trên, nhiệt truyền từ mặt nóng sang mặt lạnh giả thiết phân bố tuyến tính theo chiều dày 2.2 Ảnh hƣởng số tham số đến khả nƣớc, làm hệ số dẫn nhiệt thạch cao thay đổi trình cháy 2.2.1 Trạng thái gia nhiệt để xác định hệ số dẫn nhiệt a Trường hợp thạch cao bị nung nóng hai mặt - Trong khoảng nhiệt độ từ 30°C đến 200°C: Khi nung nóng toàn mặt thạch cao rắn cứng 70°C bắt đầu xảy tách nước phá huỷ cấu tạo mạng tinh thể Ở nhiệt độ xấp xỉ 200°C, nước hoá học thạch cao bị tách hoàn toàn Ở nhiệt độ 200°C, tổn hao trọng lượng mẫu thử lớn (đạt khoảng 21%) thạch cao bị nước hoàn toàn - Trong khoảng nhiệt độ từ 400 - 700°C: Do giai đoạn trước, thạch cao bị nước hoàn toàn nên khoảng nhiệt độ khối lượng mẫu thử không thay đổi - Từ 900°C: Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nung lên đến gần 900°C, xảy phản ứng hóa học: b Trường hợp thạch cao bị nung nóng mặt Trong thực tế, tác động độ ẩm không khí, thạch cao có độ ẩm định Khi xảy cố cháy, lửa tác động gia nhiệt trực tiếp lên mặt thạch cao bảo vệ kết cấu Tác động nguyên nhân làm giảm lượng nước ẩm thạch cao nước hoàn toàn Dưới trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng trạng thái gia nhiệt theo quy luật đám cháy tiêu chuẩn lên mặt thạch cao - Thiết bị thí nghiệm: Thiết bị thí nghiệm gồm: lò điện model ELF 11/4, có dải nhiệt độ từ 0°C đến 1100°C Mỹ (Hình 2.4); Đầu đo nhiệt độ Model WRNK – 191 đồng hồ hiển thị nhiệt độ Model XMTD – 2001 - Mẫu thí nghiệm: Mẫu thí nghiệm sản phẩm thạch cao chống cháy hãng GYPROC BORAL, với loại chiều dày sau: - Tấm thạch cao GYPROC chống cháy: - Tấm thạch cao BORAL FIREBLOC chống cháy: Các mẫu thí nghiệm có kích thước 300x300 mm2 Mẫu thí nghiệm gia nhiệt mặt nóng cấp nhiệt độ: 50, 100, 120, 200, 400, 600, 800, 1000 °C Các giá trị nhiệt độ chọn dựa thay đổi ứng xử thạch cao phân tích mục Ở cấp nhiệt độ, tiến hành thí nghiệm mẫu Quy trình thí nghiệm vị trí đo nhiệt độ bố trí sau: - Phía lò: điểm đo (điểm 1) - Trên bề mặt : điểm đo (điểm 3) - Ở : điểm đo (điểm 2) Trình tự thí nghiệm cấp nhiệt độ sau: - Cân mẫu trước thí nghiệm (ghi lại giá trị khối lượng m1); - Gá mẫu vào trước lò; - Lắp đặt đầu đo; - Nâng nhiệt độ lò lên cấp nhiệt độ thí nghiệm (ghi lại thời gian); - Khi nhiệt độ lò đạt cấp nhiệt độ thí nghiệm, theo dõi đến nhiệt độ mặt lạnh đạt ổn định; giá trị nhiệt độ đo điểm 1, 2, có quan hệ tuyến tính - Sau nhiệt độ ổn định, tiến hành ghi lại giá trị nhiệt độ, cường độ dòng điện, hiệu điện thế; - Sau kết thúc thí nghiệm, tiến hành cân lại mẫu (ghi lại giá trị khối lượng m 2) Từ kết thí nghiệm cho thấy: - (1) Từ cấp gia nhiệt ứng với nhiệt độ 200°C trở lên, giá trị hệ số dẫn nhiệt loại không thay đổi xem số; - (2) Với loại thạch cao nghiên cứu, thời gian cần thiết để nhiệt độ phía mặt lạnh mẫu thí nghiệm ổn định nhiệt độ giá trị nhiệt độ đo điểm 1, 2, có giá trị tuyến tính cho cấp gia nhiệt khoảng từ 15 đến 20 phút Trạng thái ổn định tương ứng với trạng thái nước hoá học thạch cao bị tách hoàn toàn - (3) Quy luật ảnh hưởng độ hao tổn nước đến hệ số dẫn nhiệt hai thạch cao có chiều dày khác tương tự nhau; - (4) cấp gia nhiệt, giá trị độ hao tổn nước mỏng dày không giống (ví dụ, GYPROC 12,7 mm có tổng lượng nước thoát hết khoảng 20% nhiệt độ mặt nóng 1000°C với GYPROC 15,8 mm lại có tổng lượng nước thoát hết 15% nhiệt độ mặt nóng 1000°C) giá trị hệ số dẫn nhiệt mỏng nhỏ dày Điều giải thích có thạch cao mỏng thoát nước nhiều có hệ số dẫn nhiệt nhỏ 2.2.2 Ảnh hƣởng độ dày thạch cao đến khả nƣớc, làm hệ số dẫn nhiệt thạch cao thay đổi trình cháy Dưới tác động gia nhiệt độ dầy có ảnh hưởng đến tốc độ thoát nước ẩm gián tiếp ảnh hưởng đến tốc độ giảm hệ số dẫn nhiệt đến giá trị số (ở trạng thái thạch cao nước hoàn toàn) Tác giả luận án tiến hành thí nghiệm xác định giá trị hệ số dẫn nhiệt với Tấm GYPROC BORAL Giá trị hệ số dẫn nhiệt tính toán từ giá trị đo thực nghiệm cho theo bảng đây: Tấm GYPROC 12,7 mm Tấm GYPROC 15,8 mm Hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn Nhiệt độ (°C) Nhiệt độ (°C) (W/m°C) nhiệt (W/m°C) 50 0.41 50 0.53 100 0.28 100 0.35 120 0.24 120 0.29 200 400 600 800 1000 0.19 0.18 0.18 0.19 0.19 200 400 600 800 1000 0.25 0.22 0.21 0.21 0.23 Tấm BORAL 15 mm Hệ số dẫn Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt độ (°C) Nhiệt độ (°C) nhiệt (W/m°C) (W/m°C) 50 0.39 50 0.43 120 0.19 120 0.25 200 0.15 200 0.2 400 0.16 400 0.18 600 0.18 600 0.18 800 0.22 800 0.23 1000 0.22 1000 0.23 Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C) Tấm BORAL 12,5 mm 0.9 Mehaffey (94) 0.8 Hamanthy (88) 0.7 Thomas (97) 0.6 Takeda (98) Cooper (97), Franssen (99) 0.5 Sultan (96) 0.4 Wakili (07) 0.3 Rahmanian (11) 0.2 Benichou (05) 0.1 Tấm GYPROC 12.7 mm 0 200 400 600 Nhiệt độ (°C) 800 1000 Tấm GYPROC 15.8 mm Hình 2.1 So sánh hệ số dẫn nhiệt loại thạch cao GYPROC thí nghiệm với kết nghiên cứu nước 10 - Kiểm tra độ kín khít lò mẫu, tránh tượng thất thoát lượng nhiệt - Vị trí bố trí đầu đo sau: + Phía lò: điểm đo (điểm ); + Trên bề mặt : điểm đo (điểm 3); + Ở : điểm đo (điểm 2); c Bƣớc 3: Lắp đặt mẫu thiết bị đo - Tiến hành gia tăng nhiệt độ lò đốt theo đường cong gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834, tốc độ gia nhiệt 20oC/phút - Lấy số liệu đo nhiệt độ mẫu thạch cao thí nghiệm thời điểm nhiệt độ lò giá trị 25, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 1000 oC d Bƣớc 4: Tính toán xác định hệ số dẫn nhiệt: Hệ số dẫn nhiệt xác định theo công thức đây: U  I   A  T1  T2  e Bƣớc 5: Lập biểu đồ quan hệ hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ TRUYỀN NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT THÉP DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỬA Nội dung chương trình bày nghiên cứu ảnh hưởng tham số đến truyền nhiệt mô hình cột thép có lớp bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp (bài toán nhiệt) xác định khả chịu lực cột thép chịu nén tâm có lớp bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp (bài toán cơ-nhiệt) tác dụng lửa theo nội dung sau: - Các lý thuyết tính toán liên quan đến trình truyền nhiệt ứng xử cơ-nhiệt cột thép điều kiện cháy; - Lập mô hình số mô trình truyền nhiệt ứng xử cơ-nhiệt cột thép chịu tác dụng đồng thời tải trọng nén tâm tải trọng nhiệt; - Phân tích, làm rõ ảnh hưởng thông số vật liệu, kích thước hình học, tải trọng, chế độ gia nhiệt đến truyền nhiệt khả chịu lực cột thép trường hợp có lớp bảo vệ thạch cao chống cháy bọc dạng hộp; - Tính toán, so sánh cho trường hợp sử dụng hệ số dẫn nhiệt nhà sản xuất cung cấp hệ số dẫn nhiệt xác định thực nghiệm Tác giả luận án đưa sở lý thuyết liên quan đến trình truyền nhiệt tượng truyền dẫn nhiệt vật rắn, tượng truyền dẫn nhiệt không khí; sở lý thuyết toán học; mô hình hóa phương pháp phần tử hữu hạn Trong chương 3, tác giả luận án sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, nhiều chương trình phần mềm thương mại, sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn PTHH (FEM) để phân tích toán vật lý - học, chuyển phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa gần để giải Luận án đưa mô hình truyền dẫn nhiệt mô hình cơ-nhiệt để mô trình truyền nhiệt ứng xử cơ-nhiệt cột thép bảo vệ 13 không bảo vệ thạch cao chống cháy, đồng thời kèm theo số giả thiết a Sơ đồ tính toán toán nhiệt: b Sơ đồ tính toán toán cơ-nhiệt Mô hình sử dụng để tính toán trình truyền nhiệt cột thép có lớp bảo vệ thạch cao chống cháy bọc dạng hộp với tham số sau: 14 + Cột chịu lửa theo mặt theo mặt + Kích thước hình học cột thép: H150 (150x150x20x20 mm), H200, H300 với chiều cao 2.4 m + Sơ đồ làm việc cột thép sơ đồ đầu ngàm, đầu khớp + Nguồn nhiệt nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834, tác dụng vào mặt mặt cấu kiện; thời gian tính toán đến 100 phút Các tham số nghiên cứu bao gồm: (i) Kích thước hình học cột thép: H150, H200, H300; (ii) Chiều dày lớp thạch cao bảo vệ: 12,7 15,8 mm; (iii) Hệ số dẫn nhiệt thạch cao GYPROC, lấy theo thông số nhà sản xuất cung cấp (λ = 0,2 W/mK) theo thông số xác định từ thực nghiệm; (iv) Tác dụng nhiệt theo mặt theo mặt; (v) Khoảng cách thông thủy thạch cao bề mặt cột thép: theo quy định nhà sản xuất, giá trị tối đa cm Do giới hạn kích thước chữ C dùng để liên kết thạch cao với cột thép nên tính toán này, giá trị cm, cm cm sử dụng tính toán; (vi) Ảnh hưởng giải pháp bảo vệ; (vii) Tải trọng nén tâm: 10, 25, 50T; Các giá trị so sánh toán truyền nhiệt nhiệt độ thép xác định giá trị trung bình nhiệt độ điểm A, B C mặt cắt cột thép tương ứng với điều kiện biên khác (hình 3.1, 3.2, 3.3) Các giá trị so sánh toán cơ-nhiệt chuyển vị ngang cột, ứng suất trung bình lớn cột thời gian chịu lửa cột thép Hình 3.1 Mô hình tính toán điều kiện biên toán cột không bảo vệ chịu tác dụng lửa mặt Hình 3.2 Mô hình tính toán điều kiện biên toán cột bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp chịu tác dụng lửa mặt 15 P Hình 3.3 Mô hình tính toán Hình 3.4 Sơ đồ làm việc cột chịu điều kiện biên toán cột nén tâm đầu ngàm, đầu khớp bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp chịu tác dụng lửa mặt 3.1 Ảnh hƣởng số tham số đến trình truyền nhiệt cột thép dƣới tác động lửa 3.1.1 Ảnh hƣởng giải pháp bảo vệ tác động lửa theo mặt, mặt Các kết tính toán tốc độ tăng nhiệt cột thép sau 100 phút trường hợp tính toán với hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm theo nhà sản xuất Kết so sánh cho thấy hiệu việc bảo vệ cột thép thạch cao làm giảm đáng kể nhiệt độ cột thép Với cột thép không bảo vệ, tốc độ tăng nhiệt cột sau 100 phút khoảng 10°C/phút tương đương gần 1000°C, bảo vệ thạch cao tốc độ tăng nhiệt cột khoảng 6,25°C/phút (625°C) chịu lửa theo mặt khoảng 5,9°C/phút (590°C) chịu lửa theo mặt Tính toán với trường hợp cột chịu lửa mặt mặt cho thấy, chịu nhiệt độ 10000C thời gian 100 phút, nhiệt độ cột thép trường hợp chịu lửa mặt tăng khoảng 5% (50oC đến 60oC) so với cột chịu lửa mặt Kết cho thấy giải pháp cấu tạo nhau, cần tính toán với 01 trường hợp cột chịu lửa mặt cho kết thiên an toàn 3.1.2 Ảnh hƣởng tải trọng Trong khuôn khổ luận án, mô hình 2D lựa chọn để bước đầu nghiên cứu ảnh hưởng tham số chính, ảnh hưởng tải trọng đến truyền nhiệt cột thép chưa xét đến tính toán Việc phát triển từ mô hình 2D lên mô hình 3D hướng nghiên cứu nghiên cứu sinh 3.1.3 Ảnh hƣởng hệ số dẫn nhiệt Tham số khảo sát phần Hệ số dẫn nhiệt thạch cao GYPROC, lấy theo thông số nhà sản xuất cung cấp (λ = 0,2 W/mK) thông số xác định thực nghiệm Kết so sánh cho thấy tốc độ gia nhiệt sau 100 phút sử dụng hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm lớn giá trị thu sử dụng hệ số nhà sản xuất cung cấp khoảng 0,4 đến 0,8°C/phút (40°C đến 80°C), tương đương tăng khoảng 8-12% Sự khác biệt cho thấy tính toán với hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm cho kết thiên an toàn tính toán với hệ số dẫn nhiệt số nhà sản xuất cung cấp 3.1.4 Ảnh hƣởng khoảng cách thông thủy thạch cao bề mặt cột thép 16 Tham số khảo sát phần khoảng cách thông thủy: 1, 2, cm Kết so sánh cho thấy khoảng cách thông thủy thạch cao bề mặt kết cấu thép tăng khoảng thời gian, tốc độ tăng nhiệt cột thép giảm Tuy nhiên, ảnh hưởng khoảng cách tương đối nhỏ đến khả chịu lửa cột thép Khi tăng chiều dày lớp không khí tử cm lên cm, tốc độ tăng nhiệt giảm từ 0.03-0.05°C/phút tương đương (3-5°C) Kết cho thấy, lấy giá trị khoảng không khí tùy thuộc vào giải pháp liên kết Giá trị khoảng không khí nhỏ thuận tiện cho kiến trúc Ngoài ra, yêu cầu liên kết mà chọn khoảng không khí cm 3.1.5 Ảnh hƣởng chiều dày thạch cao Tham số nghiên cứu phần chiều dày thạch cao: 12,7mm 15,8mm Kết thu cho thấy ảnh hưởng quan trọng chiều dày thạch cao đến ứng xử cột thép bảo vệ chịu tác dụng lửa Sau 100 phút cháy, tốc độ tăng nhiệt cột thép bảo vệ 15,8mm nhỏ khoảng 0,8°C/phút, tương đương 12%, so với cột thép bảo vệ 12,7mm 3.1.6 Ảnh hƣởng số lớp thạch cao Các kết tính toán nhiệt độ thép sau 100 phút nhiệt độ trung bình 1mm lớp bảo vệ Kết so sánh tốc độ tăng nhiệt trung bình mm chiều dày lớp bảo vệ cho thấy nhiệt độ trung bình sử dụng thạch cao 12,7 70% nhiệt độ trung bình sử dụng 15,8 mm Điều cho thấy sử dụng lớp thạch cao 12,7 mm có hiệu bảo vệ cột thép tốt sử dụng lớp thạch cao 15,8 mm 3.1.7 Ảnh hƣởng kích thƣớc tiết diện cột Kết tính toán sau 100 phút cháy cho thấy kích thước tiết diện cột thép có ảnh hưởng đến khả truyền nhiệt có đám cháy cột thép Kích thước tiết diện cột lớn tốc độ tăng nhiệt cột thép nhỏ có ảnh hưởng xạ đối lưu nhiệt khoảng không khí phía cột dẫn đến làm giảm tác động nhiệt từ thạch cao đến cột thép Đối với cột tiết diện H300, tốc độ tăng nhiệt cột thép thu sau 100 phút giảm khoảng 0,6°C/phút, tương đương giảm khoảng 10% so với sử dụng tiết diện H150 3.2 Kết tính toán so sánh ảnh hƣởng tham số đến khả chịu lực cột thép hình chịu nén tâm, dƣới tác động lửa có lớp bảo vệ thạch cao chống cháy bọc dạng hộp 3.2.1 Kết tính toán a Chuyển vị ngang 17 Chuyển vị ngang lớn (mm) 12 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thời gian (phút) Hình 3.5: Chuyển vị ngang vị trí cột thép + Giai đoạn từ đến 20 phút: chuyển vị cột nhỏ khoảng mm cột bảo vệ thạch cao có tác dụng làm giảm nhiệt độ cột; Nhiệt độ trung bình cột thép 1000C; + Giai đoạn từ 20 đến 40 phút: nhiệt độ thạch cao vượt 1000C nhiệt độ bay phần tử nước thạch cao làm giảm khả cách nhiệt hệ cột bảo vệ, điều làm tăng nhiệt độ cột từ 1000C lên 4000C dẫn đến chuyển vị ngang cột tăng dần với tốc độ chậm (từ mm lên khoảng 10 mm); + Giai đoạn từ phút thứ 40 trở đi: nhiệt độ thạch cao tiếp xúc với lửa 4500C, thạch cao hết khả cách nhiệt xuất vết nứt Tuy nhiên, nhiệt độ thạch cao phía tiếp xúc với môi trường chưa tách hết hoàn toàn nước Điều làm chuyển vị cột thay đổi chậm nằm khoảng 8mm b Ứng suất cột thép 400 Ứng suất lớn (MPa) 350 300 250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Thời gian (phút) Hình 3.6: Ứng suất lớn cột thép Đường biểu diễn ứng suất cho thấy ứng suất cột thép khoảng 30 phút đầu không thay đổi Từ 40 phút trở đi, ứng suất cột thép tăng lên nhiệt độ cột thép tăng lên giá trị ứng suất sau 100 phút đạt 195 Mpa Khi so sánh với 18 ứng suất cho phép thép thời điểm, với nhiệt độ đạt khoảng 580°C, hệ số giảm cường độ thép 0.349 ứng suất cho phép cột 0.349x300 MPa = 105 Mpa Thời gian tương ứng với giá trị ứng suất cho phép 70 phút Như kết luận thời gian chịu lửa cột thép nghiên cứu 70 phút 3.2.2 Ảnh hƣởng giải pháp bảo vệ cột thép Ảnh hưởng giải pháp bảo vệ cột thép đến ứng xử cột thép bảo vệ cột chịu tác dụng lửa khảo sát phân tích thông qua giá trị chuyển vị ngang lớn cột Kết so sánh trường hợp cột chịu tải trọng 25T, cột bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp có chuyển vị ngang nhỏ khoảng 2-4 lần so với cột không bảo vệ phụ thuộc vào tiết diện cột thép (H150, H200 H300), phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt sử dụng (do thực nghiệm nhà sản xuất cung cấp) Điều giải thích ảnh hưởng thạch cao giúp làm giảm nhiệt độ cột chịu lửa làm giảm đáng kể biến dạng cột Mặt khác, so sánh ảnh hưởng lửa tác dụng theo mặt theo mặt, cột chịu tải trọng 25T, ảnh hưởng tham số tương đối lớn đến ứng xử cột thép Giá trị chuyển vị cột chịu lửa theo mặt lớn khoảng 1,33 lần chuyển vị cột chịu lửa theo mặt Trong trường hợp cột chịu tải trọng 50T, cột bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp có chuyển vị ngang nhỏ khoảng 2-4 lần so với cột không bảo vệ phụ thuộc vào tiết diện cột thép (H150, H200 H300), phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt sử dụng (do thực nghiệm nhà sản xuất cung cấp) Mặt khác, so sánh ảnh hưởng lửa tác dụng theo mặt theo mặt, cột chịu tải trọng 50T, ảnh hưởng tham số tương đối lớn đến ứng xử cột thép Giá trị chuyển vị cột chịu lửa theo mặt lớn khoảng 1,4 lần chuyển vị cột chịu lửa theo mặt 3.2.3 Ảnh hƣởng tải trọng Các tính toán thực để khảo sát ảnh hưởng tải trọng tác dụng lên cột thép (0T, 25T, 50T) đến ứng xử cột thép Kết tính toán cho thấy ảnh hưởng rõ rệt tải trọng đến chuyển vị ngang cột thép Tải trọng lớn chuyển vị ngang cột lớn, với trường hợp tải trọng tâm 50T, chuyển vị ngang cột lớn từ 1,5 đến 2,5 lần trường hợp cột không chịu tải trọng 3.2.4 Ảnh hƣởng hệ số dẫn nhiệt Các tính toán thực để khảo sát ảnh hưởng hệ số dẫn nhiệt lên cột thép (tính toán với hệ số thực nghiệm hệ số nhà sản xuất cung cấp) Kết so sánh cho thấy sử dụng hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm cho kết thiên an toàn với giá trị chuyển vị lớn khoảng 11 đến 14% so với tính toán với hệ số dẫn nhiệt nhà sản xuất cung cấp 3.2.5 Ảnh hƣởng khoảng cách thông thủy thạch cao bề mặt cột thép Các tính toán thực để khảo sát ảnh hưởng khoảng cách thông thủy 1, cm Kết so sánh khoảng cách thông thủy thạch cao bề mặt cột thép có ảnh hưởng tương đối nhỏ đến đến chuyển vị ngang 19 cột thép Khi tăng khoảng cách từ 1cm lên 3cm, giá trị chuyển vị ngang cột thép sau 100 phút mô tăng 1,03 lần 3.2.6 Ảnh hƣởng chiều dày lớp thạch cao Các tính toán thực để khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp thạch cao bảo vệ 12,7mm 15,8 mm Kết so sánh cho thấy sau 100 phút, sử dụng 12,7mm làm cho chuyển vị ngang cột tăng lên khoảng 1,5-1,7 lần, phụ thuộc vào giá trị tải trọng, so với trường hợp sử dụng 15,8mm 3.2.7 Ảnh hƣởng kích thƣớc tiết diện cột Các tính toán thực để khảo sát ảnh hưởng kích thước tiết diện cột H150, H200 H300 Cột H150 có chuyển vị ngang lớn khoảng 1,3 đến 1,5 lần so với cột H300, phụ thuộc vào giá trị tải trọng 3.2.8 So sánh với tiêu chuẩn Eurocode 3, phần 1-2 Trong tiêu chuẩn Eurocode 3, phần 1-2 có quy định phương pháp để xác định khả chịu lửa cấu kiện: phương pháp tính toán giản đơn phương pháp tính toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Kết tính toán thời gian chịu lửa (thông qua ứng suất giới hạn cột thép) phương pháp với tiết diện cột tải trọng, ứng với giá trị tải trọng khác 0, 25 50T Kết so sánh tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn thiên an toàn với giá trị thời gian chịu lửa cấu kiện nhỏ từ 10-12 phút so với thời gian chịu lửa tính toán phương pháp giản đơn quy định tiêu chuẩn Eurocode 3, phần 1-2 Sự khác giải thích sai khác hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nhiệt độ xác định thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt số tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu CHƢƠNG THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ CHÍNH ĐẾN SỰ TRUYỀN NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT THÉP CÓ VÀ KHÔNG CÓ LỚP BẢO VỆ BẰNG TẤM THẠCH CAO BỌC DẠNG HỘP DƢỚI TÁC DỤNG CỦA LỬA Kết xác định chuyển vị nhiệt độ cột thép chịu nén tâm chịu tác động mặt lửa tính toán phần mềm ANSYS chương Để kiểm chứng lại kết áp dụng vào thực tiễn cho công trình xây dựng, luận án tiến hành triển khai tiến hành thực nghiệm xác định chuyển vị nhiệt độ cột thép chịu nén tâm chịu tác động mặt lửa phòng nghiên cứu phòng chống cháy - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Việc tạo nhiệt tương đương nhiệt độ đám cháy tiêu chuẩn thực lò đốt phòng nghiên cứu phòng chống cháy Mục tiêu thí nghiệm nhằm xác định 02 thông số ứng với 02 trường hợp cột thép chịu nén tâm, tải trọng nén 25 tấn/ cột bọc thạch cao chống cháy dạng hộp trường hợp không bọc thạch cao chống cháy dạng hộp 02 thông số mà luận án cần xác định gồm: - Xác định nhiệt độ điểm khác theo chiều cao cột thép - Xác định chuyển vị theo hai phương x, y 04 vị trí dọc theo chiều cao cột thép a – Đo nhiệt độ: Các đầu đo nhiệt độ bố trí 03 mặt cắt dọc theo chiều cao cột 20 y y T T CH¸Y CH¸Y x x 9 Các điểm đo nhiệt độ MC 1-1 – Các điểm đo nhiệt độ MC 3-3 Tổng số: vị trí 1,2,3,4,5,6,7,8,9 Tổng số: vị trí 1,2,8,9 Hình 4.1 Các vị trí đo nhiệt độ cột thép bọc thạch cao bảo vệ y y CH¸Y CH¸Y 7 x x 8 Các điểm đo nhiệt độ MC 1-1 – Các điểm đo nhiệt độ MC 3-3 Tổng số: vị trí 1,2,3,4,5,6,7,8 Tổng số: vị trí 1,2,3,4,5,6,7,8 Hình 4.2 Các vị trí đo nhiệt độ cột thép không bọc thạch cao bảo vệ b – Đo chuyển vị: Các vị trí cần xác định 04 vị trí dọc theo chiều cao cột 4.1 Quy trình thí nghiệm xác định chuyển vị nhiệt độ 02 cột thép đƣợc bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp - Lắp dựng 02 cột bọc bảo vệ vào lò đốt, cột bọc thạch cao chống cháy dầy 12.7mm 15.8 mm - Lắp dựng vách (tấm) thép bọc thủy tinh cách nhiệt vào vị trí hở mặt lò đảm bảo 03 mặt cột chịu tác động lửa, 01 mặt không chịu tác động lửa - Lắp dựng thép ngang, giữ thép mặt lò - Đưa gối tạo liên kết khớp vào mặt cột thép - Lắp dựng kích gia tải - Lắp dựng cột để gắn đầu đo chuyển vị - Lắp đặt đầu đo chuyển vị - Tiến hành gia tải, tải trọng nén 25 / cột - Chèn bịt thủy tinh vào vị trí hở - Tiến hành thí nghiệm - Kết thúc thí nghiệm 4.2 Quy trình Thí nghiệm xác định chuyển vị nhiệt độ 01 cột thép không đƣợc bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp - Lắp dựng 01 cột thép không bọc bảo vệ vào lò đốt; đưa gối tạo liên kết khớp vào mặt cột thép; lắp dựng kích gia tải - Lắp dựng cột để gắn đầu đo chuyển vị; lắp đặt đầu đo chuyển vị 21 - Tiến hành gia tải, tải trọng nén 25 / cột - Chèn bịt thủy tinh vào vị trí hở - Tiến hành thí nghiệm - Kết thúc thí nghiệm 4.3 Kết thí nghiệm a Nhiệt độ: 1200 Điểm (1) Điểm (2) 1200 Nhiệt độ lò 1000 800 Điểm (1) Điểm (1) Điểm (2) Điểm (2) 800 Nhiệt độ (C) Nhiệt độ (C) Điểm (1) Điểm (1) 1000 y 600 T 400 CH¸Y y 400 x 600 T 200 200 0 CH¸Y 10 20 30 40 50 60 70 10 20 Hình 4.3 Nhiệt độ điểm đo thạch cao tiếp xúc với lửa(cột H150 bọc bảo vệ thạch cao GYPROC 12,7mm) 50 x 60 70 Hình 4.4 Nhiệt độ điểm đo cột thép (cột H150 bọc bảo vệ thạch cao GYPROC 12,7mm) 1200 1200 Điểm (1) Điểm (2) 1000 800 800 Nhiệt độ (C) 600 y T 400 CH¸Y 200 x 0 10 20 30 40 50 60 70 y Điểm (1) Điểm (1) Điểm (2) Điểm (2) 800 Điểm (1) Điểm (1) Điểm (1) Điểm (3) Điểm (1) Điểm (1) Điểm (2) Điểm (3) Điểm (1) Điểm (2) Điểm (1) Nhiệt độ lò 400 300 y 200 CH¸Y x 20 30 x 10 20 30 40 50 60 70 Hình 4.6 Nhiệt độ điểm đo (cột H150 bọc bảo vệ thạch cao GYPROC 15,8mm) 500 10 600 CH¸Y 200 700 100 T 400 Thời gian (phút) Hình 4.5 Nhiệt độ điểm đo thạch cao tiếp xúc với môi trường (cột H150 bọc bảo vệ thạch cao GYPROC 12,7mm) 900 Điểm (1) Điểm (2) 600 Thời gian (phút) 1000 Điểm (1) Điểm (1) Nhiệt độ lò Nhiệt độ lò 1000 Nhiệt độ (C) 40 Thời gian (phút) Thời gian (phút) Nhiệt độ (C) 30 40 50 Thời gian (phút) Hình 4.7 Nhiệt độ điểm đo cột thép (cột H150 bọc bảo vệ thạch cao GYPROC 15,8mm) 22 b Chuyển vị: 12 Thí nghiệm - Giữa cột (1) TN - Giữa cột (1) 10 Chuyển vị (mm) Thí nghiệm - Giữa cột (2) Chuyển vị (mm) TN - Giữa cột (2) TN - Giữa cột (3) TN - Giữa cột (4) 2 0 -1 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian (phút) 80 Thời gian (phút) Hình 4.8 Chuyển vị cột thép H150 bảo vệ thạch cao 12,7 mm Hình 4.9 Chuyển vị cột thép H150 bảo vệ thạch cao 15,8 mm 4,5 Chuyển vị (mm) 3,5 Chuyển vị cột 2,5 1,5 0,5 0 10 20 30 40 50 60 Thời gian (phút) Hình 4.10 Chuyển vị cột thép H150 không bảo vệ 4.4 So sánh với kết tính toán 900 800 TN-Điểm (1) 700 TN-Điểm (2) 600 Tính toán Điểm (1) Điểm (2) Điểm (1) Tính toán - Điểm 800 700 600 500 Nhiệt độ (C) Nhiệt độ (C) 900 y T 400 300 CH¸Y 200 x Điểm (1) Điểm (1) Điểm (2) 500 400 y 300 T 200 CH¸Y 100 100 x 0 0 10 20 30 40 Thời gian (phút) 50 60 70 Hình 4.11 So sánh nhiệt độ thạch cao tiếp xúc với lửa 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian (phút) Hình 4.12 So sánh nhiệt độ điểm cột thép 23 12 900 700 Thí nghiệm - Giữa cột (2) 10 Điểm (2) Tính toán - Điểm Tính toán - Giữa cột Chuyển vị (mm) 600 Nhiệt độ (C) Thí nghiệm - Giữa cột (1) Điểm (1) 800 500 400 y T 300 200 CH¸Y 100 x 0 0 10 20 30 40 Thời gian (phút) 50 60 10 20 30 40 50 60 70 80 -2 70 Thời gian (phút) Hình 4.13 So sánh nhiệt độ thạch cao tiếp xúc với môi trường Hình 4.14 So sánh chuyển vị ngang cột thép bảo vệ 12,7mm tính toán thí nghiệm Bảng 4.1: So sánh nhiệt độ, chuyển vị thời gian chịu lửa cột thép bảo vệ thạch cao GYPROC 12,7mm Nhiệt độ cột thép thí nghiệm (0C) 70 phút Chuyển vị ngang lớn (mm) Tính toán Thí nghiệm Tính toán Thí nghiệm 550 580 10 60 TN - Giữa cột (1) Điểm (1) 800 10 Điểm (1) 700 TN - Giữa cột (2) TN - Giữa cột (3) Chuyển vị (mm) Điểm (1) Điểm (2) 600 Tính toán - Điểm Nhiệt độ (C) 70 12 900 500 400 y T 300 TN - Giữa cột (4) Tính toán 200 CH¸Y x 100 0 0 10 20 30 40 Thời gian (phút) 50 60 Điểm (1) Điểm (1) Điểm (2) Điểm (2) 900 800 Điểm (1) Điểm (1) Điểm (1) Điểm (3) Điểm (1) Điểm (1) Điểm (2) Điểm (3) 600 500 y T 200 CH¸Y 100 40 50 60 70 80 700 300 30 Hình 4.16 So sánh chuyển vị ngang cột thép bảo vệ 15,8mm tính toán thí nghiệm Điểm (1) Điểm (2) Điểm (1) Tính toán 400 20 Thời gian (phút) Chuyển vị ngang lớn (mm) 1000 10 70 Hình 4.15 So sánh nhiệt độ cột thép bảo vệ 15,8 mm tính toán thí nghiệm Nhiệt độ (C) Thời gian chịu lửa (phút) Thí Tính toán nghiệm Thí nghiệm Tính toán x 0 10 20 30 Thời gian (phút) 40 50 Hình 4.17 So sánh nhiệt độ cột thép H150 10 20 30 40 50 Thời gian (phút) Hình 4.18 So sánh chuyển vị ngang cột 24 không bảo vệ tính toán thí nghiệm thép H150 không bảo vệ tính toán thí nghiệm Bảng 4.2: So sánh nhiệt độ, chuyển vị thời gian chịu lửa cột thép không bảo vệ tính toán giá trị thí nghiệm Nhiệt độ cột thép thí nghiệm Chuyển vị ngang lớn Thời gian chịu lửa (phút) (0C) 45 phút (mm) Tính toán Thí nghiệm Tính toán Thí nghiệm Tính toán 850 600 6,4 17 Thí nghiệm 37 Từ nghiên cứu chƣơng 4, tác giả luận án rút số kết luận nhƣ sau: Đã nghiên cứu lập quy trình thí nghiệm tiến hành thí nghiệm kiểm chứng kết tính toán lý thuyết với thực nghiệm với trường hợp bọc bảo vệ thạch cao chống cháy trường hợp không bọc bảo vệ thạch cao chống cháy phù hợp với điều kiện Việt Nam Các kết thí nghiệm kiểm chứng kết tính toán cho số trường hợp thí nghiệm có đầy đủ kết đo cho thấy: + Ở nhiệt độ lớn 550oC, thạch cạo bảo tồn tính nguyên vẹn, liên kết (vít, bu lông ) còn, giải pháp cấu tạo sử dụng vít liên kết khoan sâu từ 5mm, bên phủ vữa thạch cao chống cháy đáp ứng yêu cầu chịu lửa thời gian tối thiểu 60 phút; + Đối chiếu kết thực nghiệm kết tính toán chuyển vị nhiệt độ cột thép với số trường hợp có đầy đủ kết đo, độ sai số nhiệt độ thời gian chịu lửa 5% độ sai số chuyển vị tương đối lớn, hệ số dẫn nhiệt xác định thực nghiệm theo quy trình kiến nghị luận án phù hợp với thực tiễn, sử dụng + Thời gian chịu lửa kết cấu thép phụ thuộc kích thước tiết diện cột thép Thực tế cho thấy tính toán chuyển vị nhiệt độ cột thép, sử dụng nhiệt độ phía cánh đến 550oC giá trị giới hạn chịu lửa KẾT LUẬN CHUNG I Các kết đạt đƣợc 1- Trên sở kết điều tra nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa áp dụng giới Việt Nam, tác giả luận án minh chứng đưa kiến nghị giải pháp bảo vệ có hiệu quả, phù hợp với điều kiện kỹ thuật - kinh tế Việt Nam Đó sử dụng giải pháp bọc thạch cao chống cháy dạng hộp 2- Đã xây dựng quy trình thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt thạch cao thực nghiệm phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam tác động thực tế đám cháy, cụ thể là: + Điều kiện tác động nhiệt lên mặt thạch cao Tác động phù hợp với thực tiễn đám cháy xảy so với phương pháp xác định gia nhiệt 02 mặt mà nhà sản xuất sử dụng 25 + Đã kể đến ảnh hưởng lượng nước có thạch cao, tác động không khí ẩm môi trường thạch cao làm việc, trình xảy đám cháy Ảnh hưởng làm cho giá trị hệ số dẫn nhiệt xác định phương pháp thực nghiệm khác với giá trị hệ số dẫn nhiệt nhà sản xuất cung cấp kể quy luật giá trị + Đã kể ảnh hưởng tham số chiều dầy; số lượng để tạo chiều dầy lớp bảo vệ; tốc độ gia nhiệt bất lợi cho hệ số dẫn nhiệt; môi trường độ ẩm nhiệt độ tương ứng làm sở để tiến hành thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt 3- Tác giả luận án nghiên cứu sở lý thuyết lập mô hình tính toán trình truyền nhiệt thạch cao tính toán học mô ứng xử cột thép không bảo vệ thạch cao chịu tác dựng lửa phương pháp phần tử hữu hạn Các kết tính toán từ mô hình kể ảnh hưởng tham số như: (1) Tác động lửa theo mặt, mặt ; (2) Hệ số dẫn nhiệt xác định thực nghiệm nhà sản xuất; (3) Khoảng cách từ thạch cao đến thép; (4) Chiều dày thạch cao; (5) Số lớp bảo vệ ; (6) Kích thước tiết diện cột Đồng thời tác giả luận án làm tường minh thuật toán để đưa giá trị hệ số thực nghiệm vào chương trình tính toán ANSYS toán truyền nhiệt thạch cao, thuật toán để đưa kết tính vào trình tính toán toán - nhiệt 4- Các kết nghiên cứu tính toán luận án cho giải pháp bảo vệ thạch cao chống cháy loại GYPROC BORAL thời gian bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa tính toán với hệ số dẫn nhiệt xác định thực nghiệm đảm bảo an toàn cho kết cấu thép so với việc tính toán hệ số dẫn nhiệt mà nhà sản xuất cung cấp 5- Luận án thiết lập quy trình thí nghiệm tiến hành thí nghiệm kiểm chứng cho 03 mô hình cột thép có bảo vệ thạch cao chống cháy chịu tác động tải trọng nén tâm với tỷ lệ thực, đồng thời so sánh với kết tính toán theo lý thuyết Đối chiếu kết thực nghiệm kết tính toán cho thấy độ sai số nhiệt độ thời gian chịu lửa kết cấu nhỏ (khoảng 5%), sở để áp dụng hệ số dẫn nhiệt thực nghiệm thuật toán nêu luận án tính toán thiết kế giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động lửa thực tiễn II Hƣớng phát triển luận án - Nghiên cứu ứng xử cột thép có lớp bảo vệ chịu tác dụng dạng tải trọng khác tác dụng lửa; - Nghiên cứu ứng xử cột có dạng liên kết khác 02 đầu cột; - Ứng xử dầm hệ khung thép chịu tải trọng đứng, ngang có lớp bảo vệ tác dụng lửa 26 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyễn Võ Thông, Nguyễn Đức Việt, Trần Hùng (2015), “Mô ảnh hưởng tham số đến khả truyền nhiệt kết cấu cột thép bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp điều kiện cháy”, Hội nghị khoa học toàn quốc học vật rắn biến dạng lần thứ XII, TP Đà nẵng, 6-7/8 ISBN 978604-911-432-8, tr1364-1371 Nguyễn Võ Thông, Nguyễn Đức Việt, Trần Hùng (2015), “Mô ứng xử - nhiệt kết cấu cột thép bảo vệ thạch cao bọc dạng hộp điều kiện cháy”, Hội nghị khoa học toàn quốc học vật rắn biến dạng lần thứ XII, TP Đà nẵng, 6-7/8 ISBN 978-604-911-432-8, tr1372-1379 Nguyen Vo Thong, Nguyen Duc Viet, Tran Hung (2014), “Study to select the fire protection methods for steel structures in Vietnam conditions”, International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA 3) Hanoi, October 15-16, ISBN: 978–604–913–367-1, tr163-170 Nguyen Vo Thong, Nguyen Duc Viet, Tran Hung (2014), “Study of the parameters influencing the thermal conductivity of gypsum plasterboard under fire action in Vietnam conditions”, International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA3) Hanoi, October 15-16, ISBN: 978–604– 913–367-1, tr171-178 Nguyễn Đức Việt, Phan Anh (2012), Mối quan hệ ứng suất – Biến dạng Thép nhiệt độ cao cháy theo tiêu chuẩn Châu Âu, tạp chí Phòng cháy & chữa cháy, số 32, trang 34 – 35 Nguyễn Đức Việt (2012), Một số bất cập quy chuẩn QCVN 06:2010/BXD- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia an toàn cháy cho Nhà công trình, tạp chí Phòng cháy & chữa cháy, số 34, trang 38 – 41 Trịnh Thế Dũng, Nguyễn Đức Việt (2006), giáo trình Phòng cháy xây dựng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 27 [...]... ngàm, 1 đầu khớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp chịu tác dụng lửa 3 mặt 3.1 Ảnh hƣởng của một số tham số chính đến quá trình truyền nhiệt của cột thép dƣới tác động của lửa 3.1.1 Ảnh hƣởng của giải pháp bảo vệ và tác động của lửa theo 3 mặt, 4 mặt Các kết quả tính toán tốc độ tăng nhiệt của cột thép sau 100 phút được trong 2 trường hợp tính toán với hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm và theo... thời gian bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa được tính toán với hệ số dẫn nhiệt xác định bằng thực nghiệm sẽ đảm bảo an toàn hơn cho kết cấu thép so với việc tính toán bằng hệ số dẫn nhiệt mà nhà sản xuất cung cấp 5- Luận án đã thiết lập được quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm kiểm chứng cho 03 mô hình cột thép có và không có bảo vệ tấm thạch cao chống cháy chịu tác động của tải trọng... với tỷ lệ thực, đồng thời so sánh với các kết quả tính toán theo lý thuyết Đối chiếu giữa kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán cho thấy độ sai số về nhiệt độ và thời gian chịu lửa của kết cấu là nhỏ (khoảng 5%), đây là cơ sở để có thể áp dụng hệ số dẫn nhiệt bằng thực nghiệm và thuật toán đã nêu trong luận án khi tính toán thiết kế giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa trong thực tiễn... tiễn II Hƣớng phát triển của luận án - Nghiên cứu ứng xử của cột thép có và không có lớp bảo vệ chịu tác dụng của các dạng tải trọng khác dưới tác dụng của lửa; - Nghiên cứu ứng xử của các cột có dạng liên kết khác ở 02 đầu cột; - Ứng xử của dầm hoặc hệ khung thép chịu tải trọng đứng, ngang có và không có lớp bảo vệ dưới tác dụng của lửa 26 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN... kết cấu thép phụ thuộc kích thước tiết diện cột thép Thực tế cho thấy khi tính toán chuyển vị và nhiệt độ của cột thép, có thể sử dụng nhiệt độ ở phía trong cánh đến 550oC là giá trị giới hạn về chịu lửa KẾT LUẬN CHUNG I Các kết quả chính đạt đƣợc 1- Trên cơ sở các kết quả điều tra và nghiên cứu về các giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam, tác. .. độ CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ TRUYỀN NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT THÉP DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỬA Nội dung chương 3 trình bày nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số đến sự truyền nhiệt của mô hình cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp (bài toán nhiệt) và xác định khả năng chịu lực của cột thép chịu nén đúng tâm có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch... cho phép của thép tại cùng thời điểm, với nhiệt độ đạt khoảng 580°C, hệ số giảm cường độ của thép là 0.349 và do đó ứng suất cho phép của cột là 0.349x300 MPa = 105 Mpa Thời gian tương ứng với giá trị ứng suất cho phép này là 70 phút Như vậy có thể kết luận là thời gian chịu lửa của cột thép nghiên cứu là 70 phút 3.2.2 Ảnh hƣởng của giải pháp bảo vệ cột thép Ảnh hưởng của giải pháp bảo vệ cột thép đến... NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT THÉP CÓ VÀ KHÔNG CÓ LỚP BẢO VỆ BẰNG TẤM THẠCH CAO BỌC DẠNG HỘP DƢỚI TÁC DỤNG CỦA LỬA Kết quả xác định chuyển vị và nhiệt độ của cột thép chịu nén đúng tâm khi chịu tác động của 3 mặt lửa đã được tính toán bằng phần mềm ANSYS trong chương 3 Để kiểm chứng lại các kết quả trên khi áp dụng vào thực tiễn cho các công trình xây dựng, luận án đã tiến hành triển khai tiến hành thực nghiệm. .. đối với 02 cột thép đƣợc bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp - Lắp dựng 02 cột được bọc bảo vệ vào lò đốt, mỗi cột được bọc bằng thạch cao chống cháy dầy 12.7mm và 15.8 mm - Lắp dựng các vách (tấm) bằng thép được bọc thủy tinh cách nhiệt vào các vị trí hở mặt lò đảm bảo 03 mặt của cột chịu tác động của lửa, 01 mặt không chịu tác động của lửa - Lắp dựng các thanh thép ngang, giữ các tấm thép trên mặt... được và không được bảo vệ bằng tấm thạch cao chịu tác dựng của lửa bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các kết quả tính toán từ các mô hình này đã kể được ảnh hưởng của các tham số cơ bản như: (1) Tác động của lửa theo 3 mặt, 4 mặt ; (2) Hệ số dẫn nhiệt xác định bằng thực nghiệm và của nhà sản xuất; (3) Khoảng cách từ tấm thạch cao đến thép; (4) Chiều dày tấm thạch cao; (5) Số lớp bảo vệ ; (6) Kích thước