Khảo sát sự suy giảm khả năng kháng uốn khi cháy của dầm bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Châu Âu

Bài viết này giới thiệu các nguyên tắc chung và một số phương pháp tính toán được quy định trong tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 về thiết kế kháng cháy cho kết cấu bê tông cốt thép và được áp dụng để xác định hệ số suy giảm khả năng kháng uốn (KNKU) của dầm bê tông cốt thép (BTCT) khi chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 13 (4V): 22–34 KHẢO SÁT SỰ SUY GIẢM KHẢ NĂNG KHÁNG UỐN KHI CHÁY CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU Nguyễn Trường Thắnga,∗, Nguyễn Tuấn Trunga a Khoa Xây dựng dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 15/08/2019, Sửa xong 10/09/2019, Chấp nhận đăng 10/09/2019 Tóm tắt Bài báo giới thiệu nguyên tắc chung số phương pháp tính tốn quy định tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 thiết kế kháng cháy cho kết cấu bê tông cốt thép áp dụng để xác định hệ số suy giảm khả kháng uốn (KNKU) dầm bê tông cốt thép (BTCT) chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Các tính chất lý vật liệu bê tông cốt thép nhiệt độ cao, phương pháp tra bảng phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C (thuộc phương pháp đơn giản hóa) giới thiệu minh họa thơng qua ví dụ thực hành Một cơng cụ tính thiết lập để tính tốn khảo sát KNKU dầm Kết khảo sát minh họa cách tường minh hệ số suy giảm KNKU dầm BTCT nhiệt độ cao tỷ lệ thuận với kích thước tiết diện khoảng cách từ mặt tới trọng tâm cốt thép dọc (khoảng cách trục), không bị ảnh hưởng đáng kể cường độ chịu nén bê tông Từ khố: dầm; bê tơng cốt thép; kháng uốn; cháy; tiêu chuẩn châu Âu INVESTIGATION ON FLEXURAL STRENGTH DETERIORATION OF REINFORCED CONCRETE BEAMS UNDER FIRE EXPOSURE TO THE EUROCODE Abstract This paper introduces the general principles and a number of calculation methods specified in the Eurocode EN 1992-1-2 of structural fire design for concrete structures, which can be applied to determine the flexural strength deterioration (FSD) coefficient of reinforced concrete (RC) beams when subjected to fire exposure following ISO 834 curve Temperature-dependent mechanical properties of concrete and reinforcing steel, tabulated method and 500◦C isotherm method (among simplified calculation methods) are introduced and illustrated by design case studies A calculation sheet is established to investigate the FSD of RC beams It is explicitly shown that the FSD coefficient of RC beams is proportional to the beam cross-sectional dimensions and the distance from the beam surfaces to the centroid of longitudinal reinforcement (so-called axis distance), but is not significantly affected by concrete compressive strength Keywords: beam; reinforced concrete; flexural strength; fire; Eurocode https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(4V)-03 c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Ở điều kiện nhiệt độ thường, cấu kiện dầm bê tông cốt thép (BTCT) thiết kế nguyên tắc cho trạng thái giới hạn, dầm khơng bị phá hoại tiết diện thẳng góc, tiết diện nghiêng vênh hệ tương ứng tác động mômen uốn, lực cắt mômen xoắn đạt tới giá trị tới hạn [1] Khả kháng uốn (KNKU) tiết diện thẳng góc dầm BTCT xác định thơng ∗ Tác giả Địa e-mail: thangnt2@nuce.edu.vn (Thắng, N T.) 22 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng qua cặp nội ngẫu lực tạo hợp lực ứng suất cốt thép dọc bố trí vùng kéo hợp lực ứng suất nén bê tông cốt thép phía đối diện qua trục trung hòa tiết diện Khi xảy cố hỏa hoạn cơng trình, cấu kiện dầm BTCT có tiết diện chữ nhật bị tác động trực tiếp nhiệt độ cao từ mặt hai mặt bên từ mặt dầm Do tính chất truyền nhiệt bê tơng, nhiệt độ cốt thép dọc bê tông tăng lên, kết hợp với suy giảm tính chất lý vật liệu, làm giảm giá trị cặp nội ngẫu lực ảnh hưởng tới cánh tay đòn chúng, dẫn tới giảm dần KNKU dầm BTCT suốt thời gian hỏa hoạn Trên giới, số nước vùng lãnh thổ có khoa học công nghệ tiên tiến sớm thực nhiều nghiên cứu thực nghiệm KNKU dầm BTCT với thông số khảo sát bao gồm đường gia nhiệt, loại cốt liệu, phân phối lại nội lực [2–4] Một số tác giả sử dụng quan hệ độ cong - mômen thực mô số để theo dõi phản ứng dầm BTCT chất tải toàn đến sụp đổ tác động nhiệt độ cao [5, 6] Các kết nghiên cứu cập nhật vào tiêu chuẩn thiết kế, tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-1 1-2 [7, 8] có tương đối đầy đủ thông tin áp dụng rộng rãi lĩnh vực thiết kế kết cấu BTCT nhiệt độ thường nhiệt độ cao theo đường gia nhiệt ISO 834 [9] Tại Việt Nam thời gian qua liên tiếp xảy nhiều vụ hỏa hoạn nghiêm trọng cơng trình xây dựng BTCT, gây thiệt hại nặng nề người tài sản Trong đó, quy chuẩn quốc gia an tồn cháy cho nhà cơng trình [10] quy định cấp chịu lửa kết cấu BTCT đơn thơng qua kích thước nhỏ tiết diện bề dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu hành Việt Nam [11] chưa cung cấp số liệu tính chất lý nhiệt độ cao bê tông cốt thép chưa hướng dẫn phương pháp tính tốn khả chịu lực cấu kiện BTCT điều kiện cháy Gần đây, số cơng trình nghiên cứu công bố nước theo hướng ứng dụng tiêu chuẩn châu Âu vào điều kiện Việt Nam, chủ yếu thực cấu kiện cột sàn BTCT [12–19] Trong báo này, nguyên tắc chung số phương pháp tính tốn tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 (gọi tắt EC2-1-2) [8] bao gồm phương pháp tra bảng phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C (thuộc phương pháp tính tốn đơn giản hóa) giới thiệu để xác định KNKU dầm BTCT chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 [9] Thơng qua số ví dụ thực tế, cơng cụ tính thiết lập để khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới suy giảm KNKU dầm BTCT là: (i) Kích thước tiết diện dầm; (ii) Khoảng cách từ mặt đến trọng tâm cốt thép dọc; (iii) Cường độ chịu nén bê tông Các nguyên tắc chung tiêu chuẩn EC2-1-2 2.1 Các phương pháp tính tốn Trong tiêu chuẩn EC2-1-2, việc thiết kế tính tốn khả chịu lửa kết cấu BTCT chia thành hai nhóm chính: - Nhóm 1: Thiết kế theo ngun tắc định trước (prescriptive rules): dựa vào ứng xử nhiệt học học vật liệu kết cấu thu từ thí nghiệm tiêu chuẩn mẫu thử chịu tác động đường gia nhiệt cho trước bề mặt (thường gọi đường gia nhiệt tiêu chuẩn), từ đưa phương pháp tra bảng - Nhóm 2: Thiết kế theo yêu cầu cụ thể tính kết cấu (performance-based approaches): dựa vào ứng xử nhiệt học vật liệu kết cấu chịu tác động đường gia nhiệt đặt trường hợp cụ thể mơ hình truyền nhiệt để xác định khả làm việc kết cấu theo yêu cầu cho trước Trong nhóm có hai phương pháp thiết kế là: (i) Phương pháp đơn giản hóa; (ii) Phương pháp nâng cao 23 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Các phương pháp tính tốn nêu áp dụng cho dạng kết cấu có độ phức tạp tăng dần cấu kiện đơn lẻ, nhóm cấu kiện toàn hệ kết cấu (Bảng 1) Bảng Các phương pháp tính tốn Tiêu chuẩn EC2-1-2 Cấu kiện kết cấu đơn lẻ Một nhóm cấu kiện Toàn hệ kết cấu Phương pháp tra bảng - Cung cấp số liệu ứng với đường gia nhiệt tiêu chuẩn - Không đề cập - Không đề cập Phương pháp đơn giản hóa - Trường phân bố nhiệt độ ứng với đường gia nhiệt tiêu chuẩn - Tính chất lý vật liệu ứng với đường gia nhiệt tiêu chuẩn tương tự - Trường phân bố nhiệt độ ứng với đường gia nhiệt tiêu chuẩn - Tính chất lý vật liệu ứng với đường gia nhiệt tiêu chuẩn tương tự - Không đề cập Phương pháp nâng cao - Chỉ đề cập nguyên tắc chung - Chỉ đề cập nguyên tắc chung - Chỉ đề cập nguyên tắc chung 2.2 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn Tiêu chuẩn EC2-1-2 quy định chịu tác động cháy, nhiệt độ T g (◦C) môi trường bên bề mặt cấu kiện tăng nhanh theo thời gian t (phút) biểu thức sau: T g = 20◦C + 345log10 (8t + 1) (1) Đây quan hệ nhiệt độ - thời gian quy định tiêu chuẩn ISO 834 [9], gọi đường gia nhiệt tiêu chuẩn áp dụng thống phòng thí nghiệm để phục vụ cơng tác nghiên cứu thực nghiệm kiểm định khả kháng cháy cho sản phẩm công nghiệp xây dựng nước liên minh châu Âu Đối với nước khu vực Bắc Mỹ, đường gia nhiệt tiêu chuẩn tuân theo ASTM E119 [20] 2.3 Sự phân bố nhiệt độ dầm BTCT Khi cấu kiện dầm BTCT có tiết diện chữ nhật bị gia nhiệt từ mặt theo đường nhiệt độ - thời gian tiêu chuẩn ISO 834 [9], truyền nhiệt mơi trường ngồi với cấu kiện BTCT diễn thông qua tượng đối lưu (định luật Newton) xạ nhiệt (định luật Stephan-Boltzman) Tiêu chuẩn EC2-1-2 áp dụng hệ số xạ nhiệt µ f = 1,0 hệ số truyền nhiệt đối lưu αk = 25 W/m2 K [8] Để đơn giản hóa, giả thiết bỏ qua ảnh hưởng cốt thép nhiệt độ vị trí cốt thép lấy nhiệt độ bê tơng xung quanh Như vậy, thời điểm định kể từ bắt đầu bị gia nhiệt, nhiệt độ điểm bên tiết diện dầm khác tăng dần từ bên phía ngồi, điểm có nhiệt độ tạo nên nhiều họ đường đẳng nhiệt khép kín tiết diện Phụ lục A Tiêu chuẩn EC2-1-2 cung cấp thông tin phân bố nhiệt độ số dầm BTCT tiết diện chữ nhật số thời điểm định đám cháy 30, 60, 90, 120, 180 240 phút (ký hiệu tương ứng R30, R60, R90, R120, R180 R240) Hình minh họa đường đẳng nhiệt EC2-1-2 cung cấp 1/4 tiết diện dầm có b × h = 300 × 600 mm thời điểm R60, R90 R120 [8] 24 định đám cháy 30, 60, 90, 120, 180 240 phút (ký hiệu tương ứng R30, R60, R90, R120, R180 R240) Hình minh họa đường đẳng nhiệt EC2-1-2 cung cấp 1/4 tiết diện dầm có b×h=300×600 mm thời điểm R60, R90 R120 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng [8] R90 R60 R120 HìnhHình Phân bốbốnhiệt độtrên trên1/41/4 dầmEC2-1-2 theo EC2-1-2 [8] Phân nhiệt độ tiếttiết diệndiện dầm theo [8] 2.4 Sự suy giảm tính chịu lực vật liệu ở5nhiệt độ cao Tại thời điểm định đám cháy, phân tố bê tơng cốt thép tiết diện dầm Tạp (Hình chí Khoa họccó Cơng BTCT có nhiệt độ khác 1) ứngnghệ xử cơXây họcdựng khácNUCE nhau.2019 Theo thời gian, nhiệt độ tăng dẫn tới đặc tính học vớidựng nhiệt độ2019 thường Tạpvật chíliệu Khoasuy họcgiảm Công dần nghệso Xây NUCE Tiêu chuẩn EC2-1-2 quy định rõ suy giảm tính chịu lực nhiệt độ cao bê tông cốt thép hai khía cạnh: (i) Quan hệ ứng suất - biến dạng (Hình 2) (ii) Cường độ (Hình 3) (a) tơng gốc silicat (a)Bê Bêtơng tơng gốc silicat (a) gốcBê silicat (b) thép Cốt thép cán nóng (b) Cốt cánthép nóng (b) Cốt cán nóng ứng- biến suất -dạng biến dạng nhiệt độ theo cao theo EC2-1-2 Hình Hình Quan2.hệQuan ứnghệ suất nhiệt độ cao EC2-1-2 [8][8] Hình Quan hệ ứng suất - biến dạng nhiệt độ cao theo EC2-1-2 [8] Các Hình cho thấy nhiệt độ tăng cao, cường độ mô đun đàn hồi bê tông cốt thép suy giảm Trong đó, biến dạng tương ứng với ứng suất lớn nhất, biến dạng cực hạn bê tông tăng dần với nhiệt độ 25 (a) Bê(a) tông Bê gốc tôngsilicat gốc silicat (b) Cốt (b)thép Cốt cán thépnóng cán nóng Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Hình Quan hệ ứng biến- dạng nhiệt độ cao EC2-1-2 [8] [8] Quan hệsuất ứng -suất biến dạng nhiệt độtheo cao theo EC2-1-2 (b)thép Cốt thép (b) Cốt thép (b) Cốt (a) Bê tông (a)Bê Bê tông (a) tông Sự giảm cườngở độ nhiệt độtheo cao theo EC2-1-2 [8] Hình Hình Sự3.3.giảm cường độcao cao EC2-1-2 Hình Sự giảm cườngđộ độ ởnhiệt nhiệt độ theo EC2-1-2 [8] [8] 2.5 Nguyên tắc kiểm tra khả kháng cháy theo tiêu chí chịu lực R Khi chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834, tiêu chí khả chịu lực học (R - resistance) cấu kiện kiểm tra theo nguyên tắc: Ed, f i = µ f i Ed ≤ Rd, f i = k f i Rd (2) Ed, f i giá trị thiết kế hệ tác động điều kiện nhiệt độ cao theo EC2-1-2 xác định theo biểu thức Ed, f i = µ f i Ed ; với Ed giá trị thiết kế nội lực nhiệt độ thường; µ f i hệ số giảm hệ tác động thiết kế điều kiện nhiệt độ cao, với giá trị khuyến cáo EC2 µ f i = 0,7; Rd, f i giá trị thiết kế khả chịu lực tương ứng cấu kiện điều kiện nhiệt độ cao, với hệ số suy giảm k f i so với khả chịu lực Rd nhiệt độ thường xác định theo công thức k f i = Rd, f i /Rd Hệ số suy giảm k f i khảo sát mục 1 Phương pháp tra bảng tính tốn dầm BTCT nhiệt độ cao Phương pháp tra bảng cho tính tốn dầm đơn giản dầm liên tục quy định tương ứng Bảng 5.5 5.6 EC2-1-2 [8], cung cấp giá trị tối thiểu bề rộng dầm (bmin ), với giá trị tối thiểu khoảng cách tính từ mặt hai mặt bên dầm tới trọng tâm cốt thép dọc chịu lực gần (gọi tắt khoảng cách trục a), để đảm bảo khả kháng cháy từ R30 tới R240 Số liệu bảng có hiệu lực nếu: (i) Các yêu cầu cấu tạo thỏa mãn; (ii) Sự phân phối lại mômen uốn thiết kế nhiệt độ thường dầm liên tục không vượt 15%, không dầm phải coi dầm đơn giản Bảng 5.6 sử dụng cho dầm liên tục có phân phối lại mơmen lớn 15%, với điều kiện dầm phải có khả năng xoay gối tựa điều kiện nhiệt độ cao Một số ví dụ thực hành sau minh hoạ cách áp dụng Bảng 5.5 Bảng 5.6 EC2-1-2 [8] 26 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 3.1 Ví dụ số - Áp dụng Bảng 5.5 EC2-1-2 Sử dụng Phương pháp tra bảng để xác định khả kháng cháy dầm đơn giản BTCT theo tiêu chí chịu lực R90 (có khả chịu lực 90 phút) chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 từ hai mặt bên mặt dầm Kết tra Bảng 5.5 cho thấy dầm đơn giản BTCT tiết diện chữ nhật thỏa mãn yêu cầu kháng cháy theo tiêu chí chịu lực R90 với số phương án sau: - Nếu bmin = 150 mm khoảng cách trục a tối thiểu phải 55 mm; - Nếu bmin = 200, 300, 400 mm khoảng cách trục a tối thiểu 45, 40 35 mm; - Với dầm tiết diện chữ T: bề rộng bụng dầm bmin = 110, 100 100 mm cho lớp WA, WB WC (áp dụng cho Vương quốc Anh, Thụy Điển Tây Ban Nha) Bảng Tra Bảng 5.5 EC2-1-2 cho Ví dụ số [8] Khả kháng cháy tiêu chuẩn R90 Kích thước tối thiểu (mm) Tổ hợp khoảng cách trung bình từ mặt tới trọng tâm cốt thép a bề rộng dầm bmin bmin = 150 a = 55 200 45 300 40 Bề rộng dầm bw Lớp WA Lớp WB Lớp WC 400 35 110 100 100 Giả sử dầm đơn giản thiết kế đủ khả chịu lực nhiệt độ thường với tiết diện chữ nhật b × h = 300 × 600 mm, bố trí thép dọc chịu lực lớp 3Φ25, với khoảng cách trục a = 40 mm Như dầm đáp ứng điều kiện Bảng có khả kháng cháy tới R90 Nói cách khác, nhiệt độ thường dầm thiết kế cho Ed = Rd sau 90 phút, hệ số suy giảm KNKU dầm k f i lớn hệ số giảm hệ tác động µ f i = 0,7 (cơng thức (2)) 3.2 Ví dụ số - Áp dụng Bảng 5.6 EC2-1-2 Sử dụng Phương pháp tra bảng để xác định khả kháng cháy dầm liên tục BTCT theo tiêu chí chịu lực R120 (có khả chịu lực 120 phút) chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 từ hai mặt bên mặt dầm Bảng Tra Bảng 5.6 EC2-1-2 cho Ví dụ số [8] Khả kháng cháy tiêu chuẩn R90 Kích thước tối thiểu (mm) Tổ hợp khoảng cách trung bình từ mặt tới trọng tâm cốt thép a bề rộng dầm bmin bmin = 200 a = 45 300 35 450 35 500 30 Bề rộng dầm bw Lớp WA Lớp WB Lớp WC 130 120 120 Kết tra Bảng 5.6 cho thấy dầm liên tục tiết diện chữ nhật thỏa mãn yêu cầu kháng cháy theo tiêu chí chịu lực R120 với số phương án sau: - Nếu bmin = 200, 300, 400, 500 mm khoảng cách trục a tối thiểu 45, 35, 35 30 mm; 27 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Với dầm tiết diện chữ T: bề rộng bụng dầm bmin = 130, 120 120 mm cho lớp WA, WB WC (áp dụng cho Vương quốc Anh, Thụy Điển Tây Ban Nha) Giả sử dầm liên tục BTCT thiết kế đủ khả chịu lực nhiệt độ thường với tiết diện chữ nhật b × h = 300 × 600 (mm), bố trí thép dọc 3Φ25 lớp 3Φ25 lớp dưới, với khoảng cách a = 40 mm Như dầm thỏa mãn điều kiện Bảng có khả kháng cháy tới R120 Nói cách khác, nhiệt độ thường dầm thiết kế cho Ed = Rd sau 120 phút, hệ số suy giảm KNCL k f i dầm lớn hệ số giảm hệ tác động µ f i = 0,7 (cơng thức (2)) Phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C tính tốn dầm BTCT nhiệt độ cao Có thể thấy Mục phương pháp tra bảng định tính khơng định lượng xác hệ số suy giảm KNKU dầm thời điểm cụ thể đám cháy Nhược điểm khắc phục phương pháp tính tốn đơn giản mà đại diện phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C trình bày sau Phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C áp dụng cho cấu kiện BTCT chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Với tác động nhiệt khác theo thời gian, cần tiến hành phép phân tích cụ thể liên quan tới cường độ bê tông thay đổi theo nhiệt độ thời gian Phương pháp xem xét hệ số suy giảm chung cho kích thước tiết diện khu vực bị hư hại nhiệt gần bề mặt bê tông Độ dày lớp bê tông bị hư hại, ký hiệu a500 , lấy độ sâu trung bình đường đẳng nhiệt 500◦C vùng nén tiết diện cấu kiện Những phần bê tơng có nhiệt độ 500◦C bị coi bị hư hại khơng đóng góp vào khả chịu tải cấu kiện, phần bê tơng lại phía bên tiết diện có giá trị định cường độ mơ đun đàn hồi có nhiệt độ thấp Trên sở phương pháp suy giảm tiết diện ngang, bước tính tốn khả chịu lực tiết diện BTCT tình cháy thực sau: - Xác định đường đẳng nhiệt 500◦C tiết diện bị tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn tác động nhiệt theo tham số - Xác định bề rộng (b f i ) chiều cao hiệu (d f i ) tiết diện cách loại trừ phần bê tơng nằm bên ngồi đường đẳng nhiệt 500◦C Các góc tròn đường đẳng nhiệt quy góc vng tiết diện coi xấp xỉ hình chữ nhật (Hình 4) - Xác định nhiệt độ cốt thép vùng nén vùng kéo từ biểu đồ phân bố nhiệt độ Phụ lục A Tiêu chuẩn EC2-1-2 lấy nhiệt độ trọng tâm tiết diện cốt thép Hình cho thấy số cốt thép nằm ngồi tiết diện ngang suy giảm Mặc dù vậy, thép kể tới tính tốn khả chịu lực cuối tiết diện BTCT bị tác động nhiệt - Xác định cường độ suy giảm theo nhiệt độ cốt thép - Sử dụng phương pháp tính tốn thơng thường cho tiết diện ngang suy giảm để xác định khả chịu lực tới hạn tiết diện với cường độ cốt thép thu từ bước (d) - So sánh khả chịu lực tiết diện với nội lực gây tải trọng thiết kế theo biểu thức (2) Trong phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C, bê tông vùng nén phạm vi bên đường ◦ 500 C giả thiết có cường độ khơng đổi 20◦C, có chiều cao vùng nén bị thay đổi để cân với lực kéo cốt thép nhiệt độ cao Hình cho thấy chịu tác động nhiệt từ hai mặt bên mặt đáy tiết diện, có vùng nén nằm phía (ở khu vực nguội tiết diện), dầm chịu mô men dương làm việc gần với giả thiết so với dầm chịu mô men âm (vùng nén nằm phía dưới) 28 Tạp chí chíKhoa Khoahọc họcCơng Côngnghệ nghệXây Xâydựng dựngNUCE NUCE2019 2019 Tạp Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (a) Vùng kéo bị gia nhiệt (b) Vùng nén bị gia nhiệt Hình Tiết diện ngang suy giảm dầm BTCT [8] Hình 4 Tiết Tiết diện diện ngang ngangsuy suygiảm giảmcủa củadầm dầmBTCT BTCT[8] [8] Hình Ví dụ thực hành sau minh hoạ cách áp dụng phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C để xác định hệ số suy giảm KNKU dầm bị gia nhiệt theo ISO 834 4.1 Ví dụ số - Áp dụng phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C Xét dầm đơn giản BTCT thiết kế với tiết diện chữ nhật b × h = 300 × 600 mm, nhịp bố trí thép dọc chịu lực lớp 3Φ25 (A s = 1472 mm2 , hàm lượng 0,9%) cấu tạo thép dọc lớp 2Φ20 (A s = 628 mm2 ) Khoảng cách trục a = 40 mm Bê tơng có cường độ chịu nén tính tốn 20◦C fcd = 20 MPa, cốt thép cán nóng có cường độ chịu kéo tính tốn 20◦C fyd = 460 MPa Xác định mức độ suy giảm khả chịu uốn dầm sau bị tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 sau 90 phút (R90) phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C Từ đường đẳng nhiệt 500◦C Hình 4, xác định sau 90 phút bị tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834, tiết diện dầm bị giảm 30 mm từ hai mặt bên 45 mm từ mặt đáy (Hình 5(a) 5(b)) Như kích thước hiệu dụng tiết diện dầm sau bị suy giảm b f i = 300 − × 30 = 240 mm d f i = 600 − 45 = 555 mm Hình 5(c) cho thấy R90, nhiệt độ hai cốt thép chịu lực số (ở hai góc) 600◦C, cốt thép số (nằm giữa) 450◦C Theo Hình 3(b), hệ số suy giảm cường độ cốt thép mức nhiệt độ 0,48 0,9 Do vậy, hệ số suy giảm trung bình ba cốt thép chịu kéo 0,62, cường độ trung bình chúng f sd, f i (θm ) = 0,62×460 = 285,2 MPa Tương tự, hai cốt thép chịu nén (số 5) có nhiệt độ 500◦C, với mức suy giảm cường độ 0,78 cường độ trung bình chúng f scd, f i (θm ) = 0,78×460 = 359 MPa oo (a) R90 (b) Đường 500 (c) Nhiệt cốt (a) Tiết Tiết diện diện dầm R90 (b) Đường đẳng nhiệt 500 (c) Nhiệt độtính tạitốn cốtthép thépdọc dọ Hìnhdầm biểu diễn nguyên tắc xác định cácđẳng cặp nộinhiệt ngẫu lực trênCC tiết diện thẳng góc độ để KNKU tới hạn Mu, f i dầm, λx chiều cao nén hiệu quả, η = 1,0 hệ số xác định Hình Sự suy tiết diện ngang dầm R90 Hình Sự suy giảm tiết diện ngang dầm R90 cường độ bê tông chịu5 nén hiệu quả,giảm cường độ chịu nén tính tốn fcủa bêtại tông 20◦C cd, f i (20) cường độ chịu kéo tính tốn fcd, f i (θm ) cốt thép nhiệt độ θm xác định với hệ số an toàn riêng phần điều kiện có cháy 29 Hình 4 Tiết diện ngang suy giảm dầm BTCT [8] Hình Tiết diện ngang suy giảm dầm BTCT Hình Tiết diện ngang suy giảm củacủa dầm BTCT [8][8] Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Tiết diện ngang suy giảm dầm BTCT [8] (a) Tiết diện dầm R90 (a) Tiết diện dầm R90 (b) Đường đẳng nhiệt 500◦oC (b) Đường đẳng nhiệt 500 C 500ooC o (c) Nhiệt độ cốt thép dọc (c) Nhiệt độ cốt thép dọc Tiết diện dầm tạitại R90 (b)(b) Đường nhiệt Nhiệt độđộtại thép dọc (a)(a) Tiết diện dầm R90 (b) Đường đẳng nhiệt 500 (c)(c) Nhiệt thép dọc (a) Tiết diện dầm R905 Sự Đường đẳng nhiệt 500Ccủa C (c) Nhiệt độtạicốt tạicốt cốt thép dọc Hình suy giảmđẳng tiết diện ngang dầm R90 Hình Sự suy giảm tiết diện ngang dầm R90 Hình SựSự suy giảm tiếttiết diện ngang dầm R90 Hình suy giảm diện ngang dầm R90 Hình 5.5.5 Sự suy giảm diện ngang dầm tạitại R90 Hình khảnăng năngchịu chịu uốn BTCT nhiệt Hình6.6.Tính Tính tốn tốn khả uốn củacủa dầmdầm BTCT nhiệt độ caođộ [8]cao [8] tổng hợp lực cốt thép chịu kéo: F s = Hợp lực cốt thép chịu nén phần A s f sd, f i (θm ) Hình = 225,6.452 kNm Dokhả F s = F s2 chịu = A s2uốn f sd, fcủa nênBTCT lượng cốt thép dọc chịu[8] kéo dùng để i (θm ), Tính tốn dầm nhiệt độ cao Hình Tính tốn khả chịu uốn dầm BTCT nhiệt độ cao [8] A f (θ ) scd, f i m s Hình Tính khảlànăng nhiệtcốtđộthép caodọc [8] cân với cốt thép dọc toán chịu nén A s2 =chịu uốn dầm chịu kéo = 790BTCT mm2 Lượng f sd, f i (θm ) lại sử dụng để cân với hợp lực bê tông vùng nén là: A s1 = A s − A s2 = 682 mm2 A f sd, f i (θm ) 2 λx = s1 Chiều cao danh định vùng bê tông chịu nén: = 48 mm ηb f i fcd, f i (20) Cánh tay đòn nội ngẫu lực: z = d f i − 0,5λx = 536 mm KNKU cặp nội ngẫu lực cốt thép chịu kéo bê tông vùng nén là: Mu1 = A s1 f sd, f i (θm )z = 104, 310 kNm KNKU cặp nội ngẫu lực cốt thép A s A s2 là: Mu2 = A s2 f sd, f i (θm )z = 117,229 kNm KNKU tổng cộng dầm R90 là: Mu, f i = Mu1 + Mu2 = 221, 539 kNm Tại nhiệt độ thường (20◦C), hệ số suy giảm vật liệu lấy 1,0 giữ nguyên tiết diện dầm, KNKU dầm (ký hiệu R0) Mu,20 = 343,219 kNm Như vậy, sau 90 phút chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 ba mặt, KNKU dầm suy giảm so với nhiệt độ thường k f i = 221,539/343,219 = 0,628 Như vậy, khác với kết từ phương pháp tra bảng Ví dụ số 1, dầm xét không thoả mãn điều kiện lấy hệ số suy giảm hệ tác động µ f i = 30 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 0,7 công thức (2) 4.2 Khảo sát suy giảm khả chịu uốn dầm BTCT nhiệt độ cao Các tác giả lập bảng tính theo phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C phần mềm Microsoft Excel Spread Sheet tiến hành nghiên cứu thông số nhằm khảo sát ảnh hưởng yếu tố: (i) Kích thước tiết diện dầm b × h; (ii) Khoảng cách từ mặt tới trọng tâm cốt thép dọc (khoảng cách trục a); (iii) Cường độ chịu nén bê tông fck tới suy giảm KNKU dầm BTCT Tạp chí Khoa họcdầm Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 a Ảnh hưởng kích thước tiết diện Thay đổi dầm với tiết diện b × h = 80 × 150, 160 × 300, 300 × 600và 500 × 800 mm Kết tính tốn hệ số suy giảm KNKU dầm thời điểm từ R30 đến R240 thể Hình HìnhHình Ảnh hưởng kích thước tiếtdầm diện dầm Ảnh hưởng của kích thước tiết diện Đây tiết diện dầm EC2-1-2 cung cấp thông tin phân bố nhiệt độ Các dầm giữ nguyên hàm lượng cốt thép chịu kéo khoảng 0,9 ÷ 1,1% hàm lượng cốt thép chịu nén 0,4%, có khoảng cách trục a = 40 mm Cường độ đặc trưng bê tông cốt thép tương ứng 30 MPa 500 MPa Từ Hình 7, rút nhận xét sau: (i) Hầu hết dầm giảm KNKU không đáng kể 30 phút đầu đám cháy; (ii) Độ dốc đường suy giảm dầm tiết diện b × h = 500t × 800 mm nhỏ nhất, dầm tiết diện b × h = 80 × 150 mm lớn Do vậy, dầm có tiết diện lớn tốc độ suy giảm KNKU theo thời gian giảm; (iii) Các dầm có tiết diện 80 × 150, 160 × 300, 300 × 600 500 × 800 cần khoảng thời gian tương ứng 65, 70, 80 105 phút để đạt tới hệ số k f i = 0,7 b Ảnh hưởng khoảng cách trục a Xét dầm có tiết diện b × h = 300 × 600 mm, giả thiết giữ nguyên vật liệu cốt thép ví dụ Tăng dần khoảng cách trục a theo giá trị từ 30 tới 70 mm, với số gia 10 mm Kết tính tốn suy giảm KNKU dầm thời điểm từ R30 đến R240 thể Hình 31 Hình Ảnh hưởng khoảng cách trục a Hình Ảnh hưởng kích thước tiết diện dầm Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Ảnh hưởng khoảng cách trục a Hình Ảnh hưởng khoảng cách trục a Từ Hình 8, rút nhận xét sau: (i) Khi tăng khoảng cách trục a, hệ số suy giảm KNKU dầm bị tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 giảm Nói cách khác, khoảng cách trục đóng vai trò tích cực việc trì KNKU dầm chịu tác động cháy; (ii) Các dầm có khoảng cách trục a = 30, 40, 50, 60 70 mm cần khoảng thời gian tương ứng 55, 80, 105, 160 220 phút để đạt tới hệ số k f i = 0,7; (iii) Với khoảng cách trục a lớn 60 mm, KNKU dầm giảm không đáng kể 90 phút kể từ bắt đầu cháy c Ảnh hưởng cường độ chịu nén bê tơng Xét dầm có tiết diện bTạp × h=300 600Cơng mm, cường độ chịu nén tính tốn bê tơng thay chí Khohọc nghệ Xây dựng NUCE 2019 dọc chịu kéo nén tương ứng 1,0% 0,4%, đổi từ 20, 25, 30, 35 40 MPa, hàm lượng cốt thép khoảng cách trục a = 40 mm Kết tính tốn hệ số suy giảm KNKU dầm thời điểm từ R30 đến R240 thể Hình Hình củacường cườngđộđộchịu chịunén nén tơng Hình9 Ảnh Ảnh hưởng hưởng của bê bê tông 32 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Có thể quan sát Hình đường cong gần hoàn toàn trùng Do vậy, cường độ chịu nén bê tông ảnh hưởng không đáng kể tới suy giảm KNKU dầm chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Thảo luận Các nội dung trình bày Mục cho thấy phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C phương pháp tính tốn đơn giản hóa khắc phục hạn chế phương pháp tra bảng biểu thị suy giảm KNKU dầm BTCT nhiệt độ cao, đem lại phương án thiết kế tường minh Tuy nhiên, phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C tồn số vấn đề, là: (i) Việc giả thiết bê tơng giữ cường độ fcd, f i (20) 20◦C q trình tính tốn (Hình 6) chưa xác, đặc biệt vùng nén nằm gần ba mặt tiết diện dầm bị tác động nhiệt, giá trị không ảnh hưởng nhiều tới kết quả; (ii) Trong trường hợp vùng bê tông chịu nén bị tác động nhiệt (Hình 4), hệ số k f i giảm xuống hợp lực bê tông vùng nén không đủ cân với hợp lực cốt thép A s2 vùng kéo; (iii) Quan hệ ứng suất - biến dạng nhiệt độ cao phân tố bê tông cốt thép tiết diện dầm chưa xét tới; (iv) Các thành phần cốt thép chịu kéo, cốt thép chịu nén bê tơng khơng đạt tới cường độ thiết kế chúng nhiệt độ cao thời điểm dầm bị phá hoại; (v) Tiêu chuẩn EC2-1-2 cung cấp phân bố nhiệt số loại tiết diện dầm định chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 Phương pháp tính tốn nâng cao khắc phục hạn chế nói Tiêu chuẩn EC2-1-2 đưa nguyên tắc chung dẫn cho phương pháp nâng cao để phân tích cách gần làm việc điều kiện nhiệt độ cao khả kháng cháy theo tiêu chí chịu lực kết cấu BTCT theo bước: (i) Phân tích phát triển phân bố nhiệt độ điểm tiết diện cấu kiện (bằng mơ hình truyền nhiệt); (ii) Phân tích ứng xử học phận toàn kết cấu Các bước phân tích thực với tác động cháy theo đường gia nhiệt bất kỳ, với đặc trưng lý vật liệu biết dải nhiệt độ tốc độ gia nhiệt kiểm nghiệm qua thực nghiệm Kết luận Kết nghiên cứu báo cho thấy làm việc dầm bê tông cốt thép (BTCT) nhiệt độ cao liên quan chặt chẽ tới đặc điểm cấu kiện chịu uốn đặc trưng lý vật liệu nhiệt độ cao Trong phương pháp tra bảng cho kết định tính phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C theo xác định cách hiệu khả kháng uốn (KNKU) dầm BTCT bị tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 lên đến (R240) Các ví dụ phép khảo sát thực minh họa cách tường minh KNKU dầm BTCT nhiệt độ cao chịu ảnh hưởng tích cực kích thước tiết diện dầm khoảng cách từ mặt tiết diện dầm tới trọng tâm cốt thép dọc (khoảng cách trục), không bị ảnh hưởng đáng kể cường độ chịu nén bê tông Trong thời gian tới, phương pháp tiêu chuẩn EC2-1-2 để xác định khả kháng cháy kết cấu BTCT cần nghiên cứu áp dụng vào điều kiện Việt Nam Bên cạnh phương pháp tra bảng đơn giản hóa, cần nghiên cứu phát triển phương pháp tính tốn nâng cao để xác định xác khả chịu lực kết cấu chịu tác động đường gia nhiệt khác Cần tiến hành thí nghiệm KNKU dầm BTCT chịu tác động cháy điều kiện Việt Nam để kiểm chứng phương pháp tính toán đề xuất Trong tương lai, nghiên cứu tiếp 33 Thắng, N T., Trung, N T / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng theo thực nghiệm lẫn mơ hình số phương pháp phần tử hữu hạn cần tiến hành để dự báo xác khả chịu lực kết cấu BTCT kể tới tượng nứt vỡ bề mặt bê tơng có mặt thành phần biến dạng nhiệt biến dạng tức thời tổng biến dạng bê tông nhiệt độ cao Tài liệu tham khảo [1] Minh, P Q., Phong, N T., Cống, N n (2013) Kết cấu bê tông cốt thép - Phần cấu kiện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Lin, T D., Gustaferoo, A H., Abrams, M S (1981) Fire endurance of continuous reinforced concrete beams PCA R&D Bulletin 1981;RD072.01B [3] Dotreppe, J.-C., Franssen, J.-M (1985) The use of numerical models for the fire analysis of reinforced concrete and composite structures Engineering analysis, 2(2):67–74 [4] Ellingwood, B., Lin, T D (1991) Flexure and shear behavior of concrete beams during fires Journal of Structural Engineering, 117(2):440–458 [5] Dwaikat, M B., Kodur, V K R (2008) A numerical approach for modeling the fire induced restraint effects in reinforced concrete beams Fire Safety Journal, 43(4):291–307 [6] Kodur, V K R., Dwaikat, M (2008) A numerical model for predicting the fire resistance of reinforced concrete beams Cement and Concrete Composites, 30(5):431–443 [7] EN 1992-1-1:2004 Eurocode 2: Design of concrete structures Part 1-1: General rules and rules for buildings [8] EN 1992-1-2:2004 Eurocode 2: Design of concrete structures Part 1-2: General rules - structural fire design [9] ISO 834 (1975) Fire resistance tests - elements of building construction International Organization for Standardization [10] QCVN 06:2010/BXD (2010) Quy chuẩn kỹ thuật an tồn cháy cho nhà cơng trình [11] TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tơng bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế Bộ Khoa học Công nghệ, Việt Nam [12] Thắng, N T., Ninh, N T (2016) Biểu đồ tương tác cột bê tông cốt thép nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn châu Âu EC2 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (TCKHCNXD)-ĐHXD, 10(2):55–61 [13] Thang, N T (2016) Effect of concrete cover on axial load resistance of reinforced concrete columns in fire Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE)-NUCE, 10(5):29–36 [14] Thắng, N T (2017) Ảnh hưởng bố trí cốt thép dọc tới khả chịu lực cột bê tông cốt thép nhiệt độ cao Tạp chí Xây dựng Việt Nam, Bộ Xây dựng, 588:141–144 [15] Thắng, N T (2017) Khả kháng cháy cột kết cấu khung bê tông cốt thép Tạp chí Xây dựng Việt Nam, Bộ Xây dựng, 589:53–57 [16] Thắng, N T (2017) Xác định khả chịu lửa cột bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn EC2-1-2 Tạp chí Xây dựng Việt Nam, Bộ Xây dựng, 590:71–75 [17] Thang, N T., Tam, T V., Ninh, N T (2018) Investigation of strength degradation of concrete encased steel composite columns at elevated temperatures Proceedings of the International Conference on the 55th Anniversary of Establishing of Vietnam Institute for Building Science and Technology (IBST55), 213–221 [18] Tâm, T V., Ninh, N T., Thắng, N T (2018) Biểu đồ tương tác cột liên hợp bê tông cốt cứng nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn châu Âu Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, (12-2018):85–92 [19] Trung, N T., Hai, D V., Phương, P M (2019) Đánh giá khả chịu lửa sàn bê tông cốt thép phương pháp đơn giản theo tiêu chuẩn EN 1992-1-2 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 13(2V):41–52 [20] ASTM E119-E201 (2001) Standard methods of fire test of building construction and materials Test Method West Conshohocken, PA: American Society for Testing and Materials 34 ... biến dạng nhiệt đ theo cao theo EC2-1-2 (b )thép Cốt thép (b) Cốt thép (b) Cốt (a) Bê tông (a )Bê Bê tông (a) tông Sự giảm cườngở độ nhiệt đ theo cao theo EC2-1-2 [8] Hình Hình Sự3 .3 .giảm cường độcao... R90 Hình Sự suy giảm tiết diện ngang dầm R90 Hình S Sự suy giảm tiếttiết diện ngang dầm R90 Hình suy giảm diện ngang dầm R90 Hình 5.5.5 Sự suy giảm diện ngang dầm tạitại R90 Hình kh năng năngchịu... hợp bê tông cốt cứng nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn châu Âu Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, (12-2018):85–92 [19] Trung, N T., Hai, D V., Phương, P M (2019) Đánh giá khả chịu lửa sàn bê tông cốt thép