Abstract: By a comparision of the distributions of temperature on a reinforced concrete beam crossection which are the results of fire test data and that of finite e[r]
(1)KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉPCHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA - LỰA CHỌN
PHẦN TỬ CHO MƠ HÌNH NHIỆT HỌC TRONG ANSYS
ThS HOÀNG ANH GIANG
Viện KHCN Xây dựng
Tóm tắt: Qua so sánh biểu đồ phân bố nhiệt độ tiết diện dầm bê tông cốt thép xác định được qua thử nghiệm đốt qua phân tích phương pháp phần tử hữu hạn với hai cách áp dụng tác động nhiệt khác lên mơ hình dầm giống hệt mẫu thử nghiệm, viết muốn chứng minh cách tốt để áp dụng tác động nhiệt lên mơ hình tính tốn khả năng chịu lửa mẫu đánh giá thử nghiệm theo ISO 834.
Từ khóa: ANSYS, Kết cấu bê tơng cốt thép chịu tác động lửa, Khảnăng chịu lửa, Tác động nhiệt, Phân tích nhiệt độ, Thiết kế chịu lửa cho kết cấu
Abstract: By a comparision of the distributions of temperature on a reinforced concrete beam crossection which are the results of fire test data and that of finite element analyses with different methods of applying heat actions to a model that is identical to the tested sample, this paper concentrates on identifying a better tactic of application heat to the model in the case of fire resistance test conforming to ISO 834.
Keywords: ANSYS, Reinforced concrete structures subject to fire, Fire resistance, Thermal actions, Temperature analysis, Structural Fire design
1 Đặt vấn đề
Trong thiết kế kết cấu chịu tác động lửa đòi hỏi phải xác định phân bố nhiệt độ cấu kiện kết cấu Ở mức độđơn giản nhất, áp dụng biểu đồ phân bố nhiệt độ tiết diện ngang tương ứng với khoảng thời gian tác động lửa tiêu chuẩn [1] khác (những biểu đồnày thường cho sẵn số tài liệu thiết kế [3] [4] [5]) Trong trường hợp riêng, dùng phần mềm phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để phân tích nhiệt độ, địi hỏi phải áp dụng tác động nhiệt từ lửa đám cháy lên mơ hình
Theo EN 1991-1-2 [6], tác động nhiệt lên bề mặt lộ lửa cấu kiện biểu diễn dạng thông lượng nhiệt gồm hai thành phần nhiệt đối lưu (ℎ̇ , )và nhiệt xạ(ℎ̇ , ) Tuy nhiên, mơ hình đám cháy dùng cho thiết kế thử nghiệm đốt lại thường biểu diễn dạng hàm số nhiệt độ khoang cháy theo thời gian [7] [8] (còn gọi đường quan hệ Nhiệt độ - thời gian tiêu chuẩn) Các nghiên cứu làm việc kết cấu tác động lửa có kết hợp thực nghiệm phân tích lý thuyết, kết kiểm sốt nhiệt độ thiết bị thử nghiệm (đường quan hệ Nhiệt độ - thời gian ghi nhận thực nghiệm) dùng làm số liệu đầu vào tác động nhiệt áp dụng lên mơ hình phân tích chương trình máy tính Nếu việc áp dụng tác động nhiệt vào mơ hình khơng với chất số liệu phép đo dẫn đến sai lệch kết đo phân bố nhiệt độ tiết diện cấu kiện với kết phân tích nhiệt độ mơ hình tính
(2)KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG tính phải chuyển đổi nhiệt độ mơi trường lị thử nghiệm thời điểm khác sang hình thức thơng lượng nhiệt đảm bảo áp dụng toàn bộtác động nhiệt từ đám cháy lên mơ hình Các nhận xét [13] cho rằng, việc chuyển đổi nhiệt độ môi trường lị thử nghiệm sang thơng lượng nhiệt phức tạp gần thực khơng có biện pháp đo bổ sung số liệu trình thử nghiệm
Để làm rõ phương pháp áp dụng tác động nhiệt lên mô hình phân tích nhiệt độ ANSYS cấu kiện bê tông cốt thép chịu tác động lửa tiêu chuẩn theo ISO 834 [7], tác giả viết thực nghiên cứu so sánh kết thử nghiệm với kết phân tích mơ hình theo hai phương án áp dụng tác động nhiệt khác Tập hợp số liệu kiểm chứng cho
phương án phân tích mơ hình kết ghi nhận phân bố nhiệt độ tiết diện dầm bê tông cốt thép thử nghiệm đốt Phòng nghiên cứu Phòng chống cháy, Viện Chun ngành Kết cấu Cơng trình Xây dựng, Viện KHCN Xây dựng
2 Đo nhiệt độ mẫu khung bê tông cốt thép trong thử nghiệm đốt
2.1 Mẫu thử nghiệm
Mẫu thử nghiệm đốt khung bê tông cốt thép tồn khối với cấu kiện dầm có chiều dài phần lộ lửa 2,9 m kích thước tiết diện (bxh) 200 mm x 350 mm cấu kiện cột có tiết diện (bxh) 200 mm x 250 mm chiều dài lộ lửa 2,9 m Mẫu thử chế tạo từ bê tơng có vật liệu thành phần cấp phối Bảng Cường độ chịu nén mẫu lập phương tiêu chuẩn bê tông 28 ngày tuổi 35 MPa
Bảng Thông tin về vật liệu thành phần cấp phối bê tông chế tạo mẫu
Tên vật liệu Chủng loại Khối lượng (kg)
Xi măng Chinfon PCB40 450
Cát vàng Sông Lô 670
Đá Cacbonat 050
Phụ gia siêu dẻo Napthalene Sunfonate 4,5
Nước Nước sinh hoạt 190
Trên cấu kiện dầm có tiết diện đặt sẵn cụm dây đo nhiệt độ Mỗi cụm dây đo ghép lại từ đầu đo nhiệt độ loại K đặt cách nhau, có đầu đo nhiệt độđặt cách 20 mm,
các đầu đo lại đặt cách 50 mm (Hình 1) Các tiết diện ký hiệu T3, T4 T5 Trong đó, T4 bố trí dầm, cịn T3 T5 bố trí đối xứng qua T4 cách 1,5 m
a) Cụm dây đo nhiệt độ b) Cụm dây đo nhiệt độ đặt vào tiết
diện dầm
c) Tấm đo nhiệt độ đặt gần vị trí tiết diện
giữa dầm (tiết diện T4)
Hình Cấu tạo bố trí lắp đặt đầu đo nhiệt độ mẫu
Khoảng cách thực tế điểm đo đến bề mặt bê tơng bên ngồi (bề mặt cốp pha) ghi nhận xác sau cụm
(3)KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG nằm trực tiếp bề mặt đáy dầm thiết kế ban đâu Khoảng cách từ bề mặt bê tông đáy dầm đến điểm khác 28, 48, 68, 88, 138, 188, 238 288 mm Kết quảđo nhiệt độ điểm trình bày theo tên tiết diện độ sâu điểm đo, ví dụ T4-8 điểm đo tiết diện T4, chiều sâu mm
Nhiệt độ mơi trường lị thử nghiệm gần vị trí tiết diện T4 đo ghi nhận đầu đo
nhiệt độ dạng (ký hiệu PT3) có cấu tạo giống với đo nhiệt độ tiêu chuẩn lò thử nghiệm [7]
2.2 Thử nghiệm đốt
Thử nghiệm đốt thực hệ thống lị đốt theo phương đứng (hình 2) Trong trình thử nghiệm, mẫu thử chịu tác động đồng thời lực lửa tiêu chuẩn theo ISO 834:1999 khoảng thời gian 120 phút
Hình 2.Quá trình thử nghiệm lị đốt theo phương đứng hệ gia tải kèm theo
Các thông sốđược ghi nhận trình thử nghiệm bao gồm:
- Nhiệt độ mơi trường lị thử nghiệm;
- Nhiệt độ vùng khơng gian lị gần với số tiết diện đặc trưng, có tiết diện T4;
- Phân bố nhiệt độ tiết diện dầm cột;
- Các biểu làm việc tổng thể khác kết cấu khung (sự xuất phát triển vết nứt, diễn biến độ võng dầm, chuyển dịch nút đầu cột,…)
Phạm vi viết tập trung xem xét số liệu đo nhiệt độ tiết diện dầm (T3, T4 T5) Việc so sánh kết thử nghiệm với kết phân tích mơ hình PTHH trình bày mục
3 Phân tích mơ hình PTHH ANSYS 3.1 Giới thiệu chung
ANSYS Parametric Design Language (APDL) ngơn ngữ lập trình theo phương pháp kịch sử dụng để thực tự động tác vụ chung xây dựng mơ hình tính dạng
các tham số tham biến Phần mềm phát triển ANSYS Corporation Mỹ ANSYS có nhiều mơ đun phục vụ cho ứng dụng khác nhau, tương đối đa dạng, ANSYS Mechanical APDL mô đun dùng cho lĩnh vực học nói chung, bao gồm dạng toán động lực, kết cấu truyền nhiệt Trong nghiên cứu này, phiên dành cho nghiên cứu đào tạo 18.1 (ANSYS® Academic Research Mechanical, Release 18.1 - gọi tắt APDL 18.1) dùng để phân tích nhiệt độ mơ hình khơng gian chiều (mơ hình 3D) cấu kiện dầm thử nghiệm chịu lửa nêu mục
3.2 Các phương án áp dụng tác động của nhiệt và mơ hình hóa
Tác động nhiệt lấy theo đường Nhiệt độ - thời gian thực tế, ghi nhận trình thử nghiệm đầu đo nhiệt dạng PT3 Việc áp dụng tác động nhiệt vào mơ hình thực theo hai cách tiếp cận khác nhau, cụ thể gồm:
(4)KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG phần tử khối đặc mơ hình thơng qua phần tử hiệu ứng bề mặt nằm mặt cấu kiện tiếp xúc với môi trường lò thử nghiệm Đây cách áp dụng nghiên cứu trước đề cập [10] [11] [12];
- Truyền trực tiếp vào nút: coi đường Nhiệt độ - thời gian thực tế thay đổi nhiệt độ điểm bề mặt của cấu kiện tiếp xúc với mơi trường lị thử nghiệm Khi phân tích APDL 18.1, giá trị nhiệt độ áp dụng trực tiếp vào nút phần tử khối đặc mơ hình truyền nhiệt vào bên hình thức dẫn nhiệt
Theo [3], đểđơn giản hóa, phân tích nhiệt độ tiết diện cấu kiện bê tơng cốt thép bỏ qua có mặt cốt thép Tuy nhiên, nghiên cứu xem xét có mặt đồng thời cốt thép bê tông Theo hai cách áp dụng tác động nhiệt, cấu kiện dầm thực tế mơ hình hóa hồn tồn giống kích thước hình học cách thức chia lưới phân mảnh, riêng số loại phần tử sử dụng khác nhau, cụ thể sau:
- Theo cách truyền nhiệt qua phần tử hiệu ứng bề mặt, có loại phần tử sử dụng gồm: (1) phần tử khối đặc SOLID70, dùng để mơ hình hóa vật liệu bê tơng; (2) phần tử LINK33, dùng để mơ hình hóa cốt thép; (3) phần tử hiệu ứng bề mặt SURF152, dùng để phủ lên vùng bề mặt mơ
hình ứng với vùng bề mặt mẫu thử tiếp xúc trực tiếp với mơi trường lị thử nghiệm;
- Theo cách truyền nhiệt trực tiếp vào nút, không sử dụng phần tử hiệu ứng bề mặt nên loại phần tử sử dụng gồm: (1) phần tử khối đặcSOLID70, dùng để mơ hình hóa vật liệu bê tông; (2) phần tử LINK33, dùng để mơ hình hóa cốt thép;
- Mơ hình phân tích theo hai cách áp dụng tác động nhiệt trình bày hình Q trình phân tích nhiệt độ thực theo cách có thay đổi tính chất vật liệu theo nhiệt độ Trong đó, tính chất vật lý (khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng) bê tông thép thay đổi theo mức nhiệt độ, tương ứng lấy theo [3] [14] Riêng khối lượng riêng thép phụ thuộc vào nhiệt độ lấy theo tài liệu [15] [14] không đề cập Hệ số dẫn nhiệt bê tông lấy mức cận theo [3] Khi phân tích nhiệt độ theo cách truyền nhiệt qua phần tử hiệu ứng bề mặt, hệ số truyền nhiệt đối lưu khơng khí lấy theo [6] 25 W/(m2 K) Các kết phân tích trích xuất trình bày dạng biểu đồ phân bố nhiệt toàn tiết diện trị số nhiệt độ thớ khác theo chiều cao bề rộng tiết diện (hình 3), vị trí tương ứng có đặt cụm đầu đo nhiệt độ cấu kiện dầm mẫu thử nghiệm
a) Áp dụng tác động nhiệt thông qua phần tử hiệu ứng bề mặt SURF152
b) Áp dụng tác động nhiệt trực tiếp vào nút
phần tử SOLID70 nằm bề mặt ngồi
Hình Sơ đồ tính theo hai cách áp dụng tác động nhiệt lên mơ hình ví dụ kết phân tích nhiệt độ tiết diện
4 So sánh nhận xét kết quả
Các biểu đồ thể diễn biến thay đổi nhiệt độ theo thời gian điểm đo tiết diện
(5)KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
0 200 400 600 800 1000 1200
0 2000 4000 6000 8000
N
h
iệ
t
đ
ộ
(
oC
)
Thời gian (Sec)
PT3 NH_8 SH_8
mơ hình áp dụng tác động nhiệt qua hiệu ứng bề mặt ký hiệu SH, kết phân tích mơ hình áp dụng tác động nhiệt trực tiếp vào nút ký hiệu NH Hình trình bày kết phân tích nhiệt độ chiều sâu mm theo hai cách tiếp cận khác số liệu nhiệt độ ghi nhận đầu đo nhiệt dạng PT3, sử dụng số liệu đầu vào vềtác động nhiệt lên mơ hình Việc so sánh số liệu khác thực theo hai hình thức chính, gồm:
- Phân bố nhiệt độ theo chiều cao tiết diện thời điểm khác nhau, từ 200 s đến 200 s (hình 5);
- Diễn biến thay đổi nhiệt độ suốt khoảng thời gian thử nghiệm điểm có chiều sâu (tính từ bề mặt ngồi đáy dầm) tương ứng với chiều sâu đặt 06 đầu đo nhiệt độ tiết diện T3, T4 T5, cụ thể gồm: 8, 28, 48, 68, 88 138 mm (hình 6)
Hình So sánh kết phân tích nhiệt độ điểm có độ sâu mm với số liệu nhiệt độ đường Nhiệt độ - thời gian ghi nhận đầu đo PT3
So sánh kết thể biểu đồ rút số nhận xét sau:
Về tổng thể (hình 4, hình 5), hai mơ hình phân tích APDL 18.1 cho kết phù hợp với xu hướng thực tế thay đổi nhiệt độ điểm đo thay đổi nhiệt độ theo chiều cao tiết diện thời điểm khác Tuy nhiên, chênh lệch kết hai mơ hình rõ nét, chí lên đến 300 oC
So sánh với số liệu thử nghiệm thực tế, cho thấy kết phân tích mơ hình áp dụng nhiệt độ trực tiếp vào nút sai khác so với kết phân tích mơ hình sử dụng phần tử bề mặt SURF152, bao gồm khía cạnh giá trị nhiệt độ thời điểm diễn biến thay đổi
nhiệt độ theo thời gian (các thời điểm so sánh khác nhau)
(6)KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
Hình Phân bố nhiệt độ theo chiều cao tiết diện thời điểm khác - so sánh kết phân tích với thực nghiệm
0 50 100 150 200 250 300 350 400 100 200 300 400 500 600 700 800 K h o ả n g c á c h t ín h đ ế n đ á y d ầ m ( m m )
Nhiệt độ (oC)
t = 200s
Tiết diện T3 Tiết diện T5 Tiết diện T4 NH SH 50 100 150 200 250 300 350 400 200 400 600 800 1000 K h o ả n g c á c h t ín h đ ế n đ á y d ầ m ( m m )
Nhiệt độ (oC)
t = 800s
Tiết diện T3 Tiết diện T5 Tiết diện T4 NH SH 50 100 150 200 250 300 350 400 200 400 600 800 1000 K h o ả n g c á c h t ín h đ ế n đ á y d ầ m (m m )
Nhiệt độ (oC)
t = 600s
Tiết diện T3 Tiết diện T5 Tiết diện T4 NH SH 50 100 150 200 250 300 350 400 200 400 600 800 1000 K h o ả n g c á c h t ín h đ ế n đ á y d ầ m (m m )
Nhiệt độ (oC)
t = 800s
Tiết diện T3 Tiết diện T5 Tiết diện T4 NH SH 50 100 150 200 250 300 350 400 200 400 600 800 1000 1200 K h o ả n g c á c h t ín h đ ế n đ á y d ầ m (m m )
Nhiệt độ (oC)
t = 400s
Tiết diện T3 Tiết diện T5 Tiết diện T4 NH SH 50 100 150 200 250 300 350 400 200 400 600 800 1000 1200 K h o ả n g c á c h t ín h đ ế n đ á y d ầ m (m m )
Nhiệt độ (oC)
t = 200s
Tiết diện T3 Tiết diện T5 Tiết diện T4 NH SH 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N h iệ t đ ộ ( oC )
Thời gian (Sec) d = mm
T3-8 T4-8 T5-8 NH SH
0 100 200 300 400 500 600 700
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N h iệ t đ ộ ( oC )
Thời gian (Sec) d = 28 mm
(7)KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
Hình Diễn biến tăng nhiệt độ chiều sâu khác tiết diện - so sánh kết phân tích với thực nghiệm
- Diễn biến tăng nhiệt chiều sâu khác tiết diện thể hình cho thấy, mức nhiệt độ 100 oC, giá trị nhiệt độ đo thực tế mẫu thử có tốc độ tăng nhanh so với kết phân tích APDL 18.1 mơ hình truyền nhiệt trực tiếp, sau mức nhiệt độ này, kết phân tích mơ hình có xu hướng tăng nhanh so với số liệu đo thực tế;
- Qua số liệu thử nghiệm hình 6, thấy khoảng nhiệt độ từ 100 oC đến 120 oC tốc độ tăng nhiệt độ thực tế bị chững lại, hình dạng biểu đồ tăng nhiệt độ theo thời gian mức nhiệtđộ gần giống thềm nằm ngang chiều dài thềm tăng theo chiều sâu điểm khảo sát Nguyên nhân tượng ảnh hưởng việc nước tự bê tông bị hóa mức nhiệt độ 100 oC [16] [17] làm cho nhiệt độ bê tông chiều sâu diễn hóa trở nên ổn định tăng chậm lượng nước tự hóa hết vùng bê tơng khơ hẳn nhiệt độ lại gia tăng Bên cạnhđó, tương quan chiều dài thềm nằm ngang với chiều sâu củađiểm khảo sát thực chất
có thể tương quan với lượng nước tự bị hóa điểm đó, độ ẩm xác định lượng nước tỉ lệ thuận với thể tích bê tơng nằm điểm khảo sát với bề mặt lộ lửa Giai đoạn thềm nằm ngang giai đoạn gây sai khác rõ nét số liệu đo thực tế với kết phân tích mơ hình Ngun nhân việc áp dụng số tính chất nhiệt học bê tông theo khuyến cáo [3] (ví dụ, hệ số dẫn nhiệt) vào mơ hình PTHH chưa bao quát hết ảnh hưởng tồn lượng ẩm lớn bên vùng bê tơng có nhiệt độ từ 100 oC đến khoảng 120 oC;
- Như thấy trường hợp tốn trình bày đây, phân tích APDL 18.1 phương án áp dụng tác động nhiệt trực tiếp lên nút bề mặt lộ lửa mơ hình cho kết gần với số liệu đo thử nghiệm thực tế so với phương án áp dụng tác động nhiệt thông qua phần tử bề mặt SURF152 Tuy nhiên, điều nảy sinh vấn đề trường hợp sử dụng phần tử SURF152 để áp dụng tác động nhiệt vào mô
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
h
iệ
t
đ
ộ
(
oC
)
Thời gian (Sec) d = 48 mm
T3-48 T4-48 T5-48 NH SH
0 50 100 150 200 250 300 350
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
h
iệ
t
đ
ộ
(
oC
)
Thời gian (Sec) d = 68 mm
T3-68 T4-68 T5-68 NH SH
0 50 100 150 200 250 300
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
h
iệ
t
đ
ộ
(
oC
)
Thời gian (Sec) d = 88 mm
T3-88 T4-88 T5-88 NH SH
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
h
iệ
t
đ
ộ
(
oC
)
Thời gian (Sec) d = 138 mm