Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ANH NHẬT ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ANH NHẬT ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS PHẠM VĂN HỘI Đà Nẵng – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Học viên Nguyễn Anh Nhật ii LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành GS.TS Phạm Văn Hội tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn đƣa nhiều ý kiến quý báu, nhƣ tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu động viên suốt q trình hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, cán khoa Sau đại học, khoa Xây dựng trƣờng đại học Bách khoa Đà Nẵng bạn lớp giúp đỡ, dẫn trình học tập nghiên cứu Trong trình nghiên cứu hồn thành luận văn, khơng thể tránh khỏi hạn chế thiếu sót Do vậy, mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q báu q thầy bạn học viên để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn! Học viên Nguyễn Anh Nhật iii ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Học viên: Nguyễn Anh Nhật Chuyên ngành: Xây dựng DD&CN Mã số: 60580208 Khóa:K32 Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Ở nƣớc ta nay, với q trình thị hóa nhanh tốc độ xây dựng nhà cao tầng bùng nổ mạnh mẽ khu đô thị lớn nhƣ Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh địi hỏi loại kết cấu khắc phục đƣợc nhƣợc điểm bê tông cốt thép thông thƣờng nhƣ kích thƣớc lớn, nặng nề, giảm khơng gian sử dụng Với ƣu điểm nhƣ giảm đƣợc trọng lƣợng thân kết cấu, thời gian thi công nhanh, tính thẩm mỹ cao, kết cấu liên hợp thép-bê tơng ngày đƣợc dùng phổ biến cơng trình xây dựng Việt Nam Nghiên cứu đặc điểm làm việc kết cấu liên hợp thép-bê tông chịu ảnh hƣởng tăng nhiệt độ giúp hiểu rõ ứng xử kết cấu dƣới tác động lửa, đánh giá đƣợc ổn định tổng thể kết cấu Luận văn trình bày đặc tính lý vật liệu thép bê tông nhiệt độ cao Nghiên cứu tƣợng ổn định tổng thể dầm liên hợp chịu ảnh hƣởng nhiệt độ Trình bày phƣơng pháp tính tốn ổn định tổng thể dầm liên hợp chịu nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn EC4 Tác giả tóm tắt kết đạt đƣợc đƣa hƣớng phát triển Từ khóa – dầm liên hợp; ổn định tổng thể; ảnh hƣởng nhiệt độ; tiêu chuẩn EC4; phƣơng pháp tính ổn định tổng thể THE EFFECT OF TEMPERATURE RISE ON THE OVERALL STABILITY OF COMPOSITE STEEL AND CONCRETE BEAMS Abstract - Nowadays in our country, with rapid urbanization and the speed of building highrise buildings in large urban areas such as Hanoi and Ho Chi Minh City, a new type of structure is required Overcoming the disadvantages of conventional reinforced concrete such as large size, heavy, reduce the space used With advantages such as reducing the weight of the structure itself, fast construction time, high aesthetics, steel-concrete composite structure is increasingly popular in construction works in Vietnam Study on the working characteristics of the steelconcrete composite structure under the influence of temperature increase helps us better understand the behavior of the structure under the effect of fire, evaluate the overall stability of the result structure The thesis presents the mechanical properties of steel and concrete at high temperatures Study the overall instability of the composite beams when subjected to temperature Describe the overall stabilization methods of composite beams when subjected to high temperatures with EC4 standard The author has summarized the results achieved and set out the direction for further development Key words - Composite beams; Fire design; Eurocode 4; Structural Fire Design; overall stability iv MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iv DANH MỤC KÝ HIỆU vi DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu .2 Bố cục luận văn CHƢƠNG - ẢNH HƢỞNG CỦA HỎA HOẠN ĐẾN CÁC CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.1 THIỆT HẠI CỦA CÁC CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG DO HỎA HOẠN GÂY RA 1.1.1 Thiệt hại cơng trình xây dựng hỏa hoạn gây giới 1.1.2 Thiệt hại cơng trình xây dựng hỏa hoạn gây Việt Nam 1.2 ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA THÉP VÀ BÊ TÔNG 1.2.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tính chất lý thép 1.2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tính chất lý bê tơng 17 1.3 CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG CHÁY CHO CƠNG TRÌNH .20 1.3.1 Các biện pháp báo cháy, chữa cháy cho cơng trình 20 1.3.2 Các biện pháp tăng khả chịu lửa cho kết cấu 22 CHƢƠNG - PHƢƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 24 2.1 HIỆN TƢỢNG MẤT ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉPBÊ TÔNG 24 2.2 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN CHỊU LỬA CẦN THIẾT ĐỐI VỚI KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG 25 2.2.1 Tải trọng tác dụng 25 v 2.2.2 Các ngun tắc tính tốn .26 2.3 TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO 28 2.3.1 Phƣơng pháp tính ổn định tổng thể dầm liên hợp thép bê tông nhiệt độ cao ( trƣờng hợp không bọc bê tông ) 28 2.3.2 Sức bền tiết diện mô men uốn dầm liên hợp đƣợc bọc bê tông phần 30 2.3.3 Kiểm tra đơn giản oằn 38 CHƢƠNG - VÍ DỤ TÍNH TỐN DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN CHỊU NHIỆT ĐỘ CAO .43 3.1 VÍ DỤ TÍNH TỐN 43 3.1.1 Kiểm tra bền ổn định tổng thể dầm liên hợp không bọc bê tông nhiệt độ thƣờng 200C .44 3.1.2 Kiểm tra ổn định tổng thể dầm liên hợp bọc bê tông phần nhiệt độ thƣờng 200C 48 3.1.3 Kiểm tra ổn định tổng thể dầm liên hợp không bọc bê tông nhiệt độ cao 49 3.1.4 Kiểm tra bền ổn định tổng thể dầm liên hợp bọc bê tông phần nhiệt độ cao 53 3.2 SO SÁNH ĐỘ BỀN VÀ ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP KHÔNG BỌC BÊ TÔNG VÀ BỌC BÊ TÔNG MỘT PHẦN Ở CÁC CẤP NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU 56 KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) vi DANH MỤC KÝ HIỆU EC4 ρ ɛsk Tiêu chuẩn eurocode Khối lƣợng riêng Biến dạng tƣơng đối Ecm Rsn Giá trị trung bình mơ đun đàn hồi tiếp tuyến bê tông Cƣờng độ chịu kéo tiêu chuẩn Rs,ser Cƣờng độ chịu kéo tính tốn theo trạng thái giới hạn thứ Msd Momen uốn tiết diện fy,fay,20Oc Cƣờng độ thép kết cấu điều kiện nhiệt độ thƣờng fsk,fr,20Oc Cƣờng độ thép điều kiện nhiệt độ thƣờng fck,fc,20Oc Cƣờng độ bê tông điều kiện nhiệt độ thƣờng γc γa γsk, γr Hệ số điều kiện làm việc bê tông điều kiện nhiệt độ thƣờng Hệ số điều kiện làm việc thép kết cấu điều kiện nhiệt độ thƣờng Hệ số điều kiện làm việc thép điều kiện nhiệt độ thƣờng γM,fi,c γM,fi,r γM,fi,a fu Hệ số điều kiện làm việc bê tông điều kiện chịu lửa Hệ số điều kiện làm việc thép điều kiện chịu lửa Hệ số điều kiện làm việc thép kết cấu điều kiện chịu lửa Sức bền kéo đứt thép làm chốt crit Nhiệt độ tới hạn kết cấu Mfi,Sd Mfi,Rd Mô men đƣợc gây tải trọng điều kiện chịu lửa Mô men bền dẻo kết cấu điều kiện chịu lửa Mcr Mb,Rd h hc hc,fi Mô men oằn tới hạn gối Mô men bền oằn Chiều cao tiết diện dầm thép Chiều dày bê tông Chiều dày bê tông bị giảm yếu chịu lửa hc,h b bfi ef ew hh hl ui Chiều dày hiệu dụng bê tông bị giảm yếu chịu lửa Chiều rộng cánh Chiều rộng cánh bị giảm yếu chịu lửa Chiều dày cánh Chiều dày bụng Chiều cao bụng phía Chiều cao bụng phía dƣới Khoảng cách từ trọng tâm lớp cốt thép thứ i dầm thép đến mép bê tông dầm beff Chiều rộng hiệu dụng bê tông vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng bảng 1.1 1.2 Giá trị hệ số suy giảm mô đun đàn hồi, giới hạn chảy giới hạn tỷ lệ vật liệu thép nhiệt độ  Hệ số suy giảm khả chịu nén biến dạng cực hạn bê tông Trang 18 2.1 Hệ số xác định nhiệt độ giới hạn 30 2.2 Giá trị hc,fi tƣơng ứng với cấp bền chịu lửa 31 2.3 Giá trị bfi tƣơng ứng với cấp bền chịu lửa 32 2.4 Giá trị a1, a2, hl,min tƣơng ứng với cấp bền chịu lửa 32 2.5 Giá trị hl tƣơng ứng với cấp bền chịu lửa 33 2.6 Giá trị ka,min , ka,max tƣơng ứng với cấp bền chịu lửa 33 2.7 Các giá trị a3, a4, a4, a5, kr,min, kr,max 34 2.8 Giá trị ks tƣơng ứng với cấp bền chịu lửa 35 2.9 Giá trị bc,fi, bc,fi,min , hfi , hfi,min tƣơng ứng với cấp bền chịu lửa 35 2.10 Giá trị hệ số C4 41 2.11 Chiều cao lớn dầm thép để tranh bị oằn vung momen âm 42 3.1 Kết tính tốn ứng với cấp chịu lửa trƣờng hợp dầm liên hợp không bọc bê tông 52 3.2 Kết tính tốn ứng với cấp chịu lửa trƣờng hợp dầm liên hợp bọc bê tông phần 55 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Hỏa hoạn chung cƣ Grenfell, London 1.2 Hỏa hoạn Trung tâm Thƣơng mại Quốc tế (ITC) 1.3 Hỏa hoạn công trƣờng xây dựng tổ hợp Keangnam 1.4 Mơ hình tính tốn cho mối quan hệ ứng suất – biến dạng kết cấu thép nhiệt độ cao 1.5 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu thép điều kiện chịu nhiệt độ cao theo EC 1.6 Thí nghiệm đốt nóng thép 1.7 Đƣờng cong ứng suất – biến dạng mẫu thí nghiệm nhiệt độ tƣơng ứng 5000C, 6000C, 7000C 1.8 Sự biến thiên thông số đặc trƣng cho làm việc vật liệu thép theo nhiệt độ 10 1.9 Sự biến thiên hệ số giãn nở nhiệt vật liệu thép theo nhiệt độ 11 1.10 Sự biến thiên độ giãn dài nhiệt vật liệu thép theo nhiệt độ 12 1.11 Sự biến thiên nhiệt dung riêng vật liệu thép theo nhiệt độ 13 1.12 Sự biến thiên tính dẫn nhiệt vật liệu thép theo nhiệt độ 13 1.13 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu bê tông điều kiện chịu nhiệt độ cao 18 1.14 Sự kéo dài nhiệt bê tông khối lƣợng bình thƣờng(NC) bê tơng nhẹ (LC) 19 1.15 Độ dẫn nhiệt bê tơng khối lƣợng bình thƣờng (NC) bê tông nhẹ (LC) 20 1.16 Nhiệt đặc trƣng bê tơng khối lƣợng bình thƣờng (NC) bê tông nhẹ (LC) 20 1.17 Sơn chống cháy 22 1.18 Phun bọt chống cháy 23 1.19 Bọc chống cháy chuyên dụng 23 2.1 Trƣờng hợp đặt hoạt tải bên nhịp 24 2.2 Hiện tƣợng oằn dầm liên hợp liên tục 25 2.3 Sơ đồ tính kết cấu liên hợp chịu nhiệt độ cao 27 55 Ac=(500-65-32).(200-2.30-10,2)=52309mm2; Fc=52309.20/1=1046180N Trục trung hòa qua cánh cách mép cánh đoạn x 616640  1046180  452500  15, 7mm 2.(200  2.18).235 Trục trung hòa qua bụng dầm thép Mpl.Rd-=1046180.((500-32-65)/2+16+90)+(16-15,7).(20060).235.(90+(16+15,7)/2)/1-15,7.(200-60).235.(90+15,7/2)=274.106Nmm Thay thơng số vào tính tốn ta đƣợc momen tới hạn đàn hồi: k2  Eatw bc 35, 7.10, 2.(200  30)   303,35kN / rad 16hs (1  4n"tw / bc ) 16.484.(1  4.14,5.10, / (200  30)) ks  k1.k2 1540.303,35   253, k1  k2 1540  303,35 Iafz= I afz  M cr   LT  kcC4  b f 3t f  12 (200  36)3 16  5,88.106 mm4 12 (ks Ea I afz )1/2  1,03.20, 43  (253, 4.35,7.5,88)1/2  1545,62kNm M Rk 274   0, 42 M cr 1545, 62   LT  0,5 1   LT  LT  0,   LT    =0,5(1+0,34(0,42-0,2)+0,422)=0,63  LT  LT  LT   LT 2  0, 63  0, 632  0, 422  0,91 Mb,Rd=χLTMRd=0,91.274/1,1=226,67kNm ng 3.2 Kết qu tính tốn ứng với cấp chịu lửa trường hợp dầm liên hợp bọc bê tông phần Độ mảnh quy đổi Cấp chịu lửa (phút)  LT  M Rk M cr Mô men bền chống lại oằn bên Mb,Rd (kNm) 0,26 628,51 30 0,37 435,19 60 0,42 226,67 90 0,429 195,7 56 0,429 0,42 0,37 0,26 60 30 90 R( phút ) n 3.11 Đồ thị độ m n quy đổi tương ứng với cấp chịu lửa 3.2 SO SÁNH ĐỘ BỀN VÀ ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP KHÔNG BỌC BÊ TÔNG VÀ BỌC BÊ TÔNG MỘT PHẦN Ở CÁC CẤP NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU Từ kết ví dụ trƣớc ta có biểu đồ Biểu đồ so sánh momen bền oằn Mb,Rd dầm liên hợp trƣờng hợp bọc không bọc bê tông nhiệt độ cao 700 628.51 600 512.17 500 435.19 400 300 226.67 195.7 200 121.63 100 29.645 22.41 0 R30 Không bọc bê tông R60 R90 Bọc bê tông Ta nhận thấy nhiệt độ tăng hay thời gian chịu lửa lâu khả ổn định tổng thể tăng nhƣ momen bền oằn giảm Đối với dầm liên hợp không bọc bê tơng bụng momen bền oằn Mb,Rd giảm nhanh (Với R30 giảm 76%, R60 giảm 94%, R90 giảm 95,6%) độ mảnh quy đổi  LT tăng làm 57 khả ổn định tổng thể dầm Trƣờng hợp dầm liên hợp có bọc bê tông bụng, momen bền oằn Mb,Rd giảm nhƣng chậm (Với R30 giảm 30,8%, R60 giảm 64%, R90 giảm 69%),và khả ổn định tổng thể xảy chậm 58 KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu thực đề tài luận văn, học viên rút số kết luận sau: - Tất tính chất lý vật liệu thay đổi nhiệt độ tăng Thông qua việc nghiên cứu trình ứng xử nhiệt dạng vật liệu thép bê tơng, ta xác định biến thiên đặc trƣng học theo nhiệt độ, từ kiểm sốt đƣợc q trình tăng lan truyền nhiệt độ vật liệu - Sự tăng nhiệt độ có ảnh hƣởng lớn đến cƣờng độ nhƣ ổn định tổng thể dầm liên hợp thép bê tơng Nhiệt độ tăng dầm liên hợp dễ ổn định Đối với dầm liên hợp không đƣợc bọc bê tông khả ổn định tổng thể xảy nhanh so với dầm liên hợp có bọc bê tơng bụng - Kết thu đƣợc từ ví dụ tính tốn chứng minh ƣu điểm kết cấu liên hợp chịu nhiệt độ cao Khi lớp bê tơng bảo vệ đóng vai trò vừa vật liệu chịu lực vừa vật liệu cách nhiệt ( làm chậm trình lan truyền nhiệt tiết diện thép), cấu kiện liên hợp làm việc lâu chịu nhiệt độ cao PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Trạng thái làm việc kết cấu liên hợp điều kiện chịu nhiệt độ cao vấn đề tƣơng đối xây dựng, đặc biệt Việt Nam Trong phạm vi luận văn, trình bày đƣợc ngun lý phƣơng pháp tính tốn cho cấu kiện điển hình Để đƣa vào áp dụng rộng rãi thực tế phải mở rộng nghiên cứu thêm nhiều vấn đề khác nhƣ: - Tính tốn dầm liên tục nhiều nhịp - Mơ hình làm việc dầm liên hợp q trình chịu lửa, từ thấy đƣợc khả làm việc thực tế dầm phần mềm mơ - Viết chƣơng trình tính tốn số liệu đầu vào đầu ra, để tính tốn đƣợc nhanh kết cho nhiều trƣờng hợp khác Từ đƣa vào tính tốn cho cơng trình thực tế 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Kết cấu liên hợp thép bê tông dùng nhà cao tầng – NXB Khoa học kỹ thuật – Phạm Văn Hội TCVN 338:2005, Kết cấu thép – tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2622:1995, Phịng cháy cho nhà cơng trình – yêu cầu thiết kế TCVN 3991:1985 Tiêu chuẩn phòng cháy thiết kế xây dựng Kết cấu thép cấu kiện – NXB khoa học kỹ thuật – Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tƣ, Lƣu Văn Tƣờng Nƣớc Eurocode 4, Part 1.1 – Design of composite structures Eurocode 4, Part 1.2 – Composite steel and concrete structural fire design Analyse du comportement au feu des planchers mixtes acier-b_eton constitut_es de poutres cellulaires - Gis_ele Bihina ... TỐN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO 28 2.3.1 Phƣơng pháp tính ổn định tổng thể dầm liên hợp thép bê tông nhiệt độ cao ( trƣờng hợp không bọc bê tông. .. kết cấu liên hợp chịu nhiệt độ cao 28 2.3 TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TƠNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO 2.3.1 Phƣơng pháp tính ổn định tổng thể dầm liên hợp thép bê tông nhiệt độ cao... nhiệt độ, đảm bảo ổn định kết cấu tính thẩm mỹ Chính thế, đề tài ? ?Ảnh hưởng tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể dầm liên hợp thép- bê tông? ?? đề tài cần nghiên cứu để giúp kết cấu liên hợp thép- bê