Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Ứng xử của tiết diện dầm bê tông cốt thép chịu lửa

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG i TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH -VÕ ĐỨC THỊNH ỨNG XỬ CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU LỬA Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.KS ĐÀO ĐÌNH NHÂN TP Hồ Chí Minh 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng năm 2020 Võ Đức Thịnh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS TS Đào Đình Nhân giúp đỡ, hướng dẫn cung cấp thông tin cần thiết để tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Xây Dựng trường Đại Học Kiến Trúc Thành Phố Hồ Chí Minh Xin cảm ơn tất người giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Vì kiến thức thời gian thực luận văn thạc sĩ có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong đóng góp q thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng năm 2020 Võ Đức Thịnh iii TÓM TẮT Luận văn tập trung nghiên cứu khả chịu tải trọng hình tam giác dầm bê tông cốt thép nhịp hai đầu ngàm điều kiện cháy, sử dụng tiêu chuẩn EN 1992-1-2 để tính tốn Người viết sử dụng phần mềm COMSOL để mơ q trình truyền nhiệt theo thời gian mặt cắt dầm bê tông cốt thép hai trường hợp: có khơng có lớp chống cháy Chia mặt cắt dầm thành lớp có nhiệt độ khác nhau, để xác định tính chất lý vật liệu theo tiêu chuẩn EN 1992 Mô cấu kiện dầm phần mềm OpenSees để thực phân tích khả chịu lực mặt cắt tồn dầm bê tơng cốt thép Từ kết thu được, ta thấy khác biệt khả chịu lực theo thời gian cháy trường hợp thép chịu lực nằm nằm Đồng thời vẽ biểu đồ tải trọng cực hạn dầm bê tông cốt thép theo thời gian trường hợp có lớp chống cháy khơng có lớp chống cháy Từ thấy quan trọng lớp chống cháy dầm bê tơng cốt thép trường hợp có hỏa hoạn xảy iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC BẢNG vii DANH SÁCH CÁC HÌNH viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 2.1 Nghiên cứu giới 2.2 Nghiên cứu nước 2.3 Nhận xét 13 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 3.1 Nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EN 1992 14 3.1.1 Các phương pháp tính toán 14 3.1.2 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn 15 3.1.3 Tổ hợp hệ tác động chịu lửa 15 v 3.1.4 Các tiêu chí khả chịu lửa nguyên tắc kiểm tra theo tiêu chí chịu lực 16 3.1.5 Sự suy giảm tính chịu lực vật liệu nhiệt độ cao 16 3.1.6 Sự phân bố nhiệt độ dầm BTCT 17 3.1.7 Phương pháp tra bảng tính tốn dầm BTCT nhiệt độ cao 18 3.1.8 Phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C tính tốn dầm BTCT nhiệt độ cao 20 3.2 Tổng quan OpenSees 21 3.2.1 Mơ hình vật liệu đàn hồi – dẻo lý tưởng 22 3.2.2 Vật liệu bê tông 22 3.2.3 Phân tích ứng của tiết diện phương pháp chia thớ 22 CHƯƠNG PHÂN TÍCH SỐ 24 4.1 Số liệu đầu vào 24 4.1.1 Môi trường 24 4.1.2 Chi tiết cấu kiện 24 4.1.3 Vật liệu 24 4.2 Phân tích q trình truyền nhiệt dầm phần mềm COMSOL 25 4.2.1 Mơ hình dầm chịu lửa 25 4.2.2 Kết phân tích nhiệt độ 27 4.3 Các đặc trưng lý vật liệu nhiệt độ cao 31 4.3.1 Vật liệu bê tông 31 4.3.2 Vật liệu thép 35 4.4 Khả chịu moment tiết diện 37 4.4.1 Kết phân tích 39 vi 4.4.2 Nhận xét 45 4.5 Khả chịu tải cấu kiện dầm nhịp – hai đầu ngàm 46 4.5.1 Dầm nhịp – hai đầu ngàm 46 4.5.2 Thiết kế dầm D1 47 4.5.3 Mơ hình số dầm D1 49 4.5.4 Khả chịu lực cực hạn dầm khơng có lớp vữa chống cháy 50 4.5.5 Khả chịu lực cực hạn dầm có lớp vữa chống cháy 53 4.5.6 Kiểm tra khả chịu lửa dầm theo tiêu chuẩn EN 1992 đối chiếu với yêu cầu QCVN 06:2020 57 4.5.7 Nhận xét 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 5.1 Kết luận 61 5.2 Kiến nghị 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1 – Các phương pháp thiết kế kết cấu chịu lửa 14 Bảng 3.2 – Kích thước tối thiểu dầm BTCT nhịp 19 Bảng 3.3 – Kích thước tối thiểu dầm BTCT nhiều nhịp liên tục 19 Bảng 4.1 – Các hệ số suy giảm ứng suất – biến dạng bê tông theo nhiệt độ 32 Bảng 4.2 – Các tiêu lý bê tông nhiệt độ cao 34 Bảng 4.3 – Các tiêu lý cốt thép nhiệt độ cao 36 Bảng 4.4 – Moment cực hạn theo thời gian tiết diện (khơng có lớp vữa chống cháy) 40 Bảng 4.5 – Moment cực hạn theo thời gian tiết diện (khơng có lớp vữa chống cháy) 40 Bảng 4.6 – Moment cực hạn theo thời gian tiết diện (có lớp vữa chống cháy) 43 Bảng 4.7 – Moment cực hạn theo thời gian tiết diện (có lớp vữa chống cháy) 43 Bảng 4.8 – Tải trọng tác dụng lên sàn 47 Bảng 4.9 – Moment cực hạn theo thời gian mặt cắt gối dầm D1 (Khơng có lớp vữa chống cháy) .50 Bảng 4.10 – Moment cực hạn theo thời gian mặt cắt nhịp dầm D1 (Khơng có lớp vữa chống cháy) 50 Bảng 4.11 – Moment cực hạn theo thời gian mặt cắt gối dầm D1 (có lớp vữa chống cháy) 53 Bảng 4.12 – Moment cực hạn theo thời gian mặt cắt nhịp dầm D1 (có lớp vữa chống cháy) 54 Bảng 4.13 – Phân phân loại khả chống cháy dầm D1 57 Bảng 4.14 - Giới hạn chịu lửa dầm bê tông cốt thép .58 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 3.1 – Đặc trưng lý bê tông nhiệt độ cao .17 Hình 3.2 – Đặc trưng lý cốt thép nhiệt độ cao 17 Hình 3.3 – Phân bố nhiệt độ 1/4 tiết diện dầm .18 Hình 3.4 – Tiết diện ngang suy giảm dầm BTCT 21 Hình 4.1 – Thơng số vật liệu tiết diện bê tông 25 Hình 4.2 – Thơng số vật liệu lớp vữa chống cháy 26 Hình 4.3 – Thơng số truyền nhiệt cấu kiện 27 Hình 4.4 – Đường đẳng nhiệt mặt cắt dầm t = 30p t = 60p 27 Hình 4.5 – Đường đẳng nhiệt mặt cắt dầm t = 90p t = 120p 28 Hình 4.6 – Đường đẳng nhiệt mặt cắt dầm t = 150p t = 180p 28 Hình 4.7 – Sự tương đồng đường đẳng nhiệt phân tích COMSOL đường đẳng nhiệt EN 1992 29 Hình 4.8 – Đường đẳng nhiệt mặt cắt dầm t = 30p t = 60p 29 Hình 4.9 – Đường đẳng nhiệt mặt cắt dầm t = 90p t = 120p 30 Hình 4.10 – Đường đẳng nhiệt mặt cắt dầm t = 150p t = 180p 30 Hình 4.11 – Hệ số suy giảm cường độ bê tơng kc .31 Hình 4.12 – Đường cong ứng suất – biến dạng 32 Hình 4.13 – Biểu đồ ứng suất - biến dạng bê tông nhiệt độ cao 33 Hình 4.14 – Hệ số suy giảm cường độ cốt thép ks .35 Hình 4.15 – Tiết diện bê tơng chia thớ theo nhiệt độ 37 Hình 4.16 – Tiết diện dầm bê tơng cốt thép 38 Hình 4.17 – Biểu đồ moment – độ cong tiết diện (khơng có lớp vữa chống cháy) 39 Hình 4.18 – Biểu đồ moment – độ cong tiết diện (khơng có lớp vữa chống cháy) 39 Hình 4.19 – Moment cực hạn theo thời gian hai tiết diện (khơng có lớp vữa chống cháy) .41 ix Hình 4.20 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian hai tiết diện (khơng có lớp vữa chống cháy) 41 Hình 4.21 – Biểu đồ moment – độ cong tiết diện (có lớp vữa chống cháy) 42 Hình 4.22 – Biểu đồ moment – độ cong tiết diện (có lớp vữa chống cháy) 42 Hình 4.23 – Moment cực hạn theo thời gian hai tiết diện (có lớp vữa chống cháy) 44 Hình 4.24 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian hai tiết diện (có lớp vữa chống cháy) .44 Hình 4.25 – Vị trí dầm D1 46 Hình 4.26 – Tải trọng tác dụng lên dầm D1 47 Hình 4.27 – Chi tiết dầm D1 49 Hình 4.28 – Các mặt cắt dầm D1 49 Hình 4.29 – Moment cực hạn theo thời gian tiết diện dầm D1 (Khơng có lớp vữa chống cháy) 51 Hình 4.30 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian tiết diện dầm D1 (Không có lớp vữa chống cháy) .51 Hình 4.31 – Tải trọng cực hạn qmax dầm D1 theo thời gian (khơng có lớp vữa chống cháy) .52 Hình 4.32 – Sự suy giảm tải trọng cực hạn dầm BTCT theo thời gian (khơng có lớp vữa chống cháy) .52 Hình 4.33 – Tải trọng thiết kế tải trọng cực hạn dầm D1 (khơng có lớp vữa chống cháy) .53 Hình 4.34 – Moment cực hạn theo thời gian tiết diện (có lớp vữa chống cháy) 54 Hình 4.35 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian tiết diện (có lớp vữa chống cháy) 55 section Fiber {; patch rect $matTagConc6 -0.300 -0.150 -0.295 0.150; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc6 595 -0.295 -0.150 0.300 -0.146; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc6 595 -0.295 0.146 0.300 0.150; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc5 11 -0.295 -0.146 -0.284 0.146; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc5 584 -0.284 -0.146 0.300 -0.135; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc5 584 -0.284 0.135 0.300 0.146; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc4 13 -0.284 -0.135 -0.271 0.135; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc4 571 -0.271 -0.135 0.300 -0.122; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc4 571 -0.271 0.122 0.300 0.135; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc3 16 -0.271 -0.122 -0.255 0.122; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc3 555 -0.255 -0.122 0.300 -0.107; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc3 555 -0.255 0.107 0.300 0.122; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc2 25 -0.255 -0.107 -0.230 0.107; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc2 530 -0.230 -0.107 0.300 -0.082; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc2 530 -0.230 0.082 0.300 0.107; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc1 530 -0.230 -0.082 0.300 0.082; # Tiet dien be tong 100oC > t > 0oC fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr (-$b/2.)+$a+$a1/2.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf3; # Toa thep duoi (200oC) fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr -($b-2.*$a-$a1)/6.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf4; # Toa thep duoi (150oC) fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr ($b-2.*$a-$a1)/6.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf4; # Toa thep duoi (150oC) fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr ($b/2.)-$a-$a1/2.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf3; # Toa thep duoi (200oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr (-$b/2.)+$a+$a2/2.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf2; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr -($b-2.*$a-$a2)/6.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf1; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr ($b-2.*$a-$a2)/6.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf1; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr ($b/2.)-$a-$a2/2.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf2;} # Toa thep tren (100oC) section Fiber {; patch rect $matTagConc6 -0.300 -0.150 -0.295 0.150; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc6 595 -0.295 -0.150 0.300 -0.146; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc6 595 -0.295 0.146 0.300 0.150; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc5 11 -0.295 -0.146 -0.284 0.146; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc5 584 -0.284 -0.146 0.300 -0.135; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc5 584 -0.284 0.135 0.300 0.146; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc4 13 -0.284 -0.135 -0.271 0.135; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc4 571 -0.271 -0.135 0.300 -0.122; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc4 571 -0.271 0.122 0.300 0.135; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc3 16 -0.271 -0.122 -0.255 0.122; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc3 555 -0.255 -0.122 0.300 -0.107; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc3 555 -0.255 0.107 0.300 0.122; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc2 25 -0.255 -0.107 -0.230 0.107; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc2 530 -0.230 -0.107 0.300 -0.082; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc2 530 -0.230 0.082 0.300 0.107; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc1 530 -0.230 -0.082 0.300 0.082; # Tiet dien be tong 100oC > t > 0oC fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr (-$b/2.)+$a+$a1/2.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf3; # Toa thep duoi (200oC) fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr ($b/2.)-$a-$a1/2.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf3; # Toa thep duoi (200oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr (-$b/2.)+$a+$a2/2.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf2; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr -($b-2.*$a-$a2)/6.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf1; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr ($b-2.*$a-$a2)/6.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf1; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr ($b/2.)-$a-$a2/2.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf2;} # Toa thep tren (100oC) section Fiber {; patch rect $matTagConc6 -0.300 -0.150 -0.295 0.150; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc6 595 -0.295 -0.150 0.300 -0.146; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc6 595 -0.295 0.146 0.300 0.150; # Tiet dien be tong 600oC > t > 500oC patch rect $matTagConc5 11 -0.295 -0.146 -0.284 0.146; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc5 584 -0.284 -0.146 0.300 -0.135; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc5 584 -0.284 0.135 0.300 0.146; # Tiet dien be tong 500oC > t > 400oC patch rect $matTagConc4 13 -0.284 -0.135 -0.271 0.135; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc4 571 -0.271 -0.135 0.300 -0.122; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc4 571 -0.271 0.122 0.300 0.135; # Tiet dien be tong 400oC > t > 300oC patch rect $matTagConc3 16 -0.271 -0.122 -0.255 0.122; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc3 555 -0.255 -0.122 0.300 -0.107; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc3 555 -0.255 0.107 0.300 0.122; # Tiet dien be tong 300oC > t > 200oC patch rect $matTagConc2 25 -0.255 -0.107 -0.230 0.107; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc2 530 -0.230 -0.107 0.300 -0.082; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc2 530 -0.230 0.082 0.300 0.107; # Tiet dien be tong 200oC > t > 100oC patch rect $matTagConc1 530 -0.230 -0.082 0.300 0.082; # Tiet dien be tong 100oC > t > 0oC fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr (-$b/2.)+$a+$a1/2.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf3; # Toa thep duoi (200oC) fiber [expr (-$h/2.)+$a+$a1/2.] [expr ($b/2.)-$a-$a1/2.] [expr 3.14*$a1*$a1/4.] $matTagReinf3; # Toa thep duoi (200oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr (-$b/2.)+$a+$a2/2.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf2; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr -($b-2.*$a-$a2)/6.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf1; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr ($b-2.*$a-$a2)/6.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf1; # Toa thep tren (100oC) fiber [expr ($h/2.)-$a-$a2/2.] [expr ($b/2.)-$a-$a2/2.] [expr 3.14*$a2*$a2/4.] $matTagReinf2;} # Toa thep tren (100oC) # Define transfermation geometry geomTransf Linear ; # Define element type for {set iChay 1} {$iChay