PHÂN TÍCH KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY CÓ XÉT ĐẾN Q TRÌNH TĂNG NHIỆT VÀ GIẢM NHIỆT TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRƯƠNG QUANG VINH PHÂN TÍCH KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TƠNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY CĨ XÉT ĐẾN Q TRÌNH TĂNG NHIỆT VÀ GIẢM NHIỆT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 62.58.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2018 Công trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Tiến Chương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Thời gian: vào hồi… giờ… ngày…….tháng……năm…… Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia thư viện Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Kết cấu liên hợp thép - bê tông ngày sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng ưu điểm chịu lực tốt Kết cấu liên hợp có ưu điểm so với kết cấu thép khả chịu cháy cao Tuy nhiên, việc tính tốn kết cấu liên hợp thép - bê tơng điều kiện cháy phức tạp nên khơng có nhiều tài liệu đề cập đến Hệ thống quy chuẩn tiêu chuẩn Việt Nam có dẫn thí nghiệm xác định giới hạn chịu lửa kết cấu mà chưa đề cập đến việc phân tích kết cấu điều kiện cháy Phần lớn nghiên cứu giới kết cấu điều kiện cháy nghiên cứu ứng xử kết cấu giai đoạn tăng nhiệt đám cháy mà chưa xét đến trình giảm nhiệt Thực tế, nhiều cơng trình sụp đổ đám cháy giai đoạn giảm nhiệt nên vấn đề phân tích kết cấu điều kiện cháy có xét đến trình giảm nhiệt cần thiết Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính làm việc kết cấu liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy có xét đến q trình tăng nhiệt giảm nhiệt Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: cấu kiện kết cấu khung phẳng liên hợp thép- bê tông Phạm vi nghiên cứu: ứng xử cấu kiện kết cấu khung phẳng liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy có xét đến q trình tăng nhiệt giảm nhiệt Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết: (1) lựa chọn mơ hình vật liệu bê tơng phù hợp với trạng thái tăng giảm ứng suất điều kiện cháy để lập trình tính tốn kết cấu sở phần mềm SAFIR; (2) xây dựng thuật tốn lập trình tính kết cấu khung phẳng liên hợp thép – bê tông điều kiện cháy; (3) dùng phần mềm lập để phân tích làm việc cấu kiện kết cấu khung phẳng liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy có xét đến q trình tăng giảm nhiệt; (4) khảo sát đặc tính làm việc kết cấu điều kiện cháy có xét đến q trình giảm nhiệt Những đóng góp luận án - Đề xuất mơ hình nhiệt học học cho vật liệu bê tông để mô kết cấu liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy có xét đến q trình tăng giảm nhiệt Mơ hình vật liệu bê tơng lựa chọn có tách riêng biến dạng từ biến nhanh biến dạng lực nên phân tích kết cấu có giảm ứng suất trình tăng giảm nhiệt Lập trình tính tốn đưa mơ hình vật liệu bê tông lựa chọn tên CONC-ETC vào phần mềm phân tích kết cấu SAFIR Mơ hình vật liệu thép lấy theo tiêu chuẩn châu Âu, có sẵn phần mềm SAFIR; - Khảo sát làm việc khung phẳng liên hợp thép- bê tông điều kiện cháy mô số Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến làm việc khung liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy giãn nở nhiệt vật liệu, tỉ số tải trọng sử dụng, điều kiện liên kết để làm rõ ứng xử kết cấu điều kiện cháy; - Phát triển ý tưởng việc dùng số DHP để đánh giá kết cấu điều kiện cháy (DHP số đánh giá kết cấu đám cháy tự nhiên có giai đoạn tăng giảm nhiệt) Xây dựng thuật tốn tính số DHP cho kết cấu, sử dụng phần mềm phân tích kết cấu SAFIR Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến DHP cột liên hợp thép - bê tơng Tìm qui luật DHP với số tham số ảnh hưởng chủ yếu đến DHP như: tỉ số tải trọng sử dụng, loại tiết diện cột, cường độ vật liệu, độ lệch tâm lực dọc, độ mảnh cấu kiện Đề xuất số DelayT để đánh giá khả bị phá hoại kết cấu giai đoạn giảm nhiệt đám cháy Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến DelayT cột liên hợp thép - bê tơng Tìm qui luật DelayT với số tham số ảnh hưởng Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án gồm có chương với 22 bảng biểu, 114 hình vẽ Luận án trình bày 146 trang hai phụ lục trình bày phần lập trình mà luận án xây dựng Phần tài liệu tham khảo giới thiệu 125 tài liệu tiếng Việt tiếng Anh Chương Tổng quan phân tích kết cấu điều kiện cháy Chương trình bày kiến thức tổng quan phát triển nhiệt độ buồng cháy, truyền nhiệt kết cấu ứng xử kết cấu đám cháy Chương Phương pháp thuật tốn phân tích làm việc kết cấu thép - bê tông điều kiện cháy Chương phân tích mơ hình ứng suất - biến dạng vật liệu bê tông thép dùng phần mềm SAFIR, nêu vấn đề mơ hình bê tơng tích hợp biến dạng nhiệt tức thời biến dạng lực (mơ hình dùng tiêu chuẩn châu Âu) gây sai số biến dạng trường hợp ứng suất giảm Đề xuất mơ hình phân lập cho bê tông tách riêng biến dạng nhiệt tức thời với biến dạng lực gọi mơ hình CONCETC Sau đó, chương trình bày cách xây dựng thuật tốn lập trình để thêm loại vật liệu CONC-ETC vào nguồn phần mềm SAFIR, tạo chương trình chạy Chương trình chạy thêm vào kiểm chứng cách so kết tính phần mềm với kết thí nghiệm cơng bố nghiên cứu khác Các so sánh cho thấy dùng mơ hình bê tơng thêm vào CONC-ETC cho kết tính gần kết thí nghiệm so với mơ hình dùng tiêu chuẩn châu Âu Chương Nghiên cứu làm việc kết cấu khung liên hợp thép - bê tông giai đoạn tăng nhiệt đám cháy Chương trình bày kết mô số cấu kiện kết cấu khung phẳng liên hợp thẻp - bê tông trình tăng nhiệt đám cháy, sử dụng phần mềm SAFIR có mơ hình vật liệu bê tơng CONC-ETC Ngồi ra, chương cịn khảo sát ảnh hưởng số thông số điều kiện biên, tải trọng, độ mảnh…đến làm việc dầm cột Mục 3.4 trình bày kết khảo sát khung phẳng với ảnh hưởng độ cứng liên kết dầm - cột, cường độ đám cháy, vị trí đám cháy khung nêu rõ thay đổi nội lực khung trình chịu cháy Chương Nghiên cứu làm việc kết cấu khung liên hợp thép - bê tông giai đoạn giảm nhiệt đám cháy Mục 4.1 trình bày kết mơ khung phẳng có xét đến q trình giảm nhiệt đám cháy với đường tăng giảm nhiệt khác nhau, qua rõ khả bị phá hoại khung đám cháy trình giảm nhiệt Mục 4.2 trình bày khái niệm "giới hạn giai đoạn tăng nhiệt" DHP Mục 4.3 trình bày thuật tốn xây dựng chương trình tự động tính DHP, sử dụng ngơn ngữ AutoIt để gọi chương trình SAFIR, tính lặp để có kết DHP Sau có chương trình tự động tính DHP, nghiên cứu tham số tiến hành cho cột ống thép nhồi bê tơng Mục 4.4 trình bày kết khảo sát tham số ảnh hưởng tới DHP cấu kiện cột liên hợp thép - bê tông nêu số quy luật Ngồi ra, chương cịn giới thiệu khái niệm mới: thời gian phá hoại trễ kết cấu DelayT Mục 4.5 trình bày kết khảo sát tham số ảnh hưởng tới thời gian phá hoại trễ DelayT cấu kiện cột ống thép nhồi bê tơng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY 1.1 Giới thiệu nội dung phân tích kết cấu điều kiện cháy Hình 1.1 Quan hệ thời gian cháy nhiệt độ bề mặt biên kết cấu 1.2 Sự phát triển nhiệt độ buồng cháy Mỗi đám cháy thường có giai đoạn nhiệt độ: giai đoạn bắt đầu cháy, giai đoạn tăng nhiệt giai đoạn giảm nhiệt Hầu hết nghiên cứu quan tâm đến giai đoạn tăng nhiệt coi giai đoạn nguy hiểm Việc tính tốn nhiệt độ từ nguồn cháy đến bề mặt kết cấu thuộc bước “phân tích nhiệt độ buồng cháy" không phạm vi nghiên cứu đề tài Mỗi đám cháy có đường quan hệ thời gian cháy nhiệt độ bề mặt biên kết cấu khác nhau, song để phân tích tính tốn thường dùng mơ hình đường cong thời gian cháy - nhiệt độ tiêu chuẩn (Hình 1.2) Khi thiết kế kết cấu cơng trình thường tính tốn chịu cháy với đường Standard Đường gọi đường chuẩn ISO 834 Đường chuẩn ISO 834 xác định từ phương trình sau: (1.1) T=345log10 (8t+1)+T0 đó: t thời gian (phút) T nhiệt độ buồng cháy (°C), T0 nhiệt độ ban đầu buồng cháy (thường lấy 20°C) Hình 1.2 Một số đường cong cháy tiêu biểu theo ISO 834 1.3 Sự truyền nhiệt kết cấu Trong kết cấu liên hợp thép - bê tơng, truyền nhiệt tính theo phương trình Fourier với giả thiết cấu kiện liên hợp gồm phần thép bê tông khối liên tục, khơng có khoảng hở bề mặt tiếp xúc thép bê tông Đề tài nghiên cứu dùng phần mềm SAFIR đại học Liege-Vương quốc Bỉ để tính nhiệt độ kết cấu biết đường quan hệ thời gian cháy - nhiệt độ bề mặt biên tính chất lý vật liệu thép bê tơng 1.4 Tính chất lý vật liệu nhiệt độ cao 1.4.1 Các đặc tính vật liệu thép tác động nhiệt độ cao Mối quan hệ ứng suất - biến dạng vật liệu thép nhiệt độ cao: Khi nhiệt độ tăng cao, mô đun đàn hồi, giới hạn đàn hồi giới hạn chảy thép giảm (Hình 1.8) Các giá trị suy giảm ứng với nhiệt độ cao cho bảng tra tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 1.4.2 Các đặc tính vật liệu bê tông tác động nhiệt độ cao a Cường độ bê tông Bê tông giảm cường độ nhiệt độ tăng Dạng đường cong thể mối quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông nhiệt độ khác Hình 1.13 Tương tự vật liệu thép, giá trị hệ số suy giảm cường độ biến dạng cực hạn vật liệu bê tông nhiệt độ  cho tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 Hình Biểu đồ ứng suất- biến dạng vật liệu thép điều kiện nhiệt độ cao Hình 13 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu bê tông điều kiện nhiệt độ cao 1.5 Các nghiên cứu kết cấu điều kiện cháy 1.6 Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu cơng trình đảm bảo điều kiện an toàn cháy 1.7 Giới thiệu kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.8 Kết luận chương - Tính chất học vật lý vật liệu bê tông cốt thép thay đổi theo nhiệt độ nên việc phân tích kết cấu điều kiện cháy phải cập nhật tiêu lý vật liệu thời điểm cháy; - Tại Việt Nam, nghiên cứu kết cấu điều kiện cháy hạn chế; - Trên giới có nhiều nghiên cứu kết cấu liên hợp thép bê tông điều kiện cháy song chủ yếu xét đến q trình tăng nhiệt Đã có số luận án tiến sĩ Anh, Mỹ công bố kết nghiên cứu có mơ số khung liên hợp thép- bê tông quan tâm đến q trình tăng nhiệt Gần đây, có số công bố kết nghiên cứu thực nghiệm khung liên hợp thép - bê tơng có xét đến q trình giảm nhiệt chưa thấy cơng bố kết mô số; - Các tiêu chuẩn, quy chuẩn liên quan đến thiết kế kết cấu đảm bảo điều kiện an toàn cháy cần phải xác định giới hạn chịu lửa cấu kiện kết cấu Đa số quy chuẩn yêu cầu xác định giới hạn chịu lửa cấu kiện kết cấu thí nghiệm tính tốn, song có tiêu chuẩn nước (như tiêu chuẩn châu Âu tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE) có dẫn tính tốn kết cấu điều kiện cháy Việt Nam chưa có tiêu chuẩn hay dẫn tính tốn kết cấu điều kiện cháy mà có tiêu chuẩn thí nghiệm Thậm chí, kết cấu liên hợp thép - bê tơng chưa đề cập đến quy chuẩn, tiêu chuẩn liên quan đến kết cấu điều kiện cháy Với nhận xét nêu trên, luận án đặt vấn đề nghiên cứu phương pháp mô số kết cấu khung liên hợp thép- bê tông đám cháy có xét đến q trình tăng nhiệt giảm nhiệt Sau áp dụng phương pháp mơ số để tiến hành tính tốn, đưa quy luật ứng xử kết cấu CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP VÀ THUẬT TỐN PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP- BÊ TÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY 2.1 Phương pháp phân tích kết cấu liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy, sử dụng phần mềm SAFIR Để phân tích kết cấu điều kiện cháy cần có bước: Bước 1: Tính tốn phát triển nhiệt độ từ nguồn cháy đến bề mặt kết cấu; Bước 2: Tính tốn truyền nhiệt từ bề mặt kết cấu đến điểm bên kết cấu; Bước 3: Phân tích ứng xử kết cấu điều kiện nhiệt độ tăng cao theo thời gian Trong phạm vi chuyên ngành kỹ thuật xây dựng, nghiên cứu quan tâm đến bước bước Mục trình bày nội dung bước bước nêu trên, dùng phần mềm SAFIR SAFIR phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu điều kiện nhiệt độ thường nhiệt độ tăng cao, lập trường Đại học Liege- vương quốc Bỉ Phần mềm kiểm chứng so sánh kết tính tốn với kết thí nghiệm kết tính phần mềm thơng dụng khác 2.1.1 Tính tốn truyền nhiệt bên kết cấu Các cấu kiện dầm cột chia thành nhiều phần tử để giả thiết nhiệt độ phân bố dọc theo trục phần tử Các đoạn dầm hay cột có điều kiện tiếp xúc với đám cháy khác chia thành phần tử khác Khi đó, để biết nhiệt độ phần tử cần tính nhiệt độ phân bố mặt cắt ngang phần tử Hình 2.1 thể nhiệt độ mặt cắt ngang cột hộp thép bọc bê tông thép I bên trong, thể 1/4 tiết diện dùng lệnh đối xứng Diamond 2012.a.0 for SAFIR FILE: PROFILE14-R112 NODES: 395 ELEMENTS: 363 NODES PLOT SOLIDS PLOT CONTOUR PLOT TEMPERATURE PLOT Y X Z TIME: 6000 sec 1005.40 895.04 784.68 674.31 563.95 453.59 Hình Nhiệt độ tiết diện cột 2.1.2 Phân tích ứng xử kết cấu điều kiện nhiệt độ tăng cao Để phân tích kết cấu điều kiện cháy, cần tính tốn biến dạng ứng suất kết cấu thời điểm cháy tương ứng với nhiệt độ kết cấu xác định Bước Ở thời điểm cháy, cập nhật tiêu lý vật liệu ứng với nhiệt độ xác định dùng phương trình cân học để tính ứng suất- biến dạng 11 Gernay T [67] đề xuất mơ hình vật liệu bê tơng theo mơ hình phân lập (explicit model), tách riêng biến dạng nhiệt tức thời biến dạng lực:  tot   th      tr (2.7)  th : biến dạng tự do nhiệt độ lấy theo công thức tiêu chuẩn châu Âu giống mơ hình tích hợp   : biến dạng lực lấy theo công thức diễn giải số công bố Gernay T sau: 2    (2.14)  f c ,T  ) ] c1, ETC [1+(  c1, ETC  c1,ETC : biến dạng đỉnh đường cong ứng suất biến dạng  tr biến dạng nhiệt tức thời lấy theo công thức sau:    tr   ()  f c ,20 (2.15)  : ứng suất bê tông; f c ,20 : cường độ bê tông nhiệt độ thường;  (T ) : hàm số phi tuyến phụ thuộc vào nhiệt độ thông qua giá trị biến dạng cường độ bê tông nhiệt độ T: -ε 2ε (2.16)  (Τ)= c1,EC2 c1,min f c,T /f c,20  c1, EC : biến dạng đỉnh đường ứng suất-biến dạng bê tông theo tiêu chuẩn hành EN 1992-1-2 (EC2);  c1,min : biến dạng đỉnh đường ứng suất-biến dạng bê tông theo tiêu chuẩn phiên trước ENV 1992-1-2; f c ,T : cường độ bê tông nhiệt độ T Các giá trị  (T ) tính tốn dựa công thức tiêu chuẩn châu Âu phiên trước ENV phiên hành EC2 Nghiên cứu đưa mơ hình phân lập vật liệu bê tơng vào phần mềm phân tích kết cấu SAFIR đặt tên CONC-ETC 2.4 Xây dựng thuật toán lập trình Các thuật tốn chương trình tính viết phần mềm SAFIR trình bày mục 2.1 Đóng góp luận án tính 12 thêm ε tr thêm cơng thức tốn học liên hệ    khối viền đỏ sơ đồ khối cho loại vật liệu CONC-ETC (Hình 2.13) Chương trình viết ngơn ngữ lập trình Fortran Các chương trình sửa để thêm loại vật liệu CONC-ETC xây dựng lại file chạy (file.exe) Hình 13 Sơ đồ khối chương trình tính SAFIR 2.5 Kiểm chứng mơ hình tính 13 Mơ hình kiểm chứng cách so sánh kết tính theo mơ hình đề xuất (ETC model), mơ hình dùng Eurocodes (EC2 model) kết thực nghiệm nghiên cứu khác công bố 2.5.1 Thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Vienne, Austria Hình 14 So sánh biến dạng theo mơ hình kết thí nghiệm Các mẫu bê tơng hình trụ trịn đường kính 80 mm cao 300 mm đo biến dạng điều kiện chịu ứng suất nén nhiệt độ thay đổi đồng thời 2.5.2 Thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật miền Nam, Trung Quốc 2.5.3 Thí nghiệm trường Đại học Michigan, Hoa Kỳ 2.5.4 Thí nghiệm trường Đại học Liege, Vương quốc Bỉ Kết thí nghiệm so với kết tính phần mềm SAFIR dùng mơ hình vật liệu bê tơng theo Eurocodes (EC2) mơ hình đề xuất (ETC) Qua đó, cho thấy mơ hình đề xuất cho kết tính tốn gần với kết thí nghiệm 2.6 Kết luận chương - Sự thay đổi ứng suất- biến dạng cấu kiện liên hợp thép - bê tông đám cháy có xét đến q trình giảm nhiệt phức tạp Rất nhiều trường hợp thay đổi nhiệt độ - ứng suất - biến dạng kết cấu đám cháy xét đến trình giảm nhiệt phần lớn nghiên cứu công bố quan tâm đến ứng xử kết cấu trình tăng nhiệt; - Mơ hình mơ vật liệu bê tơng tách riêng biến dạng nhiệt tức thời biến dạng lực cho kết tính sát với kết thí nghiệm so với mơ hình tiêu chuẩn châu Âu hành Luận án đặt tên mơ hình tách riêng biến dạng nhiệt tức thời biến dạng lực mơ hình CONC-ETC - Luận án lập trình tính tốn, đưa mơ hình vật liệu bê tơng CONCETC vào phần mềm SAFIR 14 - Mơ hình vật liệu thêm vào CONC-ETC kiểm chứng qua so sánh kết mô số kết thí nghiệm cơng bố nghiên cứu khác CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU KHUNG LIÊN HỢP THÉP- BÊ TÔNG TRONG GIAI ĐOẠN TĂNG NHIỆT CỦA ĐÁM CHÁY 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Sự làm việc dầm liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy 3.2.1 Ảnh hưởng biến dạng nhiệt Khảo sát dầm thép tiết diện I330 đỡ sàn bê tơng dày 100mm, tính ứng suất - biến dạng khơng có tải trọng mà chịu cháy Kết tính cho thấy với dầm có hạn chế chuyển vị dọc trục, biến dạng nhiệt gây nội lực dầm khơng có tải trọng Nội lực dầm thay đổi đổi dấu q trình chịu cháy 3.2.2 Ảnh hưởng điều kiện biên Thay đổi điều kiện biên dầm: ngàm - ngàm, ngàm - ngàm trượt, khớp cố định - khớp di động Giới hạn chịu lửa dầm tính phần mềm SAFIR cho thấy với dầm không bị hạn chế chuyển vị ngang giới hạn chịu lửa Với dầm có hạn chế chuyển vị ngang điều kiện liên kết ảnh hưởng đáng kể tới giá trị giới hạn chịu lửa dầm 3.2.3 Ảnh hưởng tỉ số tải trọng sử dụng Khái niệm "tỉ số tải trọng sử dụng" tỉ số tải trọng tác dụng lên cấu kiện điều kiện cháy tải trọng giới hạn cấu kiện chịu điều kiện nhiệt độ thường Kết tính cho thấy tỉ số tải trọng cao giới hạn chịu lửa giảm rõ rệt 3.3 Sự làm việc cột liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy 3.3.1 Ứng suất - biến dạng cột không chịu tải trọng Kết phân tích cho thấy giãn nở nhiệt khác nên ứng suất tiết diện phân bố phức tạp, không theo quy luật phân bố ứng suất- biến dạng điều kiện nhiệt độ thường 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng số bề mặt tiếp xúc lửa Kết tính cho thấy biến dạng nhiệt gây ứng suất lớn tiết diện nên cách thức bề mặt cột tiếp xúc với đám cháy ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử cột 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng tỉ số tải trọng sử dụng Kết cho thấy, tỉ số tải trọng cao giới hạn chịu lửa nhỏ 15 3.3.4 Khảo sát ảnh hưởng độ mảnh cột Kết tính cho thấy giới hạn chịu lửa cột giảm rõ rệt độ mảnh tăng Với tiết diện cột khác giá trị độ mảnh tỉ số tải trọng tác dụng giới hạn chịu lửa cột khác đáng kể 3.4 Sự làm việc khung phẳng liên hợp thép - bê tông điều kiện cháy Luận án trình bày kết mô khung phẳng dầm-cột thép sàn liên hợp thí nghiệm số Cardington Đây số thí nghiệm ngun mẫu mơ hình khung liên hợp tầng Cardington Hội xây dựng cơng trình - Vương quốc Anh (BRE) chủ trì Kết tính tốn so với kết thí nghiệm để kiểm chứng mơ hình Sau đó, dùng mơ hình kiểm chứng, kết tính tốn chuyển vị, ứng suất, biến dạng khung khảo sát với độ cứng liên kết dầm cột khác vị trí đám cháy khác 3.4.1 Sự làm việc liên kết dầm-cột Phần nêu số nghiên cứu công bố ứng xử nút khung liên hợp điều kiện cháy Luận án lấy kết mô liên kết nghiên cứu Gernay T để áp dụng cho khung 3.4.2 Ảnh hưởng độ cứng liên kết Liên kết cứng cho kết tính chuyển vị nhỏ đáng kể so với kết thí nghiệm, liên kết khớp tính chuyển vị lớn so với kết thí nghiệm Để tính đúng, cần nghiên cứu ứng xử liên kết để có thơng số tính liên kết nửa cứng 3.4.3 Ảnh hưởng vị trí đám cháy Có trường hợp tính đến: đám cháy tầng nhịp, đám cháy tầng nhịp (Hình 3.48) đám cháy tầng nhịp Dầm tính tốn tầng có cháy Kết tính tốn cho thấy, thay đổi giá trị mơ men dầm theo nhiệt độ có khác vị trí đám cháy khác Hình 3.48 Sơ đồ khung vị trí nhau, song chênh lệch không nhiều phần tử khảo sát 16 3.4.4 Khảo sát thay đổi nội lực dầm cột khung giai đoạn tăng nhiệt đám cháy Phần trình bày kết khảo sát thay đổi nội lực dầm cột khung trình tăng nhiệt đám cháy dù tải trọng không thay đổi Kết thấy rõ cấu kiện chịu cháy trực tiếp có thay đổi lớn nội lực biến dạng trình cháy, cấu kiện xa đám cháy ảnh hưởng Trong cột có thay đổi mơ men lớn dầm bị giãn nỡ nhiệt làm đầu cột có chuyển vị ngang Lực dọc cột có thay đổi q trình cháy khơng đáng kể Trong dầm xuất lực nén lớn giãn nở nhiệt bị cản trở Mô men dầm thay đổi không đáng kể Như vậy, kết cấu chịu cháy, mô men cột lực dọc dầm vị trí tiếp xúc với đám cháy tăng đáng kể so với nội lực điều kiện nhiệt độ thường Việc lấy giá trị nội lực đám cháy không thay đổi trình cháy chưa hợp lý 3.5 Kết luận chương - Kết cấu điều kiện cháy có ứng xử phức tạp biến dạng nhiệt độ, chúng góp phần đáng kể vào biến dạng chung kết cấu; - Giới hạn chịu lửa kết cấu phụ thuộc vào tỉ số tải trọng tác dụng điều kiện cháy Khi tăng tải trọng giới hạn chịu lửa giảm rõ rệt; - Với dầm có tỉ số tải trọng giới hạn chịu lửa chúng ảnh hưởng điều kiện liên kết Lực dọc dầm thay đổi q trình chịu cháy làm thay đổi mơ men dầm; - Khi kết cấu chịu cháy, mô men cột lực dọc dầm vị trí tiếp xúc với đám cháy tăng đáng kể so với nội lực điều kiện nhiệt độ thường Việc lấy giá trị nội lực điều kiện cháy khơng thay đổi q trình cháy chưa hợp lý; - Nội lực kết cấu khung phẳng chịu cháy ảnh hưởng đáng kể nhiệt độ độ cứng liên kết Trong môi trường nhiệt độ cao, liên kết dầm cột khung thay đổi độ cứng so với thiết kế nhiệt độ thường, cần có nghiên cứu thêm ứng xử nút khung để rõ ứng xử khung CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU KHUNG LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG TRONG GIAI ĐOẠN GIẢM NHIỆT CỦA ĐÁM CHÁY 17 4.1 Sự làm việc khung phẳng liên hợp thép- bê tông giai đoạn giảm nhiệt đám cháy Ứng xử kết cấu đám cháy ngày nghiên cứu nhiều Mặc dù có số tiêu chuẩn nước hướng dẫn thiết kế kết cấu điều kiện cháy song chúng có hạn chế tính kết cấu giai đoạn tăng nhiệt Chỉ vài năm gần đây, ứng xử kết cấu giai đoạn giảm nhiệt sau cháy (after fire) quan tâm Kết tính tốn cho thấy nội lực dầm cột giai đoạn giảm nhiệt đám cháy lớn nội lực thời điểm cuối giai đoạn tăng nhiệt Như vậy, kết cấu chưa bị phá hoại giai đoạn tăng nhiệt bị phá hoại giai đoạn giảm nhiệt Ngoài khả tăng nội lực kết cấu giai đoạn giảm nhiệt, kết cấu tiếp tục giảm khả chịu lực nhiệt độ bên ngồi giảm Hình 4.3 Các đường quan hệ thời gian cháy - nhiệt độ bề mặt dùng để tính khung 4.2 Khái niệm số đánh giá giới hạn chịu giai đoạn tăng nhiệt (DHP) kết cấu Khái niệm giới hạn chịu giai đoạn tăng nhiệt DHP (Duration of Heating Phase) Gernay T Franssen J.M giới thiệu năm 2015 DHP định nghĩa khoảng thời gian nhỏ để kết cấu chịu nhiệt độ tăng đám cháy tự nhiên mà sau kết cấu bị phá hoại giai đoạn giảm nhiệt Khả chịu tải cột giảm dần nhiệt độ tăng Đường màu đỏ Hình 4.7 thể khả chịu tải cột nhiệt độ tăng theo đám cháy chuẩn Đường màu xanh thể khả chịu tải cột nhiệt độ tăng khoảng thời gian 30 phút giảm Đường màu xanh nước biển thể 18 khả chịu tải cột nhiệt độ tăng khoảng thời gian 59 phút giảm Hình 4.7 Quan hệ khả chịu tải cấu kiện thời gian cháy Giả sử cột chịu tải trọng thiết kế 60% tải trọng giới hạn nhiệt độ thường, nhiệt độ tăng theo đám cháy chuẩn sau 93 phút khả chịu tải cột giảm 60% so với ban đầu giới hạn chịu lửa cột R=93 phút Nếu đám cháy tăng nhiệt 30 phút sau giảm nhiệt khả chịu tải cột giảm lớn tải trọng thiết kế nên cột khơng bị phá hoại Tương tự, tính tốn với đám cháy tự nhiên có thời gian tăng nhiệt 30 phút, 40 phút, giảm nhiệt, cho thấy khả chịu tải cột lớn tải trọng thiết kế (60% tải trọng giới hạn cột nhiệt độ thường) nên cột không bị phá hoại Tiếp tục tăng thời gian giai đoạn tăng nhiệt, đến giá trị 59 phút giảm thấy cột bị phá hoại phút thứ 113, giai đoạn giảm nhiệt Giá trị nhỏ thời gian tăng nhiệt mà gây phá hoại kết cấu giai đoạn giảm nhiệt 59 phút Ta nói DHP = 59 phút Như kết cấu bị phá hoại giai đoạn tăng nhiệt (có số R) bị phá hoại nhiệt độ bên giảm (sự phá hoại trễ với số DHP) Luận án đặt vấn đề tính tốn DHP cho cấu kiện cột 19 liên hợp thép – bê tông dùng phần mềm SAFIR khảo sát tham số ảnh hưởng đến DHP cột liên hợp thép – bê tông 4.4 Xây dựng thuật tốn tính DHP cho cấu kiện cột liên hợp thép- bê tơng 4.4.2 Ứng dụng AutoIT để lập trình phần mềm tự động tính DHP cấu kiện kết cấu trờn nn tng SAFIR Nhập sơ đồ kết cấu Sơ đồ hình học tính chất vật liệu Nhập tải trọng Tính R theo FISO (Gọi chương trình SAFIR) 1200 Bắt đầu i = 0, Heat t = R i nhËp b­íc thêi gian t Heat T i=i+1 Heat T Heat T 360 i-1 i i (Theo ®­êng Parametric Eucorode) Phân tích nhiệt độ (Gọi chương trình SAFIR) (Trong toàn trình cháy) Phân tích học (Gọi chương trình SAFIR) (Trong toàn trình cháy) Đúng Phá ho¹i ? Sai DHP = Heat t i-1 Hình 4.11 Sơ đồ khối chương trình tự động tính DHP Với mục tiêu tìm giới hạn chịu giai đoạn tăng nhiệt DHP (ln nhỏ R), chương trình tự động tính DHP lập với sơ đồ khối Hình 4.11 Chương trình tính theo phương pháp thử dần, gọi phần mềm SAFIR vào tính tự động 20 4.5 Khảo sát tham số ảnh hưởng tới DHP cấu kiện cột liên hợp thép- bê tơng Có tất 17 tiết diện cột tính tốn Hình 4.12 thể nhóm tiết diện cột 11 tiết diện khác có hình dạng giống loại khác kích thước tiết diện Các tham số ảnh hưởng đến số R, DHP Tfail khảo sát là: tỉ số tải trọng sử dụng, cường độ bê tông, chiều cao cột, độ lệch tâm lực dọc đường cong giảm nhiệt Tfail (Time of failure) khoảng thời gian (tính phút) kế từ bắt đầu chịu cháy kết cấu bị phá hoại a) Profile b) Profile c) Profile d) Profile 14 C 219.1 x HEB 120 S 200 x HEB 120 S 300 x 6.3 HEB 220 S 350 x HEB 260 e) Profile 13 f) Profile 15 C 406.4 x C 273x12 C 355.5 x C 273x12 Hình 4.12 Tiết diện ngang cột nghiên cứu 4.5.1 Ảnh hưởng tỉ số tải trọng sử dụng Các cấu kiện kết cấu tính tốn với tỉ số tải trọng sử dụng từ 0.3 đến 0.6 Kết tính, cho thấy tỉ số tải trọng sử dụng ảnh hưởng đáng kể đến R, DHP Tfail Tải trọng tác dụng lớn R DHP nhỏ 4.5.2 Ảnh hưởng cường độ ống thép bao Giữ nguyên tải trọng, thay đổi cường độ ống thép bao ( f y ) thấy R DHP không thay đổi nhiều R DHP tăng không đáng kể f y tăng Có thể giải thích nhiệt độ ống thép bao tăng nhanh nên ống thép bị giảm cường độ khơng đóng góp đáng kể vào vai trị chịu tải q trình chịu cháy Từ trở đi, tải trọng tác dụng so với tải trọng lõi bên (Ncore) bỏ qua vai trị chịu tải ống thép bao ngồi 4.5.3 Ảnh hưởng cường độ thép hình bên Cột tính tốn với giá trị cường độ thép hình bên f sy = 235, 275, 355, 420 460 MPa Thay đổi tải trọng cho N fi / N core khơng đổi thấy DHP thay đổi không đáng kể f sy thay đổi 21 4.5.4 Ảnh hưởng cường độ bê tông Cột tính tốn với giá trị cường độ bê tông f ck = 20, 30, 35, 40, 50 60 MPa Thay đổi tải trọng cho N fi / N core khơng thay đổi thấy R DHP giảm chút f ck tăng (tương ứng với N fi / N c giảm) Quy luật giống với kết khảo sát ảnh hưởng cường độ thép hình bên 4.5.5 Ảnh hưởng độ lệch tâm tải trọng Cột tính toán với nhiều giá trị độ lệch tâm lực dọc từ 0.125b đến 1.5b (b kích thước tiết diện) Khi giữ nguyên tỉ số tải trọng sử dụng, kết cho R DHP không thay đổi đáng kể thay đổi độ lệch tâm lực dọc Vậy tính tốn đơn giản hóa lấy DHP cột chịu nén lệch tâm DHP cột chịu nén tâm có tỉ số tải trọng sử dụng 4.5.6 Ảnh hưởng độ mảnh cột Cột tính tốn với nhiều giá trị chiều cao cột từ 2m đến 7m Kết cho thấy DHP ảnh hưởng đáng kể độ mảnh cột 4.5.7 Khái niệm Thời gian phá hoại trễ (DelayT) kết cấu Thời gian phá hoại trễ (DelayT) khoảng thời gian (tính phút) kể từ đám cháy giảm nhiệt đến kết cấu bị phá hoại: DelayT = Tfail – HeatT 4.6 Khảo sát tham số ảnh hưởng tới thời gian phá hoại trễ DelayT cấu kiện cột liên hợp thép - bê tông 4.6.1 Ảnh hưởng thời gian tăng nhiệt Bảng 4.7 Kết tính cột có tiết diện Profile 14 Tfail DelayT tính với đường nhiệt độ đám cháy khác (các HeatT khác nhau) Kết tính cho thấy với cấu kiện, đám cháy có HeatT nhỏ gây phá hoại kết cấu thời 22 gian phá hoại trễ DelayT lớn Giá trị nhỏ HeatT gây phá hoại kết cấu DHP Ở Bảng 4.7, cột có DHP = 126 phút HeatT