Đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện thép chịu lực được bọc bảo vệ ứng dụng cho các công trình nhà tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI -& - Phạm Thị Ngọc Thu ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN THÉP CHỊU LỰC ĐƯỢC BỌC BẢO VỆ ỨNG DỤNG CHO CÁC CƠNG TRÌNH NHÀ TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI -& - Phạm Thị Ngọc Thu ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN THÉP CHỊU LỰC ĐƯỢC BỌC BẢO VỆ ỨNG DỤNG CHO CÁC CƠNG TRÌNH NHÀ TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580201 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN GS.TS Phạm Văn Hội Hà Nội – Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án kết cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ kinh tế quốc dân làm cho nhu cầu chất lượng sống nâng cao mặt Bên cạnh đó, hiểm họa ln xảy với số lượng ngày nhiều, qui mô ngày lớn, đe dọa trực tiếp đến sống người Đó nạn nhiễm khơng khí, ô nhiễm nguồn nước, tai nạn giao thông … đặc biệt vụ cháy Thực tế cho thấy rằng, đám cháy (cháy rừng, cháy công trình xây dựng dân dụng, cháy khu hầm mỏ, cháy khu công nghiệp …) gây thiệt hại lớn tính mạng cải vật chất Mặc dù tỷ lệ chết cháy nhà thấp so với loại tai nạn khác lại xảy với số lượng nhiều người lúc, nên mức độ nguy hiểm tai nạn cháy xếp ngang với tai nạn máy bay tai nạn động đất Trên giới kể nhiều vụ cháy nhà mang tính chất lịch sử như: - Năm 2001, hai tòa nhà Trung tâm thương mại giới (World Trade Center) bị khủng bố, hai máy bay dân dụng đâm thẳng vào tịa nhà phía Bắc tịa nhà phía Nam, gây nên vụ nổ lớn với nhiệt độ trung tâm vùng nổ 1.200o 1.500 C, làm bung hoàn toàn lớp vật liệu chống cháy bao quanh hệ kết cấu thép chịu lực Tịa nhà thứ sụp đổ hồn toàn sau 56 phút nhà thứ hai tồn thêm khoảng 30 phút - Năm 2004, vụ cháy kéo dài 17 thiêu hủy toàn 20 tầng Trụ sở làm việc cao 50 tầng Caracas, Venezuela - Vụ cháy chập mạch điện trình sử dụng tòa nhà văn phòng Windsor Building cao thủ đô Madrid, Tây Ban Nha (32 tầng với chiều cao tổng o cộng 106m) Tại trung tâm vùng cháy, nhiệt độ lên tới 800 C, làm sập tầng nhà gây hư hại hoàn toàn cho hệ thống lưới cột-vách chịu lực - Năm 2006, vụ cháy bắt nguồn từ phân xưởng nhà máy thép lớn nước Nga Magnitogorsk vùng núi Ural nhận chìm tồn phần nhà xưởng với diện tích khoảng 1.000m , làm người bị chết gây thiệt hại lớn vật chất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sản xuất nhà máy Ở Việt Nam, theo thống kê Bộ Cơng an năm gần đây, trung bình năm xảy 2.200 vụ cháy (bao gồm cháy khu dân cháy rừng), số người chết 65 người/năm, số người bị thương 180 người/năm, làm thiệt hại ước tính 745 tỷ/năm 2.240ha rừng/năm [28] Đáng kể vụ cháy chợ Đồng Xuân 1995, vụ cháy New Century Tràng Thi 1999, vụ cháy trung tâm thương mại quốc tế ITC thành phố Hồ Chí Minh 2002 (60 người chết, 70 người bị thương, thiệt hại 32 tỷ đồng), vụ cháy chợ Vinh đầu năm 2006, vụ cháy chợ Lớn Quy Nhơn 2006, vụ cháy trung tâm thương mại Hải Dương 2013 thiệt hại 500 tỷ đồng, … Chính thiệt hại lớn sinh mạng cải vật chất nên vấn đề phịng chống cháy cho cơng trình xây dựng quan trọng Việc an tồn phịng chống cháy nhằm vào hai mục đích chính: - Giảm tối đa thiệt hại sinh mạng người cơng trình bị cháy cơng trình lân cận - Giảm mát cải, tài cơng trình bị cháy giảm ảnh hưởng tới cơng trình lân cận Để đạt hai mục đích trên, nhiều nước có chủ trương tăng chi phí phịng chống cháy để giảm thiệt hại người Nhiều tổ chức nghiên cứu phòng chống cháy giới thành lập Công ty chống cháy cơng trình vật liệu chịu lửa CE Mỹ, Hiệp hội kết cấu thép Anh, CTICM Pháp, TNO Hà Lan, Trung Quốc, Nhật Bản,….Các tài liệu, tiêu chuẩn qui định phòng cháy, chữa cháy thiết kế cơng trình xây dựng xuất bản: BS 5950, Part - Code of practice for fire resistant design (Tiêu chuẩn Anh); EN 1993, Part 1.2 - General rules - Structural fire design; EN 1994, Part 1.2 - Composite steel and concrete structural fire design (Tiêu chuẩn Châu Âu); ASCE/SEI/SFPE 29-05, Standard calculation methods for structural fire protection (Tiêu chuẩn Mỹ)… Ở Việt Nam, vấn đề quan tâm, thể số lượng tiêu chuẩn, tài liệu liên quan đến kỹ thuật phịng chữa cháy cho cơng trình xây dựng, ví dụ như: - TCVN 3991:2012 Tiêu chuẩn phòng cháy thiết kế xây dựng-Thuật ngữđịnh nghĩa; - TCVN 3254:1989 An toàn cháy Yêu cầu chung; - TCVN 5305:1990 An toàn cháy Thuật ngữ định nghĩa; - TCVN 2622:1995 Phòng cháy, chống cháy cho nhà cơng trình u cầu thiết kế; - TCVN 6160:1996 Phòng cháy chữa cháy cho nhà cao tầng Yêu cầu thiết kế; - TCVN 6161:1996 Phòng cháy chữa cháy cho chợ trung tâm thương mại Yêu cầu thiết kế; - QCVN 06:2020/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia an tồn cháy cho nhà cơng trình; - TCVN 9311:2012 (ISO 834:1999) Thử nghiệm chịu lửa;… Đối với cơng trình nhà, giải pháp phịng chống cháy áp dụng chủ yếu giải pháp kiến trúc, kỹ thuật bọc bảo vệ kết cấu chịu lực vật liệu cách nhiệt Đặc biệt, vật liệu thép bọc bảo vệ cấu kiện giải pháp phổ biến Các vật liệu cách nhiệt truyền thống cho kết cấu chịu lực bê tông, gạch, thạch cao, vữa, sử dụng chúng có số đặc điểm bật sau: - Đều dạng vật liệu sẵn có thị trường Việt Nam, giá thành tương đối rẻ (khi so sánh với giá thành cấu kiện chịu lực chính) dễ cấu tạo theo hình dạng tiết diện chịu lực - Độ an toàn độ tin cậy cao (có thể bảo vệ kết cấu chịu lực chống lại tác động lửa, mặt khác chúng bị ăn mịn, bị bong hay nứt vỡ tác động môi trường xung quanh trình lắp dựng, sử dụng chịu lửa) Hiệu việc sử dụng giải pháp bọc bảo vệ đánh giá thông qua thời gian trì để kết cấu chịu lực khơng đạt đến giá trị nhiệt độ tới hạn mà chưa phân tích trạng thái ứng xử kết cấu, bước tính tốn dừng tra bảng, phụ thuộc nhiều vào bảng tra catalog nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt Điều gặp nhiều khó khăn áp dụng thiết kế cho trường hợp khơng có bảng tra Vì việc xây dựng quy trình thiết kế kết cấu chịu lực điều kiện chịu lửa, từ đánh giá hiệu hình thức bọc, khả cách nhiệt vật liệu bọc để lựa chọn giải pháp tối ưu cho cơng trình thực cần thiết Với việc chọn hướng nghiên cứu luận án “Đánh giá khả chịu lửa cấu kiện thép chịu lực bọc bảo vệ ứng dụng cho cơng trình nhà Việt Nam”, nghiên cứu sinh mong muốn góp phần nhỏ vào lĩnh vực nghiên cứu này, hi vọng tương lai không xa ứng dụng rộng rãi đạt hiệu cao Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài đề xuất quy trình tính tốn khả chịu lực áp dụng cho cấu kiện dầm, cột thép tiết diện chữ I bọc bảo vệ điều kiện chịu lửa, ứng dụng cho cơng trình nhà, phù hợp với điều kiện xây dựng Việt Nam Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Các cấu kiện dầm thép (tiết diện chữ I) bọc bảo vệ thạch cao chống cháy dạng hình hộp bọc vữa chống cháy quanh chu vi chịu lực theo điều kiện bền chịu lửa tác động mặt - Các cấu kiện cột thép (tiết diện chữ I) bọc bảo vệ thạch cao chống cháy dạng hình hộp bọc vữa chống cháy quanh chu vi chịu lực theo điều kiện ổn định tổng thể chịu lửa tác động mặt Trong phạm vi nghiên cứu luận án, dầm, cột xem khơng có giảm yếu suốt chiều dài cấu kiện; liên kết hai đầu cấu kiện xem không đổi suốt trình chịu lửa Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết: + Phân tích quy trình thiết kế kết cấu chịu lực điều kiện chịu lửa + Phân tích mơ hình cháy áp dụng để tính tốn nhiệt độ bề mặt bên cấu kiện thép + Xây dựng chương trình tính tốn quy luật phân bố nhiệt độ bên cấu kiện thép không bọc bọc bảo vệ mô hình kết cấu + Đề xuất phương pháp đơn giản hóa để xác định khả chịu lực cấu kiện thép bọc bảo vệ điều kiện chịu lửa + Xử lý số liệu tổng hợp kết thu - Phương pháp mô số: + Khảo sát trạng thái ứng suất-biến dạng cấu kiện thép (dầm, cột chữ I) bọc bảo vệ chịu lực điều kiện chịu lửa, sử dụng phần mềm mô ANSYS Workbench Cơ sở khoa học - Cơ sở lý luận: hệ thống hóa sở lý thuyết cách tính tốn quy trình thiết kế cấu kiện thép chịu lực điều kiện chịu lửa, kết hợp ứng dụng với biện pháp bọc bảo vệ phổ biến cho cơng trình nhà thép Việt Nam - Cơ sở thực tiễn: thu thập, đánh giá kết thu từ thí nghiệm nghiên cứu trạng thái ứng xử cấu kiện dầm, cột thép chịu lực điều kiện chịu lửa công bố, kết hợp với tài liệu, catalog nhà sản xuất cung cấp vật liệu chống cháy cho cơng trình nhà thép Việt Nam Đóng góp luận án - Xây dựng phương pháp giải theo phương pháp phần tử hữu hạn viết chương trình (trong mơi trường MATLAB) để tính tốn phân bố nhiệt độ cấu kiện thép theo thời gian không gian ba chiều - Đề xuất quy trình tính tốn khả chịu lực theo phương pháp đơn giản hóa, áp dụng cho cấu kiện dầm, cột thép tiết diện chữ I bọc bảo vệ điều kiện chịu lửa Quy trình ứng dụng theo hướng lựa chọn giải pháp bọc hiệu cho cấu kiện điều kiện thiết kế cụ thể - Đánh giá trạng thái ứng xử cấu kiện dầm, cột thép tiết diện chữ I bọc bảo vệ vữa thạch cao chống cháy điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô số (dùng phần mềm ANSYS Workbench) - Phân tích, so sánh kết thu được, đề xuất phạm vi ứng dụng cho hai phương pháp Cấu trúc nội dung luận án Bên cạnh phần mở đầu mục lục, danh mục chữ viết tắt, ký hiệu, thuật ngữ, danh mục bảng biểu, danh mục hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, tài liệu tham khảo, cơng trình khoa học cơng bố, nội dung luận án trình bày gồm chương phần kết luận: Chương Tổng quan giải pháp bọc bảo vệ kết cấu thép phương pháp tính tốn kết cấu điều kiện chịu lửa ứng dụng cho cơng trình nhà Nội dung chương trình bày tổng quan giải pháp bọc bảo vệ cấu kiện thép điều kiện chịu lửa, ứng dụng cho cơng trình nhà Việt Nam tổng quan quy trình tính tốn cấu kiện thép chịu lực điều kiện chịu lửa kết nghiên cứu đạt giới Việt Nam vấn đề Chương Phương pháp giải toán truyền nhiệt cấu kiện thép Nội dung chương phân tích chất trình truyền nhiệt, mối quan hệ mơ hình cháy mơ hình kết cấu tốn tính tốn nhiệt độ Bên cạnh đó, chương trình bày thuật tốn DT3D (chạy mơi trường MATLAB) tính tốn lan truyền nhiệt bên cấu kiện dầm, cột thép chữ I không bọc bọc bảo vệ không gian ba chiều (trên tiết diện dọc chiều dài cấu kiện) Kết toán nhiệt độ thu vị trí cấu kiện trình khảo sát Chương thể độ tin cậy thuật toán dựa việc kiểm chứng với thí nghiệm thực Chương Xác định khả chịu lực cấu kiện thép điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa Nội dung chương đề xuất quy trình tính tốn khả chịu lực cấu kiện thép điều kiện chịu lửa theo phương pháp đơn giản hóa SDM Trong phương pháp này, kết thuật toán DT3D dùng tính tốn nhiệt độ cấu kiện dầm, cột; từ ứng dụng cơng thức EN1993-1-2:2005 để xác định khả chịu lực (thông qua việc xác định giá trị nội lực tới hạn cấu kiện) thời điểm cho trước Một số ví dụ tính tốn khả chịu lực cấu kiện dầm, cột (tiết diện chữ I) bọc bảo vệ thạch cao chống cháy vữa chống cháy áp dụng quy trình thiết kế theo SDM trình bày chương Từ rút kết luận hướng lựa chọn giải pháp vật liệu bọc hiệu Chương Đánh giá khả chịu lực cấu kiện thép điều kiện chịu lửa theo phương pháp mơ số Nội dung chương thực mô (dùng phần mềm ANSYS Workbench) để khảo sát trạng thái ứng suất-biến dạng khả chịu lực cấu kiện dầm, cột thép (tiết diện chữ I) bọc bảo vệ điều kiện chịu lửa Hai mơ hình toán nhiệt Thermal Analysis toán kết cấu Structural Analysis giới thiệu để phân tích kết cấu Mơ hình Eigenvalue Buckling đề cập đến tốn phân tích trạng thái làm việc cột theo điều kiện ổn định tổng thể Từ kết thu được, nhận xét so sánh phương pháp SDM phương pháp mơ số, phân tích phạm vi áp dụng phương pháp, đưa kết luận hiệu hình thức bọc tương ứng với bậc chịu lửa theo tiêu chuẩn Việt Nam Kết luận Các kết đạt hướng phát triển luận án ... dụng cho cơng trình nhà Nội dung chương trình bày tổng quan giải pháp bọc bảo vệ cấu kiện thép điều kiện chịu lửa, ứng dụng cho cơng trình nhà Việt Nam tổng quan quy trình tính tốn cấu kiện thép. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI -& - Phạm Thị Ngọc Thu ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN THÉP CHỊU LỰC ĐƯỢC BỌC BẢO VỆ ỨNG DỤNG CHO CÁC CƠNG TRÌNH NHÀ... giải pháp tối ưu cho công trình thực cần thiết Với việc chọn hướng nghiên cứu luận án ? ?Đánh giá khả chịu lửa cấu kiện thép chịu lực bọc bảo vệ ứng dụng cho cơng trình nhà Việt Nam? ??, nghiên cứu