Hình 4.7. Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm F1 (bản cánh dưới), F3 (bản cánh trên) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS
Hình 4.8. Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm W1 (bản bụng) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS
Hình 4.9. Kết quả so sánh độ võng dầm theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS
Các kết quả trên hình 4.7; 4.8; 4.9 cho thấy số liệu thu được từ mô phỏng ANSYS khá hợp lý với các số liệu thu được từ thí nghiệm. Tại thời điểm t=27 phút,
độ võng giữa dầm theo kết quả thí nghiệm Dtn=150mm; theo mô phỏng ANSYS
DANSYS =123mm; chênh lệch 18%.
4.1.3.2. Thí nghiệm cột thép chèn gạch (Bristish Steel Corporation và Swinden Laboratories - thí nghiệm số 51 [39])
Mẫu thí nghiệm là cột thép cán nóng, tiết diện chữ I 203x203mm được bảo vệ
theo hình thức chèn gạch ở một bản cánh và chèn tấm tường toàn bộ bản bụng, cao 2680mm. Cột hai đầu khớp theo các phương được thí nghiệm chịu tác động của lửa tác động lên 1 mặt bản cánh không bảo vệ, tải trọng tính toán là tải trọng tập trung P = 843,3KN đặt tại đỉnh cột. Sơ đồ và vị trí các điểm đo nhiệt độ trên cột được thể
Hình 4.10. Sơ đồ và vị trí các điểm đo nhiệt độ trên cột thép chèn gạch
Hình 4.11. Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm F1-3 (bản cánh), F4-6 (bản cánh) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS
Hình 4.12. Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm W1-3 (bản bụng), W4-6 (bản bụng) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS
Hình 4.13. Kết quả so sánh chuyển vị ngang của cột theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS
So với kết quả của ví dụ mục 4.1.3.1, số liệu thu được từ mô phỏng ANSYS có sự chênh lệch với các số liệu thu được từ thí nghiệm. Cụ thể như sau:
- Bản cánh tiếp xúc trực tiếp với lửa F4-6, tại thời điểm t=39 phút, nhiệt độ theo kết quả thí nghiệm TF4-6
tn=786oC; theo mô phỏng ANSYS TF4-6
ANSYS =778oC; chênh lệch 1,5%.
- Bản cánh không tiếp xúc trực tiếp với lửa F1-3, tại thời điểm t=48 phút, nhiệt
độ theo kết quả thí nghiệm TF1-3
n=159oC; theo mô phỏng ANSYS TF1-3
ANSYS =112oC; chênh lệch 29,5%.
- Bản bụng W1-3, tại thời điểm t=57 phút, nhiệt độ theo kết quả thí nghiệm TW1- 3
tn=284oC; theo mô phỏng ANSYS TW1-3
ANSYS =197oC; chênh lệch 30,5%.
- Bản bụng W4-6, tại thời điểm t=39 phút, nhiệt độ theo kết quả thí nghiệm TW4- 6
tn=515oC; theo mô phỏng ANSYS TF4-6
ANSYS =569oC; chênh lệch 22,7%.
- Chuyển vị ngang của cột phát triển nhanh hơn theo mô phỏng, cột bị phá hoại ở
thời điểm t=57 phút (trong khi theo thí nghiệm cột bị phá hoại ở thời điểm t=63 phút); theo kết quả thí nghiệm Dtn=-83,5mm; theo mô phỏng ANSYS DANSYS =- 104mm; chênh lệch 24,5%.
Có thể giải thích một số nguyên nhân dẫn đến kết quả này như sau:
+ Có sự sai lệch giữa các đặc tính cơ nhiệt của vật liệu tường gạch và tấm tường giữa thí nghiệm và mô phỏng.
+ Trong quá trình chịu lực, nghiên cứu sinh chỉ mô phỏng riêng lẻ cấu kiện cột, không xét đến ảnh hưởng độ cứng của tường gạch và tấm tường chèn bản bụng cột, nên khi nhiệt độ càng cao thì mức độ biến dạng trong mô phỏng của cột càng phát triển mạnh, dẫn đến thời gian phá hoại sớm hơn so với thí nghiệm.
Tuy nhiên, các dạng biểu đồ thu được từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng vẫn tương đồng nhau, độ chênh lệch lớn nhất khoảng 30% nên vẫn có thểđánh giá được
độ tin cậy trong các kết quả thu được từ bài toán mô phỏng số trong ANSYS.
4.2. Các ví dụ khảo sát
Quay lại các ví dụ đã khảo sát trong chương 3 để thực hiện phương pháp mô phỏng số
4.2.1. Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo chu vi
Theo phương pháp mô phỏng số, phần mềm mô phỏng ANSYS được sử dụng để
của dầm thép theo điều kiện bền khi chịu đồng thời tác dụng của tải trọng và nhiệt
độ. Phần tửđược chọn là phần tử 3D solid body HEX8 [60] - dạng phần tử bậc nhất gồm 6 mặt, 8 nút.
Trong mô hình này, trạng thái làm việc của các lớp vật liệu cách nhiệt được bỏ
qua, liên kết hai đầu dầm (ngàm, khớp) được xem là không thay đổi trong suốt quá trình khảo sát. Biến dạng nghiên cứu là độ võng của tại tiết diện giữa dầm tương
ứng với các thời điểm cháy 1800 giây (30 phút), 2700 giây (45 phút), 3600 giây (60 phút), 4500 giây (75 phút), 5400 giây (90 phút), 6300 giây (105 phút), 7200 giây (120 phút). Các kết quả thu tại các thời điểm được sẽ dùng để kiểm tra tiêu chuẩn khả năng chịu lực (R):
Dfi,t,Sd≤Dfi,t,Rd (4.31)
Trong đó: Dfi,t,Sd là độ võng lớn nhất trong dầm do tải trọng bên ngoài tác dụng tại thời điểm khảo sát t.
Dfi,t,Rd là độ võng giới hạn trong dầm chịu lực trong điều kiện chịu lửa:
Dfi,t,Rd = L2/(400h) (mm) [32] (4.32) Nghiên cứu sinh trình bày kết quả thu được trong trường hợp dầm 2 đầu ngàm, nhịp L=8m, bề dày vữa tbv=25mm trên hình 4.14 - 4.17 và bảng 4.1. Trong các hình 4.16, 4.17, trên từng tiết diện đều thể hiện vị trí đạt giá trị lớn nhất (max) và giá trị
nhỏ nhất (min) của nhiệt độ và độ võng, sự biến thiên của nhiệt độ, độ võng của dầm giữa các giá trị min, max được thể hiện thông qua sự thay đổi màu sắc thể hiện (được ghi chú bới bảng màu tương ứng với giá trị thu được ở bên trái của hình).
Kết quả của các trường hợp khác sẽ được thể hiện trong các biểu đồ mô tả mối quan hệ biến dạng theo thời gian t trên hình 4.18; 4.19.
Hình 4.14. Sự phân bố nhiệt độ trên phần dầm thép tại t = 120 phút
a) Tại t = 30 phút b) Tại t = 60 phút
c) Tại t = 90 phút d) Tại t = 120 phút Hình 4.16. Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện dầm tại các thời điểm khảo sát
a) Tại t = 30 phút b) Tại t = 60 phút
c) Tại t = 90 phút d) Tại t = 120 phút
Bảng 4.1. Các kết quả thu được với dầm 2 đầu ngàm, L=8m, bọc vữa dày 25mm Thời điểm t(s) 1800 2700 3600 4500 5400 6300 7200 Nhiệt độTmax (oC) 215,3 279,4 345,7 409,6 469,4 524,8 575,7 Độ võng (mm) 3,57 4,80 7,98 10,86 13,99 16,04 24,79 [Độ võng] (mm) 266,66 266,66 266,66 266,66 266,66 266,66 266,66 Hình 4.18. Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu khớp Hình 4.19. Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu ngàm
Bảng 4.2. Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.1 theo mô phỏng Sơđồ kết cấu Hình thức bọc, bề dày lớp bảo vệ Khả năng chịu lực theo thời gian Nhiệt độ Tmax (oC) Độ võng/Độ võng tới hạn (%) Dầm 2 đầu khớp Vữa, 15mm 60 phút 567 54,89 Vữa, 25mm 120 phút 575 62,21 Vữa, 50mm 120 phút 244 8,29 Dầm 2 đầu ngàm Vữa, 15mm 75 phút 641 25,83 Vữa, 25mm 120 phút 575 5,26 Vữa, 50mm 120 phút 244 2,43 * Nhận xét kết quả thu được từ ví dụ 4.2.1:
- Hình 4.20 thể hiện kết quả nhiệt độ thu được từ quy trình SMD, phương pháp mô phỏng số trong ANSYS và công thức (3.26) theo EC 1993-1-2:2005. Có thể rút ra một số nhận xét sau về quy luật biến thiên nhiệt độ:
Hình 4.20. Kết quả nhiệt độ trong dầm ví dụ 4.2.1 theo ba cách tính
+ Các đường biến thiên nhiệt độ tại các thời điểm khảo sát khá song song nhau, chứng tỏ mức độ tăng nhiệt theo các phương pháp tính khá đều. Khi lớp vữa dày
15mm, tốc độ tăng nhiệt trung bình theo SMD là 4,51oC/phút; theo ANSYS là 4,75oC/phút và theo EC3 là 4,42oC/phút.
+ Kết quả nhiệt độ thu được theo phương pháp tính đơn giản là lớn nhất. Cụ thể đối với lớp vữa dày 15mm, tại t=7200s (120 phút) TSMD = 878oC; TANSYS = 801oC;
TEC3 = 869oC. Như vậy độ chênh lệch giữa TSMD so với TEC3 là 9oC (1,04%); độ
chênh lệch giữa TPTHH so với TANSYS là 77oC (9,61%).
+ Độ chênh lệch nhiệt độ xảy ra khá ổn định, giảm dần theo thời gian từ 30 đến 120 phút. Khi lớp vữa dày 15mm, tương ứng tại các thời điểm 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút; độ chênh lệch giữa TSMD so với TEC3 là 4,01%; 4,38%; 1,72%; 1,04%; độ chênh lệch giữa TSMD so với TANSYS là 30,56%; 16,05%; 11,28%; 9,61%.
Các số liệu thu được với lớp vữa dày 25mm, 50mm cũng thu được kết quả tương tự. Có thể giải thích sự chênh lệch nhiệt độ dựa trên nguyên nhân sau: công thức EC3 và quy trình SMD tính độ tăng nhiệt trong một khoảng thời gian Dt còn phương pháp mô phỏng số thì xác định nhiệt độ khi cho thời gian t biến thiên. Trong giai đoạn ban đầu, nhiệt độ tăng nhanh, đường tăng nhiệt theo công thức (1.1) dốc mạnh, SMD và công thức EC3 không mô tả sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian, chỉ xét tại một thời điểm xác định. Ứng với các mốc thời gian sau, nhiệt
độ tăng khá đều nên độ chênh lệch nhiệt độ giữa các phương pháp giảm dần.
- Theo quy trình SMD, giá trị momen tới hạn Mfi,t,Rd phụ thuộc nhiều vào độ suy giảm giới hạn chảy theo nhiệt độ, bắt đầu từ 400oC trở lên, Mfi,t,Rd giảm rất nhanh. Khi thép chạm đến nhiệt độ 650oC, Mfi,t,Rd chỉ còn khoảng 50% so với giá trị ban
đầu.
- Theo phương pháp mô phỏng số, với việc giữ nguyên giá trị tải trọng tác dụng lên dầm trong suốt 120 phút khảo sát, ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng của cấu kiện dầm được thể hiện khá rõ ràng. Các kết quả thu được về mối quan hệ biến dạng - thời gian ở các hình 4.21; 4.22 cho thấy biến dạng ngày càng tăng với tốc độ
nhanh, lên đến nhiệt độ khoảng 650oC các đồ thị mô tả độ võng đều có xu hướng dốc mạnh theo thời gian và rất nhanh vượt qua độ võng cho phép.
- Dựa trên hai cách đánh giá khả năng chịu lực của dầm, có thể rút ra kết luận như bảng 4.3, cho thấy kết quả thu được từ quy trình SMD và mô phòng ANSYS
khá hợp lý và tương đồng nhau. Theo cách đánh giá dựa trên giá trị momen tới hạn, dầm có thể chịu nhiệt độ lên đến 658oC còn dựa trên đánh giá mức độ phát triển độ
võng dựa trên giá trị độ võng tới hạn, dầm có thể chịu được 641oC.
Bảng 4.3. Kết luận khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.1 theo hai phương pháp
Sơđồ kết cấu Hình thức bọc, bề dày lớp bảo vệ Phương pháp tính đơn giản hóa SMD Phương pháp mô phỏng số Khả năng chịu lực theo thời gian Nhiệt độ Tmax (oC) Khả năng chịu lực theo thời gian Nhiệt độ Tmax (oC) Dầm 2 đầu khớp Vữa, 15mm 60 phút 658 60 phút 567 Vữa, 25mm 120 phút 657 120 phút 575 Vữa, 50mm 120 phút 342 120 phút 244 Dầm 2 đầu ngàm Vữa, 15mm 60 phút 658 75 phút 641 Vữa, 25mm 120 phút 657 120 phút 575 Vữa, 50mm 120 phút 342 120 phút 244 4.2.2. Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo dạng hình hộp
Nghiên cứu sinh trình bày kết quả thu được trong trường hợp dầm 2 đầu khớp, nhịp L=8m, bề dày thạch cao tbv=26mm trên các hình 4.21 - 4.24 . Kết quả của các trường hợp khác sẽ được thể hiện trong các biểu đồ mô tả mối quan hệ biến dạng theo thời gian t trên hình 4.25; 4.26.
Hình 4.21. Sự phân bố nhiệt độ trên phần dầm thép tại t = 120 phút
a) Tại t = 30 phút b) Tại t = 60 phút
c) Tại t = 90 phút d) Tại t = 120 phút Hình 4.23. Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện dầm tại các thời điểm khảo sát
a) Tại t = 30 phút b) Tại t = 60 phút
c) Tại t = 90 phút d) Tại t = 120 phút
Hình 4.25. Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu khớp
Bảng 4.4. Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.2 theo mô phỏng Sơđồ kết cấu Hình thức bọc, bề dày lớp bảo vệ Khả năng chịu lực theo thời gian Nhiệt độ Tmax (oC) Độ võng/Độ võng tới hạn (%) Dầm 2 đầu khớp Thạch cao, 13mm 60 phút 584 69,35 Thạch cao, 16mm 75 phút 607 75,87 Thạch cao, 26mm 120 phút 649 54,49 Thạch cao, 32mm 120 phút 556 41,88 Dầm 2 đầu ngàm Thạch cao, 13mm 60 phút 584 23,92 Thạch cao, 16mm 75 phút 607 26,88 Thạch cao, 26mm 120 phút 649 19,62 Thạch cao, 32mm 120 phút 556 8,87 * Nhận xét kết quả thu được từ ví dụ 4.2.2
- Hình 4.27 thể hiện kết quả nhiệt độ thu được từ quy trình SMD, phương pháp mô phỏng số và công thức trong EC3. Có thể rút ra một số nhận xét sau về quy luật biến thiên nhiệt độ:
+ Các đường biến thiên nhiệt độ tại các thời điểm khảo sát khá song song nhau, chứng tỏ mức độ tăng nhiệt theo các phương pháp tính khá đều. Khi lớp thạch cao dày 13mm, tốc độ tăng nhiệt trung bình theo SMD là 4,57oC/phút; theo mô phỏng là 4,67oC/phút và theo EC3 là 4,68oC/phút. Khi lớp thạch cao dày 32mm, tốc độ tăng nhiệt trung bình theo SMD là 3,45oC/phút; theo mô phỏng là 3,97oC/phút và theo EC3 là 3,15oC/phút.
+ Kết quả nhiệt độ thu được theo quy trình SMD là lớn nhất. Cụ thểđối với lớp thạch cao dày 13mm, tại t=7200s (120 phút) TSMD = 936oC; TANSYS = 811oC; TEC3 = 948oC; độ chênh lệch giữa TSMD so với TEC3 là 12oC (1,28%); độ chênh lệch giữa
TSMD so với TANSYS là 125oC (15,41%). Đối với lớp thạch cao dày 13mm, tại t=7200s (120 phút) TSMD = 634oC; TANSYS = 556oC; TEC3 = 602oC; độ chênh lệch giữa TSMD so với TEC3 là 32oC (5,23%); độ chênh lệch giữa TSMD so với TANSYS là 78oC (14,03%).
- So sánh kết quả nhiệt độ thu được giữa hai hình thức bọc, các đường đồ thị đều có cùng một quy luật phát triển tương tự nhau. Ở hình thức bọc bằng vữa, tại thời
điểm 120 phút, hiệu quả cách nhiệt giữa lớp vữa có bề dày 50mm và lớp vữa có bề
dày 15mm trong khoảng 536-557oC. Ở hình thức bọc bằng thạch cao, tại thời điểm 120 phút, hiệu quả cách nhiệt giữa lớp thạch cao có bề dày 32mm và lớp thạch cao có bề dày 13mm là 205-302oC. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai hình thức chủ yếu xảy ra ở bản bụng dầm do tồn tại khoảng không khí giữa tiết diện thép và vật liệu bọc hình hộp. Vì thép bản bụng không được tiếp xúc với lớp bảo vệ nên chịu ảnh hưởng nhiệt lượng do các phần tử thép lân cận đang ở nhiệt độ cao truyền đến.
- Các nhận xét về kết quả khả năng chịu lực của quy trình SMD và mô phỏng số đều tương tự như trong ví dụ 4.2.1.
- Bảng 4.5 đưa ra kết luận về khả năng chịu lực của dầm theo hai phương pháp. Các kết quả thu được từ phương pháp mô phỏng cho giá trị nhiệt độ thấp hơn nên thời gian chịu lực kéo dài hơn. Theo cách đánh giá dựa trên giá trị momen tới hạn, dầm có thể chịu nhiệt độ lên đến 694oC còn dựa trên đánh giá mức độ phát triển độ
Bảng 4.5. Kết luận khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.2 theo hai phương pháp Sơđồ kết cấu Hình thức bọc, bề dày