Mô hình cháy danh nghĩa được thể hiện bằng cách biểu diễn mối liên hệ nhiệt độ
- thời gian trong quá trình cháy. Qua đó, ta xác định được nhiệt độ trung bình của quá trình cháy trong một không gian nhỏ. Đặc điểm của mô hình cháy danh nghĩa là các yếu tố đầu vào tác động đến đám cháy được giữ nguyên trong suốt quá trình cháy và không xét đến các yếu tố thêm vào có thể gây tác động tiêu cực (xu hướng thổi bùng đám cháy) hoặc tích cực (xu hướng dập tắt đám cháy). Vì vậy, mô hình này rất dễ thực hiện nhưng phản ánh không chính xác những hiện tượng xảy ra trong thực tế. Những mô hình cháy danh nghĩa trong ISO hiện nay chủ yếu được xây dựng dựa trên cơ sở các đám cháy của vật liệu hydrocarbon và cellulose (hình 1.8). Đường cong nhiệt độ-thời gian được mô tả theo công thức [34,56]:
20 ) 1 t 8 ( log 345 T = 10 + + (1.1)
Hình 1.8. Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian theo mô hình cháy danh nghĩa [56] 1.2.2.2. Mô hình cháy tham biến
Trong mô hình này, một số tham số biến thiên được đưa vào để mô tả sự phát triển nhiệt độ theo thời gian một cách thực tế hơn. Khi đó, mối quan hệ nhiệt độ - thời gian không còn là đường cong trơn mà có dạng như hình 1.9; phụ thuộc vào tác
động thay đổi của gió thông qua ô mở, lỗ thông hơi, tác động thay đổi của khối lượng vật liệu cháy, sự thay đổi của tải trọng cháy…. Mô hình này áp dụng cho những không gian cháy có kích thước nhỏ với giả thiết chấp nhận sự phân bố đều tải trọng hoả hoạn và nhiệt độ trong quá trình cháy.
70 60 50 40 30 20 10 0 200 400 600 800 1000 1200 t (phót) 0 Nhi Öt ® é ( C) 0 0 10 25 0 0 40 0 0 60 0 0
Hình 1.9. Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích nhận gió trên một mặt của không gian cháy theo mô hình cháy tham biến [6] trên một mặt của không gian cháy theo mô hình cháy tham biến [6]
1.2.2.3. Mô hình cháy thực tế
Mô hình cháy thực tế cho phép đánh giá sự vận động của đám cháy trong trường hợp ảnh hưởng của nó không phân bố đều trong không gian cháy, như trên hình 1.10. Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian được phân tích phụ thuộc vào vị trí phát sinh đám cháy, quy luật phát triển của đám cháy, quy luật phân vùng ảnh hưởng trong không gian cháy (phụ thuộc vào hình dạng, kích thước không gian cháy, vị trí ô mở, lỗ thông hơi, vị trí sắp xếp các đồ vật bắt cháy,…) và quy luật biến thiên tốc
độ gió tác động lên không gian cháy. Th«ng h¬i VÞ trÝ g©y ch¸y ¤ më Vïng khÝ nãng Vïng ch¸y Vïng Êm Vïng nãng
Hình 1.10. Ví dụ vềảnh hưởng không đều của đám cháy trong không gian cháy [6]
Hình 1.11. Các mô hình cháy được mô tả trong không gian mẫu của FDS [56]
Mô hình này được xem là phù hợp và gần sát nhất với các đám cháy tự nhiên, tuy nhiên các thông số đầu vào tương đối phức tạp. Ngày nay, mô hình cháy thực tế
đại, tiêu biểu nhất cần kể đến là FDS (Fire Dynamics Simulator). Phần mềm FDS [56] là một phần mềm mô hình riêng về lửa, nằm trong hệ thống phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamic) thuộc bản quyền của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST), phiên bản đầu tiên được phát hành tháng 2 năm 2000. FDS áp dụng đường chia lưới không gian mẫu (có thể là một căn phòng, một khu vực chức năng hay cả một tòa nhà) thành các vùng nhỏ, rồi thực hiện giải hệ
phương trình vi phân Navier - Stokes phụ thuộc biến thời gian đối với mỗi vùng nhỏ. Thông tin đầu vào bao gồm: hình dáng chi tiết không gian mẫu, dạng kết cấu (tường, sàn, trần, kết cấu chịu lực chính,..), số lượng và kích thước lỗ thông hơi, đặc
điểm đồ đạc trong phòng, đặc điểm chất cháy, các tham số bức xạ, tham số đối lưu…Thông tin đầu ra là tốc độ hoặc chuyển động của dòng nhiệt và khói, độ cao tầng khói, nồng độ khí và sự biến thiên nhiệt độ bề mặt tại các vị trí cần nghiên cứu theo thời gian. Kết quả thu được từ FDS là điều kiện biên để xác định nhiệt độ
truyền vào bên trong kết cấu.
1.2.3. Sự biến thiên nhiệt độ bên trong cấu kiện thép theo mô hình kết cấu
Với điều kiện biên là nhiệt độ trên bề mặt cấu kiện thép không bọc hoặc được bọc bảo vệ, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để xác định sự biến thiên nhiệt độ bên trong cấu kiện thép trong mô hình kết cấu. Đây là mô hình tách riêng kết cấu khỏi không gian cháy để phân tích nguyên tắc dẫn nhiệt và ứng xử cơ lý của kết cấu trong điều kiện vừa chịu lực và chịu tác động của nhiệt độ. Trong không gian ba chiều, nguyên tắc dẫn nhiệt được mô tả với phương trình cơ bản [49]:
t T C z T y T x T ¶ ¶ = ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ l r 2 2 2 2 2 2 (1.2)
trong đó: T là nhiệt độ thu được tại thời điểm t ; x, y, z là tọa độ trong không gian ba chiều
r, C, l lần lượt làlà tỷ trọng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đang xét
Trong chương 2 và chương 4 của luận án, nghiên cứu sinh trình bày thuật toán lý thuyết áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán nhiệt độ phân bố trong cấu kiện thép trong quá trình cháy và giới thiệu về phần mềm mô phỏng số ANSYS
[60]. ANSYS là phần mềm của công ty Phần mềm ANSYS (Hoa Kỳ) phát triển, dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác dụng của các dạng tác động khác nhau. Khi các thông tin đầu vào được
định nghĩa cụ thể và rõ ràng, kết quả thu được từ những phép phân tích của ANSYS cho độ tin cậy rất cao.
Hình 1.12. Kết quả biến thiên nhiệt độ trong một mô phỏng của ANSYS
1.2.4. Các nguyên tắc tính toán cơ bản
Các cấu kiện khi được tính toán theo yêu cầu chống cháy đều phải thỏa mãn theo ba tiêu chuẩn sau [34,35]:
- Tiêu chuẩn về tính toàn vẹn (E): các vết nứt, các lỗ hổng không được phép xuất hiện trong kết cấu vì chúng có thể cho nguồn lửa hay khí nóng truyền qua.
- Tiêu chuẩn về cách nhiệt (I): nhiệt độ trên bề mặt của các cấu kiện riêng biệt không trực tiếp tiếp xúc với lửa không được vượt quá nhiệt độ tới hạn.
- Tiêu chuẩn về khả năng chịu lực (R): các cấu kiện phải đảm bảo khả năng chịu lực trong suốt thời gian chịu lửa yêu cầu.
Về nguyên tắc tính toán, khi kểđến cả ba tiêu chuẩn này, các số liệu kết quả thu
được được xử lý theo ba cách sau:
- Thời gian chịu lửa thiết kế cho kết cấu phải lớn hơn thời gian chịu lửa mà thực tế yêu cầu tfi,d≥ tfi
- Tại một thời điểm t cho trước trong điều kiện chịu lửa, khả năng chịu lực của kết cấu phải lớn hơn tải trọng thực tế tác dụng lên nó Rfi,d,t≥ Efi,d,t
- Nhiệt độ tới hạn của kết cấu theo thiết kế phải lớn hơn nhiệt độ mà kết cấu đạt tới trong điều kiện chịu lửa thực tế qcr,d ≥q
Về phương pháp thực hiện, tùy thuộc vào trạng thái làm việc của cấu kiện và công năng sử dụng của công trình mà có thể sử dụng một trong ba phương pháp sau:
- Phương pháp tính toán đơn giản hóa: đây là phương pháp tính nhanh gọn, các công thức xác định nhiệt độ tới hạn, thời gian chịu lửa tới hạn, khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện đều được thực hiện khi xem nhiệt độ là phân bốđều trên toàn tiết diện tại một thời điểm cho trước, áp dụng cho các cấu kiện điển hình.
- Phương pháp tra bảng, tự động hóa quy trình tính đơn giản, kết quả được thể
hiện thông qua các bảng tra dữ liệu, áp dụng cho các cấu kiện điển hình.
- Phương pháp tính toán hiện đại, xét đồng thời sự thay đổi của rất nhiều các thông số cơ - nhiệt theo nhiệt độ và thời gian. Đây là phương pháp phức tạp, có thể đánh giá sự làm việc của những cấu kiện riêng biệt, một phần của hệ kết cấu hay cả
một kết cấu tổng thể.
1.2.5. Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa [33]
Thực tế đã chứng minh rằng xác suất để đám cháy lớn sinh ra, tồn tại đồng thời với mật độ tải trọng lớn tác dụng lên kết cấu là nhỏ. EN 1991-1-2:2002 đã giới thiệu nguyên tắc xác định tải trọng tính toán trong trường hợp kết cấu làm việc chịu lửa.
Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa được chia thành ba loại chính:
- Tải trọng thường xuyên: khi tính toán chịu lửa, Gk vẫn được xét đến một cách nguyên vẹn, không điều chỉnh.
- Hoạt tải: vì lửa được xét là một tác động có tính tai nạn đối với kết cấu xây dựng nên giá trị hoạt tải giảm đi bằng cách nhân Qk với một hệ số tổ hợp y1 có trị
số biến thiên từ 0,5 đến 0,9; phụ thuộc vào chức năng sử dụng của công trình. - Các tác động gián tiếp do lửa gây ra Ad
Tải trọng tổng cộng được xác định theo công thức sau:
d i k i i k k GA fi G Q Q A q = + +å + ³2 1, , 1 , 1 , 1 y y g (1.3)
trong đó: Gk là giá trị đặc trưng của tải trọng thường xuyên; gGA là hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa, gGA=1
Qk,1là giá trị hoạt tải chính, y1,1là hệ số tổ hợp khi xét đến xác suất tồn tại của hoạt tải chính cùng với tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa, y1,1=0,5-0,9
Qk,ilà giá trị hoạt tải phụ, y1,ilà hệ số tổ hợp khi xét đến xác suất tồn tại của hoạt tải phụ tương ứng cùng với tải trọng thường xuyên trong
điều kiện chịu lửa, y1,i=0,5-0,9
Ad là các tác động gián tiếp do lửa gây ra, sự xuất hiện và giá trị của
Ad phụ thuộc rất nhiều vào kịch bản cháy
Để xét đến ảnh hưởng tác động của các dạng tải trọng tác dụng lên kết cấu trong
điều kiện chịu lửa, người ta sử dụng hệ số giảm tải hfi, định nghĩa bằng tỷ số d d fi E E ,
với Ed là giá trị nội lực tồn tại trong kết cấu trong điều kiện chịu lực bình thường;
Efi,dlà giá trị nội lực khi tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa. Trong nhiều trường hợp, khi xét ở một thời điểm cụ thể, hfi ký hiệu là hfi,tđược xác định bằng tỷ
số d t d fi R E , ,
với Efi,d,t là giá trị nội lực khi tính toán kết cấu ở thời điểm t trong điều kiện chịu lửa; Rd là cường độ tính toán của vật liệu tại điều kiện nhiệt độ thường. Thông thường, giá trị này khi biểu thị theo các thành phần tải trọng, được xác định theo công thức sau:
1 , 1 , 1 , 1 , 1 k Q k G k k GA fi Q G Q G g g y g h + + = (1.4)
trong đó: gG là hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện thường,
gG=1,35
gQ,1 là hệ số vượt tải của hoạt tải chính trong điều kiện thường,
1.2.6. Trạng thái làm việc của các cấu kiện dầm, cột thép các công trình nhà trong điều kiện chịu lửa
Trong các công trình nhà, nếu có thiết kế khoang cháy thì đám cháy thường được khảo sát dưới dạng cháy trong một không gian cháy nhỏ, nhiệt độ tại một thời điểm nhất định xem là không đổi và tác động đều lên toàn bộ cấu kiện chịu lực trong khoang cháy. Khi đó, cấu kiện cơ bản (dầm, cột) chịu đồng thời tác động của nhiệt
độ và tải trọng bên ngoài. Vì các cấu kiện được nghiên cứu trong mô hình kết cấu nên tác động nhiệt chỉ là sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt và bên trong cấu kiện, các
điều kiện khác nhưđối lưu, bức xạ gần như không kểđến.
Do xét đến yếu tố thời gian nên có nhiều loại kịch bản được xây dựng để nghiên cứu ứng xứ của các cấu kiện:
- Kịch bản thứ nhất là khảo sát khi tải trọng không đổi tại một nhiệt độ cao xác
định, tức là nghiên cứu cấu kiện tại một thời điểm trong quá trình cháy. Khi đó biến dạng tổng sẽ được xác định rõ ràng theo biến dạng do tải trọng và biến dạng do nhiệt. Kịch bản này thường được sử dụng để xác định tải trọng tới hạn cho cấu kiện tương ứng với một nhiệt độ cao cho trước.
Hình 1.12. Mối quan hệ giữa tải trọng - nhiệt độ - thời gian trong kịch bản 3 [57]
- Kịch bản thứ hai xét cấu kiện chịu tải trọng không đổi nhưng nhiệt độ tác động thay đổi theo thời gian, đây là kịch bản phổ biến nhất để xác định nhiệt độ và thời gian tới hạn cho cấu kiện. Trong phần lớn các tiêu chuẩn, qui chuẩn về chịu lửa hiện nay, thời gian tới hạn là yếu tố quan trọng vì ngoài thiết kế về kết cấu, nó còn ảnh
hưởng đến các thiết kế khác về phòng cháy chữa cháy. Khái niệm bậc chịu lửa cũng
được xây dựng dựa trên giá trị thời gian tới hạn này.
- Trong trường hợp tổng quát nhất, kịch bản thứ ba được sử dụng khi xét đến sự
thay đổi của cả tải trọng và nhiệt độ theo thời gian. Khi này, các giá trị Ad trong công thức (1.3) và hfi trong công thức (1.4) được kểđến trong nghiên cứu một cách chi tiết. Tương tự như kịch bản 2, mục đích của kịch bản 3 cũng là xác định nhiệt độ
và thời gian tới hạn cho cấu kiện. Các kết quả vềứng suất, biến dạng cũng được thể
hiện để đảm bảo ba tiêu chuẩn E, I, R đã trình bày ở mục 1.2.4.Về ứng xử của cấu kiện dầm thì điều kiện bền là điều kiện đầu tiên được xét đến, vì thông thường các dầm thép trong nhà được liên kết với bản sàn bê tông hoặc bản sàn liên hợp, khi đó khả năng chống mất ổn định tổng thể được tăng lên đáng kể. Bên cạnh đó, do ảnh hưởng của bản sàn bê tông liên kết với cánh trên nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa cánh trên và cánh dưới của dầm là khá lớn, điều này gây nguy hiểm cho phần dưới của tiết diện khi nhiệt độ trong khu vực này rất nhanh đạt đến nhiệt độ tới hạn và làm thay đổi vị trí trục trung hòa dẻo của tiết diện dầm. Một vấn đề nữa cần quan tâm là độ giãn dài vì nhiệt trong dầm thép sẽ dẫn đến việc phân phối lại nội lực trong dầm, khi đó ứng suất tại từng vị trí trên tiết diện sẽ thay đổi theo hướng rất phức tạp.
Vềứng xử của cấu kiện cột thì cần xét đến điều kiện mất ổn định tổng thể. Do tác
động của nhiệt độ, hiện tượng mất ổn định tổng thể có thể do ứng xử cơ nhiệt của toàn cấu kiện cột cũng có thể do mất ổn định cục bộ tại những phần cột chịu lửa. Kết quả này phụ thuộc rất nhiều vào kịch bản cháy, nếu như trong dầm kịch bản cháy nguy hiểm và thực tế là dầm chịu tác động nhiệt độ từ dưới lên trên thì trong cột, nhiệt độ có thể tác động lên một, hai, ba hoặc tất cả các mặt cột. Về mặt cơ học,