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] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- 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, sơ đồ kết cấu có ảnh hưởng lớn ứng xử của cột trong điều kiện vừa chịu lực, vừa chịu lửa. Đặc biệt, trong các công trình nhà, có sự chênh lệch trong ứng xử của cấu kiện cột trong trường hợp sơ đồ giằng và sơ đồ khung. Khi tải trọng ngang do hệ
giằng và vách chịu cắt chịu (sơ đồ giằng), cấu kiện cột làm việc có mức độđộc lập nhất định, nhiệt độ tới hạn thường được đề xuất cao hơn [57]. Khi kết cấu khung bao gồm dầm, cột được thiết kế chịu tải trọng ngang (sơđồ khung), sự suy giảm khả
năng chịu lực của cấu kiện cột trong điều kiện chịu lửa sẽ làm giảm độ cứng của cả
hệ kết cấu. Trong các trường hợp này, hệ số tải trọng được nghiên cứu rất kỹ và chi tiết để phản ánh thực tế nhất kịch bản cháy cho cột. Độ mảnh và nhiệt độ tới hạn của cột trong sơđồ khung cũng yêu cầu phải thấp hơn [57].
1.3. Các nghiên cứu về tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa
1.3.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới, các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu trong điều kiện chịu lửa (điều kiện chịu cháy) bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ những năm 1970.
- Ở Thụy Điển, bắt đầu từ những năm 1970, giáo sư O.Pettersson đã nghiên cứu
ảnh hưởng của nhiệt độ đến trạng thái làm việc của kết cấu và cùng với S.E.Magnusson đưa ra khái niệm về bậc chịu lửa của công trình xây dựng ở trường
đại học Lund. Từ những năm 1980, trường đại học Lund và phòng thí nghiệm SP tại Boras, Thụy Điển đã thực hiện rất nhiều các thí nghiệm khảo sát khả năng chịu lực của các cấu kiện dầm, cột không bọc và bọc bảo vệ trong điều kiện chịu cháy [39,40,43]. Khoảng 100 mẫu thí nghiệm được trình bày bao gồm các dầm thép không bọc đỡ bản sàn bê tông chịu tác động của nhiệt từ dưới lên, cột thép không bọc, cột thép chèn gạch bản bụng chịu tác động của nhiệt trên cả bốn mặt, cột thép xây chèn tường bản bụng, cột thép có tường liên kết bản cánh chịu tác động của nhiệt trên ba mặt, một mặt,… Kết quả thu được là nhiệt độ trên bề mặt cấu kiện thép, độ võng trong dầm, chuyển vị thẳng đứng và chuyển vị ngang trong cột.
- Năm 1990, để có được kết quả thực tế về sự lan truyền cháy trong một công trình, tại phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu xây dựng (BRE), Cardington, Vương quốc Anh, các nhà khoa học đã xây dựng cả một tòa nhà cao 8 tầng làm mẫu thí nghiệm nguyên hình để thực hiện thí nghiệm chịu lửa và quan sát, phân tích các số liệu đạt được [41]. Dựa trên kết quả thu được từ các thí nghiệm kể trên, các tài liệu tham khảo về phương pháp phân tích, đánh giá, thiết kế kết cấu chịu đã lần lượt
được xuất bản. Bắt đầu ở Anh, BS 5950: The structural use of steelwork in building - Part 8: Code of practice for fire resistant design [31] được xuất bản năm 1990, tiếp
đến là ở Thụy Sĩ, Đức, Thụy Điển - các nước này đều xây dựng tiêu chuẩn thiết kế
- Đầu những năm 2000, Bộ tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode [32,33,34,35] được sử
dụng mang tính phổ biến trên toàn Châu Âu đã trình bày chi tiết những phương pháp thiết kế kết cấu, những bảng biểu thể hiện số liệu thực nghiệm, những yêu cầu về vật liệu chống cháy và các phụ lục kèm theo ..., đề cập một cách tương đối hoàn chỉnh toàn bộ trạng thái làm việc và khả năng chịu lực của kết cấu làm việc trong
điều kiện chịu lửa. So với các công bố trong thời gian này, Eurocode có thư viện thiết kế với quy mô lớn và là cơ sở hữu ích cho việc kiểm chứng các thí nghiệm và mô phỏng sau này.
- Từ sau vụ sập hai tòa nhà Trung tâm thương mại thế giới WTC (2001), Viện Tiêu chuẩn và kỹ thuật quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã thành lập một phòng chuyên nghiên cứu về trạng thái làm việc của các cấu kiện chịu lực trong điều kiện chịu cháy. Các nhà khoa học Long T.Phan, Therese P.Mc Allister, John L.Gross, Morgan J. Hurley ở NIST đã công bố nhiều nghiên cứu chi tiết về quy trình thiết kế kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu liên hợp thép-bê tông chịu lực trong điều kiện chịu cháy [56] từ việc xây dựng lại các đặc trưng cơ nhiệt của vật liệu đến phân tích trạng thái ứng xử và các tiêu chuẩn áp dụng để phân tích kết cấu. Sau đó, tiêu chuẩn về phòng chống cháy ASCE/SEI/SFPE 29-99 (xuất bản lần 1), ASCE/SEI/SFPE 29- 05 (xuất bản lần 2) [29] nằm trong hệ tiêu chuẩn xây dựng ASCE của Hoa Kỳđược xuất bản đã trình bày các phương pháp tính toán khả năng chịu lửa của kết cấu chịu lực và kết cấu bao che như kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu gỗ, khối xây bê tông, khối xây gạch,...
- Ngoài ra còn khá nhiều các bài báo nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thực nghiệm về các cấu kiện dầm, cột thép không bọc trong điều kiện chịu lửa [37,38,46,47,51,53,54,58,62,65,67]. Đối với các cấu kiện dầm cột thép được bọc bảo vệ thì hướng nghiên cứu tập trung vào vật liệu bọc chủ yếu là bê tông, bê tông có thể chỉ đóng vai trò là vật liệu bọc chịu lửa hoặc cùng tham gia chịu lực với cấu kiện thép trong kết cấu liên hợp [48,50,58]. Trong các bài báo này, phương pháp nghiên cứu chính là tiến hành thí nghiệm các mẫu cấu kiện dầm, cột, xử lý và thực hiện so sánh kết quả thí nghiệm thu được với phương pháp lý thuyết trong các hệ
tiêu chuẩn. Khả năng chịu lực được kết luận dựa trên khống chế về sự phát triển biến dạng và chuyển vị của dầm, cột theo thời gian. Cụ thể như sau:
+ Y.Anderberg [67] tiến hành thí nghiệm với các dầm hai đầu khớp chịu uốn, cột hai đầu khớp chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm trong điều kiện chịu lửa. Kết quả
thí nghiệm chỉ ra được ảnh hưởng của sơđồ kết cấu trong dầm, độ mảnh và độ lệch tâm ban đầu của cột đến khả năng chịu lực và thời gian chịu lửa tương ứng.
+ Marek Lokomski [58] tiến hành thí nghiệm trên các dầm không bọc bảo vệ và so sánh kết quả thu được với phương pháp tính toán lý thuyết để đánh giá độ võng tới hạn trong dầm ứng với mô hình vật liệu ngoài đàn hồi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Janns [47] tiến hành thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng mất ổn định tổng thể
của cột thép không bọc chịu nén trong điều kiện chịu lửa. Các thí nghiệm sau đó của Franssen [46]; Poh [53]; Kang-Hai Tan [54] cũng đều tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái mất ổn định tổng thể của cột thép như: độ mảnh, độ lệch tâm ban đầu, hiện tượng mất ổn định cục bộ do nhiệt,… Kết quả thu được là lực nén tới hạn của cột tương ứng với thời gian chịu lửa khảo sát hay tỷ lệ giữa lực nén tới hạn tại nhiệt độ cho trước và lực nén tới hạn trong điều kiện nhiệt độ thường. Trong các thí nghiệm này, nhiệt độđược xem là phân bố đều và tác dụng trên suốt chiều cao cột.
+ Nhóm nghiên cứu Anil Agarwal, Lisa Choe [37,38] tiến hành thí nghiệm trên các cột không bọc bảo vệ chịu nén đúng tâm, nén - uốn chịu tác động nhiệt với các kịch bản cháy khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của sự phân bố nhiệt không đều trên tiết diện cũng như theo suốt chiều dài cột đến khả năng chịu lực của cột trong
điều kiện chịu lửa.
- Bên cạnh phương pháp nghiên cứu bằng thí nghiệm, phương pháp mô phỏng số
càng ngày càng đạt được kết quả khả quan. Các phần mềm phân tích kết cấu trong
điều kiện chịu cháy theo phương pháp mô phỏng số tiêu biểu có thể kể đến là ANSYS (Mỹ, 1970) [55]; ABAQUS (Mỹ, 1978); SAFIR (Bỉ, 1980); FDS (Mỹ, 1985);… Đã có một số bài báo nghiên cứu về trạng thái làm việc của các cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số [37,48,58,65]:
+ Schleich [48] trong những năm 1980 đã giới thiệu phương pháp mô phỏng số
các cấu kiện thép, cấu kiện liên hợp, kết cấu khung chịu lực trong điều kiện chịu lửa. Các lý thuyết cơ bản của phần tử hữu hạn (FEM) được trình bày bao gồm phương thức lựa chọn phần tử, nguyên tắc chia và đánh giá chất lượng lưới, phương trình cân bằng nhiệt, phương pháp lặp Newton-Raphson để xác định biến dạng