q fi = g GA
1.3.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giớ
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 riêng cho kết cấu trong điều kiện chịu lửa.
27
- 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 Kỳ được 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
28
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 sơ đồ 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.
+ 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 độ được 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]:
29
+ 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 dẻo, …đều là những kiến thức cơ bản cho các chương trình phần mềm mô phỏng số sau này. Kết quả của bài toán mô phỏng được kiểm chứng với các thí nghiệm đã có để đánh giá độ tin cậy.
+ Nhóm nghiên cứu Anil Agarwal, Lisa Choe [37,38] cũng thực hiện mô phỏng FEM để so sánh với các kết quả thí nghiệm cột mà họ đã tiến hành trước đó. Kết quả so sánh cho thấy phân tích mô phỏng có độ tin cậy cao và rất hiệu quả khi áp dụng nghiên cứu với hệ kết cấu có quy mô lớn.
+ Long T.Phan [56] đã giới thiệu ưu nhược điểm của các phần mềm mô phỏng số hiện đang được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là nguyên tắc liên kết giữa mô hình cháy và mô hình kết cấu, xây dựng điều kiện biên nhiệt độ và khai báo các đặc trưng cơ – nhiệt của vật liệu trong mô hình kết cấu.