q fi = g GA
1.2.6. Trạng thái làm việc của các cấu kiện dầm, cột thép các công trình nhà trong điều kiện chịu lửa
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 như đối lưu, bức xạ gần như không kể đến.
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
25
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 kể đến 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 về ứng 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.
Về ứng 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 độ độc 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 (sơ đồ khung), sự suy giảm khả
26
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 sơ đồ khung cũng yêu cầu phải thấp hơn [57].