7 Xác thực mô hình FE
7.4 Hành vi cục bộ của dầm BTCT tiếp xúc với lửa
Mô hình FE đã được xác nhận có thể được triển khai để hiểu các khía cạnh của hiệu suất kết cấu mà không thể dễ dàng làm rõ thông qua các thí nghiệm cháy. Hành vi cục bộ thí nghiệm dầm của Wu và cộng sự ( dầm I và II) được xem xét ở đây như một ví dụ. Hình 9a-c trình bày sự phân bố trượt của thép và bê tông cho thanh căng giữa dọc theo nhịp dầm. Như dự đoán, sự phân bố các vết trượt tiết diện gần như phản đối xứng với nhịp giữa dầm, do tính đối xứng của tải trọng và hình học của dầm BTCT ngoại trừ các điều kiện khác nhau ở hai đầu (tức là một đầu cuối được hạn chế để chống lại sự dịch chuyển theo chiều dọc nhưng đầu kia thì không), dự kiến sẽ không ảnh hưởng đến sự phân bố trượt (hình 5a). Độ trượt tối đa thu được với mô hình giới hạn dưới là khoảng gấp đôi so với độ trượt thu được với mô hình giới hạn trên. Ở nhiệt độ môi trường, độ trượt lớn nhất luôn xảy ra gần nhịp giữa
27 của dầm (hình 9a) do vết nứt giữa nhịp là vết nứt rộng nhất trong số tất cả các vết nứt dầm. Ở nhiệt độ cao, sự trượt tối đa tại mặt phân cách thép-bê tông xảy ra bất ngờ trong vùng chuyển tiếp giữa vùng được nung nóng và vùng không được làm nóng trong vùng neo (hình 9b-c). Những kết quả này chỉ ra rằng trượt ở nhiệt độ cao chủ yếu là do biến dạng nhiệt khác nhau giữa bê tông và cốt thép, và trượt do nhiệt này lớn hơn nhiều so với trượt do tải trong ở nhiệt độ môi trường. Trong đám cháy thực, điều kiện tiếp xúc với lửa tương tự như điều kiện thử nghiệm của dầm: phần trung tâm của dầm BTCT tiếp xúc với lửa trong khi các phần tiếp giáp với các đầu dầm thì lại ít chịu nhiệt hơn. Sau khi tiếp xúc với lửa, tiết diện thép và bê tông có thể bị trượt không thể phục hồi, điều này có thể ảnh hưởng đến cường độ và khả năng sử dụng của dầm BTCT sau khi cháy.
28 Hình 11. Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang giữa nhịp: (a) t=0 phút, (b) t= 30
phút, (c)= 60 phút, (d) t= 90 phút, (e) t= 106 phút và (f) vùng bê tông bị nứt [94][95]
Các biến thể của sự phân bố ứng suất dọc ở giữa và thanh thép ở góc với thời gian tiếp xúc với lửa được thể hiện trong hình 10a và b. Trong thời gian tiếp xúc với lửa, ứng suất kéo trong các thanh tăng lên đáng kể theo thời gian, và các thanh góc hoạt động rất khác so với thanh giữa. Trong các vừng chuyển tiếp, các thanh góc thậm chí còn phát triển ứng suất nén, từ đó ta thấy sự giản nở vì nhiệt của chúng bị hạn chế bởi các vùng lân cận (hình 5). Khi thời gian tiếp xúc với lửa vượt quá 60 phút, ứng suất tối đa trong thanh giữa ít thay đổi hơn, trong khi ứng suất tối đa trong các thanh góc đều tăng lên và sau đó giảm xuống do chúng dễ phá hủy hơn do sự gia tăng nhiệt độ lớn ở các góc.
Hình 11a-f trình bày sự phân bố dự đoán của ứng suất dọc trục trong bê tông trên mặt cắt ngang của dầm ở nhịp giữa như một hàm thời gian tiếp xúc với lửa thu được với mô hình liên kết giới hạn dưới. Khi bắt đầu thửu lửa (t=0min), các sợ bê tông trên cùng phải chịu nén và các sợi bê tông dưới cùng phải chịu lực căng (hình 11a) như dự kiến. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên, ứng suất nén xuất hiện ở bốn vùng góc của mặt cắt (hình 11b) do gradient nhiệt độ (tức là phân bố định hình trong mặt cắt. Sự phân bố ứng suất duy nhất này trên mặt cắt làm cho trục trung hòa dịch chuyển xuống dưới và cũng dẫn đến năng suất của thanh thép ở giữa (hình 10a). Những biến đổi ứng suất phức tạp này là do tác động tổng hợp của ứng suất nhiệt và sự tương tác giữa cốt thép và bê tông thông qua liên kết bề mặt.
Mặc dù bê tông không bị bong tróc chưa được xem xét trong mô hình FE hiện tại, nhưng sự phân bố ứng suất dự đoán được trình bày trong hình 11 cung cấp một giải
29 thích định tính tốt cho hiện tượng bong tróc được quan sát thấy trong thí nghiệm cháy của dầm bê tông cường độ cao (HSC). Các giải thích hiện tại về hiện tượng kết dính bê tông có thể được phân thành hai loại: (a) kết dính do ứng suất nhiệt (ứng suất nén); (b) bong tróc do dự tích tụ của áp lựa lỗ rỗng trong bê tông[92]. Hơn nữa, các thử nghiệm trước đây cho thấy bê tông bị bong tróc xảy ra trong 20-60 phút đầu tiên khi hỏa hoạn [93]. Như được thể hiện trong hình 11f, các vùng cháy được quan sát trong các thí nghiệm cháy của dầm HSC [94][95] gần như giống với các vùng ứng suất nén được dự đoán bởi mô hình FE (hình 11b- c). Tính nhất quán này chứng tỏ rằng các ứng suất dự đoán có thể được sử dựng để dự đoán sự kết dính bê tông. Do đó, phân tích FE hiện tại, do tính chất ba chiều của nó, có tiềm năng tốt để mở rộng thành một mô hình dự báo thực tế cho việc đổ bê tông và để đạt được phân tích khả năng chống cháy được cải thiện của dầm HSC tiếp xúc với lửa.
Để hiểu thêm về phản ứng nhiệt và cơ học của dầm BTCT, hình 12 và 13 cho thấy các diễn biến dự đoán theo thời gian của nhiệt độ, biến dạng trục và ứng suất dọc trục của bê tông trên hai đường thẳng đứng của phần dầm giữa nhịp: một là dọc theo các điểm tích hợp của lớp phần tử trung tâm (hình 12) (tức là gần chiều rộng giữa các phần dầm) và phần còn lại là dọc theo các điểm tích hợp cảu lớp bê ngoiaf các phần tử (hình 13) ( tức là gần phía dầm). Trong mô hình FE, kích thước phần tử là 25 mm, dẫn đến 8 phần tử theo chiều rộng dầm. Vì điểm tích hợp nằm ở trung tâm của phần tử, nên nhiệt độ của điểm tích hợp được lấy làm nhiệt độ trung bình của tám nút.
Như dự đoán, trước khi tiếp xúc với lửa, ứng suất dọc trục của bê tông ở nhịp giữa thay đổi tuyến tính trong vùng chịu nén. Điều này phù hợp với giả thuyết phần mặt phẳng. Hiện tượng dẻo phi tuyến quan sát được đối với bê tông bị nứt bên dưới trục trung hòa của mặt cắt giữa nhịp (hình 12d và 13d). Sau khi bắt đầu tiếp xúc với lửa, biến dạng nhiệt do nhiệt độ gây ra và do đó biến dạng tông thay đổi theo cách phi tuyến tính theo chiều cao dầm (hình 12b-c, 13b-c). Kết quả cho thấy sự phân bố ứng suất theo chiều sâu cảu dầm cũng trở thành phi tuyến tính. Ứng suất dọc trục của các phần tử lớp trung tâm thường giảm theo thời gian cháy ở cả vùng chịu kéo và vùng nén (hình 12d) mặc dù ở 106 phút, vùng nhỏ có ứng suất nén lớn xuất hiện ở gần mép trên của dầm; đối với các phần tử của lớp bên ngoài, vùng chịu nén của
30 bê tông mở rộng theo thời gian tiếp xúc với lửa trong khi bê tông dưới cùng chuyển từ trạng thái kéo thành trạng thái nén. (hình 13d). Sự phân bố ứng suất này chỉ ra rằng rất khó để xác định trục trung hòa cho đoạn dầm tiếp xúc với lửa như vậy, điều này cũng minh họa tầm quan trọng của việc phân tích ba chiều của dầm BTCT chịu lửa. Các phân bố ứng suất phức tạp này cũng khó hợp trong một phương pháp thiết kế khả năng chịu lửa tương đối đơn giản như phương pháp phân tích mặt cắt được sử dụng rộng rãi.
Một số dao động đột ngột tạo ứng suất nhỏ xung quanh đường ứng suất bằng không, được quan sát thấy ở trên cả hai đường dọc tại các thời điểm tiếp xúc lửa khác nhau (hình 12d và 13d). Những dao động này rất khó giải thích, nhưng có thể quy cho sự phi tuyến tính cao của vấn đề và quy trình được áp dụng thông qua ABAQUS. Các dao động kéo tương tự cũng đã được báo cáo bởi Nechnech và cộng sự [96] đối với mọi tấm bê tông tiếp xúc với lửa.
Hình 12 . Diễn biến nhiệt độ, biến dạng và ứng suất trên lớp trung tâm ở giữa nhịp: (a) phân bố nhiệt độ, (b) phân bố biến dạng nhiệt, (c) phân bố biến dạng tổng và (d) phân bố ứng suất.
31 Hình 13 Diễn biến nhiệt độ, biến dạng và ứng suất trên của lớp ngoài giữa nhịp: (a) phân bố nhiệt, (b) phân bố biến dạng nhiệt, (c) phân bố biến dạng tổng và (d) phân bố ứng suất.