Khả năng chịu lửa (phút)
Kích thước tối thiểu
Cột tiếp xúc với lửa nhiều hơn 1 mặt Cột tiếp xúc 1 mặt ηfi = 0,2 ηfi = 0,5 ηfi = 0,7 ηfi = 0,7 1 2 3 4 5 6 30 b a 200 25 200 25 200 30 155 25 60 b a 200 25 200 35 250 45 155 25 90 b a 200 30 300 45 350 50 155 25 120 b a 250 40 350 45 350 55 175 35 180 b a 350 45 350 60 450 70 230 55 240 b a 350 60 450 75 500 70 295 70
2.1.3.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada
Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada [21], phương pháp tra bảng đề cập trong phụ lục D-2.8, phương pháp này trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 30 phút đến 4 giờ qua các bước xác đình đề cập trong bảng sau.
Xác định Kích thước tối thiểu, t, tính bằng milimét, của cột bê tơng cốt thép hình chữ nhật phải bằng
(a) 75 f (R + 1) cho tất cả các loại bê tông L và L40S,
(b) 80 f (R + 1) đối với bê tông loại S khi điều kiện thiết kế của cột bê tông được xác định trong cột 2 và 4 của Bảng 2.23,
(c) 80 f (R + 0,75) đối với bê tông loại N khi điều kiện thiết kế của cột bê tông được xác định trong cột 2 và 4 của Bảng 2.23, và
(d) 100 f (R + 1) đối với bê tông loại S và N khi điều kiện thiết kế của cột bê tông được xác định trong cột 3 của Bảng 2.23
Trong đó
f = giá trị được thể hiện trong Bảng 2.23,
R = hệ số khả năng chịu lửa yêu cầu tính bằng giờ,
k = hệ số chiều dài hiệu dụng thu được từ CAN / CSA-A23.3, “Thiết kế kết cấu bê tông"
h = chiều dài không được hỗ trợ của cột tính bằng mét.
p = diện tích cốt thép dọc trong cột tính bằng phần trăm diện tích cột.
(2) Đường kính của cột trịn không được nhỏ hơn 1,2 lần giá trị t được xác định trong câu (1) cho một cột hình chữ nhật.
Bảng 2.23 Giá trị của hệ số f (1)
Hệ số vượt thiết kế (2)
Các giá trị của hệ số f sẽ được sử dụng khi áp dụng mục b) Phương pháp Khi kh không quá 3,7m
Khi kh hơn 3,7m nhưng không quá 7,3m t không quá 300mm,
p khơng q 3%(3) Trường hợp cịn lại (4)
1,00 1,0 1,2 1,0 1,25 0,9 1,1 0,9 1,50 0,83 1,0 0,83
Trong trường hợp hệ số khả năng chịu lửa yêu cầu của cột bê tông là 3 giờ hoặc nhỏ hơn, chiều dày tối thiểu tính bằng milimét của lớp bào vệ bê tông trên cốt thép dọc phải bằng 25 lần số giờ chịu lửa yêu cầu hoặc 50 mm,lấy theo kết quả ít hơn.
Trong trường hợp hệ số khả năng chịu lửa yêu cầu của cột bê tơng lớn hơn 3 giờ, chiều dày tối thiểu tính bằng milimét của lớp bảo vệ bê tơng trên cốt thép dọc phải bằng 50 cộng với 12,5 lần số giờ chịu lửa yêu cầu vượt quá trong 3 giờ.
Trường hợp lớp bảo vệ bê tông trên thép thẳng đứng yêu cầu trong Câu (2) vượt quá 62,5 mm, thì cốt thép lưới thép với đường kính 1,57 mm và các lỗ hở 100 mm phải được kết hợp ở giữa trong lớp bảo vệ bê tông để sơn lại lớp bê tông.
2.1.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp tra bảng
2.2. Phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)
2.2.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng
Phương pháp này có thể áp dụng được cho tác động của đám cháy tiêu chuẩn và mọi chế độ nhiệt độ theo thời gian khác nhau, nhưng gây ra các trường nhiệt độ tương tự nhau trong bộ phận chịu tác động của lửa. Các chế độ nhiệt độ theo thời gian không phù hợp với tiêu chí này phải được phân tích tổng hợp riêng có xét đến cường độ tương đối của bê tông như một hàm số của nhiệt độ.
Phương pháp này chỉ hợp lệ với bề rộng nhỏ nhất của tiết diện như nêu trong Bảng 2.24:
a) Áp dụng cho đám cháy tiêu chuẩn, phụ thuộc vào khả năng chịu lửa;
b) Áp dụng cho đám cháy tham số, với hệ số độ thoáng Ο ≥ 0,14 [m1/2] (xem Phụ lục A, EN 1992-1-1).
Bảng 2.24 Bề rộng nhỏ nhất của tiết diện là hàm số của khả năng chịu lửa (áp dụng cho đám cháy tiêu chuẩn) và của mật độ tải trọng cháy (áp dụng cho tác động của đám cháy tham số)
a) Khả năng chịu lửa
Khả năng chịu lửa R 60 R 90 R120 R180 R240
Bề rộng nhỏ nhất
của tiết diện, mm 90 120 160 200 280
b) Mật độ tải trọng cháy
Mật độ tải trọng
cháy, MJ/m2 200 300 400 600 800
Bề rộng nhỏ nhất
của tiết diện, mm 100 140 160 200 240
Phương pháp tính tốn đơn giản được thực hiện dựa trên sự giảm chung về kích thước tiết diện khi xét đến lớp bê tông bề mặt bị hỏng do nhiệt độ cao. Chiều dày của lớp bê tông bị hỏng, a500, được lấy bằng chiều sâu trung bình của đường đẳng nhiệt 500ºC trong vùng chịu nén của tiết diện.
Bê tông bị hỏng, tức là bê tơng có nhiệt độ cao hơn 500ºC, được coi là khơng có đóng góp gì cho khả năng chịu lực của cấu kiện, trong khi đó tiết diện bê tơng cịn lại vẫn duy trì tồn bộ giá trị cường độ và mơ đun đàn hồi ban đầu của nó.
Đối với một dầm hình chữ nhật chịu tác động của lửa ở 3 mặt, tiết diện giảm yếu trong điều kiện chịu lửa sẽ tuân theo Hình 2.2.
2.2.2 Quy trình thiết kế tiết diện bê tơng cốt thép chịu tác động uốn nén
Trên cơ sở tiếp cận theo cách tiết diện giảm yếu như trên, quy trình tính tốn độ bền của một tiết diện bê tơng cốt thép trong điều kiện chịu lửa có thể tiến hành như sau:
a) Xác định đường đẳng nhiệt 500ºC đối với tác động của đám cháy cụ thể, đám cháy tiêu chuẩn hoặc đám cháy tham số (Phụ lục A, tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2));
b) Xác định một bề rộng mới, bfi, và chiều cao làm việc mới, dfi, của tiết diện bằng cách loại trừ lớp bê tơng phía ngồi đường đẳng nhiệt 500ºC (xem Hình 2.1). Có thể xét đến các góc lượn của đường đẳng nhiệt bằng cách lấy dạng thực tế của đường
đẳng nhiệt xấp xỉ là một hình chữ nhật hoặc một hình vng, như thể hiện trong Hình 2.1;
c) Xác định nhiệt độ trong các thanh cốt thép trong các vùng chịu kéo và chịu nén. Nhiệt độ của các thanh cốt thép đơn lẻ có thể được xác định từ đường đẳng nhiệt cho trong Phụ lục A hoặc các tài liệu hướng dẫn (sổ tay hướng dẫn) và được coi là nhiệt độ tại tâm của thanh cốt thép. Một số thanh cốt thép có thể nằm ngồi phạm vi của tiết diện giảm yếu, như thể hiện trên Hình 2.2. Trong những trường hợp đó, các thanh cốt thép này có thể vẫn được đưa vào tính tốn khả năng chịu lực cực hạn của thiết diện chịu tác động của lửa;
d) Xác định cường độ bị suy giảm của cốt thép do nhiệt độ theo EN 1992-1-1; e) Sử dụng các phương pháp tính tốn truyền thống để xác định khả năng chịu lực cực hạn của tiết diện giảm yếu với giá trị cường độ của các thanh cốt thép như xác định được trong d);
f) So sánh khả năng chịu lực cực hạn với tác động của tải trọng tính tốn hoặc thế bằng khả năng chịu lửa dự kiến với khả năng chịu theo yêu cầu.
T-kéo C-nén a) Lửa tác động ở 3 mặt,
trong đó có vùng chịu kéo
b) Lửa tác động ở 3 mặt, trong đó có vùng chịu nén
c) Lửa tác động ở 4 mặt (dầm hoặc cột)
Hình 2.2 Tiết diện giảm yếu của dầm và cột bê tơng cốt thép
Hình 2.2 trình bày việc tính tốn khả năng chịu lực của tiết diện với các cốt thép chịu kéo cũng như chịu nén.
Nếu tất cả các thanh cốt thép được bố trí trong các lớp có diện tích bằng nhau thì có thể sử dụng những biểu thức sau để tính tốn chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tính đến trục cốt thép, a.
Hình 2.3 Phân bố ứng suất ở trạng thái giới hạn độ bền áp dụng cho tiết diện bê tơng hình chữ nhật có cốt thép chịu nén
Với:
bfi là bề rộng của tiết diện giảm yếu;
dfi là chiều cao tính tốn (chiều cao làm việc hiệu quả) của tiết diện giảm yếu; z là cánh tay địn giữa cốt thép chịu kéo và bê tơng;
z’ là cánh tay đòn giữa cốt thép chịu kéo và cốt thép chịu nén; As là diện tích của cốt thép chịu kéo;
As1 là phần cốt thép chịu kéo cân bằng với khối ứng suất nén của bê tông As2 là phần của cốt thép chịu kéo cân bằng với cốt thép chịu nén;
A’s là diện tích của cốt thép chịu nén;
fcd,fi(20) là giá trị tính tốn của cường độ chịu nén của bê tông trong trường hợp chịu lửa ở nhiệt độ thường lấy bằng fck/γc,fi;
fsd,fi(θm) là giá trị tính tốn của cường độ cốt thép chịu kéo trong điều kiện chịu lửa ở nhiệt độ trung bình của thớ là θm;
fscd,fi(θm) là giá trị tính tốn của cường độ cốt thép chịu nén trong điều kiện chịu lửa ở nhiệt độ trung bình của thở là θm.
Cường độ bị suy giảm trung bình của một lớp cốt thép theo mức tăng nhiệt độ được tính tốn theo biểu thức (2.1).
( ) ( )i v v k k n = (2.1) trong đó:
θ là nhiệt độ của thanh cốt thép thứ i;
k(θi) là sự suy giảm về cường độ của thanh cốt thép thứ i gây ra bởi mức nhiệt độ θi;
kv(θ) - là sự suy giảm về cường độ của lớp cốt thép v, nv là số lượng thanh cốt thép trong lớp v.
Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ, a, tính đến trọng tâm của các lớp cốt thép, có thể được xác định theo biểu thức (2.2).
( ) ( ) v v v a k a k = (2.2) trong đó:
av là chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tính từ bề mặt đáy của tiết diện giảm yếu đến lớp cốt thép v.
Nếu chỉ có 2 lớp cốt thép thì chiều dày lớp bê tơng bảo vệ có thể được tính bằng biểu thức (2.3).
1 2
a = a a (2.3)
Nếu các thanh cốt thép có diện tích khác nhau và được phân bố không theo quy luật thì có thể áp dụng quy trình sau.
Tính giá trị trung bình về cường độ của một nhóm cốt thép, k(φ)fsd,fi, theo các giá trị nhiệt độ gia tăng bằng biểu thức (2.4).
( ) s( )i sd,i i i i k f A k A = (2.4) trong đó:
ks(θi) là mức độ giảm cường độ của thanh cốt thép thứ i; fsd,i là cường độ tính tốn của thanh cốt thép thứ i; Ai là diện tích tiết diện của thanh cốt thép thứ i.
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ, a đến trọng tâm của nhóm cốt thép được tính tốn theo biểu thức (2.5).
( ) ( ) i s i sd,i i i s i sd,i i i a k f A a k f A = (2.5) trong đó:
ai là chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tính từ tiết diện giảm yếu đến trục thanh cốt thép thứ i.
Việc tính tốn mơ men uốn của tiết diện được thực hiện như sau: ( ) u1 s1 sd,fi m M =A f z (2.6) ( ) ( ) s1 sd,fi m k fi fi cd,fi A f b d f 20 = (2.7) ( ) u2 s2 scd,fi m M =A f z' (2.8) s s1 s 2 A =A +A (2.9) trong đó: As là tổng diện tích cốt thép;
fsd,fi là cường độ chịu kéo tính tốn của cốt thép;
ωk là tỷ số giữa cường độ tính tốn của cốt thép với diện tích tiết diện chịu lửa; bfi là bề rộng của tiết diện chịu lửa;
dfi là chiều cao làm việc của tiết diện chịu lửa;
fcd,fi(20) là cường độ chịu nén tính tốn của bê tơng (ở nhiệt độ thường); z là khoảng cách giữa cốt thép chịu kéo và trọng tâm vùng bê tông chịu nén; z’ là cánh tay đòn giữa cốt thép chịu kéo và cốt thép chịu nén;
θm là nhiệt độ trung bình của lớp cốt thép.
Khi đã tính được sự tham gia chịu mơ men của các nhánh cốt thép như trên thì tổng khả năng chịu mơ men của tồn tiết diện được tính bằng biểu thức:
Mu = Mu1+Mu2 (2.10)
2.2.3 Các đường đẳng nhiệt áp dụng cho các cấu kiện
Tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) đề cập và cung cấp các đường đẳng nhiệt cho các cấu kiện cột, dầm, sàn dùng để xác định nhiệt độ của vị trí bê tơng tương ứng khi chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn.
Hình thể hiện các đường đẳng nhiệt áp dụng cho sàn trong hình 2.4 (sàn có chiều dày h = 200m) dùng để xác định nhiệt độ của vị trí lớp bê tơng tương ứng với bậc khả năng chịu lửa R30 đến R240 (phút).
Hình 2.4 Các đường đẳng nhiệt áp dụng cho sàn ( chiều dày h = 200), khả năng chịu lửa R30 đến R240
Các hình 2.5 và 2.6 thể hiện các đường đẳng nhiệt áp dụng cho dầm (ứng với kính thước hình học được đề cập trong hình) dùng để xác định nhiệt độ của vị trí bê tơng tương ứng khi cấu kiện chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn.
Hình 2.5 Các đường đẳng nhiệt (ºC) áp dụng cho dầm, h x b = 150 x 80 – R30
R30 R60
Các Hình 2.7 và 2.8 thể hiện các đường đẳng nhiệt áp dụng cho cột (ứng với kính thước hình học được đề cập trong hình) dùng để xác định nhiệt độ của vị trí bê tơng tương ứng khi cấu kiện chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn.
Hình 2.7 Các đường đẳng nhiệt (ºC) áp dụng cho cột, nhiệt (ºC) áp dụng cho cột, h x b = 300 x 300 – R30 Hình 2.8 Các đường đẳng nhiệt (ºC) áp dụng cho cột, h x b = 300 x 300 – R60
Ngoài các giá trị theo các hình trên, các kích thước khác cũng đước đề cập chi tiết trong tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) phần phụ lục A.
2.2.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C
2.3. Phương pháp phân lớp theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)
2.3.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng
Dưới đây trình bày phương pháp phân nhỏ tiết diện thành một số lớp. Mặc dù phương pháp này tốn cơng hơn nhưng cho kết quả chính xác hơn phương pháp đường đẳng nhiệt 500ºC, đặc biệt là đối với cột. Phương pháp này có thể áp dụng cho mọi đám cháy phát triển hoàn toàn khác nhau nhưng tiêu chuẩn này chỉ trình bày các số liệu của đám cháy có quan hệ Nhiệt độ - Thời gian tiêu chuẩn.
2.3.2 Quy trình thiết kế
Tiết diện được chia thành một số lớp song song (n ≥ 3) có chiều dày bằng nhau (các phần hình chữ nhật), nhiệt độ trung bình cùng cường độ chịu nén trung bình tương ứng fcd(θ) và mơ đun đàn hồi (nếu cần) sẽ được tính tốn cho từng lớp.
Tiết diện bị hỏng do lửa được thay thế bởi một tiết diện giảm yếu, bỏ qua lớp bị hỏng có chiều dày az ở những mặt chịu tác động của lửa, xem Hình 2.10. Lúc này tiết diện được coi như một tường tương đương (xem Hình 2.10 a) và d)). Xác định cường độ chịu nén bị suy giảm tại điểm M, là điểm bất kỳ trên đường trục của tường tương đương và áp dụng giá trị cường độ xác định được cho toàn bộ tiết diện bị suy giảm. Khi hai mặt đối diện chịu tác động của lửa bề rộng giả thiết là bằng 2w (xem Hình 2.10 a)). Đối với tiết diện chữ nhật chỉ chịu tác động của lửa ở một mặt, giả thiết chiều rộng là w (xem Hình 2.10 c). Trường hợp này một tường dày được đại diện bởi tường có chiều dày bằng 2w (xem Hình 2.10 d)). Phần cánh của Hình 2.10 f) được tính theo bảng tương đương trong Hình 2.10 d), và phần sườn được tính theo tường tương đương trong Hình 2.10 a).
Đối với phần đáy và các đầu của cấu kiện chữ nhật chịu tác động của lửa, khi bề rộng nhỏ hơn chiều cao thì giá trị az được giả thiết là giống với các giá trị tính tốn cho các mặt bên, Hình 2.10 b), e) và f).
Sự suy giảm của tiết diện được dựa trên một lớp bị hỏng với chiều dày az ở bề