Mục đích của luận án Nghiên cứu xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống cháy và sự làm việc của cột thép chịu nén đúng tâm được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG BỘ XÂY DỰNG
VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
NGUYỄN ĐỨC VIỆT
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO VỆ KẾT CẤU THÉP
CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA BẰNG THỰC NGHIỆM
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG – BỘ XÂY DỰNG
Người hướng dẫn khoa học:
Phản biện 3: PGS.TS VŨ QUỐC ANH
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện theo Quyết định số …… ngày …….tháng…… năm…… của Giám đốc Viện Khoa học công nghệ xây dựng, họp tại Viện Khoa học công nghệ xây dựng vào hồi …… giờ …… ngày……… tháng…… năm………
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Viện Khoa học công nghệ xây dựng
- Thư viện Quốc gia
Trang 3PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Ở nước ta hiện nay, kết cấu thép chịu lực được sử dụng một cách phổ biến.Trong các công trình nhà có kết cấu thép chịu lực, khi xảy ra cháy, các kết cấu thép sẽ nhanh chóng bị biến dạng gây sập đổ công trình Kết cấu thép khi không được bảo vệ chống cháy, thời gian chịu lửa chỉ từ 15 phút đến 24 phút Do đó, giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa nhằm tăng giới hạn chịu lửa là vấn đề hết sức quan trọng trong xây dựng Khi nghiên cứu về giải pháp bọc thạch cao bảo vệ chống cháy đối với kết cấu thép, các vấn đề sau cần phải được làm sáng tỏ cả lý thuyết và thực nghiệm Đó là:
- Việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt của các tấm thạch cao do các nhà sản xuất cung cấp
để tính toán có phù hợp với điều kiện làm việc và có đảm bảo an toàn cho kết cấu được bảo vệ không
- Các tham số ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao bảo vệ chống cháy khi các tấm này bị ẩm, do độ ẩm của không khí và tác động gia nhiệt để làm thoát hết nước trong tấm
- Ảnh hưởng khi tác động đồng thời của lửa lên số mặt của cấu kiện được bảo vệ 1,
2, 3, hoặc 4 mặt
- Ảnh hưởng của chiều dày lớp không khí giữa tấm thạch cao và cánh của cột thép
- Ảnh hưởng của chiều dày tấm thạch cao đến khả năng thoát nước do ẩm trong tấm thạch cao, làm ảnh hưởng gián tiếp đến hệ số truyền nhiệt trong giai đoạn thoát nước
- Các yếu tố ảnh hưởng khác
Hiện nay, kết cấu thép chịu lực chính dùng phổ biến là kết cấu khung Trong kết cấu này, cột đóng vai trò quan trọng, do vậy nghiên cứu sinh chọn hướng nghiên cứu của
luận án là “Nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa bằng
thực nghiệm” Phạm vi của luận án tập trung nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc
của cột thép chịu nén đúng tâm được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp chịu tác động của lửa
1 Mục đích của luận án
Nghiên cứu xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống cháy và sự làm việc của cột thép chịu nén đúng tâm được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp chịu tác động của lửa
2 Đối tƣợng nghiên cứu
Cột thép chịu nén đúng tâm được bọc tấm thạch cao dạng hộp chịu tác động của lửa
3 Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa,
từ đó lựa chọn giải pháp bảo vệ phù hợp Xác định được những vấn đề cần làm sáng
tỏ cho giải pháp đó để phù hợp với thực tiễn tác động của một đám cháy và điều kiện khí hậu ẩm của Việt Nam
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống cháy trong điều kiện khí hậu ẩm của Việt Nam
- Cách xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao cho phù hợp với điều kiện thực tế,
đó là khi đám cháy xảy ra thì trong các tấm thạch cao vẫn có một lượng nước nhất
Trang 4định do tác động của không khí ẩm và quá trình thoát nước này có ảnh hưởng đến hệ
số dẫn nhiệt của tấm thạch cao
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình truyền nhiệt trong vật rắn, sau đó truyền qua môi trường không khí khi hệ số dẫn nhiệt trong vật rắn thay đổi Từ đó xây dựng
mô hình tính toán sự truyền nhiệt trong kết cấu được bọc tấm thạch cao chống cháy,
có kể đến ảnh hưởng của hiện tượng đối lưu và bức xạ khi truyền nhiệt qua lớp không khí
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ứng xử cơ học của kết cấu khi chịu tác động của tải trọng và tác động của lửa cho cấu kiện cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy Từ đó xây dựng quy trình thuật toán tính kết cấu cột có và không có lớp bọc bảo vệ bằng thạch cao chống cháy dạng hộp chịu tác động của đám cháy tiêu chuẩn
- Từ các mô hình đã lập, so sánh và phân tích ảnh hưởng của các tham số chính đến
sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép dưới tác động của lửa
- Thí nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng của một số tham số chính đến sự truyền nhiệt
và khả năng chịu lực của cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc
dạng hộp dưới tác dụng của lửa
4 Phương pháp nghiên cứu
- Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định giá trị của hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao biến thiên theo quá trình mất nước do tác động của đám cháy tiêu chuẩn gây ra
- Sử dụng hệ số dẫn nhiệt đã xác định được để nghiên cứu sự làm việc của cột thép chịu nén đúng tâm, được và không được bảo vệ bằng bọc tấm thạch cao chống cháy chịu tác động của lửa
- Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết, rút ra các kết quả nghiên cứu của luận án
5 Phạm vi nghiên cứu:
Cột thép chịu nén đúng tâm được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp chịu tác động của lửa
6 Những đóng góp mới của luận án
- Đưa ra được giải pháp bảo vệ cột thép chịu tác động của lửa phù hợp với điều kiện Việt nam
- Xây dựng được quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt có kể đến quá trình mất nước trong tấm thạch cao do tác động của đám cháy tiêu chuẩn phục vụ cho việc tính toán thời gian chịu lửa của kết cấu thép
- Đã xét được các tham số ảnh hưởng chính liên quan trực tiếp đến các thông số thiết
kế, đánh giá cho giải pháp bảo vệ kết cấu chịu tác động của lửa bằng bọc tấm thạch cao dạng hộp gồm: kích thước hình học của cột thép; chiều dày lớp thạch cao bảo vệ; hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao lấy theo thông số do nhà sản xuất cung cấp và theo thông số xác định từ thực nghiệm; tác dụng nhiệt theo 3 mặt và theo 4 mặt; khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột thép; ảnh hưởng của giải pháp bảo vệ; tải trọng nén đúng tâm đến sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực cho
mô hình cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng bọc tấm thạch cao chống cháy
Trang 5dạng hộp dưới tác dụng của lửa
- Đã thí nghiệm kiểm chứng, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết với thực nghiệm cho trường hợp cột chịu nén đúng tâm được bọc bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy và trường hợp không bọc bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy
2:Nghiên cứu các yếu tố gián tiếp ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao
trong quá trình xảy ra cháy Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số đến
sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép dưới tác động của lửa Chương 4:
Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của một số tham số chính đến sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp dưới tác dụng của lửa
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ KẾT CẤU THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÙ HỢP
VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Đã tiến hành tổng quan theo các nội dung 1) Các giải pháp bảo vệ cột thép khỏi tác dụng của lửa như Xây gạch ốp bên ngoài; Tạo lớp bê tông, cốt lưới thép bao xung quanh cấu kiện; Ốp bên ngoài bằng vật liệu không cháy có hệ số dẫn nhiệt thấp (tấm thạch cao chống cháy); Phun lớp vữa bảo vệ bên ngoài cấu kiện; Sơn chống cháy; 2)
Đã làm rõ các quy định và nghiên cứu trong và ngoài nước về bảo vệ cột thép chịu tác động của lửa trong nước và trên thế giới; 3) Đã đưa ra các nghiên cứu về ứng xử của cột thép được và không được bảo vệ trong điều kiện cháy trên thế giới và trong nước Từ tổng quan đã nhận xét rút ra: để nghiên cứu về giải pháp bảo vệ kết cấu thép bằng bọc tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp thì cần làm rõ các nội dung sau:
- Sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao theo mức độ mất nước dưới tác động của một đám cháy tiêu chuẩn
- Các yếu tố thực tiễn có ảnh hưởng đến mức độ tổn hao nước trong tấm thạch cao: gia nhiệt (cháy) 1 mặt hay ở cả 2 mặt của tấm thạch cao; chiều dầy tấm thạch cao; cường độ (tốc độ) gia nhiệt; số lượng tấm để tạo chiều dầy ốp
4) Đã nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa phù hợp với điều kiện Việt Nam dựa trên các điều kiện kinh tế - kỹ thuật; điều tra khảo sát tại một số thành phố lớn ở Việt nam
Từ các nghiên cứu tại chương 1, tác giả luận án đã rút ra một số kết luận như sau:
- Đối với kết cấu thép không được bảo vệ khi chịu tác động của nhiệt độ cao thì tính chất cơ học của thép giảm dần và nhiệt độ giới hạn của thép là trong khoảng từ 500°C đến 550°C Với nhiệt độ giới hạn này thì thời gian chịu tác dụng của lửa mà kết cấu không bị sụp đổ là tương đối thấp trong khoảng từ 15 đến 24 phút
- Các tiêu chuẩn trên thế giới có quy định về việc bảo vệ kết cấu thép để kết cấu đảm bảo được thời gian chịu lửa theo quy định đối với từng loại công trình cụ thể Trong
Trang 6QCVN 06:2010/BXD có quy định thời gian chịu lửa tối thiểu là 90 phút đối với các kết cấu chịu lực có bậc chịu lửa II, III thậm chí lên đến 150 phút đối với kết cấu có bậc chịu lửa I Vì vậy, cần phải có giải pháp bảo vệ kết cấu thép để phù hợp với các quy định về bậc chịu lửa của kết cấu thép chịu lực như là dầm thép và cột thép
- Hiện nay, có nhiều giải pháp bảo vệ kết cấu thép khỏi tác động của lửa như xây gạch ốp bên ngoài, tạo lớp bê tông, lớp xi măng có cốt là lưới thép bao xung quanh cấu kiện, ốp bên ngoài bằng vật liệu chống cháy như tấm thạch cao, phu lớp vữa bảo
vệ bên ngoài, sử dụng sơn chống cháy Luận án đã tiến hành khảo sát việc sử dụng các giải pháp bảo vệ tại một số thành phố và tiến hành so sánh về kinh tế giữa giải pháp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp và bằng sơn phủ Các kết quả so sánh
đã chỉ ra trong các giải pháp bảo vệ, việc sử dụng tấm thạch cao hiện là phổ biến hơn
cả và có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tốt hơn, đáp ứng điều kiện kinh tế và quy định kỹ thuật của Việt Nam
- Các nghiên cứu về ứng xử của cột thép được bảo vệ bởi tấm thạch cao bọc dạng hộp cũng đã được đề cập đến trong một số nghiên cứu trong nước và trên thế giới Tuy nhiên các công trình đã nghiên cứu này chưa đề cập đến ảnh hưởng của độ ẩm thực tế có trong các tấm thạch cao đến khả năng cách nhiệt của nó khi có đám cháy xảy ra Việc tính toán khả năng bảo vệ của tấm thạch cao chống cháy vẫn dựa trên cơ
sở hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao là hằng số ứng với tấm thạch cao đã mất nước hoàn toàn, do hãng sản xuất cung cấp, trong khi tại thời điểm bị cháy, trong các tấm thạch cao vẫn có một lượng nước do tác động của không khí ẩm Tác động của nhiệt trong quá trình cháy sẽ làm cho lượng nước này mất dần, làm cho hệ số dẫn nhiệt thay đổi Vì vậy việc tính toán thời gian cách nhiệt an toàn cho kết cấu được bảo vệ khi sử dụng giá trị của hệ số dẫn nhiệt thay đổi do kể đến ảnh hưởng của quá trình mất nước sẽ cho kết quả sát với thực tiễn, đảm bảo an toàn cho kết cấu
- Định hướng nội dung nghiên cứu chính của luận án ở các chương tiếp theo là: + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ mất nước trong tấm thạch cao, qua
đó tìm mối liên hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng này đến sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt trong điều kiện chịu tác động của quy luật đám cháy tiêu chuẩn
+ Nghiên cứu xây dựng quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao theo mức độ mất nước trong tấm dưới tác động của đám cháy tiêu chuẩn
+ Nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình để kiểm chứng tổng hợp các kết quả đã nghiên cứu trên
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ GIÁN TIẾP ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA TẤM THẠCH CAO TRONG QUÁ TRÌNH
XẢY RA CHÁY
Nội dung chương 2 trình bày phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt phục vụ công tác thiết kế bảo vệ kết cấu khi bị cháy và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của các tham số đến khả năng mất nước trong tấm thạch cao, gồm: (1) Trạng thái gia nhiệt; (2) Chiều dày tấm thạch cao chống cháy; (3) Tốc độ gia nhiệt Do tác động của không khí ẩm, các tấm thạch cao thường không ở trạng thái mất nước hoàn toàn mà có một lượng nước nhất định Lượng nước này trong tấm thạch cao sẽ giảm dần đến trạng thái mất nước hoàn toàn do tác động của đám cháy Cùng với quá trình
Trang 7mất nước này, hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao cũng sẽ biến thiên giảm dần theo thời gian bị tác động do cháy
a Phương pháp thí nghiệm do nhà sản xuất thực hiện
Trong các công trình nghiên cứu trước đây, việc xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt được thực hiện trong điều kiện gia nhiệt ổn định và tác động nhiệt cả hai mặt, không tính đến ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt, tốc độ khô của tấm thạch cao và
độ mở vết nứt khi tấm chịu tác động của nhiệt độ Giá trị độ dẫn nhiệt của tấm thạch cao được lấy bằng hằng số, ứng với trạng thái tấm thạch cao bị mất nước hoàn toàn Căn cứ vào phương pháp để xác định hệ số dẫn nhiệt nêu trên cho thấy có một số yếu tố chưa phù hợp với điều kiện làm việc của tấm thạch cao khi bị tác động của lửa
do đám cháy gây ra, cụ thể:
- Khi đám cháy xảy ra, do tác động của không khí ẩm trong môi trường tấm thạch cao làm việc nên tồn tại một lượng nước nhất định trong tấm Lượng nước này sẽ làm cho hệ số dẫn nhiệt ở trạng thái ban đầu lớn hơn hệ số dẫn nhiệt mà nhà sản xuất
đã cung cấp theo phương pháp xác định như trên
- Việc thoát hết lượng nước còn tồn tại trong tấm thạch cao phụ thuộc vào nhiều yếu
tố như: (1) trạng thái gia nhiệt (tác động gia nhiệt của đám cháy chỉ tác động lên một mặt của tấm thạch cao); (2) chiều dầy của tấm thạch cao; (3) cường độ gia nhiệt Như vậy, trong thời gian bảo vệ kết cấu khi chịu tác động của đám cháy, hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao sẽ thay đổi theo hướng giảm dần cùng quá trình mất nước có trong tấm Khi lượng nước trong tấm mất hết thì hệ số dẫn nhiệt mới ổn định và có giá trị bằng hằng số
b Phương pháp thí nghiệm đề xuất trong luận án
Để xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện bị cháy, trong luận án đã tiến hành xác định hệ số dẫn nhiệt bằng cách gia nhiệt theo một mặt bằng lò điện Nhiệt độ được gia nhiệt tại mặt nóng (trong lò) theo đường cong gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834
Mẫu thí nghiệm được đặt phía trước lò điện và mặt trong của tấm tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt (mặt nóng) Nguồn nhiệt này có khả năng điều chỉnh để duy trì ổn định ở một nhiệt độ đốt nóng bất kỳ Vị trí tiếp xúc giữa mẫu thử và lò được chèn vật liệu cách nhiệt kín, đảm bảo không để nhiệt lượng trong lò thoát ra ngoài Sự truyền nhiệt trong tấm được giả thiết là đơn hướng, ổn định qua mặt cắt ngang của tấm và tấm được coi như là vật liệu đồng nhất đẳng hướng Nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của tấm với nguồn nhiệt (mặt nóng), và phía ngoài tấm (mặt lạnh) được đo bằng các đầu
đo nhiệt Nhiệt độ ở phía ngoài tấm được theo dõi đến khi ổn định và từ đó xác định các giá trị cần thiết và tính toán hệ số dẫn nhiệt tương ứng Lò điện được đặt trong phòng có điều hòa giữ ổn định nhiệt bên ngoài lò
Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo công thức dưới đây:
Trang 8U : hiệu điện thế cung cấp cho lò, V
A : diện tích tiếp xúc của mẫu với lò, m2
: chiều dày mẫu thí nghiệm, m
T1: nhiệt độ mặt tiếp xúc với nhiệt, °C
T2: nhiệt độ mặt tiếp xúc với môi trường, °C
Trong công thức nêu trên, nhiệt truyền từ mặt nóng sang mặt lạnh được giả thiết là phân bố tuyến tính theo chiều dày của tấm
2.2 Ảnh hưởng của một số tham số đến khả năng mất nước, làm hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao thay đổi trong quá trình cháy
2.2.1 Trạng thái gia nhiệt để xác định hệ số dẫn nhiệt
a Trường hợp tấm thạch cao bị nung nóng cả hai mặt
- Trong khoảng nhiệt độ từ 30°C đến 200°C: Khi nung nóng toàn bộ các mặt của tấm thạch cao đã rắn cứng trên 70°C bắt đầu xảy ra sự tách nước và phá huỷ cấu tạo mạng tinh thể Ở nhiệt độ xấp xỉ 200°C, nước hoá học trong thạch cao bị tách hoàn toàn Ở nhiệt độ 200°C, tổn hao trọng lượng của các mẫu thử là lớn nhất (đạt khoảng 21%) do thạch cao đã bị mất nước hoàn toàn
- Trong khoảng nhiệt độ từ 400 - 700°C: Do ở giai đoạn trước, tấm thạch cao đã bị mất nước hoàn toàn nên trong khoảng nhiệt độ này khối lượng của mẫu thử không thay đổi
- Từ 900°C: Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nung lên đến gần 900°C, thì sẽ xảy ra phản ứng hóa học:
b Trường hợp tấm thạch cao bị nung nóng một mặt
Trong thực tế, do tác động của độ ẩm trong không khí, trong tấm thạch cao luôn có một độ ẩm nhất định Khi xảy ra sự cố cháy, lửa chỉ tác động gia nhiệt trực tiếp lên một mặt của tấm thạch cao bảo vệ kết cấu Tác động này là nguyên nhân làm giảm lượng nước ẩm cho đến khi tấm thạch cao mất nước hoàn toàn
Dưới đây trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái gia nhiệt theo quy luật của đám cháy tiêu chuẩn lên một mặt của tấm thạch cao
- Tấm thạch cao GYPROC chống cháy:
- Tấm thạch cao BORAL FIREBLOC chống cháy:
Các mẫu thí nghiệm có kích thước 300x300 mm2
Mẫu thí nghiệm được gia nhiệt ở mặt nóng tại các cấp nhiệt độ: 50, 100, 120, 200,
400, 600, 800, 1000 °C Các giá trị nhiệt độ này được chọn dựa trên sự thay đổi ứng
xử của tấm thạch cao như đã phân tích trong mục 1 Ở mỗi cấp nhiệt độ, tiến hành thí nghiệm 3 mẫu Quy trình thí nghiệm và vị trí đo nhiệt độ được bố trí như sau:
- Phía trong lò: 1 điểm đo (điểm 1)
Trang 9- Trên bề mặt ngoài của tấm : 1 điểm đo (điểm 3)
- Ở giữa tấm : 1 điểm đo (điểm 2)
Trình tự thí nghiệm ở mỗi cấp nhiệt độ như sau:
- Cân mẫu trước khi thí nghiệm (ghi lại giá trị khối lượng m1);
- Gá mẫu vào trước lò;
- Lắp đặt các đầu đo;
- Nâng nhiệt độ trong lò lên cấp nhiệt độ thí nghiệm (ghi lại thời gian);
- Khi nhiệt độ lò đạt cấp nhiệt độ thí nghiệm, theo dõi đến khi nhiệt độ tại mặt lạnh đạt ổn định; và các giá trị nhiệt độ đo tại 3 điểm 1, 2, 3 có quan hệ tuyến tính
- Sau khi nhiệt độ đã ổn định, tiến hành ghi lại giá trị nhiệt độ, cường độ dòng điện, hiệu điện thế;
- Sau khi kết thúc thí nghiệm, tiến hành cân lại mẫu (ghi lại giá trị khối lượng m2)
Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy:
- (1) Từ cấp gia nhiệt ứng với nhiệt độ 200°C trở lên, giá trị hệ số dẫn nhiệt của cả 2 loại tấm hầu như không thay đổi và được xem như là hằng số;
- (2) Với 2 loại tấm thạch cao được nghiên cứu, thời gian cần thiết để nhiệt độ ở phía mặt lạnh của mẫu thí nghiệm ổn định nhiệt độ và giá trị nhiệt độ đo được tại 3 điểm
1, 2, 3 có giá trị tuyến tính cho mỗi cấp gia nhiệt là trong khoảng từ 15 đến 20 phút Trạng thái ổn định này tương ứng với trạng thái nước hoá học trong thạch cao bị tách hoàn toàn
- (3) Quy luật ảnh hưởng của độ hao tổn nước đến hệ số dẫn nhiệt đối với hai tấm thạch cao có chiều dày khác nhau là tương tự nhau;
- (4) ở cùng một cấp gia nhiệt, giá trị độ hao tổn nước của tấm mỏng và tấm dày là không giống nhau (ví dụ, tấm GYPROC 12,7 mm có tổng lượng nước thoát hết là khoảng 20% khi nhiệt độ mặt nóng là 1000°C trong khi với tấm GYPROC 15,8 mm lại có tổng lượng nước thoát hết là 15% khi nhiệt độ mặt nóng là 1000°C) và giá trị của hệ số dẫn nhiệt của tấm mỏng là nhỏ hơn tấm dày Điều này có thể được giải thích là tấm có thạch cao mỏng hơn sẽ thoát nước nhiều hơn và do đó có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn
số dẫn nhiệt của tấm thạch cao thay đổi trong quá trình cháy
Dưới một tác động gia nhiệt như nhau thì độ dầy của tấm có ảnh hưởng đến tốc độ thoát nước ẩm trong tấm và do đó gián tiếp ảnh hưởng đến tốc độ giảm của hệ số dẫn nhiệt đến giá trị hằng số của nó (ở trạng thái tấm thạch cao mất nước hoàn toàn) Tác giả luận án đã tiến hành thí nghiệm xác định giá trị hệ số dẫn nhiệt với Tấm GYPROC và tấm BORAL Giá trị hệ số dẫn nhiệt tính toán từ các giá trị đo thực nghiệm cho theo bảng dưới đây:
Nhiệt độ (°C) Hệ số dẫn nhiệt
(W/m°C) Nhiệt độ (°C)
Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C)
Trang 10Wakili (07)
Rahmanian (11)
Benichou (05)
Tấm GYPROC 12.7 mm Tấm GYPROC 15.8 mm
Hình 2.1 So sánh hệ số dẫn nhiệt của 2 loại tấm thạch cao GYPROC đã thí nghiệm
với các kết quả nghiên cứu của nước ngoài
Trang 11Wakili (07)
Rahmanian (11) Benichou (05)
Tấm BORAL 12.5 mm Tấm BORAL
15 mm
Hình 2.2 So sánh hệ số dẫn nhiệt của 2 loại tấm thạch cao BORAL FIREBLOC đã
thí nghiệm với các kết quả nghiên cứu của nước ngoài
Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy:
- Hệ số dẫn nhiệt của cả 2 loại tấm từ 600°C không bị tăng lên như trong 1 số tài liệu tham khảo Điều này có thể giải thích là do chất lượng của 2 tấm là tốt và có thể sử dụng được để bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện cháy với nhiệt độ rất cao có thể lên đến trên 1000°C
- Đường biểu diễn hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ của 2 loại tấm thí là tương tự nhau
- Hệ số dẫn nhiệt của các tấm mỏng (tấm GYPROC 12,7 mm, tấm BORAL FIREBLOC 12,5 mm) nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của tấm dày hơn (tấm GYPROC 15,8
mm, tấm BORAL FIREBLOC 15 mm) Điều này có thể được giải thích là do kích thước của tấm mỏng bé hơn nên có cấu trúc đồng đều hơn và dẫn đến có chất lượng tốt hơn là tấm dày Ngoài ra tấm mỏng có khả năng thoát nước tốt hơn nên có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn
Như vậy, với một độ dày nhất định thì sử dụng nhiều tấm mỏng để bảo vệ kết cấu dưới tác dụng của lửa sẽ hiệu quả hơn là dùng một tấm có độ dày tương đương
- Với các kết quả trên, thấy rằng cần phải xác định hệ số dẫn nhiệt cho từng loại tấm
cụ thể Trong trường hợp thiên về an toàn, có thể tiến hành thí nghiệm cho tấm dày nhất để có thể có được hệ số dẫn nhiệt lớn nhất và kết quả tính toán truyền nhiệt cho kết quả bất lợi nhất
Ứng với mỗi một dạng đám cháy, tốc độ gia nhiệt thường tuân theo một quy luật nhất định Để xét ảnh hưởng của tham số này, các thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ lò được tăng liên tục theo 3 đường cong gia nhiệt, với tốc độ lần lượt là 20°C/phút, 10°C/phút và 5°C/phút Ở mỗi một tốc độ gia nhiệt, tiến hành thí nghiệm cho 3 mẫu thí nghiệm Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy:
- (1) Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên hệ số dẫn nhiệt đối với tấm mỏng, là nhỏ hơn tấm dày;
Trang 12- (2) Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến hệ số dẫn nhiệt của hai tấm thí nghiệm có chiều dày khác nhau chủ yếu là nằm trong khoảng mức gia nhiệt từ 30-200°C, và trong khoảng nhiệt độ này tốc độ gia nhiệt cao (20°C/phút) có ảnh hưởng lớn hơn đến hệ số dẫn nhiệt so với các tốc độ gia nhiệt thấp hơn
- (3) Với 2 loại tấm thí nghiệm, tốc độ gia nhiệt lớn nhất (20°C/phút) sẽ cho hệ số
- Việc xác định hệ số dẫn nhiệt của các tấm thạch cao bảo vệ kết cấu trong điều kiện
bị cháy phải được thực hiện trong trạng thái gia nhiệt chỉ ở một mặt của tấm và quy luật gia nhiệt cần phù hợp với quy luật của đám cháy tiêu chuẩn Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của độ ẩm trong tấm thạch cao;
- So sánh hệ số dẫn nhiệt đã xác định bằng phương pháp thí nghiệm kiến nghị trong luận án và hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao do nhà sản xuất cung cấp cho thấy hệ số dẫn nhiệt mà nhà sản xuất cung cấp của cả hai loại GYPROC và BORAL cho thấy việc tính toán có sử dụng hệ số dẫn nhiệt xác định bằng phương pháp thực nghiệm
đã kiến nghị cho kết quả phù hợp và đảm bảo an toàn với điều kiện thực tiễn hơn
- Với các kết quả thí nghiệm, thấy rằng cần phải xác định hệ số dẫn nhiệt cho từng loại tấm cụ thể do hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiều tham số như: chiều dày tấm, tốc độ gia nhiệt Luận án đã phân tích và chỉ ra ảnh hưởng của các tham số này đến
hệ số dẫn nhiệt Trong trường hợp thiên về an toàn, có thể tiến hành thí nghiệm cho tấm dày nhất và với tốc độ gia nhiệt bất lợi nhất là 200C/phút Khi đó hệ số dẫn nhiệt thu được là lớn nhất và dẫn đến kết quả tính toán truyền nhiệt sẽ thiên về an toàn
Từ các kết luận trên, luận án đề xuất quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống cháy theo điều kiện cháy một mặt theo các bước dưới đây
Quy trình thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của
tấm thạch cao chống cháy
a Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm
- Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm theo kích thước phù hợp với diện tích mặt lò đốt Mẫu được giữ trong thời gian tối thiểu 24h trước khi thí nghiệm ở điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn về độ ẩm và nhiệt độ ứng với môi trường kết cấu được bảo vệ Trong trường hợp không có số liệu cụ thể thì lấy độ ẩm và nhiệt độ tương ứng để thí nghiệm theo Bảng 2.2 hoặc phụ lục 4 của luận án
- Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm
b Bước 2: Lắp đặt mẫu và thiết bị đo
- Đặt mẫu thí nghiệm phía trước lò điện và mặt trong của mẫu tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt (mặt nóng)
- Sử dụng đầu đo nhiệt độ nhiệt độ xác định nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của tấm với nguồn nhiệt (mặt nóng), và phía ngoài tấm (mặt lạnh) và nhiệt độ ở vị trí ½ tấm
Trang 13- Kiểm tra độ kín khít giữa lò và mẫu, tránh hiện tượng thất thoát lượng nhiệt ra ngoài
- Vị trí bố trí các đầu đo như sau:
+ Phía trong lò: 1 điểm đo (điểm 1 );
+ Trên bề mặt ngoài của tấm : 1 điểm đo (điểm 3);
+ Ở giữa tấm : 1 điểm đo (điểm 2);
c Bước 3: Lắp đặt mẫu và thiết bị đo
- Tiến hành gia tăng nhiệt độ trong lò đốt theo đường cong gia nhiệt của tiêu chuẩn ISO 834, tốc độ gia nhiệt là 20oC/phút
- Lấy số liệu đo nhiệt độ ở mẫu thạch cao thí nghiệm tại các thời điểm nhiệt độ trong
e Bước 5: Lập biểu đồ quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt độ
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ TRUYỀN NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT THÉP DƯỚI TÁC
ĐỘNG CỦA LỬA
Nội dung chương 3 trình bày nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số đến sự truyền nhiệt của mô hình cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp (bài toán nhiệt) và xác định khả năng chịu lực của cột thép chịu nén đúng tâm có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp (bài toán cơ-nhiệt) dưới tác dụng của lửa theo các nội dung như sau:
- Các lý thuyết tính toán liên quan đến quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép trong điều kiện cháy;
- Lập mô hình số mô phỏng quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép khi chịu tác dụng đồng thời của tải trọng nén đúng tâm và tải trọng nhiệt;
- Phân tích, làm rõ ảnh hưởng của các thông số vật liệu, kích thước hình học, tải trọng, chế độ gia nhiệt đến sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép trong trường hợp
có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp;
- Tính toán, so sánh cho các trường hợp sử dụng hệ số dẫn nhiệt do nhà sản xuất cung cấp
và hệ số dẫn nhiệt xác định thực nghiệm
Tác giả luận án đã đưa ra cơ sở lý thuyết liên quan đến quá trình truyền nhiệt như hiện tượng truyền dẫn nhiệt trong vật rắn, hiện tượng truyền dẫn nhiệt trong không khí; cơ sở
lý thuyết bài toán cơ học; mô hình hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Trong chương 3, tác giả luận án đã sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, đây là một trong nhiều chương trình phần mềm thương mại, sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn - PTHH (FEM) để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải Luận án đã đưa ra mô hình truyền dẫn nhiệt và mô hình cơ-nhiệt để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép được bảo vệ
