Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Học viên: Nguyễn Anh Nhật Chuyên ngành: Xây dựng DD&CN Mã số: 60580208 Khóa:K32 Trường Đại học Bách kh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Nguyễn Anh Nhật

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TS Phạm Văn Hội đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ khoa Sau đại học, khoa Xây dựng trường đại học Bách khoa Đà Nẵng cùng các bạn cùng lớp đã giúp đỡ, chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, không thể tránh khỏi hạn chế

và thiếu sót Do vậy, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy

cô và các bạn học viên để luận văn có thể hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cám ơn!

Học viên

Nguyễn Anh Nhật

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG

THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG

Học viên: Nguyễn Anh Nhật Chuyên ngành: Xây dựng DD&CN

Mã số: 60580208 Khóa:K32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Ở nước ta hiện nay, với quá trình đô thị hóa nhanh và tốc độ xây dựng nhà cao

tầng đang bùng nổ mạnh mẽ tại các khu đô thị lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đòi hỏi một loại kết cấu mới có thể khắc phục được các nhược điểm của bê tông cốt thép thông thường như kích thước lớn, nặng nề, giảm không gian sử dụng Với các ưu điểm như giảm được trọng lượng bản thân kết cấu, thời gian thi công nhanh, tính thẩm mỹ cao, kết cấu liên hợp thép-bê tông ngày càng được dùng phổ biến trong các công trình xây dựng ở Việt Nam Nghiên cứu đặc điểm làm việc của kết cấu liên hợp thép-bê tông khi chịu ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ giúp chúng ta hiểu rõ hơn ứng xử của kết cấu dưới tác động của lửa, đánh giá được ổn định tổng thể của kết cấu Luận văn trình bày các đặc tính cơ lý của vật liệu thép và bê tông ở nhiệt độ cao Nghiên cứu hiện tượng mất ổn định tổng thể của dầm liên hợp khi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Trình bày các phương pháp tính toán ổn định tổng thể của dầm liên hợp khi chịu nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn EC4 Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa – dầm liên hợp; ổn định tổng thể; ảnh hưởng của nhiệt độ; tiêu chuẩn EC4;

phương pháp tính ổn định tổng thể

THE EFFECT OF TEMPERATURE RISE ON THE OVERALL STABILITY OF

COMPOSITE STEEL AND CONCRETE BEAMS Abstract - Nowadays in our country, with rapid urbanization and the speed of building high-

rise buildings in large urban areas such as Hanoi and Ho Chi Minh City, a new type of structure

is required Overcoming the disadvantages of conventional reinforced concrete such as large size, heavy, reduce the space used With advantages such as reducing the weight of the structure itself, fast construction time, high aesthetics, steel-concrete composite structure is increasingly popular in construction works in Vietnam Study on the working characteristics of the steel- concrete composite structure under the influence of temperature increase helps us better understand the behavior of the structure under the effect of fire, evaluate the overall stability of the result structure The thesis presents the mechanical properties of steel and concrete at high temperatures Study the overall instability of the composite beams when subjected to temperature Describe the overall stabilization methods of composite beams when subjected to high temperatures with EC4 standard The author has summarized the results achieved and set out the direction for further development

Key words - Composite beams; Fire design; Eurocode 4; Structural Fire Design; overall

stability

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Bố cục của luận văn 2

CHƯƠNG 1 - ẢNH HƯỞNG CỦA HỎA HOẠN ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 3

1.1 THIỆT HẠI CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DO HỎA HOẠN GÂY RA 3

1.1.1 Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới 3

1.1.2 Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra ở Việt Nam 3

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA THÉP VÀ BÊ TÔNG 5

1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của thép 5

1.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của bê tông 17

1.3 CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG CHÁY CHO CÔNG TRÌNH 20

1.3.1 Các biện pháp báo cháy, chữa cháy cho công trình 20

1.3.2 Các biện pháp tăng khả năng chịu lửa cho kết cấu 22

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 4 24

2.1 HIỆN TƯỢNG MẤT ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG 24

2.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN CHỊU LỬA CẦN THIẾT ĐỐI VỚI KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG 25

2.2.1 Tải trọng tác dụng 25

2.2.2 Các nguyên tắc tính toán cơ bản 26 2.3 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO 28 2.3.1 Phương pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông ở nhiệt

độ cao ( trường hợp không bọc bê tông ) 28 2.3.2 Sức bền của tiết diện đối với mô men uốn của dầm liên hợp được bọc bê tông một phần 30 2.3.3 Kiểm tra đơn giản sự oằn 38

CHƯƠNG 3 - VÍ DỤ TÍNH TOÁN DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN CHỊU NHIỆT ĐỘ CAO 43

3.1 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 43 3.1.1 Kiểm tra bền và ổn định tổng thể của dầm liên hợp không bọc bê tông ở nhiệt độ thường 200C 44 3.1.2 Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm liên hợp bọc bê tông 1 phần ở nhiệt độ thường 200

C 48 3.1.3 Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm liên hợp không bọc bê tông ở nhiệt độ cao 49 3.1.4 Kiểm tra bền và ổn định tổng thể của dầm liên hợp bọc bê tông 1 phần ở nhiệt độ cao 53 3.2 SO SÁNH ĐỘ BỀN VÀ ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP KHÔNG BỌC BÊ TÔNG VÀ BỌC BÊ TÔNG MỘT PHẦN Ở CÁC CẤP NHIỆT

ĐỘ KHÁC NHAU 56

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DANH MỤC KÝ HIỆU

EC4 Tiêu chuẩn eurocode 4

ρ Khối lượng riêng

ɛsk Biến dạng tương đối

Ecm Giá trị trung bình của mô đun đàn hồi tiếp tuyến của bê tông

Rsn Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn

Rs,ser Cường độ chịu kéo tính toán theo trạng thái giới hạn thứ 2

Msd Momen uốn của tiết diện

fy,fay,20Oc Cường độ của thép kết cấu trong điều kiện nhiệt độ thường

fsk,fr,20Oc Cường độ của thép thanh trong điều kiện nhiệt độ thường

fck,fc,20Oc Cường độ của bê tông trong điều kiện nhiệt độ thường

γc Hệ số điều kiện làm việc của bê tông ở điều kiện nhiệt độ thường

γa Hệ số điều kiện làm việc của thép kết cấu ở điều kiện nhiệt độ thường

γsk, γr Hệ số điều kiện làm việc của thép thanh ở điều kiện nhiệt độ thường

γM,fi,c Hệ số điều kiện làm việc của bê tông trong điều kiện chịu lửa

γM,fi,r Hệ số điều kiện làm việc của thép trong điều kiện chịu lửa

γM,fi,a Hệ số điều kiện làm việc của thép kết cấu trong điều kiện chịu lửa

fu Sức bền kéo đứt của thép làm chốt

crit Nhiệt độ tới hạn của kết cấu

Mfi,Sd Mô men được gây ra bởi tải trọng trong điều kiện chịu lửa

Mfi,Rd Mô men bền dẻo của kết cấu trong điều kiện chịu lửa

Mcr Mô men oằn tới hạn tại gối

Mb,Rd Mô men bền khi oằn

h Chiều cao tiết diện dầm thép

hc Chiều dày bản bê tông

hc,fi Chiều dày bản bê tông bị giảm yếu khi chịu lửa

hc,h Chiều dày hiệu dụng bản bê tông đã bị giảm yếu khi chịu lửa

b Chiều rộng bản cánh

bfi Chiều rộng bản cánh bị giảm yếu khi chịu lửa

ef Chiều dày bản cánh

ew Chiều dày bản bụng

hh Chiều cao bản bụng phía trên

hl Chiều cao bản bụng phía dưới

ui Khoảng cách từ trọng tâm lớp cốt thép thứ i của dầm thép đến mép bê

tông dầm

beff Chiều rộng hiệu dụng của bản bê tông

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

1.1 Giá trị các hệ số suy giảm mô đun đàn hồi, giới hạn chảy và

giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ  9

1.2 Hệ số suy giảm khả năng chịu nén và biến dạng cực hạn của bê

2.2 Giá trị hc,fi tươngứng với các cấp bền chịu lửa 312.3 Giá trị bfi tương ứng với các cấp bền chịu lửa 322.4 Giá trị a1, a2, hl,min tương ứng với các cấp bền chịu lửa 322.5 Giá trị hl tương ứng với các cấp bền chịu lửa 332.6 Giá trị ka,min , ka,max tương ứng với các cấp bền chịu lửa 332.7 Các giá trị a3, a4, a4, a5, kr,min, kr,max 342.8 Giá trị ks tương ứng với các cấp bền chịu lửa 352.9 Giá trị bc,fi, bc,fi,min , hfi , hfi,min tương ứng với các cấp bền chịu lửa 35

2.11 Chiều cao lớn nhất của dầm thép để tranh bị oằn tại vung

3.1 Kết quả tính toán ứng với các cấp chịu lửa trường hợp dầm

3.2 Kết quả tính toán ứng với các cấp chịu lửa trường hợp dầm

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Số hiệu

1.2 Hỏa hoạn tại Trung tâm Thương mại Quốc tế (ITC) 4 1.3 Hỏa hoạn tại công trường xây dựng tổ hợp Keangnam 5

1.4 Mô hình tính toán cho các mối quan hệ ứng suất – biến dạng của

1.5 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép trong

1.7 Đường cong ứng suất – biến dạng của mẫu thí nghiệm ở các

nhiệt độ tương ứng là 5000C, 6000C, 7000C 9

1.8 Sự biến thiên các thông số đặc trưng cho sự làm việc của vật

1.9 Sự biến thiên hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt

1.10 Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ 12 1.11 Sự biến thiên nhiệt dung riêng của vật liệu thép theo nhiệt độ 13 1.12 Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ 13

1.13 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bê tông trong

1.14 Sự kéo dài nhiệt của bê tông khối lượng bình thường(NC) và bê

2.3 Sơ đồ tính kết cấu liên hợp khi chịu nhiệt độ cao 27

Số hiệu

2.6 Tiết diện và cường độ tính toán chịu momen dương trong điều

kiện chịu lửa của dầm liên hợp bọc bê tông một phần 31

2.7 Tiết diện và cường độ tính toán chịu mo men âm trong điều kiện

chịu lửa của dầm liên hợp bọc bê tông một phần 34

2.9 Khung U võng ABCD ngăn cản độ oằn do xoắn ngang 38

3.6 Nhịp tương đương để xác định chiều rộng tham gia làm việc của

3.7 Tiết diện dầm liên hợp bọc bê tông 1 phần 48

3.8 Biểu đồ biểu thị hệ số suy giảm cường độ và mô đun đàn hồi

của thép và bê tông ở các nhiệt độ khác nhau 52 3.9 Đồ thị độ mảnh quy đổi tương ứng với các cấp chịu lửa 53 3.10 Kích thước hữu hiệu của dầm bọc bê tông chịu nhiệt độ 54 3.11 Đồ thị độ mảnh quy đổi tương ứng với các cấp chịu lửa 56

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ở các nước có ngành xây dựng phát triển mạnh và trình độ khoa học tiên tiến như Mỹ, Đức, Nhật, Hàn, Trung Quốc… kết cấu liên hợp thép-bê tông (Steel ReinforcedConcrete- SRC) đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình lớn Ở nước ta hiện nay, với quá trình đô thị hóa nhanh và tốc độ xây dựng nhà cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ tại các khu đô thị lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đòi hỏi một loại kết cấu mới có thể khắc phục được các nhược điểm của bê tông cốt thép thông thường như kích thước lớn, nặng nề, giảm không gian sử dụng Với các ưu điểm như giảm được trọng lượng bản thân kết cấu, thời gian thi công nhanh, tính thẩm mỹ cao, kết cấu liên hợp thép-bê tông ngày càng được dùng phổ biến trong các công trình xây dựng ở Việt Nam

Tuy nhiên, với công tác phòng cháy chữa cháy ở các công trình nước ta còn xem nhẹ và thiếu sự quan tâm, thiếu kiến thức từ người sử dụng thì hỏa hoạn luôn là vấn đề lớn đến kết cấu công trình Ảnh hưởng của nhiệt độ lên kết cấu liên hợp thép-bê tông

có thể xảy ra ở các mức độ khác nhau Ở mức độ nhẹ thì có thể ám khói gây mất thẩm

mỹ, mức độ lớn hơn có thể gây ra hư hỏng cục bộ vật liệu bề mặt, còn nặng thì sụp đổ toàn bộ kết cấu

Nghiên cứu đặc điểm làm việc của kết cấu liên hợp thép-bê tông khi chịu ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ giúp chúng ta hiểu rõ hơn ứng xử của kết cấu dưới tác động của lửa, đánh giá được ổn định tổng thể của kết cấu Qua đó có thể đưa ra các giải pháp kết cấu giúp công trình có thể chịu được sự tăng nhiệt độ, đảm bảo ổn định

về kết cấu và tính thẩm mỹ

Chính vì thế, đề tài “Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của

dầm liên hợp thép-bê tông” là đề tài cần nghiên cứu để có thể giúp kết cấu liên hợp

thép-bê tông có thể áp dụng rộng rãi và phổ biến ở các công trình xây dựng nước ta

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ lý của thép và bê tông

- Phương pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu EC4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Dầm liên hợp thép bê tông

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định

tổng thể của dầm liên hợp thép-bê tông

4 Nội dung nghiên cứu

- Ảnh hưởng của hỏa hoạn đến các công trình xây dựng

- Các biện pháp phòng chống cháy

- Phương pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu EC4

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về kết cấu liên hợp thép-bê tông trên các tài liệu liên quan về xây dựng Tìm hiểu tiêu chuẩn Châu Âu EC4

- Phương pháp xử lý thông tin: Phân tích, tổng hợp, đánh giá

6 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm phần: Mở đầu, 03 Chương và phần Kết luận, kiến nghị

CHƯƠNG 1 - ẢNH HƯỞNG CỦA HỎA HOẠN ĐẾN CÁC CÔNG

TRÌNH XÂY DỰNG

1.1 THIỆT HẠI CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DO HỎA HOẠN GÂY

RA

1.1.1 Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới

Lịch sử nhân loại đã phải chịu không biết bao đau thương thiệt hại do cháy nổ gây ra Gần đây nhất là vụ hỏa hoạn chung cư Grenfell 27 tầng, quận White City, London Đây là tòa nhà dân cư được xây dựng vào thập niên 1970 Lửa lớn đã bùng cháy dữ dội suốt nhiều giờ và gần như thiêu rụi toàn bộ công trình Vụ hỏa hoạn khiến

ít nhất 17 người thiệt mạng, 74 người bị thương Các nguyên nhân được các chuyên gia đưa ra :

+ Vật liệu phủ nguy hiểm: Trong trường hợp tòa tháp Grenfell, một khoảng hở giữa các bức vách đã đóng vai trò thông gió thổi bùng ngọn lửa, giúp nó lan lên các tầng cao hơn

+ Không có hệ thống chữa cháy: Nếu tòa nhà Grenfell được lắp hệ thống phun

nước chữa cháy, nhiều sinh mạng có thể đã được cứu

+ Chỉ có một cầu thang duy nhất: Điều này làm cho lối thoát hiểm ngặt cứng người gây tình trạng ngạt và gây khó khăn khi thoát ra khỏi đám cháy

n 1.1 Hỏa hoạn c ung cư Grenfell, London (Nguồn vnexpress)

1.1.2 Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra ở Việt Nam

Gần đây, hàng loạt chung cư cao tầng được xây dựng trên cả nước Nhưng, trong

số đó có không ít công trình đã được bàn giao, sử dụng dù chưa được thẩm duyệt, nghiệm thu về an toàn phòng cháy, chữa cháy Vi phạm này tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn cháy nổ Thời gian qua, việc hỏa hoạn thường xảy ra ở các chung cư cao tầng đã

gây ra những hậu quả nghiêm trọng Những vụ cháy lớn ở các công trình cao tầng gây

ra thiệt hại nghiêm trọng như :

+ Hỏa hoạn tại Trung tâm Thương mại Quốc tế (ITC) cao 6 tầng ở TP HCM cuối tháng 10/2002 Nguyên nhân vụ cháy tòa nhà là do sự bất cẩn của thợ hàn khi sửa lại

vũ trường Blue đặt tại đây Lửa lớn đã bùng cháy nhiều giờ và phá hủy toàn bộ kết cấu công trình

n 1.2 Hỏa hoạn tại Trung tâm T ương mại Quốc tế (ITC) (Nguồn vnexpress)

+ Chiều 27/8/2011, tầng 7 công trường xây dựng tổ hợp Keangnam (đường Phạm Hùng, Hà Nội) - tòa nhà cao nhất Việt Nam bỗng bốc khói đen nghi ngút khiến hàng trăm công nhân hoảng hốt, giao thông xung quanh cao ốc tắc nghẽn Do bất cẩn khi hàn, cắt lắp đặt hệ thống máy tản nhiệt, máy làm mát cho tòa nhà 72 tầng đặt trên nóc nhà đỗ xe, làm lửa lớn bùng cháy mạnh và gây thiệt hại nghiêm trọng

n 1.3 Hỏa hoạn tại công trường xây dựng tổ hợp Keangnam (Nguồn vnexpress)

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA THÉP VÀ BÊ TÔNG

1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của thép

1.2.1.1 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu thép ở nhiệt độ cao

Tất cả các vật liệu xây dựng đều được giảm cường độ và độ cứng một cách đáng

kể khi chúng chịu nhiệt độ cao Đối với thép, cường độ bắt đầu giảm ở nhiệt độ trên

3000C và giảm theo một tốc độ ổn định đến khoảng 8000C Thực tế, thép chỉ còn khoảng 23% cường độ ban đầu ở 7000C, 11% ở 8000C và 6% ở 9000C Phần cường độ còn lại sẽ tiếp tục giảm dần đến khi xuất hiện hiện tượng chảy lỏng ở 15000C Toàn bộ quá trình này được thể hiện ở đường cong ứng suất – biến dạng Để xây dựng các đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất - biến dạng của thép ở một nhiệt độ nhất định, người ta xuất phát từ phương trình thể hiện trạng thái làm việc đàn hồi tuyến tính của thép, từ đó dựa trên một loạt các thí nghiệm điều chỉnh theo dạng tiếp tuyến với phần ellipse mà tại cuối của nó, hệ số góc của nó bằng 0 Dạng đường cong và các thông số điển hình đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở một nhiệt độ cao hơn cho trước

Trong các thí nghiệm được tiến hành, người ta sử dụng hai phương thức tác động nhiệt lên mẫu thí nghiệm Phương thức thứ nhất là phương thức tác động nhiệt ở trạng thái ổn định hoặc đẳng nhiệt (đây là phương thức truyền thống được dùng ở các lĩnh vực khoa học cơ khí), tức là đốt nóng mẫu thí nghiệm đến một nhiệt độ không đổi rồi

mới tiến hành kéo mẫu Kết quả cho thấy tốc độ biến dạng tương đối nhanh và biến dạng đạt giá trị lớn Phương thức thứ hai là tác động lên mẫu một cách tạm thời hoặc không đẳng nhiệt theo xu hướng tăng dần, trong khi mẫu thí nghiệm vẫn chịu một tải trọng không đổi Mô hình này được xem là mô tả gần đúng hơn với trạng thái làm việc thực của kết cấu trong điều kiện có đám cháy Người ta cũng có thể loại bỏ ảnh hưởng của biến dạng không phải do nhiệt độ khi sử dụng những mẫu thí nghiệm không chịu tải trọng mà chỉ chịu điều kiện nhiệt độ giống như trên Kết quả của các thí nghiệm không đẳng nhiệt cho giá trị ứng suất thấp hơn so với các thí nghiệm đẳng nhiệt nhưng lại thực tế hơn Vì vậy đường cong ứng suất – biến dạng ở một nhiệt độ nhất định được xác định bằng cách nội suy từ một họ các đường cong xây dựng từ kết quả thí nghiệm không đẳng nhiệt

n 1.4 Mô hình tính toán cho các mối quan hệ ứng suất – biến dạng của kết cấu

thép ở nhiệt độ cao

Trong đó:

fay,: giới hạn chảy hiệu quả

fap,: giới hạn tỷ lệ

Ea,: độ dốc của đồ thị trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính

ɛap,: biến dạng ứng với giới hạn tỷ lệ

ɛay,: biến dạng chảy

ɛau,: biến dạng giới hạn trong giai đoạn chảy

ɛae,: biến dạng cực hạn trong vật liệu

Ngoài ra, sự thay đổi ứng suất – biến dạng của thép trong điều kiện chịu nhiệt độ cao còn phụ thuộc vào tốc độ cháy ( là sự tăng nhiệt độ trong một thời gian nhất định ),

bởi ở nhiệt độ trên 4500C, trong thép bắt đầu xuất hiện hiện tường từ biến Đây là một hiện tượng rất phức tạp và rất khó để xem xét đến nó trong các phương pháp thiết kế độc lập với thời gian Chính vì lý do này mà các nghiên cứu ( đặc biệt là ở Anh ) đã tập trung vào ảnh hưởng của tốc độ cháy đến trạng thái làm việc của kết cấu Khi thí nghiệm mẫu với nhiều tốc độ cháy khác nhau, ta nhận thấy nếu tốc độ cháy trong thí nghiệm không đẳng nhiệt càng lớn thì biến dạng trong vật liệu thép ứng với một nhiệt

độ và ứng suất cho trước càng thấp Điều đó có nghĩa là nếu tốc độ cháy nhanh hơn, ứng với một biến dạng trong vật liệu thép ứng với một nhiệt độ và ứng suất cho trước càng thấp Eurocode thừa nhận rằng sự tăng nhiệt độ trên một tiết diện là phân bố tuyến tính và tốc độ cháy là 50C/phút ( đối với các tiết diện được cách nhiệt tốt ) và

200C/phút ( đối với các tiết diện cách nhiệt kém ), tức là tiết diện đạt tới nhiệt độ

6000C trong thời gian 30- 120 phút, từ đó mô tả đường cong ứng suất – biến dạng Nhiệt độ 6000C là nhiệt độ dẻo và ứng suất tương ứng với biến dạng 2% được xem là ứng suất lớn nhất xác định độ bền chịu lửa cho vật liệu thép

n 1.5 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu t ép trong điều kiện chịu

nhiệt độ cao theo EC

Theo biểu đồ này, ở nhiệt độ cao hơn 300oC thép không có thềm chảy xác định

và có sự tăng dần của ứng suất so với biến dạng Khi đó để thay thế cho mô đun đàn hồi tiếp tuyến ở trạng thái ứng suất thấp, người ta dùng mô đun dẻo Ở trạng thái ứng suất cao hơn, mô đun dẻo được xác định đơn giản bằng cách lấy ứng suất chia cho biến dạng khi xét với một tốc độ cháy ổn định Vì vậy, mô đun dẻo là một đặc tính

200 °C

°C 300

°C 400

°C 500

600 °C

°C 700

°C 800

°C 900

1 , 0

8 , 0

0 5 1 , 0 , 5 2 , 0 0

kém chính xác, không đặc trưng cho sự biến dạng của các cấu kiện cụ thể trong quá trình làm việc chịu lửa

Có thể tham khảo kết quả một thí nghiệm kéo mẫu S355 trong điều kiện chịu tác động của nhiệt độ tăng dần từ 20-7000C, với tốc độ cháy 100/ phút ( tăng đến 6000C trong vòng 60 phút ), được thực hiện tại phòng thí nghiệm kết cấu thép thuộc trường đại học Helsinki, Phần Lan Lò để đặt mẫu thép trong quá trình thí nghiệm được đốt nóng bằng cách sử dụng 3 điện trở được điều khiển riêng biệt và nhiệt độ không khí trong lò được đo với 3 nhiệt kế khác nhau Để đo nhiệt độ của mẫu thí nghiệm, người

ta sử dụng 1 chiếc nhiệt kế được gắn chặt với mẫu trong suốt quá trình đốt nóng Để

đo biến dạng của mẫu, người ta dùng một tenzomet có chuẩn đo chiều dài 25mm Kích thước mẫu và các thiết bị thí nghiệm được trình bày trên hình

n 1.6 Thí nghiệm đốt nóng thép

Các đường cong ứng suất – biến dạng tương ứng với các nhiệt độ 5000C, 6000C,

7000C, 8000C được thể hiện trên hình ( có so sánh với các đường cong chuẩn trong EC)

Mục đích của việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu thép khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao là xác định cường độ thiết kế cho vật liệu hay xác định độ giảm cường độ so với cường độ vật liệu ở điều kiện làm việc bình thường Dựa vào các kết quả nghiên cứu thu được, Ec đã đưa ra giá trị các hệ số suy giảm mô đun đàn hồi kk,ocủa vật liệu thép ở một nhiệt độ nhất định

70

n 1.7 Đường cong ứng suất – biến dạng của mẫu thí nghiệm ở các nhiệt độ tương

ứng là 500 0

C, 600 0 C, 700 0 C

Đường nét liền : EC thí nghiệm

Đường nét đứt : trường đại học Helsiki, Phần Lan thí nghiệm

ng 1.1 Giá trị các hệ số suy gi m mô đun đàn ồi, giới hạn ch y và giới hạn tỷ lệ

của vật liệu thép ở nhiệt độ 

Nhiệt độ  (0C)

, ,

a E

a

E k

f k

f k

f k

n 1.8 Sự biến thiên các thông số đặc trưng c o sự làm việc của vật liệu thép theo

nhiệt độ

Một yếu tố nữa cũng cần xét đến khi nghiên cứu đường cong ứng suất – biến dạng là biến dạng giới hạn ( hay còn gọi là biến dạng chảy ) của thép, EC sử dụng biến dạng giới hạn là 0,5% khi nhiệt độ vượt quá 4000C, biến dạng sẽ giảm tuyến tính theo nhiệt độ và bằng 0,2% ở 200C Trong thực tế ở nhiệt độ cao, ứng suất tăng dần cùng với biến dạng Các thí nghiệm chịu lửa với các cấu kiện dầm, cột, đã chứng thực ở những biến dạng rất lớn, ứng suất cao hơn nhiều so với ứng suất khi biến dạng bằng 0,5% Không giống như hầu hết các thiết kế kết cấu chịu tải trọng thông thường, biến dạng của kết cấu trong quá trình chịu lửa thường không được quan tâm nhiều như ứng suất của chúng, vì vậy ý nghĩa của biến dạng giới hạn không tác động lớn đến trạng thái an toàn của kết cấu Đối với các tiết diện được bao bọc bởi vật liệu cách nhiệt,

biến dạng giới hạn chỉ ảnh hưởng đến cách tính toán xác định độ dày cần thiết của lớp cách nhiệt

1.2.1.2 Hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép

Hệ số giãn nở vì nhiệt (αa) tăng theo nhiệt độ Ở nhiệt độ phòng, αt thường là

12 10-6 /0C, ở nhiệt độ 200-6000C,là 14.10-6 /0C Ở nhiệt độ lên đến 7300C, vật liệu thép chịu một sự đổi pha, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc tinh thể, vật liệu trở nên đặc chắc hơn và sự giãn nở trong quá trình hấp thụ năng lượng tạm thời dừng lại

n 1.9 Sự biến thiên hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ

EC xem độ giãn dài tương đối Δ l / l của kết cấu ở một nhiệt độ nhất định từ 200C đến nhiệt độ dưới ngưỡng của sự đổi pha của thép là một hàm theo nhiệt độ

Với: L là chiều dài ở 20 ° C của thanh thép

Δl là nhiệt độ gây ra sự kéo dài của thành phần thép

θa là nhiệt độ thép

Trong hầu hết các phương pháp tính toán độ bền chịu lửa đơn giản, sự giãn nở vì nhiệt thường được bỏ qua Tuy nhiên cũng có một số trường hợp, với ví dụ như kết cấu dầm thép liên kết để đỡ bản sàn bê tông ở cánh trên, sự chênh lệch giãn nở vì nhiệt giữa cánh trên và cánh dưới dầm (do cánh trên có sự bảo vệ của sàn bê tông, có tác dụng ngăn cản sự biến dạng và làm tăng tính cách nhiệt ) sẽ gây nên một biến dạng nhiệt đáng kể cho tiết diện

Vì vậy, khi áp dụng các phương pháp tính toán mới, rất cần thiết nghiên cứu đến

sự giảm bớt quá trình giãn nở vì nhiệt của kết cấu thép trong điều kiện chịu nhiệt độ cao khi có sử dụng các hình thức cách nhiệt, nó sẽ dẫn đến một sự ứng xử nhiệt hoàn

toàn khác so với sự làm việc của cấu kiện thép không được bảo vệ Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các kết cấu liên hợp thép-bê tông

n 1.10 Sự biến t iên độ giãn dài vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ

1.2.1.3 Nhiệt dung riêng của vật liệu thép

Nhiệt dung riêng của thép là nhiệt lượng hấp thụ của một khối đơn vị của thép để tăng 10C hay 1K Vật liệu có nhiệt dung riêng càng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ ( tăng lên để vật liệu hấp thụ một nhiệt lượng cho trước hoặc giảm đi để tỏa ra một nhiệt lượng cho trước) càng nhỏ Trong hầu hết các tính toán, BS5950 sử dụng một giá trị không đổi của nhiệt dung riêng của thép là Ca=520J/kgK

Đối với nhiệt độ từ 7300

C, Ca tăng nhanh là kết quả của những thay đổi trong cấu trúc dạng lưới bên trong của thép Bắt đầu từ nhiệt độ này, nhiệt dung riêng của thép được tính toán chính xác là :

n 1.11 Sự biến thiên nhiệt dung riêng của vật liệu thép theo nhiệt độ

1.2.1.4 Tính dẫn nhiệt của vật liệu thép

Tính dẫn nhiệt ( λa ) được xác định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích tiết diện ngang của vật liệu trong một đơn vị thời gian tương ứng với một đơn

vị nhiệt độ ( tức là 10C hoặc 1K thay đổi trên một đơn vị chiều dài ) Thông số này ít quan trọng hơn đối với thép so với các vật liệu bảo vệ bởi vì tính dẫn nhiệt của thép rất lớn, lớn hơn 50 lần so với bê tông và 500 lần so với xi măng khoáng ( một loại vật liệu điển hình) Mặc dù tính dẫn nhiệt cũng biến thiên theo nhiệt độ

λa = 54 - 3,33 10-2 θa [W/mK] khi 20°C ≤ θa ≤ 800°C

λa = 27,3 [W/mK] khi 800°C < θa ≤ 1200°C Nhưng EC sử dụng một giá trị không đổi là 45 W/mK cho các tính toán đơn giản Còn BS 5950 lại đề nghị một giá trị xấp xỉ 37,5 W/mK hoặc chính xác hơn:

λa = 52,57 – 1,541 10-2 θa – 2,155 10-5 θa2 [W/mK]

n 1.12 Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ

1.2.1.5 Quá trình tăng nhiệt độ trong kết cấu thép ở điều kiện chịu nhiệt độ cao

Hệ số tiết diện : Đối với kết cấu thép khi chịu nhiệt độ cao, thông số điều khiển mức độ tăng nhiệt độ là tỷ số giữa chu vi bị đốt nóng Am và diện tích tiết diện ngang V của cấu kiện, gọi là hệ số tiết diện, có đơn vị m-1 Tiết diện có Am/V thấp sẽ phản ứng

1.000 800

600 400

a

θ ( °C ) 735

1.000 800

600 400

chậm với nhiệt độ nên có khả năng chịu lửa với thời gian lớn hơn Giá trị trung bình của thông số này trong khoảng 100-250 m-1 cho hình dạng thông thường của tiết diện thép cán nóng

Trong tính toán, việc xác định chu vi bị đốt nóng và hệ số tiết diện của một cấu kiện thép là tương đối đơn giản : Ví dụ, xét một cấu kiện dầm thép có tiết diện chữ I không được bảo vệ ,lộ hoàn toàn trong lửa thì:

Am = (4bc+2h-2δb) Trong đó bc là chiều rộng của bản cánh

h là chiều cao của tiết diện

δb là bề dày của bản bụng

Am/V =(4bc+2h-2δb)/(2bc δc+hb- δb)

Để giảm hệ số tiết diện, tăng khả năng chịu lửa cho kết cấu thép, người ta thường bọc bảo vệ tiết diện chịu lửa bằng các dạng vật liệu cách nhiệt Có ba hình thức bảo vệ chính, áp dụng chung cho cả cấu kiện chịu uốn và cấu kiện chịu kéo, nén:

Bảo vệ theo chu vi, tức là lớp bảo vệ chạy theo suốt chu vi của tiết diện

Bảo vệ dạng hộp, lớp bảo vệ chạy vòng quanh tiết diện theo hình chữ nhật ngoại tiếp Trong thực tế, người ta có thể cấu tạo thêm các lỗ hổng không khí xung quanh tiết diện để tăng đối lưu không khí Vì khả năng truyền nhiệt của lớp bảo vệ được thừa nhận là kém hơn so với thép nên phần nhiệt độ ở trong khu vực được bao kín bởi hộp bảo vệ được xem là phân bố đều Khi đó, chu vi đốt nóng được định nghĩa là tổng các kích thước bên trong của hình chữ nhật ngoại tiếp còn diện tích tiết diện ngang chính

là diện tích của cấu kiện thép

Bảo vệ dạng đặc, tức là cấu kiện được bọc hoàn toàn bằng vật liệu cách nhiệt Trong trường hợp này, nếu thừa nhận rằng sự truyền nhiệt thông qua vật liệu bảo vệ đến thép là rất nhỏ thì tiết diện được xem là không bị đốt nóng

Để nghiên cứu sự ứng xử nhiệt độ của các cấu kiện chịu lực chính như dầm, cột thép, người ta đã tiến hành các thí nghiệm tiêu chuẩn trong lò nung và xử lý kết quả bằng các phương pháp giải tích

Thực tế cho thấy đối với một tiết diện dầm chữ I đỡ bản sàn bê tông khi chịu lửa tác dụng từ dưới lên trong khoảng thời gian 30 phút, nhiệt độ đo được ở bản cánh trên thường thấp hơn nhiệt độ của bản cánh dưới khoảng 2000C Nhiệt độ của bản bụng tương đối ổn định ở phần dưới của tiết diện và bằng nhiệt độ của bản cánh dưới, sau

đó giảm dần đối với phần bản bụng phía trên Một con số thực tế thể hiện sự gần đúng của quá trình lan truyền nhiệt trong bản bụng là nhiệt độ của phần bản bụng khoảng 100mm phía trên thường thấp hơn 500C so với phần bản bụng phía dưới, là phần được xem là có cùng nhiệt độ với bản cánh dưới Như vậy, sự làm việc của các cấu kiện

chịu uốn bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và đặc biệt là bởi độ dày của bản cánh dưới hơn là hệ số tiết diện được tính trung bình trên toàn bộ tiết diện ngang Ta có thể tham khảo kết quả thí nghiệm khi đo nhiệt độ ở bản cánh dưới, cánh trên và ở vị trí giữa bản bụng của dầm chữ I đỡ bản sàn bê tông có hệ số tiết diện là 142 m-1 ( khi dầm có 3 mặt tiếp xúc với ngọn lửa )

Với quan điểm rằng nhiệt độ truyền trong kết cấu thép có thể bằng hình thức phát

xạ hoặc đối lưu, BS 5950 đã đưa ra công thức xác định độ tăng nhiệt độ trên một tiết diện không được bảo vệ trong một khoảng thời gian, ứng dụng cho các cấu kiện dầm, cột thép thông thường:

a là nhiệt độ của tiết diện cấu kiện thép

f là nhiệt độ của lò nung

Trong phương trình trên 5,67.10-8 là hằng số Stefan-Boltzmann, còn thông số ɛ là

độ phát xạ, thể hiện sự phát xạ được truyền giữa ngọn lửa và bề mặt kim loại, tầm quan trọng của nó phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc trực tiếp của cấu kiện với ngọn lửa trong quá trình chịu lửa Những tiết diện mà một phần được che chắn khỏi những tác động phát xạ của ngọn lửa có thể có giá trị ɛ thấp hơn Thông thường có thể lấy ɛ=0,5 Phương trình xác định δa được xây dựng dựa trên quá trình truyền nhiệt theo một phương trên tiết diện Từ đó, ta nhận thấy sự khác biệt giữa f và a càng lớn thì nhiệt độ truyền qua bởi quá trình phát xạ giữa ngọn lửa và bề mặt thép càng lớn Nếu

có thể nắm rõ được sự biến thiên của nhiệt độ thì có thể áp dụng phương trình này để xác định nhiệt độ đạt được trong kết cấu theo phương pháp tích phân tăng dần

EC đã đưa ra công thức gần đúng xác định thời gian ta ( tính bằng phút ) để đạt được nhiệt độ giới hạn a đối với tiết diện không được bảo vệ như sau:

0,6

A t

Khi cấu kiện thép được bao bọc bởi các vật dạng vật liệu chống lửa, sự truyền nhiệt theo một phương thông qua một vật chống lửa có độ dày nhỏ lên một tiết diện thép, được định nghĩa theo phương trình dưới đây:

Trong đó : λi là khả năng truyền nhiệt của vật liệu bảo vệ

di là độ dày của vật liệu bảo vệ

Thực chất phương trình trên đã bỏ qua một số hệ số có lợi cho kết cấu Trước tiên, luôn có một thành phần tất yếu của việc truyền nhiệt bằng đối lưu và phát xạ giữa ngọn lửa và bề mặt phía ngoài của lớp bảo vệ Thứ hai, các loại vật liệu bảo vệ nặng hơn, dày hơn có một số khả năng về lưu giữ nhiệt Thứ ba, hầu hết các vật liệu bảo vệ đều có một số thành phần hơi ẩm tự nhiên và tất yếu là đòi hỏi phải có một phần nhiệt

để làm bay hơi chúng Điều này gây ra một sự ngưng lại trong quá trình tăng nhiệt độ lên xấp sỉ 1000C

Phương trình chung cho sự tăng nhiệt độ trong tiết diện thép được bảo vệ là :

1

1 1

m

t a

d C

 với Ci là tỷ nhiệt, ρi là trọng lượng của vật liệu bảo vệ

δt là độ tăng nhiệt của lò nung

Thông số  được xác định dựa trên giả thiết rằng nhiệt độ trung bình trong vật liệu bảo vệ là (f + f)/2 và xác định lượng nhiệt được giữ trong vật liệu bảo vệ Cũng đơn giản để nhận ra rằng phần (αc + αr)-1 đại diện cho những ảnh hưởng của đối lưu phát xạ bề mặt là nhỏ nếu so sánh với phần đại diện cho khả năng cách nhiệt của vật liệu bảo vệ có thể được bỏ qua Tương tự như vậy δt cũng nhỏ có thể bỏ qua

Tương tự trường hợp tiết diện không được bảo vệ, EC cũng đưa ra một công thức thực nghiệm xác định thời gian ta ( tính bằng phút của cấu kiện thép) để đạt được nhiệt

độ giới hạn a khi tiết diện được bảo vệ :

trình tăng nhiệt độ trong tiết diện được bảo vệ ngưng lại tạm thời Đây là hiện tượng vật lý bình thường, nhưng nếu hàm lượng hơi ẩm chiếm hơn 30% trọng lượng lớp vật liệu cách nhiệt thì nó có ảnh hưởng đáng kể Thời gian ngưng tạm thời đó được xác định theo công thức:

25

 Trong đó p là hàm lượng phần trăm của hơi ẩm trong vật liệu bảo vệ

Và toàn bộ thời gian để một tiết diện được bảo vệ đạt đến nhiệt độ a sẽ là (ta+td)

1.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của bê tông

1.2.2.1 Cường độ của bê tông

Bê tông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, dạng của đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông ở những nhiệt độ khác nhau thì

có sự khác biệt đáng kể so với dạng biểu đồ của vật liệu thép Tất cả các đường cong này đều đạt cường độ chịu nén cao hơn giới hạn đàn hồi hiệu quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi xuống Trong trường hợp này, khả năng chịu kéo của bê tông cũng xem như bằng không

Đối với bê tông thường, bê tông nặng ( trọng lượng riêng 2400-2500kg/m3), giá trị cường độ đạt được ở mức thấp hơn, nhất là đối với bê tông dùng cốt liệu silicat Tuy nhiên để thiên về an toàn, người ta cũng áp dụng luôn kết quả này cho bê tông dùng cốt liệu đá vôi BS 5950 đã đưa ra một công thức đơn giản để xác định hệ số giảm cường độ đối với bê tông thường

Kc=0,8.(800-c)/450+0,2 khi 350<c<800

Bê tông nhẹ ( trọng lượng riêng 1600-2000kg/m3) có đặc tính phù hợp hơn trong điều kiện chịu lửa nên có khả năng truyền nhiệt thấp hơn và đạt được cường độ cao hơn so với bê tông thường Tuy nhiên, kết quả đặc trưng cho sự làm việc trong điều kiện chịu nhiệt độ cao của bê tông nhẹ còn phụ thuộc vào thành phần của các dạng cốt liệu

n 1.13 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bê tông trong điều kiện

chịu nhiệt độ cao

Ta có thể tham khảo giá trị hệ số giảm cường độ của bê tông nhẹ theo công thức của BS 5950:

Kc=0,6.(800-c)/300+0,4 khi 500<c<800 Còn đối với EC, tương tự như đối với vật liệu thép, giá trị các hệ số suy giảm khả năng chịu nén kc, và biến dạng cực hạn ɛcu, tương ứng với cường độ fc,của vật liệu

bê tông ở một nhiệt độ  nhất định cũng được thể hiện theo bảng

ng 1.2 Hệ số suy gi m kh năng c ịu nén và biến dạng cực hạn của bê tông

Một điều khá quan trọng khi nghiên cứu làm việc của bê tông là sau khi giảm nhiệt độ về nhiệt độ thường thì bê tông không đạt được cường độ chịu nén như ban đầu Mức độ của quá trình giảm cường độ này sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ lớn nhất mà

bê tông đã phải chịu trong giai đoạn trước đó Thông thường, giá trị cường độ tại một nhiệt độ c nào đó (200C<c<c max) sẽ được xác định bằng phép nội suy tuyến tính giữa cường độ tại c max vàcường độ tại nhiệt độ phòng 200

C

Như vậy, bê tông giảm cường độ ở nhiệt độ cao chậm hơn so với thép nên có thể tạo ra sự cách nhiệt tương đối tốt cho cốt thép hoặc các phần kết cấu thép mà nó bao bọc Tuy nhiên ảnh hưởng lớn nhất của bê tông là khi chịu lửa sẽ xuất hiện hiện tượng nứt, với lớp bê tông bảo vệ, nhất là khi lửa cháy có kèm theo nổ thì sự phá vỡ dần dần của bê tông sẽ làm lộ cốt thép hoặc kết cấu thép trực tiếp tiếp xúc với ngọn lửa, rất bất lợi cho kết cấu Vì vậy, mức độ tăng nhiệt độ và giảm cường độ của cốt thép và kết cấu thép sẽ xác định khả năng chịu lửa của bê tông Điều đó có nghĩa là độ dày của lớp

bê tông bảo vệ theo lý thuyết phải được xác định theo từng giai đoạn chịu nhiệt

1.2.2.2 Các đặc tính nhiệt khác của bê tông

Sự giãn nở vì nhiệt của bê tông thường tăng mạnh theo nhiệt độ Quá trình chuyển pha của bê tông xảy ra ở nhiệt độ 7000C, khi đó sự giãn nở vì nhiệt trong bê tông nhưng hoàn toàn , đường cong thể hiện mối quan hệ giữa hệ số giãn nở vì nhiệt

và nhiệt độ trong bê tông được thể hiện ở hình

n 1.14 Sự kéo dài nhiệt của bê tông khối lượng b n t ường(NC)

với cả bê tông thường và bê tông nhẹ ) Để đơn giản cho tính toán, EC cho phép sử dụng một giá trị không đổi cho thông số này λc=1,6W/mK

n 1.15 Độ dẫn nhiệt của bê tông khối lượng b n t ường (NC)

và bê tông nhẹ (LC)

Nhiệt dung riêng của bê tông cũng phụ thuộc vào thành phần cốt liệu, tỷ lệ trộn

và hàm lượng nước Thành phần cốt liệu có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt là trong trường hợp bê tông cốt liệu đá vôi ở nhiệt độ khoảng 8000C Hàm lượng nước cũng đóng vai trò quan trọng, ở những trạng thái nhiệt độ lớn hơn 2000C nhiệt dung riêng của bê tông ướt lớn gấp hai lần so với bê tông khô, EC cũng sử dụng một giá trị không đổi đối với nhiệt độ cho bê tông thường Cc=1000J/kgK

n 1.16 Nhiệt đặc trưng của bê tông khối lượng b n t ường (NC)

và bê tông nhẹ (LC)

1.3 CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG CHÁY CHO CÔNG TRÌNH

1.3.1 Các biện pháp báo cháy, chữa cháy cho công trình

 Lắp đặt, trang bị đầy đủ hệ thống, thiết bị phòng cháy ,chữa cháy:

Đây là điều tiên quyết trong mọi giải pháp phòng cháy chữa cháy cho nhà cao tầng Các hệ thống, thiết bị phòng cháy chữa cháy cơ bản thường bao gồm: hệ thống

nhận biết cháy và báo cháy, hệ thống cấp nước chữa cháy trong và ngoài nhà cho các trụ, họng nước, vách tường, bộ chữa cháy tự động…Hệ thống hút khói, điều áp, đèn chiếu sáng sự cố, chỉ dẫn lối thoát… cũng đặc biệt cần thiết, nhất là khi có cháy xảy ra

vì nếu hoạt động hiệu quả, chúng sẽ làm tăng cơ hội sống sót cho mọi người trong nhà cao tầng

Ngoài ra, chủ sở hữu còn cần lắp đặt các thiết bị liên quan đến việc hỗ trợ công tác phòng cháy chữa cháy như máy phát điện dự phòng, thang máy cứu hỏa (đối với các tòa nhà có độ cao vượt tầm hoạt động của xe chữa cháy chuyên dụng), bản đồ thoát hiểm… Các hệ thống, thiết bị này phải được kiểm tra chất lượng định kỳ để đảm bảo khả năng sử dụng khi cần Nếu vận hành tốt, chúng sẽ rất hữu ích trong công tác phòng cháy chữa cháy cho nhà cao tầng

 Tổ chức các lớp tập huấn phòng cháy chữa cháy, các buổi diễn tập thoát hiểm thực tế cho mọi người trong nhà cao tầng:

Diễn tập là một giải pháp phòng cháy chữa cháy cho nhà cao tầng được rất nhiều nơi lựa chọn, nhất là tại những căn nhà, công trình lớn và quan trọng Qua các buổi lý thuyết và thực hành, người dân, tổ chức trong nhà cao tầng sẽ có cơ hội hiểu biết và ghi nhớ cách thức thoát hiểm, cách sử dụng bình cứu hỏa dập tắt đám cháy, nhận biết loại cháy… Phòng khi cháy nổ, chập điện xảy ra thì họ sẽ có những kĩ năng cần thiết

để giúp bản thân hoặc giúp người lớn, trẻ em xung quanh thoát hiểm

Nhằm mục đích bổ sung kiến thức, rèn luyện kĩ năng phòng cháy chữa cháy, các buổi tập huấn, diễn tập thực tế nên được tổ chức định kỳ, thông tin cung cấp cần được cập nhật liên tục

 Thực hiện công tác tuyên truyền, khuyến cáo về an toan phòng cháy chữa cháy cho các cá nhân ,tổ chức sống và làm việc trong nhà cao tầng:

Tuyên truyền về an toàn phòng cháy chữa cháy giúp các cá nhân, tổ chức nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của phòng cháy chữa cháy Tuyên truyền kết hợp vận động người dân thực hiện an toàn phòng cháy chữa cháy sẽ góp phần giảm thiểu nguy

cơ cháy nổ trong khu vực Phương tiện truyên thông đại chúng như tivi, mạng xã hội…, các hoạt động văn hóa, đoàn thể nội bộ là một số cách tuyên truyền hữu hiệu trong nhà cao tầng

 Có nội quy phòng cháy chữa cháy trong các công trình:

Có niêm yết nội quy phòng cháy chữa cháy, biển cấm lửa, cấm hút thuốc, tiêu lệnh chữa cháy ở những nơi cần thiết

Có quy định về đảm bảo an toàn phòng cháy chữa cháy trong việc sử dụng nguồn lửa, thiết bị sinh lửa, sinh nhiệt

Không đưa xăng, dầu, khí ga và các chất nguy hiểm cháy, nổ khác vào công trình; trường hợp cần thiết phải sử dụng thì hạn chế tối đa số lượng và phải có các giải pháp, biện pháp đảm bảo an toàn phòng cháy chữa cháy

Không sử dụng vật liệu dễ cháy để làm vách ngăn, ốp trần, tường, trang trí nội thất, cách âm ; phông màn, rèm cửa phải được xử lý bằng chất chống cháy

Phải lắp đặt thiết bị bảo vệ (aptomat) cho hệ thống điện của toàn bộ công trình, từng khu vực, từng phòng và từng thiết bị điện có công suất lớn; bóng đèn điện chiếu sáng, trang trí, chấn lưu đèn nê ông phải đặt cách xa vật cháy tối thiểu 0,5m

Thiết kế lắp đặt hệ thống chống sét theo đúng tiêu chuẩn chống sét cho từng loại công trình

1.3.2 Các biện pháp tăng khả năng chịu lửa cho kết cấu

 Sơn chống cháy:

Kết cấu thép được bọc 1 lớp sơn trương nở (intumescent), sơn phồng lên khi gặp nhiệt độ cao tạo 1 lớp không khí ngăn giữa kết cấu thép và nhiệt độ cao bên ngoài Ưu điểm của giải pháp này là kết cấu giữ được hình dáng gốc, khả năng bao bọc bảo vệ các chi tiết tốt, tuy nhiên giá thành rất cao Theo tính toán sơ bộ, giá sơn chống cháy xấp xỉ bằng giá kết cấu thép mà nó bảo vệ

Cơ chế hoạt động của các loại sơn chống cháy khá đặc biệt, chẳng hạn, sơn chống cháy Kova kết hợp giữa cơ chế chống cháy nano từ vỏ trấu và cơ chế chống cháy phồng làm cho quá trình chống cháy dài hơn và ngăn cản khói gây ngạt cho người, động vật Nếu có bao phủ sơn chống cháy cho vật liệu thì tại nhiệt độ 1.5000C, chất xúc tác sẽ phản ứng tạo axit phosphoric; còn tại nhiệt độ gần 3.0000C thì sẽ phát

ra các loại khí không bắt lửa, tạo ra lớp bọt dạng tổ ong, có tác dụng thu nhiệt cao Tại nhiệt độ gần 5.0000C, borat kẽm và hydroxit nhôm kết hợp với nhau tạo thành một chất giống như gốm, ở một nhiệt độ cao hơn nữa thì quá trình carbon hóa sẽ tạo thành một lớp cách ly với bề mặt làm giảm nhiệt độ Với các tính chất trên, sơn chống cháy dạng này có khả năng chịu được nhiệt độ 800-1.3000C, kéo dài sức chịu đựng của vật liệu thép thêm 4-6 giờ

n 1.17 Sơn c ống cháy

 Phun bọt chống cháy (Fire Stop Spray):

Giá thấp hơn sơn chống cháy và khả năng bảo vệ tốt, tuy nhiên bề mặt kết cấu xù

xì mất thẩm mỹ Việc thi công cũng gặp nhiều khó khăn do phải phun tại công trường , máy thi công cồng kềnh, không kết hợp với các công việc khác được do yêu cầu an toàn chất độc hại Thông thường công nhân thi công phải mặc quần áo bảo hộ và đeo mặt nạ phòng độc

n 1.18 Phun bọt chống cháy

 Bọc bằng tấm chống cháy chuyên dụng :

Đây là cách đạt hiệu quả cao nhất và đang được sử dụng ngày một nhiều ở VN Tấm chống cháy hiện tại gồm 2 loại : Tấm Cemboard và Tấm thạch cao chống cháy Được lắp đặt bằng cách bọc xung quanh kết cấu thép cần bảo vệ bằng một hệ khung thép và vật liệu phụ chống cháy đồng bộ Sau đó bơm vật liệu cách nhiệt vào khoảng trống giữa tấm và khung thép

n 1.19 Bọc bằng tấm chống cháy chuyên dụng

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO TIÊU CHUẨN

CHÂU ÂU EUROCODE 4

2.1 HIỆN TƯỢNG MẤT ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP

THÉP-BÊ TÔNG

Trong dầm liên hợp, khi làm việc của cánh trên của dầm thép được giữ khỏi oằn

do được liên kết với bản sàn bê tông, tuy nhiên cần thỏa mãn điều kiện là các liên kết được thiết kế phù hợp và khoảng cách giữa hai mép của bản sàn ( của các ô ) không quá nhỏ ( khoảng cách này ít nhất phải lớn hơn hai lần chiều cao của dầm thép ) Điều này sẽ khác trong giai đoạn thi công, trước khi bê tông trở nên cứng Khi đó cần kiểm tra sự oằn của dầm thép

Ngược lại, theo biểu đồ momen uốn của dầm liên hợp liên tục, cánh dưới sẽ chịu nén trong vùng momen âm ở tại các gối tựa trung gian, đặc biệt chiều dài của vùng này

có thể khá lớn khi hoạt tải chỉ tác dụng lên một bên nhịp, khi đó có nguy cơ mất ổn định ngang của cánh dưới ở cạnh gối tựa trung gian Khi mất ổn định , tiết diện thép của dầm liên hợp không thể quay giống như vật thể cứng quanh trọng tâm xoắn của mình, sự giữ của tấm đan gây nên sự vẹo tiết diện này Như vậy khi kiểm tra, để kể đến ảnh hưởng thuận lợi này chiều dài tính toán mất ổn định ngang sẽ giảm xuống, độ mảnh của dầm cũng giảm theo Ngoài ra, biến dạng ngang ở mức cánh dưới có dạng nửa sóng ở mỗi phía của gối tựa trung gian, còn chỗ gối tựa luôn được giữ không chuyển vị ngang, mỗi nửa sóng sẽ có chiều dài lớn hơn chiều dài vùng momen âm và không có dạng hình sin truyền thống, biến dạng ngang lớn nhất nằm cách gối tựa một khoảng bằng hai lần chiều cao của dầm Thực chất vấn đề lý thuyết của sự oằn trong dầm liên hợp phức tạp hơn so với dầm liên hợp thép thông thường Vì vậy, trong phạm

vi luận văn này chỉ nêu lên một số lý thuyết và thực hành liên quan đến các trường hợp của dầm trong lĩnh vực xây dựng nhà

n 2.1 Trường hợp đặt hoạt t i ở một bên nhịp

n 2.2 Hiện tượng oằn của dầm liên hợp liên tục

2.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN CHỊU LỬA CẦN THIẾT ĐỐI VỚI KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG

2.2.1 Tải trọng tác dụng

Thực tế đã chứng minh rằng xác suất để đám cháy lớn sinh ra cùng với mật độ tải trọng lớn tác dụng lên kết cấu là nhỏ Eurocode 1 phần 1.2 đã giới thiệu nguyên tắc xác định tải trọng tính toán trong trường hợp kết cấu làm việc chịu lửa

Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa được chia thành ba loại chính:

- Tải trọng thường xuyên (Gk): khi tính toán chịu lửa, Gk vẫn được xét đến một cách nguyên vẹn, không điều chỉnh

- Hoạt tải (Qk): vì lửa được xét là một tác động có tính tai nạn đối với kết cấu xây dựng nên giá trị hoạt tải được giảm đi bằng cách nhân Qk với một hệ số tổ hợp ψ1 có trị số biến thiên từ 0,5 đến 0,9 phụ thuộc vào chức năng sử dụng của công trình

- Các tác động gian tiếp do lửa gây ra (Ad)

Để xét đến ảnh hưởng tác động của các dạng tải trọng tác dụng lên liên kết cấu trong điều kiện chịu lửa, người ta sử dụng hệ số giảm tải ηfi được định nghĩa bằng tỉ số

,

fi d

d

E

E với Ed là giá trị nội lực tồn tại trong kết cấu trong điều kiện chịu lửa bình thường,

Efi,d là giá trị nội lực khi tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa Trong nhiều trường hợp, khi xét ở một thời điểm cụ thể, ηfi ký hiệu là ηfi,t được xác định bằng tỷ số fi d t, ,

d

E E

với Efi,d,t là giá trị nội lực khi tính toán kết cấu ở thời điểm t trong điều kiện chịu lửa,

Rd là độ bền tính toán vật liệu tại điều kiện nhiệt độ bình thường Thông thường, giá trị này khi biểu thị theo các thành phần tải trọng, được xác định theo công thức sau:

1,1 ,1 ,1 ,1

Trong đó: Gk là giá trị đặc trưng của tải trọng thường xuyên

Qk,1 là giá trị hoạt tải chính

γGA là hệ số vượt tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa,

γGA=1

γG là hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện thường, γGA=1,35

γQ,1 là hệ số vượt tải của hoạt tải chính trong điều kiện thường, γQ,1=1,5

ψ1,1 là hệ số tổ hợp khi xét đến xác suất tồn tại của hoạt tải chính cùng với tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa, ψ1,1=0,5 – 0,9

Trong điều kiện chịu lửa, gió chỉ đóng vai trò là tác nhân ảnh hưởng trực tiếp đến tốc

độ cháy của ngọn lửa chứ không được xét đến như một dạng tải trọng tác dụng lên kết cấu

2.2.2 Các nguyên tắc tính toán cơ bản

Các cấu kiện khi được tính toán theo yêu cầu chống cháy đều phải thỏa mãn theo

ba tiêu chuẩn sau:

Tiêu chuẩn về tính kín (E): các vết nứt, các lỗ hổng không được phép xuất hiện trong kết cấu vì chũng có thể cho nguồn lửa hay khí nóng truyền qua

Tiêu chuẩn về cách nhiệt (I): Nhiệt độ trên bề mặt của các cấu kiện riêng biệt không lộ trong lửa không được vượt quá nhiệt độ bốc cháy

Tiêu chuẩn về khả năng chịu lực (R): các cấu kiện phải đảm bảo khả năng chịu lực trong suốt thời gian chịu lửa yêu cầu

Về nguyên tắc tính toán, khi kể đến cả ba tiêu chuẩn này, người ta có thể xử lý thông tin theo ba cách sau:

Thời gian chịu lửa thiết kế cho kết cấu phải lớn hơn thời gian chịu lửa mà thực tế yêu cầu tfi,d ≥ tfi

Tại một thời điểm t cho trước trong điều kiện chịu lửa, khả năng chịu lực của kết cấu phải lớn hơn tải trọng thực tế tác dụng lên nó Rfi,d,t ≥Efi,d,t

Nhiệt độ tới hạn của kết cấu theo thiết kế phải lớn hơn nhiệt độ mà kết cấu đạt tới trong điều kiện chịu lửa thực tế cr,d ≥ 

Về công cụ thực hiện, tùy thuộc vào trạng thái làm việc của cấu kiện và công năng sủ dụng của công trình mà có thể sử dụng một trong ba phương pháp sau:

Phương pháp tính toán đơn giản, dùng cho các cấu kiện điển hình

Thiết lập phương trình tính, kết quả được thể hiện thông qua các bảng dữ liệu, dùng cho các kết cấu điển hình

Phương pháp tính toán cải tiến, dựa trên sự làm việc cơ bản của một kết cấu tổng thể, của một phần của kết cấu hay của những cấu kiện riêng biệt

Dựa trên phương pháp tính đơn giản được trình bày EC4 – phần 1.2, một chương trình tính (FOCSI) được thực hiện trong môi trường Visual Basic để tính toán các cấu kiện thép được hoặc không được bảo vệ trong điều kiện nhiệt độ cao Chương trình này hiện đang được sử dụng rộng rãi tại một số nước trên thế giới, có thể áp dụng để xác định khả năng chịu lửa cho 4 loại cấu kiện chính: cấu kiện chịu kéo, cấu kiện chịu nén, cấu kiện chịu uốn và cấu kiện chịu nén uốn Riêng đối với kết cấu liên hợp, FOCSI còn xác định độ dày cần thiết của lớp bê tông bảo vệ tương ứng với một số thời gian chịu lửa cho trước

n 2.3 Sơ đồ tính kết cấu liên hợp khi chịu nhiệt độ cao

Nhập dạng cấu kiện và hình thức bảo vệ Nhập vật liệu thép ,bê tông

Nhập tải trọng tác dụng, xác định kết quả tác động của tải trọng lên cấu kiện trong điều kiện nhiệt độ thường, Efi,d

Thời gian t=0

Xác định nhiệt độ của tiết diện tại thời điểm t,a,t Xác định đặc tính vật lý của vật liệu ở nhiệt độ a,t Xác định kết quả tác động của tải trọng lên kết cấu ở nhiệt độ a,t tại thời điểm t, Efi,d

Xác định khả năng chịu lực của tiết diện ở nhiệt độ a,t tại thời điểm t,,Rfi,d,t

2.3 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO

2.3.1 Phương pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông ở nhiệt độ cao ( trường hợp không bọc bê tông )

Bề rộng tính toán của bản sàn beff được xác định theo điều kiện để trục trung hòa của tiết diện không nằm trong bản sàn bê tông, xem như bỏ qua toàn bộ khả năng chịu lực của bê tông Bề rộng này cũng không được lớn hơn bề rộng áp dụng để tính toán trong điều kiện nhiệt độ thường Sự phân bố nhiệt trong tiết diện được thể hiện trên hình, bao gồm nhiệt độ của cốt thép s, nhiệt độ của bản cánh trên w, nhiệt độ của bản cánh dưới 1

n 2.4 Sơ đồ xác định momen bền dẻo âm

Sự tăng nhiệt độ ở các phần khác nhau của dầm thép không được bảo vệ trong khoảng thời gian t được xác định theo công thức đưa ra như sau:

* ,

Ai/Vi là hệ số mặt cắt của phần thứ i của tiết diện ngang

Vi là thể tích của phần thứ i của tiết diện ngang

hnet* là giá trị thiết kế của dòng nhiệt trên một đơn vị diện tích

hnet*= hnet,c*+ hnet,r*

hnet,c*=αc(t-a,t)

hnet,r*=ɛm ɛf(5,67.10-8)((t+273)4-(a,t+273)4)

αc làhệ số truyền nhiệt đối lưu

ɛm làhệ số phát xạ bề mặt của thành phần kết cấu

ɛf làhệ số phát xạ lửa

t là nhiệt độ của khí đốt bao quanh thời điểm t

a,t là nhiệt độ của thép thời điểm t(0C) được giả thiết là đồng đều ở từng phần của mặt cắt thép

t là khoảng thời gian (≤5s)

Nếu chiều cao dầm h không vượt quá 500mm thì nhiệt độ của bản bụng lấy bằng bản cánh dưới

Nhiệt độ dưới đáy dầm ở thời gian t (phút):

t=20+345.log10(8t+1) (2.4) Ứng với thời gian t, nhiệt độ của cốt thép sàn bê tông

s=d0+d1Ns+d2A/Lr+d3ϕ+d4/l3 (2.5) Trong đó

Ns là lực trong cốt thép khi chịu momen uốn âm Ns=Asfay