Đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện thép chịu lực được bọc bảo vệ ứng dụng cho các công trình nhà tại việt nam

Tổng quan về các hình thức bọc bảo vệ KCT và các phương pháp tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa ứng dụng cho các công trình nhà …..... N hàm hình dạng N fi,t,Rd lực nén kéo cho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

-& -

Phạm Thị Ngọc Thu

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN THÉP CHỊU LỰC ĐƯỢC BỌC BẢO VỆ ỨNG DỤNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH NHÀ TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội – Năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

-& -

Phạm Thị Ngọc Thu

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN THÉP CHỊU LỰC ĐƯỢC BỌC BẢO VỆ ỨNG DỤNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH NHÀ TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 9580201

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN GS.TS Phạm Văn Hội

Hà Nội – Năm 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án là kết quả công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan ……… i

Mục lục ……… ……… ii

Danh mục các chữ viết tắt, ký hiệu, thuật ngữ ……… vi

Danh mục các bảng biểu ……… xi

Danh mục các hình vẽ, sơ đồ, đồ thị ……… xiii

Mở đầu ……… 01

1 Lý do lựa chọn đề tài ……… 01

2 Mục đích nghiên cứu ……… 04

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ……… 04

4 Phương pháp nghiên cứu ……… 04

5 Cơ sở khoa học ……… 05

6 Đóng góp của luận án ……… 05

7 Cấu trúc và nội dung luận án ……… 06

Chương 1 Tổng quan về các hình thức bọc bảo vệ KCT và các phương pháp tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa ứng dụng cho các công trình nhà … 08

1.1 Tổng quan về các giải pháp bọc bảo vệ kết cấu thép ứng dụng cho các công trình nhà ……… 08

1.1.1 Các giải pháp thiết kế phòng chống cháy cho các công trình nhà …… 08

1.1.2 Vật liệu thạch cao chống cháy……… 09

1.1.2.1 Quy trình sản xuất thạch cao chống cháy ……… 09

1.1.2.2 Cơ chế làm việc của vật liệu thạch cao chống cháy ……… 10

1.1.2.3 Các hình thức cấu tạo bọc cấu kiện thép bằng tấm thạch cao chống cháy ……… 11

1.1.3 Vật liệu vữa chống cháy ……… 14

1.2 Tổng quan về quy trình tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa 16 1.2.1 Bài toán tính toán kết cấu thép chịu lực khi chịu lửa ……… 16

1.2.2 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong mô hình cháy 16

1.2.2.1 Mô hình cháy danh nghĩa ……… 17

1.2.2.2 Mô hình cháy tham biến ……… 18

1.2.2.3 Mô hình cháy thực tế ……… 19

1.2.3 Sự biến thiên nhiệt độ bên trong kết cấu thép theo mô hình kết cấu 20

1.2.4 Các nguyên tắc tính toán cơ bản 21

1.2.5 Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa 22

1.2.6 Trạng thái làm việc của các cấu kiện dầm, cột thép trong điều kiện chịu lửa 24

1.3 Các nghiên cứu về tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa 26

1.3.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới 26

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam 29

1.4 Các tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng 31

Nhận xét chương 1 34

Chương 2 Bài toán truyền nhiệt trong các cấu kiện thép không bọc và được bọc bảo vệ ……… 36

2.1 Bản chất của quá trình truyền nhiệt 36

2.1.1 Hiện tượng bức xạ ……… 37

2.1.2 Hiện tượng đối lưu 38

2.2 Sự thay đổi các đặc tính nhiệt của thép trong điều kiện chịu lửa 39

2.2.1 Hệ số giãn nở vì nhiệt 39

2.2.2 Nhiệt dung riêng 41

2.2.3 Hệ số dẫn nhiệt 41

2.3 Bài toán truyền nhiệt trong không gian ba chiều 42

2.3.1 Phương trình truyền nhiệt trong không gian ba chiều 42

2.3.2 Thuật toán DT3D ứng dụng phương pháp PTHH trong bài toán truyền nhiệt ba chiều 44

2.3.2.1 Mô hình phần tử hữu hạn 44

2.3.2.2 Xây dựng hàm dạng 45

2.3.2.3 Xây dựng ma trận truyền nhiệt của hệ 47

2.3.2.4 Rời rạc hóa các bước thời gian trong quá trình khảo sát 49

2.4 Ví dụ tính toán và kiểm chứng 52

2.4.1 Ví dụ tính toán 52

2.4.2 Ví dụ kiểm chứng thí nghiệm 55

Nhận xét chương 2 57

Chương 3 Xác định khả nănng chịu lực của cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp đơn giản hóa … 59

3.1 Sự thay đổi các đặc tính cơ lý của thép trong điều kiện chịu lửa 59

3.2 Quy trình tính toán cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa SMD 63

3.2.1 Khả năng chịu lực của các cấu kiện cơ bản 63

3.2.1.1 Các cấu kiện dầm chịu uốn theo điều kiện bền 63

3.2.1.2 Các cấu kiện cột chịu nén theo điều kiện ổn định tổng thể 65

3.2.2 Quy trình tính toán cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa SMD 69

3.3 Ứng dụng SMD cho cấu kiện dầm thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu lửa 72

3.3.1 Trạng thái làm việc của cấu kiện dầm thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa 72

3.3.2 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo chu vi 73

3.3.3 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt dạng hình hộp 76

3.4 Ứng dụng SMD cho cấu kiện cột thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu lửa 78

3.4.1 Trạng thái làm việc của cấu kiện cột thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa 78

3.4.2 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt theo chu vi ……… 79

3.4.3 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt dạng hình hộp ……… 81

Nhận xét chương 3 84

Chương 4 Đánh giá khả năng chịu lực của các cấu kiện thép trong điều kiện

chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số ……… 85

4.1 Phân tích sự làm việc của cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số 85

4.1.1 Mô hình Thermal Analysis 85

4.1.1.1 Các phương trình truyền nhiệt cơ bản 85

4.1.1.2 Xây dựng ma trận truyền nhiệt của phần tử 87

4.1.1.3 Mô hình phần tử vật liệu thép trong Thermal Analysis 88

4.1.2 Mô hình Structural Analysis 89

4.1.2.1 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng 89

4.1.2.2 Xây dựng ma trận ứng suất-biến dạng của phần tử ……… 92

4.1.2.3 Mô hình phần tử vật liệu thép trong Structural Analysis ……… 93

4.1.2.4 Phân tích Eigenvalue Buckling ……… 95

4.1.3 Các thí nghiệm kiểm chứng 95

4.1.3.1 Thí nghiệm dầm thép không bọc bảo vệ ……… 95

4.1.3.2 Thí nghiệm cột thép chèn gạch ……… 98

4.2 Các ví dụ khảo sát 101

4.2.1 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo chu vi 101

4.2.2 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt dạng hình hộp 109

4.2.3 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt theo chu vi ……… 116

4.2.4 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt dạng hình hộp ……… 125

Nhận xét chương 4 132

Kết luận chung ……… 134

Các công trình khoa học của nghiên cứu sinh liên quan đến luận án 137

Tài liệu tham khảo 138 Phụ lục Phần code chương trình ví dụ tính toán mục 2.4.1 PL1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ

Các chữ cái Latin viết hoa

A diện tích của cấu kiện

A d tác động gián tiếp do lửa gây ra

A i diện tích phần thứ i có nhiệt độ q i

A m chu vi của cấu kiện bị đốt nóng

[B] ma trận biến dạng - chuyển vị

C nhiệt dung riêng

C a nhiệt dung riêng của vật liệu thép

[D] ma trận độ cứng đàn hồi

E tiêu chuẩn về tính kín, modun đàn hồi

E a modun đàn hồi của vật liệu thép ở nhiệt độ thường

E a, q modun đàn hồi của vật liệu thép ở nhiệt độ q

E d nội lực trong điều kiện nhiệt độ thường

E fi,d nội lực trong điều kiện chịu lửa

E fi,d,t nội lực thời điểm t trong điều kiện chịu lửa

G modun đàn hồi trượt

G k tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa

M b , fi,t,Rd mômen oằn vặn bên cho phép của tiết diện tại thời điểm t

M fi,t,Rd mômen uốn cho phép của tiết diện tại thời điểm t

M fi, q ,Rd mô men uốn của tiết diện chịu sự phân bố nhiệt độ đều q

N hàm hình dạng

N fi,t,Rd lực nén (kéo) cho phép trên tiết diện tại thời điểm t

Pr hằng số Prant

Q lượng nhiệt phát sinh trong phân tố

Q k hoạt tải trong điều kiện chịu lửa

Q k,1 hoạt tải chính trong điều kiện chịu lửa

Q k,i hoạt tải phụ thứ i trong điều kiện chịu lửa

R tiêu chuẩn về khả năng chịu lực

Re hằng số Raynolds

R fi,d,t khả năng chịu lực của kết cấu tại thời điểm t trong điều kiện chịu lửa

R d cường độ tính toán trong điều kiện nhiệt độ thường

U công ảo của nội lực

V thể tích của vật thể, công ảo của ngoại lực

V fi,t,Rd lực cắt cho phép trên tiết diện tại thời điểm t

V s diện tích tiết diện ngang của cấu kiện bị đốt nóng

Các chữ cái Latin viết thường

b f bề rộng bản cánh

f p giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ thường

f p, q giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ q

f y giới hạn chảy của vật liệu thép ở nhiệt độ thường

f y, q giới hạn chảy của vật liệu thép ở nhiệt độ q

h chiều cao tiết diện, hệ số truyền nhiệt do đối lưu

h w chiều cao bản bụng

[k e ] ma trận truyền nhiệt của phần tử

k E, q hệ số suy giảm mô đun đàn hồi của vật liệu thép ở nhiệt độ q

k p, q hệ số suy giảm giới hạn chảy của vật liệu thép ở nhiệt độ q

k y, q hệ số suy giảm giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ q

l chiều dài

q nhiệt lượng

q fi tải trọng tác dụng trong điều kiện chịu lửa

q conv nhiệt lượng do đối lưu

q emi nhiệt lượng phát ra từ bề mặt

q inc nhiệt lượng truyền đến bề mặt

q rad nhiệt lượng do bức xạ

q ref nhiệt lượng phản xạ

q tot nhiệt lượng tổng

t thời gian [phút]

t f chiều dày bản cánh

t fi thời gian chịu lửa thực tế

t fi,d thời gian chịu lửa thiết kế

t w chiều dày bản bụng

{u} vecto chuyển vị tại nút

{w} vecto chuyển vị của một nút trong phần tử

c fi hệ số suy giảm do hiện tượng uốn dọc trong điều kiện chịu lửa

c lt,fi hệ số suy giảm do hiện tượng oằn vặn bên trong điều kiện chịu lửa

s ứng suất, hằng số Stefan-Boltzmann

e biến dạng

e s hệ số phát xạ của bề mặt

e p, q biến dạng tỷ đối ứng với giới hạn tỷ lệ ở nhiệt độ q

e y, q biến dạng chảy tỷ đối ở nhiệt độ q

e t, q biến dạng tỷ đối giới hạn giai đoạn chảy ở nhiệt độ q

e u, q biến dạng tỷ đối cực hạn ở nhiệt độ q

{e} el vectơ biến dạng đàn hồi

{e} cr vectơ biến dạng do từ biến

{e} pl vectơ biến dạng dẻo

{e} th vectơ biến dạng nhiệt

{e} tt vectơ biến dạng tổng

f i hệ số tầm nhìn, hàm thử

g G hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện thường

g GA hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa

g Q,1 hệ số vượt tải của hoạt tải chính trong điều kiện thường

g M,fi hệ số độ tin cậy của vật liệu thép trong điều kiện chịu lửa

g M,1 hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện oằn vặn bên trong điều kiện chịu

q a nhiệt độ trong cấu kiện thép

q cr,d nhiệt độ tới hạn trong điều kiện chịu lửa

r tỷ trọng

y 1 hệ số giảm tải của hoạt tải trong điều kiện chịu lửa

y 1,1 hệ số tổ hợp hoạt tải chính trong điều kiện chịu lửa

y 1,i hệ số tổ hợp hoạt tải phụ thứ i trong điều kiện chịu lửa

x,h,z tọa độ

Dl độ giãn dài

tại thời điểm t=30 phút ……… 75 3.4 Kết quả tính khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.2 theo Mfi,t,Rd ……… 75 3.5 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.2 theo quy trình SMD 76 3.6 Kết quả tính khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.3 theo Mfi,t,Rd ……… 77 3.7 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.3 theo quy trình SMD 78 3.8 Sự thay đổi các thông số của cột ví dụ 3.4.2 trong quá trình khảo sát … 79 3.9 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.2 (trường hợp 2

3.10 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.2 (trường hợp 1

đầu ngàm 1 đầu tự do) ……… 80 3.11a Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.2 ……… 81 3.11b Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 3.4.2 ……… 81 3.12 Sự thay đổi các thông số của cột ví dụ 3.4.3 trong quá trình khảo sát … 82 3.13 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.3 (trường hợp 2

3.14 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.3 (trường hợp 1

đầu ngàm 1 đầu tự do) ……… 83 3.15a Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.3 ……… 83 3.15b Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 3.4.3 ……… 84 4.1 Các kết quả thu được với dầm 2 đầu ngàm, L=8m, bọc vữa dày 25mm 106 4.2 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.1 theo mô phỏng … 107 4.3 Kết luận khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.1 theo hai phương pháp 109 4.4 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.2 theo mô phỏng … 114

4.5 Kết luận khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.2 theo hai phương pháp 116 4.6 Kết luận về khả năng chịu lực của cột ví dụ 4.2.3 theo mô phỏng …… 123 4.7a Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 4.2.3 theo hai phương

pháp 124 4.7b Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 4.2.3 theo hai

phương pháp 125 4.8 Kết luận về khả năng chịu lực của cột ví dụ 4.2.4 theo mô phỏng …… 130 4.9a Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 4.2.4 theo hai phương

pháp 131 4.9b Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 4.2.4 theo hai

phương pháp 132

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ

1.1a Sản phẩm thạch cao chống cháy ……… 09

1.1b Mặt cắt tấm thạch cao ……… 09

1.2 Các hình thức bọc cấu kiện thép chịu lực bằng tấm thạch cao ………… 11

1.3 Cấu tạo tấm thạch cao dạng vách, tường ……… 12

1.4 Cấu tạo ốp tấm thạch cao dạng hình hộp ……… 12

1.5 Bọc hệ giàn thép bằng tấm thạch cao chống cháy (Bảo tàng Hà Nội) … 13 1.6 Thi công vữa chống cháy ……… 14

1.7 Thi công bọc vữa chống cháy cho cột thép (Tổ hợp hóa dầu Long Sơn) 15 1.8 Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian theo mô hình cháy danh nghĩa ……… 18

1.9 Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích nhận gió trên một mặt của không gian cháy ……… 18

1.10 Ví dụ về ảnh hưởng không đều của đám cháy trong một không gian cháy ……… 19

1.11 Các mô hình cháy được mô tả trong không gian mẫu của FDS ……… 19

1.12 Kết quả biến thiên nhiệt độ trong một mô phỏng của ANSYS ……… 21

1.13 Mối quan hệ giữa tải trọng - nhiệt độ - thời gian trong kịch bản 3 …… 24

2.1 Hiện tượng bức xạ trên bề mặt vật thể ……… 37

2.2 Sự biến thiên hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ … 39

2.3 Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ …… 40

2.4 Sự biến thiên nhiệt dung riêng của vật liệu thép theo nhiệt độ ……… 41

2.5 Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ ……… 42

2.6 Mô hình vi phân thể tích khảo sát ……… 43

2.7a Phần tử quy chiếu 3 chiều - dạng tứ diện ……… 44

2.7b Phần tử quy chiếu 3 chiều - dạng lập phương ……… 45

2.8 Mô hình phần tử 6 mặt khảo sát ……… 45

2.9 Sự biến thiên nhiệt độ T từ bước thời gian n đến n+1 ……… 49 2.10 Sơ đồ khối bài toán tính nhiệt độ theo phương pháp phần tử hữu hạn … 51

2.11 Tiết diện dầm ví dụ 1……… 52

2.12 Số thứ tự chia nút trên dầm thép ví dụ 1 53

2.13 Kết quả sự phân bố nhiệt độ các nút trên tiết diện B-B tại t=300 giây 55

2.14 Sơ đồ và vị trí các điểm đo nhiệt độ trên cột thép ví dụ kiểm chứng … 56

2.15 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm W1-4 (bản bụng) theo thí nghiệm và theo DT3D ……… 57

3.1 Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở một nhiệt độ cao q cho trước ……… 59

3.2 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu thép tại các mức nhiệt độ khác nhau ……… 61

3.3 Sự biến thiên các thông số đặc trưng cho sự làm việc của vật liệu thép theo nhiệt độ ……… 63

3.4 Xác định vị trí trục trung hòa tiết diện chữ I ……… 64

3.5 Chiều dài tính toán của cột trong điều kiện chịu lửa trong sơ đồ giằng 66

3.6a Quy trình bài toán xác định khả năng chịu lực của dầm thép được bọc bảo vệ theo phương pháp đơn giản hóa ……… 71

3.6b Quy trình bài toán xác định khả năng chịu lực của cột thép được bọc bảo vệ theo phương pháp đơn giản hóa ……… 72

3.7 Tiết diện dầm thép trong mục 3.3.2 ……… 74

3.8 Nguyên tắc chia lưới phần tử trên tiết diện dầm được bọc bảo vệ …… 74

3.9 Tiết diện dầm thép trong mục 3.3.3 ……… 77

3.10 Tiết diện cột thép trong mục 3.4.2 ……… 79

3.11 Tiết diện cột thép trong mục 3.4.3 ……… 82

4.1 Các thông số để xác định hệ số tầm nhìn fis ……… 87

4.2 Mối quan hệ ứng suất - biến dạng theo các mô hình ứng xử của vật liệu ngoài đàn hồi trong ANSYS 91

4.3 Khai báo sự biến thiên modun đàn hồi theo nhiệt độ trong ANSYS … 94 4.4 Khai báo mô hình ứng xử MISO trong ANSYS ……… 94

4.5 Mô hình thí nghiệm dầm 96

4.6 Vị trí các điểm đo nhiệt độ trên dầm thí nghiệm 96 4.7 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm F1 (bản cánh dưới), F3 (bản cánh trên) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS ……… 97 4.8 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm W1 (bản bụng) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS ……… 97 4.9 Kết quả so sánh độ võng dầm theo thí nghiệm và theo mô phỏng

4.18 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu khớp … 106

4.19 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu ngàm … 106 4.20 Kết quả nhiệt độ trong dầm ví dụ 4.2.1 theo ba cách tính ……… 107 4.21 Sự phân bố nhiệt độ trên phần dầm thép tại t = 120 phút ……… 110 4.22 Mô hình biến dạng dầm tại t = 120 phút ……… 110 4.23 Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện dầm tại các thời điểm khảo sát …… 111 4.24 Sự phân bố biến dạng trên tiết diện giữa dầm tại các thời điểm khảo sát 112

4.25 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu khớp … 113

4.26 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu ngàm … 113 4.27 Kết quả nhiệt độ trong dầm ví dụ 4.2.2 theo ba cách tính ……… 114 4.28 Sự phân bố nhiệt độ trên phần cột thép tại t = 120 phút ……… 117

4.29 Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện cột tại các thời điểm khảo sát ……… 118 4.30 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=30 phút …… 119 4.31 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=60 phút …… 119 4.32 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=90 phút …… 120 4.33 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=120 phút …… 120 4.34 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 2 đầu khớp …… 121 4.35 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 2 đầu khớp … 121 4.36 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1

đầu tự do … 122 4.37 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1 đầu tự

4.38 Kết quả nhiệt độ trong cột ví dụ 4.2.3 theo ba cách tính … 124

4.39 Sự phân bố nhiệt độ trên phần cột thép tại t = 120 phút ……… 125

4.40 Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện cột tại các thời điểm khảo sát ……… 126 4.41 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=30 phút …… 127 4.42 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=60 phút …… 127 4.43 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 2 đầu khớp …… 128 4.44 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 2 đầu khớp … 128 4.45 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1

đầu tự do … 129 4.46 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1 đầu tự

4.47 Kết quả nhiệt độ trong cột ví dụ 4.2.4 theo ba cách tính … 130

Trên thế giới có thể kể ra nhiều vụ cháy nhà mang tính chất lịch sử như:

- Năm 2001, hai tòa nhà Trung tâm thương mại thế giới (World Trade Center) bị khủng bố, hai chiếc máy bay dân dụng đã lần lượt đâm thẳng vào tòa nhà phía Bắc

và tòa nhà phía Nam, gây nên vụ nổ lớn với nhiệt độ ở trung tâm vùng nổ là 1.500oC, làm bung hoàn toàn lớp vật liệu chống cháy bao quanh hệ kết cấu thép chịu lực Tòa nhà thứ nhất sụp đổ hoàn toàn sau 56 phút và toà nhà thứ hai cũng chỉ tồn tại thêm khoảng 30 phút nữa

1.200 Năm 2004, vụ cháy kéo dài 17 giờ đã thiêu hủy toàn bộ 20 tầng trên cùng của Trụ sở làm việc cao 50 tầng ở Caracas, Venezuela

- Vụ cháy do chập mạch điện trong quá trình sử dụng đối với tòa nhà văn phòng Windsor Building cao nhất thủ đô Madrid, Tây Ban Nha (32 tầng với chiều cao tổng cộng 106m) Tại trung tâm vùng cháy, nhiệt độ lên tới 800oC, làm sập 6 tầng nhà và gây hư hại hoàn toàn cho hệ thống lưới cột-vách chịu lực chính

- Năm 2006, vụ cháy bắt nguồn từ một trong các phân xưởng của nhà máy thép lớn nhất nước Nga Magnitogorsk ở vùng núi Ural đã nhận chìm toàn bộ phần nhà xưởng với diện tích khoảng 1.000m2, làm 5 người bị chết và gây thiệt hại rất lớn về vật chất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sản xuất của nhà máy

Ở Việt Nam, theo thống kê của Bộ Công an trong các năm gần đây, trung bình một năm xảy ra 2.200 vụ cháy (bao gồm cả cháy khu dân sự và cháy rừng), số người chết là 65 người/năm, số người bị thương là 180 người/năm, làm thiệt hại ước tính 745 tỷ/năm và 2.240ha rừng/năm [28]

Đáng kể là vụ cháy chợ Đồng Xuân 1995, vụ cháy New Century Tràng Thi 1999,

vụ cháy trung tâm thương mại quốc tế ITC thành phố Hồ Chí Minh 2002 (60 người chết, 70 người bị thương, thiệt hại 32 tỷ đồng), vụ cháy chợ Vinh đầu năm 2006, vụ cháy chợ Lớn Quy Nhơn 2006, vụ cháy trung tâm thương mại Hải Dương 2013 thiệt hại hơn 500 tỷ đồng, …

Chính do những thiệt hại lớn về sinh mạng và của cải vật chất nên vấn đề phòng chống cháy cho các công trình xây dựng là rất quan trọng Việc an toàn phòng chống cháy nhằm vào hai mục đích chính:

- Giảm tối đa những thiệt hại về sinh mạng con người trong các công trình bị cháy và các công trình lân cận

- Giảm các mất mát về của cải, tài chính trong các công trình bị cháy và giảm các ảnh hưởng tới các công trình lân cận

Để đạt hai mục đích trên, nhiều nước có chủ trương tăng chi phí phòng chống cháy để giảm thiệt hại về người và của Nhiều tổ chức nghiên cứu về phòng chống cháy trên thế giới đã được thành lập như Công ty chống cháy công trình và vật liệu chịu lửa CE của Mỹ, Hiệp hội kết cấu thép của Anh, CTICM của Pháp, TNO của

Hà Lan, Trung Quốc, Nhật Bản,….Các tài liệu, tiêu chuẩn qui định về phòng cháy, chữa cháy khi thiết kế các công trình xây dựng cũng được xuất bản: BS 5950, Part 8

- Code of practice for fire resistant design (Tiêu chuẩn Anh); EN 1993, Part 1.2 - General rules - Structural fire design; EN 1994, Part 1.2 - Composite steel and concrete structural fire design (Tiêu chuẩn Châu Âu); ASCE/SEI/SFPE 29-05, Standard calculation methods for structural fire protection (Tiêu chuẩn Mỹ)… Ở Việt Nam, vấn đề này cũng rất được quan tâm, thể hiện ở số lượng các tiêu chuẩn, tài liệu liên quan đến kỹ thuật phòng chữa cháy cho các công trình xây dựng, ví dụ như:

- TCVN 3991:2012 Tiêu chuẩn phòng cháy trong thiết kế xây dựng-Thuật định nghĩa;

ngữ TCVN 3254:1989 An toàn cháy Yêu cầu chung;

- TCVN 5305:1990 An toàn cháy Thuật ngữ và định nghĩa;

- TCVN 2622:1995 Phòng cháy, chống cháy cho nhà và công trình Yêu cầu thiết kế;

- TCVN 6160:1996 Phòng cháy và chữa cháy cho nhà cao tầng Yêu cầu thiết kế;

- TCVN 6161:1996 Phòng cháy chữa cháy cho chợ và trung tâm thương mại Yêu cầu thiết kế;

- QCVN 06:2020/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn cháy cho nhà và công trình;

- TCVN 9311:2012 (ISO 834:1999) Thử nghiệm chịu lửa;…

Đối với công trình nhà, các giải pháp phòng chống cháy được áp dụng chủ yếu là giải pháp về kiến trúc, kỹ thuật và bọc bảo vệ kết cấu chịu lực bằng các vật liệu cách nhiệt Đặc biệt, đối với vật liệu thép thì bọc bảo vệ các cấu kiện là giải pháp phổ biến nhất Các vật liệu cách nhiệt truyền thống cho kết cấu chịu lực như bê tông, gạch, thạch cao, vữa, hiện vẫn đang được sử dụng do chúng có một số đặc điểm nổi bật sau:

- Đều là các dạng vật liệu sẵn có trên thị trường Việt Nam, giá thành tương đối rẻ (khi so sánh với giá thành của các cấu kiện chịu lực chính) và dễ cấu tạo theo hình dạng của tiết diện chịu lực

- Độ an toàn và độ tin cậy cao (có thể bảo vệ kết cấu chịu lực chống lại các tác động của ngọn lửa, mặt khác chúng ít bị ăn mòn, ít bị bong hay nứt vỡ dưới tác động của môi trường xung quanh trong quá trình lắp dựng, sử dụng và khi chịu lửa)

Hiệu quả của việc sử dụng các giải pháp bọc bảo vệ được đánh giá thông qua thời gian duy trì để kết cấu chịu lực chính không đạt đến một giá trị nhiệt độ tới hạn

mà chưa phân tích trạng thái ứng xử của kết cấu, các bước tính toán chỉ dừng ở tra bảng, phụ thuộc nhiều vào bảng tra trong catalog của các nhà sản xuất vật liệu cách nhiệt Điều này sẽ gặp nhiều khó khăn khi áp dụng thiết kế cho các trường hợp

không có trong bảng tra Vì vậy việc xây dựng được quy trình thiết kế kết cấu chịu lực trong điều kiện chịu lửa, từ đó đánh giá hiệu quả của các hình thức bọc, khả năng cách nhiệt của các vật liệu bọc để lựa chọn giải pháp tối ưu cho công trình là

thực sự cần thiết Với việc chọn hướng nghiên cứu của luận án là “Đánh giá khả

năng chịu lửa của các cấu kiện thép chịu lực được bọc bảo vệ ứng dụng cho công trình nhà tại Việt Nam”, nghiên cứu sinh mong muốn góp một phần nhỏ vào

lĩnh vực nghiên cứu này, hi vọng trong tương lai không xa sẽ được ứng dụng rộng rãi và đạt hiệu quả cao

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là đề xuất quy trình tính toán khả năng chịu lực

áp dụng cho các cấu kiện dầm, cột thép tiết diện chữ I được bọc bảo vệ trong điều kiện chịu lửa, ứng dụng cho các công trình nhà, phù hợp với điều kiện xây dựng ở Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Các cấu kiện dầm thép (tiết diện chữ I) được bọc bảo vệ bằng thạch cao chống cháy dạng hình hộp và bọc vữa chống cháy quanh chu vi chịu lực theo điều kiện bền khi chịu lửa tác động 3 mặt

- Các cấu kiện cột thép (tiết diện chữ I) được bọc bảo vệ bằng thạch cao chống cháy dạng hình hộp và bọc vữa chống cháy quanh chu vi chịu lực theo điều kiện ổn định tổng thể khi chịu lửa tác động 4 mặt

Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, các dầm, cột được xem là không có giảm yếu trên suốt chiều dài cấu kiện; các liên kết hai đầu cấu kiện được xem là không đổi trong suốt quá trình chịu lửa

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết:

+ Phân tích quy trình thiết kế kết cấu chịu lực trong điều kiện chịu lửa

+ Phân tích các mô hình cháy áp dụng để tính toán nhiệt độ trên bề mặt và bên trong cấu kiện thép

+ Xây dựng chương trình tính toán quy luật phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện thép không bọc và được bọc bảo vệ trong mô hình kết cấu

+ Đề xuất phương pháp đơn giản hóa để xác định khả năng chịu lực của cấu kiện thép được bọc bảo vệ trong điều kiện chịu lửa

+ Xử lý số liệu và tổng hợp các kết quả thu được

- Phương pháp mô phỏng số:

+ Khảo sát trạng thái ứng suất-biến dạng của các cấu kiện thép (dầm, cột chữ I) được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu lửa, sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS Workbench

5 Cơ sở khoa học

- Cơ sở lý luận: hệ thống hóa các cơ sở lý thuyết về cách tính toán và quy trình thiết kế cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa, kết hợp ứng dụng với các biện pháp bọc bảo vệ phổ biến cho các công trình nhà thép tại Việt Nam

- Cơ sở thực tiễn: thu thập, đánh giá kết quả thu được từ các thí nghiệm nghiên cứu trạng thái ứng xử của các cấu kiện dầm, cột thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa đã được công bố, kết hợp với tài liệu, catalog của các nhà sản xuất và cung cấp vật liệu chống cháy cho các công trình nhà thép tại Việt Nam

6 Đóng góp của luận án

- Xây dựng phương pháp giải theo phương pháp phần tử hữu hạn và viết chương trình (trong môi trường MATLAB) để tính toán sự phân bố nhiệt độ trên cấu kiện thép theo thời gian trong không gian ba chiều

- Đề xuất quy trình tính toán khả năng chịu lực theo phương pháp đơn giản hóa,

áp dụng cho các cấu kiện dầm, cột thép tiết diện chữ I được bọc bảo vệ trong điều kiện chịu lửa Quy trình này có thể được ứng dụng theo hướng lựa chọn giải pháp bọc hiệu quả cho cấu kiện trong từng điều kiện thiết kế cụ thể

- Đánh giá trạng thái ứng xử của cấu kiện dầm, cột thép tiết diện chữ I được bọc bảo vệ bằng vữa và thạch cao chống cháy trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số (dùng phần mềm ANSYS Workbench)

- Phân tích, so sánh kết quả thu được, đề xuất phạm vi ứng dụng cho hai phương pháp trên

7 Cấu trúc và nội dung của luận án

Bên cạnh các phần mở đầu mục lục, danh mục các chữ viết tắt, ký hiệu, thuật ngữ, danh mục các bảng biểu, danh mục các hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, tài liệu tham khảo, các công trình khoa học đã công bố, nội dung chính của luận án được trình bày gồm 4 chương và phần kết luận:

Chương 1 Tổng quan về các giải pháp bọc bảo vệ kết cấu thép và các phương pháp tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa ứng dụng cho các công trình nhà

Nội dung chính của chương 1 là trình bày tổng quan về các giải pháp bọc bảo vệ cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa, ứng dụng cho các công trình nhà ở Việt Nam

và tổng quan về quy trình tính toán cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa cũng như các kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới và ở Việt Nam về vấn đề này

Chương 2 Phương pháp giải bài toán truyền nhiệt trong các cấu kiện thép

Nội dung chính của chương 2 là phân tích bản chất của quá trình truyền nhiệt, mối quan hệ giữa mô hình cháy và mô hình kết cấu trong bài toán tính toán nhiệt

độ Bên cạnh đó, chương 2 trình bày thuật toán DT3D (chạy trong môi trường MATLAB) tính toán sự lan truyền nhiệt bên trong các cấu kiện dầm, cột thép chữ I không bọc và được bọc bảo vệ trong không gian ba chiều (trên tiết diện và dọc chiều dài cấu kiện) Kết quả của bài toán là nhiệt độ thu được tại một vị trí bất kỳ trên cấu kiện trong quá trình khảo sát

Chương 2 thể hiện độ tin cậy của thuật toán dựa trên việc kiểm chứng với các thí nghiệm đã được thực hiện

Chương 3 Xác định khả năng chịu lực của cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa

Nội dung chính của chương 3 là đề xuất quy trình tính toán khả năng chịu lực của các cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp đơn giản hóa SDM Trong phương pháp này, kết quả của thuật toán DT3D được dùng tính toán nhiệt

độ trong cấu kiện dầm, cột; từ đó ứng dụng các công thức trong EN1993-1-2:2005

để xác định khả năng chịu lực (thông qua việc xác định giá trị nội lực tới hạn của cấu kiện) tại một thời điểm cho trước

Một số ví dụ về tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện dầm, cột (tiết diện chữ I) được bọc bảo vệ bằng thạch cao chống cháy và vữa chống cháy áp dụng quy trình thiết kế theo SDM được trình bày trong chương 3 Từ đó rút ra được các kết luận về hướng lựa chọn giải pháp và vật liệu bọc hiệu quả

Chương 4 Đánh giá khả năng chịu lực của cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số

Nội dung chính của chương 4 là thực hiện mô phỏng (dùng phần mềm ANSYS Workbench) để khảo sát trạng thái ứng suất-biến dạng và khả năng chịu lực của các cấu kiện dầm, cột thép (tiết diện chữ I) được bọc bảo vệ trong điều kiện chịu lửa Hai mô hình bài toán nhiệt Thermal Analysis và bài toán kết cấu Structural Analysis được giới thiệu để phân tích kết cấu Mô hình Eigenvalue Buckling cũng được đề cập đến trong bài toán phân tích trạng thái làm việc của cột theo điều kiện ổn định tổng thể

Từ các kết quả thu được, nhận xét so sánh giữa phương pháp SDM và phương pháp mô phỏng số, phân tích phạm vi áp dụng của từng phương pháp, đưa ra kết luận về hiệu quả của các hình thức bọc tương ứng với các bậc chịu lửa theo tiêu chuẩn Việt Nam

Kết luận Các kết quả chính đạt được và hướng phát triển của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BỌC BẢO VỆ KẾT CẤU THÉP

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU TRONG ĐIỀU KIỆN CHỊU LỬA ỨNG DỤNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH NHÀ 1.1 Tổng quan về các giải pháp bọc bảo vệ kết cấu thép ứng dụng cho các công trình nhà

1.1.1 Các giải pháp thiết kế phòng chống cháy cho các công trình nhà

Ở Việt Nam hiện nay, các giải pháp thiết kế phòng chống cháy cho các công trình nhà được chia thành ba loại:

- Các giải pháp về kiến trúc: biện pháp này đề ra những quy định rất nghiêm ngặt

từ công tác quy hoạch mặt bằng xây dựng đến công tác thiết kế kiến trúc trong công trình, phụ thuộc nhiều vào chức năng sử dụng của công trình, địa điểm xây dựng và điều kiện khí hậu, thông gió

- Các giải pháp về kỹ thuật: bằng việc áp dụng công nghệ cao trong việc thiết kế đồng bộ hai hệ thống kỹ thuật là hệ thống phòng cháy và hệ thống chữa cháy, các biện pháp này đang được xem là có hiệu quả nhất Hai hệ thống này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ việc ngăn chặn nguồn cháy, phát hiện đám cháy đến việc tổ chức một quy trình dập tắt đám cháy có tính hệ thống cao

- Các giải pháp về kết cấu: hình thức bọc hệ kết cấu chịu lực bằng các vật liệu cách nhiệt được ứng dụng rộng rãi nhất Các đặc điểm nổi bật của hình thức này là

dễ cấu tạo theo hình dạng của tiết diện chịu lực; độ an toàn và độ tin cậy cao (có thể bảo vệ kết cấu chịu lực chống lại các tác động của ngọn lửa, mặt khác ít bị ăn mòn,

ít bị bong hay nứt vỡ dưới tác động của môi trường xung quanh trong quá trình lắp dựng, sử dụng và khi chịu lửa)

Đối với kết cấu thép là dạng vật liệu chịu nhiệt kém, các hình thức bọc tăng cường khả năng chịu lửa cho kết cấu thép đã trở nên rất thông dụng Có rất nhiều các dạng vật liệu cách nhiệt khác nhau đã được sử dụng như bê tông chịu nhiệt, thạch cao chống cháy, vữa chống cháy, sơn chống cháy, và tương ứng là các hình thức bọc khác nhau Thực tế cho thấy các dạng vật liệu này đều cho hiệu quả cách

nhiệt cao, tuy nhiên đối với các công trình nhà (đặc biệt là nhà cao tầng) thì bê tông cách nhiệt chưa phải là giải pháp tối ưu, vì làm cho tăng trọng lượng của hệ kết cấu thép chịu lực chính, ảnh hưởng đến nền móng Sơn chống cháy là dạng vật liệu có tính chất hóa học thay đổi trong quá trình chịu lửa, dẫn đến những khác biệt về phương pháp nghiên cứu Trong phạm vi của luận án, các hình thức là bọc bằng thạch cao chống cháy và vữa chống cháy được nghiên cứu cụ thể, đây cũng là hai hình thức có trọng lượng nhẹ (khi so sánh với trọng lượng của bê tông cách nhiệt) nên không làm ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu và giá thành tương đối hợp lý (khi

so sánh với giá thành của các cấu kiện chịu lực chính và giải pháp sơn chống cháy)

1.1.2 Vật liệu thạch cao chống cháy

1.1.2.1 Quy trình sản xuất thạch cao chống cháy

Thạch cao là một dạng vật liệu truyền thống, được sử dụng rộng rãi trong đời sống và sự phát triển của con người như làm thuốc trong y học, làm thực phẩm,…

và đặc biệt trong ngành xây dựng bởi các tính năng bền vững, ngăn lửa, cách nhiệt, cách âm, chống thấm,… của nó

Hình 1.1a Sản phẩm thạch cao chống cháy Hình 1.1b Mặt cắt tấm thạch cao

Trong lĩnh vực chống cháy, thạch cao đang là vật liệu chiếm ưu thế lớn Công nghệ chủ yếu trong sản xuất thạch cao chống cháy là tạo ra cấu trúc rỗng lớn với các lỗ rỗng có đặc trưng mong muốn Trong thực tế, có thể dùng các cách sau đây:

- Trộn hỗn hợp thạch cao với chất tạo khí sẽ thu được sản phẩm thạch cao khí Bản chất của phương pháp này là chất khí sinh ra từ phản ứng hóa học giữa thạch

cao và chất tạo khí ở cả nhiệt độ thường và nhiệt độ cao đều có tác dụng nở phồng tạo ra cấu trúc rỗng

- Trộn hỗn hợp thạch cao với chất tạo bọt hoặc phụ gia cuốn khí và nước sẽ thu được sản phẩm thạch cao bọt Chất tạo bọt và phụ gia cuốn khí là chất hoạt động bề mặt có tác dụng làm cho các bọt khí tồn tại được bên trong lòng hỗn hợp dưới dạng các bọt nhỏ li ti mà không bị vỡ và đẩy ra ngoài

Tính chất cơ lý và nhiệt vật lý của thạch cao bọt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

tỷ lệ nước - thạch cao, lượng bọt, các chất phụ gia,… Thạch cao bọt được chế tạo thành tấm từ công đoạn đổ hoặc bơm hỗn hợp vào khuôn, sau đó có thể để nguyên tấm hoặc cắt thành những tấm nhỏ có kích thước khác nhau tùy thuộc yêu cầu sử dụng Công nghệ sản xuất thạch cao bọt đã được nghiên cứu và áp dụng thành công

ở nước ta, tuy nhiên công nghệ này phức tạp hon so với công nghệ sản xuất thạch cao khí vì nguồn bọt chủ yếu phải nhập khẩu

- Sử dụng cốt sợi, sự đan xen vô hướng của cốt sợi trong thạch cao sẽ hình thành

lỗ rỗng Để tăng hiệu quả của phương pháp này, người ta thường áp dụng kết hợp với chất tạo bọt

Cốt sợi trong thạch cao có nhiều loại, phổ biến nhất là sợi thủy tinh, sợi amiang, sợi tổng hợp Yêu cầu cơ bản của cốt sợi là có độ bền và khả năng bám dính cao, vì vậy, ưu điểm vượt trội của thạch cao cốt sợi là cách nhiệt, cách âm, chịu kéo uốn tốt, chống va đập tốt Chính sự có mặt của cốt sợi làm giảm đáng kể hiện tượng biến đổi thể tích của thạch cao trong quá trình rắn chắc hay các quá trình thay đổi nhiệt

độ, thay đổi độ ẩm, có tác dụng đảm bảo sự toàn vẹn của sản phẩm trong đám cháy, điều này làm tăng tuổi thọ của thạch cao cốt sợi

1.1.2.2 Cơ chế làm việc của vật liệu thạch cao chống cháy

Trong thành phần thạch cao có 21% khối lượng là nước và 79% khối lượng là thạch cao khan Hợp chất này hoàn toàn không có phản ứng hóa học ở nhiệt độ dưới

1200oC Khi đám cháy xảy ra, đầu tiên các phân tử nước kết tinh sẽ hấp thụ nhiệt rồi được giải phóng ra dưới dạng hơi nước Đây là hiện tượng canxi hóa, chính quá trình hấp thụ nhiệt và giải phóng các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt từ mặt tiếp xúc trực tiếp với lửa sang mặt kia của tấm, tạo hiệu quả cách nhiệt cho tấm

Quá trình này diễn ra dần dần từ mặt ngoài vào sâu bên trong của lõi tấm thạch cao Khi toàn bộ lượng nước kết tinh này đã bị tách ra, phần thạch cao khan còn lại

- là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp - sẽ đóng vai trò là một vật liệu cách nhiệt, tiếp tục góp phần làm giảm quá trình lan truyền nhiệt Sau khi tấm thạch cao không còn giữ được sự toàn vẹn, cả hệ thống bị phá hỏng và ngọn lửa mới có thể lan rộng, ảnh hưởng trực tiếp đến kết cấu chịu lực bên trong

Trong các tính toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của thạch cao chống cháy có thể thay đổi từ 0,2-0,25 W/moC [10, 45]

1.1.2.3 Các hình thức cấu tạo bọc cấu kiện thép bằng tấm thạch cao chống cháy

Hiện nay có ba hình thức bảo vệ phổ biến, áp dụng chung cho cả cấu kiện chịu uốn và cấu kiện chịu kéo, nén:

Hình 1.2 Các hình thức bọc cấu kiện thép chịu lực bằng tấm thạch cao

- Bảo vệ một mặt, tấm thạch cao được cấu tạo ốp vào một mặt của tiết diện (hình 1.2a) Hình thức này rất thông dụng vì tấm thạch cao đóng luôn vai trò là hệ trần chống cháy cho dầm thép hoặc hệ tường, vách ngăn chống cháy cho cột thép Khi

đó, tấm thạch cao vừa có nhiệm vụ bảo vệ cấu kiện chịu lực chính, vừa thực hiện việc phân vùng ngăn ngừa sự lan truyền cháy sang các khu vực lân cận, giảm mức

độ lan rộng của đám cháy Sản phẩm thạch cao cốt sợi thích hợp cho hình thức bảo

vệ này Cấu tạo tấm thạch cao dạng vách, tường được thể hiện trên hình 1.3, chiều dày trung bình 90mm, bao gồm hai bề mặt là tấm thạch cao cốt sợi vải thủy tinh, ở giữa là hệ khung xương liên kết và lớp bông thủy tinh cách nhiệt

- Bảo vệ dạng hộp, tấm thạch cao chạy vòng quanh tiết diện theo một hình chữ nhật ngoại tiếp (hình 1.2b, 1.4) Trong thực tế, người ta có thể cấu tạo thêm các lỗ hổng không khí xung quanh tiết diện để tăng mức độ đối lưu không khí Vì khả

năng truyền nhiệt của thạch cao kém hơn so với thép nên phần nhiệt độ ở trong khu vực bao kín bởi hộp bảo vệ được xem là phân bố đều Khi đó, chu vi đốt nóng 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

Hình 1.3 Cấu tạo tấm thạch cao dạng vách, tường

Hình 1.4 Cấu tạo ốp tấm thạch cao dạng hình hộp

- Bảo vệ theo chu vi, tức là tấm thạch cao được ốp theo suốt chu vi của tiết diện (hình 1.2c) Đây là hình thức bảo vệ có lợi nhất cho kết cấu thép vì tận dụng tối đa khả năng cách nhiệt của thạch cao và không có bộ phận nào của cấu kiện tiếp xúc

trực tiếp với ngọn lửa hoặc luồng không khí nóng Tuy nhiên giải pháp thi công lắp dựng dạng chu vi rất phức tạp, nhiều chi tiết nhỏ cần phải gia công nên hình thức bảo vệ này không được sử dụng phổ biến như hai hình thức trên Người ta thường

sử dụng sản phẩm thạch cao khí và thạch cao bọt cho hai hình thức cấu tạo này Chiều dày tối thiểu tấm thạch cao cấu tạo bảo vệ dạng hộp và bảo vệ theo chu vi là 9mm Các độ dày phổ biến là 9mm; 13mm; 16mm

Hình 1.5 Bọc hệ giàn thép bằng tấm thạch cao chống cháy (Bảo tàng Hà Nội)

Trên thị trường Việt Nam có một số nhà cung cấp tấm thạch cao chống cháy, phổ biến như Vĩnh Tường với tấm thạch cao Gyproc, USG với tấm thạch cao Boral, Krauf với tấm thạch cao chống cháy Krauf FireShield,…khả năng chống cháy trung bình 1-2 giờ Có thể kể ra một số công trình xây dựng ở Việt Nam đang sử dụng tấm thạch cao chống cháy:

- Dự án LG Display (Hải Phòng): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy, thời gian chịu lửa 60-120 phút

- Tổ hợp công nghệ cao Samsung (Bắc Ninh): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy hình thành khoang cháy, thời gian chịu lửa 120 phút

- Nhà máy Samsung Mobile (Thái Nguyên): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy, thời gian chịu lửa 60-120 phút

- Trung tâm Hội nghị quốc gia (Hà Nội): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy,

ốp thạch cao chống cháy bảo vệ cấu kiện thép, thời gian chịu lửa 150 phút

- Bảo tàng Hà Nội (Hà Nội): ốp bảo vệ thạch cao chống cháy bảo vệ cấu kiện thép, thời gian chịu lửa 120 phút

- Tòa nhà Keangnam (Hà Nội): sử dụng tấm thạch cao chống cháy cho hệ thống

vách ngăn và trần, thời gian chịu lửa 120 phút…

1.1.3 Vật liệu vữa chống cháy

Vữa chống cháy có thành phần hóa học chính là các chất khoáng tự nhiên, xi măng và các chất phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ ghép cốp pha Các phương pháp này thi công tương đối nhanh, lại không gặp phải những vấn đề khó khăn khi cố định các tấm panel, tấm tường, tấm sàn cứng xung quanh các chi tiết liên kết phức tạp Chúng thường được ứng dụng tại những vùng cấu kiện bị khuất, không quá đề cao vai trò của yếu tố thẩm mỹ

(a) Thi công bằng phương pháp phun b) Thi công bằng phương pháp trát

c) Lắp lưới thép gia cường trước khi thi công vữa chống cháy

Hình 1.6 Thi công vữa chống cháy

Sau khi thi công, vữa chống cháy tạo nên một lớp phủ rắn, có khả năng chịu được sự tác động nhiệt của các đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt là dạng lửa phun Tuỳ theo yêu cầu điều kiện sử dụng có thể chọn lựa các mác vữa chống cháy thích ứng với bề mặt phức tạp khác nhau, các góc cạnh của kết cấu và

có khả năng chống giãn nở rất tốt

Khác so với thạch cao, vữa chống cháy chỉ có một hình thức bảo vệ duy nhất là bọc theo chu vi của cấu kiện Về phương thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống cháy có thể bám dính trực tiếp lên bề mặt kết cấu thép hoặc có thêm lưới thép gia cường Độ dày tối thiểu của một lớp vữa bám dính trực tiếp là 14mm, của lớp vữa có lưới thép gia cường là 50mm Trong các tính toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của vữa chống cháy có thể thay đổi từ 0,15-0,25 W/mK [10] So với thạch cao chống cháy, vữa chống cháy phù hợp cho các công trình công nghiệp

có quy mô lớn, thời gian chịu lửa dài hơn Các sản phẩm vữa chống cháy phổ biến trên thị trường Việt Nam là các thương hiệu vữa Cemgum, Vermiculite, Esscoat, Isolatek,

Hình 1.7 Thi công bọc vữa chống cháy cho cột thép (Tổ hợp hóa dầu Long Sơn)

Có thể kể ra một số công trình xây dựng ở Việt Nam đang sử dụng vữa chống cháy:

- Dự án sản xuất polypropylene và kho chứa dầu khí mỏ hóa lỏng Hyosung (Bà Rịa Vũng Tàu): bọc vữa chống cháy bảo vệ kết cấu thép, thời gian chịu lửa 150 phút

- Dự án tổ hợp hóa dầu Long Sơn (Bà Rịa Vũng Tàu): bọc vữa chống cháy bảo

vệ kết cấu thép, thời gian chịu lửa 150 phút

- Nhà máy Hyosung Financial System Vina (Bắc Ninh): bọc vữa chống cháy hệ ống gió nhà xưởng, thời gian chịu lửa 120 phút…

1.2 Tổng quan về quy trình tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa

1.2.1 Bài toán tính toán kết cấu thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa

Quy trình tính toán, thiết kế các cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa (điều kiện chịu cháy) cần thực hiện các bước sau:

- Phân tích đám cháy trong không gian cháy, gắn liền với mô hình cháy

- Phân tích sự lan truyền nhiệt từ bề mặt kết cấu đến các điểm bên trong kết cấu, gắn liền với mô hình kết cấu Ảnh hưởng của hình thức bọc bảo vệ sẽ thể hiện rõ rệt trong bước này, với mục đích làm giảm tối đa nhiệt độ chạm đến kết cấu chịu lực chính

- Phân tích ứng xử ứng suất-biến dạng, từ đó đưa ra nhận xét, kết luận về khả năng chịu lực của kết cấu trong điều kiện chịu lửa tương ứng với các thời gian chịu lửa tiêu chuẩn

Các bước thứ hai và thứ ba là nội dung cơ bản của luận án, sẽ được đề cập cụ thể trong các chương sau Tuy nhiên, về mặt tổng quan cả ba bước cần được nghiên cứu

và phân tích dựa trên các yếu tố sau:

1.2.2 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong mô hình cháy

Quá trình lan truyền nhiệt là đặc điểm cơ bản của một đám cháy, sự biến thiên của quá trình này (thể hiện ở quy luật phân bố và biến thiên nhiệt độ) sẽ quyết định trạng thái tồn tại của ngọn lửa từ khi bắt đầu bùng lên, duy trì rồi tàn đi Nhiệt độ trong đám cháy thường phụ thuộc vào nguyên nhân gây cháy, điều kiện thông gió

và một số đặc tính như khả năng hấp thụ nhiệt, khả năng truyền nhiệt của các cấu kiện bao che (tường, mái, vách ngăn),

Trong một không gian cháy nhỏ, nhiệt độ tại một thời điểm nhất định được xem

là không đổi và phân bố đều lên toàn bộ không gian cháy Giá trị này được xác định

từ các phương trình cân bằng nhiệt lượng và khối lượng sau:

* Nhiệt lượng tăng lên trong không khí của không gian cháy = nhiệt lượng được tạo ra từ nhiên liệu gây cháy - nhiệt lượng thoát ra ngoài (thông qua tường, mái hoặc các ô mở)

* Khối lượng của phần không khí thoát ra khỏi không gian cháy (thông qua các ô mở) = khối lượng của phần không khí thu vào + khối lượng của phần nhiên liệu bị đốt cháy

Còn khi đám cháy xảy ra trong một không gian lớn, nó không thể tác dụng đồng đều và gây tác hại lên toàn bộ không gian đó Người ta cũng áp dụng những phương trình cân bằng về nhiệt lượng và khối lượng tương tự như khi nghiên cứu các đám cháy trong không gian nhỏ nhưng có xét thêm đến tác động trao đổi không khí và nhiệt lượng giữa phần trực tiếp cháy và phần không gian còn lại

Để nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình thay đổi nhiệt độ trong một không gian cháy, người ta có thể xây dựng ba dạng mô hình cháy khác nhau: mô hình cháy danh nghĩa, mô hình cháy tham biến, mô hình cháy thực tế

1.2.2.1 Mô hình cháy danh nghĩa

Mô hình cháy danh nghĩa được thể hiện bằng cách biểu diễn mối liên hệ nhiệt độ

- thời gian trong quá trình cháy Qua đó, ta xác định được nhiệt độ trung bình của quá trình cháy trong một không gian nhỏ Đặc điểm của mô hình cháy danh nghĩa là các yếu tố đầu vào tác động đến đám cháy được giữ nguyên trong suốt quá trình cháy và không xét đến các yếu tố thêm vào có thể gây tác động tiêu cực (xu hướng thổi bùng đám cháy) hoặc tích cực (xu hướng dập tắt đám cháy) Vì vậy, mô hình này rất dễ thực hiện nhưng phản ánh không chính xác những hiện tượng xảy ra trong thực tế Những mô hình cháy danh nghĩa trong ISO hiện nay chủ yếu được xây dựng dựa trên cơ sở các đám cháy của vật liệu hydrocarbon và cellulose (hình 1.8) Đường cong nhiệt độ-thời gian được mô tả theo công thức [34,56]:

20 ) 1 t 8 ( log 345

trong đó: T là nhiệt độ thu được (oC) tại thời điểm t (phút)

Hình 1.8 Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian theo mô hình cháy danh nghĩa [56] 1.2.2.2 Mô hình cháy tham biến

Trong mô hình này, một số tham số biến thiên được đưa vào để mô tả sự phát triển nhiệt độ theo thời gian một cách thực tế hơn Khi đó, mối quan hệ nhiệt độ - thời gian không còn là đường cong trơn mà có dạng như hình 1.9; phụ thuộc vào tác động thay đổi của gió thông qua ô mở, lỗ thông hơi, tác động thay đổi của khối lượng vật liệu cháy, sự thay đổi của tải trọng cháy… Mô hình này áp dụng cho những không gian cháy có kích thước nhỏ với giả thiết chấp nhận sự phân bố đều

tải trọng hoả hoạn và nhiệt độ trong quá trình cháy

70 60

50 40

30 20

10 0

200 400 600

800 1000 1200

1.2.2.3 Mô hình cháy thực tế

Mô hình cháy thực tế cho phép đánh giá sự vận động của đám cháy trong trường hợp ảnh hưởng của nó không phân bố đều trong không gian cháy, như trên hình 1.10 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian được phân tích phụ thuộc vào vị trí phát sinh đám cháy, quy luật phát triển của đám cháy, quy luật phân vùng ảnh hưởng trong không gian cháy (phụ thuộc vào hình dạng, kích thước không gian cháy, vị trí

ô mở, lỗ thông hơi, vị trí sắp xếp các đồ vật bắt cháy,…) và quy luật biến thiên tốc

độ gió tác động lên không gian cháy

Th«ng h¬i

VÞ trÝ g©y ch¸y

¤ më Vïng khÝ nãng

Vïng ch¸y Vïng Êm Vïng nãng

Hình 1.10 Ví dụ về ảnh hưởng không đều của đám cháy trong không gian cháy [6]

Hình 1.11 Các mô hình cháy được mô tả trong không gian mẫu của FDS [56]

Mô hình này được xem là phù hợp và gần sát nhất với các đám cháy tự nhiên, tuy nhiên các thông số đầu vào tương đối phức tạp Ngày nay, mô hình cháy thực tế ngày càng hoàn thiện với sự trợ giúp của các chương trình phần mềm máy tính hiện

đại, tiêu biểu nhất cần kể đến là FDS (Fire Dynamics Simulator) Phần mềm FDS [56] là một phần mềm mô hình riêng về lửa, nằm trong hệ thống phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamic) thuộc bản quyền của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST), phiên bản đầu tiên được phát hành tháng 2 năm 2000 FDS áp dụng đường chia lưới không gian mẫu (có thể là một căn phòng, một khu vực chức năng hay cả một tòa nhà) thành các vùng nhỏ, rồi thực hiện giải hệ phương trình vi phân Navier - Stokes phụ thuộc biến thời gian đối với mỗi vùng nhỏ Thông tin đầu vào bao gồm: hình dáng chi tiết không gian mẫu, dạng kết cấu (tường, sàn, trần, kết cấu chịu lực chính, ), số lượng và kích thước lỗ thông hơi, đặc điểm đồ đạc trong phòng, đặc điểm chất cháy, các tham số bức xạ, tham số đối lưu…Thông tin đầu ra là tốc độ hoặc chuyển động của dòng nhiệt và khói, độ cao tầng khói, nồng độ khí và sự biến thiên nhiệt độ bề mặt tại các vị trí cần nghiên cứu theo thời gian Kết quả thu được từ FDS là điều kiện biên để xác định nhiệt độ truyền vào bên trong kết cấu

1.2.3 Sự biến thiên nhiệt độ bên trong cấu kiện thép theo mô hình kết cấu

Với điều kiện biên là nhiệt độ trên bề mặt cấu kiện thép không bọc hoặc được bọc bảo vệ, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để xác định sự biến thiên nhiệt độ bên trong cấu kiện thép trong mô hình kết cấu Đây là mô hình tách riêng kết cấu khỏi không gian cháy để phân tích nguyên tắc dẫn nhiệt và ứng xử cơ lý của kết cấu trong điều kiện vừa chịu lực và chịu tác động của nhiệt độ Trong không gian ba chiều, nguyên tắc dẫn nhiệt được mô tả với phương trình cơ bản [49]:

t

T C z

T y

T x

¶

¶+

2 2

2

trong đó: T là nhiệt độ thu được tại thời điểm t ;

x, y, z là tọa độ trong không gian ba chiều

r, C, l lần lượt là là tỷ trọng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt của vật

liệu đang xét Trong chương 2 và chương 4 của luận án, nghiên cứu sinh trình bày thuật toán lý thuyết áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán nhiệt độ phân bố trong cấu kiện thép trong quá trình cháy và giới thiệu về phần mềm mô phỏng số ANSYS

[60] ANSYS là phần mềm của công ty Phần mềm ANSYS (Hoa Kỳ) phát triển, dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác dụng của các dạng tác động khác nhau Khi các thông tin đầu vào được định nghĩa cụ thể và rõ ràng, kết quả thu được từ những phép phân tích của ANSYS cho độ tin cậy rất cao

Hình 1.12 Kết quả biến thiên nhiệt độ trong một mô phỏng của ANSYS

1.2.4 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 [34,35]:

- Tiêu chuẩn về tính toàn vẹn (E): các vết nứt, các lỗ hổng không được phép xuất

hiện trong kết cấu vì chúng 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 trực tiếp tiếp xúc với lửa không được vượt quá nhiệt độ tới hạn

- 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, các số liệu kết quả thu được được xử lý 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 ≥ t fi

- 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 ≥ E fi,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 q cr,d ≥ q

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

- Phương pháp tính toán đơn giản hóa: đây là phương pháp tính nhanh gọn, các công thức xác định nhiệt độ tới hạn, thời gian chịu lửa tới hạn, khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện đều được thực hiện khi xem nhiệt độ là phân bố đều trên toàn tiết diện tại một thời điểm cho trước, áp dụng cho các cấu kiện điển hình

- Phương pháp tra bảng, tự động hóa quy trình tính đơn giản, kết quả được thể hiện thông qua các bảng tra dữ liệu, áp dụng cho các cấu kiện điển hình

- Phương pháp tính toán hiện đại, xét đồng thời sự thay đổi của rất nhiều các thông số cơ - nhiệt theo nhiệt độ và thời gian Đây là phương pháp phức tạp, có thể đánh giá sự làm việc của những cấu kiện riêng biệt, một phần của hệ kết cấu hay cả một kết cấu tổng thể

1.2.5 Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa [33]

Thực tế đã chứng minh rằng xác suất để đám cháy lớn sinh ra, tồn tại đồng thời với mật độ tải trọng lớn tác dụng lên kết cấu là nhỏ EN 1991-1-2:2002 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: khi tính toán chịu lửa, Gk vẫn được xét đến một cách

nguyên vẹn, không điều chỉnh

- Hoạt tải: vì lửa được xét là một tác động có tính tai nạn đối với kết cấu xây

dựng nên giá trị hoạt tải giảm đi bằng cách nhân Qk với một hệ số tổ hợp y 1 có trị

số biến thiên từ 0,5 đến 0,9; phụ thuộc vào chức năng sử dụng của công trình

- Các tác động gián tiếp do lửa gây ra Ad

Tải trọng tổng cộng được xác định theo công thức sau:

d i k

i i k

k GA

³ 2 1, ,1

, 1 ,

y