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

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 m

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

-& -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 cứucủa 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.

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) bịkhủng bố, hai chiếc máy bay dân dụng đã lần lượt đâm thẳng vào tòa nhà phía Bắc và tòanhà phía Nam, gây nên vụ nổ lớn với nhiệt độ ở trung tâm vùng nổ là 1.200-

1.500oC, làm bung hoàn toàn lớp vật liệu chống cháy bao quanh hệ kết cấu thépchịu lực Tòa nhà thứ nhất sụp đổ hoàn toàn sau 56 phút và toà nhà thứ hai cũng chỉtồn tại thêm khoảng 30 phút nữa

- 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 phòngWindsor Building cao nhất thủ đô Madrid, Tây Ban Nha (32 tầng với chiều cao tổngcộng 106m) Tại trung tâm vùng cháy, nhiệt độ lên tới 800oC, làm sập 6 tầng nhà vàgây 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 théplớn 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

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 ngườichết, 70 người bị thương, thiệt hại 32 tỷ đồng), vụ cháy chợ Vinh đầu năm 2006, vụcháy chợ Lớn Quy Nhơn 2006, vụ cháy trung tâm thương mại Hải Dương 2013 thiệthại hơn 500 tỷ đồng, …

Chính do những thiệt hại lớn về sinh mạng và của cải vật chất nên vấn đề phòngchống cháy cho các công trình xây dựng là rất quan trọng Việc an toàn phòngchống 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 cácảnh hưởng tới các công trình lân cận

Để đạt hai mục đích trên, nhiều nước có chủ trương tăng chi phí phòng chốngcháy để giảm thiệt hại về người và của Nhiều tổ chức nghiên cứu về phòng chốngcháy trên thế giới đã được thành lập như Công ty chống cháy công trình và vật liệuchịu lửa CE của Mỹ, Hiệp hội kết cấu thép của Anh, CTICM của Pháp, TNO của HàLan, 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 concretestructural fire design (Tiêu chuẩn Châu Âu); ASCE/SEI/SFPE 29-05, Standardcalculation 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 thiếtkế;

- 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 làgiải pháp về kiến trúc, kỹ thuật và bọc bảo vệ kết cấu chịu lực bằng các vật liệu cáchnhiệt Đặc biệt, đối với vật liệu thép thì bọc bảo vệ các cấu kiện là giải pháp phổbiến 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 điểmnổi 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 dạngcủa tiết diện chịu lực

- Độ an toàn và độ tin cậy cao (có thể bảo vệ kết cấu chịu lực chống lại các tácđộng của ngọn lửa, mặt khác chúng ít bị ăn mòn, ít bị bong hay nứt vỡ dưới tác động củamôi 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 thờigian duy trì để kết cấu chịu lực chính không đạt đến một giá trị nhiệt độ tới hạn màchưa phân tích trạng thái ứng xử của kết cấu, các bước tính toán chỉ dừng ở trabảng, phụ thuộc nhiều vào bảng tra trong catalog của các nhà sản xuất vật liệu cáchnhiệt 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 chịulực trong điều kiện chịu lửa, từ đó đánh giá hiệu quả của các hình thức bọc, khảnăng 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 rộngrãi 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 điềukiện chịu lửa, ứng dụng cho các công trình nhà, phù hợp với điều kiện xây dựng ởViệt 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 chốngcháy dạng hình hộp và bọc vữa chống cháy quanh chu vi chịu lực theo điều kiện bền khichịu lửa tác động 3 mặt

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

Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, các dầm, cột được xem là không có giảmyếu trên suốt chiều dài cấu kiện; các liên kết hai đầu cấu kiện được xem là khôngđổi 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 ANSYSWorkbench

5 Cơ sở khoa học

- Cơ sở lý luận: hệ thống hóa các cơ sở lý thuyết về cách tính toán và quy trìnhthiết kế cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa, kết hợp ứng dụng với các biệnpháp 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 nghiêncứu trạng thái ứng xử của các cấu kiện dầm, cột thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa đãđược công bố, kết hợp với tài liệu, catalog của các nhà sản xuất và cung cấp vật liệuchống 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 chươngtrình (trong môi trường MATLAB) để tính toán sự phân bố nhiệt độ trên cấu kiện théptheo 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 kiệnchịu lửa Quy trình này có thể được ứng dụng theo hướng lựa chọn giải pháp bọc hiệuquả 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 bọcbảo vệ bằng vữa và thạch cao chống cháy trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp môphỏng 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, thuậtngữ, danh mục các bảng biểu, danh mục các hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, tài liệu thamkhảo, các công trình khoa học đã công bố, nội dung chính của luận án được trìnhbày 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 vệcấu 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 lửacũng như các kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới và ở Việt Nam về vấn đềnày

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 trườngMATLAB) tính toán sự lan truyền nhiệt bên trong các cấu kiện dầm, cột thép chữ Ikhông bọc và được bọc bảo vệ trong không gian ba chiều (trên tiết diện và dọc chiềudài cấu kiện) Kết quả của bài toán là nhiệt độ thu được tại một vị trí bất kỳ trên cấukiện trong quá trình khảo sát

Chương 2 thể hiện độ tin cậy của thuật toán dựa trên việc kiểm chứng với các thínghiệm 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 củacác 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 chữI) được bọc bảo vệ bằng thạch cao chống cháy và vữa chống cháy áp dụng quy trìnhthiết kế theo SDM được trình bày trong chương 3 Từ đó rút ra được các kết luận vềhướng 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 ANSYSWorkbench) để khảo sát trạng thái ứng suất-biến dạng và khả năng chịu lực của cáccấu 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 Analysisđược giới thiệu để phân tích kết cấu Mô hình Eigenvalue Buckling cũng được đềcập đến trong bài toán phân tích trạng thái làm việc của cột theo điều kiện ổn địnhtổng thể

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

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

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 côngtrình, phụ thuộc nhiều vào chức năng sử dụng của công trình, địa điểm xây dựng vàđiều kiện khí hậu, thông gió

- Các giải pháp về kỹ thuật: bằng việc áp dụng công nghệ cao trong việc thiết kếđồng bộ hai hệ thống kỹ thuật là hệ thống phòng cháy và hệ thống chữa cháy, cácbiện pháp này đang được xem là có hiệu quả nhất Hai hệ thống này được sử dụngtrong nhiều lĩnh vực từ việc ngăn chặn nguồn cháy, phát hiện đám cháy đến việc tổchức 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 liệucách 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 thểbảo 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 lắpdựng, sử dụng và khi chịu lửa)

Đối với kết cấu thép là dạng vật liệu chịu nhiệt kém, các hình thức bọc tăngcường khả năng chịu lửa cho kết cấu thép đã trở nên rất thông dụng Có rất nhiềucác 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 hìnhthức 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 tôngcách nhiệt chưa phải là giải pháp tối ưu, vì làm cho tăng trọng lượng của hệ kết cấuthép chịu lực chính, ảnh hưởng đến nền móng Sơn chống cháy là dạng vật liệu cótính chất hóa học thay đổi trong quá trình chịu lửa, dẫn đến những khác biệt vềphương pháp nghiên cứu Trong phạm vi của luận án, các hình thức là bọc bằngthạch cao chống cháy và vữa chống cháy được nghiên cứu cụ thể, đây cũng là haihình 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 đờisống 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 Côngnghệ 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

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 tạothành tấm từ công đoạn đổ hoặc bơm hỗn hợp vào khuôn, sau đó có thể để nguyêntấm hoặc cắt thành những tấm nhỏ có kích thước khác nhau tùy thuộc yêu cầu sửdụng 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 vớichất 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, vìvậy, ưu điểm vượt trội của thạch cao cốt sợi là cách nhiệt, cách âm, chịu kéo uốntốt, chống va đập tốt Chính sự có mặt của cốt sợi làm giảm đáng kể hiện tượng biếnđổi 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 làthạch 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 rồiđược giải phóng ra dưới dạng hơi nước Đây là hiện tượng canxi hóa, chính quátrình hấp thụ nhiệt và giải phóng các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt từmặt 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 còngiữ được sự toàn vẹn, cả hệ thống bị phá hỏng và ngọn lửa mới có thể lan rộng, ảnhhưởng trực tiếp đến kết cấu chịu lực bên trong

Trong các tính toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của thạch cao chống cháy có thểthay 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 chịuuốn 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 (hình1.2a) Hình thức này rất thông dụng vì tấm thạch cao đóng luôn vai trò là hệ trần chốngcháy cho dầm thép hoặc hệ tường, vách ngăn chống cháy cho cột thép Khi đó, tấm thạchcao vừa có nhiệm vụ bảo vệ cấu kiện chịu lực chính, vừa thực hiện việc phân vùng ngănngừa 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 caodạng 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 lớpbông thủy tinh cách nhiệt

- Bảo vệ dạng hộp, tấm thạch cao chạy vòng quanh tiết diện theo một hình chữnhật ngoại tiếp (hình 1.2b, 1.4) Trong thực tế, người ta có thể cấu tạo thêm các lỗ hổngkhông 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 khuvực bao kín bởi hộp bảo vệ được xem là phân bố đều Khi đó, chu vi đốt nóng làtổng các kích thước bên trong của hình chữ nhật ngoại tiếp còn diện tích tiết diệnngang 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 khảnăng 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 lắpdựng dạng chu vi rất phức tạp, nhiều chi tiết nhỏ cần phải gia công nên hình thứcbảo 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 là9mm 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 trungbình 1-2 giờ Có thể kể ra một số công trình xây dựng ở Việt Nam đang sử dụng tấmthạch 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, ximăng và các chất phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặctrát hoặc đổ ghép cốp pha Các phương pháp này thi công tương đối nhanh, lạikhông gặp phải những vấn đề khó khăn khi cố định các tấm panel, tấm tường, tấmsàn cứng xung quanh các chi tiết liên kết phức tạp Chúng thường được ứng dụng tạinhững 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 lửaphun Tuỳ theo yêu cầu điều kiện sử dụng có thể chọn lựa các mác vữa chống cháythích ứng với bề mặt phức tạp khác nhau, các góc cạnh của kết cấu và có khả năngchống giãn nở rất tốt

Khác so với thạch cao, vữa chống cháy chỉ có một hình thức bảo vệ duy nhất làbọc theo chu vi của cấu kiện Về phương thức hình thành hệ vật liệu phủ chốngcháy, vữa chống cháy có thể bám dính trực tiếp lên bề mặt kết cấu thép hoặc cóthêm lưới thép gia cường Độ dày tối thiểu của một lớp vữa bám dính trực tiếp là14mm, của lớp vữa có lưới thép gia cường là 50mm Trong các tính toán truyềnnhiệt, độ dẫn nhiệt của vữa chống cháy có thể thay đổi từ 0,15-0,25 W/mK [10] Sovới 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 biếntrên 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 chốngcháy:

- Dự án sản xuất polypropylene và kho chứa dầu khí mỏ hóa lỏng Hyosung (BàRịa 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 rệttrong 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 khảnăng chịu lực của kết cấu trong điều kiện chịu lửa tương ứng với các thời gian chịu lửatiêu chuẩn

Các bước thứ hai và thứ ba là nội dung cơ bản của luận án, sẽ được đề cập cụ thểtrong 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 thiêncủa quá trình này (thể hiện ở quy luật phân bố và biến thiên nhiệt độ) sẽ quyết địnhtrạng thái tồn tại của ngọn lửa từ khi bắt đầu bùng lên, duy trì rồi tàn đi Nhiệt độtrong 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 cấukiện 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 đượctạo 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 ômở) = khối lượng của phần không khí thu vào + khối lượng của phần nhiên liệu bị đốtcháy

Còn khi đám cháy xảy ra trong một không gian lớn, nó không thể tác dụng đồngđều và gây tác hại lên toàn bộ không gian đó Người ta cũng áp dụng những phươngtrình cân bằng về nhiệt lượng và khối lượng tương tự như khi nghiên cứu các đámcháy trong không gian nhỏ nhưng có xét thêm đến tác động trao đổi không khí vànhiệt 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 giancháy, người ta có thể xây dựng ba dạng mô hình cháy khác nhau: mô hình cháydanh 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 củaquá trình cháy trong một không gian nhỏ Đặc điểm của mô hình cháy danh nghĩa là cácyếu tố đầu vào tác động đến đám cháy được giữ nguyên trong suốt quá trình cháy vàkhông xét đến các yếu tố thêm vào có thể gây tác động tiêu cực (xu hướng thổi bùng đámcháy) hoặc tích cực (xu hướng dập tắt đám cháy) Vì vậy, mô hình này rất dễ thực hiệnnhưng phản ánh không chính xác những hiện tượng xảy ra trong thực tế Những mô hìnhcháy danh nghĩa trong ISO hiện nay chủ yếu được xây dựng dựa trên cơ sở các đám cháycủa vật liệu hydrocarbon và cellulose (hình

1.8) Đường cong nhiệt độ-thời gian được mô tả theo công thức [34,56]:

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 pháttriển 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 tácđộng thay đổi của gió thông qua ô mở, lỗ thông hơi, tác động thay đổi của khốilượng vật liệu cháy, sự thay đổi của tải trọng cháy… Mô hình này áp dụng chonhững không gian cháy có kích thước nhỏ với giả thiết chấp nhận sự phân bố đều tảitrọng hoả hoạn và nhiệt độ trong quá trình cháy

t (phót) 70

Hình 1.9 Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích nhận gió

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 trườnghợp ảnh hưởng của nó không phân bố đều trong không gian cháy, như trên hình1.10 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian được phân tích phụ thuộc vào vị trí phátsinh đám cháy, quy luật phát triển của đám cháy, quy luật phân vùng ảnh hưởngtrong 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

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, tuynhiên 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 nghệquốc gia Mỹ (NIST), phiên bản đầu tiên được phát hành tháng 2 năm 2000 FDS áp dụngđường 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: hìnhdáng chi tiết không gian mẫu, dạng kết cấu (tường, sàn, trần, kết cấu chịu lực chính, ), sốlượng và kích thước lỗ thông hơi, đặc điểm đồ đạc trong phòng, đặc điểm chất cháy, cáctham số bức xạ, tham số đối lưu…Thông tin đầu ra là tốc độ hoặc chuyển động của dòngnhiệt và khói, độ cao tầng khói, nồng độ khí và sự biến thiên nhiệt độ bề mặt tại các vị trícần nghiên cứu theo thời gian Kết quả thu được từ FDS là điều kiện biên để xác địnhnhiệt 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 bọcbảo 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 cấukhỏi không gian cháy để phân tích nguyên tắc dẫn nhiệt và ứng xử cơ lý của kết cấutrong điều kiện vừa chịu lực và chịu tác động của nhiệt độ Trong không gian bachiều, nguyên tắc dẫn nhiệt được mô tả với phương trình cơ bản [49]:

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 xétTrong chương 2 và chương 4 của luận án, nghiên cứu sinh trình bày thuật toán lýthuyết áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán nhiệt độ phân bố trong cấukiện 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 chịutác dụng của các dạng tác động khác nhau Khi các thông tin đầu vào được định nghĩa cụthể và rõ ràng, kết quả thu được từ những phép phân tích của ANSYS cho độ tin cậy rấtcao

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 t fi,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 R fi,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 vàcông 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, cáccông thức xác định nhiệt độ tới hạn, thời gian chịu lửa tới hạn, khả năng chịu lực tới hạncủa cấu kiện đều được thực hiện khi xem nhiệt độ là phân bố đều trên toàn tiết diện tạimột 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 cácthông số cơ - nhiệt theo nhiệt độ và thời gian Đây là phương pháp phức tạp, có thể đánhgiá sự làm việc của những cấu kiện riêng biệt, một phần của hệ kết cấu hay cả một kếtcấu 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 thờivới mật độ tải trọng lớn tác dụng lên kết cấu là nhỏ EN 1991-1-2:2002 đã giới thiệunguyên 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, G k 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 Q k với một hệ số tổ hợp y 1 có trị số biếnthiên 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 A d

trong đó: G k là giá trị đặc trưng của tải trọng thường xuyên; g GA là hệ số vượt tải

của tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa, g GA =1

Q k,1 là giá trị hoạt tải chính, y 1,1 là hệ số tổ hợp khi xét đến xác suấttồn tại của hoạt tải chính cùng với tải trọng thường xuyên trong điều

kiện chịu lửa, y 1,1 =0,5-0,9

Q k,i là giá trị hoạt tải phụ, y 1,i là hệ số tổ hợp khi xét đến xác suất tồntại của hoạt tải phụ tương ứng cùng với tải trọng thường xuyên trong

điều kiện chịu lửa, y 1,i =0,5-0,9

A d là các tác động gián tiếp do lửa gây ra, sự xuất hiện và giá trị của

A d phụ thuộc rất nhiều vào kịch bản cháy

Để xét đến ảnh hưởng tác động của các dạng tải trọng tác dụng lên kết cấu trong

điều kiện chịu lửa, người ta sử dụng hệ số giảm tải h fi, định nghĩa bằng tỷ số Efi,d

E d

với E d là giá trị nội lực tồn tại trong kết cấu trong điều kiện chịu lực bình thường;

E fi,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, h fi ký hiệu là h fi,t được xác định bằng tỷ

Gk

+ g Q,1

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

Trong các công trình nhà, nếu có thiết kế khoang cháy thì đám cháy thường đượckhảo sát dưới dạng cháy trong một không gian cháy nhỏ, nhiệt độ tại một thời điểmnhất định xem là không đổi và tác động đều lên toàn bộ cấu kiện chịu lực trongkhoang cháy Khi đó, cấu kiện cơ bản (dầm, cột) chịu đồng thời tác động của nhiệt

độ và tải trọng bên ngoài Vì các cấu kiện được nghiên cứu trong mô hình kết cấunên tác động nhiệt chỉ là sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt và bên trong cấu kiện, cácđiều kiện khác như đối lưu, bức xạ gần như không kể đến

Do xét đến yếu tố thời gian nên có nhiều loại kịch bản được xây dựng để nghiêncứu ứng xứ của các cấu kiện:

- Kịch bản thứ nhất là khảo sát khi tải trọng không đổi tại một nhiệt độ cao xácđịnh, tức là nghiên cứu cấu kiện tại một thời điểm trong quá trình cháy Khi đó biến dạngtổng sẽ được xác định rõ ràng theo biến dạng do tải trọng và biến dạng do nhiệt Kịch bảnnày thường được sử dụng để xác định tải trọng tới hạn cho cấu kiện tương ứng với mộtnhiệt độ cao cho trước

Hình 1.12 Mối quan hệ giữa tải trọng - nhiệt độ - thời gian trong kịch bản 3 [57]

- Kịch bản thứ hai xét cấu kiện chịu tải trọng không đổi nhưng nhiệt độ tác độngthay đổi theo thời gian, đây là kịch bản phổ biến nhất để xác định nhiệt độ và thời giantới hạn cho cấu kiện Trong phần lớn các tiêu chuẩn, qui chuẩn về chịu lửa hiện nay, thờigian tới hạn là yếu tố quan trọng vì ngoài thiết kế về kết cấu, nó còn ảnh

hưởng đến các thiết kế khác về phòng cháy chữa cháy Khái niệm bậc chịu lửa cũng được xây dựng dựa trên giá trị thời gian tới hạn này

- Trong trường hợp tổng quát nhất, kịch bản thứ ba được sử dụng khi xét đến sự

thay đổi của cả tải trọng và nhiệt độ theo thời gian Khi này, các giá trị A d trong công

thức (1.3) và h fi trong công thức (1.4) được kể đến trong nghiên cứu một cách chi tiết.Tương tự như kịch bản 2, mục đích của kịch bản 3 cũng là xác định nhiệt độ và thời giantới hạn cho cấu kiện Các kết quả về ứng suất, biến dạng cũng được thể hiện để đảm bảo

ba tiêu chuẩn E, I, R đã trình bày ở mục 1.2.4.Về ứng xử của cấu kiện dầm thì điều kiện

bền là điều kiện đầu tiên được xét đến, vì thông thường các dầm thép trong nhà được liênkết với bản sàn bê tông hoặc bản sàn liên hợp, khi đó khả năng chống mất ổn định tổngthể được tăng lên đáng kể Bên cạnh đó, do ảnh hưởng của bản sàn bê tông liên kết vớicánh trên nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa cánh trên và cánh dưới của dầm là khá lớn,điều này gây nguy hiểm cho phần dưới của tiết diện khi nhiệt độ trong khu vực này rấtnhanh đạt đến nhiệt độ tới hạn và làm thay đổi vị trí trục trung hòa dẻo của tiết diện dầm.Một vấn đề nữa cần quan tâm là độ giãn dài vì nhiệt trong dầm thép sẽ dẫn đến việc phânphối lại nội lực trong dầm, khi đó ứng suất tại từng vị trí trên tiết diện sẽ thay đổi theohướng rất phức tạp

Về ứng xử của cấu kiện cột thì cần xét đến điều kiện mất ổn định tổng thể Do tácđộng của nhiệt độ, hiện tượng mất ổn định tổng thể có thể do ứng xử cơ nhiệt củatoàn cấu kiện cột cũng có thể do mất ổn định cục bộ tại những phần cột chịu lửa.Kết quả này phụ thuộc rất nhiều vào kịch bản cháy, nếu như trong dầm kịch bảncháy nguy hiểm và thực tế là dầm chịu tác động nhiệt độ từ dưới lên trên thì trongcột, nhiệt độ có thể tác động lên một, hai, ba hoặc tất cả các mặt cột Về mặt cơ học,

sơ đồ kết cấu có ảnh hưởng lớn ứng xử của cột trong điều kiện vừa chịu lực, vừachịu lửa Đặc biệt, trong các công trình nhà, có sự chênh lệch trong ứng xử của cấukiện cột trong trường hợp sơ đồ giằng và sơ đồ khung Khi tải trọng ngang do hệgiằng và vách chịu cắt chịu (sơ đồ giằng), cấu kiện cột làm việc có mức độ độc lậpnhất định, nhiệt độ tới hạn thường được đề xuất cao hơn [57] Khi kết cấu khungbao gồm dầm, cột được thiết kế chịu tải trọng ngang (sơ đồ khung), sự suy giảm khả

năng chịu lực của cấu kiện cột trong điều kiện chịu lửa sẽ làm giảm độ cứng của cả

hệ kết cấu Trong các trường hợp này, hệ số tải trọng được nghiên cứu rất kỹ và chitiết để phản ánh thực tế nhất kịch bản cháy cho cột Độ mảnh và nhiệt độ tới hạn củacột trong sơ đồ khung cũng yêu cầu phải thấp hơn [57]

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

1.3.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu trong điều kiện chịu lửa(điều kiện chịu cháy) bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ những năm 1970

- Ở Thụy Điển, bắt đầu từ những năm 1970, giáo sư O.Pettersson đã nghiên cứuảnh hưởng của nhiệt độ đến trạng thái làm việc của kết cấu và cùng với S.E.Magnussonđưa ra khái niệm về bậc chịu lửa của công trình xây dựng ở trường đại học Lund Từnhững năm 1980, trường đại học Lund và phòng thí nghiệm SP tại Boras, Thụy Điển đãthực hiện rất nhiều các thí nghiệm khảo sát khả năng chịu lực của các cấu kiện dầm, cộtkhông bọc và bọc bảo vệ trong điều kiện chịu cháy [39,40,43] Khoảng 100 mẫu thínghiệm được trình bày bao gồm các dầm thép không bọc đỡ bản sàn bê tông chịu tácđộng của nhiệt từ dưới lên, cột thép không bọc, cột thép chèn gạch bản bụng chịu tácđộng của nhiệt trên cả bốn mặt, cột thép xây chèn tường bản bụng, cột thép có tường liênkết bản cánh chịu tác động của nhiệt trên ba mặt, một mặt,… Kết quả thu được là nhiệt

độ trên bề mặt cấu kiện thép, độ võng trong dầm, chuyển vị thẳng đứng và chuyển vịngang trong cột

- Năm 1990, để có được kết quả thực tế về sự lan truyền cháy trong một côngtrình, tại phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu xây dựng (BRE), Cardington, Vươngquốc Anh, các nhà khoa học đã xây dựng cả một tòa nhà cao 8 tầng làm mẫu thí nghiệmnguyên hình để thực hiện thí nghiệm chịu lửa và quan sát, phân tích các số liệu đạt được[41] Dựa trên kết quả thu được từ các thí nghiệm kể trên, các tài liệu tham khảo vềphương pháp phân tích, đánh giá, thiết kế kết cấu chịu đã lần lượt được xuất bản Bắt đầu

ở Anh, BS 5950: The structural use of steelwork in building

- Part 8: Code of practice for fire resistant design [31] được xuất bản năm 1990, tiếpđến là ở Thụy Sĩ, Đức, Thụy Điển - các nước này đều xây dựng tiêu chuẩn thiết kế riêngcho kết cấu trong điều kiện chịu lửa

- Đầu những năm 2000, Bộ tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode [32,33,34,35] được sửdụng mang tính phổ biến trên toàn Châu Âu đã trình bày chi tiết những phương phápthiết kế kết cấu, những bảng biểu thể hiện số liệu thực nghiệm, những yêu cầu về vật liệuchống cháy và các phụ lục kèm theo , đề cập một cách tương đối hoàn chỉnh toàn bộtrạng thái làm việc và khả năng chịu lực của kết cấu làm việc trong điều kiện chịu lửa Sovới các công bố trong thời gian này, Eurocode có thư viện thiết kế với quy mô lớn và là

cơ sở hữu ích cho việc kiểm chứng các thí nghiệm và mô phỏng sau này

- Từ sau vụ sập hai tòa nhà Trung tâm thương mại thế giới WTC (2001), ViệnTiêu chuẩn và kỹ thuật quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã thành lập một phòng chuyên nghiêncứu về trạng thái làm việc của các cấu kiện chịu lực trong điều kiện chịu cháy Các nhàkhoa học Long T.Phan, Therese P.Mc Allister, John L.Gross, Morgan J Hurley ở NIST

đã công bố nhiều nghiên cứu chi tiết về quy trình thiết kế kết cấu thép, kết cấu bê tôngcốt thép, kết cấu liên hợp thép-bê tông chịu lực trong điều kiện chịu cháy [56] từ việc xâydựng lại các đặc trưng cơ nhiệt của vật liệu đến phân tích trạng thái ứng xử và các tiêuchuẩn áp dụng để phân tích kết cấu Sau đó, tiêu chuẩn về phòng chống cháy ASCE/SEI/SFPE 29-99 (xuất bản lần 1), ASCE/SEI/SFPE 29-05 (xuất bản lần 2) [29] nằm trong hệtiêu chuẩn xây dựng ASCE của Hoa Kỳ được xuất bản đã trình bày các phương pháp tínhtoán khả năng chịu lửa của kết cấu chịu lực và kết cấu bao che như kết cấu thép, kết cấu

bê tông cốt thép, kết cấu gỗ, khối xây bê tông, khối xây gạch,

- Ngoài ra còn khá nhiều các bài báo nghiên cứu lý thuyết và các nghiên cứu thựcnghiệm về các cấu kiện dầm, cột thép không bọc trong điều kiện chịu lửa[37,38,46,47,51,53,54,58,62,65,67] Đối với các cấu kiện dầm cột thép được bọc bảo vệthì hướng nghiên cứu tập trung vào vật liệu bọc chủ yếu là bê tông, bê tông có thể chỉđóng vai trò là vật liệu bọc chịu lửa hoặc cùng tham gia chịu lực với cấu kiện thép trongkết cấu liên hợp [48,50,58] Trong các bài báo này, phương pháp nghiên cứu chính là tiếnhành thí nghiệm các mẫu cấu kiện dầm, cột, xử lý và thực hiện so sánh kết quả thínghiệm thu được với phương pháp lý thuyết trong các hệ

tiêu chuẩn Khả năng chịu lực được kết luận dựa trên khống chế về sự phát triển biến dạng và chuyển vị của dầm, cột theo thời gian Cụ thể như sau:

+ Y.Anderberg [67] tiến hành thí nghiệm với các dầm hai đầu khớp chịu uốn, cộthai đầu khớp chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm trong điều kiện chịu lửa Kết quả thínghiệm chỉ ra được ảnh hưởng của sơ đồ kết cấu trong dầm, độ mảnh và độ lệch tâm banđầu của cột đến khả năng chịu lực và thời gian chịu lửa tương ứng

+ Marek Lokomski [58] tiến hành thí nghiệm trên các dầm không bọc bảo vệ và

so sánh kết quả thu được với phương pháp tính toán lý thuyết để đánh giá độ võng tới hạntrong dầm ứng với mô hình vật liệu ngoài đàn hồi

+ Janns [47] tiến hành thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng mất ổn định tổng thểcủa cột thép không bọc chịu nén trong điều kiện chịu lửa Các thí nghiệm sau đó củaFranssen [46]; Poh [53]; Kang-Hai Tan [54] cũng đều tập trung vào các yếu tố ảnh hưởngđến trạng thái mất ổn định tổng thể của cột thép như: độ mảnh, độ lệch tâm ban đầu, hiệntượng mất ổn định cục bộ do nhiệt,… Kết quả thu được là lực nén tới hạn của cột tươngứng với thời gian chịu lửa khảo sát hay tỷ lệ giữa lực nén tới hạn tại nhiệt độ cho trước vàlực nén tới hạn trong điều kiện nhiệt độ thường Trong các thí nghiệm này, nhiệt độ đượcxem là phân bố đều và tác dụng trên suốt chiều cao cột

+ Nhóm nghiên cứu Anil Agarwal, Lisa Choe [37,38] tiến hành thí nghiệm trêncác cột không bọc bảo vệ chịu nén đúng tâm, nén - uốn chịu tác động nhiệt với các kịchbản cháy khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của sự phân bố nhiệt không đều trên tiết diệncũng như theo suốt chiều dài cột đến khả năng chịu lực của cột trong điều kiện chịu lửa

- Bên cạnh phương pháp nghiên cứu bằng thí nghiệm, phương pháp mô phỏng sốcàng ngày càng đạt được kết quả khả quan Các phần mềm phân tích kết cấu trongđiều kiện chịu cháy theo phương pháp mô phỏng số tiêu biểu có thể kể đến làANSYS (Mỹ, 1970) [55]; ABAQUS (Mỹ, 1978); SAFIR (Bỉ, 1980); FDS (Mỹ,1985);… Đã có một số bài báo nghiên cứu về trạng thái làm việc của các cấu kiệnthép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số [37,48,58,65]:

cơ bản cho các chương trình phần mềm mô phỏng số sau này Kết quả của bài toán môphỏng được kiểm chứng với các thí nghiệm đã có để đánh giá độ tin cậy.

+ Nhóm nghiên cứu Anil Agarwal, Lisa Choe [37,38] cũng thực hiện mô phỏngFEM để so sánh với các kết quả thí nghiệm cột mà họ đã tiến hành trước đó Kết quả sosánh cho thấy phân tích mô phỏng có độ tin cậy cao và rất hiệu quả khi áp dụng nghiêncứu với hệ kết cấu có quy mô lớn

+ Long T.Phan [56] đã giới thiệu ưu nhược điểm của các phần mềm mô phỏng sốhiện đang được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là nguyên tắc liên kết giữa mô hình cháy và môhình kết cấu, xây dựng điều kiện biên nhiệt độ và khai báo các đặc trưng cơ – nhiệt củavật liệu trong mô hình kết cấu

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, tuy còn hạn chế về mặt số lượng nhưng từ những năm 2000 cũng cóthể kể ra một số nghiên cứu liên quan đến trạng thái làm việc của kết cấu trong điềukiện chịu lửa như sau:

- GS.TS Phạm Văn Hội (Trường Đại học Xây dựng) thực hiện đề tài NCKH cấp

Bộ “Nghiên cứu trạng thái làm việc của khung nhà thép trong điều kiện chịu lửa khicháy và các biện pháp cấu tạo kết cấu để nâng cao khả năng chịu lửa của chúng”[6] Đề tài nghiên cứu phương pháp tính toán về khả năng chịu lực của kết cấu thép,kết cấu bê tông trong điều kiện cháy và thực hiện tính khả năng chịu lực của các cấu kiện

cơ bản (sàn, dầm, cột) theo các chỉ dẫn trong tiêu chuẩn Châu Âu

- PGS.TS Chu Thị Bình (Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội) thực hiện đề tàiNCKH cấp trường “Thiết kế kết cấu công trình theo điều kiện an toàn cháy” [3] Đềtài trình bày các bước thiết kế kết cấu thép, bê tông cốt thép và liên hợp thép-bêtông đảm bảo điều kiện an toàn cháy theo hệ thống tiêu chuẩn và quy chuẩn Việt

Nam Đề tài tìm hiểu phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu và có áp dụngtính toán theo tiêu chuẩn và mô phỏng số một số cấu kiện sử dụng phần mềmSAFIR.

- NCS Nguyễn Đức Việt (Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy) bảo vệ luận ántiến sỹ “Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của cột thép chịu nén đúng tâm được bọcbảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp chịu tác động của lửa” [14] Luận

án đưa ra được sự ảnh hưởng của các tham số chính đến sự truyền nhiệt và khả năng chịulực cho mô hình cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy vàthực hiện thí nghiệm trường hợp cột chịu nén đúng tâm được bọc bảo vệ bằng tấm thạchcao chống cháy phù hợp với điều kiện Việt Nam

- NCS Trương Quang Vinh (Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy) bảo vệ luận

án tiến sỹ “Phân tích kết cấu liên hợp thép-bê tông trong điều kiện cháy có xét đến quátrình tăng nhiệt và giảm nhiệt” [15] Luận án đề xuất mô hình nhiệt học và cơ học cho vậtliệu bê tông để mô phỏng kết cấu liên hợp thép-bê tông trong điều kiện cháy có xét đếnquá trình tăng và giảm nhiệt Luận án khảo sát sự làm việc của khung phẳng liên hợpthép-bê tông trong điều kiện cháy bằng mô phỏng số và phát triển ý tưởng về việc dùngchỉ số DHP (giới hạn thời gian của kết cấu chịu được nhiệt độ tăng trong đám cháy và bịphá hoại ở giai đoạn giảm nhiệt) để đánh giá kết cấu trong điều kiện cháy

- NCS Hoàng Anh Giang (Viện Khoa học công nghệ Xây dựng) bảo vệ luận ántiến sỹ “Nghiên cứu sự làm việc của panel sàn rỗng bê tông ứng lực trước đúc sẵn chịulửa” [5] Luận án nghiên cứu tập trung vào cấu kiện đơn làm việc chịu uốn theo sơ đồdầm đơn giản, chịu tải trọng theo thiết kế và chịu lửa tiêu chuẩn theo ISO 834-1; làm rõ

về phân bố nhiệt độ trong quá trình chịu lửa của kết cấu và ảnh hưởng của nhiệt độ caođến cường độ chịu nén và ứng suất bám dính với cốt thép của bê tông cường độ cao cốtliệu cát nghiền được sử dụng để chế tạo panel sàn rỗng

- Bản thân nghiên cứu sinh cũng đã thực hiện đề tài NCKH cấp Bộ “Các giảipháp kết cấu ứng dụng tấm chắn cách nhiệt dạng màng để bảo vệ cấu kiện thép chịu lực”

Đề tài trình bày các biện pháp ứng dụng tấm thạch cao chống cháy bọc kết cấu thép đểnâng cao khả năng chịu lực trong điều kiện chịu lửa, đặc biệt là đối với các

công trình nhà ở Việt Nam Đề tài đưa ra thuật toán tính toán nhiệt độ, áp dụng tiêuchuẩn Châu Âu thiết kế các cấu kiện thép cơ bản được bọc thạch cao chống cháy.Ngoài ra còn có các bài báo đăng trong các Tạp chí khoa học và Kỷ yếu hội nghị[2,12] cũng đề cập đến vấn đề này

1.4 Các tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng

Trên thế giới, hầu hết các nước đều có hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn riêng vềthiết kế chống cháy cho các công trình nhà nói chung và kết cấu thép nói riêng, cóthể kể ra một số hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn phổ biến như:

- Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI/SFPE 29-05 [29];

- Tiêu chuẩn Anh BS [30,31];

- Tiêu chuẩn Châu Âu EC [32,33,34,35];

Việt Nam có các tiêu chuẩn, quy chuẩn liên quan đến thiết kế hệ kết cấu đáp ứng các yêu cầu phòng cháy chữa cháy như sau:

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

- 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 thiếtkế

- 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 9311-1:2012 (ISO 834-1:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 1: Yêu cầu chung

- TCVN 9311-3:2012 (ISO 834-3:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phậncông trình xây dựng - Phần 3: Chỉ dẫn về phương pháp thử và áp dụng số liệu thửnghiệm

- TCVN 9311-4:2012 (ISO 834-4:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phậncông trình xây dựng - Phần 4: Các yêu cầu riêng đối với bộ phận ngăn cách đứng chịu tải.

- TCVN 9311-5:2012 (ISO 834-5:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phậncông trình xây dựng - Phần 5: Các yêu cầu riêng đối với bộ phận ngăn cách nằm ngangchịu tải

- TCVN 9311-6:2012 (ISO 834-6:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 6: Các yêu cầu riêng đối với dầm

- TCVN 9311-7:2012 (ISO 834-7:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 7: Các yêu cầu riêng đối với cột

- TCVN 9311-8:2012 (ISO 834-7:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phậncông trình xây dựng - Phần 8: Các yêu cầu riêng đối với bộ phận ngăn cách đứng khôngchịu tải…

* Một số nhận xét chung về các kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới

và ở Việt Nam:

1 Về các tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng:

- Các hệ thống tiêu chuẩn trên thế giới đã đề cập đến các khái niệm cơ bản trongtính toán kết cấu chịu lực trong điều kiện chịu lửa, cụ thể như các tiêu chuẩn về tính toànvẹn, tính cách nhiệt, khả năng chịu lửa cần tuân theo; các điều kiện về thời gian chịu lửatới hạn, về nhiệt độ tới hạn, về khả năng chịu lực trong điều kiện chịu lửa tới hạn cầnthỏa mãn

- Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chịu lựctrong điều kiện chịu lửa (chịu cháy) Các khái niệm cơ bản hiện nay được đề cập đến làbậc chịu lửa của nhà, cấp nguy hiểm cháy kết cấu của nhà, giới hạn chịu lửa danh địnhcủa các cấu kiện chịu lực (dầm cột sàn bê tông cốt thép; dầm cột thép; dầm cột nhôm, sàngỗ)… [26] Các khái niệm này được xác định dựa trên thời gian chịu lửa tới hạn, chưa đềcập đến nhiệt độ phát triển bên trong và trạng thái ứng xử cơ-nhiệt của cấu kiện trongđiều kiện chịu lửa

2 Về đối tượng nghiên cứu kết cấu thép:

- Các cấu kiện chịu lực cơ bản không bọc bảo vệ như dầm, cột thép: đây là đốitượng nghiên cứu được tập trung mạnh nhất Các trạng thái làm việc điển hình như điềukiện bền, điều kiện ổn định tổng thể, điều kiện ổn định cục bộ đều được đề cập đến khixem nhiệt độ như một tác động bên cạnh các trường hợp tải trọng thông thường

- Các cấu kiện cơ bản được bọc bảo vệ: trong nhóm đối tượng này, chủ yếu là cáccấu kiện liên hợp thép-bê tông Bản chất của bê tông cách nhiệt khá tốt, vì vậy vừa có thểcoi là vật liệu bọc bảo vệ kết cấu thép vừa tham gia chịu lực

- Các nghiên cứu về các dạng vật liệu bọc bảo vệ khác như thạch cao chống cháy,sơn chống cháy, vữa chống cháy còn ít Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng các vật liệu này cóthể nói là nhiều hơn so với bê tông nhưng việc nghiên cứu chỉ dừng ở một số cấu kiệnđơn lẻ, chưa tổng quát hóa thành quy trình thiết kế chi tiết

3 Về phương pháp nghiên cứu:

- Các hệ tiêu chuẩn trên thế giới trình bày chi tiết về phương pháp tính đơn giảnhóa và phương pháp tra bảng, áp dụng cho các cấu kiện điển hình Còn phương pháp tínhtoán hiện đại chỉ được đề cập đến thông qua việc giới thiệu các chương trình máy tính vàcác phần mềm mô phỏng số phổ biến Độ tin cậy của kết quả tính lý thuyết được kiểmchứng bằng các thí nghiệm thực tế Hệ tiêu chuẩn Hoa Kỳ, Anh cũng đề cập đến rấtnhiều các yêu cầu và qui chuẩn cho thí nghiệm chịu lửa của các bộ phận (bao gồm các bộphận chịu lực và không chịu lực) trong công trình nhà

- Trong thời gian gần đây, phương pháp tính toán hiện đại được nghiên cứu ngàycàng phổ biến, mở rộng phạm vi đối tượng nghiên cứu bao gồm hệ kết cấu trong mộtkhoang cháy, trong một tầng nhà hay toàn bộ hệ kết cấu tổng thể Điều này giúp cho cáckết quả nghiên cứu có tính chính xác cao khi xét đến được nhiều yếu tố ảnh hưởng đếntrạng thái làm việc của từng cấu kiện trong hệ tổng thể đó

- Phương pháp áp dụng trong hệ tiêu chuẩn Việt Nam có thể được giải thích theophương pháp tra bảng Đi kèm thiết kế lý thuyết, tiêu chuẩn cũng đưa ra các yêu cầutrong quy trình thử nghiệm chịu lửa [21,22,23,24] để có đủ cơ sở vận dụng phương phápthực nghiệm Các nghiên cứu gần đây ở Việt Nam cũng dần theo hướng mô

phỏng số, ứng dụng các phần mềm mô phỏng như ABAQUS, SAFIR, ANSYS,… đều có so sánh, kiểm chứng với các số liệu thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy.

NHẬN XÉT CHƯƠNG 1

- Kết cấu thép được xem là dạng vật liệu chịu nhiệt kém nên biện pháp cần thiết

và đạt hiệu quả cao để nâng cao khả năng chịu nhiệt cho kết cấu thép là bọc các cấu kiệnthép chịu lực bằng các vật liệu cách nhiệt, chống cháy Hiện nay, ở Việt Nam, thạch caochống cháy và vữa chống cháy đang được sử dụng phổ biến, đặc biệt là cho các côngtrình nhà vì các nguyên nhân: khả năng cách nhiệt tốt, ít làm tăng tải trọng tác dụng lêncông trình, giá thành hợp lý,…

- Quy trình tính toán thiết kế cấu kiện chịu lực trong điều kiện chịu lửa (chịu cháy) là một quy trình phức tạp, được phân tích theo 3 bước cơ bản:

+ 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;

+ Phân tích ứng xử ứng suất-biến dạng của kết cấu vừa chịu lực vừa chịu lửa

- Các nghiên cứu về trạng thái làm việc của các cấu kiện cột, dầm chịu lực trongđiều kiện chịu lửa chủ yếu tập trung vào các cấu kiện không được bọc bảo vệ và cấu kiệnliên hợp thép-bê tông Các kết quả thu được cấu kiện được bọc bảo vệ bằng các vật liệuchống cháy như thạch cao, vữa, …còn hạn chế về mặt số lượng

- Trên thế giới, hệ thống tiêu chuẩn quy chuẩn về thiết kế kết cấu trong điều kiệnchịu cháy đáp ứng được quy trình tính toán áp dụng cho các cấu kiện đơn giản với cáckịch bản cháy tiêu chuẩn Các nghiên cứu đề cập đến 3 bước trên còn chưa nhiều, thườngchỉ tập trung cụ thể vào từng bước tính toán

- Về thực tế thiết kế kết cấu thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa cho các công trình nhà ở Việt Nam:

+ Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chịu lựctrong điều kiện chịu lửa (chịu cháy), các nghiên cứu về vấn đề này còn ít và chưađược chú trọng phát triển

+ Quy trình thiết kế kết cấu hiện nay thường chỉ dừng ở phương pháp tra bảng,phụ thuộc nhiều vào bảng tra trong catalog của các nhà sản xuất Điều này sẽ gặp

ở bất kỳ công trình cụ thể nào.

Như vậy, việc xây dựng một quy trình thiết kế đầy đủ, áp dụng phương phápnghiên cứu từ đơn giản, dễ thực hiện đến phức tạp, có quy mô lớn, ứng dụng chocác cấu kiện thép được bọc bảo vệ với các vật liệu bọc phổ biến trên thị trường ViệtNam như thạch cao chống cháy, vữa chống cháy là cần thiết, đặc biệt cho các côngtrình có nguy cơ chịu ảnh hưởng lớn từ các đám cháy

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT

TRONG CÁC CẤU KIỆN THÉP

2.1 Bản chất của quá trình truyền nhiệt [49]

Nhiệt truyền từ nơi này đến nơi khác gồm các dạng trao đổi nhiệt cơ bản sau: dẫnnhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt:

- Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao tới vùng cónhiệt độ thấp do sự truyền động năng hoặc do sự va chạm giữa các phân tử và nguyên tử

Đại lượng đặc trưng cho quá trình này là hệ số dẫn nhiệt l, phụ thuộc chủ đạo vào bản

chất của vật liệu

- Đối lưu nhiệt là quá trình truyền nhiệt khi môi chất dịch chuyển trong khônggian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ khác, môi chất ở đây có thể hiểu làchất lỏng hoặc chất khí vì sự truyền nhiệt lượng luôn gắn với chuyển động của môitrường Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra khi bề mặt vật rắn và môi chất có nhiệt độ khácnhau tiếp xúc nhau, quá trình truyền nhiệt từ bề mặt vật rắn có nhiệt độ cao tới môi chất

có nhiệt độ thấp gọi là quá trình cấp nhiệt, trường hợp ngược lại gọi là quá trình thunhiệt

- Bức xạ nhiệt là quá trình truyền nhiệt dưới dạng sóng điện từ, nhiệt năng trởthành tia bức xạ và truyền đi Bất kỳ một vật nào có nhiệt độ lớn hơn 0oK luôn có sựbiến đổi nội năng của vật thành năng lượng sóng điện từ, các sóng điện từ nàytruyền đi trong không gian với vận tốc ánh sáng Trong trường hợp tổng quát, khigặp vật thể thì một phần năng lượng bức xạ nhiệt bị vật thể hấp thụ, một phần phản

xạ và phần khác xuyên qua vật

Trong các vấn đề nghiên cứu về sự cháy, quá trình truyền nhiệt đóng vai trò quantrọng và được mô tả cụ thể theo hướng sau: quá trình truyền nhiệt từ nguồn cháythông qua không gian cháy đến bề mặt các vật thể sẽ được nghiên cứu dựa trên quyluật phân bố nhiệt lượng và nhiệt độ tương ứng Nhiệt lượng truyền đến một điểm,một bề mặt hay một cấu kiện trong không gian cháy được tính toán kể đến cả haihình thức bức xạ và đối lưu: