Công trình nghiên cứu đã được thực hiện trên ứng xử của thép thanh thành mỏng ở điều kiện nhiệt độ không ở phạm vi rộng, mặc dù nhiều và rất nhiều công trình đã tiến hành thực hiện trong suốt các năm gần đây. Nghiên cứu về đề tài thép
thanh thành mỏng ở nhiệt độ cao sớm nhất vào năm 1970, khi K.H.Klippstein nghiên cứu về khả năng chịu tải của thép thanh thành mỏng trong lửa (K.H.Klippstein 1978) suốt trong những năm 1990, nhờ công trình được tiến hành đặc biệt ở Hà Lan, Thụy Điển, Anh, Newzeland và Úc. Đa số các nghiên cứu tập trung ở vách dầm thép thanh thành mỏng. Các nghiên cứu trên dầm và kết cấu sàn làm bằng thép thanh thành mỏng phần lớn giới hạn ở các thí nghiệm cháy của sàn thép - bêtông liên hợp, mặc dù các thí nghiệm cũng được thực hiện trên các dạng kết cấu khác.
Một kiến thức quan trọng nhất về ứng xử của thép thanh thành mỏng ở điều kiện nhiệt độ cao là một thử nghiệm và số lượng tính toán về ổn định cục bộ của tiết diện chữ nhật rỗng (RHS) được tiến hành bởi Ala – Outinen và Myllymọki (1995). Tiết diện RHS được sử dụng rộng rãi như cột trong cao ốc và là cấu kiện trong các hệ giàn mái, cũng như các kết cấu khác. Thí nghiệm được tiến hành trên tiết diện RHS 200x200x5 và RHS 150x100x3 dài 900mm. Thí nghiệm được kiểm nghiệm ở trong lò nhiệt đầu tiên được gia tăng ở 3000C trong 3 phút và sau đó tăng liên tục nhiệt độ 100C/ 1 phút. Nó cho thấy sự tập trung lực trong cột làm mất khả năng chịu ổn định cục bộ tại giữa chiều dài của cột. Lực lệch tâm trong cột đã gây phá hoại tương tự ngoại trừ sự oằn (mất ổn định). Xảy ra ở đầu của cột.
Phương phỏp tớnh toỏn được đưa ra bởi Ala – Outinen và Myllymọki (1995) dựa trên tiêu chuẩn Eurocode 3: Phần 1.3 đối với thiết kế cho nhiệt độ bình thường, sử dụng các công thức ở điều kiện cháy như ở điều kiện nhiệt độ xung quanh, ngoại trừ giá trị cường độ và modun đàn hồi được giảm đi theo Eurocode 3: Phần 1.2. Ứùng suất của phần tử tấm bằng cường độ bền σ y tương ứng với 0,2% biến dạng tổng cộng. Hệ số giảm tải ηfi được quyết định theo Eurocode 3 – Phần 2.2 và luôn trong khoảng 0,6-0,7.
Nhiệt độ tới hạn của tiết diện ngang được xác định từ đường cong khả năng chịu lực tính toán sử dụng hệ số giảm tải thích hợp. Với các thí nghiệm trên tiết diện cột, nhiệt độ tới hạn với hệ số ηfi=0,7 trong khoảng 4000C được sử dụng trong phương pháp tính toán trên. Nhiệt độ ở đây cao hơn 3500C mà Eurocode 3: Phần 1.2 đề nghị nhưng nhỏ hơn nhiệt độ tổng cộng gộp lại thực tế trong thí nghiệm.
Thiết kế kết cấu chịu lửa về thép thanh thành mỏng đã được thực hiện bởi Klippstein (1978), Gerlich (Ranby(1999)), Ranby (1999), Alfawakhiri và Sutain (2000) và gần đây nhất là Feng, Wang và Davies (2001) và Olli Kaitila(2002).
Mô hình thiết kế đưa ra bởi Klippstein (1978) dựa trên phương pháp ứng suất cho phép – cho bởi sách thiết kế AISI và qui chuẩn thí nghiệm về lửa ASIM – E119 phát triển từ thiết kế về lửa tương tự như tiêu chuẩn ISO 834 (Ranby (1999)).
Klippstein đưa ra các giả định sau:
1. Các vật liệu bao phủ ở bề mặt trong và ngoài của vách không khả năng ngăn được ổn định uốn và uốn xoắn dọc trục nhỏ.
2. Các vật liệu bao phủ không chịu bất cứ tải trọng động.
3. Đường cong biến dạng–ứng suất vật liệu thép tuyến tính với cường độ bền.
4. Tải trọng phân bố đều trên tất cả tiết diện vách.
5. Tất cả tiết diện chịu lực có gradient nhiệt độ, độ võng ngang và nhiệt độ trung bình bằng nhau trong suốt quá trình cháy.
Klippstein nhấn mạnh là phương pháp trên phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm, xác định sự thay đổi của nhiệt độ và độ võng giữa chiều dài của cấu kiện trong suốt quá trình cháy. Phương pháp cũng giới hạn loại tiết diện sử dụng, số lượng vật liệu cách nhiệt và bao phủ và các đặc trưng vật lý khác.
Điều kiện chịu lực tới hạn là: (theo Klippstein).
yT x
T alT
t
FL F S
A P
+ δ
= 12
23 1
1 (2.1)
Trong đó: Pt Lực tính toán tới hạn của cấu kiện riêng ở một nhiệt độ cao T.
A Tieỏt dieọn ngang cuỷa caỏu kieọn.
FalT Ứng suất cho phép đối với lực dọc trục ở nhiệt độ tới hạn.
σT Độ võng tổng cộng ở giữa chiều dài ở thời điểm tới hạn.
Sx Moment túnh theo truùc chớnh cuỷa tieỏt dieọn C.
FyT Cường độ bền ở nhiệt độ tới hạn.
Phương pháp thiết kế của Klippstein sử dụng với độ chính xác hợp lý để dự đoán nhiệt độ tới hạn của các tiết diện cấu kiện thép riêng biệt trong khoảng 6500C. tuy nhiên nó không xét ổn định uốn xoắn hay moment gây ra độ võng phụ phát sinh.
Gerlich đưa ra một phương pháp khác quyết định sức bền của kết cấu thép vào năm 1995 (Ranby (1999)). Phương pháp sử dụng phương trình quan hệ giữa cường độ uốn và mođun đàn hồi cho bởi thiết kế AISI. Theo Gerlich, ứng suất ở cánh của tiết diện C do ngoại lực được tính theo công thức sau:
Đối với cánh trong (nóng hơn).
W M e T e N A N
if
)) ( ) (
( ∆ +
−
σ = đối với cánh nóng hơn (2.2a)
Đối với cánh ngoài (nguội hơn).
W M e T e N A N
uf
)) ( ) (
( ∆ +
−
σ = đối với cánh nguội hơn (2.2b)
Trong đó: N Lực tác dụng thông thường.
A Tieỏt dieọn ngang cuỷa caỏu kieọn.
E( )∆T Độ võng ở giữa chiều dài do tác dụng nhiệt.
E(M) Độ võng ở giữa chiều dài do moment uốn.
W Moment choỏng uoỏn theo truùc chớnh hụn cuỷa tieỏt dieọn.
Sử dụng công thức trên tìm ra một nhiệt độ tới hạn, dựa vào cường độ bền của tiết diện thép bằng với ứng suất cho phép. Thời gian chịu lực dựa vào sự gia tăng nhiệt độ.
Mô hình của Gerlich có xét thêm độ võng thêm vào do ảnh hưởng của môment uốn gộp vào, điều đó mô hình của Klippstein không xét đến. Nói cách khác, nó bỏ qua ổn định uốn xoắn. Một điểm riêng biệt đáng nói là ở mô hình của Gerlich nhiệt độ tới hạn tính xem là nhiệt độ của cánh ngoài nguội hơn không phải là nhiệt độ của tiết diện ngang.
Ranby (1999) đưa ra tiêu chuẩn thiết kế ở nhiệt độ cao dựa vào Eurocode 3:
Phần 1.3 cho ổn định uốn, uốn xoắn ở nhiệt độ bình thường. Dựa vào các thí nghiệm và mô hình tính phương pháp PTHH, Ranby chứng minh được các công thức cơ bản của Eurocode 3: Phần 1.3 có thể sử dụng trực tiếp trong thiết kế chịu lửa nếu các đặc trưng vật liệu được giảm đi dựa vào loại nhiệt độ tác dụng. Phương pháp thiết kế trên được phân tích chi tiết ở chương 4.
Feng, Wang và Davies (2003) đã nghiên cứu sơ bộ về cường độ dọc trục của thép thanh thành mỏng tiết diện cột ngắn dưới điều kiện nhiệt độ cao phân bố đều và so sánh kết quả với tiêu chuẩn Anh, Châu Âu và Mỹ. Nghiên cứu bao gồm các thí nghiệm nén trên cột ngắn dài 400mm tiết diện có đầu thừa và không có đầu thừa (lipped channel & unlipped channel) và phương pháp PTHH để kiểm tra. Thí nghiệm được tiến hành ở điều kiện trạng thái ổn định, mẫu thí nghiệm đầu tiên được nung nóng đều đến nhiệt độ thí nghiệm sau đó phân tích lực dọc trục.
Các phân tích dự báo trước sử dụng giá trị được giảm đi của mođun đàn hồi và 0.2% ứng suất chịu lực dựa vào tiêu chuẩn Eurocode 3: Phần 1.2 (1995) và giá trị cú được do thực nghiệm trờn thộp S350 do Outinen, Kaitila và Mọkelọinen (2000). Các đặc trưng thuộc tính của mô hình Outinen cho kết quả tốt hơn giá trị cuûa Eurocode 3.
Hình 2.2 Quan hệ giữa mođun đàn hồi, ứng suất bền và ứng suất tới hạn của thép.
Kết luận chính của luận văn là nhiệt độ tới hạn của cột thép thanh thành mỏng cao hơn 3500C nhiều ngay cả ở một tỷ lệ lực là 0,7 và các công thức thiết kế đối với nhiệt độ thường có thể mở rộng cho nhiệt độ cao bằng cách sử dụng các đặc trưng vật liệu được giảm đi. Tuy nhiên, nghiên cứu không xét đến ảnh hưởng của gradient nhiệt độ và ảnh hưởng ổn định tổng thể vì chúng chắc chắn không quan trọng do chiều dài của mẫu thí nghiệm ngắn.