Luận án tiến sĩ về khả năng chịu lửa của cấu kiện thép bọc bảo vệ trong xây dựng nhà tại Việt Nam

• Tác giả: Phạm Thị Ngọc Thu
• Người hướng dẫn: GS. Phạm Văn Hội
• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Đánh Giá Khả Năng Chịu Lửa Của Cấu Kiện Thép Bọc Bảo Vệ Cho Công Trình Nhà Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 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
• MỞ ĐẦU
• 1. Lý do lựa chọn đề tài
• 2. Mục đích nghiên cứu
• 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 4. Phương pháp nghiên cứu
• 5. Cơ sở khoa học
• 6. Đóng góp của luận án
• 7. Cấu trúc và nội dung luận án
• 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
• 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
• 1.1.2. Vật liệu thạch cao chống cháy
• 1.1.2.1. Quy trình sản xuất thạch cao chống cháy
• 1.1.2.2. Cơ chế làm việc của vật liệu thạch cao chống cháy
• 1.1.2.3. Các hình thức cấu tạo bọc cấu kiện thép bằng tấm thạch cao chống cháy
• 1.1.3. Vật liệu vữa chống cháy
• 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 khi chịu lửa
• 1.2.2. Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong mô hình cháy
• 1.2.2.1. Mô hình cháy danh nghĩa
• 1.2.2.2. Mô hình cháy tham biến
• 1.2.2.3. Mô hình cháy thực tế
• 1.2.2.4. Sự biến thiên nhiệt độ bên trong kết cấu thép theo mô hình kết cấu
• 1.2.2.5. Các nguyên tắc tính toán cơ bản
• 1.2.2.6. Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa
• 1.2.2.7. Trạng thái làm việc của các cấu kiện dầm, cột thép trong điều kiện chịu lửa
• 1.2.3. Các nghiên cứu về tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa
• 1.2.3.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới
• 1.2.3.2. Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.2.4. Các tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng
• 1.3. Nhận xét chương 1
• 2. Bài toán truyền nhiệt trong các cấu kiện thép không bọc và được bọc bảo vệ
• 2.1. Bản chất của quá trình truyền nhiệt
• 2.1.1. Hiện tượng bức xạ
• 2.1.2. Hiện tượng đối lưu
• 2.2. Sự thay đổi các đặc tính nhiệt của thép trong điều kiện chịu lửa
• 2.2.1. Hệ số giãn nở vì nhiệt
• 2.2.2. Nhiệt dung riêng
• 2.2.3. Hệ số dẫn nhiệt
• 2.3. Bài toán truyền nhiệt trong không gian ba chiều
• 2.3.1. Phương trình truyền nhiệt trong không gian ba chiều
• 2.3.2. Thuật toán DT3D ứng dụng phương pháp PTHH trong bài toán truyền nhiệt ba chiều
• 2.3.2.1. Mô hình phần tử hữu hạn
• 2.3.2.2. Xây dựng hàm dạng
• 2.3.2.3. Xây dựng ma trận truyền nhiệt của hệ
• 2.3.2.4. Rời rạc hóa các bước thời gian trong quá trình khảo sát
• 2.3.3. Ví dụ tính toán và kiểm chứng
• 2.3.3.1. Ví dụ tính toán
• 2.3.3.2. Ví dụ kiểm chứng thí nghiệm
• 2.4. Nhận xét chương 2
• 3. Xác định khả nănng chịu lực của cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp đơn giản hóa
• 3.1. Sự thay đổi các đặc tính cơ lý của thép trong điều kiện chịu lửa
• 3.2. Quy trình tính toán cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa SMD
• 3.2.1. Khả năng chịu lực của các cấu kiện cơ bản
• 3.2.1.1. Các cấu kiện dầm chịu uốn theo điều kiện bền
• 3.2.1.2. Các cấu kiện cột chịu nén theo điều kiện ổn định tổng thể
• 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
• 3.2.3. Ứng dụng SMD cho cấu kiện dầm thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu lửa
• 3.2.3.1. Trạng thái làm việc của cấu kiện dầm thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa
• 3.2.3.2. Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo chu vi
• 3.2.3.3. Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt dạng hình hộp
• 3.2.4. Ứng dụng SMD cho cấu kiện cột thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu lửa
• 3.2.4.1. Trạng thái làm việc của cấu kiện cột thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa
• 3.2.4.2. Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt theo chu vi
• 3.2.4.3. Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt dạng hình hộp
• 3.3. Nhận xét chương 3
• 4. Đánh giá khả năng chịu lực của các cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số
• 4.1. Phân tích sự làm việc của cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số
• 4.1.1. Mô hình Thermal Analysis
• 4.1.1.1. Các phương trình truyền nhiệt cơ bản
• 4.1.1.2. Xây dựng ma trận truyền nhiệt của phần tử
• 4.1.1.3. Mô hình phần tử vật liệu thép trong Thermal Analysis
• 4.1.2. Mô hình Structural Analysis
• 4.1.2.1. Mối quan hệ ứng suất-biến dạng
• 4.1.2.2. Xây dựng ma trận ứng suất-biến dạng của phần tử
• 4.1.2.3. Mô hình phần tử vật liệu thép trong Structural Analysis
• 4.1.2.4. Phân tích Eigenvalue Buckling
• 4.1.3. Các thí nghiệm kiểm chứng
• 4.1.3.1. Thí nghiệm dầm thép không bọc bảo vệ
• 4.1.3.2. Thí nghiệm cột thép chèn gạch
• 4.1.4. Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo chu vi
• 4.1.5. Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt dạng hình hộp
• 4.1.6. Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt theo chu vi
• 4.1.7. Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt dạng hình hộp
• 4.2. Nhận xét chương 4
• Kết luận chung
• Các công trình khoa học của nghiên cứu sinh liên quan đến luận án
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục
• PL1. Phần code chương trình ví dụ tính toán mục 2

I. Giới thiệu về khả năng chịu lửa của cấu kiện thép

Khả năng chịu lửa của cấu kiện thép là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và xây dựng công trình nhà tại Việt Nam. Việc đánh giá khả năng chịu lửa không chỉ đảm bảo an toàn cho người sử dụng mà còn bảo vệ tài sản và giảm thiểu thiệt hại trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn. Theo tiêu chuẩn hiện hành, các cấu kiện thép cần được bọc bảo vệ để tăng cường khả năng chống cháy. Việc sử dụng các vật liệu như thạch cao và vữa chống cháy là những giải pháp phổ biến nhằm nâng cao tính năng chịu lửa của cấu kiện thép. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc bọc bảo vệ có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ tác động lên cấu kiện thép, từ đó kéo dài thời gian chịu lửa và đảm bảo an toàn cho công trình.

1.1. Tầm quan trọng của khả năng chịu lửa

Khả năng chịu lửa của cấu kiện thép không chỉ ảnh hưởng đến sự an toàn của công trình mà còn liên quan đến các quy định pháp lý và tiêu chuẩn xây dựng. Tiêu chuẩn chịu lửa quy định mức độ chịu lửa tối thiểu mà các cấu kiện thép phải đạt được. Việc không tuân thủ các tiêu chuẩn này có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn. Do đó, việc đánh giá và cải thiện khả năng chịu lửa của cấu kiện thép là một nhiệm vụ cần thiết trong thiết kế và thi công các công trình xây dựng.

II. Các phương pháp bọc bảo vệ cấu kiện thép

Có nhiều phương pháp bọc bảo vệ cho cấu kiện thép nhằm nâng cao khả năng chịu lửa. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng vật liệu như thạch cao chống cháy, vữa chống cháy và các loại vật liệu cách nhiệt khác. Mỗi loại vật liệu có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phù hợp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của công trình nhà. Việc bọc bảo vệ không chỉ giúp tăng cường khả năng chống cháy mà còn cải thiện độ bền và tuổi thọ của cấu kiện thép. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc sử dụng vật liệu bọc bảo vệ có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ tác động lên cấu kiện thép, từ đó kéo dài thời gian chịu lửa và đảm bảo an toàn cho công trình.

2.1. Vật liệu bọc bảo vệ

Vật liệu bọc bảo vệ cho cấu kiện thép thường được chia thành hai loại chính: vật liệu không cháy và vật liệu chống cháy. Vật liệu không cháy như bê tông và gạch có khả năng chịu lửa tốt nhưng nặng và khó thi công. Trong khi đó, vật liệu chống cháy như thạch cao và vữa chống cháy nhẹ hơn và dễ dàng thi công hơn. Việc lựa chọn vật liệu bọc bảo vệ cần dựa trên các yếu tố như chi phí, tính khả thi và yêu cầu kỹ thuật của công trình xây dựng.

III. Đánh giá khả năng chịu lửa của cấu kiện thép

Đánh giá khả năng chịu lửa của cấu kiện thép được thực hiện thông qua các phương pháp thử nghiệm và mô phỏng. Các phương pháp này giúp xác định thời gian mà cấu kiện thép có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị hư hại. Việc sử dụng mô hình mô phỏng số giúp dự đoán chính xác hơn về hành vi của cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa. Các kết quả từ các thử nghiệm và mô phỏng này sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và cải thiện khả năng chịu lửa của cấu kiện thép trong các công trình nhà.

3.1. Phương pháp thử nghiệm

Phương pháp thử nghiệm khả năng chịu lửa của cấu kiện thép thường bao gồm việc đặt mẫu thử trong môi trường có nhiệt độ cao và theo dõi sự thay đổi về hình dạng, kích thước và tính chất cơ học của mẫu. Các tiêu chí đánh giá bao gồm thời gian chịu lửa, sự biến dạng và khả năng chịu lực của cấu kiện thép. Kết quả từ các thử nghiệm này sẽ giúp xác định mức độ an toàn của cấu kiện thép trong các tình huống cháy thực tế.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Việc đánh giá khả năng chịu lửa của cấu kiện thép bọc bảo vệ là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và thi công công trình nhà tại Việt Nam. Các phương pháp bọc bảo vệ hiện có đã chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao khả năng chịu lửa của cấu kiện thép. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới và phương pháp thi công để cải thiện hơn nữa khả năng chống cháy. Các khuyến nghị cho các nhà thiết kế và kỹ sư xây dựng bao gồm việc áp dụng các tiêu chuẩn mới nhất và thực hiện các thử nghiệm định kỳ để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng.

4.1. Khuyến nghị cho thiết kế

Các nhà thiết kế nên xem xét kỹ lưỡng các yếu tố như loại vật liệu bọc bảo vệ, phương pháp thi công và tiêu chuẩn chịu lửa khi thiết kế cấu kiện thép. Việc áp dụng các công nghệ mới và vật liệu tiên tiến sẽ giúp nâng cao khả năng chịu lửa và đảm bảo an toàn cho công trình nhà. Ngoài ra, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các bên liên quan trong quá trình thiết kế và thi công để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn của các giải pháp bọc bảo vệ.