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. 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. 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 luan an 7 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. 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. Các kết quả chính đạt được và hướng phát triển của luận án luan an 8 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. Tổng quan về các giải pháp bọc bảo vệ kết cấu thép ứng dụng cho các công trình nhà 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 luan an 9 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).
Vật liệu thạch cao chống cháy 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. Sản phẩm thạch cao chống cháy Hình 1. 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 luan an 10 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.
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.
luan an 11 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.