Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn tại các công trình xây dựng luôn là hiểm họa nghiêm trọng đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người và an toàn kết cấu. Điển hình như vụ cháy tháp Grenfell 24 tầng tại Anh năm 2017 khiến 80 người thiệt mạng, hay vụ hỏa hoạn tại chung cư Carina Plaza năm 2018 tại Thành phố Hồ Chí Minh thiêu rụi hơn 340 xe máy và làm 13 người tử vong. Trong kết cấu nhà nhiều tầng, cột bê tông cốt thép giữ vai trò là cấu kiện chịu lực trọng yếu. Khi xảy ra cháy, nhiệt độ tăng cao làm biến đổi sâu sắc các đặc tính cơ lý của bê tông và cốt thép, dẫn đến suy giảm nghiêm trọng khả năng chịu lực của toàn bộ hệ thống khung. Đứng trước sự cố sau hỏa hoạn, chủ đầu tư và kỹ sư thường đối mặt với hai lựa chọn: phá dỡ xây mới hoặc gia cường tái sử dụng. Việc gia cường luôn được ưu tiên nhằm tiết kiệm khoảng 30% đến 50% chi phí xây dựng, nhưng đòi hỏi phải có dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về ứng xử kết cấu sau cháy.

Đề tài tập trung nghiên cứu thực nghiệm ứng xử chịu nén dọc trục, phân tích quan hệ lực - chuyển vị, dạng phá hoại và sự suy giảm độ cứng của cột bê tông cốt thép sau các mốc thời gian chịu lửa khác nhau. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 06 năm 2019. Kết quả đề tài cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp các kỹ sư đánh giá chính xác mức độ tổn thương kết cấu, phục vụ công tác thẩm định an toàn và tối ưu hóa giải pháp gia cường công trình sau hỏa hoạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng Lý thuyết suy thoái nhiệt của bê tông gốc xi măng Portland và Lý thuyết cơ học kết cấu phi tuyến chịu tác động nhiệt kết hợp tải trọng dọc trục. Khi nhiệt độ vượt quá 500°C, các liên kết thủy hóa trong cấu trúc gel C-S-H của bê tông bị phân hủy mạnh, dẫn đến hiện tượng nứt vi mô và suy giảm mô đun đàn hồi. Đồng thời, cốt thép xây dựng khi chịu nhiệt độ trên 400°C sẽ giảm đáng kể giới hạn chảy và giới hạn bền.

Các khái niệm trọng tâm được áp dụng gồm:

  • Tiêu chuẩn đường cong nhiệt độ - thời gian ISO 834 mô phỏng diễn biến cháy thực tế trong không gian kín.
  • Khả năng chịu tải dọc trục giới hạn và biến dạng dư của cấu kiện sau khi làm nguội.
  • Quan hệ lực dọc - chuyển vị phản ánh độ dẻo và năng lượng hấp thụ của cột.
  • Độ cứng chống nén tương đương của cột bê tông cốt thép sau tổn thương nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

Chương trình thực nghiệm được triển khai với cỡ mẫu gồm 30 cột bê tông cốt thép tiết diện vuông kích thước 150x150x300 mm. Chiều cao 300 mm được lựa chọn tương thích với mẫu nén hình trụ tiêu chuẩn 150x300 mm và phù hợp với thiết bị nén hiện hữu tại phòng thí nghiệm. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật đúc mẫu phân nhóm đối chứng ngẫu nhiên đồng nhất. 30 mẫu thử được chia đều thành 5 nhóm, mỗi nhóm 6 mẫu tương ứng với các thời gian đốt: 0 phút (nhóm đối chứng), 30 phút, 45 phút, 60 phút và 75 phút.

Cấp phối bê tông cho 1 m3 gồm: 402 kg xi măng Holcim PC40, 0.484 m3 đá 1x2 (kích thước hạt lớn nhất 25 mm) và 197.925 lít nước sinh hoạt. Cường độ nén mẫu trụ trung bình ở 28 ngày tuổi đạt 25.8 MPa theo tiêu chuẩn TCVN 4453:1995. Cốt thép dọc sử dụng 4 thanh phi 12 loại CB400-V (giới hạn chảy 401.05 MPa, giới hạn bền 597.35 MPa), cốt đai phi 6 bước 75 mm (giới hạn chảy 361.83 MPa, giới hạn bền 487.21 MPa) bố trí theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2012.

Phương pháp thí nghiệm nung nhiệt trực tiếp trong lò đốt dầu dung tích 2200x410x400 mm kết hợp đo nhiệt độ bằng hệ thống 6 can nhiệt loại K dải đo 0-1200°C được lựa chọn. Sau khi gia nhiệt theo đường cong ISO 834 và để nguội tự nhiên trong 24 giờ, mẫu được nén dọc trục trên máy nén tĩnh. Cách tiếp cận thực nghiệm này giúp thu thập trực tiếp dữ liệu cơ lý thực tế, khắc phục triệt để các sai số do giả định đơn giản hóa trong mô phỏng phần tử hữu hạn. Quá trình chế tạo, bảo dưỡng 22 ngày và thử nghiệm hoàn tất trong 17 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu thực nghiệm trên 30 mẫu cột đã ghi nhận các phát hiện cốt lõi sau:

  • Biến đổi bề mặt và cơ chế phá hoại: Lửa tác động làm xuất hiện mạng lưới vết nứt li ti trên toàn bộ bề mặt bê tông. Màu sắc cấu kiện chuyển dần từ xám sáng sang xám hồng do phản ứng oxy hóa khoáng chất ở nhiệt độ cao. Khi chịu nén, lớp bê tông bảo vệ của các cột bị cháy bị bong tróc sớm hơn nhiều so với nhóm đối chứng.
  • Suy giảm khả năng chịu tải: Sức chịu tải dọc trục lớn nhất của các nhóm cột bị cháy giảm trung bình 11.75% so với nhóm mẫu đối chứng 0 phút. Mức độ suy giảm tăng tỷ lệ thuận với thời gian tiếp xúc ngọn lửa từ 30 đến 75 phút.
  • Gia tăng chuyển vị cực hạn: Chuyển vị dọc trục ứng với thời điểm lực nén đạt giá trị cực đại của các mẫu bị cháy tăng trung bình 20.37% so với nhóm đối chứng. Điều này phản ánh rõ cấu kiện trở nên mềm hơn và tăng tính biến dạng dẻo.
  • Suy giảm độ cứng đàn hồi: Độ cứng dọc trục của các mẫu chịu nhiệt suy giảm trung bình 11.75%, đồng thời độ dốc của nhánh suy giảm tải sau đỉnh (khi lực giảm về 85% giá trị cực đại) dốc hơn đáng kể ở nhóm đốt 60 và 75 phút.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng suy giảm 11.75% khả năng chịu tải và độ cứng bắt nguồn từ sự phân hủy của canxi hydroxit Ca(OH)2 và cấu trúc gel C-S-H khi nhiệt độ lò vượt ngưỡng 450°C. Quá trình thoát hơi nước tự do và nước liên kết tạo ra áp suất mao dẫn bên trong, sinh ra ứng suất kéo cục bộ gây nứt tế vi ma trận xi măng. Đồng thời, sự giãn nở nhiệt không đồng đều giữa 4 thanh thép dọc phi 12 và lớp bê tông bao quanh làm suy yếu lực bám dính tiếp xúc.

So sánh với các nghiên cứu trước đây của Khoury (2000) và Bikinet (2014), kết quả thí nghiệm có sự tương đồng cao về quy luật mềm hóa vật liệu. Tuy nhiên, mức suy giảm tải 11.75% ở thời gian cháy dưới 75 phút cho thấy cột tiết diện vuông có lớp bảo vệ đạt chuẩn vẫn duy trì trên 88% năng lực chịu lực danh định, chứng minh tiềm năng phục hồi kết cấu là rất khả thi.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu có thể được thể hiện qua:

  • Biểu đồ đường cong Lực dọc - Chuyển vị (P-Delta) so sánh trực tiếp 5 đường cong ứng xử của các nhóm mẫu từ 0 đến 75 phút.
  • Bảng tổng hợp đối sánh giá trị lực cực hạn, chuyển vị đỉnh và độ cứng suy giảm tương ứng với từng mốc thời gian gia nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích định lượng từ kết quả thực nghiệm, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm nâng cao an toàn kết cấu công trình:

  1. Thiết lập quy trình kiểm định kết cấu sau hỏa hoạn: Các cơ quan quản lý và đơn vị giám định xây dựng cần ban hành quy trình đo đạc chuyển vị dư và độ cứng còn lại của cột trong vòng 7 ngày sau khi dập tắt đám cháy. Mục tiêu rút ngắn thời gian đưa ra kết luận an toàn công trình từ 30 ngày xuống dưới 10 ngày, giúp người dân sớm ổn định cuộc sống.

  2. Ứng dụng giải pháp bọc sợi composite (CFRP/GFRP) gia cường cột sau cháy: Các nhà thầu chuyên ngành cần triển khai kỹ thuật bọc từ 1 đến 2 lớp vải sợi carbon CFRP cho các cột chịu nhiệt từ 30 đến 75 phút. Mục tiêu kỹ thuật là khôi phục tối thiểu 95% sức chịu tải và 85% độ cứng ban đầu của cấu kiện trong thời gian thi công không quá 14 ngày.

  3. Tăng cường chiều dày lớp bê tông bảo vệ trong khâu thiết kế: Đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu cần quy định lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 30 mm cho cột nhà cao tầng thay vì mức 20 mm thông thường, kết hợp bố trí cốt đai dày bước 50-75 mm tại chân cột. Mục tiêu nâng cao giới hạn chịu lửa của cấu kiện thêm 25% đến 40% theo quy chuẩn QCVN 06:2022/BXD.

  4. Bổ sung phụ gia sợi polypropylene vào cấp phối bê tông: Các trạm trộn bê tông thương phẩm nên đưa sợi polypropylene với hàm lượng khoảng 0.5 đến 1.0 kg/m3 vào hỗn hợp bê tông cột chịu lực. Phụ gia này sẽ nóng chảy tạo vi kênh thoát khí khi gặp nhiệt, hạn chế triệt để hiện tượng nổ vỡ bê tông ở nhiệt độ trên 500°C.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư kết cấu và chuyên gia giám định công trình: Khai thác số liệu suy giảm tải 11.75% và mức tăng chuyển vị 20.37% để đánh giá mức độ an toàn chịu lực của hệ khung nhà sau hỏa hoạn, từ đó lập phương án sửa chữa tối ưu thay vì phá dỡ tốn kém.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế công trình dân dụng và công nghiệp: Ứng dụng các quy luật về sự ảnh hưởng của cốt thép đai bước 75 mm và lớp bảo vệ bê tông để thiết kế kháng cháy chủ động cho công trình ngay từ giai đoạn lập dự án.
  • Nhà thầu thi công và đơn vị sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn: Tham khảo quy trình kiểm soát cấp phối mác 25.8 MPa và biện pháp định vị cốt thép chính xác trong cốp pha nhằm đảm bảo khả năng chịu lửa đồng đều cho cấu kiện.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Xây dựng: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kỹ thuật vận hành lò đốt ISO 834, thu thập dữ liệu bằng can nhiệt loại K và kỹ năng phân tích biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị.

Câu hỏi thường gặp

Khả năng chịu lực của cột bê tông cốt thép suy giảm như thế nào sau khi bị cháy đến 75 phút? Kết quả thí nghiệm trên 30 mẫu cột cho thấy khả năng chịu tải và độ cứng của các nhóm mẫu bị cháy giảm trung bình 11.75% so với nhóm đối chứng 0 phút. Mặc dù suy giảm, cấu kiện vẫn bảo lưu hơn 88% sức chịu nén danh định, mở ra khả năng gia cường tái sử dụng công trình.

Tại sao chuyển vị ứng với lực dọc lớn nhất của cột lại tăng 20.37% sau khi bị cháy? Nhiệt độ cao làm bốc hơi nước liên kết trong tinh thể xi măng và tạo ra nhiều vết nứt li ti trong bê tông. Hiện tượng này làm suy giảm mô đun đàn hồi, khiến vật liệu trở nên mềm dẻo hơn, dẫn đến chuyển vị dọc trục tại thời điểm đạt tải cực đại tăng trung bình 20.37%.

Cấu tạo mẫu thử và loại cốt thép trong nghiên cứu được thiết kế như thế nào? Mẫu thí nghiệm có kích thước 150x150x300 mm, chế tạo từ bê tông đạt cường độ nén 28 ngày tuổi là 25.8 MPa. Mẫu sử dụng 4 thanh cốt thép dọc phi 12 loại CB400-V có giới hạn chảy 401.05 MPa và cốt thép đai phi 6 bước 75 mm theo đúng tiêu chuẩn TCVN 5574:2012.

Quy trình gia nhiệt và kiểm soát nhiệt độ trong thí nghiệm tuân theo tiêu chuẩn nào? Thí nghiệm sử dụng lò đốt dầu DO chuyên dụng công suất 2 HP, kiểm soát nhiệt độ tự động qua 6 can nhiệt loại K dải đo 0-1200°C. Chế độ nhiệt được điều chỉnh bám sát đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834 tương ứng với các mốc thời gian 30, 45, 60 và 75 phút.

Giải pháp nào hiệu quả nhất để phục hồi khả năng chịu lực của cột sau khi bị cháy? Trong thực tế, giải pháp bọc tấm sợi carbon composite (CFRP) xung quanh tiết diện cột bị tổn thương nhiệt dưới 75 phút mang lại hiệu quả cao nhất. Phương án này giúp khôi phục trên 95% khả năng chịu tải ban đầu, thi công nhanh trong 14 ngày và tiết kiệm 40% chi phí so với phá dỡ xây mới.

Kết luận

  • Hoàn thành xuất sắc chương trình thực nghiệm trên 30 mẫu cột bê tông cốt thép kích thước 150x150x300 mm chịu tác động nhiệt theo đường cong tiêu chuẩn ISO 834 qua 5 mốc thời gian từ 0 đến 75 phút.
  • Xác định chính xác mức suy giảm trung bình về khả năng chịu tải dọc trục cực hạn và độ cứng đàn hồi của cột sau cháy là 11.75% so với mẫu đối chứng.
  • Phát hiện quy luật tăng trưởng chuyển vị dọc trục trung bình 20.37% tại điểm tải lớn nhất do sự suy giảm mô đun đàn hồi và quá trình nứt tế vi của ma trận bê tông.
  • Khẳng định tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của phương án gia cường sửa chữa kết cấu cột sau hỏa hoạn thay vì phá dỡ hoàn toàn công trình.
  • Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm tin cậy phục vụ công tác kiểm định chất lượng, xây dựng tiêu chuẩn kháng cháy và hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng số.

Đóng góp chính của luận văn là đã lượng hóa thành công mối quan hệ lực - chuyển vị và xác định độ cứng dư của cột bê tông cốt thép sau cháy tại Việt Nam. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo trong 12 tháng tới sẽ mở rộng sang bài toán cột chịu nén uốn lệch tâm xiên và ứng dụng mô phỏng phi tuyến 3D. Các đơn vị tư vấn thiết kế và chủ đầu tư hãy tham khảo ngay bộ dữ liệu thực nghiệm này để nâng cao chất lượng thẩm định an toàn công trình sau sự cố cháy.