Mở đầu luận văn là chƣơng 1. Trong chƣơng này nêu lên lý do thực hiện đề tài nghiên cứu, mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Ngoài ra phƣơng pháp nghiên cứu và ý nghĩa nghiên cứu cũng đƣợc trình bày trong nghiên cứu này. Chƣơng 2 trình bày tóm tắt các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về ứng xử của cột BTCT bị cháy.
Phần đầu của chƣơng này trình bày các vụ cháy lớn đã xảy ra trên thế giới và hậu quả nặng nề do các vụ cháy này gây ra. Qua đó cho thấy, việc đánh giá sự tác động của lửa lên kết cấu bê tông cốt thép là rất cần thiết. Các nghiên cứu cho thấy rằng, sự ảnh hƣởng của kích thƣớc tiết diện cột đến khả năng kháng cháy của cột sau cháy đƣợc đa số các tác giả tập trung nghiên cứu. Hơn nữa, tỉ lệ cốt thép dọc, cách bố trí cốt thép trong cột ảnh hƣởng lớn đến khả năng chịu tải của cột sau cháy.
Tiếp theo, chƣơng 3 là chƣơng trình thí nghiệm. Phần đầu trình bày vật liệu để chế tạo mẫu, bao gồm bê tông và thép xây dựng. Phần thứ hai là chế tạo mẫu đề cập đến 4 kích thƣớc tiết diện, số lƣợng, cách thức đặt tên và quy trình thi công mẫu. Thí nghiệm cháy là phần thứ ba trong chƣơng này.
Theo đó, phần này giới thiệu về cấu tạo của lò thí nghiệm cháy, dụng cụ để đo nhiệt độ trong lò và trình bày tổng quát về cách thức thí nghiệm cháy. Phần thứ 4 là thí nghiệm nén, phần này trình bày cách thực hiện thí nghiệm nén. Chƣơng 4 là kết quả và nhận xét, trong chƣơng này phân tích sự ảnh hƣởng của lửa đến bê tông và dạng phá hoại của cột BTCT bị cháy. Đặc biệt, mối quan hệ giữa lực và chuyển vị của cột BTCT bị cháy đƣợc phân tích làm rõ.
Ngoài ra, sự ảnh hƣởng của thời gian cháy đến khả năng chịu tải của cột sau cháy cũng đƣợc trình bày. Cuối cùng, Chƣơng 5 của luận văn là kết luận, nêu lên các kết quả đạt đƣợc trong nghiên cứu và kiến nghị những hƣớng nghiên cứu mới trong tƣơng lai. Mục tài liệu tham khảo trong luận văn trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài. Giới thiệu chung Trên thế giới, nhiều vụ hỏa hoạn xảy ra đã gây thiệt hại lớn về ngƣời và tài sản.
Ví dụ nhƣ, vụ cháy tháp Grenfell 24 tầng ở Anh vào năm 2017 đã làm 80 ngƣời thiệt mạng, hàng chục ngƣời bị thƣơng và thiêu rụi gần nhƣ toàn bộ cơ sở vật chất của tòa nhà (Hình 2. Cũng trong năm 2017, vụ hỏa hoạn ở tòa nhà Bronx ở New York, đám cháy làm ít nhất 12 ngƣời chết, 14 ngƣời bị thƣơng (Hình 2. a) Tháp Grenfell b) Tòa nhà Bronx Hình 2. Hình ảnh các vụ cháy lớn trên thế giới.
Tại Việt Nam, vào tháng 3 năm 2018, một vụ hỏa hoạn bùng phát tại chung cƣ Carina Plaza, quận 8, thành phố Hồ Chí Minh làm 13 ngƣời chết, hơn 90 ngƣời nhập viện, 17 ô tô và hơn 340 xe máy bị thiêu rụi (Hình 2. Hình ảnh vụ cháy Carina Plaza Hỏa hoạn có ảnh hƣởng với các mức độ khác nhau đến khả năng chịu lực của kết cấu. Khi hỏa hoạn xảy ra, cột là một cấu kiện chịu lực chính nhƣng lại bị tác động trực tiếp của lửa. Điều này làm ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của kết cấu.
Các công trình đứng trƣớc hai sự lựa chọn: 1) phá dỡ và xây mới lại công trình; 2) gia cƣờng kết cấu để đáp ứng khả năng chịu lực theo các tiêu chuẩn hiện hành. Giải pháp thứ hai ngày càng đƣợc quan tâm và lựa chọn vì đáp ứng đƣợc điều kiện về mặt kinh tế. Vì vậy, việc đánh giá tác động của lửa đối với khả năng chịu lực của cột trở nên rất cần thiết. Tổng quan các nghiên cứu ngoài nƣớc về ứng xử của cột BTCT bị cháy Trên thế giới, các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu BTCT bị cháy đã đƣợc công bố từ những năm đầu thế kỉ 21.
Năm 2000, Khoury [3] đã thực hiện một bài báo cáo tổng quát về sự tác động của lửa lên vật liệu bê tông lẫn kết cấu bê tông. Trong quá trình gia nhiệt, hỗn hợp vật liệu trong bê tông xảy ra các biến đổi hóa lý phức tạp, từ đó dẫn đến sự suy giảm tính chất cơ học của bê tông. Nhìn chung, tất cả bê tông gốc xi măng portland đều mất khả năng chịu tải khi ở nhiệt độ từ 550 – 600 0C. Khi nhiệt độ dƣới 500 0C, sự suy giảm tính chất cơ học này có thể đƣợc cải thiện nhờ việc sử dụng 7 các loại cốt liệu ít bị giãn nỡ dƣới tác dụng của nhiệt độ cao và xi măng với một tỷ lệ CaO/SiO thích hợp.
Ngoài ra, hiện tƣợng bê tông phát nổ dƣới tác dụng của nhiệt độ cao đƣợc giảm một cách đáng kể đối với các loại bê tông chống thấm. Các loại bê tông có tính chống thấm kém, hiện tƣợng trên có thể đƣợc hạn chế nhờ thêm sợi polypropylene vào thành phần cấp phối bê tông và sử dụng lớp phủ chắn nhiệt để bảo vệ bề mặt bê tông dƣới sự tác dụng trực tiếp của nhiệt độ. Năm 2006, Kodur và Bisby [4] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ứng xử của cột bê tông cốt thép gia cƣờng FRP và vật liệu cách nhiệt. Chƣơng trình thí nghiệm đƣợc tiến hành trên 5 mẫu cột.
Trong đó, một cột tròn với đƣờng kính 355 mm không gia cƣờng sử dụng cốt thép dọc là 620. Hai cột tròn có đƣờng kính 406 mm đƣợc gia cƣờng thêm FRP và vật liệu cách nhiệt, cốt thép dọc là 820. Một cột vuông với tiết diện là 406406 mm không gia cƣờng, cốt thép dọc 820. Một cột vuông với kích thƣớc 406406 mm có gia cƣờng FRP và vật liệu cách nhiệt, cốt thép dọc là 425.
Năm mẫu cột này đều có chiều cao là 3810 mm. Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc gia cƣờng FRP giúp cột tăng khả năng chịu tải so với cột không gia cƣờng. Ngoài ra việc sử dụng vật liệu cách nhiệt giúp cột chịu đƣợc nhiệt độ cao hơn 4 giờ. Năm 2007, Wu và cộng sự [5] đã mô phỏng để nghiên cứu về khả năng kháng cháy của 960 cột BTCT, trong đó, 480 cột sử dụng bê tông cƣờng độ thƣờng (NSC) và 480 cột còn lại sử dụng bê tông cƣờng độ cao (HSC).
Bốn mặt của cột đƣợc mô phỏng tiếp xúc với lửa, nhiệt độ cháy tuân theo đƣờng cong lửa trong tiêu chuẩn ISO 834 [6]. Nhiệt độ tác dụng lên cột đƣợc thiết lập bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn (FDM). Các cột đƣợc mô phỏng cháy với nhiệt độ tăng dần từ 0 đến 1400 0C. Mô hình phân tích chỉ ra rằng, ảnh hƣởng của kích thƣớc mặt cắt ngang đến khả năng kháng cháy của các cột bê tông là đáng kể.
Sự gia tăng kích thƣớc mặt cắt ngang làm tăng khả năng kháng cháy của cả hai cột NSC và HSC. Hơn nữa, nghiên cứu cũng cho thấy, khả năng kháng cháy của cột HSC nhỏ hơn nhiều so với cột NSC do sự nổ bề mặt làm tiết diện 8 của cột HSC giảm khi nhiệt độ tăng. Tỷ lệ kháng cháy của cột NSC so với cột HSC tăng theo tỷ lệ tải trọng dọc trục. Tuy nhiên, khi tiết diện mặt cắt ngang của cột tăng thì tỷ lệ kháng cháy này chỉ giảm hoặc hầu nhƣ không thay đổi.
Ngoài ra, sự gia tăng tỷ lệ tải trọng dọc trục làm khả năng kháng cháy của các cột HSC giảm nhanh lúc đầu và sau đó giảm dần ổn định. Sự gia tăng tỷ lệ này cũng làm giảm đáng kể khả năng chống cháy của các cột NSC. Cũng trong năm 2007, Jau và Huang [7] đã nghiên cứu về ứng xử của các cột biên trong khung kết cấu sau khi bị cháy. Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên 6 mẫu cột BTCT 300450 mm, trong đó 3 mẫu sử dụng thép dọc 425, 3 mẫu sử dụng 432 và độ dày lớp bê tông bảo vệ là 50, 60 và 70 mm.
Thời gian các mẫu tiếp xúc với lửa thời gian từ 2 đến 4 giờ. Kết quả thu đƣợc, cấu tạo cốt thép trong cột có ảnh hƣởng lớn đến khả năng chịu tải của cột sau cháy. Theo đó, khả năng chịu tải các cột sử dụng cốt thép 25 kém hơn các cột sử dụng 32. Hơn nữa, vết nứt trong cột hình thành khi bị cháy phụ thuộc vào tỉ lệ thép và độ dày lớp bê tông bảo vệ.
Ngoài ra, nhiệt độ trong cột vẫn tăng dù cột không còn chịu tác dụng của lửa nữa. Cùng năm 2007, Chen và cộng sự [8] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của cột khi tiếp xúc với lửa. Nghiên cứu thực nghiệm trên chín cột BTCT 3004503000 mm với hai tỷ lệ cốt thép dọc là 1. Các mẫu đƣợc thí nghiệm cháy với thời gian là 2 và 4 giờ.
Sau một tháng thí nghiệm cháy, tác giả tiến hành thí nghiệm nén các cột. Kết quả cho thấy khả năng chịu tải của cột giảm sau khi tiếp xúc với lửa. Mức giảm trung bình về tải trong giới hạn là 27% đối với cột chịu cháy trong 2 giờ và 38% đối với các cột chịu cháy trong 4 giờ. Hơn nữa, tỉ lệ thép dọc càng lớn thì độ giãn nở nhiệt càng cao.
Ngoài ra, sự giãn nở nhiệt của thép theo chiều dọc làm tăng khả năng kháng cháy và chịu lực cho cột. Vài năm sau, Rodrigues và cộng sự [9] đã thực hiện nghiên cứu để phân tích ứng xử ảnh hƣởng của lửa lên cột bê tông cốt sợi. Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên mẫu thử 9 với tiết diện nhƣ nhau 2502503000 mm. Trong đó, tác giả thay đổi tỉ lệ thép dọc và tỷ lệ cốt sợi sao cho tổng tỉ lệ thép và sợi thép trong các mẫu cột là nhƣ nhau.
Tác giả tập trung nghiên cứu khả năng thay thế các thanh cốt thép bằng các sợi thép. Ngoài ra, các sợi polypropylene cũng đƣợc sử dụng trong hỗn hợp bê tông. Kết quả cho thấy: Việc có mặt các sợi polypropylene làm tăng khả năng kháng cháy của cột. Ngoài ra các sợi polypropylene cũng góp phần làm hạn chế sự xuất hiện các vết nứt.
Việc thay thế các thanh cốt thép bằng các sợi thép không phải là một giải pháp tối ƣu. Bởi vì, khi thay thế các thanh thép bằng các sợi thép đến một tỷ lệ nào đó thì khả năng kháng cháy của cột bắt đầu giảm. Hơn nữa, việc có mặt các thanh thép cũng làm cho cột tăng khả năng kháng cháy.
