Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn là một trong những thảm họa phổ biến và gây thiệt hại nghiêm trọng cho kết cấu công trình trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam. Theo ước tính, các vụ cháy lớn như vụ cháy nhà máy hóa chất Thiên Tân (Trung Quốc, 2015) hay cháy tòa nhà Grenfell Tower (London) đã làm suy giảm đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Khung BTCT là bộ phận chịu lực chính của công trình, chịu tải trọng ngang và dọc, do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của cháy đến khung BTCT và các giải pháp gia cường sau cháy là rất cần thiết.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của khung BTCT chịu cháy và gia cường uốn bằng vật liệu sợi carbon (CFRP) sau khi bị cháy. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng chịu lực ngang của khung BTCT sau khi chịu tác động nhiệt trong các khoảng thời gian 45 và 75 phút, đồng thời khảo sát hiệu quả của việc gia cường CFRP trong việc phục hồi và nâng cao khả năng chịu lực của khung. Nghiên cứu được thực hiện trên ba khung BTCT kích thước thực tế, trong đó một khung không chịu cháy làm khung đối chứng, hai khung còn lại chịu cháy trong thời gian 45 và 75 phút.

Phạm vi nghiên cứu tập trung tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, với các mẫu khung có kích thước cột 200×250 mm, dầm 200×220 mm, chiều cao 2,72 m và nhịp 2,75 m. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp gia cường kết cấu BTCT sau cháy, góp phần nâng cao độ an toàn và tuổi thọ công trình, đồng thời giảm thiểu chi phí so với việc phá dỡ và xây mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cơ học kết cấu BTCT chịu tải trọng nhiệt: Phân tích sự thay đổi tính chất cơ học của bê tông và thép sau khi chịu nhiệt độ cao, bao gồm sự giảm cường độ chịu nén bê tông và độ bền kéo của thép cốt thép.
  • Mô hình ứng xử uốn của khung BTCT: Khung BTCT được xem xét như hệ kết cấu chịu uốn với các bản lề nhựa hình thành tại chân cột và vị trí khớp dầm, theo nguyên lý dầm yếu cột mạnh.
  • Khái niệm gia cường bằng vật liệu FRP: Vật liệu CFRP có tính năng chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, dễ thi công và khả năng chống ăn mòn tốt, được sử dụng để gia cường uốn cho kết cấu BTCT nhằm cải thiện khả năng chịu lực ngang.
  • Khái niệm ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ cháy: Thời gian và nhiệt độ cháy ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển vết nứt, bong tróc bê tông và suy giảm khả năng chịu lực của khung BTCT.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm từ ba khung BTCT kích thước thực tế, trong đó một khung không chịu cháy (F-0), hai khung chịu cháy trong 45 phút (F-45) và 75 phút (F-75).
  • Thiết kế thí nghiệm: Các khung được chế tạo với tiết diện cột 200×250 mm, dầm 200×220 mm, chiều cao 2,72 m, nhịp 2,75 m. Thép cốt sử dụng thép CB400 với cường độ chịu kéo 570 N/mm² và giới hạn chảy 335,7 N/mm².
  • Quy trình thí nghiệm: Khung F-45 và F-75 được đặt trong buồng đốt, đốt cháy bằng dầu trong thời gian tương ứng. Sau khi cháy, các khung được gia cường bằng tấm CFRP dán bằng keo hai thành phần Carbotex Impreg. Khung F-0 được giữ nguyên làm đối chứng.
  • Phương pháp phân tích: Tải trọng ngang được tác dụng lên khung cho đến khi phá hoại để đo khả năng chịu lực và độ cứng. So sánh kết quả giữa các khung để đánh giá ảnh hưởng của cháy và hiệu quả gia cường CFRP.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Ba khung được chọn nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng so sánh trực tiếp giữa các điều kiện cháy khác nhau.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2019 đến tháng 1/2020, bao gồm giai đoạn chế tạo mẫu, thí nghiệm cháy, gia cường và thử tải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm khả năng chịu lực ngang sau cháy: Khung BTCT chịu cháy 45 phút (F-45) và 75 phút (F-75) có khả năng chịu tải ngang giảm lần lượt còn khoảng 88,96% và 85,06% so với khung không cháy (F-0). Điều này chứng tỏ thời gian cháy càng dài thì khả năng chịu lực càng suy giảm rõ rệt.

  2. Ảnh hưởng của cháy đến độ cứng khung: Độ cứng của khung F-45 và F-75 giảm tương ứng so với khung F-0, phản ánh sự suy giảm tính liên kết và độ bền của vật liệu sau khi chịu nhiệt độ cao.

  3. Phân bố vết nứt và vị trí phá hoại: Vết nứt và bong tróc bê tông tập trung chủ yếu tại chân cột và vị trí khớp dầm, phù hợp với nguyên lý dầm yếu cột mạnh. Vết nứt sâu hơn và diện tích bong tróc lớn hơn ở khung chịu cháy 75 phút so với 45 phút.

  4. Hiệu quả gia cường CFRP: Sau khi gia cường bằng CFRP, khả năng chịu lực của khung BTCT bị cháy được cải thiện đáng kể, gần bằng khung không cháy. CFRP giúp tăng cường độ bền kéo và hạn chế sự phát triển vết nứt, đồng thời cải thiện độ cứng của khung.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự suy giảm khả năng chịu lực là do nhiệt độ cao làm giảm cường độ bê tông và thép cốt thép, đồng thời gây ra các vết nứt và bong tróc bê tông làm giảm tính liên kết kết cấu. Thời gian cháy càng dài thì mức độ tổn thương càng nghiêm trọng, dẫn đến giảm tải trọng chịu được và độ cứng của khung.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian cháy đến kết cấu BTCT. Việc sử dụng CFRP để gia cường sau cháy được xác nhận là giải pháp hiệu quả, vừa tăng cường khả năng chịu lực, vừa tiết kiệm chi phí và thời gian thi công so với phá dỡ và xây mới.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tải trọng phá hoại và độ cứng của ba khung, cũng như bảng tổng hợp các chỉ số cơ học trước và sau gia cường. Hình ảnh vết nứt và bong tróc cũng minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng gia cường CFRP cho khung BTCT sau cháy: Khuyến nghị các chủ đầu tư và đơn vị thi công sử dụng vật liệu CFRP để gia cường uốn cho khung BTCT bị cháy nhằm phục hồi và nâng cao khả năng chịu lực ngang trong vòng 3 tháng sau khi xảy ra cháy.

  2. Kiểm tra đánh giá hiện trạng kết cấu sau cháy: Đề xuất thực hiện kiểm tra kỹ thuật bằng phương pháp không phá hủy để xác định mức độ tổn thương của khung BTCT trong vòng 1 tháng sau cháy, làm cơ sở cho việc lựa chọn giải pháp gia cường phù hợp.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn và quy trình gia cường bằng CFRP: Cần phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công gia cường CFRP cho kết cấu BTCT sau cháy, đảm bảo chất lượng và an toàn công trình trong vòng 6 tháng tới.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Khuyến khích các cơ sở đào tạo và doanh nghiệp xây dựng tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ gia cường FRP, nhằm nâng cao tay nghề và nhận thức về giải pháp này trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư kết cấu và thiết kế công trình: Giúp hiểu rõ ảnh hưởng của cháy đến kết cấu BTCT và ứng dụng gia cường CFRP trong thực tế, từ đó thiết kế và thi công các giải pháp an toàn hơn.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để quyết định phương án xử lý kết cấu sau cháy, tiết kiệm chi phí và thời gian bảo trì, sửa chữa.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp thí nghiệm, phân tích kết quả và ứng dụng vật liệu mới trong gia cường kết cấu.

  4. Cơ quan quản lý và ban ngành xây dựng: Hỗ trợ xây dựng các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến an toàn cháy nổ và gia cường kết cấu công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần gia cường khung BTCT sau khi bị cháy?
    Cháy làm giảm cường độ bê tông và thép, gây nứt và bong tróc, làm suy giảm khả năng chịu lực. Gia cường giúp phục hồi và nâng cao độ bền, đảm bảo an toàn công trình.

  2. Vật liệu CFRP có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    CFRP có trọng lượng nhẹ, chịu kéo cao, dễ thi công, không làm tăng tải trọng kết cấu và có khả năng chống ăn mòn tốt, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian.

  3. Thời gian gia cường sau cháy nên là bao lâu?
    Nên thực hiện gia cường trong vòng 3 tháng sau khi xảy ra cháy để hạn chế sự suy giảm thêm của kết cấu và đảm bảo hiệu quả phục hồi.

  4. Khung BTCT chịu cháy 45 phút và 75 phút khác nhau như thế nào?
    Khung chịu cháy 75 phút có mức độ tổn thương nặng hơn, khả năng chịu lực và độ cứng giảm nhiều hơn so với khung chịu cháy 45 phút, do thời gian tiếp xúc nhiệt lâu hơn.

  5. Phương pháp thí nghiệm được thực hiện như thế nào?
    Ba khung BTCT được chế tạo kích thước thực tế, hai khung chịu cháy trong buồng đốt với thời gian 45 và 75 phút, sau đó gia cường CFRP và thử tải ngang đến phá hoại để đánh giá khả năng chịu lực.

Kết luận

  • Khung BTCT chịu cháy 45 và 75 phút giảm khả năng chịu lực ngang còn khoảng 88,96% và 85,06% so với khung không cháy.
  • Thời gian và nhiệt độ cháy ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển vết nứt và bong tróc bê tông.
  • Gia cường bằng CFRP hiệu quả trong việc phục hồi và nâng cao khả năng chịu lực của khung BTCT sau cháy.
  • Vị trí phá hoại tập trung tại chân cột và khớp dầm, phù hợp với nguyên lý dầm yếu cột mạnh.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng giải pháp gia cường CFRP trong thực tế, góp phần nâng cao an toàn và tuổi thọ công trình.

Next steps: Triển khai áp dụng giải pháp gia cường CFRP cho các công trình bị cháy, đồng thời phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo chuyên môn. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp nghiên cứu mở rộng phạm vi và điều kiện thí nghiệm.

Call to action: Các kỹ sư, nhà quản lý và chủ đầu tư nên cân nhắc áp dụng công nghệ gia cường CFRP để bảo vệ và nâng cao hiệu quả sử dụng kết cấu BTCT sau sự cố cháy.