Chương 1: Giới thiệu - Giới thiệu về cấu kiện bê tông cốt thép, ưu và nhược điểm của chúng. - Đối tượng, mục tiêu, phương pháp, phạm vi nghiên cứu. - Nêu lên sơ bộ nội dung nghiên cứu. Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu Giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về cấu kiện chịu lửa trong xây dựng.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán kết cấu BTCT chịu lửa. - Phương pháp tính toán kết cấu BTCT chịu lửa theo tiêu chuẩn EN 1992. 4 - Quy trình tính toán kết cấu BTCT chịu lửa theo tiêu chuẩn EN 1992. - Tổng quan về OpenSees.
Chương 4: Nội dung nghiên cứu Bài toán mô phòng ứng xử của cấu kiện chịu lửa bằng OpenSees - Mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong tiết diện dầm BTCT bằng phần mềm COMSOL. - Xây dựng mô hình số của tiết diện và dầm BTCT bằng Opensses. - Phân tích cấu kiện dầm BTCT bằng Opensses và đưa ra kết quả mô phỏng. - Nhận xét kế quả.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị. Tổng kết những so sánh trong chương 4, rút ra được những tính chất của cấu kiện BTCT chịu lửa, đồng thời định hướng khả năng phát triển tiếp của đề tài này. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 2. Nghiên cứu trên thế giới Năm 1999, nhóm nghiên cứu gồm Dotreppe J.
đã xuất bản bài báo “Calculation Method for Design of Reinforced Concrete Columns under Fire Conditions” trên tạp chí ACI Structural Journal, nhằm trình bày phương pháp tính toán cột bê tông cốt thép chịu lửa một cách đơn giản, dựa trên những lý thuyết tính toán cột thép nhưng đã được điều chỉnh cho phù hợp với vật liệu bê tông và kiểm tra bằng cách mô phỏng 83 thí nghiệm trên phần mềm có tên SAFIR. Đây là phần mềm được phát triển bởi các tác giả tại đại học Liège, có thể mô phỏng được ứng xử của kết cấu thép, bê tông và vật liệu composite trong điều kiện cháy. Đồng thời có thể phân tích trong phạm vi lớn, áp dụng các định luật cho vật liệu phi tuyến, phân tích nhiệt học và cơ học không đồng nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Tác giả đã đưa ra những công thức riêng biệt xác định lực tới hạn và khả năng kháng cháy của cột cho từng trường hợp như: cột mảnh chịu tải đúng tâm - lệch tâm, cột đặc chịu tải lệch tâm, cột ngắn… Đồng thời tác giả còn đưa ra những chỉ dẫn tính toán cụ thể, các ví dụ minh họa cho từng công thức và giới hạn trường hợp có thể sử dụng công thức.
Vào năm 2009, bài viết “Response of restrained concrete beams under design fire exposure” do Dwaikat M. thực hiện được đăng trên trang Journal of structural engineering. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu lửa của 6 dầm bê tông cốt thép đánh số từ B1 – B6. Tất cả dầm đều có chiều dài là 3,96m và tiết diện ngang 406×254 mm2, sử dụng thép dọc Ø19 chịu kéo và Ø13 chịu nén.
Trong đó B1 và B2 làm từ bê tông cường độ bình thường (NSC), B3 – B6 làm từ dầm bê tông cường độ cao. Các thí nghiệm bao gồm các kiểm tra cường độ bê tông, những điều kiện ảnh hưởng, quá trình cấu kiện bị cháy, tỷ lệ tải trọng. Dữ liệu từ các thí nghiệm được sử dụng để minh họa so sánh hiệu suất của dầm bê tông cường độ cao (HSC) và bê tông cường độ bình thường (NSC) trong điều kiện cháy. Ngoài ra, dữ liệu từ các thí nghiệm còn được sử dụng để 6 đối chiếu với mô hình phản ứng cháy của dầm bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Kết quả từ các thí nghiệm và mô hình số, có thể rút ra các kết luận như: dầm HSC có khả năng chống cháy thấp hơn so với dầm NSC. Đồng thời HSC dễ bị nứt vỡ hơn, lý do là vì tính thấm của bê tông thấp. Ngoài ra, mức tải trọng, cách tiếp xúc với lửa và các điều kiện liên kết cũng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống cháy chung của dầm BTCT. Do đó, sự phá hoại và khả năng chống cháy của dầm BTCT tiếp xúc với lửa phải được xác định dựa trên điều kiện cháy, tải trọng và diễn biến thực tế.
Năm 2011, một nghiên cứu có tên “Heat Transfer Analysis of Reinforced Concrete Beams Reinforced with GFRP Bars”, được tác giả Hawileh R. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng mô hình 3D FE phi tuyến để xác định khả năng truyền nhiệt trong cấu kiện bê tông cốt thép được gia cường bằng thanh GFRP dựa trên công trình nghiên cứu của Abbasi và Hogg (2006). Chương trình mô phỏng là ANSYS 2007, được sử dụng để mô hình dầm BTCT có tiết diện 350×400mm dài 4,25m. Trong thí nghiệm mô phỏng, nhiệt độ trung bình trong các thanh GFRP được lấy sau mỗi 0,5 giây.
Mối tương quan giữa các kết quả được dự đoán và đo lường trong toàn bộ quá trình tiếp xúc với lửa nhiệt là rất tốt. Kết quả dự đoán nhiệt độ trung bình sau 25 phút tiếp xúc với lửa là khá chính xác. Có một sự sai lệch nhỏ có thể liên quan đến việc thiếu các đặc tính vật liệu chịu nhiệt của các thanh GFRP. Dầm BTCT được thử nghiệm bị phá hoại sau khoảng 128 phút tiếp xúc với lửa, khi nhiệt độ trung bình trong các thanh GFRP đạt 462°C.
Tương tự, dự đoán thời gian dầm bị phá hoại là 130 phút. Sự khác biệt thời gian phá hoại theo tỷ lệ phần trăm giữa mô hình FE và thời gian thực nghiệm là 1,5%. Sự lan truyền nhiệt độ bắt đầu từ các cạnh, sau đó truyền trong dầm. Lớp bê tông bảo vệ có thể trì hoãn sự tăng nhiệt độ trong GFRP lên tới 130 phút.
Từ đó cho thấy dầm bê tông được gia cố bằng thanh GFRP có thể đạt được độ bền chịu lửa khoảng 130 phút, cao hơn nhiều so với thời gian tối thiểu 90 phút được khuyến nghị trong tiêu chuẩn Anh. Hơn nữa, khi làm thí nghiệm có thể thiếu dữ liệu về sự gia tăng nhiệt độ trong các thanh GFRP riêng lẻ trong quá trình tiếp xúc với lửa. Tuy nhiên, khi dùng mô hình FE thì có thể dự đoán sự gia tăng nhiệt 7 độ tại bất kỳ vị trí và thời gian cụ thể nào. Vì vậy, mô phỏng FE có thể được sử dụng thay thế cho các thí nghiệm tốn kém.
đã xuất bản một bài nghiên cứu có tên “Numerical Analysis on Fire Resistance of Prestressed Concrete Tbeam”, đăng trên IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, nghiên cứu về khả năng chống lửa của dầm chữ T ứng suất trước bằng phương pháp mô hình số, nhằm đánh giá khả năng làm việc của các cấu kiện bê tông dự ứng lực đúc sẵn trong các kết cấu khung bê tông. Kết cấu dầm T được mô hình bằng phần mềm ANSYS, một phần mềm có khả năng dự đoán phản ứng cháy của kết cấu. Trong phần mềm này, khả năng chống cháy của hệ thống kết cấu được phân tích thông qua phân tích cấu trúc nhiệt hai lần. Đối tượng nghiên cứu trong nghiên cứu này là dầm T kép, được thử nghiệm theo phương pháp tiếp xúc với lửa E119 của ASTM để phân tích nhiệt.
Các dầm được phân tích với các độ dày sàn bên trên lần lượt là 51mm, 76mm, 102mm, 121mm và 152mm. Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng được lấy từ Eurocode. Bê tông có cường độ nén 40MPa và thép dự ứng lực kéo nguội loại thấp đường kính Ø13mm và có cường độ 1860 Mpa. Mỗi thớ được gán thuộc tính vật liệu phụ thuộc nhiệt độ phi tuyến không đổi dọc theo chiều dài của phần tử dầm (tỷ lệ Poisson, cường độ nén, mô đun Young và cường độ chảy theo Eurocode 2).
Mô hình sau đó được chia lưới và liên kết tông - cốt thép bằng khớp nối. Kết cấu được cung cấp ứng suất ban đầu đến 1172 MPa và tổn thất ứng suất tối thiểu 207 Mpa. Kết cấu được mô hình chịu lửa theo tiêu chuẩn ASTM E119 trong vòng 30, 60, 90, 120 và 180 phút. Đồ thị thu được từ việc phân tích được biểu diễn dưới dạng hàm thời gian theo nhiệt độ nút ở các bước thời gian khác nhau và độ dày tấm khác nhau.
Trong mọi trường hợp, nhiệt độ ở phía không được tiếp xúc với lửa của dầm ban đầu tăng chậm theo kiểu tuyến tính, sau đó tăng nhanh hơn và theo xu hướng tương tự như đường cong - cháy của ASTM E119. Nhiệt độ trong tất cả các thớ tăng dần dần. Như vậy, rõ ràng là nhiệt độ từng thớ đóng một vai trò quan trọng trong sự phá hoại của dầm bê tông dự ứng lực trong điều kiện cháy. Kết quả nhiệt độ dầm và thớ theo xu hướng tương tự như các tình huống cháy thực tế.
Các giá trị khả năng kháng cháy được dự đoán cho các độ dày của tấm khác 8 nhau gần đúng với thí nghiệm với sai số nằm trong phạm vi 15%. Kết luận được rút ra là khả năng chống cháy phụ thuộc vào lớp bê tông bảo vệ và độ dày của tấm topping trong sàn, độ cứng của liên kết trong dầm cũng ảnh hưởng tới khả năng chống cháy. Bài báo “A plastic-damage model for concrete in fire: Applications in structural fire engineering” được đăng trên Fire Safety Journal, vào năm 2015 của nhóm Gernay T. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một mô hình kếu cấu đa trục mới cho bê tông trong tình huống hỏa hoạn.
Một số ví dụ về mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến tính được sử dụng để tìm hiểu các khả năng chống cháy của mô hình kết cấu khung bê tông, sử dụng phần mềm mô phỏng SAFIR. Bài viết tập trung nghiên cứu về mô hình phá hoại dẻo ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao. Sử dụng Eurocode 2 để khái quát hóa cho các trạng thái ứng suất đa trục bằng cách sử dụng giả định đẳng hướng để tính toán biến dạng nhiệt tự do. Bê tông khi chịu nhiệt độ cao sẽ bị suy giảm về cường độ và độ cứng.
Hiệu ứng này được tính đến thông qua các thông số vật liệu. Quy luật biến đổi của các tham số nhiệt độ được lấy từ các quy ước như trong Eurocode 2 (khi có sẵn) hoặc từ dữ liệu thí nghiệm đã được công bố. Mô hình kết cấu đa trục mới cho bê tông ở nhiệt độ cao được phát triển dựa trên công thức phá hoại dẻo. Trong bài báo này, mô hình bê tông đã được sử dụng trong các mô hình số được thực hiện với phần mềm dành riêng cho việc phân tích các cấu trúc tòa nhà trong điều kiện hỏa hoạn.