Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành xây dựng ngày càng phát triển với các công trình cao tầng và quy mô lớn, vấn đề an toàn cháy nổ trở nên cấp thiết. Theo thống kê của Cục Cảnh sát PCCC, trong tháng 5/2021, Việt Nam đã xảy ra khoảng 450 vụ cháy nổ, gây thiệt hại ước tính lên đến 28,9 tỷ đồng và làm chết 14 người. Các công trình bê tông cốt thép (BTCT) là cấu kiện chịu lực chính, đặc biệt là sàn BTCT, chịu tác động trực tiếp từ ngọn lửa khi xảy ra hỏa hoạn. Việc nghiên cứu ứng xử và khả năng chịu lửa của sàn BTCT là cần thiết để giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng và phân tích ứng xử nhiệt học và cơ học của sàn BTCT khi bị cháy theo tiêu chuẩn ISO 834, sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn SAFIR. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các tham số thiết kế như chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép và bề dày bản sàn đến thời gian chịu lửa và độ võng của sàn. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc mô phỏng sàn BTCT chịu tác động của ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834, với các thông số thiết kế được lựa chọn phù hợp theo tiêu chuẩn Việt Nam và Eurocode 2.

Ý nghĩa nghiên cứu không chỉ nằm ở việc cung cấp dữ liệu khoa học về ứng xử của sàn BTCT khi cháy mà còn góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế kết cấu chịu lửa, từ đó tăng cường an toàn cho các công trình xây dựng trong thực tế. Kết quả nghiên cứu có thể hỗ trợ các kỹ sư xây dựng trong việc lựa chọn các tham số thiết kế tối ưu nhằm kéo dài thời gian chịu lửa của sàn BTCT, giảm thiểu nguy cơ sụp đổ trong hỏa hoạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chịu lửa, trong đó tiêu chuẩn Eurocode 2 được sử dụng làm cơ sở chính cho việc đánh giá khả năng chịu lửa của sàn BTCT. Ba phương pháp tính toán chính được áp dụng gồm: phương pháp tra bảng, phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C và phương pháp phân lớp. Phương pháp phân lớp được đánh giá là chính xác hơn khi chia sàn thành nhiều phân lớp nhỏ để xác định nhiệt độ và cường độ suy giảm của từng lớp bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tiêu chí chịu lửa REI: bao gồm tính toàn vẹn (E), khả năng cách nhiệt (I) và khả năng chịu lực (R).
  • Đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834: mô tả sự tăng nhiệt độ theo thời gian trong đám cháy tiêu chuẩn.
  • Sự suy giảm tính năng cơ lý của bê tông và cốt thép: được mô tả bằng các hệ số giảm cường độ theo thời gian cháy, dựa trên Eurocode 2.
  • Ứng xử cơ học của sàn BTCT khi cháy: đặc biệt là quan hệ độ võng-thời gian cháy, chia thành ba giai đoạn gồm tuyến tính, chuyển tiếp và sụp đổ.

Phần mềm SAFIR được sử dụng để mô phỏng đồng thời quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ học của sàn BTCT trong điều kiện cháy, dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. SAFIR cho phép mô phỏng phân bố nhiệt độ trong sàn và tính toán độ võng theo thời gian cháy, đồng thời áp dụng các mô hình vật liệu chịu nhiệt theo Eurocode 2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình sàn BTCT được xây dựng và phân tích bằng phần mềm SAFIR. Mô hình sàn có kích thước 2000 mm x 400 mm với bề dày sàn 80 mm, được giả định là sàn một phương chịu tải trọng tĩnh và hoạt tải theo tổ hợp tải trọng khi cháy. Các tham số thiết kế được biến đổi gồm chiều dày lớp bê tông bảo vệ (12,5 mm đến 20 mm), diện tích cốt thép (141 mm² đến 452 mm²) và bề dày sàn (7 cm đến 9 cm).

Phương pháp phân tích gồm hai bước:

  1. Phân tích nhiệt học: mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong sàn theo đường gia nhiệt ISO 834, so sánh kết quả với tiêu chuẩn Eurocode 2 để kiểm chứng độ chính xác.
  2. Phân tích cơ học: sử dụng dữ liệu nhiệt độ thu được để tính toán độ võng và ứng xử cơ học của sàn trong quá trình cháy.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm nhiều trường hợp với các biến đổi tham số thiết kế nhằm đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố đến khả năng chịu lửa. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các giá trị thực tế và tiêu chuẩn thiết kế phổ biến, đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng trong thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Quan hệ độ võng-thời gian cháy của sàn BTCT: Kết quả mô phỏng cho thấy độ võng tăng theo thời gian cháy và có thể chia thành ba giai đoạn rõ rệt: giai đoạn đầu gần như tuyến tính, giai đoạn chuyển tiếp với tốc độ tăng võng nhanh hơn, và giai đoạn cuối là sụp đổ. Ví dụ, sàn với lớp bê tông bảo vệ 15 mm và diện tích cốt thép 201 mm² có thời gian chịu lửa khoảng 90 phút trước khi bước vào giai đoạn sụp đổ.

  2. Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ: Khi tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ từ 12,5 mm lên 20 mm, thời gian chịu lửa của sàn tăng trung bình 25%, từ khoảng 70 phút lên đến 90 phút. Điều này cho thấy lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong việc cách nhiệt và bảo vệ cốt thép khỏi nhiệt độ cao.

  3. Ảnh hưởng của diện tích cốt thép: Diện tích cốt thép tăng từ 141 mm² đến 452 mm² làm tăng thời gian chịu lửa của sàn lên đến 40%. Đây là tham số có ảnh hưởng lớn nhất trong các yếu tố thiết kế được khảo sát, do cốt thép giữ vai trò chính trong việc chịu lực kéo khi bê tông bị suy giảm tính năng.

  4. Ảnh hưởng của bề dày bản sàn: Tăng bề dày sàn từ 7 cm lên 9 cm giúp kéo dài thời gian chịu lửa thêm khoảng 20%, do lớp bê tông dày hơn làm chậm quá trình truyền nhiệt vào bên trong sàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do bê tông có khả năng cách nhiệt tốt, giúp bảo vệ cốt thép khỏi nhiệt độ cao, từ đó duy trì khả năng chịu lực lâu hơn. Diện tích cốt thép lớn hơn cung cấp khả năng chịu lực kéo tốt hơn khi bê tông bị suy giảm, làm chậm quá trình sụp đổ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây và tiêu chuẩn Eurocode 2, đồng thời khẳng định tính hiệu quả của phần mềm SAFIR trong mô phỏng ứng xử sàn BTCT khi cháy.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong độ võng theo thời gian cháy với các biến đổi tham số thiết kế, hoặc bảng tổng hợp thời gian chịu lửa tương ứng với từng trường hợp. So sánh với các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế cho thấy kết quả mô phỏng có độ tin cậy cao, góp phần bổ sung dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng trong lĩnh vực này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ: Khuyến nghị các nhà thiết kế nên lựa chọn chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 15 mm để đảm bảo khả năng cách nhiệt và kéo dài thời gian chịu lửa của sàn BTCT. Thời gian thực hiện: áp dụng ngay trong các dự án mới.

  2. Tối ưu diện tích cốt thép chịu lực: Đề xuất tăng diện tích cốt thép lên mức phù hợp (từ 200 mm² trở lên) nhằm nâng cao khả năng chịu lực kéo khi cháy, đặc biệt trong các công trình có yêu cầu an toàn cháy cao. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế kết cấu.

  3. Lựa chọn bề dày sàn phù hợp: Khuyến khích sử dụng bề dày sàn từ 8 cm trở lên để cải thiện khả năng chịu lửa, đồng thời cân nhắc chi phí và tải trọng công trình. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và thi công.

  4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng SAFIR trong thiết kế: Khuyến nghị sử dụng phần mềm SAFIR để mô phỏng và đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện BTCT nhằm đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu và an toàn hơn. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, công ty tư vấn thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp mô phỏng giúp tối ưu thiết kế sàn BTCT chịu lửa, nâng cao an toàn công trình.

  2. Chuyên gia phòng cháy chữa cháy và an toàn công trình: Thông tin về thời gian chịu lửa và ứng xử sàn BTCT hỗ trợ đánh giá rủi ro và xây dựng phương án phòng cháy hiệu quả.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa và phân tích kết cấu chịu lửa bằng phần mềm phần tử hữu hạn.

  4. Chính sách và cơ quan quản lý xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để hoàn thiện tiêu chuẩn, quy chuẩn về thiết kế kết cấu chịu lửa, góp phần nâng cao chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phần mềm SAFIR có ưu điểm gì trong nghiên cứu kết cấu chịu lửa?
    SAFIR cho phép mô phỏng đồng thời quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ học của kết cấu trong điều kiện cháy, giúp dự đoán chính xác sự phân bố nhiệt độ và biến dạng, hỗ trợ thiết kế an toàn hơn.

  2. Chiều dày lớp bê tông bảo vệ ảnh hưởng thế nào đến khả năng chịu lửa?
    Lớp bê tông bảo vệ dày hơn giúp cách nhiệt tốt hơn, làm chậm quá trình truyền nhiệt vào cốt thép, từ đó kéo dài thời gian chịu lửa của sàn BTCT.

  3. Diện tích cốt thép có vai trò gì trong khả năng chịu lửa của sàn?
    Diện tích cốt thép lớn hơn tăng khả năng chịu lực kéo khi bê tông bị suy giảm, giúp sàn duy trì độ bền lâu hơn trong đám cháy.

  4. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lửa trong nghiên cứu?
    Tiêu chuẩn Eurocode 2 được sử dụng làm cơ sở đánh giá, kết hợp với đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 để mô phỏng điều kiện cháy.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại sàn BTCT khác không?
    Mô hình và phương pháp phân tích có thể mở rộng áp dụng cho các loại sàn BTCT khác, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số thiết kế phù hợp với từng loại sàn và điều kiện thực tế.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã mô phỏng thành công ứng xử nhiệt và cơ học của sàn BTCT bị cháy theo tiêu chuẩn ISO 834 bằng phần mềm SAFIR, cho kết quả phù hợp với tiêu chuẩn Eurocode 2.
  • Quan hệ độ võng-thời gian cháy của sàn BTCT được chia thành ba giai đoạn rõ ràng: tuyến tính, chuyển tiếp và sụp đổ.
  • Các tham số thiết kế như chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép và bề dày sàn có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lửa, trong đó diện tích cốt thép đóng vai trò quan trọng nhất.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu thiết kế sàn BTCT chịu lửa, góp phần nâng cao an toàn công trình trong thực tế.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp thiết kế và phần mềm mô phỏng để cải thiện khả năng chịu lửa của sàn BTCT, đồng thời khuyến khích nghiên cứu tiếp theo mở rộng phạm vi và điều kiện mô phỏng.

Hành động tiếp theo là áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế và phát triển các công cụ hỗ trợ thiết kế chịu lửa cho kết cấu BTCT nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong xây dựng.