Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép bị cháy

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép bị cháy, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Ngô Phi Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Vui
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Của Sàn Bê Tông Cốt Thép Bị Cháy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Ý nghĩa khoa học
• 1.3.1. Ý nghĩa nghiên cứu
• 1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG
• 2.1. Sơ lược lịch sử phát triển
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU LỬA THEO EN 1992
• 3.1. Các phương pháp tính toán
• 3.2. Phương pháp tra bảng tính toán sàn BTCT ở nhiệt độ cao
• 3.3. Phương pháp đường đẳng nhiệt 5000C tính toán sàn ở nhiệt độ cao
• 3.4. Phương pháp phân lớp tính toán sàn ở nhiệt độ cao
• 3.5. Đường gia nhiệt tiêu chuẩn
• 3.6. Sự phát triển của đám cháy
• 3.7. Tổ hợp hệ quả các tác động chịu lửa
• 3.8. Các tiêu chí về khả năng chịu lửa và nguyên tắc kiểm tra
• 3.9. Sự suy giảm tính năng chịu lực của vật liệu ở nhiệt độ cao
• 3.10. Tổng quan về phần mềm SAFIR
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH SỐ
• 4.1. Mô hình sàn phân tích
• 4.1.1. Cấu hình sàn phân tích
• 4.1.2. Phân tích nhiệt bằng phần mềm SAFIR
• 4.1.3. Mô hình phân tích cơ học bằng phần mềm SAFIR
• 4.1.4. Kiểm chứng cơ học
• 4.2. Kết quả và thảo luận
• 4.2.1. Sự ảnh hưởng của lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn
• 4.2.2. Sự ảnh hưởng của diện tích cốt thép đến ứng xử của sàn
• 4.2.3. Sự ảnh hưởng của chiều dày bản sàn đến ứng xử khi cháy
• 4.3. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Xử Sàn Bê Tông Cốt Thép Bị Cháy

Các công trình xây dựng hiện đại ngày càng phát triển, đạt đến độ cao và độ bền ấn tượng. Tuy nhiên, hỏa hoạn vẫn là một mối đe dọa lớn, có thể gây ra sự phá hủy và sụp đổ nghiêm trọng. Nghiên cứu về khả năng chịu lửa và thời gian chịu lửa của các công trình bê tông cốt thép (BTCT) là vô cùng cần thiết để giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Sàn BTCT, chịu tác động trực tiếp của lửa, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ công trình. Khi tiếp xúc với lửa, các đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép thay đổi, làm giảm khả năng chịu lực của sàn. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ứng xử sàn bê tông cốt thép khi cháy để đưa ra các giải pháp thiết kế và bảo vệ hiệu quả.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Khả Năng Chịu Lửa Sàn BTCT

Khả năng chịu lửa của sàn BTCT rất khó xác định chính xác. Các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) cung cấp hướng dẫn thiết kế sơ bộ, nhưng thiếu các công thức chi tiết. Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 [2] cung cấp hướng dẫn chi tiết hơn về tính toán khả năng chịu lửa. Các phần mềm phân tích như SAFIR [3] có khả năng mô phỏng ứng xử cơ nhiệt đồng thời cho sàn BTCT bị cháy, cho kết quả sát với thực nghiệm. Do đó, việc sử dụng phần mềm để phân tích và đánh giá khả năng chịu lửa là rất quan trọng. Nghiên cứu này sử dụng SAFIR để mô hình hóa sàn bê tông cốt thép bị cháy và đánh giá khả năng chịu lửa, đồng thời so sánh ảnh hưởng của các thông số thiết kế khác nhau.

1.2. Mục Tiêu Và Phạm Vi Nghiên Cứu Về Sàn Bê Tông Cốt Thép

Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép khi bị cháy, phân tích sự phân bố nhiệt độ trong sàn khi cháy, và đánh giá ứng xử, thời gian chịu lửa của sàn BTCT. Ngoài ra, nghiên cứu còn so sánh khả năng chịu lửa của các sàn BTCT với các thông số thiết kế khác nhau và đưa ra nhận xét, kết luận. Đối tượng nghiên cứu là sàn BTCT bị cháy, phạm vi nghiên cứu là đánh giá ứng xử và thời gian chịu lửa của sàn BTCT được mô phỏng cháy dưới ngọn lửa ISO-834 [4].

II. Thách Thức Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Nhiệt Độ Cao Đến Sàn BTCT

Hỏa hoạn gây ra những thiệt hại to lớn về người và của. Theo số liệu thống kê, các vụ cháy nổ gây ra thiệt hại hàng tỷ đồng mỗi năm. Trên thế giới, các vụ hỏa hoạn còn có quy mô lớn hơn. Nghiên cứu này góp phần bổ sung kiến thức mới và cung cấp dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Sàn là một cấu kiện chịu lực chính và chịu tác động trực tiếp của ngọn lửa, việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến sàn bê tông cốt thép là thật sự cần thiết để đưa ra những biện pháp thiết kế chịu cháy tốt hơn cho công trình.

2.1. Các Vụ Cháy Điển Hình Và Thiệt Hại Do Cháy Gây Ra

Các vụ cháy liên tiếp xảy ra gây nên thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Ví dụ, vụ cháy công ty sản xuất ghế sofa ở Bình Dương [5] đã thiêu rụi hàng nghìn mét vuông nhà xưởng. Hoặc vụ cháy trung tâm thương mại ở Dhaka, Bangladesh [6] gây thiệt hại nghiêm trọng. Những sự kiện này cho thấy rõ sự cần thiết của việc nghiên cứu và cải thiện khả năng chịu lửa của các công trình xây dựng, đặc biệt là sàn bê tông cốt thép chịu lửa.

2.2. Tổng Quan Về Tác Động Của Hỏa Hoạn Lên Kết Cấu Sàn Bê Tông

Hỏa hoạn không chỉ gây thiệt hại về vật chất và sinh mạng, mà còn hủy hoại các di sản văn hóa. Khi có hỏa hoạn, sàn là một cấu kiện chịu lực chính và chịu tác động trực tiếp của ngọn lửa. Khả năng chịu lực của kết cấu sàn BTCT khi bị cháy sẽ thay đổi và bị ảnh hưởng rất nhiều. Vì vậy, việc nghiên cứu tác động của ngọn lửa đối với khả năng chịu lửa và ứng xử của sàn BTCT là thật sự rất cần thiết. Các biện pháp thiết kế và vật liệu chống cháy cần được chú trọng để bảo vệ công trình và con người.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Phân Tích Sàn Bê Tông Bằng SAFIR

Con người đã và đang nghiên cứu các phương pháp giúp công trình tồn tại sau hỏa hoạn, hoặc kéo dài thời gian trụ vững để chờ các biện pháp chữa cháy. Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng phần mềm SAFIR [3] để mô phỏng ứng xử của sàn BTCT khi cháy. SAFIR có thể mô phỏng chính xác sự phát triển của lực màng khi sàn bị cháy, từ đó đánh giá khả năng chịu lửa. Nghiên cứu này tiếp tục sử dụng SAFIR để phân tích và đánh giá ứng xử của sàn BTCT, dựa trên các thông số đầu vào chính xác.

3.1. Lịch Sử Phát Triển Nghiên Cứu Về Mô Hình Hóa Sàn BTCT Chịu Lửa

Năm 2004, Lim và cộng sự [9] đã trình bày mô hình số của ứng xử cháy của sàn BTCT hai phương. Tác giả sử dụng chương trình phần tử hữu hạn phi tuyến SAFIR [10] để mô phỏng sàn trong điều kiện hỏa hoạn. Nhiều mẫu sàn BTCT và sàn liên hợp được mô phỏng cháy bởi ngọn lửa tiêu chuẩn ISO 834 [4] trong chương trình SAFIR [3]. Các phân tích cho thấy sự phát triển của lực màng khi sàn bị cháy và chính sự phát triển này đem đến sự tích cực cho khả năng chịu lửa của sàn. Đồng thời, các kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp với các thử nghiệm cháy thực tế. Điều này chứng minh phần mềm SAFIR [3] có thể được sử dụng để dự đoán ứng xử màng của các sàn bê tông cốt thép trong điều kiện hỏa hoạn.

3.2. Ưu Điểm Của SAFIR Trong Phân Tích Ứng Xử Nhiệt Của Sàn Bê Tông

SAFIR [3] là một phần mềm mạnh mẽ, có khả năng phân tích ứng xử cơ nhiệt đồng thời cho sàn BTCT bị cháy. Phần mềm này cho phép mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong sàn, sự thay đổi đặc trưng cơ lý của vật liệu, và độ võng của sàn theo thời gian cháy. Kết quả mô phỏng từ phần mềm được đánh giá là sát với kết quả thực nghiệm, giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư có cái nhìn chi tiết về ứng xử của sàn bê tông cốt thép khi chịu nhiệt.

IV. Phân Tích Ứng Suất Cách Xác Định Độ Bền Sàn Bê Tông Sau Cháy

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép khi bị cháy. Phân tích sự phân bố nhiệt độ trong sàn, cũng như phân tích ứng suất sàn bê tông cốt thép bị cháy đóng vai trò quan trọng. Từ đó đánh giá ứng xử và thời gian chịu lửa của sàn BTCT. So sánh khả năng chịu lửa của các sàn BTCT có các tham số thiết kế khác nhau giúp đưa ra kết luận hữu ích. Phương pháp phân tích này cho phép đánh giá một cách toàn diện tác động của nhiệt độ lên sàn BTCT.

4.1. Xác Định Đặc Trưng Cơ Lý Của Bê Tông Và Cốt Thép Khi Chịu Nhiệt

Khi sàn BTCT tiếp xúc với nhiệt độ cao, các đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép sẽ bị thay đổi. Cường độ chịu nén của bê tông giảm dần theo nhiệt độ, trong khi độ dẻo của cốt thép cũng bị ảnh hưởng. Việc xác định chính xác sự thay đổi này là rất quan trọng để đánh giá khả năng chịu lực của sàn sau khi bị cháy. Các tiêu chuẩn như Eurocode 2 [2] cung cấp các biểu đồ và công thức để tính toán sự suy giảm cường độ của vật liệu theo nhiệt độ.

4.2. Phân Tích Sự Phân Bố Nhiệt Độ Trong Sàn BTCT Khi Cháy

Sự phân bố nhiệt độ trong sàn BTCT khi cháy không đồng đều. Lớp bê tông gần bề mặt tiếp xúc với lửa sẽ có nhiệt độ cao hơn nhiều so với lớp bê tông bên trong. Điều này dẫn đến sự khác biệt về ứng suất và biến dạng trong sàn. Việc phân tích sự phân bố nhiệt độ trong sàn giúp xác định vùng nào chịu ảnh hưởng lớn nhất của nhiệt độ, từ đó đưa ra các biện pháp bảo vệ phù hợp. Phần mềm SAFIR [3] có khả năng mô phỏng chi tiết sự phân bố nhiệt độ này.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Giải Pháp Gia Cường Sàn Bê Tông Bị Cháy

Nghiên cứu về ứng xử của sàn BTCT bị cháy có ý nghĩa thực tiễn to lớn. Những kết quả thu được có thể ứng dụng để đưa ra các giải pháp gia cường sàn bê tông bị cháy. Giúp các kỹ sư thiết kế các công trình có khả năng chịu lửa tốt hơn và giảm thiểu thiệt hại do hỏa hoạn. Nghiên cứu này cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc đánh giá và phục hồi các công trình sau hỏa hoạn. Việc nắm vững các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lửa của sàn BTCT là rất quan trọng.

5.1. Đề Xuất Các Biện Pháp Thiết Kế Sàn BTCT Chịu Lửa Tốt Hơn

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể đề xuất các biện pháp thiết kế sàn BTCT chịu lửa tốt hơn, ví dụ như tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, sử dụng cốt thép có khả năng chịu nhiệt cao, hoặc áp dụng các vật liệu chống cháy. Thiết kế sàn bê tông cốt thép chịu cháy cần tuân thủ các tiêu chuẩn và quy định hiện hành, đồng thời xem xét các yếu tố đặc thù của từng công trình. Các giải pháp thiết kế này cần đảm bảo tính kinh tế và khả thi.

5.2. Đánh Giá Và Phục Hồi Sàn Bê Tông Cốt Thép Sau Hỏa Hoạn

Sau hỏa hoạn, cần đánh giá kỹ lưỡng tình trạng của sàn BTCT để xác định mức độ hư hỏng và khả năng phục hồi. Các phương pháp kiểm tra không phá hủy có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng bê tông và cốt thép. Dựa trên kết quả đánh giá, có thể đưa ra các giải pháp gia cường sàn bê tông bị cháy, ví dụ như sử dụng sợi carbon, phun vữa gia cường, hoặc thay thế các phần bị hư hỏng. Việc phục hồi sàn cần đảm bảo an toàn và tuân thủ các quy trình kỹ thuật.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Sàn Bê Tông Chống Cháy Lan

Nghiên cứu này đã cung cấp cái nhìn tổng quan về ứng xử của sàn BTCT bị cháy, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lửa của sàn. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế và bảo vệ các công trình xây dựng khỏi hỏa hoạn. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các vật liệu và công nghệ mới để nâng cao khả năng sàn bê tông cốt thép chống cháy lan và giảm thiểu thiệt hại do hỏa hoạn gây ra.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Chính Về Ứng Xử Của Sàn BTCT Khi Cháy

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng ứng xử của sàn BTCT khi cháy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chiều dày lớp bê tông bảo vệ, diện tích cốt thép, và chiều dày bản sàn. Nhiệt độ cao làm suy giảm cường độ của bê tông và cốt thép, dẫn đến giảm khả năng chịu lực của sàn. Phần mềm SAFIR [3] có thể mô phỏng chính xác ứng xử của sàn khi cháy và giúp đánh giá khả năng chịu lửa.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mới Về Vật Liệu Và Công Nghệ Chống Cháy Tiên Tiến

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu về các vật liệu và công nghệ mới để nâng cao khả năng chịu lửa của sàn BTCT. Các vật liệu chống cháy tiên tiến, như bê tông chịu nhiệt cao, cốt thép có lớp phủ bảo vệ, và các loại sơn chống cháy, có thể giúp kéo dài thời gian chịu lửa của sàn và giảm thiểu thiệt hại do hỏa hoạn. Thiết kế sàn bê tông cốt thép chịu cháy cũng cần được cải tiến để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về an toàn phòng cháy chữa cháy.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Lý do thực hiện đề tài .2 Mục đích nghiên cứu.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.4 Ý nghĩa khoa học .1 Ý nghĩa nghiên cứu .2 Ý nghĩa thực tiễn .1 Giới thiệu chung .2 Sơ lược lịch sử phát triển .1 Nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EN 1992 .1 Các phương pháp tính toán .2 Phương pháp tra bảng tính toán sàn BTCT ở nhiệt độ cao .3 Phường pháp đường đẳng nhiệt 5000C tính toán sàn ở nhiệt độ cao .4 Phương pháp phân lớp tính toán sàn ở nhiệt độ cao .5 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn .6 Sự phát triển của đám cháy .7 Tổ hợp hệ quả các tác động chịu lửa .8 Các tiêu chí về khả năng chịu lửa và nguyên tắc kiểm tra .9 Sự suy giảm tính năng chịu lực của vật liệu ở nhiệt độ cao .2 Tổng quan về phần mềm SAFIR. PHÂN TÍCH SỐ .1 Mô hình sàn phân tích .1 Cấu hình sàn phân tích .2 Phân tích nhiệt bằng phần mềm SAFIR .3 Mô hình phân tích cơ học bằng phần mềm Safir .4 Kiểm chứng cơ học .2 Kết quả và thảo luận.1 Sự ảnh hưởng của lớp bê tông bảo vệ đến ứng xử của sàn .2 Sự ảnh hưởng của diện tích cốt thép đến ứng xử của sàn .3 Sự ảnh hưởng của chiều dày bản sàn đến ứng xử khi cháy .3 Kết luận chương. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

91 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Cháy rụi công ty sản xuất ghế sofa ở Bình Dương [5]. 3 Hình 1-2: Vụ cháy trung tâm thương mại ở Thủ đô Dhaka của Bangladesh [6]. 3 Hình 2-1: Hỏa hoạn tại bảo tàng Quốc gia Brazil tại Rio de Janeiro [7]. 5 Hình 2-2: Hỏa hoạn trong khu dân cư tại Hà Nội, Việt Nam [8].

5 Hình 3-1: Sự phân bố nhiệt độ sàn bị cháy 30 đến 240 phút theo Eurocode 2 [2]. 21 Hình 3-2: Phương pháp phân lớp tính toán phần sàn bị cháy trong Eurocode 2 [2]. 22 Hình 3-3: Một số đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian cháy cháy. 23 Hình 3-4: Sự suy giảm cường độ của bê tông bị cháy theo tiêu chuẩn Châu Âu [2].

26 Hình 3-5: Bảng tra sự suy giảm cường độ bê tông bị cháy theo tiêu chuẩn Châu Âu [2]. 26 Hình 3-6: Sự suy giảm cường độ của cốt thép bị cháy theo tiêu chuẩn Châu Âu [2]. 27 v Hình 3-7: Bảng tra sự suy giảm cường độ cốt thép bị cháy theo tiêu chuẩn Châu Âu [2]. 27 Hình 3-8: Kết quả mô phỏng kết cấu thép trong phần mềm SAFIR [3].

28 Hình 3-9: Kết quả nhiệt độ trong từng phân lớp sàn được mô phỏng bằng SAFIR [3]. 29 Hình 4-1: Sơ đồ tính sàn 1 phương đơn giản. 30 Hình 4-2: Thiết lập thông số nhiệt học trong SAFIR cho Thép. 33 Hình 4-3: Thiết lập thông số cơ học trong SAFIR [3] cho cốt thép.

34 Hình 4-4: Thiết lập thông số nhiệt học trong SAFIR [3] cho Bê tông. 35 Hình 4-5: Thiết lập thông số cơ học trong SAFIR [3] cho bê tông. 36 Hình 4-6: Đường gia nhiệt ISO 834 [4] và nhiệt độ thường của sàn trong SAFIR [3]. 36 Hình 4-7: Mô hình sàn BTCT đã được rời rạc hóa phần tử trong SAFIR [3].

37 Hình 4-8: Nhiệt độ trong sàn tại thời điểm cháy 30 phút. 38 Hình 4-9: Nhiệt độ trong tiết diện sàn tại thời điểm cháy 60 phút. 38 Hình 4-10: Nhiệt độ trong tiết diện sàn tại thời điểm cháy 90 phút. 38 v Hình 4-11: Đường cong quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian khi mô phỏng SAFIR [3].

39 Hình 4-12: So sánh nhiệt độ mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] và hồ sơ nhiệt độ trong Eurocode 2 [2] tại thời điểm cháy 30 phút (R30). 40 Hình 4-13: So sánh nhiệt độ mô phỏng bằng phần mềm SAFIR [3] và hồ sơ nhiệt độ trong Eurocode 2 [2] tại thời điểm cháy 60 phút (R60). 40 Hình 4-14: Ứng dụng phân tích cơ học trong phầm mềm SAFIR [3]. 41 Hình 4-15: Mô hình phân tích cơ học của sàn trong phần mềm SAFIR [3].

41 Hình 4-16: Kết quả độ võng của sàn theo thời gian cháy được mô phỏng trong SAFIR [3]. 42 Hình 4-17: Độ cong của độ võng theo thời gian. 43 Hình 4-18: Kết quả độ võng của sàn theo thời gian cháy được mô phỏng trong SAFIR [3]. 44 Hình 4-19: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ.

46 Hình 4-20: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ. 47 v Hình 4-20: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ. 48 Hình 4-21: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ. 49 Hình 4-22: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ.

50 Hình 4-23: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ. 51 Hình 4-24: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ. 52 Hình 4-25: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi lớp bê tông bảo vệ. 53 Hình 4-26: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các chiều dày lớp bê tông bảo vệ.

54 Hình 4-27: Thời gian chịu lửa của các sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau. 55 Hình 4-28: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có chiều dày lớp bê tông bảo vệ khác nhau. 56 Hình 4-29: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi diện tích cốt thép. 57 v Hình 4-30: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi diện tích cốt thép.

58 Hình 4-31: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các diện tích cốt thép khác nhau. 59 Hình 4-32: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi diện tích cốt thép. 60 Hình 4-33: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi diện tích cốt thép. 61 Hình 4-34: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các diện tích cốt thép khác nhau.

62 Hình 4-35: Đường cong độ võng theo thời gian cháy khi thay đổi diện tích cốt thép. 63 Hình 4-36: Độ cong đường chuyển vị theo thời gian khi thay đổi diện tích cốt thép. 64 Hình 4-37: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các diện tích cốt thép khác nhau. 65 Hình 4-38: Thời gian chịu lửa của các sàn có diện tích cốt thép khác nhau.

66 Hình 4-39: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có diện tích cốt thép khác nhau. 67 v Hình 4-40: Đường cong độ võng theo thời gian cháy. 68 Hình 4-41: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các bề dày khác nhau. 69 Hình 4-42: Đường cong độ võng theo thời gian cháy.

70 Hình 4-43: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày khác nhau. 71 Hình 4-44: Đường cong độ võng theo thời gian cháy. 72 Hình 4-45: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các bề dày khác nhau. 73 Hình 4-46: Đường cong độ võng theo thời gian cháy.

74 Hình 4-47: Thời gian chịu lửa của sàn tương ứng với các bề dày khác nhau. 75 Hình 4-48: Đường cong độ võng theo thời gian cháy. 76 Hình 4-49: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày khác nhau. 77 Hình 4-50: Đường cong độ võng theo thời gian cháy.

78 Hình 4-51: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày khác nhau. 79 Hình 4-52: Đường cong độ võng theo thời gian cháy. 80 v Hình 4-53: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các bề dày khác nhau. 81 Hình 4-54: Đường cong độ võng theo thời gian cháy.

82 Hình 4-55: Thời gian sụp đổ của sàn bị cháy tương ứng với các diện tích cốt thép khác nhau. 83 Hình 4-56: Thời gian sụp đổ tương ứng với các chiều dày bản sàn và bê tông bảo vệ. 84 Hình 4-57: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có bề dày khác nhau. 85 Hình 4-58: Thời gian sụp đổ tương ứng với các chiều dày bản sàn và tiết diện cốt thép.

85 Hình 4-59: Phương trình thời gian chịu lửa của các sàn có bề dày khác nhau. 86 Hình 4-60: Các giai đoạn của sàn khi mô phỏng cháy. 87 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 3-1: Phương pháp thiết kế kết cấu chịu lửa theo Eurocode 2 [2]. 18 Bảng 3-2: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo Eurocode 2 [2].

19 Bảng 3-3: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo QCVN 06 [43]. 20 Bảng 4-1: Thông số nhiệt học trong SAFIR [3] của cốt thép. 32 Bảng 4-2: Thông số cơ học trong SAFIR [3] của cốt thép. 33 Bảng 4-3: Thông số nhiệt học trong SAFIR [3] của bê tông.

34 Bảng 4-4: Thông số cơ học trong SAFIR [3] của bê tông. 35 Bảng 4-5: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo Eurocode 2 [2]. 44 Bảng 4-6: Bảng tra tính toán sàn BTCT chịu lửa theo QCVN 06 [43].1 Lý do thực hiện đề tài Ngày nay, ngành xây dựng đã phát triển rất nhiều so với trước đây. Các công trình đã có thể đạt được những chiều cao chọc trời, với độ bền hàng trăm năm.

Thế nhưng, khi hỏa hoạn xảy ra, mọi thứ đều đối mặt với nguy cơ bị phá hủy và sụp đổ. Sự mất mát về con người và tài sản sẽ thật sự rất lớn nếu như công trình bị hỏa hoạn. Chính vì thế, các nghiên cứu về khả năng chịu lửa và thời gian chịu lửa trong đám cháy của các công trình bê tông cốt thép là thật sự cần thiết. Khi hỏa hoạn xảy ra, sàn BTCT chịu tác động trực tiếp của ngọn lửa từ bên dưới.

Mọi thứ được chất bên trên bao gồm tài sản, con người, … gần như chắc chắn sẽ bị thiệt hại nếu như sàn bị sụp đổ. Khi tiếp xúc với ngọn lửa, các đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép của sàn sẽ bị thay đổi dẫn đến khả năng chịu lực của sàn bị giảm đi đáng kể. Đến một lúc nào đó, khả năng chịu lực của sàn không còn đủ để chịu các tải trọng hiện hữu thì sàn sẽ sụp đổ. Thế nên, nghiên cứu về khả năng chịu lửa trong đám cháy của sàn là thật sự quan trọng.

Khả năng chịu lửa của sàn BTCT rất khó để có thể xác định chính xác được.