Luận văn thạc sĩ về ứng xử của khung bê tông cốt thép bị cháy dưới tải trọng ngang

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng xử của khung bê tông cốt thép bị cháy dưới tải trọng ngang tuần hoàn, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Hải Lý
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Vui
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Khung Bê Tông Cốt Thép Bị Cháy Dưới Tải Trọng Ngang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu ứng xử của khung bê tông cốt thép (BTCT) bị cháy dưới tải trọng ngang là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực xây dựng. Hỏa hoạn có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của khung kết cấu. Tình hình hỏa hoạn ở Việt Nam và thế giới cho thấy sự cần thiết phải đánh giá khả năng chịu lực còn lại của các kết cấu sau khi bị cháy. Việc nghiên cứu này không chỉ mang lại những kiến thức mới mà còn giúp cải thiện an toàn trong xây dựng và bảo trì các công trình. Theo đó, mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định sự ảnh hưởng của thời gian cháy và tải trọng ngang đến khả năng chịu lực của khung bê tông cốt thép.

1.1. Mục đích nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá khả năng chịu lực của khung bê tông cốt thép bị cháy trong các khoảng thời gian khác nhau, cụ thể là 45 phút và 75 phút. Nghiên cứu sẽ so sánh khả năng chịu lực của các khung BTCT bị cháy với khung không bị cháy dưới tải trọng ngang tuần hoàn. Việc này giúp xác định rõ hơn tác động của hỏa hoạn đến khả năng chịu lực và độ cứng của kết cấu, từ đó đưa ra những khuyến nghị về thiết kế và thi công nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình.

1.2. Ý nghĩa nghiên cứu

Nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao. Việc đánh giá khả năng chịu lực của khung BTCT sau khi bị cháy giúp các kỹ sư có cơ sở để quyết định việc sử dụng lại hoặc cải tạo các công trình sau sự cố. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quý giá cho các dự án tương lai, giúp nâng cao chất lượng và an toàn trong thiết kế kết cấu. Từ đó, việc áp dụng các biện pháp phòng cháy và chữa cháy hiệu quả hơn sẽ được thực hiện.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua thí nghiệm trên ba khung bê tông cốt thép tỷ lệ thực. Một khung không bị cháy được sử dụng làm đối chứng, trong khi hai khung còn lại được phơi nhiễm với lửa trong các khoảng thời gian khác nhau. Các thí nghiệm được tiến hành để đánh giá mức độ hư hại, sự phát triển của nứt và bong tróc, cũng như khả năng chịu tải của các khung. Kết quả được phân tích để xác định mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của các khung BTCT, từ đó rút ra những kết luận về ảnh hưởng của hỏa hoạn đến khả năng chịu lực của kết cấu.

2.1. Thiết kế thí nghiệm

Thiết kế thí nghiệm bao gồm việc chế tạo các khung BTCT với các thông số kỹ thuật phù hợp. Thí nghiệm cháy được thực hiện trong điều kiện kiểm soát, theo dõi nhiệt độ và thời gian cháy. Sau đó, các khung sẽ được gia tải bằng tải trọng ngang tuần hoàn để đánh giá khả năng chịu lực. Việc ghi nhận số liệu được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả thí nghiệm. Các số liệu này sẽ được phân tích để đưa ra những kết luận chính xác về ứng xử của khung BTCT dưới tác động của lửa.

2.2. Phân tích kết quả

Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích bằng các phương pháp thống kê và mô hình hóa. Các yếu tố như nhiệt độ cháy, thời gian cháy, và tải trọng sẽ được xem xét để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của chúng đến khả năng chịu lực của khung BTCT. Sự phát triển của các vết nứt và bong tróc bề mặt sẽ được ghi nhận để đánh giá mức độ hư hại. Phân tích này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu sau khi bị cháy, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho thiết kế và thi công trong tương lai.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng khung bê tông cốt thép bị cháy có khả năng chịu tải giảm khoảng 50% so với khung không bị cháy. Sự phát triển của các vết nứt và bong tróc bề mặt không chỉ phụ thuộc vào thời gian cháy mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ cháy. Điều này cho thấy rằng tải trọng ngang có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực và độ cứng của khung. Việc đánh giá mối quan hệ giữa lực và chuyển vị của các khung BTCT bị cháy cho thấy rằng sự phá hủy tập trung ở vị trí khớp dẻo của cột và dầm.

3.1. Phân tích hư hại

Phân tích hư hại cho thấy rằng mức độ hư hại của khung bê tông cốt thép bị cháy chịu ảnh hưởng lớn từ thời gian và nhiệt độ cháy. Các khung bị cháy 45 phút và 75 phút đều có dấu hiệu nứt và bong tróc rõ rệt, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực. Việc ghi nhận các hư hại này giúp xác định rõ hơn các yếu tố tác động đến khung kết cấu và đưa ra những giải pháp cải tạo hợp lý.

3.2. Đánh giá khả năng chịu lực

Đánh giá khả năng chịu lực cho thấy rằng các khung BTCT bị cháy có độ cứng và khả năng chịu tải giảm mạnh, đặc biệt là trong các vòng lặp tải sau. Sự suy giảm này không chỉ do ảnh hưởng của hỏa hoạn mà còn do tải trọng chu kỳ. Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đánh giá khả năng chịu lực còn lại của các công trình sau khi xảy ra hỏa hoạn, nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khung bê tông cốt thép bị cháy chịu tải trọng ngang có khả năng chịu lực giảm đáng kể. Việc đánh giá khả năng chịu lực còn lại sau hỏa hoạn là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho công trình. Các kết quả thu được sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo, đồng thời cung cấp thông tin hữu ích cho các kỹ sư trong việc thiết kế và thi công các công trình. Kiến nghị cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố khác như tải trọng động đất đến ứng xử của khung BTCT sau hỏa hoạn.

4.1. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Để có cái nhìn toàn diện hơn về ứng xử của khung bê tông cốt thép, các nghiên cứu tiếp theo nên xem xét ảnh hưởng của các yếu tố khác như tải trọng động đất và các điều kiện môi trường khác. Việc kết hợp các yếu tố này sẽ giúp hoàn thiện hơn nữa các mô hình dự đoán khả năng chịu lực của khung BTCT trong thực tế.

4.2. Đề xuất cải tiến trong thiết kế

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các nhà thiết kế cần xem xét các giải pháp cải tiến trong thiết kế và thi công để nâng cao khả năng chịu lực của khung bê tông cốt thép. Việc áp dụng các công nghệ mới và vật liệu tiên tiến có thể giúp cải thiện độ bền và khả năng chịu lực của kết cấu, từ đó giảm thiểu thiệt hại do hỏa hoạn và các yếu tố khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu về tình hình hỏa hoạn xảy ra trong nước và trên thế giới và ảnh hưởng của hỏa hoạn đối với các kết cấu trong công trình song song đó những ảnh hưởng của các trận động đất trong nước và thế giới cũng được giới thiệu và sự ảnh hưởng đến kết cấu của các trận động đất. Từ đó nêu lên lý do thực hiện đề tài, đối tượng nghiên cứu, mục đích nghiên cứu và ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn. 4 Chương 2: Giới thiệu tổng quan tình hình hỏa hoạn và động đất ở các công trình trong nước và thế giới. Trình bày các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu, từ đó rút ra được các kết luận từ những nghiên cứu của các tác giả.

Chương 3: Chương trình thí nghiệm khung bê tông cốt thép, thí nghiệm khung bị cháy và không bị cháy. Giới thiệu vật liệu sử dụng để xây dựng khung thí nghiệm, các thiết bị sử dụng trong quá trình thử nghiệm, đặc điểm hình học và cấu tạo của các cấu kiện trong khung thí nghiệm, quy trình thi công xây dựng khung thí nghiệm, quy trình đốt và gia tải lên khung thí nghiệm. Chương 4: Sau khi thực hiện thí nghiệm đốt cháy khung bê tông cốt thép tiến hành quan sát bằng trực quan để thu thập các số liệu về ảnh hưởng bên ngoài bề mặt cấu kiện của khung bê tông cốt thép và thu thập số liệu sau khi nén tải, ghi nhận bằng trực quan các hình ảnh phá hoại các cấu kiện của khung bê tông cốt thép và từ các kết quả số liệu về quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của khung bê tông cốt thép tiến hành phân tích kết quả và đưa ra kết luận. Chương 5: Kết luận và kiến nghị.

Từ các kết quả thí nghiệm ở trên đưa ra những kết luận có ý nghĩa về khoa học và ý nghĩa thực tiễn và đưa ra các kiến nghị. 5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chung Hỏa hoạn là một trong những vấn đề lớn gây thiệt hại lớn về kinh tế và đời sống xã hội ở hầu hết mọi quốc gia. Tại thành phố Hồ Chí Minh trong những năm qua có nhiều vụ cháy xảy ra, điển hình là vụ cháy ở ITC (60 người chết, thiệt hại kinh tế 32 tỉ đồng). Ở châu âu, những thiệt hại do vụ hỏa hoạn năm 1999 trong đường hầm qua núi Mont Blanc (39 người chết, 3 năm đóng cửa khắc phục hậu quả và ước tính thiệt hại kinh tế 450 triệu euro) hay như vụ hỏa hoạn trong đường hầm qua eo biển Manche năm 1996 (thời gian đóng cửa để khắc phục 6 tháng, thiệt hại ước tính 300 triệu euro).

Năm 2000, một đám cháy lớn phát sinh trong tháp truyền hình Ostankino Matxcơva. Vị trí của đám cháy là ở độ cao 460 m. Toàn bộ 3 tầng lầu bị cháy hoàn toàn.1 là hình ảnh phá hủy kết cấu sau hỏa hoạn tòa nhà Caracas. Năm 2004 cháy tòa nhà 56 tầng ở Caracas, thủ đô Venezuela, đám cháy diễn ra trong hàng chục giờ và lan khắp 26 tầng, chạm đến mái tòa nhà gây phá hủy nhiều bộ phận kết cấu.

Năm 2017 cao ốc 27 tầng ở London bị cháy, đám cháy đã lan ra hết 27 tầng và có nguy cơ sụp đổ.2 là hình ảnh thiệt hại công trình sau hỏa hoạn ở thủ đô Tehran, Iran. Năm 2017 trung tâm mua sắm lớn ở thủ đô Tehran, Iran bị cháy, ngọn lửa bùng lên từ tầng 9 của tòa nhà 17 tầng Plasco, tòa nhà chỉ còn là đống đổ nát sau khi bị đổ sập sau hỏa hoạn. Những tác động của hỏa hoạn có thể nhận thấy rõ như trong hình minh họa dưới đây, sự phá hoại các thành phần kết cấu bê tông của tòa nhà 56 tầng ở Caracas, thủ đô Venezuela và trung tâm mua sắm lớn ở thủ đô Tehran, Iran. Hình ảnh thiệt hại công trình sau hỏa hoạn tòa nhà Caracas Hình 2.

Hình ảnh thiệt hại công trình sau hỏa hoạn ở thủ đô Tehran, Iran Gần đây nhất là công trình nổi tiếng của thế giới nhà thờ Đức Bà ở Paris bị bốc cháy và sự phá hoại của kết cấu chúng ta cũng có thể nhìn thấy rõ như hình 2. Sự cố 7 cháy xảy ra trong các công trình nhà có thể ảnh hưởng với các mức độ khác nhau đến kết cấu chịu lực và các bộ phận kiến trúc công trình. Về mặt kết cấu để có thể đưa quyết định về việc sử dụng lại, cần tiến hành khảo sát và đánh giá hiện trạng hư hỏng của công trình một cách khoa học và có hệ thống. Mức độ hư hỏng của công trình hay ảnh hưởng của đám cháy đối với nó có thể phụ thuộc vào một vài yếu tố, trong đó có: đặc điểm của tải trọng cháy, loại kết cấu chịu lực, các đặc điểm về hình học và điều kiện thông gió của căn phòng hoặc khu vực bị cháy, thời gian kéo dài của đám cháy, và sự có mặt của lực lượng phòng cháy, chữa cháy… Tùy vào từng điều kiện của mỗi công trình cụ thể, công tác khảo sát sẽ có quy mô và các nội dung công việc khác nhau.

Trước tình hình sự cố hỏa hoạn trên thế giới cũng như trong nước hiện nay như năm vừa qua nhiều chung cư và khách sạn ở TP. Hồ Chí Minh và thủ đô Hà Nội bị cháy. Nhiều cuộc hội thảo về kiểm định công trình sau cháy như cuộc hội thảo Hội thảo khoa học "Kiểm định công trình sau cháy" và Hội nghị Mạng kiểm định chất lượng công trình xây dựng Việt Nam - khu vực phía Bắc. Việc khắc phục công trình hỏa hoạn là yêu cầu cấp bách, cần tiến độ nhanh để giảm các tổn thất cho chủ đầu tư.

Để kiểm định đánh giá chất lượng công trình sau hỏa hoạn, kỹ sư kiểm định cần nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu, thay đổi màu sắc bên ngoài, các hư hỏng của vật liệu ứng với các nhiệt độ khác nhau, qua đó có thể xác định nhiệt độ cháy tác động lên kết cấu và có thể đánh giá sự suy giảm vật liệu sau khi cháy. Các nghiên cứu quy luật hư hỏng của vật liệu khi chịu tác động của nhiệt độ và kinh nghiệm khảo sát nhiều công trình bị hỏa hoạn, nhận thấy việc kiểm định kết cấu bằng cách quan sát đánh giá các hư hỏng, các biểu hiện bên ngoài của kết cấu và phân vùng ảnh hưởng có thể đánh giá tương đối chính xác hiện trạng để có biện pháp xử lý kết cấu thích hợp. Một số trường hợp cần khảo sát chi tiết về chỉ tiêu cơ lý, hóa học của vật liệu để có thêm số liệu đánh giá hiện trạng và đề ra biện pháp xử lý kết cấu. Kết cấu bê tông cốt thép ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng do ưu điểm chịu lực tốt phù hợp để xây dựng các công trình cao tầng, các công trình vượt nhịp lớn.

Kết cấu bê tông cốt thép còn có một ưu điểm so với kết cấu thép là khả năng chịu cháy cao hơn do có bê tông truyền nhiệt chậm. Tuy nhiên, việc 8 tính toán kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện cháy phức tạp hơn so với kết cấu thép và kết cấu bê tông. Việc đưa ra các chỉ dẫn tính toán liên quan đến khả năng chịu cháy của kết cấu bê tông cốt thép vẫn còn là một hướng ngỏ, cần nhiều nghiên cứu chuyên sâu. Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam mới có chỉ dẫn thí nghiệm xác định giới hạn chịu lửa của kết cấu mà chưa đề cập đến việc phân tích kết cấu trong điều kiện cháy.

Hiện nay các nghiên cứu trong nước và trên thế giới chỉ nghiên cứu về ứng xử của từng loại cấu kiện riêng biệt, ứng xử của kết cấu liên hợp chịu cháy, vật liệu chống cháy. Cháy nhà thờ Đức Bà ở Paris Ngoài vấn đề bị hỏa hoạn công trình bị động đất cũng là vấn đề cần quan tâm hiện nay trên thế giới. Trong quá khứ, thế giới đã đối diện với những trận động đất hủy diệt với cường độ địa chấn rất lớn (hơn 8.0 độ Richter) và gần đây nhất là trận động đất Tohoko tại miền Bắc Nhật Bản vào năm 2011, với cường độ địa chấn lên đến 9.1 độ Richter đã gây ra sóng thần, lở đất ở nhiều nơi. Số người thiệt mạng do trận động đất lên đến hơn 15.000 người bị thương, hơn 125.000 công trình nhà ở bị hư hại hoặc phá hủy hoàn toàn.

Một trận động đất khác cũng có cường độ tương tự đó 9 là trận động đất xảy ra ở hòn đảo Sumatra thuộc Indonesia vào năm 2004. Trận động đất đã dẫn đến một trận sóng thần dữ dội tác động đến 12 nước xung quanh biển Ấn Độ Dương. Số người thiệt mạng được đưa ra là hơn 131.000 người bị mất tích, 80.000 ngôi nhà bị hư hại nặng nề hoặc bị phá hủy hoàn toàn… Hình 2. Hậu quả của các trận động đất 2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, nghiên cứu về kết cấu trong điều kiện cháy còn hạn chế.

Chỉ có một số công bố liên quan đến kết cấu công trình trong điều kiện cháy như sau. Vào năm 2017, Hoàng Anh Giang [1] nghiên cứu dầm bê tông cốt thép chịu tác động của lửa – lựa chọn phần tử cho mô hình nhiệt học trong Ansys. Trong bài viết này tác giả thí nghiệm mô hình thực tế và mô phỏng bằng mô hình trên phần mềm Ansys. Trước tiên một khung bê tông cốt thép toàn khối với cấu kiện dầm kích thước tiết diện 200×350 mm và cột có có tiết diện 200×250 mm.

Chiều dài phần tiếp xúc với lửa là 2900 mm. Mẫu được thí nghiệm cháy trong hệ thống lò đốt. Trong quá trình thí nghiệm, dầm và cột chịu tác động đồng thời của lực và nhiệt độ theo tiêu chuẩn theo ISO 834:1999 trong khoảng thời gian 120 phút với nhiệt độ lên đến 12000C. Các thông số nhiệt độ môi trường, phân bố nhiệt độ trên các tiết diện dầm và cột, sự xuất hiện và phát triển của các vết nứt, diễn biến độ võng của dầm, chuyển dịch của nút đầu cột,…) đã được ghi nhận.

10 Sau đó một mô hình được mô phỏng bằng phần mềm Ansys được đưa ra theo hai cách tiếp cận khác nhau là truyền nhiệt qua bề mặt hiệu ứng nhiệt và truyền trực tiếp vào nút. Quá trình phân tích về nhiệt độ được thực hiện theo cách có thay đổi các tính chất vật liệu theo nhiệt độ. Khi phân tích nhiệt độ theo cách truyền nhiệt qua phần tử hiệu ứng bề mặt, hệ số truyền nhiệt đối lưu trong không khí được lấy là 25 W/(m2K).