Luận văn thạc sĩ về ứng xử của khung bê tông cốt thép khi bị cháy và chịu tải ngang

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng xử khung bê tông cốt thép bị cháy dưới tải trọng ngang, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Bùi Văn Hổ
• Người hướng dẫn: PGS TS. Cao Văn Vui
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Thực Nghiệm Ứng Xử Của Khung Bê Tông Cốt Thép Bị Cháy Chịu Tải Ngang
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. Chương 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc luận văn
• 2. Chương 2: TỔNG QUAN
• 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 2.1.1. Đặc điểm khung bê tông cốt thép
• 2.1.2. Đặc điểm của khung bê tông cốt thép thực hiện nghiên cứu
• 2.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI
• 2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN TRONG NƯỚC
• 3. Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 3.1. CHẾ TẠO KHUNG THÍ NGHIỆM
• 3.1.1. Khung BTCT thí nghiệm
• 3.1.2. Quy trình chế tạo khung thí nghiệm
• 3.2. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 3.2.1. Thí nghiệm cháy
• 3.2.2. Thí nghiệm gia tải khung BTCT
• 4. Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
• 4.1. Đường cong nhiệt độ và thời gian
• 4.2. Dạng phá hoại khi gia tải nén ngang khung BTCT
• 4.3. Đường cong lực ngang và chuyển vị
• 4.3.1. Khung đối chứng
• 4.3.2. Khung bị cháy 45 phút
• 4.3.3. Khung bị cháy 75 phút
• 4.3.4. Nhận xét chung về đường cong lực-chuyển vị của các khung
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRẮC NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về khung bê tông cốt thép

Khung bê tông cốt thép (khung bê tông cốt thép) là một trong những cấu kiện chính trong các công trình xây dựng. Chúng không chỉ chịu tải trọng thẳng đứng mà còn phải chịu tải trọng ngang do gió, động đất. Khi xảy ra hỏa hoạn, khung bê tông cốt thép phải đối mặt với nhiều yếu tố bất lợi như nhiệt độ cao và áp lực từ sự giãn nở của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ứng xử của khung bê tông cốt thép bị cháy dưới tải trọng ngang. Mục tiêu là đánh giá sự suy giảm khả năng chịu lực của khung khi bị cháy và tìm hiểu các dạng phá hoại xảy ra trong quá trình này. Kết quả từ nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và bảo trì các công trình xây dựng, nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

1.1 Đặc điểm của khung bê tông cốt thép

Khung bê tông cốt thép có khả năng chịu lực tốt nhờ vào sự kết hợp giữa bê tông và thép. Tuy nhiên, khi xảy ra hỏa hoạn, khả năng này bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Nhiệt độ cao làm giảm cường độ của bê tông và thép, dẫn đến hiện tượng nứt, bong tróc và suy giảm khả năng chịu tải. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khung bê tông cốt thép bị cháy có thể mất khoảng 23% khả năng chịu tải ngang so với khung không bị cháy. Điều này cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn về ứng xử của khung khi bị cháy để đưa ra các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

II. Phân tích ứng xử của khung bê tông cốt thép dưới tải trọng ngang

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên ba khung bê tông cốt thép với các điều kiện cháy khác nhau. Các khung này được thiết kế để chịu tải ngang sau khi trải qua quá trình cháy. Kết quả cho thấy rằng thời gian tiếp xúc với lửa có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của khung. Cụ thể, khung bị cháy trong 45 phút và 75 phút xuất hiện nhiều vết nứt và bể tại vị trí góc cột và dầm. Điều này cho thấy sự gia tăng thời gian cháy làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của cấu kiện. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ cứng ban đầu của khung bị cháy giảm khoảng 30% so với khung không bị cháy, cho thấy rằng ứng xử cấu trúc của khung bê tông cốt thép bị cháy phụ thuộc vào cả thời gian và nhiệt độ cháy.

2.1 Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khung bê tông cốt thép bị cháy có khả năng chịu tải ngang giảm rõ rệt. Các vết nứt xuất hiện ở vị trí tiếp xúc với lửa, và hiện tượng bong tróc bê tông cũng được ghi nhận. Những hiện tượng này dẫn đến việc suy giảm khả năng chịu lực tổng thể của khung. Nghiên cứu đã xác định rằng khả năng chịu lực của khung có thể giảm đến 23% so với khung đối chứng không bị cháy. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu ứng xử của khung bê tông cốt thép dưới tác động của hỏa hoạn, nhằm nâng cao độ an toàn cho các công trình xây dựng.

III. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực xây dựng. Kết quả từ nghiên cứu giúp các kỹ sư và nhà thiết kế hiểu rõ hơn về ứng xử của khung bê tông cốt thép khi xảy ra hỏa hoạn, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp để nâng cao khả năng chịu lực và an toàn cho công trình. Việc áp dụng các biện pháp phòng cháy chữa cháy hiệu quả sẽ giảm thiểu thiệt hại do hỏa hoạn gây ra. Nghiên cứu cũng góp phần vào việc xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế và thi công cho các công trình xây dựng, đảm bảo an toàn cho người sử dụng trong trường hợp xảy ra sự cố.

3.1 Tiềm năng ứng dụng

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc thiết kế và cải tạo các công trình bê tông cốt thép, đặc biệt là trong các khu vực có nguy cơ cháy cao. Các phương pháp và dữ liệu thu được từ nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo quý giá cho các kỹ sư trong việc đánh giá và cải thiện khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép. Hơn nữa, nghiên cứu cũng có thể được sử dụng để phát triển các chương trình đào tạo cho sinh viên và các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng, nhằm nâng cao nhận thức về vấn đề an toàn cháy nổ trong xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn là một trong những thảm họa khốc liệt nhất đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người và sự an toàn của các công trình xây dựng. Thống kê thực tế ghi nhận nhiều vụ hỏa hoạn gây hậu quả nghiêm trọng trên toàn cầu, tiêu biểu như vụ cháy Grenfell Tower tại Anh năm 2017 khiến 80 người thiệt mạng, vụ hỏa hoạn chung cư 28 tầng ở Thượng Hải năm 2010 làm 58 người tử vong, hay vụ cháy chung cư Carina Plaza tại Thành phố Hồ Chí Minh cướp đi sinh mạng của 13 người. Về mặt kết cấu, nhiệt độ cực hạn từ đám cháy không chỉ phá hủy lớp kiến trúc bề mặt mà còn làm suy thoái nghiêm trọng các đặc tính cơ lý của vật liệu, dẫn đến nguy cơ sụp đổ một phần hoặc toàn bộ công trình.

Khung bê tông cốt thép là hệ kết cấu chịu lực trọng yếu trong các công trình dân dụng và công nghiệp, đồng thời tiếp nhận tải trọng thẳng đứng và các tác động ngang nguy hiểm như gió bão hay động đất. Khi xảy ra hỏa hoạn, cấu kiện khung phải đồng thời chịu sự nén lệch tâm, ứng suất nhiệt dọc trục và sự suy giảm cường độ vật liệu. Đề tài tập trung nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá ứng xử chịu tải ngang của khung bê tông cốt thép sau khi bị cháy, xác định các dạng hư hại điển hình và mức độ suy giảm khả năng chịu lực.

Chương trình thực nghiệm được triển khai chế tạo trên khu đất rộng 1000 m² tại Phường 2, Thành phố Vĩnh Long với tổng thời gian thi công 35 ngày và giai đoạn thử nghiệm gia tải kéo dài 14 ngày. Nghiên cứu thực hiện trên 3 khung bê tông cốt thép quy mô lớn, bao gồm khung đối chứng và các khung chịu tác động nhiệt ở các mốc thời gian 45 phút và 75 phút. Kết quả ghi nhận khả năng chịu tải ngang của khung sau cháy suy giảm khoảng 23% và độ cứng ban đầu suy giảm gần 30%, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác phục vụ công tác kiểm định và sửa chữa công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng xử của khung bê tông cốt thép chịu tải ngang sau hỏa hoạn được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt phi tuyến trong vật liệu xây dựng và lý thuyết cơ học kết cấu biến dạng lớn. Theo tiêu chuẩn ISO 834 và Eurocode 2 (EN 1992-1-2), sự gia tăng nhiệt độ làm biến đổi sâu sắc liên kết vi mô của vùng bê tông chịu nén và gây suy giảm giới hạn chảy của cốt thép SS400 từ mức danh định 235 MPa xuống các mức thấp hơn. Bên cạnh đó, hiệu ứng nén màng cục bộ (compressive membrane action) xuất hiện khi các vùng kết cấu lân cận đóng vai trò cản trở sự giãn nở nhiệt tự do của cấu kiện bị đốt nóng.

Hệ thống lý thuyết tích hợp 4 khái niệm then chốt:

• Hiện tượng nổ vỡ và bong tách bê tông (spalling): Xảy ra do áp suất hơi nước nội tại tích tụ vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông mác 250 khi nhiệt độ vượt ngưỡng 300°C đến 500°C.
• Độ cứng ngang ban đầu (initial lateral stiffness): Thông số phản ánh khả năng chống lại biến dạng ngang của khung dưới tác dụng của lực cắt đáy.
• Suy thoái dính bám nhiệt (thermal bond degradation): Sự suy giảm lực ma sát và lực bám dính cơ học giữa thanh thép chủ phi 14 và lớp bê tông bao quanh.
• Đường cong quan hệ Lực - Chuyển vị (P-Δ curve): Công cụ mô tả toàn diện quá trình làm việc từ giai đoạn đàn hồi tuyến tính, chảy dẻo đến phá hoại tới hạn của kết cấu khung.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lựa chọn phương pháp thực nghiệm quy mô lớn với cỡ mẫu gồm 3 hệ khung bê tông cốt thép toàn khối được chế tạo trực tiếp tại hiện trường. Phương pháp chọn mẫu chủ đích được áp dụng nhằm đối chứng trực tiếp giữa mẫu tiêu chuẩn không cháy (ký hiệu F-0) với 2 mẫu chịu tác động nhiệt thực tế: mẫu F-45-1 (đốt cháy trong 45 phút) và mẫu F-75-1 (đốt cháy trong 75 phút). Lý do lựa chọn mô hình khung toàn khối kích thước thật thay vì các cấu kiện dầm hay cột rời rạc là để phản ánh chính xác sự phân phối lại nội lực và tương tác phi tuyến tại các nút khung khi chịu lực ngang.

Hệ thống mẫu thử có dầm dưới tiết diện 300x400 mm dài 4,0 m, hai cột tiết diện 200x250 mm cao 2,94 m, dầm trên tiết diện 220x200 mm dài 3,5 m với khoảng cách thông thủy giữa hai cột là 2,5 m. Bê tông sử dụng đạt cường độ nén 25 MPa với tỷ lệ cấp phối cho 1 m³ gồm: 402 kg xi măng Vicem PC40, 0,83 m³ đá 1x2, 0,48 m³ cát sông và 197,9 lít nước. Thí nghiệm đốt cháy sử dụng buồng đốt chuyên dụng xây tường bao 100 mm cao 0,5 m và hệ tôn bao che cao 2,0 m, tiêu thụ tổng cộng 800 lít dầu và 5 m³ củi (khung 45 phút dùng 325 lít dầu cùng 2 m³ củi; khung 75 phút dùng 475 lít dầu cùng 3 m³ củi). Nhiệt độ đám cháy được quan trắc liên tục với tần suất 1 phút/lần bằng đồng hồ đo nhiệt độ chuyên dụng, sau đó khung được gia tải ngang tĩnh thông qua hệ kích thủy lực đặt tại đầu dầm trên kết hợp thiết bị đo chuyển vị chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã thu thập dữ liệu chi tiết về biến dạng nhiệt, hình thái phá hoại và khả năng chịu lực của các hệ khung, rút ra 4 phát hiện quan trọng:

1. Hình thái hư hỏng bề mặt và bong tách bê tông: Dưới tác động của ngọn lửa nhiệt độ cao, các cấu kiện xuất hiện nhiều tiếng nổ nhỏ kèm hiện tượng bong tróc lớp bê tông bảo vệ. Các vết nứt vỡ lớn tập trung chủ yếu tại vị trí góc nút liên kết dầm - cột với chiều dài vết nứt đo được từ 40 cm đến 50 cm. Mức độ phá hủy tỷ lệ thuận với thời gian tiếp xúc lửa, mẫu F-75-1 ghi nhận diện tích bong tách bê tông nhiều hơn 45% so với mẫu F-45-1.
2. Suy giảm khả năng chịu tải ngang cực hạn: Khả năng chịu lực cắt ngang tối đa của khung bê tông cốt thép bị suy giảm rõ rệt sau hỏa hoạn. So với khung đối chứng F-0, tải trọng phá hoại của các khung chịu cháy giảm trung bình khoảng 23%, cho thấy sự suy thoái nghiêm trọng trong khả năng chịu tác động của tải trọng ngang.
3. Suy giảm độ cứng ngang ban đầu: Độ cứng đàn hồi ban đầu của khung bị cháy suy giảm gần 30% so với khung không bị cháy. Sự suy giảm độ cứng diễn ra nhanh chóng khiến kết cấu dễ dàng phát sinh chuyển vị ngang lớn ngay từ những cấp tải trọng ban đầu.
4. Cơ chế chuyển dịch khớp dẻo: Khung đối chứng F-0 thể hiện ứng xử dẻo với sự hình thành vết nứt phân bố đều, trong khi các khung F-45-1 và F-75-1 chuyển sang dạng phá hoại giòn cục bộ tại chân cột và nút khung do bê tông bị mất cường độ nén và mất liên kết bám dính với cốt thép chủ 6 phi 14.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm khả năng chịu lực và độ cứng của khung bắt nguồn từ cơ chế biến đổi hóa - lý bên trong cấu trúc bê tông khi bị nung nóng. Ở nhiệt độ cao, quá trình mất nước tự do và nước liên kết làm phân rã cấu trúc gel C-S-H trong đá xi măng, làm giảm cường độ nén danh định 25 MPa ban đầu. Đồng thời, sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa cốt thép SS400 và bê tông tạo ra ứng suất kéo nội tại cực lớn, gây nứt dọc theo phương thanh thép và làm bong tróc lớp bảo vệ dày 25 mm đến 30 mm.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được lượng hóa qua hệ thống đồ thị và bảng số liệu so sánh:

• Biểu đồ nhiệt độ - thời gian (T-t): Thể hiện tốc độ gia nhiệt nhanh trong 15 phút đầu và duy trì nhiệt độ cao ổn định trong suốt chu kỳ 45 phút và 75 phút.
• Đồ thị quan hệ Lực ngang - Chuyển vị đỉnh khung (P-Δ): Minh họa trực quan độ dốc suy giảm gần 30% của nhánh đàn hồi ở các khung F-45-1 và F-75-1 so với đường cong chuẩn của khung F-0. Điểm tới hạn Pmax của khung sau cháy bị kéo thấp xuống khoảng 23%, phản ánh chính xác sự tiêu hao khả năng chịu tải.
• Bảng tổng hợp thông số cơ học: Thống kê định lượng tải trọng nứt ban đầu, tải trọng chảy dẻo, tải trọng cực hạn và chuyển vị tới hạn của từng mẫu thử.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu của Yaqub và Bailey khi chỉ ra rằng mức độ suy giảm độ cứng của cấu kiện bê tông chịu nhiệt luôn lớn hơn mức suy giảm cường độ nén. Hiện tượng chuyển vị ngang không hồi phục cũng phù hợp với các quan sát thực nghiệm công trình nhiều tầng của một số nghiên cứu trong nước, khẳng định tính quy luật của sự suy thoái liên kết nút khung dưới tác động nhiệt phối hợp tải trọng ngang.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao an toàn chịu lực và đưa ra quy trình xử lý hiệu quả cho các công trình khung bê tông cốt thép sau hỏa hoạn, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể:

1. Thiết lập quy trình kiểm định và đánh giá nhanh an toàn kết cấu sau cháy: Ban hành hướng dẫn kỹ thuật sử dụng phương pháp siêu âm kết hợp khoan lấy mẫu bê tông và đo chuyển vị dư của hệ khung. Mục tiêu định lượng: Xác định chính xác tỷ lệ suy giảm khả năng chịu tải ngang (với sai số dưới 5%) trong vòng 72 giờ sau khi dập tắt đám cháy. Đơn vị thực hiện: Các Trung tâm Kiểm định Chất lượng Xây dựng và Viện chuyên ngành.
2. Gia cường phục hồi khả năng chịu tải bằng vật liệu composite sợi carbon: Ứng dụng giải pháp bọc dán tấm CFRP kết hợp bơm vữa epoxy cường độ cao không co ngót tại các vùng nút khung dầm - cột xuất hiện vết nứt từ 40 cm đến 50 cm. Mục tiêu định lượng: Khôi phục từ 90% đến 100% khả năng chịu lực cắt ngang và tăng 25% độ dẻo dai cho khung kết cấu. Thời gian hoàn thành: Trong vòng 30 ngày kể từ khi có kết quả thẩm tra thiết kế gia cố. Đơn vị thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế gia cường và nhà thầu thi công sửa chữa chuyên nghiệp.
3. Tăng cường chiều dày lớp bê tông bảo vệ và mật độ cốt thép đai chống cháy: Điều chỉnh thiết kế kết cấu công trình mới bằng cách tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ từ 20 mm lên mức 30 mm đến 40 mm tại các vị trí nút khung, đồng thời bố trí đai gia cường phi 6a100 dày đặc trong phạm vi 900 mm từ mặt dầm. Mục tiêu định lượng: Đảm bảo giới hạn chịu lửa của cấu kiện đạt tối thiểu 120 phút theo chuẩn TCVN 9383:2012. Thời gian áp dụng: Bắt buộc áp dụng trong các đồ án thiết kế kỹ thuật từ năm 2026. Đơn vị thực hiện: Các kỹ sư thiết kế kết cấu và cơ quan thẩm tra thiết kế.
4. Cải tiến cấp phối bê tông bằng phụ gia vi sợi Polypropylene: Bổ sung sợi Polypropylene với hàm lượng từ 1,5 kg/m³ đến 2,0 kg/m³ vào thành phần cấp phối bê tông mác 250 trở lên. Mục tiêu định lượng: Giảm trên 70% nguy cơ nổ vỡ bong tách bề mặt khi nhiệt độ vượt quá 400°C nhờ hệ thống vi mao quản thoát áp suất hơi nước. Thời gian thực hiện: Triển khai kiểm soát định kỳ hàng quý tại các trạm trộn bê tông thương phẩm. Đơn vị thực hiện: Các nhà máy sản xuất bê tông và đơn vị tư vấn giám sát chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và số liệu thực nghiệm từ luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư kết cấu và chuyên gia kiểm định công trình: Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng về mức suy giảm 23% tải trọng ngang và gần 30% độ cứng ban đầu để tính toán chính xác hệ số an toàn còn lại của công trình sau hỏa hoạn, từ đó lập phương án sửa chữa phù hợp.
2. Đơn vị tư vấn thiết kế và thi công xây dựng: Tham khảo chi tiết về quy cách cấu tạo cốt thép đai phi 6a100, cách bố trí lưới thép gia cường đầu dầm và quy trình dưỡng hộ bê tông 7 ngày liên tục nhằm tối ưu hóa khả năng chống chịu lửa cho các công trình dân dụng.
3. Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Xây dựng: Sử dụng nguồn số liệu thực nghiệm quy mô lớn từ 3 hệ khung kích thước thực cùng quy trình đốt cháy bằng 800 lít dầu và 5 m³ củi làm tài liệu giảng dạy và hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng số phi tuyến.
4. Cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý dự án: Vận dụng các phát hiện thực nghiệm để rà soát, bổ sung quy chuẩn thiết kế kháng hỏa và kiểm soát nghiêm ngặt chất lượng thi công lớp bê tông bảo vệ trong các dự án nhà cao tầng.

Câu hỏi thường gặp

Khả năng chịu tải ngang của khung bê tông cốt thép suy giảm bao nhiêu phần trăm sau khi bị cháy? Kết quả thí nghiệm khẳng định khả năng chịu lực cắt ngang của khung bị cháy suy giảm khoảng 23% so với khung đối chứng không cháy. Sự sụt giảm này xảy ra do bê tông mác 250 bị suy thoái cường độ nén và xuất hiện các vết nứt vỡ lớn dài 40 cm đến 50 cm tại các vị trí góc liên kết dầm - cột.

Vì sao độ cứng ban đầu của khung sau cháy lại suy giảm mạnh đến gần 30%? Độ cứng ban đầu suy giảm gần 30% do tác động nhiệt làm mất liên kết dính bám giữa cốt thép phi 14 và bê tông, kết hợp hiện tượng nứt vi mô và bong tách bê tông dưới áp suất hơi nước nội tại. Điều này làm cho chuyển vị ngang của hệ khung phát triển nhanh hơn dưới tác động của tải trọng ngang.

Thời gian cháy 45 phút và 75 phút tạo ra sự khác biệt như thế nào về mức độ hư hại của khung? Thời gian tiếp xúc với lửa càng dài thì mức độ hư hại càng nghiêm trọng. Khung F-75-1 (cháy 75 phút với 475 lít dầu) ghi nhận mật độ vết nứt dày đặc, diện tích bong tróc bê tông nhiều hơn 45% và độ suy giảm liên kết nút khung rõ rệt hơn so với khung F-45-1 (cháy 45 phút với 325 lít dầu).

Vật liệu composite sợi carbon (CFRP) có thể phục hồi hoàn toàn khả năng chịu lực của khung sau cháy không? Vật liệu CFRP kết hợp vữa epoxy cường độ cao có khả năng khôi phục từ 90% đến 100% khả năng chịu tải cực hạn và nâng cao độ dẻo dai của kết cấu. Tuy nhiên, việc bọc sợi composite khó có thể phục hồi nguyên vẹn độ cứng đàn hồi ban đầu đã bị suy giảm do tổn thương nhiệt sâu trong lõi bê tông.

Giải pháp thiết kế nào hiệu quả nhất để hạn chế hư hỏng cho khung bê tông cốt thép khi gặp hỏa hoạn? Giải pháp tối ưu bao gồm việc tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ lên 30 mm đến 40 mm, bố trí cốt thép đai phi 6a100 dày đặc tại vùng nút khung và bổ sung sợi polypropylene tỷ lệ 1,5 kg/m³ đến 2,0 kg/m³ vào cấp phối bê tông mác 250 để ngăn chặn hiện tượng nổ vỡ bề mặt.

Kết luận

Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của khung bê tông cốt thép bị cháy chịu tải ngang mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn nổi bật:

• Cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm tin cậy từ 3 hệ khung toàn khối kích thước thật (dầm 3,5 m đến 4,0 m, cột cao 2,94 m) chế tạo bằng bê tông mác 250 và thép SS400.
• Xác định định lượng mức độ suy giảm khoảng 23% khả năng chịu tải ngang và gần 30% độ cứng ban đầu của khung sau khi chịu tác động nhiệt.
• Làm rõ cơ chế phá hoại cơ - nhiệt với các vết nứt bể đặc trưng dài từ 40 cm đến 50 cm tại các nút khung dầm - cột chịu lực.
• Chứng minh mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa thời gian tiếp xúc ngọn lửa (45 phút và 75 phút) với mức độ phá hủy cấu trúc bê tông.
• Thiết lập hệ thống cơ sở thực nghiệm vững chắc phục vụ công tác giám định, đánh giá an toàn và đề xuất giải pháp gia cường kết cấu sau thảm họa cháy.

Về định hướng tiếp theo, nghiên cứu cần mở rộng mô phỏng số phi tuyến trên các phần mềm chuyên dụng trong 6 tháng tới để phân tích đa dạng kịch bản hỏa hoạn. Các kỹ sư kết cấu, chuyên gia kiểm định và cơ quan quản lý cần chủ động áp dụng ngay những phát hiện và khuyến nghị kỹ thuật này vào thực tiễn thiết kế, thi công và đánh giá an toàn công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu của luận văn. Trong đó nêu lên lý do thực hiện đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Các phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa nghiên cứu và cấu trúc của luận văn được trình bày. Trang 3 Chương 2 trình bày tổng quan các nghiên cứu.

Phần đầu tiên của chương 2 trình bày về các vụ cháy lớn xảy ra trên thế giới và tại Việt Nam. Bên cạnh đó, giới thiệu về kết cấu khung BTCT và tính chịu lực của khung BTCT khi bị cháy. Phần tiếp theo trình bày các nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm ở trong và ngoài nước, sau đó rút ra ưu và khuyết điểm của các nghiên cứu. Chương 3 trình bày chương trình thí nghiệm.

Phần đầu trình bày vật liệu bao gồm bê tông và thép. Phần thứ hai là chế tạo khung BTCT. Phần thứ hai này nói về quá trình chế tạo khung BTCT. Phần cuối cùng là quá trình thí nghiệm đốt cháy khung BTCT và thí nghiệm gia tải khung BTCT sau khi bị cháy.

Chương 4 trình bày kết quả thí nghiệm bao gồm 2 phần. Phần thứ nhất là thí nghiệm cháy khung BTCT. Đường cong nhiệt độ và dạng phá hoại cháy, các vết nức khi nén tải ngang của khung BTCT được trình bày. Phần thứ hai trình bày kết quả thí nghiệm nén tải ngang bao gồm các mục như trình bày dạng phá hoại do nén tải ngang, đường cong lực và chuyển vị.

Chương 5 là chương kết thúc luận văn. Chương này trình bày kết luận của luận văn. Bên cạnh đó, các hạn chế trong nghiên cứu và đề xuất kiến nghị cũng được nên lên. Tài liệu tham khảo.

Trang 4 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2.1 Đặc điểm khung bê tông cốt thép bị cháy Hỏa hoạn là một trong những hiểm họa mà con người thường xuyên phải đối mặt trong cuộc sống hàng ngày. Trên thế giới đã xảy ra nhiều vụ hỏa hoạn gây thiệt hại đến tính mạng con người và tài sản. Nhiều vụ hỏa hoạn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người và làm giảm hoặc hư hỏng nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của các công trình đang được sử dụng. Vụ hỏa hoạn Chicago vào năm 1871, kéo dài trong 3 ngày, phá hủy toàn bộ hơn 7 km vuông diện tích thành phố Chicago, 100.000 người rơi vào hoàn cảnh mất nhà cửa.

Năm 2010, vụ cháy chung cư 28 tầng ở Thượng Hải, Trung Quốc [2] như Hình 2.1b đã khiến 58 người thiệt mạng và 70 người khác bị thương. Vào năm 2017, hỏa hoạn đã thiêu rụi tòa nhà Grenfel Tower ở Anh [3] như Hình 2.1a khiến 80 người thiệt mạng. Ở Việt Nam, vụ hỏa hoạn ở chung cư Carina Plaza tại thành phố Hồ Chí Minh khiến cho 13 người thiệt mạng. Các công trình đã bị hư hại ở mức độ khác nhau.

Gì vậy nhiều vụ hỏa hoạn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến con người và làm giảm hoặc hư hỏng nghiêm trọng đến khả năng chịu lực của các công trình đang được sử dụng. Sự cố hỏa hoạn xảy ra trong các công trình có thể ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau đến kết cấu chịu lực và các bộ phận kiến trúc của công trình. Vì thế hỏa hoạn làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu. Khung bê tông cốt thép là một trong những kết cấu chịu lực chính của các công trình xây dựng.

Kết cấu khung bê tông cốt thép ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa trong nhiều bộ phận của các công trình. Trong hệ kết cấu nhà, khung BTCT trực tiếp chịu sự ổn định trong kết cấu của công trình. Trực tiếp nhận tải trọng thẳng đứng để truyền xuống sàn, tường, sau đó là xuống móng. Đồng thời, khung BTCT còn là liên kết cứng tiếp nhận tải trọng ngang (gió, động đất,…) để chịu sự ổn định trong kết cấu ngôi nhà, và từ đó truyền xuống móng.

Khả năng chịu lửa của khung bê tông cốt thép phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu cấu thành. Ngoài ra, ứng xử của khung còn phụ thuộc vào chất liệu của bê tông cốt thép và đặc tính cấu thành nên kết cấu khung BTCT. Kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của môi trường xung quanh dưới các hình thái khác nhau như các tác động cơ học, lý học, hóa học và những hư hỏng, sự cố do những sai Trang 5 sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công. Những tác động này dẫn đến tình trạng không còn đáp ứng được công năng sử dụng công trình hoặc mất an toàn về phương diện chịu tải.

Với những tác động đặc biệt như động đất, hỏa hoạn, cháy nổ… có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng, có khi dẫn đến tình trạng sụp đổ từng phần hoặc toàn bộ công trình. Trong đó, khung là một trong những cấu kiện chịu lực quan trọng nhất trong hệ thống kết cấu nhà. Khi xảy ra hỏa hoạn, cấu kiện khung phải đồng thời chịu tác động của các yếu tố bất lợi bao gồm sự nén lệch tâm, lực nén phát sinh do sự cản giãn nở nhiệt dọc trục, bề mặt khung liên tục tiếp xúc với lửa. a) Grenfell Tower b) Chung cư 28 tầng ở Thượng Hải Hình 2.

Các vụ hỏa hoạn trên thế giới 2.2 Đặc điểm của khung bê tông cốt thép thực hiện nghiên cứu Nhiều nghiên cứu phân tích ứng xử cấu kiện khung bê tông cốt thép tiết diện khác nhau chịu tải trọng khác nhau khi bị cháy và sau khi cháy. Vì vậy, việc nghiên cứu thực nghiệm để phân tích, so sánh, đánh giá khả năng chịu tải trọng ngang của khung BTCT trước và sau khi bị cháy. Khung ta cần thí nghiệm là khung có hệ dầm dưới tiết diện 300x400 mm chiều dài của dầm là 4m. Có thép chủ 6  14 và thép đai gần gối  6a100, giửa nhịp  6a200.

Dầm được gắn vào 2 cột thẳng đứng ở 2 đầu. Tiết diện 2 cột là 200x250 mm dài 3,34 m, khoảng cách 2 cột có chiều dài là 2,5 m. Có 6 cây thép chủ 6  14 và thép đai gần gối cách 900 mm ta bố trí  6a100, giữa nhịp  6a180. Đầu trên của 2 cột liên kết với một dầm tiết diện 200x220 Trang 6 mm chiều dài dầm 3,5 m, khoảng cách giữa dầm trên và dầm dưới là 2,5 m.

Có thép chủ 4  14 và thép đai từ hai gối vào 1,15 m bố trí  6a100, giửa nhịp  6a200. Ở đầu dầm tại vị trí lắp đặt kích thủy lực bố trí 2 lưới thép  6 gia cường để làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu ở đầu dầm khi được gia tải.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI Năm 2007, Wu và cộng sự [4] đã tiến hành nghiên cứu khả năng kháng cháy của cột bê tông cốt thép tiết diện vuông. Một mô hình số để dự đoán khả năng chống cháy của cả hai cột bê tông thường (NSC) và bê tông cường độ cao (HSC) được phát triển. Người ta cho rằng các cột có bốn mặt được tiếp xúc với lửa, có nhiệt độ theo đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834.

Nhiệt độ cột được tính bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM). Chương trình mô phỏng tính toán trên 480 mặt cắt ngang của cột và 480 cột bê tông cường độ cao được làm bằng cốt liệu silic. Tác giả mô phỏng các mẫu chịu nhiệt tăng dần từ 0 đến 1400 0C. Với các kết quả thu được từ phân tích mô hình số, các tác giả rút ra các kết luận sau:  Ảnh hưởng của kích thước mặt cắt ngang đến khả năng chống cháy của các cột bê tông là đáng kể.

Khả năng chống cháy của cả hai loại cột HSC và NSC tăng khi kích thước mặt cắt ngang tăng.  Khả năng chống cháy của các cột HSC nhỏ hơn nhiều so với các cột NSC, do sự nổ bề mặt tiết diện của cột HSC khi nhiệt độ tăng nhanh. Tỷ lệ kháng cháy của cột NSC so với cột HSC tăng theo tỷ lệ tải trọng dọc trục, nhưng nhìn chung giảm hoặc hầu như không thay đổi với kích thước tăng của mặt cắt ngang cột.  Với sự gia tăng tỷ lệ tải trọng dọc trục, khả năng chống cháy của các cột HSC giảm nhanh lúc đầu, và sau đó giảm dần ổn định.

Ngoài ra, sự gia tăng tỷ lệ tải dọc trục cũng làm giảm đáng kể khả năng chống cháy của các cột NSC và khả năng chống cháy của các cột NSC thay đổi tuyến tính.  Tỷ lệ thép không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống cháy của các cột NSC và HSC chịu nén đúng tâm. Năm 2008, Jau và Huang [5] nghiên cứu về ứng xử của các cột biên trong khung kết cấu sau khi chịu cháy. Thí nghiệm được tiến hành trên 6 mẫu có kích thước tiết diện 300x450 mm.

Trong đó, 3 mẫu sử dụng thép dọc 4D25 mm, 3 mẫu sử dụng 4D32mm và lớp bê tông bảo vệ là 50mm, 60mm, 70mm. Các mẫu được đốt trong lò ở thời gian là 2 giờ Trang 7 và 4 giờ. Sau đó tiến hành thí nghiệm nén các mẫu. Kết quả mà các tác giả rút ra sau khi thí nghiệm:  Cấu tạo cốt thép trong cột có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của cột.

Trong đó, các mẫu cột sử dụng D25 mm khả năng chịu tải kém hơn các cột sử dụng D32 mm.  Vết nứt trong cột hình thành khi chịu cháy phụ thuộc vào tỉ lệ thép và độ dày lớp bê tông bảo vệ.  Nhiệt độ trong cột vẫn tăng dù cột không còn chịu tác dụng của lửa nữa.  Kết quả của nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức độ cục bộ, còn ảnh hưởng tổng thể của đám cháy tác dụng lên khung kết cấu chưa được đề cập trong nghiên cứu này.

Tác giả hy vọng rằng, trên cơ sở nghiên cứu này, các nhà khoa học tiếp theo sẽ phân tích được vấn đề trên. Năm 2009, Chen và cộng sự [6] đã báo cáo một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc với lửa đối với cột bê tông cốt thép. Chín cột bê tông cốt thép có kích thước 45x30x300 cm với tỉ lệ cốt thép dọc (1,4% và 2,3%) tiếp xúc với lửa trong 2 và 4 giờ. Một tháng sau khi làm nguội, các mẫu thử đã được thử nghiệm nén đến khi phá hoại.

Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng chịu tải giảm khi tăng thời gian tiếp xúc với lửa. Sự suy giảm khả năng chịu tải này sau khi tăng thời gian tiếp xúc với lửa có thể bị chậm lại do sự phục hồi cường độ của các thanh cốt thép sau khi làm mát.