chương 1. Chương này nêu lên lý do thực hiện đề tài nghiên cứu, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Ngoài ra phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa nghiên cứu cũng được trình bày trong chương này. Chương 2 giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu kết cấu bê tông cốt thép bị cháy tại các công trình.
Chương này được chia làm 3 phần gồm giới thiệu chung, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan tới đề tài nghiên cứu và từ đó đưa ra tổng kết cho đề tài. Chương 3 là chương cơ sở lý thuyết. Chương này giới thiệu về nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo tiêu chuẩn EN 1992. Tiếp theo, chương này đề cập đến quan hệ σ - ε của bê tông và thép khi nhiệt độ tăng cao.
Ngoài ra, sự phân bố nhiệt độ trong dầm BTCT cũng được giới thiệu trong chương này. Tiếp đến là phần giới thiệu các phương pháp tính toán dầm BTCT chịu lửa theo tiêu chuẩn EN 1992. Sau cùng là phần trình bày tổng quan về phần mềm SAFIR. Chương 4 là chương phân tích số.
Chương này trình bày những kết quả thu được từ quá trình mô phỏng. Quá trình mô phỏng được thực hiện trên phần mềm SAFIR. Đặc biệt, mối quan hệ giữa thời gian cháy và độ võng của dầm BTCT bị cháy được phân tích làm rõ. Tiếp đó là phần nhận xét dựa trên các số liệu thu thập được để đưa ra kết quả về việc mô phỏng.
Chương 5 của luận văn là kết luận những tính chất của cấu kiện dầm BTCT bị cháy, đồng thời kiến nghị những hướng phát triển tiếp của đề tài này. Mục tài liệu tham khảo trong luận văn trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài.1 Giới thiệu chung Tình trạng hỏa hoạn gây hư hỏng, sập đổ các công trình đã và đang là vấn đề nan giải trong nhiều năm nay. Trên thế giới đã có nhiều vụ cháy dẫn đến sụp đổ công trình và thiệt hại rất nhiều về tính mạng con người. Ở thành phố Sao Paulo vào ngày 1/5/2018, một vụ cháy đã xảy ra và gây sập đổ hoàn toàn một tòa nhà 26 tầng.
Vụ việc này đã khiến ít nhất 1 người thiệt mạng và 3 người mất tích.1 Một tòa nhà 26 tầng ở thành phố Sao Paulo sập đổ sau khi cháy Tại Bồ Đào Nha vào ngày 20/12/2020, cháy đã làm sập một tòa nhà ở ngay tại trung tâm thành phố Lisbon. Gần 50 lính cứu hỏa đã phải tới hiện trường để dập lửa và cứu hộ.2 Tòa nhà ở Lisbon, Bồ Đào Nha sập đổ sau một vụ cháy Tại Việt Nam, những vụ cháy liên tiếp đã xảy ra, gây nên thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Theo số liệu thống kê của Cục Cảnh sát PCCC và CNCH, trong tháng 4/2022, toàn quốc xảy ra 132 vụ cháy, làm chết 8 người, bị thương 5 người; 5 thiệt hại tài sản ước tính 22,5 tỷ đồng. Như vậy, tình hình cháy ở nhà ở hộ gia đình là một thực trạng đáng lo ngại và cần phải ngăn ngừa, giảm thiểu mất mát.
Hỏa hoạn có ảnh hưởng với các mức độ khác nhau đến khả năng chịu lực của kết cấu. Khi hỏa hoạn xảy ra, dầm và cột là các cấu kiện chịu lực chính nhưng lại bị tác động trực tiếp của lửa. Điều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của kết cấu. Vì vậy, việc đánh giá tác động của lửa đối với khả năng chịu lực của dầm trở nên rất cần thiết.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 2.
Ở nước ngoài Năm 1985, Dotreppe và Franssen [3] đã sử dụng phương pháp số để phân tích kết cấu BTCT và kết cấu liên hợp chịu lửa. Tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích mặt cắt dầm, mặt cắt dầm này được chia thành các phần tử nhỏ hình vuông. Kết cấu tăng nhiệt được phân tích từng bước bằng cách sử dụng phương trình Newton-Raphson. Tác giả so sánh giữa lý thuyết và các kết quả thí nghiệm đối với một dầm BTCT và một dầm liên hợp.
Trong cả hai trường hợp, có sự tương đồng khá cao giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm. Bài báo này còn chỉ ra rằng, mặc dù cùng một loại mô hình tuy nhiên phân tích kết cấu liên hợp tương đối khó khăn hơn phân tích BTCT. Năm 1996, El-Hawary và cộng sự [4] đã trình bày một nghiên cứu về ảnh hưởng của lửa đến ứng xử uốn của dầm BTCT. Bốn nhóm dầm BTCT được đúc, tiếp xúc với lửa ở 650°C trong các khoảng thời gian 0, 30, 60 và 120 phút và sau đó được làm nguội bằng nước.
Cường độ chịu nén của bê tông trong dầm được xác định bằng búa Schmidt. Các dầm đã được kiểm khả năng kháng uốn bằng cách tác dụng hai tải trọng ngang tăng dần. Các biến dạng và độ lệch được đo ở mỗi lần tăng tải. Tải trọng gây nứt, sự hình thành vết nứt và tải trọng tới hạn được ghi lại cho mỗi dầm.
Sau thí nghiệm, tác giả quan sát thấy sự giảm tải trọng tới hạn, tăng độ võng, tăng cả biến dạng kéo, nén đồng thời giảm cường độ nén của bê tông do tiếp xúc với lửa. 6 Năm 1997, El-Hawary và cộng sự [5] tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc với lửa và độ dày lớp bê tông bảo vệ đối với ứng xử của dầm BTCT chịu lửa trong vùng chịu cắt và sau đó làm nguội bằng nước. Thí nghiệm 8 dầm BTCT (180×20×12 cm) được thực hiện trong nghiên cứu này. Các dầm được chia thành 2 nhóm.
Nhóm (1) gồm bốn dầm có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 2 cm và nhóm (2) gồm bốn dầm có chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 4 cm. Mỗi nhóm phải chịu ngọn lửa ở 650°C trong các khoảng thời gian khác nhau (0, 30, 60 và 120 phút). Cường độ chịu nén của bê tông trong dầm được xác định bằng cách sử dụng búa Schmidt sau khi tiếp xúc với lửa. Các dầm được thí nghiệm bằng cách tác dụng tăng dần hai tải trọng ngang.
Các biến dạng được đo ở mỗi lần tăng tải. Tải trọng nứt, sự hình thành vết nứt và tải trọng tới hạn được ghi lại cho mỗi dầm. Ứng xử của các dầm tiếp xúc với lửa trong vùng chịu cắt bị ảnh hưởng nhiều bởi thời gian tiếp xúc với lửa và sự thay đổi lớp bê tông bảo vệ. Năm 1998, Desai [6] trình bày một phương pháp để ước tính khả năng chịu uốn và cắt của một dầm BTCT, tương ứng với một khoảng thời gian nhất định mà dầm BTCT tiếp xúc với lửa.
Phương pháp đề xuất này dựa trên việc đánh giá sự suy giảm cường độ của bê tông và cốt thép, do nhiệt độ cao phát triển bên trong dầm. Các quy tắc thiết kế về khả năng chịu uốn và chịu cắt được kiểm chứng với các thí nghiệm trên dầm để xem xét ảnh hưởng của một loạt các thông số thực tế: kích thước của dầm, cường độ của bê tông và cốt thép, khối lượng và vị trí của cốt thép. Năm 2009, Dwaikat & Kodur [7] đã thực hiện các thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu lửa của 6 dầm BTCT đánh số từ B1 – B6. Tất cả dầm đều có chiều dài là 3,96 m 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, B3 – B6 làm từ bê tông cường độ cao. Các thí nghiệm bao gồm thí nghiệm kiểm tra cường độ bê tông, điều kiện ảnh hưởng, quá trình cấu kiện bị cháy, tỷ lệ tải trọng. Dữ liệu từ các thí nghiệm được sử dụng để so sánh hiệu suất của dầm bê tông cường độ cao và bê tông cường độ bình thường trong điều kiện cháy. Ngoài ra, dữ liệu từ các thí nghiệm còn được sử dụng để đối chiếu với mô hình phản ứng cháy của dầm bằng 7 phương pháp phần tử hữu hạn.
Kết quả từ các thí nghiệm và mô phỏng số, có thể rút ra các kết luận như: dầm với bê tông cường độ cao có khả năng chống cháy thấp hơn so với dầm sử dụng bê tông cường độ thấp. Đồng thời bê tông cường độ cao 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, tác giả Hawileh [8] đã nghiên cứu việc sử dụng mô hình phi tuyến để xác định khả năng truyền nhiệt trong cấu kiện BTCT được gia cường bằng GFRP. Chương trình mô phỏng ANSYS 2007 được sử dụng để mô hình dầm BTCT có tiết diện 350×400 mm dài 4. Trong thí nghiệm mô phỏng, nhiệt độ trung bình trong các thanh GFRP được lấy sau mỗi 0,5 giây. 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 thí 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 phi tuyến và thời gian thực nghiệm là 1.
Sự truyền nhiệt bắt đầu từ các cạnh dầm, sau đó truyền vào 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 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. Năm 2013, Eamon [9] và cộng sự trình bày quy trình phân tích độ tin cậy của dầm BTCT bị cháy.