Luận Văn Thạc Sĩ Về Khả Năng Chịu Tải Cột Bê Tông Cốt Thép Dưới Các Điều Kiện Cháy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng phân tích khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép trong các điều kiện cháy, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Lê Huy Chương
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Vui
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân Tích Khả Năng Chịu Tải Cột Bê Tông Cốt Thép Trong Điều Kiện Cháy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• 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
• 2.2. Tổng quan các nghiên cứu nước ngoài về ứng xử của cột BTCT bị cháy
• 2.3. Tổng quan các nghiên cứu trong nước về ứng xử của cột BTCT bị cháy
• 2.4. Nguyên tắc thiết kế cấu kiện BTCT chịu lửa theo Eurocode 2 [1]
• 2.5. Các phương pháp tính toán
• 2.5.1. Sự phát triển nhiệt độ trong buồng cháy
• 2.5.2. Đường gia nhiệt tiêu chuẩn
• 2.5.3. Tổ hợp hệ quả của các tác động khi chịu lửa
• 2.5.4. Các tiêu chí về khả năng chịu lửa và nguyên tắc kiểm tra theo tiêu chí chịu lực
• 2.5.5. Sự suy giảm tính năng chịu lực của vật liệu ở nhiệt độ cao
• 2.5.6. Sự phân bố nhiệt độ trong cột BTCT
• 2.5.7. Phương pháp tra bảng tính toán cột BTCT ở nhiệt độ cao
• 2.5.8. Phương pháp đường đẳng nhiệt 500oC tính toán cột BTCT ở nhiệt độ cao
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ SAFIR [28]
• 3.1. Các phương thức phân tích
• 3.2. Phân tích ứng xử của kết cấu trong điều kiện nhiệt độ tăng cao
• 3.3. Vật liệu bê tông và thép trong SAFIR [21]
• 3.4. Số liệu đầu vào
• 3.5. Môi trường
• 3.6. Thông số cấu kiện
• 3.7. Mô phỏng ứng xử của cột BTCT bị cháy thông qua SAFIR [21]
• 3.8. Phân tích nhiệt dựa vào phần mềm SAFIR
• 3.8.1. Tiết diện C150×150 mm
• 3.8.2. Sự phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện
• 3.8.2.1. Cột chịu cháy một mặt
• 3.8.2.2. Cột chịu cháy hai mặt
• 3.8.2.3. Cột chịu cháy ba mặt
• 3.8.2.4. Cột chịu cháy bốn mặt
• 3.9. Phân tích cơ học dựa vào kết quả phân tích nhiệt của phần mềm SAFIR
• 3.9.1. Tính toán theo phương pháp phân lớp
• 3.9.1.1. Cột chịu cháy một mặt
• 3.9.1.2. Cột chịu cháy hai mặt
• 3.9.1.3. Cột chịu cháy ba mặt
• 3.9.1.4. Cột chịu cháy bốn mặt
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 4.1. Ảnh hưởng của số mặt cháy đến khả năng chịu lực của cột trong cùng một mốc thời gian
• 4.1.1. Tiết diện C300×300 mm
• 4.1.1.1. Sự phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện
• 4.1.1.1.1. Cột chịu cháy một mặt
• 4.1.1.1.2. Cột chịu cháy hai mặt
• 4.1.1.1.3. Cột chịu cháy ba mặt
• 4.1.1.1.4. Cột chịu cháy bốn mặt
• 4.1.1.2. Phân tích cơ học dựa vào kết quả phân tích nhiệt của phần mềm SAFIR
• 4.1.1.2.1. Tính toán theo phương pháp phân lớp
• 4.1.1.2.1.1. Cột chịu cháy một mặt
• 4.1.1.2.1.2. Cột chịu cháy hai mặt
• 4.1.1.2.1.3. Cột chịu cháy ba mặt
• 4.1.1.2.1.4. Cột chịu cháy bốn mặt
• 4.2. Tiết diện C450×450 mm
• 4.2.1. Sự phân bố nhiệt độ bên trong cấu kiện
• 4.2.1.1. Cột chịu cháy một mặt
• 4.2.1.2. Cột chịu cháy hai mặt
• 4.2.1.3. Cột chịu cháy ba mặt
• 4.2.1.4. Cột chịu cháy bốn mặt
• 4.2.2. Phân tích cơ học dựa vào kết quả phân tích nhiệt của phần mềm SAFIR
• 4.2.2.1. Tính toán theo phương pháp phân lớp
• 4.2.2.1.1. Cột chịu cháy một mặt
• 4.2.2.1.2. Cột chịu cháy hai mặt
• 4.2.2.1.3. Cột chịu cháy ba mặt
• 4.2.2.1.4. Cột chịu cháy bốn mặt
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cột bê tông cốt thép và khả năng chịu tải

Cột bê tông cốt thép (cột bê tông cốt thép) là một trong những cấu kiện chịu lực chính trong các công trình xây dựng. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định và an toàn cho toàn bộ kết cấu. Khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước tiết diện, tỷ lệ cốt thép và cách bố trí cốt thép. Theo các nghiên cứu trước đây, khi cột bê tông cốt thép chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao trong điều kiện cháy, các đặc tính cơ lý của bê tông và thép sẽ thay đổi, dẫn đến khả năng chịu tải giảm đáng kể. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phân tích khả năng chịu tải trong điều kiện cháy để đảm bảo an toàn cho công trình.

II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu tải trong điều kiện cháy

Khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép trong điều kiện cháy bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó có thời gian cháy và số mặt cháy. Nghiên cứu cho thấy, thời gian cháy kéo dài sẽ làm giảm khả năng chịu lực của cột. Cụ thể, trong các thí nghiệm với cột có tiết diện 150x150 mm, khả năng chịu tải giảm từ 8% đến 36% theo thời gian cháy từ 15 đến 60 phút. Ngoài ra, số mặt cháy cũng đóng vai trò quan trọng; cột chịu cháy nhiều mặt sẽ có sự suy giảm khả năng chịu lực lớn hơn so với cột chỉ chịu cháy một mặt. Điều này cho thấy rằng việc thiết kế cột bê tông cốt thép cần xem xét kỹ lưỡng các điều kiện cháy để đảm bảo an toàn tối đa cho công trình.

III. Phương pháp phân tích khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép

Để phân tích khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép trong điều kiện cháy, phương pháp mô phỏng nhiệt bằng phần mềm SAFIR được sử dụng. Phương pháp này cho phép xác định sự phân bố nhiệt độ trong cột và ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu lực. Sau khi mô phỏng, khả năng chịu tải được tính toán bằng phương pháp chia thớ. Kết quả cho thấy, khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép giảm rõ rệt khi nhiệt độ tăng cao. Các tiết diện cột khác nhau cũng cho thấy sự khác biệt trong khả năng chịu tải; cột có tiết diện lớn hơn thường có khả năng chịu tải tốt hơn trong điều kiện cháy. Điều này cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và cải thiện các cấu kiện bê tông cốt thép trong công trình.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu về khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép trong điều kiện cháy không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang tính ứng dụng cao trong thực tiễn xây dựng. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự cần thiết phải xem xét các yếu tố như thời gian cháy và số mặt cháy khi thiết kế các cấu kiện bê tông cốt thép. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành cần được cập nhật để phản ánh chính xác hơn về khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép trong điều kiện cháy. Việc này không chỉ giúp bảo vệ tính mạng con người mà còn bảo vệ tài sản và đảm bảo tính bền vững cho công trình xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khả năng chịu tải của cột bê tông cốt thép (BTCT) trong điều kiện cháy là một vấn đề quan trọng trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt khi các vụ hỏa hoạn gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản trên thế giới và tại Việt Nam. Theo ước tính, các vụ cháy lớn như vụ cháy tháp Grenfell (Anh, 2017) làm 80 người thiệt mạng và vụ cháy chung cư Carina Plaza (TP. Hồ Chí Minh, 2018) làm 13 người chết, cho thấy sự cần thiết phải đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu sau cháy. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của các điều kiện cháy khác nhau, bao gồm thời gian cháy và số mặt cháy, đến khả năng chịu tải dọc trục của cột BTCT tiết diện vuông. Nghiên cứu sử dụng mô phỏng nhiệt và cơ học trên phần mềm SAFIR với ba tiết diện cột 150×150 mm, 300×300 mm và 450×450 mm, mô phỏng trong các mốc thời gian 15, 30, 45 và 60 phút. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ an toàn cháy cho công trình xây dựng, đồng thời cung cấp dữ liệu tham khảo cho thiết kế và gia cường kết cấu BTCT chịu cháy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên tiêu chuẩn Eurocode 2 (EN 1992-1-2) về thiết kế kết cấu BTCT trong điều kiện cháy, trong đó có ba phương pháp tính toán chính: phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản và phương pháp nâng cao. Phương pháp nâng cao bao gồm hai bước: phân tích sự phát triển và phân bố nhiệt trong kết cấu (mô hình ứng xử nhiệt) và phân tích trạng thái cơ học của kết cấu khi nhiệt độ thay đổi (mô hình ứng xử cơ học). Các khái niệm chính bao gồm:

• Khả năng chịu lực (R): Tiêu chí quan trọng nhất trong đánh giá khả năng chịu lửa của cấu kiện.
• Đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834: Mô tả sự tăng nhiệt độ theo thời gian trong đám cháy chuẩn.
• Sự suy giảm tính năng cơ lý của vật liệu: Cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông và thép giảm theo nhiệt độ tăng cao.
• Phân bố nhiệt độ trong tiết diện cột: Nhiệt độ tăng dần từ bên trong ra ngoài, tạo thành các đường đẳng nhiệt trong tiết diện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm SAFIR để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và phân tích cơ học của cột BTCT trong điều kiện cháy. Cỡ mẫu gồm ba tiết diện cột vuông: 150×150 mm, 300×300 mm và 450×450 mm. Mỗi tiết diện được mô phỏng với các điều kiện cháy khác nhau, gồm số mặt cháy từ một đến bốn mặt và thời gian cháy lần lượt là 15, 30, 45 và 60 phút theo đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834. Phương pháp phân tích cơ học sử dụng phương pháp chia thớ (fiber model) để tính toán khả năng chịu tải dọc trục của cột dựa trên kết quả phân tích nhiệt. Quy trình nghiên cứu gồm hai giai đoạn chính: phân tích nhiệt để xác định phân bố nhiệt độ trong tiết diện cột và phân tích cơ học để đánh giá khả năng chịu tải sau khi bị ảnh hưởng nhiệt. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của thời gian cháy đến khả năng chịu tải:
   Khả năng chịu tải của cột BTCT giảm rõ rệt theo thời gian cháy. Cụ thể, đối với cột 150×150 mm, khả năng chịu tải giảm lần lượt 8%, 17%, 26% và 36% tương ứng với thời gian cháy 15, 30, 45 và 60 phút. Cột 300×300 mm và 450×450 mm có mức giảm thấp hơn, lần lượt là 2%, 8%, 15%, 20%.

2. Ảnh hưởng của số mặt cháy:
   Số mặt cháy càng nhiều thì khả năng chịu lực dọc trục của cột càng giảm. Ví dụ, cột 150×150 mm chịu cháy một mặt giảm 3% khả năng chịu tải sau 15 phút, nhưng khi cháy bốn mặt giảm đến 28%. Tương tự, cột 300×300 mm giảm từ 3% đến 22%, cột 450×450 mm giảm từ 2% đến 18%.

3. So sánh giữa các tiết diện cột:
   Cột có tiết diện nhỏ hơn chịu ảnh hưởng nặng nề hơn về khả năng chịu tải khi bị cháy. Cột 150×150 mm giảm khả năng chịu tải nhiều hơn so với cột 300×300 mm và 450×450 mm trong cùng điều kiện cháy.

4. Sự phân bố nhiệt độ trong tiết diện:
   Nhiệt độ tăng nhanh ở các mặt tiếp xúc với lửa, tạo ra các vùng nhiệt độ cao tập trung ở bề mặt ngoài, trong khi phần lõi cột giữ nhiệt độ thấp hơn. Điều này dẫn đến sự suy giảm cường độ vật liệu không đồng đều trong tiết diện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự suy giảm khả năng chịu tải là do tính chất cơ lý của bê tông và thép bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi nhiệt độ vượt quá 500°C, làm giảm cường độ và độ cứng của vật liệu. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trước đây, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của thời gian cháy và số mặt cháy trong việc đánh giá an toàn kết cấu. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa thời gian cháy và tỷ lệ giảm khả năng chịu tải cho từng tiết diện cột sẽ minh họa rõ nét xu hướng này. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, luận văn đã bổ sung dữ liệu cụ thể về ảnh hưởng của số mặt cháy, một yếu tố ít được đề cập trước đây, góp phần hoàn thiện hiểu biết về ứng xử của cột BTCT trong điều kiện cháy đa dạng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường lớp bê tông bảo vệ:
   Đề xuất tăng độ dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép nhằm giảm tốc độ truyền nhiệt vào lõi cột, từ đó nâng cao khả năng chịu tải trong điều kiện cháy. Chủ thể thực hiện là các nhà thiết kế và thi công công trình, áp dụng trong vòng 1-2 năm.

2. Áp dụng mô hình mô phỏng nhiệt và cơ học trong thiết kế:
   Khuyến nghị sử dụng phần mềm chuyên dụng như SAFIR để mô phỏng và đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu trong điều kiện cháy nhằm tối ưu thiết kế và đảm bảo an toàn. Các kỹ sư kết cấu nên áp dụng trong giai đoạn thiết kế và kiểm định.

3. Gia cường kết cấu bằng vật liệu composite:
   Sử dụng các vật liệu gia cường như FRP hoặc GFRP để cải thiện khả năng chịu tải sau cháy, đặc biệt cho các cột có tiết diện nhỏ hoặc chịu cháy nhiều mặt. Thời gian triển khai từ 1-3 năm, do các đơn vị thi công và bảo trì công trình thực hiện.

4. Xây dựng tiêu chuẩn và quy trình kiểm định khả năng chịu cháy:
   Đề xuất cơ quan quản lý xây dựng ban hành các quy chuẩn kỹ thuật về đánh giá và kiểm định khả năng chịu tải của kết cấu BTCT sau cháy, dựa trên các kết quả nghiên cứu và mô phỏng hiện đại. Thời gian thực hiện trong 3-5 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư kết cấu và thiết kế xây dựng:
   Giúp hiểu rõ ảnh hưởng của cháy đến khả năng chịu tải của cột BTCT, từ đó áp dụng các phương pháp thiết kế an toàn cháy hiệu quả.

2. Chuyên gia phòng cháy chữa cháy và an toàn công trình:
   Cung cấp dữ liệu khoa học để đánh giá mức độ an toàn của kết cấu trong các tình huống cháy thực tế, hỗ trợ xây dựng phương án phòng ngừa và ứng phó.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng:
   Là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng xử kết cấu trong điều kiện cháy và phát triển các giải pháp gia cường.

4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng:
   Hỗ trợ trong việc xây dựng và cập nhật các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế và kiểm định kết cấu chịu cháy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao khả năng chịu tải của cột BTCT giảm khi bị cháy?
   Khi nhiệt độ tăng cao, cường độ và độ cứng của bê tông và thép giảm do biến đổi cơ lý, làm giảm khả năng chịu lực của cột. Ví dụ, ở nhiệt độ trên 500°C, bê tông mất gần hết khả năng chịu nén.

2. Ảnh hưởng của số mặt cháy đến khả năng chịu tải như thế nào?
   Số mặt cháy càng nhiều thì khả năng chịu tải giảm càng lớn do diện tích tiếp xúc với nhiệt tăng, làm tăng tốc độ truyền nhiệt và suy giảm vật liệu nhanh hơn.

3. Phần mềm SAFIR được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   SAFIR mô phỏng quá trình truyền nhiệt và phân tích cơ học phi tuyến của kết cấu BTCT trong điều kiện nhiệt độ cao, giúp đánh giá chính xác khả năng chịu tải sau cháy.

4. Có thể gia cường cột BTCT sau cháy không?
   Có thể, sử dụng vật liệu composite như FRP hoặc GFRP để gia cường giúp phục hồi hoặc nâng cao khả năng chịu tải của cột bị ảnh hưởng bởi cháy.

5. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để thiết kế kết cấu chịu cháy?
   Tiêu chuẩn Eurocode 2 (EN 1992-1-2) là tiêu chuẩn quốc tế phổ biến, quy định các phương pháp tính toán và thiết kế kết cấu BTCT trong điều kiện cháy.

Kết luận

• Thời gian và số mặt cháy là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của cột BTCT, với mức giảm khả năng chịu tải lên đến 36% cho cột nhỏ nhất sau 60 phút cháy bốn mặt.
• Phương pháp mô phỏng nhiệt và cơ học bằng phần mềm SAFIR cho kết quả phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và tiêu chuẩn quốc tế.
• Kích thước tiết diện cột càng lớn thì khả năng chịu tải sau cháy càng được bảo toàn tốt hơn.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế, gia cường và kiểm định kết cấu BTCT chịu cháy tại Việt Nam.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm nâng cao an toàn cháy cho công trình xây dựng trong tương lai.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế và phát triển các hướng nghiên cứu mở rộng về ứng xử kết cấu trong điều kiện cháy phức tạp hơn. Các kỹ sư và nhà quản lý xây dựng được khuyến khích tham khảo và ứng dụng các kết quả này để nâng cao hiệu quả phòng cháy chữa cháy và an toàn công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Trong 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: Tổng quan trình bày tóm tắt các nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng xử của cột BTCT bị cháy. Phần đầu của chương này trình bày các vụ cháy lớn đã xảy ra trên thế giới và hậu quả nặng nề do các vụ cháy này gây ra.

Qua đó cho thấy, việc đánh giá sự tác động của lửa lên kết cấu BTCT là rất cần thiết. Các nghiên cứu cho thấy rằng, sự ảnh hưởng của kích thước tiết diện cột đến khả năng kháng cháy của cột sau cháy được đa số các tác giả tập trung nghiên cứu. Hơn nữa, tỉ lệ cốt thép dọc, cách bố trí cốt thép trong cột ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của cột sau cháy. Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 -4- Tiếp theo là Chương 3: Cơ sở lý thuyết trình bày cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán kết cấu BTCT chịu lửa.

Ngoài ra, chương này còn nêu ra phương pháp, quy trình tính toán kết cấu BTCT chịu lửa theo tiêu chuẩn Eurocode 2 và phương pháp phân tích phần mềm SAFIR. Kế đến là Chương 4: Phân tích số làm rõ các vấn đề như bài toán mô phỏng ứng xử của cấu kiện cột BTCT bị cháy, mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong tiết diện cột BTCT bằng phầm mềm SAFIR. Từ đó, phân tích cấu kiện cột BTCT bằng SAFIR và đưa ra kết quả mô phỏng. Cuối chương 4 luận văn là nhận xét kết quả đạt được.

Cuối cùng, là Chương 5: Kết luận nêu lên các kết quả đạt được trong nghiên cứu và kiến nghị những hướng nghiên cứu mới trong tương lai. 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. Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 -5- CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2. Giới thiệu chung Trên thế giới, nhiều vụ hỏa hoạn xảy ra đã gây thiệt hại lớn về người và tài sản.

Ví dụ như, vụ hỏa hoạn kinh hoàng xảy ra tại tháp Grenfell 24 tầng ở phía tây thủ đô Luân Đôn (Anh) vào năm 2017 đã làm 80 người thiệt mạng, hàng chục người bị thương đã được đưa đến 6 bệnh viện trên khắp thành phố (Hình 1) [3] Hình 1. Hình ảnh các vụ cháy lớn trên thế giới Tại Việt Nam, thời điểm năm 2018, vụ hỏa hoạn tại chung cư Carina Plaza (tọa lạc tại Quận 8 – Tp Hồ Chí Minh) đã làm 13 người chết, hơn 90 người nhập viện và đặc biệt là để lại một vết gợn trong việc thực hiện các quy định về phòng cháy, chữa cháy với công trình là chung cư. (Hình 2) [4] Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 -6- Hình 2. Hình ảnh vụ cháy Carina Plaza Khả năng chịu lực của kết cấu sẽ bị ảnh hưởng với các mức độ khác nhau khi gặp hỏa hoạn.

Cột là một cấu kiện chịu lực chính và chịu ảnh hưởng trực tiếp của lửa. Điều này tác động trực tiếp đến khả năng chịu lực của kết cấu. Các công trình đứng trước hai sự lựa chọn là phá dỡ và xây mới lại công trình hoặc gia cường kết cấu để đáp ứng khả năng chịu lực theo các tiêu chuẩn hiện hành. Giải pháp thứ hai ngày càng được quan tâm và lựa chọn vì đáp ứng được điều kiện về mặt kinh tế.

Do đó, việc phân tích khả năng chịu lực của cột trước và sau khi cháy trở nên rất cần thiết. Tổng quan các nghiên cứu nước ngoài về ứng xử của cột BTCT bị cháy Trên thế giới, các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu BTCT bị cháy đã được công bố từ những năm đầu của thế kỷ 21. Năm 2000, Khoury [5] đã thực hiện một phân tích khoa học về sự tác động của nhiệt lên vật liệu bê tông lẫn kết cấu bê tông. Nhìn chung, khi ở nhiệt độ từ 550 – 600oC bê tông có gốc xi măng Portland đều mất khả năng chịu tải.

Khi nhiệt độ dưới 500oC, việc sử dụng các loại cốt liệu ít bị giãn nở dưới tác dụng của nhiệt độ cao và xi măng với một tỷ lệ CaO/SiO thích hợp sẽ làm này có cải thiện sự Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 -7- suy giảm tính chất cơ học này. Đối với các loại bê tông có tính chống thấm kém, có thể hạn chế hiện tượng trên nhờ thêm sợ polypropylene vào thành phần cấp phối bê tông và sử dụng lớp phủ chắn nhiệt để bảo vệ bề mặt bê tông dưới sự tác dụng trực tiếp của nhiệt độ. Năm 2006, Kodur và cộng sự [6] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ứng xử của cột BTCT gia cường FRP và vật liệu cách nhiệt. Chương trình thí nghiệm được tiến hành trên 5 mẫu cột.

Trong đó, một cột tròn với đường kính 355 mm với cốt thép dọc là 6ø20 và không gia cường; hai cột tròn có đường kính 406 mm với cốt thép dọc là 8ø20 và được gia cường thêm FRP và vật liệu cách nhiệt; một cột vuông với tiết diện là 406×406 mm với cốt thép dọc là 8ø20 không gia cường; một cột vuông với kích thước là 406×406 mm với cốt thép dọc là 4ø25 có gia cường FRP và vật liệu cách nhiệt. Năm mẫu cột này đều có chiều cao là 3810 mm. Kết quả thí nghiệm cho thấy, việc gia cường FRP giúp cột tăng khả năng chịu tải so với cột không gia cường. Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu cách nhiệt giúp cột chịu được nhiệt độ cao với thời gian cháy hơn 4 giờ.

Một năm sau đó, Wu và cộng sự [7] đã mô phỏng để nghiên cứu về khả năng kháng cháy của 960 cột BTCT, trong đó 480 cột sử dụng bê tông cường độ thường (normal strength concrete - NSC) và 480 cột còn lại sử dụng bê tông cường độ cao (high strength concrete - HSC). Bốn mặt của cột được mô phỏng tiếp xúc với lửa, nhiệt độ cháy tuân theo đường cong lửa trong tiêu chuẩn ISO 834. Phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng để tính toán cho các nhiệt độ này. Nhiệt độ được tăng dần từ 0 đến 1400oC trong quá trình mô phỏng.

Kết quả cho thấy rằng, kích thước mặt cắt ngang có ảnh hưởng đến khả năng kháng cháy của các cột bê tông. Tỷ lệ kháng cháy của cột NSC và HSC tăng theo tỷ lệ tải trọng dọc trục. Tuy nhiên, kết quả cho thấy rằng khi tăng tiết diện mặt cắt ngang của cột thì tỷ lệ kháng cháy chỉ giảm hoặc hầu như không thay đổi. Cũng trong năm 2007, Jau và Huang đã nghiên cứu về ứng xử của các cột biên trong khung kết cấu sau khi bị cháy.

Thí nghiệm được tiến hành trên 6 mẫu cột BTCT Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 -8- 300×450 mm, trong đó 3 mẫu sử dụng thép dọc 4ø25, 3 mẫu sử dụng 4ø32 và độ dày lớp bê tông bảo vệ là 50, 60 và 70 mm. Thời gian cháy của các mẫu từ 2 đến 4 giờ. Kết quả chỉ ra rằng, khả năng chịu tải của cột sau cháy có ảnh hưởng đến cốt thép trong cột. Theo đó, khả năng chịu tải các cột sử dụng cốt thép ø25 kém hơn các cột sử dụng ø32.

Vài năm sau, Rodrigues và cộng sự [8] đã thực hiện nghiên cứu để phân tích ứng xử ảnh hưởng của lửa lên cột bê tông cốt sợi. Mẫu thử có tiết diện 250×250×3000 mm được sử dụng để tiến hành nghiên cứu. Tỉ lệ thép dọc và tỉ lệ cốt sợi được thay đổi sao cho tổng tỉ lệ thép và sợi thép trong các mẫu cột là như nhau. Kết quả cho thấy: • Việc có mặt các sợi polypropylene làm tăng khả năng kháng cháy của cột.

Ngoài ra, các sợi polypropylene cũng góp phần làm hạn chế sự xuất hiện các vết nứt. • Việc thay thế các thanh cốt thép bằng các sợi thép không phải là một giải pháp tối ưu. Bởi vì, khi thay thế các thanh thép bằng các sợi thép đến một tỉ lệ nào đó thì khả năng kháng cháy của cột bắt đầu giảm. Hơn nữa, việc có mặt các thanh thép cũng làm cho cột tăng khả năng kháng cháy.

Năm 2011, Nassar [9] đã nghiên cứu cách cải thiện khả năng kháng cháy cho cột BTCT. 123 mẫu cột có kích thước 100×100×300 mm được sử dụng để tiến hành phân tích, trong đó cốt thép chủ 4ø10 dài 250 mm và 3 cốt đai ø6. Các mẫu cột được chia thành 4 nhóm: • Nhóm 1: là hỗn hợp của bê tông với sợi Polypropylenen Fibers (PP) (0kg/m3, 0,5kg/m3 và 0,75 kg/m3). • Nhóm 2: Các mẫu cột với độ dày lớp bê tông bảo vệ là 20 và 30 mm.

• Nhóm 3: Các mẫu được đốt với thời gian khác nhau là 0, 2, 4 và 6 giờ. • Nhóm 4: Các mẫu được đốt với nhiệt độ khác nhau lần lượt là 0, 400, 600 và 800oC. Kết quả sau thí nghiệm cho thấy: Luận văn tốt nghiệp |Lê Huy Chương_2070048 -9- • Sự hiện diện của các sợi polypropylene làm gia tăng nhẹ khả năng chịu lực của các cột BTCT bị cháy. • Việc tăng độ dày của lớp bê tông bảo vệ giúp cải thiện khả năng kháng cháy của cột BTCT.

• Để phân tích sự ảnh hưởng của độ dày lớp bê tông bảo vệ đến khả năng kháng cháy của cột, tác giả đã chia các mẫu thành ba nhóm mẫu với cốt thép có đường kính ø10 và chiều dài 500 mm. Trong nhóm đầu tiên, các mẫu cột BTCT có kích thước 100×100×600 mm với lớp bê tông bảo vệ là 30 mm. Các mẫu của nhóm thứ hai có lớp bê tông bảo vệ là 20 mm, và các mẫu nhóm thứ ba phải chịu tác dụng trực tiếp của lửa mà không có lớp bê tông bảo vệ. Sau đó, ba nhóm mẫu được thí nghiệm cháy ở nhiệt độ cao 800oC trong 6 giờ.

Kết quả cho thấy lớp bê tông bảo vệ có tác động đến cường độ chịu kéo. Trong đó, sự giảm cường độ chịu kéo lần lượt là 32%, 48% và 60% cho cột có lớp bê tông bảo vệ 30, 20 mm và chịu ảnh hưởng trực tiếp của lửa. Năm 2011, Yaqub và Bailey [10] đã tiến hành một nghiên cứu thực nghiệm phân tích ảnh hưởng hình dạng mặt cắt ngang đến cường độ và độ dẻo của cột BTCT sau gia nhiệt được gia cường bằng vật liệu FRP. Tác giả tiến hành thí nghiệm trên 17 mẫu cột BTCT.

Các cột được chia thành ba nhóm gồm nhóm cột không gia nhiệt, nhóm cột gia nhiệt và cột được gia cường sau khi gia nhiệt.