Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng, kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) chiếm tỷ trọng lớn trong các công trình như cầu, nhà cao tầng và công trình công nghiệp. Theo báo cáo ngành, hỏa hoạn là một trong những nguyên nhân chính gây phá hủy kết cấu công trình, dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Ví dụ điển hình như vụ sập tòa nhà Windsor Tower (Anh) sau 26 giờ cháy, hay một tòa nhà tại Brazil bị sụp đổ do hỏa hoạn. Do đó, việc nghiên cứu ứng xử cơ nhiệt của kết cấu dầm BTCT khi chịu tác động của lửa và tải trọng cơ đồng thời là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng và phân tích trường nhiệt độ cùng ứng suất trong dầm BTCT dưới tác động của nhiệt độ tăng dần theo thời gian và tải trọng cơ học, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ANSYS. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình dầm BTCT kích thước thực nghiệm, với kịch bản nhiệt theo tiêu chuẩn ASTM E119 trong khoảng thời gian 0-240 phút, tại phòng thí nghiệm MSU’s Civil. Kết quả nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng chịu tải và mức độ phá hoại của kết cấu trong điều kiện hỏa hoạn, từ đó đề xuất các giải pháp cải tiến vật liệu và thiết kế.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu định lượng về sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong dầm BTCT, giúp dự đoán chính xác quá trình nứt, gãy và giảm độ bền của kết cấu. Điều này hỗ trợ các nhà thiết kế và kỹ sư xây dựng trong việc nâng cao tính an toàn, giảm thiểu rủi ro sụp đổ và tổn thất kinh tế do cháy gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: truyền nhiệt và cơ học kết cấu phi tuyến. Phương trình truyền nhiệt Fourier được sử dụng để mô tả sự phân bố nhiệt độ trong vật liệu bê tông và cốt thép, với các điều kiện biên nhiệt như nhiệt độ hằng, thông lượng nhiệt và đối lưu bề mặt. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để giải bài toán truyền nhiệt đa chiều, sử dụng phần tử SOLID70 cho bê tông và LINK33 cho cốt thép trong bài toán nhiệt.

Về cơ học kết cấu, phần tử SOLID65 được dùng để mô hình hóa bê tông với khả năng mô phỏng nứt, gãy và biến dạng phi tuyến. Phần tử LINK180 mô phỏng cốt thép chịu kéo nén dọc trục với biến dạng dẻo. Tiêu chuẩn phá hoại bê tông của Willam và Warnke được áp dụng để xác định điều kiện nứt và phá hủy vật liệu bê tông dựa trên trạng thái ứng suất chính ba chiều. Mô hình phần tử cốt thép trong bê tông sử dụng mô hình discrete, cho phép xét sự trượt giữa bê tông và thép, phù hợp với phân tích ứng suất cục bộ.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: truyền nhiệt trong vật liệu đa pha, mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến cho kết cấu BTCT, và tiêu chuẩn phá hoại vật liệu bê tông theo Willam-Warnke.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình thực nghiệm dầm BTCT kích thước 3952mm x 254mm x 406mm, với cốt thép chịu kéo đường kính 19mm, cốt thép chịu nén 13mm và cốt đai 6mm, được thử nghiệm trong lò nung theo tiêu chuẩn ASTM E119 tại phòng thí nghiệm MSU’s Civil. Nhiệt độ trong lò tăng từ 20°C đến 1093°C trong 240 phút, theo bảng nhiệt độ tiêu chuẩn.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm ANSYS với phương pháp phân tích cặp đôi lần lượt (sequential coupling), gồm hai bước: phân tích nhiệt để tính trường nhiệt độ trong dầm, sau đó chuyển kết quả sang bài toán kết cấu để tính ứng suất và biến dạng dưới tải trọng cơ và nhiệt. Cỡ mẫu mô phỏng gồm các phần tử SOLID70, LINK33 cho bài toán nhiệt và SOLID65, LINK180 cho bài toán kết cấu. Phương pháp chọn mẫu dựa trên mô hình thực nghiệm và các tiêu chuẩn vật liệu EUROCODE 2 để xác định các thông số nhiệt và cơ học thay đổi theo nhiệt độ.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian mô phỏng 240 phút chịu nhiệt, với các bước tính toán tuần tự theo từng loadstep nhiệt độ và tải trọng cơ học. Phương pháp phân tích số giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế, đồng thời cung cấp dữ liệu chi tiết về sự phát triển của trường nhiệt và ứng suất trong kết cấu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố nhiệt độ trong dầm BTCT: Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ tại mặt tiếp xúc lửa tăng nhanh, đạt khoảng 1093°C sau 240 phút, trong khi mặt đối diện chỉ đạt khoảng 200-300°C. Trường nhiệt độ phân bố không đồng đều theo chiều dày dầm, với gradient nhiệt lớn nhất tại các vùng gần bề mặt chịu lửa.

  2. Ứng suất von-Mises phát triển theo thời gian: Ứng suất von-Mises tại các điểm quan trọng trong dầm tăng dần theo thời gian chịu nhiệt, đạt giá trị cao nhất khoảng 420 MPa tại 1800 giây (30 phút), tương ứng với ứng suất chảy dẻo của cốt thép. Ứng suất này giảm nhẹ sau đó do sự giảm module đàn hồi của vật liệu bê tông và thép khi nhiệt độ tiếp tục tăng.

  3. Hiện tượng nứt và biến dạng: Mô hình cho thấy các vết nứt bắt đầu xuất hiện ở vùng bê tông chịu kéo khi nhiệt độ vượt quá 600°C, lan rộng theo thời gian và gây giảm độ cứng kết cấu. Biến dạng dầm theo phương Y đạt giá trị lớn nhất khoảng -0.5 mm tại 240 phút, phù hợp với kết quả thực nghiệm.

  4. So sánh mô hình số và thực nghiệm: Đồ thị so sánh chuyển vị dầm giữa mô hình số và kết quả thực nghiệm của Kodur cho thấy sai số dưới 10%, chứng tỏ mô hình phần tử hữu hạn và phương pháp phân tích cặp đôi lần lượt có độ tin cậy cao trong dự đoán ứng xử cơ nhiệt của dầm BTCT.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự phân bố nhiệt độ không đồng đều là do tính chất dẫn nhiệt của bê tông và cốt thép thay đổi theo nhiệt độ, trong đó độ dẫn nhiệt của bê tông giảm từ 1.7 W/m.K ở 20°C xuống còn khoảng 0.5 W/m.K ở 1000°C. Điều này làm cho nhiệt độ bên trong dầm tăng chậm hơn so với bề mặt chịu lửa. Ứng suất tăng cao do sự giãn nở nhiệt không đồng đều giữa bê tông và thép, gây ra ứng suất nhiệt lớn và nứt bê tông.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với mô hình của Kodur và Akl, cho thấy phương pháp phần tử hữu hạn và tiêu chuẩn Willam-Warnke là phù hợp để mô phỏng ứng xử cơ nhiệt của kết cấu BTCT. Việc mô phỏng chi tiết giúp hiểu rõ hơn về quá trình phá hoại kết cấu trong hỏa hoạn, từ đó có thể thiết kế các giải pháp chống cháy hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ theo thời gian tại các điểm khác nhau trong dầm, đồ thị ứng suất von-Mises và chuyển vị theo thời gian, cũng như bảng so sánh các thông số vật liệu thay đổi theo nhiệt độ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường vật liệu chịu nhiệt: Đề xuất sử dụng bê tông có phụ gia chịu nhiệt cao và cốt thép hợp kim đặc biệt để nâng cao khả năng chịu nhiệt, giảm thiểu nứt và biến dạng trong điều kiện hỏa hoạn. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các nhà sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. Áp dụng mô hình mô phỏng số trong thiết kế: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và thi công sử dụng phần mềm ANSYS hoặc tương tự để mô phỏng ứng xử cơ nhiệt của kết cấu trước khi thi công, nhằm tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn. Thời gian áp dụng: ngay lập tức, chủ thể: kỹ sư thiết kế và tư vấn.

  3. Nâng cao tiêu chuẩn thử nghiệm chịu lửa: Cập nhật và áp dụng nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 9311-1 (2012) trong kiểm định kết cấu BTCT, đặc biệt với các công trình trọng điểm và có nguy cơ cháy cao. Thời gian thực hiện: 1 năm, chủ thể: cơ quan quản lý xây dựng và kiểm định.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô phỏng cơ nhiệt và an toàn cháy cho kỹ sư xây dựng, nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ mới trong ngành. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Giúp hiểu rõ về ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng cơ học lên kết cấu BTCT, từ đó thiết kế các công trình an toàn hơn trong điều kiện cháy.

  2. Nhà nghiên cứu vật liệu xây dựng: Cung cấp dữ liệu về sự biến đổi tính chất vật liệu bê tông và thép theo nhiệt độ, hỗ trợ phát triển vật liệu chịu nhiệt cao.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và kiểm định: Là cơ sở khoa học để xây dựng và cập nhật các tiêu chuẩn, quy định về an toàn cháy cho công trình xây dựng.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật xây dựng: Là tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích cơ nhiệt kết cấu, nâng cao kiến thức chuyên môn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết trường nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu phức tạp, tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế. Ví dụ, mô hình số đã dự đoán chính xác chuyển vị dầm với sai số dưới 10% so với thực nghiệm.

  2. Tại sao chọn mô hình discrete cho phần tử cốt thép?
    Mô hình discrete cho phép xét sự trượt giữa bê tông và thép, giúp mô phỏng ứng suất cục bộ và nứt gãy chính xác hơn so với mô hình embeded hay smeared, phù hợp với phân tích phá hoại kết cấu.

  3. Tiêu chuẩn Willam-Warnke áp dụng như thế nào trong mô phỏng?
    Tiêu chuẩn này xác định điều kiện nứt và phá hủy bê tông dựa trên trạng thái ứng suất chính ba chiều, giúp mô phỏng chính xác quá trình nứt và gãy của bê tông dưới tải nhiệt và cơ.

  4. Nhiệt độ trong lò thử nghiệm được xác định ra sao?
    Nhiệt độ được điều chỉnh theo tiêu chuẩn ASTM E119, tăng từ 20°C đến khoảng 1093°C trong 240 phút, mô phỏng điều kiện hỏa hoạn thực tế trong phòng thí nghiệm.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
    Kết quả mô phỏng giúp các kỹ sư thiết kế lựa chọn vật liệu và cấu tạo kết cấu phù hợp, đồng thời áp dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá an toàn cháy trước khi thi công, giảm thiểu rủi ro sụp đổ.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn phân tích ứng xử cơ nhiệt của dầm BTCT dưới tác động của lửa và tải trọng cơ học theo tiêu chuẩn ASTM E119.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ không đồng đều và ứng suất tăng cao dẫn đến nứt gãy bê tông, phù hợp với kết quả thực nghiệm.
  • Tiêu chuẩn phá hoại Willam-Warnke và mô hình discrete cho phần tử cốt thép được áp dụng hiệu quả trong mô phỏng phi tuyến.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để cải tiến vật liệu chịu nhiệt và nâng cao an toàn kết cấu trong điều kiện hỏa hoạn.
  • Đề xuất áp dụng mô hình số trong thiết kế và kiểm định kết cấu BTCT nhằm giảm thiểu rủi ro và tổn thất do cháy gây ra.

Tiếp theo, cần mở rộng nghiên cứu với các loại kết cấu khác và vật liệu mới, đồng thời phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp đa vật liệu và điều kiện cháy phức tạp hơn. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kết quả này để nâng cao chất lượng và an toàn công trình xây dựng.