MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu đề tài Hỏa hoạn vẫn luôn là một trong những tại nạn có rủi ro nghiêm trọng đối với hầu hết các tòa nhà và công trình.Các báo cáo đều cho thấy khả năng cấu trúc bị phá hủy và các tòa nhà bị sập trong các đám cháy là điều tất yếu và được ghi nhận hàng năm. Những tai nạn này đã khiến cho rất nhiều người chết, bị thương, và thiệt hại to lớn về tài sản. Gần đây, những nỗ lực nghiên cứu để dự đoán chính xác ảnh hưởng của lửa đối với sự an toàn của cấu trúc đã tăng lên, đi kèm với sự đầu tư tài chính nghiêm túc của nhà đầu tư cho các tòa nhà và cơ sở hạ tầng.
1 Một tòa nhà ở Brazil bị sụp đổ do hỏa hoạn Dầm bê tông cốt thép (BTCT) được sử dụng và chiếm tỷ trọng phần lớn trong các kết cấu, dẫn đến việc tìm hiểu rõ về ứng xử của BTCT dưới điều kiện của lửa cần phải được quan tâm đến để hạn chế tối thiểu rủi ro có thể xảy ra. Bài luận văn này sẽ giải quyết bài toán mô phỏng dầm bê tông cốt thép dưới tải trọng cơ và nhiệt tăng dần theo thời gian. Đối tượng nghiên cứu Trước và sau mỗi trận hỏa hoạn, các dầm BTCT của tòa nhà, công trình cơ sở hạ tầng phải đạt yêu cầu về khả năng chịu được nhiệt độ cao của lửa, và có thể tái trùng tu, sửa chữa để tiếp tục sử dụng các tòa nhà ấy. Khi chịu tác dụng bởi nhiệt độ cao, bên trong dầm BTCT sẽ xuất hiện ứng suất và gây nên tình trạng nứt, gãy dẫn tới giảm độ bền và tính an toàn của cấu trúc.
Do đó nghiên cứu về các dầm BTCT sau các trận hỏa hoạn để xác định xem có cần thay đổi, gia cố hay sửa chữa hay không. Tòa nhà Windsor Tower ở Anh sau 26h bị cháy năm 2005 1. Phạm vi nghiên cứu Xét bài toán trường cặp đôi nhiệt kết cấu Xét tính chất phi tuyến của vật liệu Sử dụng iêu chuẩn phá hoại bê tông của Willam và Warnke 1. Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng chức năng, tính toán trong phần mềm thương mại ANSYS để mô phỏng ứng xử cơ nhiệt của dầm BTCT làm việc trong điều kiện hỏa hoạn xảy ra.
Từ đó có thể đưa ra kết luận mô hình tính toán đảm bảo điều kiện bền và an toàn cho kết cấu dầm BTCT khi bị tác động của nguồn nhiệt lớn. Tính cấp thiết của đề tài: Kết cấu cột BTCT là loại kết cấu được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng hiện nay. Các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu cột BTCT dưới tải trọng của nhiệt và cơ bằng nhiều phương pháp như nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng. Luan van 3 Hiện nay phương pháp mô phỏng số (numerical simulation method) dựa trên cơ sơ phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) nhằm nghiên cứu sự làm việc của kết cấu BTCT là một phương pháp nghiên cứu hiệu quả, hợp lý.Bên cạnh các chương trình mô phỏng được các nhà nghiên cứu tự xây dựng thì hiện nay, các chương trình phân tích kết cấu như ANSYS, ABAQUS, DIANA, MIDAS.
đáp ứng được các yêu cầu cho việc nghiên cứu sự làm việc ở các giai đoạn đàn hồi, sau đàn hồi, và phá hoại. Ở nước ta hiện nay, chương trình ANSYS đã được ứng dụng trong công tác mô phỏng sự làm việc của kết cấu công trình xây dựng. Một số tài liệu, sách hướng dẫn ở mức độ cơ bản việc sử dụng phần mềm ANSYS đã được xuất bản tuy nhiên việc áp dụng phần mềm này trong việc mô phỏng kết cấu BTCT dưới tác dụng của nhiệt độ còn rất hạn chế, người sử dụng còn gặp nhiều khó khăn. Điều này xuất phát từ những vấn đề chính như: nhiệt độ của đám cháy thay đổi theo thời gian và không tập trung, chịu ảnh hưởng của nhiều tham số khác nhau, các tài liệu liên quan đến mô phỏng kết cấu nhiệt đối với dầm BTCT trong ANSYS còn rất hạn chế.
Từ những thực tế trên, việc nghiên cứu, áp dụng phần mềm ANSYS trong việc mô phỏng ứng xử của dầm BTCT dưới tải trọng cơ và nhiệt là rất cần thiết, là cơ sở cho các nghiên cứu sau này để tạo ra các loại BTCT chịu được nhiệt độ siêu cao, không bị sụp đổ trong hỏa hoạn, cũng như những nghiên cứu khác cần sử dụng ANSYS trong mô phỏng. Một số đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Các vấn đề liên quan đến ứng xử cơ nhiệt trong các kết cấu xây dựng được công bố trên các tạp chí quốc tế với các nghiên cứu điển hình như: Hamzeh Hajiloo và cộng sự đã mô phỏng ứng xử cột bê tông khi chịu tác động của lửa bằng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua Abaqus và công bố trên tạp chí Engineering Structures vào năm 2019. Ngoài ra còn có một số nghiên cứu khác liên quan như sau: các tác giả S.
Chalke với bài báo “advanced transient thermal and structural analysis of disc brake by ansys work bench” đã nghiên cứu bài toán truyền nhiệt cưỡng bức trong kết cấu. Abdel-Mooty Luan van 4 &A. Akl trong bài báo “nonlinear numerical simulation of coupled thermal-structural response of rc beams during fire test” đã nghiên cứu mô phỏng số cho bài toán cặp đôi nhiệt kết cấu cho dầm. Kodur, Ankit Agrawal trong bài báo “an approach for evaluating residual capacity of reinforced concrete beams exposed to fire” đã đánh giá khả năng chịu lửa của dầm bê tông dưới tác động của lửa.
Tình hình nghiên cứu trong nước Những vấn đề liên quan đến việc nghiên cứu ứng xử kết cấu bê tông cốt thép khi chịu sự tác động của lửa cũng được thực hiện ở Việt Nam như: Nguyễn Thái Dương đã phân tích nguyên nhân nứt trong kết cấu bê tông cốt thép do yếu tố vật liệu, thi công và nhiệt độ qua luận văn thạc sĩ kỹ thuật vào năm 2015. Hồ Ngọc Khoa phân tích trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trong bê tông khối lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn và đăng trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng vào năm 2012. Hoàng Anh Giang đã nghiên cứu dầm bê tông cốt thép chịu tác động của lửa - lựa chọn phần tử cho mô hình nhiệt học trong Ansys và đăn trên Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4 vào năm 2017. Trương Quang Vinh (2018) phân tích kết cấu liên hợp thép - bê tông trong điều kiện cháy có xét đến quá trình tăng nhiệt và giảm nhiệt trong luận án tiến sĩ kỹ thuật tại trường đh kiến trúc hà nội.Lợi ích của đề tài 1.
Lợi ích khoa học Việc áp dụng các phương pháp tính số giải các bài toán kỹ thuật thông qua các chương trình tính toán hiện đại là xu hướng chung của thế giới. Các kết quả tính toán mô phỏng giúp ta tiết kiệm được chi phí và thời gian làm thí nghiệm. Bên cạnh đó, dựa vào các kết quả tính toán được ta có thể đề ra các giải pháp an toàn hơn kết cấu. Lợi ích thực tiễn Các kết quả của luận văn góp phần làm rõ hơn đáp ứng cơ nhiệt của kết cấu dầm BTCT làm việc trong điều kiện hỏa hoạn xảy ra.
Từ đó góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu khả năng làm việc của vật liệu bê tông và thép ở nhiệt độ cao trong thực tiễn. Luan van 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu về truyền nhiệt Khi tồn tại một gradient nhiệt độ bên trong một vật rắn, nhiệt lượng sẽ truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Phương trình truyền nhiệt cơ bản có được bằng cách xét một tấm phẳng có diện tích A, độ dày Δ x (hình 2.
Mặt bên trái có nhiệt độ là T1 , và mặt còn lại có nhiệt độ là T2. Quan sát bằng thực nghiệm chỉ ra rằng nhiệt lượng tỉ lệ thuận với diện tích và chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt, nhưng tỉ lệ nghịch với độ dày tấm. Hệ số tỉ lệ là hằng số k: T −T Q = kA 1 2 (2.1) Δx trong đó, k là đại lượng đặc trưng cho độ dẫn nhiệt của tấm, phụ thuộc vào tính chất vật liệu. Phương trình 2.1 còn được gọi là phương trình Fourier.
Mô hình tác động của nhiệt Phương trình Fourier cũng được thể hiện dưới dạng vi phân theo hướng trong hệ trục tọa độ: Luan van 6 dT Q = −kA (2.2) dn Phương trình Fourier đối với bài toán thông lượng nhiệt đa hướng: ⎛ ∂T ∂T ∂T ⎞ Q '' = − k ⎜ i+ j+ k⎟ (2.3) ⎝ ∂x ∂y ∂z ⎠ Sử dụng phương trình cân bằng đối với vi phân thể tích, dx dy dz, trong hệ tọa độ Cartesian để xác định sự phân bố nhiệt độ của vật rắn (hình 2. Từ đó, ta có thể xác định dòng nhiệt tại mặt mong muốn, hoặc tìm ứng suất nhiệt. 2 Phân tố nhiệt Thông lượng nhiệt vuông góc với mặt phẳng của một vi phân thể tích kiểm soát được biểu thị bằng các số hạng: Q '' x , Q '' y , Q '' z .Thông lượng nhiệt của mặt đối diện có thể xác định bằng cách sử dụng chuỗi Taylor mở rộng bậc 1: ∂Qx'' Qx'' +dx = Qx'' + dx (2.4) ∂x Luan van 7 ∂Qy'' Q '' y + dy =Q + '' y dy (2.5) ∂y ∂Qz'' Q '' z + dz =Q + '' zdz (2.6) ∂z Khi năng lượng được sinh ra, biểu thức nhiệt lượng sinh ra được thể hiện bởi:. 3 trong đó, q là nhiệt lượng trên đơn vị thể tích, W/ m.
Nếu quá trình tạo nhiệt không ổn định, tổng năng lượng của thể tích kiểm soát có thể tăng hoặc giảm. Phương trình năng lượng tích lũy: .8) ∂t Tổng của năng lượng sinh ra trong thể tích và lượng trao đổi nhiệt phải bằng năng lượng tích lũy có trong thể tích kiếm soát. Phương trình bảo toàn năng lượng có thể thể hiện dưới dạng sau: .9) Thế các phương trình từ 2.8 vào phương trình 2.9, ta được phương trình bảo toàn năng lượng:. ⎛ ∂Qx'' ∂Q y'' Q '' ⎞ ∂T q dxdydz + ⎜⎜ dydz + dxdz + z dxdy ⎟⎟ = ρ C p dxdydz (2.10) ⎝ ∂ x ∂y ∂z ⎠ ∂ t Số hạng Q '' x , Q '' y , Q '' z viết dưới dạng Fourier: dT Qx'' = −k dx (2.11) dx dT Qy'' = −k dy (2.12) dy Luan van 8 dT Qz'' = −k dz (2.13) dz Kết luận, ta được phương trình truyền nhiệt trên đơn vị thể tích trong hệ tọa độ Cartesian: ∂ ⎛ ∂T ⎞ ∂ ⎛ ∂T ⎞ ∂ ⎛ ∂T ⎞ .