Tài liệu ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ANH NHẬT ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ANH NHẬT ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS. PHẠM VĂN HỘI Đà Nẵng – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Nguyễn Anh Nhật ii LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TS Phạm Văn Hội đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn và đƣa ra nhiều ý kiến quý báu, cũng nhƣ tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ khoa Sau đại học, khoa Xây dựng trƣờng đại học Bách khoa Đà Nẵng cùng các bạn cùng lớp đã giúp đỡ, chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, không thể tránh khỏi hạn chế và thiếu sót. Do vậy, rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn học viên để luận văn có thể hoàn thiện hơn nữa. Em xin chân thành cám ơn! Học viên Nguyễn Anh Nhật iii ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TĂNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Học viên: Nguyễn Anh Nhật Chuyên ngành: Xây dựng DD&CN Mã số: 60580208 Khóa:K32 Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Ở nƣớc ta hiện nay, với quá trình đô thị hóa nhanh và tốc độ xây dựng nhà cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ tại các khu đô thị lớn nhƣ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đòi hỏi một loại kết cấu mới có thể khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của bê tông cốt thép thông thƣờng nhƣ kích thƣớc lớn, nặng nề, giảm không gian sử dụng. Với các ƣu điểm nhƣ giảm đƣợc trọng lƣợng bản thân kết cấu, thời gian thi công nhanh, tính thẩm mỹ cao, kết cấu liên hợp thép-bê tông ngày càng đƣợc dùng phổ biến trong các công trình xây dựng ở Việt Nam. Nghiên cứu đặc điểm làm việc của kết cấu liên hợp thép-bê tông khi chịu ảnh hƣởng của sự tăng nhiệt độ giúp chúng ta hiểu rõ hơn ứng xử của kết cấu dƣới tác động của lửa, đánh giá đƣợc ổn định tổng thể của kết cấu. Luận văn trình bày các đặc tính cơ lý của vật liệu thép và bê tông ở nhiệt độ cao. Nghiên cứu hiện tƣợng mất ổn định tổng thể của dầm liên hợp khi chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ. Trình bày các phƣơng pháp tính toán ổn định tổng thể của dầm liên hợp khi chịu nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn EC4. Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt đƣợc và đƣa ra các hƣớng phát triển tiếp theo. Từ khóa – dầm liên hợp; ổn định tổng thể; ảnh hƣởng của nhiệt độ; tiêu chuẩn EC4; phƣơng pháp tính ổn định tổng thể. THE EFFECT OF TEMPERATURE RISE ON THE OVERALL STABILITY OF COMPOSITE STEEL AND CONCRETE BEAMS Abstract - Nowadays in our country, with rapid urbanization and the speed of building highrise buildings in large urban areas such as Hanoi and Ho Chi Minh City, a new type of structure is required. Overcoming the disadvantages of conventional reinforced concrete such as large size, heavy, reduce the space used. With advantages such as reducing the weight of the structure itself, fast construction time, high aesthetics, steel-concrete composite structure is increasingly popular in construction works in Vietnam. Study on the working characteristics of the steelconcrete composite structure under the influence of temperature increase helps us better understand the behavior of the structure under the effect of fire, evaluate the overall stability of the result structure. The thesis presents the mechanical properties of steel and concrete at high temperatures. Study the overall instability of the composite beams when subjected to temperature. Describe the overall stabilization methods of composite beams when subjected to high temperatures with EC4 standard. The author has summarized the results achieved and set out the direction for further development.. Key words - Composite beams; Fire design; Eurocode 4; Structural Fire Design; overall stability. iv MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii MỤC LỤC .....................................................................................................................iv DANH MỤC KÝ HIỆU................................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................1 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................2 6. Bố cục của luận văn ................................................................................................ 2 CHƢƠNG 1 - ẢNH HƢỞNG CỦA HỎA HOẠN ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ...................................................................................................................3 1.1. THIỆT HẠI CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DO HỎA HOẠN GÂY RA .................................................................................................................................3 1.1.1. Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới ..........3 1.1.2. Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra ở Việt Nam ...........3 1.2. ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA THÉP VÀ BÊ TÔNG ......................................................................................................5 1.2.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của thép ................................ 5 1.2.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của bê tông .........................17 1.3. CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG CHÁY CHO CÔNG TRÌNH .....................20 1.3.1. Các biện pháp báo cháy, chữa cháy cho công trình ........................................20 1.3.2. Các biện pháp tăng khả năng chịu lửa cho kết cấu .........................................22 CHƢƠNG 2 - PHƢƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EUROCODE 4 ..............24 2.1. HIỆN TƢỢNG MẤT ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉPBÊ TÔNG ......................................................................................................................24 2.2. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN CHỊU LỬA CẦN THIẾT ĐỐI VỚI KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG ......................................25 2.2.1. Tải trọng tác dụng ........................................................................................... 25 v 2.2.2. Các nguyên tắc tính toán cơ bản .....................................................................26 2.3. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO ........................................................................................... 28 2.3.1. Phƣơng pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông ở nhiệt độ cao ( trƣờng hợp không bọc bê tông ) ......................................................................28 2.3.2. Sức bền của tiết diện đối với mô men uốn của dầm liên hợp đƣợc bọc bê tông một phần ................................................................................................................30 2.3.3. Kiểm tra đơn giản sự oằn ................................................................................38 CHƢƠNG 3 - VÍ DỤ TÍNH TOÁN DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN CHỊU NHIỆT ĐỘ CAO .............................................43 3.1. VÍ DỤ TÍNH TOÁN .............................................................................................. 43 3.1.1. Kiểm tra bền và ổn định tổng thể của dầm liên hợp không bọc bê tông ở nhiệt độ thƣờng 200C .....................................................................................................44 3.1.2. Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm liên hợp bọc bê tông 1 phần ở nhiệt độ thƣờng 200C ...................................................................................................................48 3.1.3. Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm liên hợp không bọc bê tông ở nhiệt độ cao ............................................................................................................................... 49 3.1.4. Kiểm tra bền và ổn định tổng thể của dầm liên hợp bọc bê tông 1 phần ở nhiệt độ cao ....................................................................................................................53 3.2. SO SÁNH ĐỘ BỀN VÀ ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM LIÊN HỢP KHÔNG BỌC BÊ TÔNG VÀ BỌC BÊ TÔNG MỘT PHẦN Ở CÁC CẤP NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU ........................................................................................................56 KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP ...................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 59 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) vi DANH MỤC KÝ HIỆU EC4 ρ ɛsk Tiêu chuẩn eurocode 4 Khối lƣợng riêng Biến dạng tƣơng đối Ecm Rsn Giá trị trung bình của mô đun đàn hồi tiếp tuyến của bê tông Cƣờng độ chịu kéo tiêu chuẩn Rs,ser Cƣờng độ chịu kéo tính toán theo trạng thái giới hạn thứ 2 Msd Momen uốn của tiết diện fy,fay,20Oc Cƣờng độ của thép kết cấu trong điều kiện nhiệt độ thƣờng fsk,fr,20Oc Cƣờng độ của thép thanh trong điều kiện nhiệt độ thƣờng fck,fc,20Oc Cƣờng độ của bê tông trong điều kiện nhiệt độ thƣờng γc γa γsk, γr Hệ số điều kiện làm việc của bê tông ở điều kiện nhiệt độ thƣờng Hệ số điều kiện làm việc của thép kết cấu ở điều kiện nhiệt độ thƣờng Hệ số điều kiện làm việc của thép thanh ở điều kiện nhiệt độ thƣờng γM,fi,c γM,fi,r γM,fi,a fu Hệ số điều kiện làm việc của bê tông trong điều kiện chịu lửa Hệ số điều kiện làm việc của thép trong điều kiện chịu lửa Hệ số điều kiện làm việc của thép kết cấu trong điều kiện chịu lửa Sức bền kéo đứt của thép làm chốt crit Nhiệt độ tới hạn của kết cấu Mfi,Sd Mfi,Rd Mô men đƣợc gây ra bởi tải trọng trong điều kiện chịu lửa Mô men bền dẻo của kết cấu trong điều kiện chịu lửa Mcr Mb,Rd h hc hc,fi Mô men oằn tới hạn tại gối Mô men bền khi oằn Chiều cao tiết diện dầm thép Chiều dày bản bê tông Chiều dày bản bê tông bị giảm yếu khi chịu lửa hc,h b bfi ef ew hh hl ui Chiều dày hiệu dụng bản bê tông đã bị giảm yếu khi chịu lửa Chiều rộng bản cánh Chiều rộng bản cánh bị giảm yếu khi chịu lửa Chiều dày bản cánh Chiều dày bản bụng Chiều cao bản bụng phía trên Chiều cao bản bụng phía dƣới Khoảng cách từ trọng tâm lớp cốt thép thứ i của dầm thép đến mép bê tông dầm beff Chiều rộng hiệu dụng của bản bê tông vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng bảng 1.1. 1.2. Giá trị các hệ số suy giảm mô đun đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ  Hệ số suy giảm khả năng chịu nén và biến dạng cực hạn của bê tông Trang 9 18 2.1. Hệ số xác định nhiệt độ giới hạn 30 2.2. Giá trị hc,fi tƣơng ứng với các cấp bền chịu lửa 31 2.3. Giá trị bfi tƣơng ứng với các cấp bền chịu lửa 32 2.4. Giá trị a1, a2, hl,min tƣơng ứng với các cấp bền chịu lửa 32 2.5. Giá trị hl tƣơng ứng với các cấp bền chịu lửa 33 2.6. Giá trị ka,min , ka,max tƣơng ứng với các cấp bền chịu lửa 33 2.7. Các giá trị a3, a4, a4, a5, kr,min, kr,max 34 2.8. Giá trị ks tƣơng ứng với các cấp bền chịu lửa 35 2.9. Giá trị bc,fi, bc,fi,min , hfi , hfi,min tƣơng ứng với các cấp bền chịu lửa 35 2.10. Giá trị của hệ số C4 41 2.11. Chiều cao lớn nhất của dầm thép để tranh bị oằn tại vung momen âm 42 3.1. Kết quả tính toán ứng với các cấp chịu lửa trƣờng hợp dầm liên hợp không bọc bê tông 52 3.2. Kết quả tính toán ứng với các cấp chịu lửa trƣờng hợp dầm liên hợp bọc bê tông một phần 55 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Hỏa hoạn chung cƣ Grenfell, London 3 1.2. Hỏa hoạn tại Trung tâm Thƣơng mại Quốc tế (ITC) 4 1.3. Hỏa hoạn tại công trƣờng xây dựng tổ hợp Keangnam 5 1.4. Mô hình tính toán cho các mối quan hệ ứng suất – biến dạng của kết cấu thép ở nhiệt độ cao 6 1.5. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép trong điều kiện chịu nhiệt độ cao theo EC 7 1.6. Thí nghiệm đốt nóng thép 8 1.7. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng của mẫu thí nghiệm ở các nhiệt độ tƣơng ứng là 5000C, 6000C, 7000C 9 1.8. Sự biến thiên các thông số đặc trƣng cho sự làm việc của vật liệu thép theo nhiệt độ 10 1.9. Sự biến thiên hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ 11 1.10. Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ 12 1.11. Sự biến thiên nhiệt dung riêng của vật liệu thép theo nhiệt độ 13 1.12. Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ 13 1.13. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bê tông trong điều kiện chịu nhiệt độ cao 18 1.14. Sự kéo dài nhiệt của bê tông khối lƣợng bình thƣờng(NC) và bê tông nhẹ (LC) 19 1.15. Độ dẫn nhiệt của bê tông khối lƣợng bình thƣờng (NC) và bê tông nhẹ (LC) 20 1.16. Nhiệt đặc trƣng của bê tông khối lƣợng bình thƣờng (NC) và bê tông nhẹ (LC) 20 1.17. Sơn chống cháy 22 1.18. Phun bọt chống cháy 23 1.19. Bọc bằng tấm chống cháy chuyên dụng 23 2.1. Trƣờng hợp đặt hoạt tải ở một bên nhịp 24 2.2. Hiện tƣợng oằn của dầm liên hợp liên tục 25 2.3. Sơ đồ tính kết cấu liên hợp khi chịu nhiệt độ cao 27 ix Số hiệu Tên hình hình Trang 2.4. Sơ đồ xác định momen bền dẻo âm 28 2.5. Kích thƣớc tôn sàn 29 2.6. Tiết diện và cƣờng độ tính toán chịu momen dƣơng trong điều kiện chịu lửa của dầm liên hợp bọc bê tông một phần 31 2.7. Tiết diện và cƣờng độ tính toán chịu mo men âm trong điều kiện chịu lửa của dầm liên hợp bọc bê tông một phần 34 2.8. Sơ đồ khối tính toán dầm liên hợp 37 2.9. Khung U võng ABCD ngăn cản độ oằn do xoắn ngang 38 2.10. Mô hình khung chữ U ngƣợc 40 3.1. Sơ đồ sàn 43 3.2. Sơ đồ kết cấu và tải trọng tác dụng 43 3.3. Biểu đồ momen uốn 44 3.4. Tiết diện dầm liên hợp không bọc bê tông 44 3.5. Chiều rộng tham gia làm việc của bản sàn 45 3.6. Nhịp tƣơng đƣơng để xác định chiều rộng tham gia làm việc của tấm sàn 45 3.7. Tiết diện dầm liên hợp bọc bê tông 1 phần 48 3.8. Biểu đồ biểu thị hệ số suy giảm cƣờng độ và mô đun đàn hồi của thép và bê tông ở các nhiệt độ khác nhau 52 3.9. Đồ thị độ mảnh quy đổi tƣơng ứng với các cấp chịu lửa 53 3.10. Kích thƣớc hữu hiệu của dầm bọc bê tông chịu nhiệt độ 54 3.11. Đồ thị độ mảnh quy đổi tƣơng ứng với các cấp chịu lửa 56 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ở các nƣớc có ngành xây dựng phát triển mạnh và trình độ khoa học tiên tiến nhƣ Mỹ, Đức, Nhật, Hàn, Trung Quốc… kết cấu liên hợp thép-bê tông (Steel ReinforcedConcrete- SRC) đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các công trình lớn. Ở nƣớc ta hiện nay, với quá trình đô thị hóa nhanh và tốc độ xây dựng nhà cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ tại các khu đô thị lớn nhƣ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đòi hỏi một loại kết cấu mới có thể khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của bê tông cốt thép thông thƣờng nhƣ kích thƣớc lớn, nặng nề, giảm không gian sử dụng. Với các ƣu điểm nhƣ giảm đƣợc trọng lƣợng bản thân kết cấu, thời gian thi công nhanh, tính thẩm mỹ cao, kết cấu liên hợp thép-bê tông ngày càng đƣợc dùng phổ biến trong các công trình xây dựng ở Việt Nam. Tuy nhiên, với công tác phòng cháy chữa cháy ở các công trình nƣớc ta còn xem nhẹ và thiếu sự quan tâm, thiếu kiến thức từ ngƣời sử dụng thì hỏa hoạn luôn là vấn đề lớn đến kết cấu công trình. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên kết cấu liên hợp thép-bê tông có thể xảy ra ở các mức độ khác nhau. Ở mức độ nhẹ thì có thể ám khói gây mất thẩm mỹ, mức độ lớn hơn có thể gây ra hƣ hỏng cục bộ vật liệu bề mặt, còn nặng thì sụp đổ toàn bộ kết cấu. Nghiên cứu đặc điểm làm việc của kết cấu liên hợp thép-bê tông khi chịu ảnh hƣởng của sự tăng nhiệt độ giúp chúng ta hiểu rõ hơn ứng xử của kết cấu dƣới tác động của lửa, đánh giá đƣợc ổn định tổng thể của kết cấu . Qua đó có thể đƣa ra các giải pháp kết cấu giúp công trình có thể chịu đƣợc sự tăng nhiệt độ, đảm bảo ổn định về kết cấu và tính thẩm mỹ. Chính vì thế, đề tài “Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép-bê tông” là đề tài cần nghiên cứu để có thể giúp kết cấu liên hợp thép-bê tông có thể áp dụng rộng rãi và phổ biến ở các công trình xây dựng nƣớc ta. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ đến tính chất cơ lý của thép và bê tông. - Phƣơng pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu EC4. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Dầm liên hợp thép bê tông. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hƣởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép-bê tông. 2 4. Nội dung nghiên cứu - Ảnh hƣởng của hỏa hoạn đến các công trình xây dựng. - Các biện pháp phòng chống cháy. - Phƣơng pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu EC4. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về kết cấu liên hợp thép-bê tông trên các tài liệu liên quan về xây dựng. Tìm hiểu tiêu chuẩn Châu Âu EC4. - Phƣơng pháp xử lý thông tin: Phân tích, tổng hợp, đánh giá. 6. Bố cục của luận văn Luận văn gồm phần: Mở đầu, 03 Chƣơng và phần Kết luận, kiến nghị 3 CHƢƠNG 1 - ẢNH HƢỞNG CỦA HỎA HOẠN ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.1. THIỆT HẠI CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DO HỎA HOẠN GÂY RA 1.1.1. Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới Lịch sử nhân loại đã phải chịu không biết bao đau thƣơng thiệt hại do cháy nổ gây ra. Gần đây nhất là vụ hỏa hoạn chung cƣ Grenfell 27 tầng, quận White City, London. Đây là tòa nhà dân cƣ đƣợc xây dựng vào thập niên 1970. Lửa lớn đã bùng cháy dữ dội suốt nhiều giờ và gần nhƣ thiêu rụi toàn bộ công trình. Vụ hỏa hoạn khiến ít nhất 17 ngƣời thiệt mạng, 74 ngƣời bị thƣơng. Các nguyên nhân đƣợc các chuyên gia đƣa ra : + Vật liệu phủ nguy hiểm: Trong trƣờng hợp tòa tháp Grenfell, một khoảng hở giữa các bức vách đã đóng vai trò thông gió thổi bùng ngọn lửa, giúp nó lan lên các tầng cao hơn. + Không có hệ thống chữa cháy: Nếu tòa nhà Grenfell đƣợc lắp hệ thống phun nƣớc chữa cháy, nhiều sinh mạng có thể đã đƣợc cứu. + Chỉ có một cầu thang duy nhất: Điều này làm cho lối thoát hiểm ngặt cứng ngƣời gây tình trạng ngạt và gây khó khăn khi thoát ra khỏi đám cháy. n 1.1. Hỏa hoạn c ung cư Grenfell, London (Nguồn vnexpress) 1.1.2. Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra ở Việt Nam Gần đây, hàng loạt chung cƣ cao tầng đƣợc xây dựng trên cả nƣớc. Nhƣng, trong số đó có không ít công trình đã đƣợc bàn giao, sử dụng dù chƣa đƣợc thẩm duyệt, nghiệm thu về an toàn phòng cháy, chữa cháy. Vi phạm này tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn cháy nổ. Thời gian qua, việc hỏa hoạn thƣờng xảy ra ở các chung cƣ cao tầng đã 4 gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Những vụ cháy lớn ở các công trình cao tầng gây ra thiệt hại nghiêm trọng nhƣ : + Hỏa hoạn tại Trung tâm Thƣơng mại Quốc tế (ITC) cao 6 tầng ở TP HCM cuối tháng 10/2002. Nguyên nhân vụ cháy tòa nhà là do sự bất cẩn của thợ hàn khi sửa lại vũ trƣờng Blue đặt tại đây. Lửa lớn đã bùng cháy nhiều giờ và phá hủy toàn bộ kết cấu công trình. n 1.2. Hỏa hoạn tại Trung tâm T ương mại Quốc tế (ITC) (Nguồn vnexpress) + Chiều 27/8/2011, tầng 7 công trƣờng xây dựng tổ hợp Keangnam (đƣờng Phạm Hùng, Hà Nội) - tòa nhà cao nhất Việt Nam bỗng bốc khói đen nghi ngút khiến hàng trăm công nhân hoảng hốt, giao thông xung quanh cao ốc tắc nghẽn. Do bất cẩn khi hàn, cắt lắp đặt hệ thống máy tản nhiệt, máy làm mát cho tòa nhà 72 tầng đặt trên nóc nhà đỗ xe, làm lửa lớn bùng cháy mạnh và gây thiệt hại nghiêm trọng. 5 n 1.3. Hỏa hoạn tại công trường xây dựng tổ hợp Keangnam (Nguồn vnexpress) 1.2. ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA THÉP VÀ BÊ TÔNG 1.2.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của thép 1.2.1.1. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu thép ở nhiệt độ cao Tất cả các vật liệu xây dựng đều đƣợc giảm cƣờng độ và độ cứng một cách đáng kể khi chúng chịu nhiệt độ cao. Đối với thép, cƣờng độ bắt đầu giảm ở nhiệt độ trên 3000C và giảm theo một tốc độ ổn định đến khoảng 8000C. Thực tế, thép chỉ còn khoảng 23% cƣờng độ ban đầu ở 7000C, 11% ở 8000C và 6% ở 9000C. Phần cƣờng độ còn lại sẽ tiếp tục giảm dần đến khi xuất hiện hiện tƣợng chảy lỏng ở 15000C. Toàn bộ quá trình này đƣợc thể hiện ở đƣờng cong ứng suất – biến dạng. Để xây dựng các đƣờng cong thể hiện mối quan hệ ứng suất - biến dạng của thép ở một nhiệt độ nhất định, ngƣời ta xuất phát từ phƣơng trình thể hiện trạng thái làm việc đàn hồi tuyến tính của thép, từ đó dựa trên một loạt các thí nghiệm điều chỉnh theo dạng tiếp tuyến với phần ellipse mà tại cuối của nó, hệ số góc của nó bằng 0. Dạng đƣờng cong và các thông số điển hình đặc trƣng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở một nhiệt độ cao hơn cho trƣớc. Trong các thí nghiệm đƣợc tiến hành, ngƣời ta sử dụng hai phƣơng thức tác động nhiệt lên mẫu thí nghiệm. Phƣơng thức thứ nhất là phƣơng thức tác động nhiệt ở trạng thái ổn định hoặc đẳng nhiệt (đây là phƣơng thức truyền thống đƣợc dùng ở các lĩnh vực khoa học cơ khí), tức là đốt nóng mẫu thí nghiệm đến một nhiệt độ không đổi rồi 6 mới tiến hành kéo mẫu. Kết quả cho thấy tốc độ biến dạng tƣơng đối nhanh và biến dạng đạt giá trị lớn. Phƣơng thức thứ hai là tác động lên mẫu một cách tạm thời hoặc không đẳng nhiệt theo xu hƣớng tăng dần, trong khi mẫu thí nghiệm vẫn chịu một tải trọng không đổi. Mô hình này đƣợc xem là mô tả gần đúng hơn với trạng thái làm việc thực của kết cấu trong điều kiện có đám cháy. Ngƣời ta cũng có thể loại bỏ ảnh hƣởng của biến dạng không phải do nhiệt độ khi sử dụng những mẫu thí nghiệm không chịu tải trọng mà chỉ chịu điều kiện nhiệt độ giống nhƣ trên. Kết quả của các thí nghiệm không đẳng nhiệt cho giá trị ứng suất thấp hơn so với các thí nghiệm đẳng nhiệt nhƣng lại thực tế hơn. Vì vậy đƣờng cong ứng suất – biến dạng ở một nhiệt độ nhất định đƣợc xác định bằng cách nội suy từ một họ các đƣờng cong xây dựng từ kết quả thí nghiệm không đẳng nhiệt. n 1.4. Mô hình tính toán cho các mối quan hệ ứng suất – biến dạng của kết cấu thép ở nhiệt độ cao Trong đó: fay,: giới hạn chảy hiệu quả fap,: giới hạn tỷ lệ Ea,: độ dốc của đồ thị trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính ɛap,: biến dạng ứng với giới hạn tỷ lệ ɛay,: biến dạng chảy ɛau,: biến dạng giới hạn trong giai đoạn chảy ɛae,: biến dạng cực hạn trong vật liệu Ngoài ra, sự thay đổi ứng suất – biến dạng của thép trong điều kiện chịu nhiệt độ cao còn phụ thuộc vào tốc độ cháy ( là sự tăng nhiệt độ trong một thời gian nhất định ), 7 bởi ở nhiệt độ trên 4500C, trong thép bắt đầu xuất hiện hiện tƣờng từ biến. Đây là một hiện tƣợng rất phức tạp và rất khó để xem xét đến nó trong các phƣơng pháp thiết kế độc lập với thời gian. Chính vì lý do này mà các nghiên cứu ( đặc biệt là ở Anh ) đã tập trung vào ảnh hƣởng của tốc độ cháy đến trạng thái làm việc của kết cấu. Khi thí nghiệm mẫu với nhiều tốc độ cháy khác nhau, ta nhận thấy nếu tốc độ cháy trong thí nghiệm không đẳng nhiệt càng lớn thì biến dạng trong vật liệu thép ứng với một nhiệt độ và ứng suất cho trƣớc càng thấp. Điều đó có nghĩa là nếu tốc độ cháy nhanh hơn, ứng với một biến dạng trong vật liệu thép ứng với một nhiệt độ và ứng suất cho trƣớc càng thấp. Eurocode thừa nhận rằng sự tăng nhiệt độ trên một tiết diện là phân bố tuyến tính và tốc độ cháy là 50C/phút ( đối với các tiết diện đƣợc cách nhiệt tốt ) và 200C/phút ( đối với các tiết diện cách nhiệt kém ), tức là tiết diện đạt tới nhiệt độ 6000C trong thời gian 30- 120 phút, từ đó mô tả đƣờng cong ứng suất – biến dạng. Nhiệt độ 6000C là nhiệt độ dẻo và ứng suất tƣơng ứng với biến dạng 2% đƣợc xem là ứng suất lớn nhất xác định độ bền chịu lửa cho vật liệu thép. σ a, θ f ay θa < 100°C 1 ,0 200 °C 300 °C 0 ,8 400 °C 500 °C 0 ,6 600 °C 0 ,4 II ε ay, θ = 2% 700 °C 0 ,2 800 °C 900 °C 0 0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 ε a, θ [% ] 2 ,0 n 1.5. Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu t ép trong điều kiện chịu nhiệt độ cao theo EC Theo biểu đồ này, ở nhiệt độ cao hơn 300oC thép không có thềm chảy xác định và có sự tăng dần của ứng suất so với biến dạng. Khi đó để thay thế cho mô đun đàn hồi tiếp tuyến ở trạng thái ứng suất thấp, ngƣời ta dùng mô đun dẻo. Ở trạng thái ứng suất cao hơn, mô đun dẻo đƣợc xác định đơn giản bằng cách lấy ứng suất chia cho biến dạng khi xét với một tốc độ cháy ổn định. Vì vậy, mô đun dẻo là một đặc tính 8 kém chính xác, không đặc trƣng cho sự biến dạng của các cấu kiện cụ thể trong quá trình làm việc chịu lửa. Có thể tham khảo kết quả một thí nghiệm kéo mẫu S355 trong điều kiện chịu tác động của nhiệt độ tăng dần từ 20-7000C, với tốc độ cháy 100/ phút ( tăng đến 6000C trong vòng 60 phút ), đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm kết cấu thép thuộc trƣờng đại học Helsinki, Phần Lan. Lò để đặt mẫu thép trong quá trình thí nghiệm đƣợc đốt nóng bằng cách sử dụng 3 điện trở đƣợc điều khiển riêng biệt và nhiệt độ không khí trong lò đƣợc đo với 3 nhiệt kế khác nhau. Để đo nhiệt độ của mẫu thí nghiệm, ngƣời ta sử dụng 1 chiếc nhiệt kế đƣợc gắn chặt với mẫu trong suốt quá trình đốt nóng. Để đo biến dạng của mẫu, ngƣời ta dùng một tenzomet có chuẩn đo chiều dài 25mm. Kích 5 10 thƣớc mẫu và các thiết bị thí nghiệm đƣợc trình bày trên hình 15 40 15 70 n 1.6. Thí nghiệm đốt nóng thép Các đƣờng cong ứng suất – biến dạng tƣơng ứng với các nhiệt độ 5000C, 6000C, 7000C, 8000C đƣợc thể hiện trên hình ( có so sánh với các đƣờng cong chuẩn trong EC) Mục đích của việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu thép khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao là xác định cƣờng độ thiết kế cho vật liệu hay xác định độ giảm cƣờng độ so với cƣờng độ vật liệu ở điều kiện làm việc bình thƣờng. Dựa vào các kết quả nghiên cứu thu đƣợc, Ec đã đƣa ra giá trị các hệ số suy giảm mô đun đàn hồi kk,o của vật liệu thép ở một nhiệt độ nhất định 9 n 1.7. Đường cong ứng suất – biến dạng của mẫu thí nghiệm ở các nhiệt độ tương ứng là 5000C, 6000C, 7000C Đƣờng nét liền : EC thí nghiệm Đƣờng nét đứt : trƣờng đại học Helsiki, Phần Lan thí nghiệm ng 1.1. Giá trị các hệ số suy gi m mô đun đàn ồi, giới hạn ch y và giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ  Nhiệt độ  (0C) k E ,  Ea , Ea kp,  f ap , f ay k y,  f ay , f ay ku,  f au , f ay 20 1,00 1,00 1,00 1,25 100 1,00 1,00 1,00 1,25 200 0,90 0,807 1,00 1,25 300 0,80 0,613 1,00 1,25 400 0,70 0,42 1,00 500 0,60 0,36 0,78 600 0,31 0,18 0,47 700 0,13 0,075 0,23 800 0,09 0,05 0,11 900 0,0675 0,0375 0,06 1000 0,045 0,025 0,04 1100 0,0225 0,02 0,02 1200 0,00 0,00 0,00