ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ
Học viên: Lê Văn Lanh
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 85.80.201
Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được sử dụng khá phổ biến trong công
trình xây dựng. Khi cháy xảy ra, do bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ tăng cao, vật liệu bê tông
và thép sẽ bị giãn nở cùng với ngoại lực do tải trọng tác dụng làm kết cấu bị phân phối
lại nội lực. Ứng xử kết cấu trở nên phức tạp; trong trường hợp này cần phải có phần
mềm hỗ trợ để phân tích ứng xử một cách chi tiết. Do đó, phần mềm ABAQUS được sử
dụng để mô phỏng kết cấu cột CFST khi chịu tác dụng tải trọng và nhiệt độ. Luận văn
này dựa vào đường chuẩn ASTM E119-88 để xây dựng được đường quan hệ nhiệt độ
xung quanh bề mặt kết cấu và thời gian cháy, sau đó tính toán sự truyền nhiệt từ bề mặt
kết cấu đến các điểm bên trong kết cấu. Từ đó phân tích ứng xử cơ học của kết cấu trong
điều kiện nhiệt độ tăng cao theo thời gian. Nghiên cứu cũng phân tích so sánh sự làm
việc giữa cột CFST so với cột ống thép rỗng có cùng khả năng chịu lực khi chịu tải trọng
và nhiệt độ, từ đó làm nổi bật khả năng chịu lửa của cột CFST.
Từ khóa: cột ống thép nhồi bê tông, lõi bê tông, ống thép, truyền nhiệt, lửa
BEHAVIOR OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS UNDER
COMBINED TEMPERATURE AND LOADING
Abstract – Concrete Filled Steel Tube (CFST) columns are quite popular in
construction. During a fire, due to the increasing temperature, the expanding of concrete
and steel materials along with external forces caused by loading makes the structure
redistribute internal forces. The behavior of the structure becomes complicated; in this
case, it is necessary to have a supported software to analyze the structural response in
details. In this study, ABAQUS software is used to simulate CFST column structure
under load and temperature. This thesis relies on the ASTM E119-88 curve to build the
temperature profile in the steel tube and concrete core with respect tothe burning time,
then calculate the heat transfer from the structure surface to the inside area of the
structure. Analyzing the mechanical behavior of the structure under increasing
temperature over time was carried out. The study also investigated and compared the
behavior of CFST columns with circular hollow steel columns under temperature and
loading, thereby highlighting the fire-resisting capacity of CFST columns.
Keywords: concrete filled steel tube columns, concrete core, steel tube, heat transfer,
fire
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................................
TÓM TẮT..........................................................................................................................
MỤC LỤC .........................................................................................................................
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................. 3
5. Bố cục của luận văn .................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI
TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ TĂNG ..................................................................................... 4
Tổng quan về cột CFST ............................................................................................. 4
1.1.1 Cấu tạo cột CFST ........................................................................................... 4
1.1.2 Đặc điểm cột CFST khi chịu lực nén đúng tâm............................................. 4
1.1.3 Đặc điểm cột CFST khi chịu đồng thời tải trọng và nhiệt độ ........................ 4
Tính chất cơ lý của vật liệu khi chịu nhiệt độ ........................................................... 5
1.2.1 Tính chất cơ lý của bê tông khi chịu nhiệt độ tăng cao ................................. 5
1.2.2 Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt độ tăng cao ...................................... 9
Tình hình nghiên cứu............................................................................................... 12
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................ 12
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................ 13
Kết luận chương 1 ................................................................................................... 14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỘT CFST KHI CHỊU
TÁC DỤNG TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ ................................................................. 15
2.1. Ứng xử cháy của cột CFST ..................................................................................... 15
2.1.1. Sự truyền nhiệt trong kết cấu ...................................................................... 15
2.1.2. Phân tích kết cấu trong điều kiện cháy ....................................................... 20
2.1.3. Lý thuyết xác định biến dạng của bê tông .................................................. 23
2.1.4. Lý thuyết xác định biến dạng của ống thép ................................................ 29
2.2. Mô phỏng cột CFST trong phần mềm ABAQUS ................................................... 30
2.2.1. Cơ sở lý thuyết ABAQUS về truyền nhiệt ................................................. 30
2.2.2. Định nghĩa phần tử trong Abaqus. .............................................................. 32
2.2.3. Tương tác và ràng buộc giữa các phần tử ................................................... 34
2.2.4. Thuộc tính tương tác kết cấu cột CFST trong Abaqus ............................... 34
2.2.5. Quá trình phân tích kết cấu bằng phần mềm Abaqus ................................. 35
2.2.6. Các bước mô hình hóa trên phần mềm Abaqus .......................................... 36
2.3. Kết luận chương 2 ................................................................................................... 42
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA CỘT CFST KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA
TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ ....................................................................................... 43
3.1. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm .............................................. 43
3.1.1. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cột C11 [22] ............. 43
3.1.2. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cột C17 [22] ............. 50
3.2. So sánh khả năng chịu lực giữa cột CFST và cột ống thép rỗng (CHS) ................ 52
3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................................... 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 59
1. Kết luận...................................................................................................................... 59
2. Kiến nghị ................................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 60
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CFST
Ống thép nhồi bê tông
CHS
Cột ống thép rỗng
CHS C1
Cột ống thép rỗng có tiết diện 219.1x8.18 mm
CHS C2
Cột ống thép rỗng tiết diện 219.1x19 mm
EC1
Eurocode 1
EC2
Eurocode 2
EC3
Eurocode 3
EC4
Eurocode 4
PPPTHH
Phương pháp phần tử hữu hạn
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
Test
Kết quả thực nghiêm của Lie,T và Chabot, M năm 1922
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng biểu
Tên bảng biểu
Trang
2.1
Mô tả các ký hiệu trong các yếu tố
33
2.2
Lựa chọn phần tử mô phỏng
34
2.3
Các dạng tương tác sử dụng trong mô phỏng
34
2.4
Hệ đơn vị trong phần mềm Abaqus
36
3.1
Dữ liệu đặc tính vật liệu bê tông khi chịu nhiệt độ
47
3.2
Dữ liệu đặc tính vật liệu thép khi chịu nhiệt độ
48
3.3
Dữ liệu đặc tính vật liệu thép khi chịu nhiệt độ
48
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu
Tên hình vẽ
hình vẽ
Trang
1.1
Độ giản nở dài của bê tông khi nhiệt độ tăng cao
6
1.2
Độ giản nở của bê tông khi nhiệt độ tăng cao
6
1.3
Nhiệt dung riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao
7
1.4
Tính dẫn nhiệt của bê tông khi nhiệt độ tăng cao
8
1.5
Khối lượng riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao
8
1.6
Mối quan hệ ứng suất – biến dạng khi nhiệt độ khác nhau
9
1.7
Độ giản nở dài của thép khi nhiệt độ tăng cao
10
1.8
Độ giản nở của thép khi nhiệt độ tăng cao
10
1.9
Nhiệt dung riêng của thép khi nhiệt độ tăng cao
11
1.10
Tính dẫn nhiệt của thép khi nhiệt độ cao
12
1.11
Đường cong ứng suất (stress) – biến dạng (strain) khi nhiệt độ tăng
12
cao với cường độ thép 350Mpa
2.1
Mối quan hệ nhiệt độ và thời gian trong lò cháy của hai đường chuẩn
16
ISO 834 và ASTM E119
2.2
Dẫn nhiệt xảy ra trên vật liệu khi có chênh lệch nhiệt độ
17
2.3
Dẫn nhiệt trên tinh thể do lan truyền dao động nhiệt của các phân tử
17
2.4
Sự truyền nhiệt trong kết cấu
19
2.5
Sơ đồ phân tích lệch tải (Lie 1994)
20
2.6
Ứng xử điển hình của cột CFST khi chịu nhiệt độ cao
21
2.7
Vòng lặp đầu tiên của quy trình tính toán tại bước thời gian(s+1)
22
2.8
Mô hình toán học biểu diễn quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông
chịu nén ở nhiệt độ cao
24
2.9
Biến dạng khi giảm ứng suất trong mô hình tích hợp (implicit model)
và mô hình phân lập (explicite model)
25
2.10
So sánh ứng suất - biến dạng ở 500oC của hai mô hình với kết quả thí
nghiệm
26
2.11
So sánh kết quả thí nghiệm của (Schneider1988) với kết quả tính theo
một số mô hình
28
2.12
Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở
29
một nhiệt độ cho trước
Số hiệu
Tên hình vẽ
hình vẽ
Trang
2.13
Các bộ phận khác nhau tạo nên mô hình
32
2.14
Chi tiết lắp ráp các bộ phận khác nhau của mô hình
32
2.15
Chia lưới các phần và vùng khác nhau của mô hình
33
2.16
Lắp ghép cấu kiện
37
2.17
Sơ đồ phân tích
37
2.18
Thiết lập bước phân tích truyền nhiệt
38
2.19
Thiết lập bước phân tích cơ học
38
2.20
39
2.21
Gán tải trọng
Khai báo điều kiện biên tại đầu cột
2.22
Khai báo điều kiện biên tại chân cột
40
2.23
Input kết quả mô hình truyền nhiệt vào mô hình cơ học
40
2.24
Chia lưới cho cấu kiện trong mô hình
41
2.25
Phân tích dữ liệu mô phỏng
41
3.1
Mẫu cột C11 trong nghiên cứu Lie,T. và Chabot, M (1992)
43
3.2
Hình dạng bị biến dạng ( mô hình Buckling) đối với cột C11 so sánh
với nghiên cứu của Lie,T. và Chabot, M (1992)
47
3.3
Mô hình chia lưới phần tử hữu hạn
47
3.4
So sánh thay đổi nhiệt độ theo thời gian giữa mô hình số và thí nghiệm
đối với ống thép
48
3.5
So sánh thay đổi nhiệt độ theo thời gian giữa mô hình số và thí nghiệm
đối với lõi bê tông ở độ sâu 26 mm
48
3.6
So sánh thay đổi nhiệt độ theo thời gian giữa mô hình số và thí nghiệm
đối với lõi bê tông ở độ sâu 52 mm
49
3.7
So sánh giữa chuyển vị dọc trục mô hình số và thí nghiệm cho cột
C11
Mẫu cột C17 trong nghiên cứu Lie,T. và Chabot, M (1992) [16]
49
3.9
So sánh thay đổi nhiệt độ theo thời gian giữa mô hình số và thí nghiệm
đối với ống thép C17
50
3.10
So sánh thay đổi nhiệt độ theo thời gian giữa mô hình số và thí nghiệm
đối với lõi bê tông ở độ sâu 25.3 mm C17
51
3.11
So sánh thay đổi nhiệt độ theo thời gian giữa mô hình số và thí nghiệm
đối với lõi bê tông ở độ sâu 50.6 mm C17
51
3.8
39
50
Số hiệu
Tên hình vẽ
hình vẽ
3.12
So sánh giữa chuyển vị dọc trục mô hình số và thí nghiệm cho cột
Trang
51
C17
3.13
So sánh biểu đồ tương tác cột CFST tiết diện 219.1x8.18mm và
53
cột CHS C2
3.14
Mẫu cột CHS C2
54
3.15
So sánh hình dạng biến dạng các cột (mô hình Buckling)
54
3.16
Biến dạng của cột CFST C17 và cột CHS C2 tại thời điểm 3547 s
55
3.17
So sánh ứng suất của cột CFST C17 và cột CHS C2
55
3.18
Ứng suất tiếp của cột CFST C17 và cột CHS C2 tại thời điểm 3547
s
56
3.19
Ứng suất pháp của cột CFST C17 và cột CHS C2 tại thời điểm
3547s
56
3.20
Chuyển vị dọc trục của cột CFST C17 và cột CHS C2
57
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Một công trình xây dựng khi thiết kế cần phải đáp ứng được tất cả các yếu tố về
kiến trúc, kết cấu và kinh tế. Bên cạnh đó một vấn đề hết sức được quan tâm là thiết kế
kết cấu công trình khi xảy ra hỏa hoạn. Bởi vì khi cháy, nhiệt độ tăng cao sẽ làm cho kết
cấu phá hủy đổ sập, gây những thiệt hại to lớn về người và tài sản. Do đó ngoài những
biện pháp phòng chống cứu hỏa, thì vấn đề nghiên cứu thiết kế kết cấu công trình đảm
bảo độ bền, sức chịu tải khi xảy ra cháy là một chủ đề nghiên cứu đóng vai trò rất quan
trọng và cấp thiết.
Hiện nay có nhiều tiêu chuẩn thiết kế kết cấu công trình ở Việt Nam cũng như
các quốc gia trên thế giới có đề cập đến yếu tố đảm bảo an toàn kết cấu khi xảy ra cháy,
tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành điều có những hạn chế nhất định khi áp dụng tính
toán. Cụ thể như sau:
(1) QCVN 03:2012/BXD Quy chuẩn này quy định bậc chịu lửa của công
trình tùy thuộc vào cấp công trình và quy định giới hạn chịu lửa yêu cầu của
cấu kiện trong điều kiện cháy dựa vào bậc chịu lửa của công trình [7]. Nhưng
quy chuẩn này không đề cập đến kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST).
(2) QCVN 06:2010/BXD quy định bậc chịu lửa công trình được quy định
tùy thuộc vào chức năng, diện tích, chiều cao, chiều rộng và khoảng cách lối
thoát nạn… của công trình. Giới hạn chịu lửa của kết cấu [8]. Bảng 1. 4. Các
bảng tra trong quy chuẩn này không có cho kết cấu cột CFST.
(3) TCVN 2622:1995 quy định bậc chịu lửa của công trình phụ thuộc vào
công năng, số tầng, kích thước của nhà [9]. TCVN 2622:1995 đưa ra giới
hạn chịu lửa tương ứng với chiều dày, kích thước tối thiểu của mặt cắt kết
cấu và nhóm cháy của vật liệu. Tuy nhiên trong bảng tra tiêu chuẩn này
không đề cập đến kết cấu cột CFST.
(4) TCVN 9311-2012 đã có những quy định về thí nghiệm chịu lửa để xác
định giới hạn chịu lửa của cấu kiện [10]. Và đã đưa ra được nhận định xác
định giới hạn chịu lửa của cấu kiện có thể tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế
kết cấu chịu lửa. Tuy nhiên hiện nay Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế
kết cấu chịu lửa.
(5) Một số hệ thống tiêu chuẩn châu Âu Eurocodes có đầy đủ các tiêu chuẩn
tính toán kết cấu trong điều kiện cháy và thí nghiệm. Tuy nhiên khi tính toán
2
thiết kế vẫn còn một số hạn chế như khi sử dụng bảng tra ta bị giới hạn về
kích thước cấu kiện….
Nhìn chung các tiêu chuẩn trên thế giới và trong nước đều không đề cập, hoặc có
nhưng có nhiều hạn chế khi tính toán thiết kế kết cấu cột CFST trong điều kiện xảy ra
cháy.
Hiện nay cột CFST được sử dụng khá phổ biến đối với các công trình xây dựng.
Tuy nhiên khi thiết kế còn gặp nhiều vấn đề phức tạp đối với kết cấu vừa chịu tải trọng,
vừa chịu nhiệt độ tăng cao. Phải xác định được ứng xử cơ học của kết cấu cột CFST
trong điều kiện xảy ra cháy, từ đó đưa ra được những đánh giá, nhận xét về tải trọng,
vật liệu, độ dày của ống thép,…. Để giải quyết vấn đề này thường làm thực nghiệm cụ
thể, việc thực hiện thực nghiệm sẽ cung cấp các ứng xử của cột khi cháy một cách rõ
ràng. Tuy nhiên khi thực hiện thực nghiệm ta phải xây dựng cấu kiện công trình có hình
dáng, kích thước, độ cứng, khối lượng tương ứng với mô hình theo lý thuyết là tương
đối phức tạp. Việc tạo ra một mô hình như vậy yêu cầu kỹ sư có trình độ chuyên môn
cao. Đồng thời cần phải có phòng thí nghiệm chuyên biệt, cùng những thiết bị và vật
liệu làm mô hình phức tạp và tốn kém, do đó cần phải có phương pháp đơn giản và kinh
tế hơn để xác định nhiệt độ truyền dẫn và tải trọng tác dụng vào kết cấu. Từ đó xác định
được ứng xử kết cấu, nhưng cho kết quả tương đương hoặc sai khác không đáng kể so
với thí nghiệm thực tế. Hiện nay có một số phần mềm mô phỏng kỹ thuật dùng phương
pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình này khá tin cậy để thay thế thí nghiệm như
ABAQUS [26], ANSYS [27]. Do đó tôi chọn đề tài “Ứng xử của cột ống thép nhồi bê
tông chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ” để thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, tính chất cơ lý của vật liệu bê tông và thép
khi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ.
Xây dựng mô hình mô phỏng cột CFST trong trường hợp cột chịu tác dụng của
tải trọng và nhiệt độ. Kiểm chứng kết quả mô phỏng với các kết quả thí nghiệm đã được
thực hiện trên thế giới.
Nghiên cứu ứng xử của cột CFST khi chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Cột ống thép nhồi bê tông (CFST).
Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử của cột CFST khi cột chịu tác dụng của tải trọng và
nhiệt độ.
3
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số ứng xử của cột CFST khi chịu tác dụng
của tải trọng và nhiệt độ.
5. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm phần: Mở đầu, 03 chương và phần Kết luận, kiến nghị
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
2. Mục tiêu nghiên cứu
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu
5. Bố cục của luận văn
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST khi chịu tác dụng tải trọng và nhiệt độ
tăng.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu cột CFST khi chịu tác dụng tải trọng và
nhiệt độ.
Chương 3: Mô phỏng ứng xử của cột CFST khi chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt
độ.
Kết luận và kiến nghị
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST KHI
CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ TĂNG
Tổng quan về cột CFST
1.1.1 Cấu tạo cột CFST
Kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube viết tắt CFST)
là kết cấu liên hợp gồm hai cấu kiện chịu lực chính là ống thép và lõi bê tông. Hai cấu
kiện này làm việc chung với nhau và có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng
biến dạng và khả năng chống cháy.
Vỏ ống thép bên ngoài có chức năng như một lớp áo, bao bọc toàn bộ lõi bê tông.
Nhờ hiệu ứng giam dữ này làm tăng khả năng chịu nén, giảm co ngót, giảm nứt trong
bê tông, do lõi bê tông bị cách ly với môi trường bê ngoài. Việc nhồi bê tông vào ống
thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của ống thép, làm giảm độ mảnh của
cấu kiện, làm tăng ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp, méo
(biến dạng) của ống thép khi bị va đập.
Mặt cắt ngang tiết diện cột CFST thường có 2 loại chính là cột tròn và cột vuông.
Nhưng trong luận văn này chỉ đi sâu vào nghiên cứu cột có tiết diện mặt cắt ngang là
hình tròn.
1.1.2 Đặc điểm cột CFST khi chịu lực nén đúng tâm
Cột CFST có khả năng chịu nén cao, nhưng khả năng chịu kéo lại nhỏ hơn nhiều
so với chịu nén. Sự hư hỏng của kết cấu phụ thuộc vào cường độ của các thành phần vật
liệu, cụ thể là phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của thép.
Tuy nhiên cột CFST, lõi bê tông chịu áp lực kiềm chế thành bên của ống thép, kết quả
là cột thép liên hợp chịu nén dọc trục lớn so với khi chỉ có riêng mặt cắt bê tông. Hơn
nữa, quan trọng nhất là trạng thái của bê tông bị kiềm chế do được bọc bằng ống thép
sẽ trở nên dẻo hơn và có ảnh hưởng đến toàn bộ trạng thái làm việc của kết cấu cột.
Kích thước mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu CFST có thể được giảm
do tăng cường độ vật liệu của ống thép hoặc lõi bê tông.
1.1.3 Đặc điểm cột CFST khi chịu đồng thời tải trọng và nhiệt độ
Việc sử dụng cột CFST nhằm tăng khả năng chịu nén của cột nhưng tiết diện mặt
cắt ngang cột CFST thì nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Các ống
thép rỗng hoạt động như một ván khuôn để đổ bê tông giúp giảm thời gian và giá thành
khi thi công. Khi xảy ra cháy, ống thép hoạt động như một lá chắn nhằm ngăn chặn sự
truyền nhiệt vào bê tông, trong khi đó lõi bê tông tạo ra một hiệu ứng tản nhiệt làm giảm
quá trình truyền nhiệt trong kết cấu.
Khi xảy ra cháy, do tác dụng của nhiệt độ làm cho vật liệu kết cấu bị giản nở, kết
hợp với tác dụng của tải trọng làm cho nội lực kết cấu sẽ bị thay đổi. Các trạng thái ứng
5
– biến dạng sẽ biến đổi do sự thay đổi nhiệt độ và gây phá hủy kết cấu. Bê tông là cốt
liệu có khả năng chịu nén rất tốt, nhưng do ảnh hưởng của nhiệt độ tăng làm cho tính
giòn của bê tông tăng cao, gây phá hủy kết cấu. Nhưng khi bê tông được giam dữ trong
ống thép thì khả năng chịu lực tăng đáng kể.
Tính chất cơ lý của vật liệu khi chịu nhiệt độ
1.2.1 Tính chất cơ lý của bê tông khi chịu nhiệt độ tăng cao
Về tính chất cơ học và nhiệt học của vật liệu bê tông đã có nhiều nghiên cứu trước
đây công bố kết quả như [4], [6], [12], [16], [18], [22]. Dựa vào các nghiên cứu đó, các
mô hình ứng xử của vật liệu đã được đề xuất dưới dạng các công thức để phục vụ cho
việc mô phỏng số bằng các phần mềm.
a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của bê tông do nhiệt
Độ giãn nở dài hay còn được gọi là giãn nở tuyến tính có nghĩa là sự thay đổi theo
độ dài dọc theo một chiều của lõi bê tông, khác với giãn nở thể tích. Sự thay đổi chiều
dài của cấu kiện do giãn nở nhiệt, liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ theo hệ số giản nở
tuyến tính.
Độ giãn nở dài vì nhiệt của bê tông được ký hiệu là (l/l)c, cách xác định độ giản
dài nhiệt của bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode 2 (EC2) [18]. Giá trị phụ thuộc vào
ngưỡng nhiệt độ xác định.
- Đối với cốt liệu Silic:
(l/l)c = -1.8x10-4 + 9x10-6c + 2.3x10-113c Khi nhiệt độ 20°C ≤ θc ≤700°C (1.1)
(l/l)c = 14x10-3
Khi nhiệt độ 700°C ≤ θc ≤1200°C (1.2)
- Đối với cốt liệu vôi:
(l/l)c = -1.2x10-4 + 6x10-6c + 1.4x10-113c Khi nhiệt độ 20°C ≤ θc ≤805°C (1.3)
(l/l)c = 12x10-3
Khi nhiệt độ 805°C ≤ θc ≤1200°C (1.4)
trong đó: L là chiều dài, giá trị này được xác định ở nhiệt độ 20°C;
Δl là nhiệt độ gây ra sự kéo dài của thành phần bê tông;
θc là nhiệt độ bê tông [oC].
Sau khi tính toán hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ tăng, đường cong thể hiện mối
quan hệ độ giãn nở dài với nhiệt độ được thể hiện như Hình 1.1.
6
Hình 1.1. Độ giản nở dài của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [16]
b) Hệ số giãn nở vì nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu bê tông
Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (c) được định nghĩa là một đại lượng đặc trưng
cho sự thay đổi kích thước của nó khi có sự thay đổi nhiệt độ. Hệ số giãn nở nhiệt của
bê tông phụ thuộc vào cấp phối của bê tông, vào tính chất của cốt liệu và chất kết dính.
Xác định hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xác định theo công thức:
c
l / l c (c )
(c 20)
(1.5)
trong đó: θc là nhiệt độ của bê tông [oC].
Sau khi tính toán hệ số giãn nở của bê tông theo nhiệt độ, đường cong thể hiện mối
quan hệ giữa hệ số giản nở bê tông với nhiệt độ như biểu đồ Hình 1.2.
Hình 1.2. Độ giản nở của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [16]
Dựa vào Hình 1.2, ta có nhận xét như sau: Hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tông (c)
tăng theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ đạt 700 oC, có hiện tượng chuyển pha từ tăng hệ số giãn
nở sang giảm hệ số giãn nở.
c) Nhiệt dung riêng (Specific Heat) của vật liệu bê tông
7
Nhiệt dung riêng cp (c ) của bê tông (với độ ẩm vật liệu 0%), theo tiêu chuẩn EC2
[18], nhiệt dung riêng của bê tông được xác định như sau:
cp(θc) = 900 [J/kg K]
từ nhiệt độ 20°C ≤ θc ≤ 100°C
(1.6)
cp(θc) = 900+(θc - 100) [J/kg K]
từ nhiệt độ 100°C ≤ θc ≤ 200°C
(1.7)
cp(θc) = 1000+(θc - 200)/2 [J/kg K]
từ nhiệt độ 200°C ≤ θc ≤ 400°C
(1.8)
cp(θc) = 1100 [J/kg K]
từ nhiệt độ 400°C ≤ θc ≤ 1200
(1.9)
trong đó: θc là nhiệt độ bê tông [oC].
Nếu độ ẩm (Moisture) không được xem xét rõ ràng trong phương pháp tính toán,
các phương trình trước đó cần được sửa đổi bằng cách thêm giá trị ở mức tối đa nằm ở
Cp.peak giữa nhiệt độ 100 0C và 115 0C với mức giảm tuyến tính giữa nhiệt độ 115 0C
và 200 0C. Giá trị này tỷ lệ với giá trị độ ẩm bằng:
Cp.peak = 900 J/kg K cho độ ẩm 0 % của trọng lượng bê tông.
Cp.peak =1470 J/kg K cho độ ẩm 1.5 % của trọng lượng bê tông
Cp.peak = 2020 J/kg K cho độ ẩm 3.0 % của trọng lượng bê tông
Sau khi sử dụng những công thức (1.7), (1.8), (1.9) mối quan hệ giữa nhiệt dung
riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện ở Hình 1.3.
Hình 1.3. Nhiệt dung riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [16]
Cần lưu ý rằng, theo tiêu chuẩn EC4 [20], khi độ ẩm 10% giá trị Cp.peak =5600
J/kgK nên được sử dụng với cột CFST.
d) Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductiviy) vật liệu bê tông
Tính dẫn nhiệt (c) của bê tông, theo tiêu chuẩn EC2 [18], được xác định bởi giới
hạn dưới và giới hạn trên bởi phương trình sau:
- Giới hạn trên (Upper Limit)
λc =2-0.2451(θc/100)+0.0107 (θc/100)2 [W/mK] từ 20°C ≤ θc ≤ 1200°C
(1.10)
8
- Giới hạn dưới (Lower Limit)
λc =1.36-0.136(θc/100)+0.0057(θc/100)2 [W/m K] từ 20°C ≤ θc ≤ 1200°C (1.11)
trong đó: θc là nhiệt độ bê tông [oC].
Sau khi sử dụng các công thức tính toán (1.10), (1.11) quan hệ đường cong giữa
nhiệt độ và tính dẫn nhiệt của bê tông được thể hiện như Hình 1.4.
Hình 1.4. Tính dẫn nhiệt của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [16]
e) Khối lượng riêng (Density) của bê tông
Khối lượng riêng (ρ) của bê tông sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, vì khi nhiệt độ tăng,
lượng nước trong bê tông sẽ bị suy giảm. Theo tiêu chuẩn EC2 [18] thì khối lượng riêng
của bê tông được xác định theo công thức sau:
ρ = ρ(20°C)
từ 20°C ≤ θc ≤ 115°C
(1.12)
ρc = ρ(20°C) (1- 0.02(θc - 115)/85)
từ 115°C ≤ θc ≤ 200°C
(1.13)
ρc = ρ(20°C) (0.98 - 0.03(θc - 200)/200)
từ 200°C ≤ θc ≤ 400°C
(1.14)
ρc = ρ(20°C) (0.95 - 0.07(θc - 400)/800)
từ 400°C ≤ θc ≤ 1200°C
(1.15)
trong đó θc là nhiệt độ của bê tông [oC], và ρ(20°C) = 2300kg/m3
Sau khi tính toán theo phương trình trên, đường cong giữa nhiệt độ và khối lượng
riêng của bê tông được thể hiện như Hình 1.5.
Hình 1.5. Khối lượng riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [16]
9
f) Cường độ của bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt độ tăng
Khi nhiệt độ tăng cao làm cho cường độ bê tông sẽ suy giảm. Mối quan hệ ứng
suất (Stress) - biến dạng (Strain) của bê tông có sự biến đổi khác nhau khi thay đổi nhiệt
độ, được xác định trong tiêu chuẩn EC2 [18]. Đường cong thể hiện mối quan hệ ứng
suất – biến dạng của bê tông có sự thay đổi đáng kể so với biểu đồ của cốt thép (Hình
1.6).
Hình 1.6. Mối quan hệ ứng suất – biến dạng khi nhiệt độ khác nhau [16]
Tất cả các đường cong này đều đạt cường độ chịu nén cao hơn giới hạn đàn hồi
hiệu quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi xuống. Trong trường hợp này, khả năng
chịu kéo của bê tông cũng xem như bằng không.
1.2.2 Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt độ tăng cao
Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt tăng cao được xác định theo tiêu chuẩn EC3
[19] và tiêu chuẩn EC4 [20]. Cho đến nay có một số nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề
này [4], [6], [12], [16], [19], [20], [22].
a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của thép vì nhiệt
Độ giãn nở dài của thép (l/l)a, theo tiêu chuẩn EC3 [19] được tính toán theo công
thức sau:
(l/l)c = -1.2x10-5 + 0.4x10-82a + 2.416x10-4 từ 20°C ≤ θc ≤750°C
(1.16)
(l/l)c = 1.1x10-2
từ 750°C ≤ θc ≤860°C
(1.17)
(l/l)c = 2x10-5a - 6.2x10-3
từ 860°C ≤ θc ≤1200°C
(1.18)
trong đó θc là nhiệt độ của bê tông [oC].
Sau khi sử dụng các công thức (1.16), (1.17), (1.18), quan hệ đường cong giữa
nhiệt độ và độ giãn nở dài của bê tông được thể hiện như Hình 1.7.
10
Hình 1.7. Độ giản nở dài của thép khi nhiệt độ tăng cao [16]
b) Hệ số giãn nở nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu thép
Hệ số giãn nở vì nhiệt (αa) tăng theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ phòng, αt thường là
12x10-6 /0C, ở nhiệt độ 200-6000C, là 14x10-6/0C. Ở nhiệt độ lên đến 7300C, vật liệu thép
chịu một sự đổi pha, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc tinh thể, vật liệu trở nên đặc chắc hơn
và sự giãn nở trong quá trình hấp thụ năng lượng tạm thời dừng lại.
Xác định hệ số giãn nở nhiệt của thép (a) theo công thức:
a
l / l a (a )
( a 20)
(1.19)
trong đó: θa là nhiệt độ bê tông [oC].
Sau khi tính toán hệ số giãn nở của thép theo nhiệt độ, đường cong thể hiện mối
quan hệ hệ số giản nở thép với nhiệt độ như biểu đồ (Hình 1.8).
Hình 1.8. Độ giản nở của thép khi nhiệt độ tăng cao [16]
c) Nhiệt dung riêng (Specific Heat) của vật liệu thép
Nhiệt dung riêng của thép ca (a là nhiệt lượng lưu giữ trong một đơn vị khối lượng
của thép để tăng 10C hay 1K. Vật liệu có nhiệt dung riêng càng lớn thì sự thay đổi nhiệt
11
độ (tăng lên để vật liệu hấp thụ một năng lượng nhiệt cho trước hoặc giảm đi để tỏa ra
một lượng nhiệt cho trước) càng nhỏ. Theo tiêu chuẩn EC3 [19], nhiệt dung riêng của
thép được xác định như sau:
ca =425+7.73x10-1θa–1.69x10-3θa2 +2.22x10-6 θa3 [J/kgK]
(1.20)
từ 20°C ≤ θa ≤ 600°C
13002
[J/kgK]
738 a
từ 600°C ≤ θa ≤ 735°C
(1.21)
17820
[J/kgK]
a 731
từ 735°C ≤ θa ≤ 900°C
(1.21)
từ 900°C ≤ θa ≤ 1200°C
(1.22)
ca 666
ca 545
ca 650 [J/kgK]
trong đó: θa là nhiệt độ bê tông [oC].
Sau khi sử dụng những công thức (1.20), (1.21), (1.22) để tính toán, mối quan hệ
giữa nhiệt dung riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện như Hình 1.9.
Hình 1.9. Nhiệt dung riêng của thép khi nhiệt độ tăng cao [16]
d) Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductiviy) vật liệu thép
Tính dẫn nhiệt (a) được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích
tiết diện ngang của vật liệu trong một đơn vị thời gian tương ứng với một đơn vị nhiệt
(tức là 10C hoặc 1K thay đổi trên một đơn vị chiều dài). Thông số này ít quan trọng hơn
đối với thép so với các vật liệu bảo vệ bởi tính dẫn nhiệt của thép rất lớn, lớn hơn 50 lần
so với bê tông và 500 lần so với xi măng khoáng (một loại vật liệu bảo vệ điển hình).
Tính dẫn nhiệt của thép cũng biến thiên theo nhiệt độ, theo tiêu chuẩn EC3 [19], được
xác định bởi phương trình sau:
λa =54-3.33x10-2 θa [W/mK]
từ 20°C ≤ θc ≤ 800°C
(1.23)
λa =27.3 [W/m K]
từ 800°C ≤ θc ≤ 1200°C
(1.24)
trong đó: θa là nhiệt độ bê tông [oC].
12
Sau khi sử dụng các phương trình trên, đường cong giữa nhiệt độ và tính dẫn nhiệt
của thép được vẽ thể hiện Hình 1.10.
Hình 1.10. Tính dẫn nhiệt của thép khi nhiệt độ cao [16]
e) Khối lượng riêng (Density) của thép
Khối lượng riêng của thép (ρa). Theo tiêu chuẩn EC4 [20] thì giá trị khối lượng
riêng của thép là 7850 kg/m3.
f) Cường độ của thép khi chịu nhiệt độ tăng
Cường độ, độ cứng của thép sẽ thay đổi khi nhiệt độ tăng cao. Khi nhiệt độ đạt đến
300 C cường độ của thép bắt đầu suy giảm và khi nhiệt độ tăng đến 600oC thì cường độ
kết cấu thép đạt 40% so với cường độ ban đầu ở nhiệt độ thường. Với cường độ chịu
kéo của cốt thép đạt 350 MPa thì quan hệ ứng suất (Stress) - biến dạng (Strain) của vật
thép khi nhiệt độ tăng cao được thể hiện như Hình 1.11.
o
Hình 1.11. Đường cong ứng suất (Stress) – biến dạng (Strain) khi nhiệt độ tăng
cao với cường độ thép 350MPa [16]
Tình hình nghiên cứu
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay công bố khoa học về kết cấu chịu lửa còn nhiều hạn chế, phần lớn các
nghiên cứu chỉ quan tâm đến phân tích sự làm việc kết cấu trong điều kiện xảy ra cháy
- Xem thêm -
.PDF 
82 
24 
93 
