Phân tích và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu lửa

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

PHAN NHẬT KHẢI

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ
KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP CHỊU LỬA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 60580208

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Đà Nẵng - năm 2022


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Anh Thiện
Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Chính
Phản biện 2: TS. Đặng Khánh An
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng họp tại Trường Đại học Bách
khoa vào ngày 23 tháng 04 năm 2022
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
− Thư viện Khoa Xây Dựng Dân Dụng & Công Nhiệp, Trường
Đại học Bách khoa – ĐHĐN

1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Kết cấu Bê tông cốt thép (BTCT) là một trong những kết cấu
được sử dụng rộng rải, phổ biến nhất hiện nay. Tuy nhiên khi xảy ra
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 ngồi những biện
pháp phịng chống cứu hỏa, thì vấn đề nghiên cứu thiết kế kết cấu
cơng trình đảm bảo độ bền, sức chịu tải khi xảy ra cháy là một chủ
đề nghiên cứu đóng vai trị rất quan trọng và cấp thiết.
Hiện nay, nhiều tiêu chuẩn thiết kế kết cấu cơng trình ở Việt Nam
cũng như các quốc gia trên thế giới có đề cập đến yếu tố đảm bảo an
tồn kết cấu khi xảy ra cháy, tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành điều
có những hạn chế nhất định khi áp dụng tính tốn. QCVN
03:2012/BXD và QCVN 06:2021/BXD mới chỉ đề cập đến quy định
bậc chịu lửa của cơng trình, an tồn cháy cho cơng trình qua các u
cầu về tính chất vật liệu và cấu tạo kết cấu cơng trình nhằm ngăn
ngừa cháy, hạn chế lan truyền, đảm bảo dập tắt đám cháy, ngăn chặn
các yêu tố nguy hiểm đến con người và thiệt hại về tài sản và cơng
trình. Các quy chuẩn và tiêu chuẩn trong nước chưa đề cập đến các
phương pháp xác định khả năng chịu lực của cấu kiện bê tông cốt
thép (sàn, dầm, cột) khi cơng trình chịu lửa. Do đó đề tài “Phân tích
và thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu lửa” được thực hiện để đánh
giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản theo
một số tiêu chuẩn nước ngoài.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép
khi chịu lửa.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


2
Đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện bê tông cốt thép cơ
bản theo các tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE
29-05, NZS-3101, National Building Code of Canada 2010
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Khả năng chịu lửa của các cấu kiện chịu lực cơ bản của kết cấu bê
tông cốt thép (sàn, dầm, cột).
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Theo các tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE
29-05, NZS-3101, National Building Code of Canada 2010.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết, tính tốn khả năng chịu lửa của các cấu
kiện chịu lực cơ bản bằng BTCT theo các tiêu chuẩn.
5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo thì
trong luận văn gồm có 3 chương như sau:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI CHỊU LỬA
Chương 2: KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN BÊ
TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN
Chương 3: VÍ DỤ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA
CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CƠ BẢN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT
CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP KHI CHỊU LỬA

1.1. Tính chất cơ lý của vật liệu khi chịu nhiệt độ
1.1.1. Tính năng cơ lý của bê tông
a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của bê tông do nhiệt

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3
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, đường cong thể hiện mối quan hệ độ giãn nở dài với nhiệt độ
được thể hiện như Hình 1.1

Hình 1. 1 Độ giản nở dài của

Hình 1. 2 Độ giản nở của bê

bê tông khi nhiệt độ tăng cao [12]

tông khi nhiệt độ tăng cao [12]

b) Hệ số giãn nở vì nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu bê tông
Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (αc) 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 tơng, vào tính chất của cốt liệu và chất kết dính theo hình 1.2.

c) Nhiệt dung riêng (Specific Heat) của vật liệu bê tông
Nhiệt dung riêng cp (θc ) của bê tông (với độ ẩm vật liệu 0%),
theo tiêu chuẩn EC2 [14], nhiệt dung riêng của bê tông được xác
định theo như trình bày trong luận án, mối quan hệ giữa nhiệt dung
riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện ở Hình 1.3.
d) Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductiviy) vật liệu bê tơng
Tính dẫn nhiệt (λc) của bê tông, theo tiêu chuẩn EC2 [14], được
xác định bởi giới hạn dưới và giới hạn trên theo phương trình đã
trình bày trong luận án, quan hệ đường cong giữa nhiệt độ và tính
dẫn nhiệt của bê tơng được thể hiện như Hình 1.4.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4

Hình 1. 3 Nhiệt dung riêng của bê

Hình 1. 4 Tính dẫn nhiệt của bê

tơng khi nhiệt độ tăng cao [12]

tông khi nhiệt độ tăng cao [12]

e) Khối lượng riêng (Density) của bê tông
Khối lượng riêng (ρ) của bêtông sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, vì
khi nhiệt độ tăng, lượng nước trong bê tông sẽ bị suy giảm. Theo tiêu
chuẩn EC2 [14] thì khối lượng riêng của bê tơng được xác định theo

cơng thức trình bày trong luận án, 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

Hình 1. 6 Mối quan hệ ứng suất -

bê tông khi nhiệt độ tăng cao

biến dạng khi nhiệt độ khác nhau

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 [14]. Đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


5
dạng của bê tơng có sự thay đổi đáng kể so với biểu đồ của cốt thép
(Hình 1.6).
1.1.2. Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt độ tăng cao
a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của thép vì nhiệt
Độ giãn nở dài của thép (Δl/l)a, theo tiêu chuẩn EC3 [15] được
tính tốn theo cơng thức được trình bày trong luận án, quan hệ đường
cong giữa nhiệt độ và độ giãn nở dài của thép được thể hiện như

Hình 1.7.

Hình 1. 7 Độ giản nở dài của
thép khi nhiệt độ tăng cao [12]

Hình 1. 8 Độ giản nở của
thép khi nhiệt độ tăng cao [12]

b) Hệ số giãn nở nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu thép
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, đường cong thể hiện mối quan
hệ hệ số giản nở thép với nhiệt độ như biểu đồ (Hình 1.8).
c) Nhiệt dung riêng (Specific Heat) của vật liệu thép
Vật liệu có nhiệt dung riêng càng lớn thì sự thay đổi nhiệt 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, mối quan hệ
giữa nhiệt dung riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện như Hình

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6
1.9.
Hình 1. 9 Nhiệt dung riêng của
thép khi nhiệt độ tăng cao [12]

Hình 1. 10 Tính dẫn nhiệt

của thép khi nhiệt độ cao [12]

d) Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductiviy) vật liệu thép
Tính dẫn nhiệt (λa) 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, đường cong giữa nhiệt độ
và tính dẫn nhiệt của thép được vẽ thể hiện Hình 1.10.
e) Khối lượng riêng (Density) của thép
Khối lượng riêng của thép (ρa). Theo tiêu chuẩn EC4 [16] 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 300ºC 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.

Hình 1. 11 Đường cong ứng suất (Stress) – biến dạng (Strain)
khi nhiệt độ tăng cao với cường độ thép 350MPa [12]
1.2. Tình hình nghiên cứu
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7
Nhìn chung các nghiên cứu hiện nay tại Việt Nam đã đề cập đến
thiết kế kết cấu cho cơng trình chịu lửa, nhưng vẫn còn hạn chế. Các
nghiên cứu này vẫn chưa đề cập đầy đủ đến các tiêu chuẩn thiết kế

kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng và nhiệt độ của các quốc gia
khác. Hầu hết các nghiên cứu này vẫn tập trung vào tiêu chuẩn EC2
(EN 1992 1:2) để nghiên cứu, cần có thêm nghiên cứu của một số
tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng
và nhiệt độ tăng cao.
1.3. Kết luận chương 1
Các tính chất cơ lý của vật liệu bê tơng và thép được tính tốn
dựa vào các tiêu châu Âu. Khi cháy xảy ra, kết cấu sẽ 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 cho kết cấu sẽ phân phối lại nội
lực, và ứng xử kết cấu trở nên phức tạp, việc tính tốn thiết kế trở
nên phức tạp. Do đó, việc nghiên cứu đánh giá khả năng chịu lửa của
các cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản theo các tiêu chuẩn của các
quốc gia là cần thiết để khảo sát chi tiết hơn về tiêu chuẩn tính tốn
kết cấu bê tơng cốt thép khi chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ.
CHƯƠNG 2: KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN
BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN
2.1. Phương pháp tra bảng
2.1.1 Sàn
2.1.1.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)
Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2), phương pháp tra bản được
trình bày chi tiết trong mục 5.7, cung cấp các số liệu được công nhận
cho trường hợp chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn với khả
năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa cấp REI 240 bằng cách xác định các

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ

8
giá trị đề cập trong Bảng 2.1 đến Bảng 2.4 (được trình bày chi tiết
trong luận án) theo các trường hợp tính tốn của loại sàn.
2.1.1.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05
Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05, phương pháp tra bảng
được trình bày trong mục 2.4 và 2.5, phương pháp này trình bày giải
pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với
khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 1 giờ đến 4 giờ bằng cách xác
định các giá trị đề cập trong Bảng 2.5 đến Bảng 2.6 (được trình bày
chi tiết trong luận án).
2.1.1.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101
Với tiêu chuẩn NZS-3101, phương pháp này trình bày giải pháp
thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả
năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa đến REI 240 bằng cách xác đinh các
giá trị được quy đinh qua các Bảng 2.5 đến Bảng 2.6 (được trình bày
chi tiết trong luận án).
2.1.1.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada
Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada ,
phương pháp tra bảng đề cập trong phụ lục D-2.2, phương pháp này
trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác
động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 30 phút đến 4
giờ qua các bước xác đình đề cập trong Bảng 2.10 đến Bảng 2.11
(được trình bày chi tiết trong luận án).
2.1.2 Dầm
2.1.2.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)
Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2), phương pháp tra bảng
được trình bày chi tiết trong mục 5.6, phương pháp này trình bày giải
pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động của
đường gia nhiệt tiêu chuẩn với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9
cấp REI 240 bằng cách xác định các giá trị đề cập trong Bảng 2.12
đến Bảng 2.14 (được trình bày chi tiết trong luận án).
2.1.2.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05
Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05, phương pháp tra bảng
được trình bày trong mục 2.5, phương pháp này trình bày giải pháp
thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả
năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 1 giờ đến 4 giờ bằng cách xác định
các giá trị đề cập trong Bảng 2.15 (được trình bày chi tiết trong luận
án).
2.1.2.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101
Với tiêu chuẩn NZS-3101, phương pháp này trình bày giải pháp
thiết kế được cơng nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả
năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa đến REI 240 bằng cách xác đinh các
giá trị được quy đinh qua các Bảng 2.16 đến Bảng 2.17 (được trình
bày chi tiết trong luận án).
2.1.2.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada
Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada,
phương pháp tra bảng đề cập trong phụ lục D-2.9, phương pháp này
trình bày giải pháp thiết kế được cơng nhận cho trường hợp chịu tác
động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 30 phút đến 4
giờ qua các bước xác đình đề cập trong Bảng 2.18 (được trình bày
chi tiết trong luận án).
2.1.3 Cột
2.1.3.1 Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)

Theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2), phương pháp tra bảng
được trình bày chi tiết trong mục 5.3, phương pháp này trình bày giải
pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động của
đường gia nhiệt tiêu chuẩn với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


10
cấp REI 240 bằng cách xác định các giá trị đề cập trong Bảng 2.19
đến Bảng 2.20 (được trình bày chi tiết trong luận án).
2.1.3.2 Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05
Theo tiêu chuẩn ASCE-SEI-SFPE 29-05, phương pháp tra bảng
được trình bày trong mục 2.6, phương pháp này trình bày giải pháp
thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả
năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 1 giờ đến 4 giờ bằng cách xác định
các giá trị đề cập trong Bảng 2.21 (được trình bày chi tiết trong luận
án).
2.1.3.3 Theo tiêu chuẩn NZS-3101
Với tiêu chuẩn NZS-3101, phương pháp này trình bày giải pháp
thiết kế được cơng nhận cho trường hợp chịu tác động nhiệt với khả
năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa đến REI 240 bằng cách xác đinh các
giá trị được quy đinh qua Bảng 2.22 (được trình bày chi tiết trong
luận án).
2.1.3.4 Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada
Theo tiêu chuẩn 2010 National Building Code of Canada,
phương pháp tra bảng đề cập trong phụ lục D-2.8, phương pháp này
trình bày giải pháp thiết kế được công nhận cho trường hợp chịu tác

động nhiệt với khả năng chịu lửa tiêu chuẩn tối đa từ 30 phút đến 4
giờ qua các bước xác đình đề cập trong Bảng 2.23 (được trình bày
chi tiết trong luận án).
2.1.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp tra bảng
Sơ đồ thuật toán pháp pháp tra bảng theo các tiêu chuẩn được
thể hiện chi tiết trong hình 2.1.
2.2. Phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C theo tiêu chuẩn EC2
(EN 1992 1:2)
2.2.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11
Phương pháp này có thể áp dụng được cho tác động của đám
cháy tiêu chuẩn và mọi chế độ nhiệt độ theo thời gian khác nhau, chỉ
hợp lệ với bề rộng nhỏ nhất của tiết diện như nêu trong Bảng 2.24.
Bảng 2. 24 Bề rộng nhỏ nhất của tiết diện là hàm số của khả
năng chịu lửa (áp dụng cho đám cháy tiêu chuẩn) và của mật độ tải
trọng cháy (áp dụng cho tác động của đám cháy tham số)
a) Khả năng chịu lửa
Khả năng chịu lửa
Bề rộng nhỏ nhất của tiết
diện, mm

R 60

R 90

R120

R180

R240

90

120

160

200

280

200

300

400

600

800

100

140

160

200

240

b) Mật độ tải trọng cháy
Mật độ tải trọng cháy,
MJ/m2
Bề rộng nhỏ nhất của tiết
diện, mm

2.2.2 Quy trình thiết kế tiết diện bê tơng cốt thép chịu tác động
uốn nén
Quy trình thiết kế được trình bày chi tiết trong luận án.
2.2.3 Các đường đẳng nhiệt áp dụng cho các cấu kiện
Các đường đẳng nhiệt được trình bày chi tiết trong luận án.
2.2.4 Sơ đồ thuật toán phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C
Sơ đồ thuật toán pháp pháp đường đẳng nhiệt 500°C thể hiện
chi tiết trong hình 2.9.
2.3. Phương pháp phân lớp theo tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2)
2.3.1 Nguyên tắc và phạm vi áp dụng
Phương pháp này có thể áp dụng cho mọi đám cháy phát triển
hồn tồn khác nhau nhưng tiêu chuẩn này chỉ trình bày các số liệu
của đám cháy có quan hệ Nhiệt độ - Thời gian tiêu chuẩn.
2.3.2 Quy trình thiết kế
Quy trình thiết kế được trình bày chi tiết trong luận án.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


12
2.3.3 Sơ đồ thuật toán phương pháp phân lớp
Sơ đồ phương pháp phân lớp thể hiện trong hình 2.13.

Hình 2.1

Hình 2.13

Hình 2.9

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


13
2.4. Kết luận chương 2
Chương 2 trình bày về quy trình tính tốn khả năng chịu lửa của các
cấu kiện bê tông cốt thép cơ bản theo các tiêu chuẩn Eurocode EN
1992-1-2, ASCE-SEI-SFPE 29-05, NZS-3101, National Building
Code of Canada 2010. Tiêu chuẩn Eurocodes cung cấp nguồn thông
tin được hệ thống khá toàn diện so với các tiêu chuẩn khác về thiết
kế chống cháy cho cơng trình. Các tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-12, ASCE-SEI-SFPE 29-05, NZS-3101, National Building Code of
Canada 2010 đều cung cấp phương pháp tra bảng cho các cấu kiện
cơ bản. Phương pháp tra bảng được đề cập nhiều trong một số tiêu
chuẩn vì tính tiện dụng và đơn gian khi tính tốn khả năng chịu lửa

của cấu kiện. Ngồi ra, tiêu chuẩn Eurocode EN 1992-1-2 cịn cung
cấp thêm các phương pháp đường đẳng nhiệt và phương pháp phân
lớp, 2 phương pháp này tuy phức tạp hơn khi tính tốn nhưng kết quả
sẽ chính xác, tin cậy hơn khi xác định khả năng chịu lửa của cấu
kiện.
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU LỬA
CỦA CÁC CẤU KIỆN BÊ TƠNG CỐT THÉP CƠ BẢN
3.1. Ví dụ tính tốn khả năng chịu lửa của cấu kiện bê tông cốt
thép cơ bản
a. Sàn bê tông cốt thép
Cho một bản sàn bằng bê tông cốt thép chịu đường gia nhiệt
tiêu chuẩn. Nhịp, tải trọng, kích thước hình học và cốt thép đã biết.
Kiểm tra khả năng chịu lực của sàn trong điều kiện chịu lửa.
Nhịp bản: l = 8 m; sơ đồ tính: bản kê bốn cạnh; chiều dày bản:
hs = 200 mm; trọng lượng riêng của bê tông: ρ = 25 kN/m3; cường
độ bê tông: fck = 30 MPa; cường độ cốt thép: fyk = 500 MPa; đường
kính cốt thép: Φ = 16 mm; khoảng cách giữa các thanh cốt thép lớp
dưới: s = 125 mm; khoảng cách giữa các thanh cốt thép lớp trên: s’ =

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


14
100 mm; chiều dày lớp bảo vệ: c = 25 mm; tĩnh tải hoàn thiện: G1 =
1 kN/m2; hoạt tải: Q = 4,0 kN/m2.
Giải
1.Theo tiêu chuẩn EC
a)Phương pháp tra bảng:

Thiết kế cho dải bản có bề rộng 1m: b = 1000 mm
Tĩnh tải bản thân: G2 = ρbh = 25.1.0,20 = 5 kN/m
Tổng tĩnh tải: G = G1 + G2 = 1 + 5 = 6 kN/m
Diện tích cốt thép ở nhịp:
r 2 b .82.1000
=
= 1608,5 mm2
s
125
Diện tích cốt thép ở gối:
As =

r 2 b .82.1000
=
= 2010,6 mm2
s
100
Chiều cao làm việc của tiết diện: d = h–c–Φ/2 = 167 mm
Chiều dày lớp bảo vệ tính đến trục cốt thép: a = c+Φ/2 = 33 mm
Tổ hợp tải trọng khi xảy ra cháy:
wfi = G + 2Q = 6 + 0,3.4 = 7,2 kN/m
As ' =

Trong đó:
ψ2 = 0,3- đối với văn phòng làm việc.
Chiều dày lớp bảo vệ: c = 25 mm
Chiều dày lớp bảo vệ tính đến trục cốt thép: a = c+Φ/2 = 33 mm
Ta có: a = 33mm, bản loại dầm. Tra bảng 2.1, Cột 3.
Nội suy ta được bản sàn đủ chịu cháy trong thời gian là 99 phút.
Vậy bản sàn đủ khả năng chịu cháy trong thời gian là 90 phút

(REI90).
b. Theo phương pháp phân lớp
Tải trọng và mơ-men tính tốn tại gối khi cháy
Tải trọng tính tốn: wfi = 7,2 kN/m
Mơ-men tại gối:

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


15
M Ed,fi,sup = 0,125w fi l2 = 0,125.7, 2.82 = 57,6 kNm

Xác định khả năng chịu lực ở gối khi cháy
Chia sàn thành n = 10 lớp bằng nhau. Từ đó xác định được
nhiệt độ và hệ số suy giảm của từng lớp.
Thời gian chịu lửa: 90 phút, th = 1,5 giờ
Nhiệt độ lửa: θg = 20 + 345log(8t+1) = 1006ºC
Nhiệt độ bề mặt bê tông:
θm = (1-0,0616.th-0,88) θg = 962ºC
Nhiệt độ bê tơng tại các lớp được tính theo công thức và thể
hiện vào bảng sau:
θc(x=i) = (0,18ln(th/c2)-0,81) θm
Ta có bảng kết quả dưới đây:
STT lớp
1
2
3
4

5
6
7
8
9
10

x (mm)
10
30
50
70
90
110
130
150
170
190
Σkc(θ)

θ (ºC)
886
505
328
212
125
< 100
< 100
< 100
< 100

< 100

kc (θ)
0,090
0,593
0,822
0,938
0,988
1
1
1
1
1
8,431

Hệ số suy giảm cường độ trung bình:
0, 2
0, 2
1−
1−
n
n
k c,m =
 k c ( i ) = 1010 8, 431 = 0,8262
n i =1
Xác định chiều dày lớp bê tông bị hỏng theo (2.12):



k

 0,8262 
a z = h s 1 − c,m  = 200 1 −
= 35 mm
1 

 k c ( M ) 
Từ Hình 2.12, kc(θM) = 1,0 đối với sàn dày 200mm.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


16
Từ Hình 2.12, xác định được chiều dày lớp bê tơng bị hỏng khi
cháy là 28mm.
Để thiên về an tồn, ta lấy chiều dày lớp bê tông bị hỏng khi
cháy là az = 35mm.
Chiều dày sàn sau khi giảm yếu:
hs’=200 – 35 = 165 mm
Chiều cao làm việc hiệu quả của tiết diện giảm yếu:
d'=hs’-a’= 165 – 33 = 132 mm
Lực kéo cốt thép:
Fs = f yd,fi As ' = 500 / 1,15.2010,6 = 873739 N
Trong đó: ks = 1 vì nhiệt độ mặt trên của sàn bằng 30ºC nên
f yd,fi = f yd = f yk /  s
Vì chiều dày lớp bê tông bị hỏng là 35mm nên lớp 2 cịn lại x 2
= 5mm. Ta sẽ tính tổng các lực nén trong từng lớp, đến khi cân bằng
với lực kéo Fs để tìm chiều cao vùng nén x.
Fc2 = fcd,fi,2 x 2 b = 0,593.20.0,8.5.1000 = 47440 N

Fc3 = fcd,fi,3x3b = 0,822.20.0,8.20.1000 = 263040 N
Fc4 = fcd,fi,4 x 4 b = 0,938.20.0,8.20.1000 = 300160 N
Fc5 = fcd,fi,5x5 b = 0,988.20.0,8.x '.1000 = 15808x ' N

Cân bằng Fs và ΣFci, ta được x’ = 17mm
Suy ra x = 5 + 20 + 20 + 17 = 62mm
Cánh tay đòn: z = d’ – 0,5λx = 132 – 0,5.0,8.62 = 107,2 mm
Khả năng chịu mô-men gối khi cháy:
M Rd,fi,sup = Fs z = 873739.107, 2 / 106 = 93,66 kNm

Ta có: M Ed,fi,sup = 57,6kNm  M Rd,fi,sup = 93, 66kNm
Vậy sàn đủ khả năng chịu lực ở gối trong 90 phút khi cháy.
2.Theo tiêu chuẩn ASCE
Chiều dày lớp bê tông 200 mm, và lớp bê tông bảo vệ 25mm

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


17
tra theo bảng 2.5 và bảng 2.6 ta được kết quả cấu kiện có thể
chịu lửa 120 phút cho sàn thuộc loại bản kê bốn cạnh.
3.Theo tiêu chuẩn NZS
Khoảng cách lớp bê tông bảo vệ đến thép chủ:
a = c + Φc/2 = 25 + 8 = 33 mm.
tra theo bảng 2.7 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu lửa 90
phút.
4.Theo tiêu chuẩn CND

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ đối với thép chủ: a = 25 mm
tra theo bảng 2.10 và 2.11 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu
lửa 120 phút.
b. Dầm bê tơng cốt thép
Cho một dầm đơn giản bằng bê tông cốt thép chịu đường gia
nhiệt tiêu chuẩn. Nhịp, tải trọng, kích thước hình học và cốt thép đã
biết. Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm trong điều kiện chịu lửa.
Tóm tắt các thông số đầu vào:
Chiều cao: l = 7,125 m; sơ đồ tính: Dầm đơn giản 2 gối tựa;
kích thước hình học 300x600mm; trọng lượng riêng của bê tơng: ρ =
25 kN/m3; cường độ bê tông: fck = 30 MPa; cường độ cốt thép: fyk =
500 MPa; chiều dày lớp bảo vệ: c = 30 mm.
Cốt thép chịu lực theo bảng:
Dầm
Lớp trên
Lớp dưới
Thép đai

Gối
4Ø22
2Ø22
Ø6/175

Nhịp
2Ø22
4Ø22
Ø6/175

Khoảng cách bê tông đến trục
47 mm

47 mm
33 mm

Tải trọng: Tĩnh tải: G1 = 15,0kN/m
Hoạt tải: Q = 7,5kN/m
Giải
1.Theo tiêu chuẩn EC
a)Phương pháp tra bảng:
Vì dầm được cho là dầm đơn gian nên tiến hành ra theo bảng
2.12 cho kích thước dầm b = 300 mm và a = 47mm

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


18
Vậy cấu kiện đạt cấp độ cấp độ chịu lửa R90
b) Đường đẳng nhiệt 500ºC
Tải trọng tính tốn: wfi = G + 0,3Q = 17,25 kN/m
Mô-men nhịp lớn nhất: MEd,fi = wfi.l2/8 = 105,66 kNm
Nhiệt độ bê tông và cốt thép được xác định dựa theo EN 19921-2, Phụ lục A, Hình A.7 Các đường đẳng nhiệt áp dụng cho dầm,
hxb = 600x300 (R90)
Chiều dày lớp bê tông của đường đẳng nhiệt 500ºC: cfi = 30 mm
Chiều rộng giảm yếu: bfi = b – 2cfi = 300 – 2x30 = 240mm
Giả định rằng bê tơng có nhiệt độ trên 500ºC mất khả năng chịu
nén và bê tơng dưới 500ºC cịn khả năng chịu nén hồn tồn.
Nhiệt độ cốt thép: Nhóm thép (1): 567ºC
Nhóm thép (2): 400ºC
Hệ số suy giảm cường độ của cốt thép:

ks(θ,1) = 0,61 – 0,5(567-500)/200 = 0,4425
ks(θ,2) = 1 – 0,4(400-350)/150 = 0,8667
Cường độ tính tốn khi chịu lửa của cốt thép:
k s ( ,1) f yk 0.4425x500
f yd,fi,1 =
=
= 192 Mpa
s
1,15

f yd,fi,2 =
f yd,fi =

k s ( ,2) f yk
s

=

0.8667x500
= 377 Mpa
1,15

2  As1  f yd,fi,1 + 2  As2  f yd,fi,2
As

= 285 Mpa

Cường độ chịu nén tính tốn của bê tơng khi cháy:
kf
1x30

fcd,fi = c ck cc =
1 = 20 Mpa
c
1,5
Chiều cao vùng nén:
As f yd,fi
760  285
a=
=
= 53 mm
0,85f cd,fi bfi 0.85  20  240
Cánh tay đòn:

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


19
zfi = d – a/2 = 556 – 53/2 = 529,5 mm
Khả năng chịu mô-men khi cháy:
MRd,fi = Asfyd,fiz = 760x285x529,5/106 = 114,69 kNm
Vậy MEd,fi = 105,66 kNm < MRd,fi = 114,69 kNm
Dầm đủ khả năng chịu lực trong khoảng thời gian 90 phút.
2.Theo tiêu chuẩn ASCE
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ đối với thép chủ: a = 36 mm
tra bảng 2.15 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu lửa 240 phút.
3.Theo tiêu chuẩn NZS
Khoảng cách lớp bê tông bảo vệ đến thép chủ:
a = c + Φđ + Φc/2 = 30 + 6 + 22/2 = 47 mm.

tra bảng 2.16 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu lửa 90 phút.
4.Theo tiêu chuẩn CND
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ đối với thép chủ: a = 36 mm
tra bảng 2.18 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu lửa 120 phút.
c. Cột bê tơng cốt thép
Cho một cột bằng bê tông cốt thép chịu đường gia nhiệt tiêu
chuẩn. Chiều cao, tải trọng, kích thước hình học và cốt thép đã biết.
Kiểm tra khả năng chịu lực của cột trong điều kiện chịu lửa.
Chiều cao: l = 4 m; kích thước hình học 500x500mm; trọng
lượng riêng của bê tông: ρ = 25 kN/m3; cường độ bê tông: fck = 30
MPa; cường độ cốt thép: fyk = 500 MPa; đường kính cốt thép chịu
lực: Φc = 20 mm; số thanh thép bố trí: 12 thanh; đường kính cốt thép
đai: Φđ = 12 mm; khoảng cách thép đai bố trí: s=200mm; chiều dày
lớp bảo vệ: c = 30 mm; tải trọng: N0,Ed = 4384 kN; M0,Ed = 80 kN.m;
etot = 3 cm
Giải
1.Theo tiêu chuẩn EC
Phương pháp tra bảng:
Chiều dài tính tốn của cột: l0,fi = l0 = 0,7l= 2,8m ≤ 3m;
Độ lệch tâm tổng của cột: e = 3 cm ≤ b = 50 cm;

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


20
Hàm lượng cốt thép:  =

As 12102

=
100% = 1,51%  4% ;
Ac
5002

 Nên áp dụng phương pháp A cho phần kiểm tra cột.
Chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tính đến trục cốt thép chủ:
a = c + Φđ + Φc/2 = 30 + 12 + 20/2 = 52 mm.
Lực dọc tính tốn trong điệu kiện chịu lửa: N0,Ed,fi = ηfi.N0,Ed
N0,Ed,fi = 0.66x4384=2893 kN.
Giá trị tính tốn của độ bền cột trong điều kiện nhiệt độ thường:
NRd = Acfcf + Asfyd = 5002x30 + 12π102x500 = 9385 kN.
Hệ số tính đến các tổ hợp tải trọng, cường độ chịu nén của cột
và sự làm việc chịu uốn có bao gồm các hệ quả thứ cấp.
N
2893
fi = Ed,fi =
= 0,31
NRd 9385
Để thiên về an toàn, lấy giá trị μfi = 0,5 để tra bảng 2.19 trong
tiểu chuẩn EC2 ta được kết quả cấu kiện đạt cấp độ R120.
2.Theo tiêu chuẩn ASCE
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ đối với thép chủ: a = 42 mm
tra bảng 2.21 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu lửa 90 phút.
3.Theo tiêu chuẩn NZS
Khoảng cách lớp bê tông bảo vệ đến thép chủ:
a = c + Φđ + Φc/2 = 30 + 12 + 20/2 = 52 mm.
μfi = 0,7 theo tiêu chuẩn
tra bảng 2.22 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu lửa 90 phút.
4.Theo tiêu chuẩn CND

Chiều dày lớp bê tông bảo vệ đối với thép chủ: a = 42 mm
tra bảng 2.23 ta được kết quả cấu kiện có thể chịu lửa 90 phút.
3.1. So sánh kết quả giữa các tiêu chuẩn
a. Sàn bê tông cốt thép: Cho một bản sàn bằng bê tông cốt thép
chịu đường gia nhiệt tiêu chuẩn. Nhịp, tải trọng, kích thước hình học
và cốt thép đã biết. Chiều dày lớp bảo vệ: c = 25~35 mm.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


21
Nhịp bản: lx = ly = 8 m; sơ đồ tính: Bản kê bốn cạnh; chiều dày
bản: hs = 150~200 mm; trọng lượng riêng của bê tông: ρ = 25kN/m3;
cường độ bê tông: fck = 30 MPa; cường độ cốt thép: fyk = 500 MPa;
đường kính cốt thép: Φ = 16 mm; khoảng cách giữa các thanh cốt
thép lớp dưới: s = 125 mm; khoảng cách giữa các thanh cốt thép lớp
trên: s’ = 100 mm; chiều dày lớp bảo vệ: c = 25~35 mm; tĩnh tải
hoàn thiện: G1 = 1 kN/m2; hoạt tải: Q = 4,0 kN/m2.

Hình 3. 1 Bảng so sánh kết
quả ứng với c=25mm

Hình 3. 1 Bảng so sánh kết
quả ứng với c=30mm

Hình 3. 3 Bảng so sánh kết quả ứng với c=35mm
Kết luận: Nhìn chung, Có thể thấy chiều dày cấu kiện sàn ảnh
hưởng lớn đến khả năng chịu lửa của cấu kiện, khi chiều dày cấu

kiện sàn tăng lên thì khả năng chịu lửa của cấu kiện cũng được tăng
lên theo. Tại phương pháp phân lớp, kết quả cho thấy rõ ràng nhất sự

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


22
đồng biến giữa chiều dày sàn và khả năng chịu lửa của sàn. Đối với
phương pháp tra bảng của sàn theo các tiêu chuẩn có kết quả tương
đương nhau, giá trị của phương pháp tra bảng theo tiêu chuẩn
National Building Code of Canada thiên về an toàn nhiều nhất và giá
trị của phương pháp tra bảng theo tiêu chuẩn ASCE tối đa nhất trong
các ví dụ đã đưa ra.
b.Dầm bê tông cốt thép: Cho một dầm đơn giản bằng BTCT
chịu đường gia nhiệt tiêu chuẩn. Nhịp, tải trọng, kích thước hình học
và cốt thép đã biết. Chiều rộng dầm: 300mm; Chiều cao dầm:
(500~700)mm; Chiều dày lớp bảo vệ: c = 25~35 mm. Chiều cao: l =
7,125 m; sơ đồ tính: dầm đơn giản 2 gối tựa; kích thước hình học
300x(500~700)mm; trọng lượng riêng của bê tông: ρ = 25 kN/m3;
cường độ bê tông: fck = 30 MPa; cường độ cốt thép: fyk = 500 MPa;
chiều dày lớp bảo vệ: c = 25~35 mm. Tải trọng: Tĩnh tải: G1 =
30,0kN/m, Hoạt tải: Q = 20kN/m. Cốt thép chịu lực theo bảng:
Dầm

Gối

Nhịp

Khoảng cách bê tơng đến trục

Lớp trên

4Ø22

2Ø22

47 mm

Lớp dưới

2Ø22

4Ø22

47 mm

Hình 3. 4 Bảng so sánh kết quả
ứng với c=25mm, b=300

Hình 3. 5 Bảng so sánh kết quả
ứng với c=30mm, b=300

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


23

Hình 3. 6 Bảng so sánh kết quả ứng với c=35mm, b=300
Kết luận: Tại phương pháp đường đẳng nhiệt, kết quả thể hiện
sự đồng biến giữa kích thước dầm và khả năng chịu lửa của dầm.
Đối với phương pháp tra bảng giá trị của phương pháp tra bảng theo
tiêu chuẩn EC2 (EN 1992 1:2) và NZS-3101 là xấp xỉ nhau và có kết
quả thiên về an tồn nhiều nhất; giá trị của phương pháp tra bảng
theo tiêu chuẩn ASCE tối đa nhất trong các ví dụ đã đưa ra.
3.3. Kết luận chương 3
Chương 3 đã trình bày một số ví dụ về cách xác định khả năng
chịu lực, cũng như khả năng chịu cắt của các cấu kiện cơ bản bê tông
cốt thép khi chịu tác động ở nhiệt độ cao dựa trên quy trình tính tốn
theo các tiêu chuẩn và sơ đồ khối đã được trình bày ở Chương 2 và
đưa ra các số liệu so sánh đánh giá kết quả của các cấu kiện cơ bản
bê tông cốt thép khi chịu lửa theo các tiêu chuẩn để từ đó đưa ra các
kết luận về tính chính xác và hợp lí khi chọn và áp dụng các tiêu
chuẩn trên khi tính tốn, thiết kế. Kích thước cấu kiện ảnh hưởng lớn
đến khả năng chịu lửa của cấu kiện, khi Kích thước cấu kiện tăng lên
thì khả năng chịu lửa của cấu kiện cũng được tăng lên theo. Tại
phương pháp phân lớp, phương pháp đường đẳng nhiệt kết quả cho
thấy rõ ràng nhất sự tương quan giữa kích thước cấu kiện và khả
năng chịu lửa của cấu kiện. Đối với phương pháp tra bảng theo các
tiêu chuẩn có kết quả tương đương nhau, giá trị của phương pháp tra
bảng theo tiêu chuẩn ASCE tối đa nhất trong các ví dụ đã đưa ra.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ