Phương pháp tính toán khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép bêtông trong điều kiện cháy

1

PHẦN MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài:
- Kết cấu liên hợp thép bêtông là kết cấu sử dụng thép hình kết hợp với
bêtông để làm kết cấu chịu lực cho công trình;
- Kết cấu liên hợp thép - bêtông có những ưu điểm về mặt chịu lực là:
+ Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao: Kết cấu liên hợp thép – bêtông

2

- Do kiến thức về kết cấu trong điều kiện cháy còn chưa được công bố
nhiều nhất là tài liệu tiếng Việt, luận văn này trình bày rõ một số phương pháp
tính toán khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép - bêtông trong điều kiện
cháy, qua ứng dụng tính toán, đưa ra các nhận xét, khuyến nghị.
* Mục đích nghiên cứu:
Nêu rõ một số phương pháp xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên
hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy, ứng dụng tính toán để có kết quả đưa

đã tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu,

ra các nhận xét, khuyến nghị.

vật liệu thép và vật liệu bêtông.

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

+ Công năng sử dụng hiệu quả: bản sàn liên hợp có chiều dày mỏng

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu liên hợp thép- bêtông trong điều kiện

hơn, dầm liên hợp có thể vượt nhịp lớn hơn, cột liên hợp có tiết diện mảnh

cháy. Phạm vi nghiên cứu là phương pháp tính toán cho một số cấu kiện cơ

hơn, các kết cấu liên hợp có thể chịu được nhiệt độ cao hơn với thời gian dài

bản và kết cấu khung phẳng.

hơn.

* Phương pháp nghiên cứu:
+ Hiệu quả kinh tế: So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần

Trong luận văn dùng phương pháp tổng hợp, nghiên cứu lý thuyết và

túy thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ có hiệu quả

ứng dụng thực hành tính toán, qua đó đưa ra các nhận xét khuyến nghị.

kinh tế cao hơn, giảm được trọng lượng thép khoảng 10 - 15%.

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Bên cạnh các ưu điểm đó, kết cấu liên hợp thép bêtông còn có ưu

Đề tài trình bày những kiến thức mới (chưa công bố nhiều tại Việt

điểm về khả năng chịu cháy so với kết cấu thép do bêtông còn đóng vai trò

Nam) về kết cấu trong điều kiện cháy. Những kiến thức này là cần thiết cho

làm lớp vật liệu bảo vệ, làm chậm quá trình tăng và truyền nhiệt trong kết cấu

các sinh viên, kỹ sư, cán bộ làm về ngành xây dựng.

thép. Với các ưu điểm nêu trên, kết cấu liên hợp thép - bêtông ngày càng được

* Cấu trúc luận văn:

sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng.
-Việc xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp trong điều kiện
cháy là phức tạp do phải kể đến sự biến dạng do nhiệt, sự thay đổi các tính
chất cơ lý của vật liệu khi nhiệt độ tăng cao. Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có chỉ
dẫn tính toán, chỉ có tiêu chuẩn nước ngoài có chỉ dẫn như Eurocodes, tiêu
chuẩn Canada, New Ziland… nhưng chỉ tính toán cho các cấu kiện đơn giản
và phải dùng nhiều giả thiết đơn giản hóa thiên về an toàn.

Luận văn gồm có 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về ứng xử của kết cấu liên hợp thép –
bêtông trong điều kiện cháy
Chương 2: Xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép
– bêtông trong điều kiện cháy
Chương 3: Ví dụ tính toán


3

4

NỘI DUNG

Bản sàn bêtông

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP
THÉP – BÊTÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY

Cốt thép sàn

1.1. Giới thiệu về kết cấu liên hợp thép – bêtông
Kết cấu liên hợp thép – bêtông là kết cấu mà thép chịu lực có dạng tấm,
thép hình, thép ống kết hợp với kết cấu bêtông. Nó có thể nằm ngoài bêtông

Dầm thép

(gọi là thép nhồi bêtông) hay nằm trong bêtông (gọi là kết cấu thép bọc

Hình 1.2: Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tấm tôn sóng [6]

bêtông) hoặc là cùng nhau làm việc.
Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng đối với loại cấu kiện kết

* Ưu điểm của kết cấu liên hợp thép – bêtông
a. Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao [6]

cấu cột liên hợp là thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H được bọc

Kết cấu liên hợp thép – bêtông đã tận dụng được các ưu điểm riêng về

bêtông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống được nhồi đầy bêtông hoặc

đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu, vật liệu thép và vật liệu bêtông. Vật

bêtông cốt thép.

liệu thép có cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo
lớn, độ tin cậy, độ an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá
thành lại cao. Trong khi đó vật liệu bêtông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén
tương đối nhưng lại có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ
biến. Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bêtông cốt thép thuần
túy thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ đảm bảo khả năng chịu
lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả
hai thành phần kết cấu thép hình và bêtông cốt thép cùng kết hợp tham gia
chịu lực.
b. Công năng sử dụng hiệu quả [6]
Hình 1.1: Một số kiểu tiết diện cột [9]

Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà càng cao và

Đối với cấu kiện sàn liên hợp thì giải pháp sử dụng thường là bản sàn

nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và mômen trong dầm càng

bêtông cốt thép được đặt lên trên dầm thép hình chữ I. Ngoài ra các tấm tôn

lớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000T đối với công trình nhà cao hơn 30

thép sóng được đặt ở mặt dưới của bản sàn bêtông, nằm giữa bản sàn bêtông

tầng. Như vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thông

và dầm thép hình để đóng vai trò vừa là cốt thép chịu kéo trong quá trình sử

thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn, vì thực tế cấp độ

dụng đồng thời là ván khuôn đỡ bêtông tươi trong quá trình thi công.

bền của bêtông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam


5

6

hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính

1.2. Thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện nhiệt độ thường

2

toán khoảng 155 đến 215 daN/cm . Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu
bêtông cốt thép thuần túy thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40
tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5m x 1,5m; tuy nhiên kích thước này có

[6]
Quy trình thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông nhìn chung cũng
giống như các loại cấu kiện khác, được thực hiện theo các bước chính sau:

thể giảm xuống còn khoảng 1m x 1m khi sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp

- Lựa chọn sơ bộ hình dạng và kích thước của các tiết diện cấu kiện kết

thép – bêtông. Như vậy, việc ứng dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ tạo cho

cấu chính (bản sàn, dầm, cột, giằng đứng) và cấu tạo nút khung liên kết

công trình gọn nhẹ và tăng không gian sử dụng.

(khớp, nửa cứng, cứng), cấu kiện cột cần đảm bảo không được quá mảnh.

c. Hiệu quả kinh tế [6]

Bước này thực hiện chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người thiết kế và kết

So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần túy thì việc sử dụng

quả tính toán sơ bộ.

giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn, giảm

- Tiến hành phân tích hệ kết cấu nhằm xác định nội lực và biến dạng

được trọng lượng thép khoảng 10 - 15%. Nếu so sánh với trường hợp chỉ sử

của các cấu kiện kết cấu dầm, cột, nút khung ứng với từng trường hợp tổ hợp

dụng kết cấu bêtông cốt thép thuần túy thì giải pháp kết cấu liên hợp giảm

tải trọng gây nguy hiểm cho kết cấu công trình. Khi phân tích hệ kết cấu thì

được trọng lượng của công trình khoảng 10-20%, dẫn đến giảm được kết cấu

bản sàn có thể được tính toán riêng rẽ, nhưng một phần bề rộng của tiết diện

móng. Do vậy mặc dù lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp là nhiều hơn

bản sàn cần được kể đến để tham gia làm việc cùng với dầm sàn.

một chút nhưng tổng chi phí xây dựng công trình có thể vẫn giảm, đồng thời

- Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu đã chọn và kiểm

tăng nhanh được thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng và

tra trạng thái giới hạn về chịu lực và biến dạng.

quay vòng vốn.

1.2.1. Sàn liên hợp thép – bêtông

* Nhược điểm của kết cấu liên hợp thép – bêtông [9]

Sàn liên hợp thường gồm các tấm tôn đặt ở mặt dưới, bên trên nó là

Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm nổi bật thì kết cấu liên hợp thép –

lưới cốt thép và bêtông đổ tại chỗ. Tấm tôn được cấu tạo theo nhiều hình

bêtông đòi hỏi sự gắn kết giữa hai vật liệu bêtông và cốt thép, chính vì vậy

dạng khác nhau có các sườn nổi làm tăng độ cứng uốn và giảm trọng lượng

việc tính toán phức tạp hơn, đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn, chi phí gia

của bản sàn, tăng khả năng truyền lực giữa bêtông và tấm tôn, ngăn cản

công và chế tạo các liên kết sẽ tăng.

chuyển vị của dầm thép trong quá trình lắp dựng. Các chốt liên kết được hàn
sẵn với tấm tôn để tăng khả năng chịu cắt giữa tấm tôn và bản bêtông. Tổng
chiều dày của bản sàn liên hợp ≥ 80mm có thể đến 180mm, tùy theo yêu cầu
chịu tải trọng và khả năng chịu lửa cho bản sàn. Chiều dày của phần bêtông
nằm trên sóng tôn yêu cầu lớn hơn 40mm để nhằm bảo vệ cốt thép và đảm


7

bảo khả năng chịu lực. Nhịp của bản sàn từ 2,5m đến 4m có thể lên đến 7m
khi sử dụng các cột trụ chống đỡ trong quá trình thi công.

8

b. Tiết diện tính toán dầm liên hợp
Tiết diện dầm liên hợp có dạng chữ T gồm tiết diện của dầm thép hình

Sàn liên hợp cần được thiết kế đảm bảo đủ khả năng chịu lực trong suốt

và của bản sàn bêtông cốt thép. Thực tế khi chịu tải trọng, mặt cắt ngang của

giai đoạn thi công và giai đoạn sử dụng khi bêtông đông cứng. Tấm tôn đóng

dầm liên hợp không còn duy trì được phẳng, vì ứng suất nén do mômen uốn

vai trò là ván khuôn trong quá trình thi công cần được tính toán chịu các loại

phân bố không đều theo bề rộng của phần bản sàn bêtông (hình 1.3). Do vậy

tải trọng do trọng lượng bản thân bêtông khi ướt, lưới cốt thép, các thiết bị đổ

bề rộng tính toán của phần bản sàn bêtông, beff có thể được xác định theo giả

bêtông và người thao tác, …Sàn liên hợp cần được kiểm tra tại các vị trí nguy

thuyết cân bằng, diện tích đa giác ACDEF bằng GHJK và coi như ứng suất

hiểm có thể xảy ra phá hoại do mômen uốn lớn nhất, do bị trượt dọc và trượt

lớn nhất phân bố trên toàn bề rộng tính toán beff. Tỷ số beff / B có giá trị nhỏ

ngang tại các mặt tiếp xúc giữa tấm tôn và bêtông.

hơn 1, phụ thuộc vào nhịp dầm, điều kiện liên kết ở hai đầu dầm, loại tải

1.2.2. Dầm liên hợp thép – bêtông

trọng tác dụng,... Bề rộng tính toán, beff ở tiết diện giữa nhịp dầm là lớn hơn

a. Giải pháp dầm liên hợp đơn giản và liên tục:

so với ở gần gối dầm. Tuy nhiên, để đơn giản trong phân tích tính toán kết

Giải pháp cấu tạo dầm liên hợp đơn giản do chỉ có mômen dương nên

có các ưu điểm sau so với dầm liên hợp liên tục:
- Vùng chịu ứng suất nén dọc trục của bản bụng dầm là rất ít; đồng thời

cấu, bề rộng beff cho toàn bộ tiết diện của dầm được lấy giống nhau theo tiết
diện ở giữa nhịp đối với dầm có các gối tựa ở hai đầu hoặc theo tiết diện gần
gối tựa đối với dầm conxôn.

bản cánh nén được liên kết với bản sàn bêtông cốt thép hoặc bản thép; do vậy
khả năng chịu lực của dầm không phụ thuộc bởi điều kiện mất ổn định của
dầm thép;
- Bản bụng chịu ứng suất nhỏ hơn nên có thể tạo các lỗ ở bản bụng;
- Mômen uốn và lực cắt trong dầm được xác định đơn giản và không
ảnh hưởng do bêtông nứt, từ biến và lão hóa;
- Bản sàn bêtông hầu như không chịu kéo, mômen trong cột nhỏ hơn
nếu có các hệ giằng và vách cứng chịu tải trọng ngang;
- Không có ảnh hưởng giữa các nhịp dầm, phân tích nội lực trong hệ
kết cấu nhanh hơn;
Tuy nhiên, dầm liên hợp đơn giản có các nhược điểm sau: độ võng ở
giữa nhịp dầm và bề rộng khe nứt ở gối lớn; chiều cao tiết diện dầm yêu cầu
lớn hơn.

Hình 1.3: Bề rộng tính toán của dầm liên hợp [6]
Trường hợp có sử dụng tấm tôn sóng định hình (đặt vuông góc với nhịp
dầm) thì chỉ kể đến phần bêtông nằm trên sườn của tấm tôn là chịu lực nén,
bỏ qua tấm tôn định hình và phần bêtông nằm trong sườn.


9

c. Phân loại tiết diện dầm liên hợp

10

bốn loại tiết diện dầm liên hợp. Trong phương pháp phân tích này yêu

Bản bụng và bản cánh nén của dầm thép có thể bị mất ổn định cục bộ,

cầu cần xác định độ cứng uốn EI tương đối giữa các phần tử kết cấu.

phụ thuộc vào độ mảnh của chúng hw /tw và b0f / tf. Trong thực hành thiết kế,

Các giá trị khác nhau của EI được sử dụng cho từng trường hợp tải trọng

tuỳ theo cấu tạo tiết diện dầm thép (được bọc bêtông một phần, hoàn toàn,

tác dụng, cụ thể:

hoặc không bọc bêtông) và tỷ số hw /tw và b0f / tf, tiết diện dầm liên hợp được
phân thành bốn loại; tiết diện loại cao nhất là loại 1 có khả năng chống ổn
định tốt nhất:
- Tiết diện loại 1: cho phép chảy dẻo hoàn toàn và hình thành khớp dẻo
khi tiến hành phân tích dẻo;
- Tiết diện loại 2: cho phép chảy dẻo nhưng với góc xoay chảy dẻo bị
hạn chế do bêtông bị vỡ hoặc bản thép bị mất ổn định;
- Tiết diện loại 3: cho phép xuất hiện ứng suất lớn nhất đạt tới giới hạn
chảy nhưng tiết diện không được phép chảy dẻo;
- Tiết diện loại 4: cho phép hiện tượng mất ổn định cục bộ xảy ra trước
khi ứng suất lớn nhất đạt tới giới hạn chảy.
Ví dụ, khi bản sàn bêtông cốt thép liên kết chắc chắn với bản cánh nén
của dầm thép thì bản cánh nén được coi là loại 1, tuy nhiên, trong quá trình

thi công thì dầm thép được coi thuộc loại thấp hơn. Khi trục trung hoà dẻo
nằm ở bản sàn bêtông hoặc ở bản cánh trên của dầm thép thì bản bụng của
dầm thép được coi là loại 1 hoặc loại 2 tương ứng với liên kết chịu cắt là hoàn
toàn hoặc không hoàn toàn. Loại tiết diện dầm liên hợp được xác định theo
loại thấp hơn của loại bản bụng và bản cánh nén.
d. Phương pháp phân tích xác định nội lực thiết kế
Mômen và lực cắt thiết kế trong dầm liên hợp có thể được xác
định theo một trong hai phương pháp phân tích hệ kết cấu là: phương
pháp phân tích đàn hồi t uyến tính và phương pháp phân tích chảy dẻo.
Phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính được áp dụng cho cả

(a) Trong giai đoạn thi công khi kết cấu chưa liên hợp thì chỉ sử
dụng độ cứ ng EaIa của riêng thép kết cấu;
(b) Trong giai đoạn kết cấu đưa vào sử dụng chịu tải trọng tác
dụng dài hạn thì sử dụng độ cứng quy đổi EaI trong đó mômen quán tính I
được xác định từ tiết diện quy đổi sử dụng hệ số môđun đàn hồi n=Ea /E*c
với E*c là môđun đàn hồi tính toán của bêtông;
(c) Khi kết cấu chịu tải trọng thay đổi thì sử dụng hệ số n0=Ea /Ecm với
Ecm là môđun cát tuyến của bêtông khi chịu tải trọng ngắn hạn;
Các giá trị độ cứng trong trường hợp (b) và (c) thay đổi theo dấu của
mômen uốn.
Thực tế theo chiều dài của dầm, bêtông có thể bị nứt hoặc không
nứt. Thường bêtông ở các tiết diện gần gối tựa dầm nứt nhiều hơn so
với ở các tiết diện giữa dầm. Để đơn giản có thể áp dụng phương pháp
phân tích coi bêtông không nứt cho toàn bộ các tiết diện của dầm, rồi
sau đó sử dụng hệ số giảm mômen ở các tiết diện gần gối dầm và tương
ứng tăng mômen ở tiết diện giữa nhịp dầm để đảm bảo nguyên tắc cân
bằng tĩnh.
Phương pháp phân tích dẻo chỉ áp dụng trong trường hợp dầm liên
hợp có tiết diện loại 1 tại các vị trí hình thành khớp dẻo và loại 1 hoặc

loại 2 ở các tiết diện khác nằm ngoài phạm vi hình thành khớp dẻo.
Khả năng xoay dẻo tại khớp dẻo bị hạn chế do bêtông vỡ hoặc thép
mất ổn định và phụ thuộc vào kích thước tiết diện, hình dạng biểu đồ
quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu, cơ chế hình thành


11

12

khớp dẻo trong hệ kết cấu là một quá trình liên tục, khi mômen uốn tại

hệ số điều chỉnh để làm giảm khả năng chịu lực của dầm liên hợp. Các

một tiết diện lớn hơn mômen uốn dẻo thì tại đó sẽ hình thành khớp

biểu thức xác định khả năng chịu mômen uốn của dầm liên hợp tương

dẻo. Khớp dẻo đầu tiên xuất hiện phải đảm bảo duy trì đủ khả năng

ứng với các vị trí khác nhau của trục trung hoà được xây dựng từ các

chịu lực và khả năng biến dạng dẻo cho phép đến khi khớp dẻo cuối

điều kiện cân bằng tĩnh cho từng tiết diện.

cùng hình thành trong hệ kết cấu khảo sát. Ngoài ra, phương pháp phân
tích dẻo chỉ được áp dụng nếu tại vị trí hình thành khớp dẻo các yêu cầu
sau được đảm bảo: chuyển vị ngang của bản cánh nén trong phạm vi
hình thành khớp dẻo cần được ngăn cản; tiết diện dầm thép cần đảm

bảo tính đối xứng qua mặt phẳng bản bụng dầm; khả năng xoay cho
phép của khớp dẻo cần đảm bảo và hiện tượng mất ổn định tổng thể
của dầm đảm bảo không xảy ra.
e. Xác định khả năng uốn
Đối với tiết diện loại 1 và 2 thì khả năng chịu uốn của dầm liên
hợp được xác định theo phương pháp phân tích dẻo với biểu đồ phân bố
ứng suất trên tiết diện dầm phụ thuộc vào vị trí của trục trung hoà. Trục
trung hoà có thể đi qua bản bụng, bản cánh của dầm thép hoặc đi qua
phần bản sàn bêtông. Trong mọi trường hợp thì toàn bộ tiết diện của
dầm thép đều được coi là chảy dẻo và đạt tới cường độ chịu kéo và nén
của vật liệu thép, kể cả các thớ nằm ngay sát trục trung hoà (hình 1.4).
Ứng suất trong vùng bêtông chịu nén được coi là phân bố đều và đạt đến
cường độ tính toán chịu nén của bêtông. Bỏ qua khả năng tham gia chịu
lực của vùng bêtông chịu kéo và của tấm tôn khi chịu nén. Liên kết
giữa bản sàn và dầm thép được coi là liên kết hoàn toàn, sử dụng giả
thuyết mặt cắt phẳng đối với tiết diện dầm liên hợp. Trong trường hợp
liên kết là không hoàn toàn, có nghĩa là số lượng các chốt liên kết sử
dụng không đủ và bị chảy dẻo dẫn đến có sự trượt tương đối tại mặt
tiếp xúc giữa bản sàn và dầm thép, do vậy cần phải sử dụng thêm các

Hình 1.4: Biểu đồ phân bố ứng suất pháp trên tiết diện dầm liên hợp [6]
Đối với tiết diện loại 3 và loại 4 thì sử dụng phương pháp phân
tích đàn hồi có kể đến ảnh hưởng từ biến của bêtông. Trong thực hành
thiết kế để tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu thép thì tiết diện
dầm liên hợp loại 1 và loại 2 thường hay sử dụng, đặc biệt cho các
vùng của dầm chịu mômen âm và hình thành khớp dẻo.
f. Xác định khả năng chịu cắt
Thực tế bản sàn bêtông của dầm liên hợp có thể chịu một phần lực
cắt. Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác phần tham gia chịu lực cắt
của bản sàn bêtông vì phụ thuộc vào mức độ làm việc liên tục qua gối

tựa, mức độ bêtông bị nứt và chi tiết liên kết bản sàn bêtông với dầm
thép. Do vậy để đơn giản coi lực cắt chỉ do dầm thép chịu, bỏ qua tác
dụng liên hợp.
1.2.3. Cột liên hợp thép – bêtông
a. Độ cứng uốn tương đương


13

14

Độ cứng uốn tương đương của tiết diện cột liên hợp được xác

pháp phân tích đàn hồi tuyến tính có xét đến các ảnh hưởng tương tác

định từ tổng độ cứng thành phần của thép kết cấu, cốt thép và bêtông

P-∆ và do sai lệch kích thước hình học (imperfection effect), làm tăng

cùng tham gia chịu lực:

mômen uốn và biến dạng trong cột. Độ sai lệch kích thước hình học

(EI)eff = Ea Ia + Es I s + Kc Ec,eff I c

được biểu diễn bởi độ lệch t âm e0. Tiêu chuẩn Châu Âu có hai phương

Ec,eff = Ecm /(1 + ϕt NG,Ed / NEd )

pháp thiết kế cho cột liên hợp: phương pháp thiết kế “chính xác” và

Trong đó:

phương pháp thiết kế “đơn giản”.
Phương pháp “chính xác” được thực hiện qua việc sử dụng các

E

: là môđun đàn hồi của vật liệu

I

: là mômen quán tính của tiết diện thành phần

chương trình phân tích kết cấu có xét trực tiếp đến các ảnh hưởng nêu

Ecm

: là môđun đàn hồi ngắn hạn trung bình của bêtông

trên. Phương pháp phân tích này cho kết quả tính toán có độ tin cậy khá

NEd

: là lực dọc thiết kế

cao và được áp dụng tốt cho tất cả các trường hợp cột liên hợp có tiết

NG,Ed : là thành phần dài hạn của NEd

diện không đổi hoặc thay đổi và có tiết diện đối xứng hoặc không đối

KC và ϕt: là các hệ số xét đến từ biến của bêtông

xứng. Tuy nhiên phương pháp này yêu cầu khối lượng dữ liệu tính toán

b. Độ mảnh tương đương
Độ mảnh tương đương của cột liên hợp được xác định theo công

lớn và chỉ áp dụng trong các trường hợp rất đặc biệt.
Đối với phương pháp đơn giản thì các ảnh hưởng tương tác P-∆ và
do sai lệch kích thước hình học chỉ được kể đến một cách gián tiếp thông

thức:

qua việc sử dụng các hệ số điều chỉnh. Đây là phương pháp hay được sử
dụng trong thực hành thiết kế, mặc dù phạm vi áp dụng của phương
pháp này chỉ hạn chế cho một số trường hợp như khi cột liên hợp có tiết
diện không đổi và đối xứng, tiết diện thép kết cấu định hình hoặc tổ hợp

Trong đó:
fy

: là cường độ chảy tiêu chuẩn của thép kết cấu

hàn, cột có độ mảnh không quá lớn (độ mảnh tương đương λ < 2 ) và

fsk

: là cường độ chảy tiêu chuẩn của cốt thép

không có yêu cầu gì đặc biệt trong thiết kế. Mômen thiết kế của cột liên

fck

: là cường độ nén tiêu chuẩn ở 28 ngày của bêtông

hợp trong phương pháp đơn giản được xác định theo công thức sau:

Ncr

: là lực nén đàn hồi tới hạn

M Ed = k end M 1,Ed + kimp N Ed e0

L

: là chiều dài giữa hai điểm ngăn cản chuyển vị ngang của cột

k end = β end /(1 - N Ed / N cr ,eff )

c. Phương pháp phân tích xác định nội lực thiết kế
Nội lực thiết kế trong cột thường được xác định theo phương

βend = 0,66 + 0,44(M 2,Ed / M1,Ed ) ≥ 0,44


15

kimp = 1 /(1 - N Ed / N cr ,eff )

Để đơn giản trong thiết kế, khả năng chịu nén uốn một phương của
cột liên hợp được xác định dựa theo đường cong khả năng chịu lực,

Trong đó:
NEd

16

: là lực dọc trục

M1, Ed : là mômen uốn lớn hơn ở hai đầu cột

được xây dựng trên cơ sở tổng hợp khả năng chịu lực của ba thành
phần liên hợp: thép kết cấu, bêtông và cốt thép. Đối với từng thành

kend

: là hệ số xét đến ảnh hưởng của tương tác P-∆; kend < 1

phần và tùy theo từng trường hợp thì hệ số an toàn sử dụng là khác

kimp

: là hệ số do sai lệch kích thước hình học; kimp >1

nhau.
Điểm A và B được xác định tương ứng với hai trường hợp riêng
biệt khi tiết diện cột chỉ chịu lực nén dọc trục hoặc chịu mômen uốn thuần
túy. Điểm A có khả năng chịu lực nén là Npm, Rd và điểm B có khả năng chịu

uốn là Mpm, Rd. Điểm C được xác định có cùng khả năng chịu mômen uốn với
điểm B nhưng có khả năng chịu nén chỉ bằng khả năng chịu nén của riêng
phần bêtông bao bọc là Npm, Rd. Điểm D có khả năng chịu mômen uốn là lớn

Hình 1.5: Xác định nội lực thiết kế của tiết diện cột liên hợp [6]

nhất được xác định từ tổng hợp của ba thành phần riêng rẽ (thép kết cấu,

a) không kể ảnh hưởng của P-∆ ; b) có kể ảnh hưởng của P-∆

bêtông và cốt thép) và khả năng chịu nén bằng 0,5Npm, Rd. Điểm E nằm trung

d. Xác định khả năng chịu lực
Khả năng chịu lực của cột liên hợp được xác định dựa trên những
giả thiết sau:

gian giữa điểm A và điểm C nên có thể coi nằm trên đường thẳng AC trong
trường hợp cột có tiết diện chữ H được bọc bêtông và chịu uốn quanh trục
chính.

- Tương tác qua lại giữa thép kết cấu và bêtông được coi là hoàn
toàn và chúng cùng làm việc như một hệ thống nhất cho đến khi cột
liên hợp bị phá hoại. Có nghĩa là coi ma sát và các chi tiết chốt neo đặt
tại mặt tiếp xúc giữa thép kết cấu và bêtông đủ để ngăn cản lực trượt
tương đối giữ a chúng;
- Mặt cắt ngang của cột liên hợp khi bị biến dạng được coi là
phẳng; điều này cũng tương tự như tính toán đối với các cấu kiện thép kết
cấu và bêtông cốt thép;
- Các điều kiện về ổn định cục bộ của các bản thép đối với thép
kết cấu được coi là thoả mãn khi tuân thủ các yêu cầu về cấu tạo.

Hình 1.6: Đường cong xác định khả năng chịu lực của cột liên hợp chịu nén
uốn một phương [6]


17

18

1.3. Kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy

σ

1.3.1. Các đặc tính của vật liệu thép, vật liệu bêtông dưới tác động của nhiệt
f y,θ

độ cao [13]
a. Đặc tính của vật liệu thép dưới tác động của nhiệt độ cao

f p,θ

* Mối quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép ở nhiệt độ cao:
Các loại vật liệu xây dựng đều giảm cường độ và độ cứng khi chúng
chịu nhiệt độ cao của đám cháy. Đối với thép, cường độ bắt đầu giảm ở nhiệt

Ea,θ = tanα
α

độ trên 3000C và giảm theo một tốc độ ổn định đến khoảng 8000C. Thực tế
thép chỉ còn khoảng 23% cường độ ban đầu ở 7000C, 11% cường độ ban đầu

0

0

ở 800 C, 6% cường độ ban đầu ở 900 C, phần cường độ còn lại sẽ tiếp tục

ε p,θ

giảm dần đến khi xuất hiện hiện tượng chảy lỏng ở 1500 C, toàn bộ quá trình
đường cong thể hiện mối quan hệ của ứng suất – biến dạng của thép ở một
nhiệt độ nhất định, người ta xuất phát từ phương trình thể hiện trạng thái làm
việc đàn hồi tuyến tính của thép, từ đó dựa trên một loạt các thí nghiệm điều
chỉnh ở dạng tiếp tuyến với phần ellipse mà tại đó hệ số góc của nó bằng 0.
Dạng đường cong và các thông số điển hình đặc trưng cho trạng thái làm việc
của vật liệu thép ở một nhiệt độ cao θ cho trước thể hiện trên hình 1.7.
Trong đó:

ε t,θ

ε u,θ

ε

Hình 1.7: Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở

0

này được thể hiện ở đường cong ứng suất – biến dạng. Để xây dựng các

ε y,θ

một nhiệt độ θ cho trước [13]
øng suÊt (N/mm2)
300
200 C
0
200 C
250
0
300 C
200

0

500 C

0

400 C

150

0

600 C

100
0

fy,θ

: giới hạn chảy hiệu quả

fp,θ

: giới hạn tỷ lệ

Ea,θ

: độ dốc của đồ thị trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính

εp,θ

: biến dạng ứng với giai đoạn tỷ lệ

εy,θ

: biến dạng chảy

εt,θ

: biến dạng giới hạn trong giai đoạn chảy

εu,θ

: biến dạng cực hạn trong vật liệu

700 C

50

0

800 C
0

0,5

1,0

1,5

2,0
BiÕn d¹ng (%)

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép trong điều
kiện chịu nhiệt độ cao theo EC [13]
Mục đích của việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu thép khi chịu tác
động của cháy là xác định cường độ thiết kế cho vật liệu hay xác định độ
giảm cường độ so với cường độ của vật liệu làm việc trong điều kiện bình


19

20

thường. Dựa vào các kết quả nghiên cứu thu được, EC đã đưa ra giá trị các hệ

Khi 7500C ≤ θa ≤ 8600C thì ∆l/l = 1,1.10-2

số suy giảm môđun đàn hồi kE,θ, giới hạn chảy ky,θ và giới hạn tỷ lệ kp,θ của

Khi 8600C ≤ θa ≤ 12000C thì ∆l/l = 2.10-5θa – 6,2.10-3

vật liệu thép ở một nhiệt độ θ nhất định, theo bảng và hình sau:

Trong hầu hết các phương pháp tính toán độ bền chịu lửa đơn giản, sự

Bảng 1.1: Giá trị các hệ số suy giảm môđun đàn hồi, giới hạn chảy và giới

giãn nở vì nhiệt thường được bỏ qua. Tuy nhiên cũng có một số trường hợp,

hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ θ [13]

ví dụ như kết cấu dầm thép liên kết để đỡ bản sàn bêtông ở cánh trên, sự

Nhiệt độ θ (0C)

kE,θ= Ea,θ/Ea

ky,θ= fay,θ/fay

kp,θ= fap,θ/fap

chênh lệch giãn nở vì nhiệt giữa cánh trên và cánh dưới dầm (do cánh trên có

20

1,0000

1,00

1,0000

sự bảo vệ của sàn bêtông, có tác dụng ngăn cản sự biến dạng và làm tiêu tan

100

1,0000

1,00

1,0000

nhiệt) sẽ gây nên một biến dạng nhiệt đáng kể cho tiết diện.

200

0,9000

1,00

0,8070

Vì vậy, khi áp dụng một loại kết cấu mới mới, rất cần nghiên cứu đến

300

0,8000

1,00

0,6130

sự giảm bớt quá trình giãn nở vì nhiệt của kết cấu thép trong điều kiện chịu

400

0,7000

1,00

0,4200

500

0,6000

0,78

0,3600

600

0,3100

0,47

0,1800

700

0,1300

0,23

0,0750

800

0,0900

0,11

0,0500

900

0,0675

0,06

0,0375

1000

0,0450

0,04

0,0250

1100

0,0225

0,02

0,0125

1200

0,0000

0,00

0,0000

* Hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép

nhiệt độ cao khi có sử dụng các hình thức cách nhiệt, nó sẽ dẫn đến một sự
ứng xử nhiệt hoàn toàn khác so với sự làm việc của cấu kiện thép không được
bảo vệ. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các kết cấu liên hợp thép –
bêtông.
(∆l / l).10 3

16

12

8

EC xem độ giãn dài tương đối ∆l/l của kết cấu ở một nhiệt độ nhất định
từ 200C đến nhiệt độ dưới ngưỡng của sự đổi pha của thép là một hàm nhiệt
độ:

4

∆l/l = 1,2.10-5θa + 0,4.10-8θa2 – 2,416.10-4
0
θa( C)

Trong đó:
l

: là chiều dài ban đầu ở nhiệt độ 200C của cấu kiện khảo sát

θa

: là nhiệt độ của thép tại thời điểm khảo sát (0C)

0

20

200

400

600

800

1000

1200

Hình 1.9: Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của thép theo nhiệt độ [13]


21

22

* Nhiệt dung riêng của vật liệu thép:

xi măng khoáng (một loại vật liệu bảo vệ điển hình). Mặc dù tính dẫn nhiệt

Nhiệt dung riêng của thép là nhiệt lượng lưu giữ trong một đơn vị khối

cũng biến thiên theo nhiệt độ:

0

lượng của thép để tăng 1 C hay 1K. Vật liệu có nhiệt dung riêng càng lớn thì

Khi 200C ≤ θa ≤ 8000C thì: λa = 54 – 3,33 10-2θa (W/mK)

sự thay đổi nhiệt độ (tăng lên để vật liệu hấp thụ một năng lượng nhiệt cho

Khi 8000C ≤ θa ≤ 12000C thì: λa = 27,3 (W/mK)

trước hoặc giảm đi để tỏa ra một lượng nhiệt cho trước) càng nhỏ. EC đã đưa

Nhưng EC sử dụng một giá trị không đổi là 45 W/mK cho các tính toán đơn

ra biểu đồ mô tả mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ như sau:
λa(W/mK)

giản.

60

b. Đặc tính của vật liệu bêtông dưới tác dụng của nhiệt độ cao
* Cường độ của bêtông:

1,0
0

20

σc (t)
fc (200 C)

øng suÊt t−¬ng ®èi

40

θa( C)
0 20

200

400

600

800

1000

1200

Hình 1.10: Sự biến thiên dẫn nhiệt của thép theo nhiệt độ (theo EC) [13]
Khi 200C ≤ θa ≤ 6000C thì:
-1

Ca = 425 + 7,73.10 θa - 1,6.10

0,9

θa2

+ 2,2.10

-6

θa3

(J/kgK)

0,7

0,5

Khi 6000C ≤ θa ≤ 7350C thì: Ca = 666 + 13002/(1-θa) (J/kgK)

0,4

Khi 7350C ≤ θa ≤ 9000C thì: Ca = 545 + 17820/(θa - 731) (J/kgK)

0,3

Khi 9000C ≤ θa ≤ 12000C thì: Ca = 650 (J/kgK)

0,2

Để đơn giản, một trị số trung bình bằng 600J/kgK được lấy là giá trị đặc

0,1

trưng trong các công thức tính toán đối với vật liệu thép.
* Tính dẫn nhiệt của vật liệu thép:
Tính dẫn nhiệt (λa) được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn

0

200 C

0,8

0,6
-3

200 C

0

400 C

0

0

600 C
0

800 C
0

1000 C
1

BiÕn d¹ng (%)
2

3

4

Hình 1.11: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bêtông trong
điều kiện chịu nhiệt độ cao [13]

vị diện tích tiết diện ngang của vật liệu trong một đơn vị thời gian tương ứng

Bêtông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, dạng của

với một đơn vị nhiệt (tức là 10C hoặc 1K thay đổi trên một đơn vị chiều dài).

đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bêtông ở những

Thông số này ít quan trọng hơn đối với thép so với các vật liệu bảo vệ bởi

nhiệt độ khác nhau (hình 1.11) thì có sự khác biệt đáng kể so với biến dạng

tính dẫn nhiệt của thép rất lớn, lớn hơn 50 lần so với bêtông và 500 lần so với

của biểu đồ vật liệu thép. Tất cả các đường cong này đều đạt cường độ chịu


23

24

nén cao hơn giới hạn đàn hồi hiệu quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi

Một điều kiện khá quan trọng khi nghiên cứu sự làm việc của bêtông sau khi

xuống. Trong trường hợp này, khả năng chịu kéo của bêtông cũng xem như

giảm nhiệt độ về nhiệt độ thường thì bêtông không đạt được cường độ chịu

bằng 0.

nén như ban đầu. Mức độ của quá trình giảm cường độ này sẽ phụ thuộc vào

Đối với bêtông thường, bêtông nặng giá trị cường độ đạt được ở mức

nhiệt độ lớn nhất mà bêtông phải chịu trong giai đoạn trước đó. Thông

thấp hơn, nhất là đối với bêtông dùng cốt liệu silicat. Tuy nhiên để thiên về an

thường, giá trị cường độ tại một nhiệt độ θc nào đó (200C< θc < θc max) sẽ được

toàn, người ta cũng áp dụng luôn kết quả này cho bêtông dùng cốt liệu đá vôi.

xác định bằng phép nội suy tuyến tính giữa cường độ tại θc max và cường độ tại

Còn đối với EC, tương tự như đối với vật liệu thép, giá trị các hệ số suy giảm

nhiệt độ phòng 200C.

khả năng chịu nén kc,θ và biến dạng cực hạn εcu,θ tương ứng với ứng suất fc,θ
của vật liệu bêtông ở một nhiệt độ θ nhất định cũng được thể hiện theo bảng:

C−êng ®é chÞu nÐn (MPA)
25

Bảng 1.2: Hệ số suy giảm khả năng chịu nén và biến dạng cực hạn của
20

bêtông ở nhiệt độ θ [13]
Nhiệt độ θ (0C)

kc,θ= fc,θ/fc

εcu,θ

Bêtông thường

Bêtông nhẹ

(Bêtông thường)

20

1,000

1,000

0,0025

100

1,000

1,000

0,0040

200

0,950

1,000

0,0055

300

0,850

1,000

0,0070

θmax = 700 0C

(1)

15

(3)
10

(4)

(2)

5

BiÕn d¹ng (%)
0

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

400

0,750

0,880

0,0100

500

0,600

0,760

0,0150

(1): Biểu đồ σ - ε ở nhiệt độ thường 200C

600

0,450

0,640

0,0250

(2): Biểu đồ σ - ε ở 200C khi hạ nhiệt độ từ 7000C

700

0,300

0,052

0,0250

(3): Biểu đồ σ - ε khi đốt nóng đến 4000C

800

0,150

0,040

0,0250

(4): Biểu đồ σ - ε ở 4000C khi hạ nhiệt độ từ 7000C

900

0,008

0,028

0,0250

Hình 1.12: Độ giảm cường độ chịu nén của vật liệu bêtông khi hạ nhiệt độ về

1000

0,004

0,016

0,0250

nhiệt độ thường [13]

1100

0,001

0,004

0,0250

Như vậy, bêtông giảm cường độ ở nhiệt độ cao chậm hơn so với thép

0,0000

nên tạo ra sự cách nhiệt tương đối tốt cho cốt thép hoặc các phần kết cấu thép

1200

0,000

0,000

mà nó bao bọc. Tuy nhiên ảnh hưởng lớn nhất của bêtông là khi chịu lửa sẽ


25

26

xut hin hin tng nt, v lp bờtụng bo v, nht l khi la chỏy cú kốm

xi mng. Trong ú, dng ct liu cú nh hng ln nht n kh nng truyn

theo n thỡ s phỏ v dn dn ca bờtụng s lm l rừ ct thộp hoc kt cu

nhit ca bờtụng khụ.

thộp trc tip tip xỳc vi ngn la, rt bt li cho kt cu. Vỡ vy, mc

Bờn cnh ú, hm lng nc trong bờtụng cng lm tng kh nng truyn

tng nhit v gim cng ca ct thộp v kt cu thộp s xỏc nh kh

nhit. Trong thc t, kh nng truyn nhit ca bờtụng l mt hm ca nhit

nng chu la ca bờtụng. iu ú cú ngha l dy ca lp bờtụng bo v

(i vi c bờtụng thng v bờtụng nh). n gin cho tớnh toỏn, EC

theo lý thuyt phi c xỏc nh theo tng giai on chu nhit.

cho phộp s dng mt giỏ tr khụng i cho thụng s ny kc=1,6W/mK.

* Cỏc c tớnh khỏc ca bờtụng:

Tính dẫn nhiệt (W/m0 C)

S gión n vỡ nhit ca bờtụng tng theo nhit . Quỏ trỡnh chuyn pha

3

ca bờtụng xy ra nhit 7000C, khi ú s gión n vỡ nhit trong bờtụng
ngng hon ton, ng cong th hin mi quan h gia h s gión n vỡ

Giá trị không đổi 1,6(W/m0 C)
NC

nhit v nhit trong bờtụng c th hin hỡnh 1.13
4,5

2

1

Hệ số giãn nở vì nhiệt /0 C (x10-5)

LC

4,0

0

200

400

600

800

1000

1200

Nhiệt độ ( 0C)

3,5

Hỡnh 1.14: S bin thiờn tớnh dn nhit ca vt liu bờtụng theo nhit [13]
3,0

Nhiệt dung riêng (J/kg 0 C)

2,5

1600

2,0

1400

1,5

NC

1200

1,0

Giá trị không đổi 1000 (J/kg 0 C)

1000

LC

0,5

Nhiệt độ ( 0C)
0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Hỡnh 1.13: S bin thiờn kh nng gión n vỡ nhit ca vt liu bờtụng theo
nhit [13]
Kh nng truyn nhit ca bờtụng ph thuc vo kh nng truyn nhit
ca cỏc thnh phn bao gm hm lng nc, dng ct liu, t l trn v loi

800
600
400

0

200

400

600

800

1000

1200

Nhiệt độ ( 0C)

Hỡnh 1.15: S bin nhit dung riờng ca vt liu bờtụng theo nhit [13]


27

28

Nhiệt dung riêng của bêtông cũng phụ thuộc vào thành phần cốt liệu, tỷ

hoặc do mất ổn định của dầm khi độ võng của sàn lớn, có thể bị phá hoại do

lệ trộn và hàm lượng nước. Thành phần cốt liệu có ảnh hưởng lớn nhất, đặc

cắt hoặc do mất ổn định của cột, thậm chí có thể bị phá hoại liên kết do lực

biệt là trong trường hợp bêtông cốt liệu đá vôi, nhiệt dung riêng tăng đột ngột

cắt. Cả ba cách thức phá hoại khung bêtông cốt thép (dầm trước, cột trước

0

do có sự thay đổi về mặt hóa học của đá vôi ở nhiệt độ khoảng 800 C. Hàm

hay liên kết trước) đều liên quan đến lực cắt phát sinh do chuyển dịch ngang

lượng nước cũng đóng vai trò quan trọng, ở những trạng thái nhiệt độ lớn hơn

bởi giãn nở nhiệt của bản sàn.

0

200 C nhiệt dung riêng của bêtông ướt lớn gấp 2 lần so với bêtông khô. EC

Kết cấu thép thường mảnh hơn kết cấu bêtông và độ dẫn nhiệt của thép

cũng sử dụng một giá trị không đổi đối với nhiệt độ cho bêtông thường Cc =

lớn hơn rất nhiều so với bêtông. Dạng phá hoại của khung thép khi chịu cháy

1000 J/kgK.

thường là do bị ép, mất ổn định tổng thể, uốn hay mất ổn định xoắn với cột,

1.3.2. Ứng xử của kết cấu dưới tác động của nhiệt độ cao [8]

mất ổn định cục bộ hoặc do uốn đối với dầm, do cắt hoặc mất ổn định cục bộ

Khi kết cấu chịu cháy, ngoài nội lực do tải trọng gây ra trong kết cấu,

đối với liên kết. Sự giãn nở theo phương ngang của kết cấu thép nhỏ hơn so

sự giãn nở do nhiệt độ cao còn gây ra sự phân phối nội lực rất lớn. Với cấu

với bêtông vì vật liệu thép có tính đàn dẻo, dầm và bản sàn bị võng nhiều hơn

kiện đơn lẻ, ảnh hưởng của sự giãn dài do nhiệt độ cao có thể xác định rõ

và chuyển dịch ngang của liên kết ít hơn. Do vậy cách thức phá hoại của

ràng. Song với kết cấu gồm nhiều cấu kiện, sự tác động do biến dạng nhiệt

khung thép trái hẳn với cách thức phá hoại của khung bêtông cốt thép: dầm,

này có khi không xác định được nếu không có phần mềm phân tích chuyên

sàn bị phá hoại trước cột.

sâu. Sự làm việc của kết cấu khi ở nhiệt độ cao có thể khác hẳn với trạng thái

Kết cấu liên hợp thép - bêtông, bêtông còn đóng vai trò làm lớp vật liệu

làm việc của kết cấu khi ở nhiệt độ thường. Do vậy, việc phân tích có kể đến

bảo vệ, làm chậm quá trình tăng và lan truyền nhiệt trong kết cấu thép, làm

biến dạng do nhiệt rất cần được chú trọng.

cho kết cấu có khả năng chịu lực lớn hơn. Chính sự kết hợp này đã làm nổi

Kết cấu bêtông cốt thép được xếp vào loại chịu lửa tốt. Song thống kê

bật rõ những ưu điểm vượt trội, hạn chế tối đa các nhược điểm của hai loại

cho thấy rất nhiều công trình bằng bêtông cốt thép cũng sụp đổ do cháy. Đó

vật liệu trên trong quá trình sử dụng

chính là do tính giòn của vật liệu bêtông. Kết cấu bêtông cốt thép thường mất

1.3.3. Các phương pháp thí nghiệm xác định khả năng chịu cháy của cấu

khả năng chịu lực do lớp bêtông bên ngoài bị nứt vỡ bong ra làm tiết diện cấu

kiện kết cấu công trình

kiện bị nhỏ đi và lớp cốt thép bên trong không được bảo vệ. Sự giãn nhiệt của

Các cấu kiện được thí nghiệm trong lò đốt tiêu chuẩn, có lò ngang để

sàn bêtông cốt thép không những ảnh hưởng đến kết cấu sàn mà còn ảnh

thí nghiệm dầm, sàn và lò đứng để thí nghiệm cột, tường. Cấu kiện kết cấu

hưởng đến cột liên kết với sàn. Sự chuyển dịch của kết cấu sàn - cột làm cho

thường được thí nghiệm trong điều kiện chịu tải. Tải trọng tác dụng lên kết

cột chịu ứng suất cắt rất lớn và cột có thể bị phá hoại do cắt (khác hẳn với cơ

cấu khi xảy ra cháy luôn luôn nhỏ hơn tải trọng ở nhiệt độ thường do hệ số

chế phá hoại của cột ở nhiệt độ thường). Tùy theo sự phân bố của tải trọng và

vượt tải nhỏ hơn.

độ cứng của các cấu kiện, khung bêtông cốt thép có thể bị phá hoại do cắt


29

30

Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ tại một số điểm trên cấu kiện được đo

CHƯƠNG II:

dẫn đến các máy tính nhờ các thermocouples đặt sẵn trong cấu kiện trong quá

XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP

trình chế tạo. Nhiệt độ xung quanh cấu kiện (trong buồng đốt) được đo bằng

– BÊTÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY

các thermoplates.

2.1. Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện liên hợp thép – bêtông trong
điều kiện cháy theo phương pháp tính đơn giản hóa của tiêu chuẩn Eurocodes
(EN 1994 -1-2) [13]
2.1.1. Tải trọng tác dụng
Thực tế đã chứng minh rằng xác suất để đám cháy lớn sinh ra, tồn tại
đồng thời với mật độ tải trọng lớn tác dụng lên kết cấu là nhỏ. Eurocode 4
phần 1.2 đã giới thiệu nguyên tắc xác định tải trọng tính toán trong trường
hợp kết cấu làm việc chịu lửa. Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện
chịu lửa được chia làm 3 loại chính:
Hình 1.16: Lò đốt tiêu chuẩn [8]

- Tải trọng thường xuyên (Gk): khi tính toán chịu lửa, Gk vẫn được xét đến

1.3.4. Các phương pháp tính toán khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép

một cách nguyên vẹn, không điều chỉnh.

– bêtông trong điều kiện cháy: [13]

- Hoạt tải (Qk): vì lửa được xét là một tác động có tính tai nạn đối với kết cấu

Theo Eurocode 4 thì để đánh giá sự làm việc việc của kết cấu liên hợp
trong quá trình chịu cháy thì có thể dùng một trong ba phương pháp như sau:
- Phương pháp tra bảng: Dựa vào kết quả thiết kế theo bảng cho sẵn
cho từng loại cấu kiện kết cấu dầm, sàn, cột.
- Phương pháp tính toán theo mô hình đơn giản: tính toán cho từng loại
cấu kiện (Trình bày trong chương II)
- Phương pháp tính toán theo mô hình tiên tiến: có thể tính toán tổng

thể cho toàn bộ kết cấu, cho từng phần của kết cấu hoặc cho từng loại cấu
kiện. Phương pháp này thường phụ thuộc vào khả năng của phần mềm phân

xây dựng nên giá trị hoạt tải được giảm đi bằng cách nhân Qk với một hệ số tổ
hợp ψ1 có trị số biến thiên từ 0,5 đến 0,9, phụ thuộc vào chức năng sử dụng
của công trình.
- Các tác động gián tiếp do lửa gây ra (Ad)
Để xét đến ảnh hưởng tác động của các dạng tải trọng tác dụng lên kết cấu
trong điều kiện chịu lửa, người ta sử dụng hệ số giảm tải ηfi, được định nghĩa:

ηfi = Efi,d / Ed
Ed

: là giá trị nội lực tồn tại trong kết cấu trong điều kiện chịu lực

bình thường
: là giá trị nội lực khi tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa

tích kết cấu có hay không kể đến: biến dạng nhiệt, ứng suất dư, tính phi tuyến

Efi,d

vật liệu, phi tuyến hình học... Luận văn này trình bày phương pháp tính toán

Trong nhiều trường hợp, khi xét ở một thời điểm cụ thể ηfi được ký

theo mô hình tiên tiến sử dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAFIR.

hiệu là ηfi,t được xác định như sau:

31

32

* Tiêu chuẩn về tính kín (E): các vết nứt, các lỗ hổng không được phép

ηfi,t = Efi,d,t / Rd
Rd

: là cường độ tính toán của vật liệu tại điều kiện nhiệt độ bình

qua.

thường
Efi,d, t : là giá trị nội lực khi tính toán kết cấu ở thời điểm t trong điều
kiện chịu lửa
Thông thường, giá trị này khi biểu thị theo các thành phần tải trọng, được xác
định theo công thức sau:

η fi =

γ GA .Gk + ψ 1,1Qk ,1
γ G .Gk + γ Q ,1Qk ,1

Gk

: là giá trị đặc trưng của tải trọng thường xuyên

Qk,1

: là giá trị hoạt tải chính

γGA

: là hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu

: là hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện

thường, γG = 1,35
: là hệ số vượt tải của hoạt tải chính trong điều kiện chịu thường,

γQ,1 = 1,5
ψ1,1

riêng biệt không lộ trong lửa không được vượt quá nhiệt độ bốc cháy.
* Tiêu chuẩn về khả năng chịu lực (R): các cấu kiện phải đảm bảo khả
năng chịu lực trong suốt thời gian chịu lửa yêu cầu.
Về nguyên tắc tính toán, khi kể đến cả ba tiêu chuẩn này, người ta có
thể xử lý thông tin theo ba cách sau:
thực tế yêu cầu tfi,d ≥ tfi
* Tại một thời điểm t cho trước trong điều kiện chịu lửa, khả năng chịu
lực của kết cấu phải lớn hơn tải trọng thực tế tác dụng lên nó Rfi,d,t ≥ Efi,d,t
* Nhiệt độ tới hạn của kết cấu theo thiết kế phải lớn hơn nhiệt độ mà

lửa, γGA = 1

γQ,1

* Tiêu chuẩn về cách nhiệt (I): nhiệt độ trên bề mặt của các cấu kiện

* Thời gian chịu lửa thiết kế kết cấu phải lớn hơn thời gian chịu lửa mà

Trong đó:

γG

xuất hiện trong kết cấu vì chúng có thể cho nguồn lửa hay khí nóng truyền

: là hệ số tổ hợp khi xét đến xác xuất tồn tại của hoạt tải chính

cùng với tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa, ψ1,1= 0,5 – 0,9
Trong điều kiện chịu lửa, gió chỉ đóng vai trò là tác nhân ảnh hưởng
trực tiếp đến tốc độ cháy của ngọn lửa chứ không được xét đến như một dạng
tải trọng tải tác dụng lên kết cấu.
2.1.2. Các nguyên tắc tính toán cơ bản
Các cấu kiện khi được tính toán theo yêu cầu chống cháy đều phải thỏa
mãn ba tiêu chuẩn sau:

kết cấu đạt tới trong điều kiện chịu lửa thực tế θcr,d ≥ θ
Về công cụ thực hiện, tùy thuộc vào trạng thái làm việc của cấu kiện và
công năng sử dụng của công trình mà có thể sử dụng một trong ba phương
pháp sau:
* Phương pháp tính toán đơn giản, dùng cho các cấu kiện điển hình.
* Thiết lập phương trình tính, kết quả được thể hiện thông qua các bảng
dữ liệu, dùng cho các cấu kiện điển hình.
* Phương pháp tính toán tiên tiến: kể tới các yếu tố biến dạng nhiệt,

ứng suất dư, tính phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học ...để phân tích sự làm
việc thực tế của một kết cấu tổng thể

Trong phạm vi luận văn, tác giả chỉ đề cập đến Tiêu chuẩn về khả năng chịu
lực (R):


33

34

2.1.3. Bản sàn liên hợp thép – bêtông không được bảo vệ

Do không kể đến ảnh hưởng của tấm tôn nên cốt thép đóng vai trò chịu

Bản sàn liên hợp thép – bêtông đang sử dụng khá rộng rãi. Khi thi

lực chính, bản sàn được tính toán như bản bêtông cốt thép thường nhưng chịu

công, bêtông được đổ trực tiếp lên tấm tôn vừa đóng vai trò chịu lực vừa là

tải trọng nhiệt. Bản sàn sẽ bị phá hoại khi ứng suất trong cốt thép đạt đến giới

ván khuôn. Ưu điểm cơ bản của dạng kết cấu này là thuận lợi và tiết kiệm

hạn chảy. Bêtông có nhiệm vụ cách nhiệt cho cốt thép và kiểm soát quá trình

thời gian thi công. Tùy thuộc vào từng công trình cụ thể mà tấm sàn có thể

lan truyền nhiệt qua bản sàn. Việc sử dụng bêtông cốt liệu nhẹ để thực hiện

cấu tạo có gối tựa đơn giản hay liên tục.

hai vai trò trên có nhiều ưu điểm hơn so với bêtông thường, ngoài ra tốc độ

Khi nghiên cứu trạng thái làm việc chịu lửa, người ta giả thiết rằng tấm

giảm cường độ của bêtông nhẹ cũng chậm hơn. Như vậy, tấm tôn, cốt thép và

tôn không được cách nhiệt, bị nung nóng dưới tác trực tiếp của ngọn lửa và

bêtông đều có những chức năng riêng, người ta đã nghiên cứu sự làm việc

cũng không có sự cách nhiệt giữa bản sàn bêtông và lớp bêtông láng bề mặt.

tổng thể của kết cấu theo hai tiêu chuẩn I và R. Luận văn chỉ trình bày tiêu

Chính vì vậy, nhiệt độ trong tấm tôn sẽ tăng rất nhanh, tự động biến dạng và

chuẩn R

được xem là làm việc độc lập với phần bêtông. Trong các quan điểm tính toán

* Tiêu chuẩn R:

truyền thống, người ta bỏ qua sự tham gia chịu lực của tấm tôn trong điều
kiện chịu lửa.

Dưới tác động của nhiệt độ cao, các đặc tính cơ học của vật liệu đều
giảm xuống, làm cho cả cường độ và độ cứng chống uốn của tấm sàn cũng
giảm theo. Trong thực tế, do khả năng chịu nhiệt cao của bêtông và do sự
thoát hơi nước trên bề mặt bêtông mà nhiệt độ của tấm tôn luôn nhỏ hơn nhiệt

độ của đám cháy. Vì vậy trong nhiều trường hợp người ta không xét đến ảnh
hưởng của tấm tôn khi tính toán độ bền chịu lửa. Trong nhiều trường hợp khi
tấm tôn được cố định tại gối (thông qua các chốt liên kết với dầm) hoặc khi
tấm tôn được bố trí tại phần bản sàn có nhiệt độ thấp hơn (khi bản sàn có kích
thước lớn, nhiệt độ phân bố trong sàn không đều), biến dạng dọc trục của tấm
Hình 2.1: Hình ảnh tấm tôn sàn [9]
Tuy nhiên trong thực tế, tấm tôn đóng một vai trò khá quan trọng, nó
vừa giống như một tấm cứng ngăn không cho lửa, khói truyền qua, giảm tốc

độ truyền nhiệt trong bêtông và có tác dụng hạn chế hiện tượng nứt, vỡ
bêtông. Vì vậy mà tiêu chuẩn E về tính kín luôn thỏa mãn đối với dạng kết
cấu này.

tôn bị hạn chế, làm cho bản sàn cũng bị ngăn cản trong mặt phẳng của nó.
Kết quả là ứng lực màng trong sàn tăng lên và làm tăng khả năng chịu lửa của
tấm sàn.
Theo phương pháp tính toán đơn giản, khi chịu lực trong điều kiện chịu
lửa, trục trung hòa của bản sàn được xác định từ phương trình cân bằng ứng
suất:


35

 f ay ,i 
 f

 + 0,85∑ A j kc ,θ , j  c , j 
∑ Ai k y ,θ ,i 

γ


γ
 M , fi ,a 
 M , fi ,c 

36

khoảng cách từ các bề mặt bị đốt nóng đến cốt thép, được biểu diễn theo một
hàm vị trí “z”:

1
1
1
1
=
+
+
z
u1
u2
u3

Trong đó:
f ay ,i / γ M , fi ,a : là cường độ tính toán của phần diện tích thép Ai ở điều kiện

nhiệt độ thường, lấy giá trị dương với phần chịu nén và lấy giá trị âm với
phần chịu kéo của tiết diện bản sàn.

Với ui là các khoảng cách vuông góc từ cốt thép đến các cạnh của tấm tôn (về
cấu tạo, u1 và u2 ≥ 50mm; u3 ≥ 35mm)

f c , j / γ M , fi ,c : là cường độ tính toán của phần diện tích bêtông Aj ở điều

kiện nhiệt độ thường, chỉ lấy giá trị dương (vì bỏ qua sự làm việc của bêtông
chịu kéo).

θ s = c0 +

Trong đó α là góc nghiêng của bản bụng tấm tôn so với phương nằm ngang.

k y ,θ ,i và kc ,θ , j là hệ số suy giảm cường độ của vật liệu thép và bêtông

Cèt thÐp
u1

Khi đó khả năng chịu mômen của bản sàn có giá trị:

Trong đó zi và zj lần lượt là khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng
tâm của phần diện tích Ai và Aj

Để kết cấu thỏa mãn điều kiện bền thì giá trị tính toán theo tải trong lửa

u2

u1

u3

u2

Hình 2.2: Các khoảng cách ui để xác định hàm vị trí z [13]
Các hệ số ci được tra bảng sau, phụ thuộc vào thành phần cốt liệu của bêtông
và cấp bền chịu lửa yêu cầu:
Bảng 2.1: Giá trị ci tương ứng với bêtông thường và bêtông nhẹ [13]
Bêtông

phải nhỏ hơn khả năng chịu mômen này, tức là M fi ,Sd ≤ M fi ,Rd . Vấn đề đặt ra
là ta phải phân tích nhiệt, xác định sự phân bố nhiệt độ trong từng phần của

Bêtông

tiết diện bản sàn ứng với các trường hợp chịu lực cụ thể:

thường

- Khi tính toán khả năng chịu mômen dương của bản sàn, không chỉ
tấm tôn mà cả phần bêtông chịu kéo cũng được bỏ qua. Nếu các yêu cầu cấu

Bêtông

tạo về cách nhiệt được thỏa mãn thì nhiệt độ của phần cấu kiện không lộ trực

nhẹ

tiếp trong lửa thấp, vì vậy phần bêtông chịu nén được coi như là không giảm

u3

α

khi làm việc trong điều kiện chịu lửa.

 f

 f 
M = ∑ Ai k y ,θ ,i  ay ,i  + 0,85∑ Aj kc ,θ , j  c , j 
γ

γ

 M , fi ,a 
 M , fi ,c 

c1u3
cA
c
+ c2 z + 3 + c4α + 5 (0C)
h2
Hp
l3

C ấp b ền

c0

c1

chịu lửa

(0C)

(0C)

c2

R60

1191

-250

-240

R90

1342

-256

R120

1387

R60

c3

c4

c5

(0C/0)

(0C.mm)

-5,01

1,04

-925

-235

-5,30

1,39

-1267

-238

-227

-4,79

1,68

-1326

1336

-242

-292

-6,11

1,63

-900

R90

1381

-240

-269

-5,46

2,24

-918

R120

1397

-230

-253

-4,44

2,47

-906

(0C.mm1/2) (0C.mm)

cường độ. Hàm lượng cốt thép chịu kéo và nhiệt độ của cốt thép sẽ quyết định

Khi tính toán khả năng chịu mômen âm, ta vẫn bỏ qua sự làm việc của

khả năng chịu mômen dương của bản sàn. Nhiệt độ này phụ thuộc vào

tấm tôn và phần bêtông chịu kéo. Do phần bêtông chịu nén lộ trực tiếp trong


37

38

lửa nên phải xét đến sự giảm tiết diện tính toán. Trong trường hợp này, ta tính

+ Điểm 1: điểm nằm giữa sóng tôn, cách bản cánh dưới của tấm tôn một

giá trị nhiệt độ giới hạn θlim:

khoảng được xác định theo 2 giá trị tọa độ X1 và Y1
0

θlim = d0 + d1Ns + d3Φ + d2A/Hp + d4/l3 ( C)

X1 = 0; Y1 =

Trong đó:
Ns = As . fay là lực kéo của phần cốt thép chịu kéo
Với hệ số di phụ thuộc vào thành phần cốt liệu của bêtông và cấp bền
chịu lửa theo yêu cầu

Bêtông
thường
Bêtông
nhẹ

1
 − 4
z
l1 + l3







2

trong đó z được tính từ phương trình xác

định nhiệt độ của cốt thép θs khi thừa nhận u3/h2 = 0,75 và θs = θlim
+ Điểm 4: điểm nằm giữa hai sóng tôn, cách bản cánh trên của tấm tôn một

Bảng 2.2: Giá trị di tương ứng với bêtông thường và bêtông nhẹ [13]
Bêtông

1

d1.10

-4

C ấp b ền

d0

chịu lửa

0

( C)

( C.N)

( C.mm)

R60

867

-1,9

-8,75

0

d2
0

d3
0

d4
0

( C.mm) ( C.mm)
-123

khoảng được xác định theo 2 giá trị tọa độ X4 và Y4
X4 =


1
1
1
l1 + l3 ; Y4 = h2 + b trong đó b = l1 sin α 1 −

2

2
2


-1378

R90

1055

-2,2

-9,91

-154

-1990

R120

1144

-2,2

-9,71

-166

-2155

R60

1030

-2,6

-10,95

-181

-1834

R90

1159

-2,5

-10,88

-208

-2233

R120

1213

-2,5

-10,09

-214

-2320

Từ trạng thái phân bố nhiệt trên tiết diện tấm sàn, ta vẽ đường đẳng

a 2 − 4a + c 

a


2

1
 2h2 
1 
 ; a =  −
l1 sin α

h2 
 l1 − l2 
z

Với α = arctan

(

)

(

)

c = −8 1 + 1 + a khi a ≥ 8 và c = 8 1 + 1 + a khi a < 8

+ Điểm 2: nằm trên đường thẳng ngang, có cùng cao độ với điểm 1, cách bản
bụng của tấm tôn một khoảng bằng khoảng cách từ nó đến bản cánh dưới
1
Y
X 2 = l2 + 1 (cos α − 1) ; Y2 = Y1
2
sin α

nhiệt, nối tất cả các điểm có nhiệt độ giới hạn θlim (tức là phần nằm trên

+ Điểm 3: nằm trên đường thẳng ngang, có cùng cao độ với bản cánh trên của

đường đẳng nhiệt này). Đường đẳng nhiệt được xác định thông qua 4 tiết diện

tấm tôn, cách bản bụng một khoảng bằng khoảng cách từ điểm (4) đến bản

Y

PhÇn bª t«ng tÝnh to¸n

Cèt thÐp chÞu kÐo

h1

(4)

(3)
(1)

h2
l 3 /2

(2)

§−êng ®¼ng nhiÖt θ lim

l2

X

l1

l 3 /2

Hình 2.3: Xác định đường đẳng nhiệt θ = θlim [13]

1
2

cánh trên: X 3 = l1 +

b
; Y3 = h2

sin α

Trong trường hợp này, phần bêtông trên cùng có hàm lượng cốt thép
chịu kéo và nhiệt độ của cốt thép sẽ quyết định khả năng chịu mômen âm của
bản sàn. Nhiệt độ của cốt thép chịu kéo có thể lấy bằng nhiệt độ của bêtông
tại vị trí đặt cốt thép.


39

2.1.4. Dầm liên hợp thép – bêtông
Dầm liên hợp không bọc bêtông:
Trong điều kiện chịu lửa, do tiết diện dầm thép không được bảo vệ nên
có một sự khác biệt đáng kể giữa nhiệt độ của bản cánh trên (phần liên kết
với bản sàn bêtông) và bản cánh dưới (phần lộ trực tiếp trong lửa). Điều này
có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu uốn của tiết diện liên hợp.
a. Trường hợp chịu mômen dương:
- Khi bản sàn bêtông có chiều dày lớn hơn 120mm, dầm thép có chiều
cao tiết diện nhỏ hơn hoặc bằng 500mm, ta giả thiết rằng nhiệt độ phân bố

đều trên tiết diện dầm thép và sử dụng phương pháp nhiệt độ tới hạn. Kết cấu
thỏa mãn yêu cầu chịu lực trong điều kiện chịu lửa khi θfi,t ≤ θcri,t
Khi đó, ηfi,t là hệ số giảm tải khi xét đến ảnh hưởng của các dạng tải trọng tác
dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa được xác định:

η fi ,t =

E fi ,d ,t

f ay , 200 C / γ M ,a : là cường độ tính toán của thép trong điều kiện nhiệt độ

thường ở 200C
f a max,θcr / γ M , fi ,a : là cường độ tính toán của thép trong điều kiện chịu lửa

Điều này đã chứng minh rằng trạng thái làm việc chịu nén của bêtông
không ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu uốn của dầm liên hợp trong điều
kiện chịu lửa. Do bản cánh dưới và bản bụng lộ trực tiếp trong lửa làm cường

độ bị giảm nhanh nên khả năng chịu kéo của dầm thép là khá nhỏ. Vì vậy vị
trí trục trung hòa của tiết diện dầm liên hợp nằm trong phần bản sàn bêtông
và chỉ một phần nhỏ bêtông sàn chịu nén. Như vậy, khả năng chịu mômen
dương của tiết diện được quy định bởi trạng thái làm việc của tiết diện dầm
thép. Trong thực tế, γM,fi,a=1; γM,a=1,1.

η fi ,t =

R fi ,d ,t
Rd

=

f a max,θcr
f
hay 0,9η fi ,t = a max,θcr
0,9 f ay , 200 C
f ay , 200 C

- Khi dầm thép cao hơn 500mm, bản sàn nhỏ hơn 120mm, ta sử dụng

Rd

phương pháp mômen, tính toán theo trạng thái làm việc dẻo của vật liệu. Sự

Trong đó:
Efi,d,t : là kết quả tính toán các tác động tại thời điểm t trong điều kiện

chịu lửa.
Rd: là cường độ tính toán của vật liệu thép tại điều kiện nhiệt độ

phân bố nhiệt độ trong tiết diện được thể hiện trên hình 2.8: bao gồm nhiệt độ
của bản cánh trên θ2, nhiệt độ của bản bụng θw và nhiệt độ của bản cánh dưới

θ1. Trong khoảng thời gian chịu lửa cho phép, vị trí trục trung hòa được xác
định từ sự cân bằng các lực kéo T ở phần dưới và các lực nén F ở phần trên

thường.

Ở trạng thái tới hạn, khi nhiệt độ trong kết cấu đạt θcrit thì Efi,d,t = Rfi,d,t
với Rfi,d,t là cường độ tính toán của vật liệu thép tại thời điểm t trong điều kiện

của tiết diện.
Bề rộng tính toán của bản sàn được xác định giống như trong trường
hợp dầm liên hợp chịu lực ở điều kiện thường. Giả thiết rằng trục trung hòa

chịu lửa.

η fi ,t =

40

E fi ,d ,t

Rd

=

R fi ,d ,t
Rd

=

f a max,θcr / γ M , fi ,a
f ay , 200 C / γ M ,a

nằm ở trong phần bản bêtông, cách mép trên của bản một khoảng hu, lực nén
của bêtông được tính toán theo công thức:
F=

f ay , 20 C (hu bef )
0

γ M , fi ,c


41

42

Bỏ qua khả năng chịu kéo của bêtông, lực kéo của tiết diện dầm thép được
xác định: T =

b. Trường hợp chịu mômen âm:

f a ,max,θ (b1e1 ) + f a ,max,θw (hwew ) + f a ,max,θ (b2 e2 )
1

Bề rộng tính toán của bản sàn beff được xác định theo điều kiện trục

2

γ M , fi ,a

trung hòa của tiết diện không nằm trong sàn bêtông, xem như bỏ qua toàn bộ

beff

f c / γM,fi,c
hu

áp dụng để tính toán trong điều kiện nhiệt độ thường. Sự phân bố nhiệt độ

-

θc

hc

khả năng chịu lực của bêtông. Bề rộng này cũng không được lớn hơn bề rộng
F

f amax,θ / γM,fi,a

trong tiết diện được thể hiện trên hình sau, bao gồm nhiệt độ cốt thép θs, nhiệt

2

b2

h

ew

e2

θ2

độ của bản cánh trên θ2, nhiệt độ của bản bụng θw và nhiệt độ của bản cánh
hw

θw

+
famax,θ / γM,fi,a
w

dưới θ1

T

yF

beff

Ar

yT

b1

e1

θ1

f amax,θ / γM,fi,a
1

f r / γM,fi,r

hc

b2

Hình 2.4: Sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong tiết diện dầm liên hợp không

e2

T

+

θc

f amax,θ / γM,fi,a

2
θ2

bọc bêtông, áp dụng tính khả năng chịu mômen dương. [13]
Vì F = T → chiều cao vùng bêtông chịu nén hu =

T

h

ew

beff f c , 20 C / γ M , fi ,c

hw

θw

-

F

0

yF

Gọi yT, yF lần lượt là khoảng cách từ mép dưới của dầm đến trọng tâm của
b1

vùng kéo và trọng tâm của vùng nén:

yT =

f amax,θ / γM,fi,a
1

Hình 2.5: Sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong tiết diện dầm liên hợp không

Tγ M , fi ,a

bọc bêtông, áp dụng tính khả năng chịu mômen âm [13]

→ Khả năng chịu mômen dương của toàn tiết diện M

Khi trục trung hòa nằm tại vị trí tiếp xúc giữa bản sàn bêtông và tiết
+
fi , Sd

= T ( y F − yT )

Để kết cấu thỏa mãn điều kiện bền thì giá trị tính toán theo tải trọng lửa
phải nhỏ hơn giá trị mômen này, tức là : M +fi ,Sd ≤ M +fi ,Rd
Trong trường hợp bản sàn có tấm tôn dập nguội bên dưới, ta cũng có

diện dầm thép, khả năng chịu mômen âm của tiết diện liên hợp được xác định
theo công thức: M −fi ,Sd = T − ( y F− − yT− )
Trong đó T- là tổng hợp lực kéo của cốt thép nằm tròn bề rộng tính toán

beff− của bản sản được lấy bằng lực F- của tiết diện dầm thép:

cách tính tương tự, chỉ riêng chiều cao bản sàn được tính bởi chiều cao hiệu

quả heff.

e1

θ1

f a ,max,θ1 (0,5b1e12 ) + f a ,max,θw (hw ew )(e1 + 0,5hw ) + f a ,max,θ2 (b2 e2 )(h − 0,5e2 )

y F ≅ h + hc − 0,5hu

yT

famax,θ / γM,fi,a
w

T− =

f r , 200 C Ar

γ M , fi ,s

= F− =

f a ,max,θ1 (b1e1 ) + f a ,max,θw (hw ew ) + f a ,max,θ2 (b2 e2 )

γ M , fi ,a


43

44

Để kết cấu thỏa mãn điều kiện bền thì giá trị tính toán theo tải trọng lửa

Dầm liên hợp được bọc bêtông một phần
Sự nóng lên của tiết diện ngang dầm liên hợp được bọc bêtông một

phân bố nhỏ hơn giá trị mômen này tức là: M −fi ,Sd ≤ M −fi ,Rd
Khi trục trung hòa nằm trong tiết diện dầm thép, ta cũng áp dụng

phần phức tạp hơn dầm thép không được bảo vệ. Cánh dưới của dầm thép sẽ

phương pháp tính toán tương tự sau khi phân phối lại phần chịu nén và phần

nóng lên một cách trực tiếp, trong khi các bộ phận khác được bảo vệ bởi các

chịu kéo của tiết diện dầm.

lớp bêtông bọc. Lớp bêtông này sẽ tham gia chịu lực với cốt thép trong

c. Đối với điều kiện bền chịu cắt:

bêtông giữa các bán cánh. Vì vậy không thể xác định một cách chính xác

Đối với điều kiện bền chịu cắt, các chốt liên kết phải được kiểm tra để

nhiệt độ của từng bộ phận riêng rẽ trong tiết diện bằng các phương pháp tính

đảm bảo bêtông và tiết diện dầm thép cùng làm việc như một cấu kiện duy

toán đơn giản, để có thể so sánh chúng với một nhiệt độ giới hạn chung. Để

nhất. Trong điều kiện chịu lửa, lực cắt xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa

xác định khả năng chịu uốn của dầm trong trường hợp này, nhiệt độ của các

thép và bêtông tăng do có sự giãn dài khác nhau giữa thép và bêtông. Các

bộ phận trong tiết diện ngang được xem là phân bố đều hoặc biến thiên tuyến

chốt liên kết phải có đủ độ bền và độ cứng để chống lại lực cắt đó. Cường độ

tính, tiết diện có thể được tính toán giảm yếu hoặc có thể được tính toán trọn

chịu lực cắt được tính toán theo EC và là giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị sau:

vẹn nhưng cường độ bị giảm yếu.

0,8
Pfi ,Rd = PRd k max,θ = k max,θ
Pfi ,Rd = PRd kc ,θ = kc ,θ

πd 2
4

a. Trường hợp chịu mômen dương:

fu

beff

γ M , fi ,v

0,29αd 2

γ M , fi ,v

f c / γM,fi,c

hc ,h

f ck Ecm

hc ,fi

e2
bfi

Trong đó

θ : là nhiệt độ của chốt liên kết. Nhiệt độ này có thể lấy bằng 80% nhiệt
độ bản cánh của dầm thép.
fck: là cường độ cắt của bêtông khi được thí nghiệm trên mẫu hình trụ
Ecm: là môđun cắt của bêtông khi được thí nghiệm trên mẫu hình trụ
fu: là cường độ chịu kéo cực hạn của vật liệu chốt, ≥ 500N/mm2
kmax; kc : là hệ số suy giảm cường độ của chốt và bêtông
Những công thức này chỉ đúng với các chốt có kích thước nhỏ hơn
25mm. Nếu chốt có đường kính lớn hơn thì sự làm việc của chúng phải được
xác định thông qua thí nghiệm.

hh
h

-

ew

bfi

f ay / γM,fi,a

bc

hw

us
hl
e1

u2

f ay / γM,fi,a
+

k r .f ry / γM,fi,s
f ay,θ / γM,fi,a

u1

kay.f ay / γM,fi,a

Hình 2.6: Tiết diện và cường độ tính toán chịu mômen dương trong điều kiện
chịu lửa của dầm liên hợp bọc bêtông một phần [13]
- Đối với tấm sàn bêtông: chỉ có phần bêtông chịu nén không ảnh
hưởng của nhiệt độ là được kể đến trong tính toán. Cường độ chịu nén tính


45

46

toán của bêtông bằng (fc,200C / γM,fi,c). Chiều rộng tính toán của sàn bêtông beff

- Bản bụng dầm thép: được chia thành 2 phần, phần trên hh không chịu

được lấy bằng chiều rộng tính toán ở nhiệt độ thường. Chiều dày bị giảm yếu

ảnh hưởng của ngọn lửa nên vẫn giữ ở nhiệt độ 200C và không bị giảm cường

hc,fi thay đổi theo cấp bền chịu lửa, tra theo bảng sau:

độ chịu lực. Phần dưới hl có sự thay đổi nhiệt độ một cách tuyến tính từ 200C

Bảng 2.3: Giá trị hc,fi tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]
Cấp bền chịu lửa

Giá trị hc,fi (mm)

Thời gian chịu lửa là 30 phút (R30)

10

Thời gian chịu lửa là 60 phút (R60)

20

Thời gian chịu lửa là 90 phút (R90)

30

Thời gian chịu lửa là 120 phút (R120)

40

Thời gian chịu lửa là 180 phút (R180)

55

- Đối với bản cánh trên của dầm thép: cường độ tính toán vẫn được lấy
trọn vẹn (fay,200C / γM,fi,a), nhưng phần mép bản có bề rộng bfi không được xét

đến nhiệt độ mép của bản cánh dưới. Vì vậy, cường độ tính toán cũng giảm
tuyến tính theo nhiệt độ.
Khi

a ae
h
≤ 1 hoặc ≥ 2 thì hl = l + 2 w ≥ hl .min
bc
bc bc h

Khi 1 <

h
< 2 thì hl được tính theo bảng sau:
bc
Bảng 2.5: Giá trị hl tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]

C ấp b ền
chịu lửa

đến trong tính toán với giả thiết rằng chúng cũng chịu tác động trực tiếp của

Cấp bền chịu lửa

b − bc
+
2
2

Thời gian chịu lửa là 30 phút (R30)
Thời gian chịu lửa là 60 phút (R60)

ef

Thời gian chịu lửa là 90 phút (R90)

ef

Thời gian chịu lửa là 120 phút (R120)

ef

Thời gian chịu lửa là 180 phút (R180)

ef

2
2
2
2

(mm)

3600
bc

20

R60

9500 20000.ew 
h
 2 − 
+
bc
h.bc 
bc 

30

R90

1400 75000.ew 85000.ew 
h
 2 − 
+
+
bc
h.bc
h.bc 
bc 

40

Giá trị bfi (mm)
ef

hl,min

R30

ngọn lửa, giá trị bfi phụ thuộc vào cấp bền chịu lửa. Tra theo bảng sau:
Bảng 2.4: Giá trị bfi tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]

hl (mm)

+

b − bc

+ 10
2

R120

23000 110000.ew 70000.ew 
h
 2 − 
+
+
bc
h.bc
h.bc 
bc 

45

+

b − bc
+ 30
2

R180

35000 250000.ew 150000.ew 
h
 2 − 
+
+

bc
h.bc
h.bc
bc 


55

+

b − bc
+ 40
2

+

b − bc
+ 60
2

Trong đó
h

:là chiều cao tiết diện dầm

ew

:là chiều dày bản bụng dầm

47

48

Bảng 2.6: Giá trị a1; a2 tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]
h/bc

h/bc ≤ 1

h/bc ≥2

Cấp bền chịu lửa

a1 (mm2)

a2 (mm2)

hl,min (mm)

của ngọn lửa nên nhiệt độ được xem như phân bố đều. Do đó, diện tích chịu

R30

3600

0

20

lực không bị giảm yếu nhưng cường độ tính toán bị giảm bởi hệ số ka phụ

R60

9500

20000

30

thuộc vào cấp bền chịu lửa, tra theo bảng 2.9.

R90

14000

160000

40

R120

23000

180000

45

trên của bản cánh dưới ui và chiều dày lớp bêtông bảo vệ us. Khi đó, hệ số kr
không chỉ là một hàm của cấp bền chịu lửa mà còn biến thiên theo hàm vị trí

R180

35000

400000

55

R30

3600

0

20

R60

9500

0

30

R90

14000

75000

40

R120

23000

110000

45

R180

35000

250000

55

Bảng 2.7: Giá trị ka,max, ka,min tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]
C ấp b ền

- Nhiệt độ của cốt thép: phụ thuộc vào khoảng cách từ chúng đến mép

u=

1
1 1
1
+
+

ui u si bc − ew − u si

Trong thực tế kr cũng có thể được xác định theo công thức kinh nghiệm
k r ,min ≤ k r =

ua3 + a4
a5 ≤ k r ,max
Am / V

Trong đó u, Am, V được tính bằng mm, và a3, a4, a5 được cho trong
bảng sau:

Giá trị ka

ka,min

ka,max

R30


84
h 
1,12 − +
(0,018e f + 0,7 )
b
22
bc 

c

0,5

0,8

R60


26
h 
 0,21 −
(0,018e f + 0,7 )
+
b
24
bc 

c

0,12

0,4

R90


17
h 
 0,12 − +
(0,018e f + 0,7 )

b
38
bc 

c

0,06

0,12

R120


15
h 
 0,1 − +
(0,018e f + 0,7 )
bc 40bc 


0,05

0,1

R180


3
h 
 0,03 − +

(0,018e f + 0,7 )
bc 50bc 


0,03

0,06

chịu lửa

- Đối với bản cánh dưới: vì toàn bộ cánh dưới chịu ảnh hưởng trực tiếp

Bảng 2.8: Các giá trị a3, a4, a5 tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]
Cấp bền chịu lửa

a3

a4

a5

kr,min

kr,max

R30

0,062

0,16

0,126

0,1

1

R60

0,034

-0,04

0,101

0,1

1

R90

0,026

-0,154

0,090

0,1

1

R120

0,026

-0,284

0,082

0,1

1

R180

0,024

-0,562

0,076

0,1

1

- Phần bêtông giữa các bản cánh: không được xét đến khi tính toán
khả năng chịu uốn của tiết diện, nhưng cũng được kiểm tra theo điều kiện
chịu cắt khi giả thiết rằng nó có khả năng chống cắt theo phương đứng.

49

50

b. Trường hợp chịu mômen âm:
beff

Bảng 2.9: Các giá trị kr tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]
k r .f ry / γM,fi,s

Cấp bền chịu lửa

hc

+
e2
bfi

ew

bfi,c

e1

M,fi,a

f c / γM,fi,c

hw

hfi,c hl

f ay / γ

bc

hh
h

bfi

-

kr,min

kr,max

R30

1

0

1

R60

0,022u+0,34

0

1

R90

0,0275u-0,1

0

1

R120

0,022u-0,2

0

1

R180

0,018u-0,26

0

1

- Phần bêtông giữa các bản cánh: được tính với cường độ không giảm

us

k r .f ry / γM,fi,s

u2

Giá trị kr

yếu (fc,200C / γM,fi,c), nhưng tiết diện giảm yếu theo cả hai phương với các giá
tương ứng hfi và bfi. Phần cốt thép được tính toán tương tự như trong trường

u1
b

hợp dầm chịu mômen dương.
Bảng 2.10: Giá trị hfi tương ứng với các cấp bền chịu lửa [13]

Hình 2.7: Tiết diện và cường độ tính toán chịu mômen âm trong điều kiện

Cấp bền chịu lửa

hfi (mm)

hfi,min (mm)

R30

25

25

R60

165 − 0,4bc − 8h / bc

30

R90

225 − 0,5bc − 8h / bc

45

xét đến. Ngoài ra, cả phần bản bụng và bản cánh dưới đều không được xét

R120

290 − 0,6bc − 10h / bc

55

đến trong tính toán.

R180

360 − 0,7bc − 10h / bc

65

chịu lửa của dầm liên hợp bọc một phần bêtông [13]
- Đối với tiết diện dầm thép: các công thức tính tiết diện giảm yếu cho
bản cánh trên, bản cánh dưới và bản bụng cũng tương tự như khi chịu mômen

dương. Riêng trường hợp dầm liên tục, bản cánh trên bị kéo nên không được

- Đối với tấm sàn bêtông: chiều rộng tính toán của sàn bêtông beff được
lấy bằng ba lần chiều rộng bản cánh trên của dầm thép. Tuy nhiên toàn bộ
phần bêtông chịu nén được bỏ qua, chỉ xét đến sự làm việc của phần thép sàn
nằm trong phạm vi chiều rộng tính toán nêu trên. Sự phân bố nhiệt độ và sự
giảm cường độ phụ thuộc khoảng cách u từ các thanh cốt thép đến mép trên
của bản sàn. Vì vậy, hệ số giảm cường độ kr của các thanh thép biến thiên
theo hàm vị trí u, lấy theo bảng sau:

Giả thiết rằng bỏ qua lực dọc, mômen giới hạn trong cả hai trường hợp
chịu mômen dương và mômen âm đều được tính toán một cách đơn giản bằng
cách tính tổng của từng phần ứng suất tương ứng với các bộ phận tham gia
chịu lực như đã xét ở trên. Để kết cấu thỏa mãn điều kiện bền thì giá trị
mômen này phải lớn hơn giá trị tính toán theo tải trọng lửa, tức là:

M +fi ,Sd = η fi M Sd ≤ M +fi ,Rd và M −fi ,Sd = η fi M Sd ≤ M −fi ,Rd