Nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa bằng thực nghiệm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.31 MB, 27 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
NGUYỄN ĐỨC VIỆT
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO VỆ KẾT CẤU THÉP
CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA BẰNG THỰC NGHIỆM
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và Công
nghiệp
Mã số: 62.58.02.08
HÀ NỘI - 2016
1
BỘ X
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG – BỘ XÂY DỰNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS NGUYỄN VÕ THÔNG
2. GS. TS PHẠM VĂN HỘI
Phản biện 1: GS.TS. ĐOÀN ĐÌNH KIẾN
Phản biện 2: PGS.TS. NGÔ VĂN XIÊM
Phản biện 3: PGS.TS. VŨ QUỐC ANH
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện theo
Quyết định số ……. ngày …….tháng…… năm……. của Giám đốc Viện
Khoa học công nghệ xây dựng, họp tại Viện Khoa học công nghệ xây dựng
vào hồi …… giờ ……. ngày……… tháng……. năm………
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Viện Khoa học công nghệ xây dựng.
- Thư viện Quốc gia
2
PHẦN MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Ở nước ta hiện nay, kết cấu thép chịu lực được sử dụng một cách phổ biến.Trong các
công trình nhà có kết cấu thép chịu lực, khi xảy ra cháy, các kết cấu thép sẽ nhanh
chóng bị biến dạng gây sập đổ công trình. Kết cấu thép khi không được bảo vệ
chống cháy, thời gian chịu lửa chỉ từ 15 phút đến 24 phút. Do đó, giải pháp bảo vệ
kết cấu thép chịu tác động của lửa nhằm tăng giới hạn chịu lửa là vấn đề hết sức
quan trọng trong xây dựng. Khi nghiên cứu về giải pháp bọc thạch cao bảo vệ chống
cháy đối với kết cấu thép, các vấn đề sau cần phải được làm sáng tỏ cả lý thuyết và
thực nghiệm. Đó là:
- Việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt của các tấm thạch cao do các nhà sản xuất cung cấp
để tính toán có phù hợp với điều kiện làm việc và có đảm bảo an toàn cho kết cấu
được bảo vệ không.
- Các tham số ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao bảo vệ chống cháy
khi các tấm này bị ẩm, do độ ẩm của không khí và tác động gia nhiệt để làm thoát
hết nước trong tấm.
- Ảnh hưởng khi tác động đồng thời của lửa lên số mặt của cấu kiện được bảo vệ 1,
2, 3, hoặc 4 mặt.
- Ảnh hưởng của chiều dày lớp không khí giữa tấm thạch cao và cánh của cột thép.
- Ảnh hưởng của chiều dày tấm thạch cao đến khả năng thoát nước do ẩm trong tấm
thạch cao, làm ảnh hưởng gián tiếp đến hệ số truyền nhiệt trong giai đoạn thoát nước
- Các yếu tố ảnh hưởng khác.
Hiện nay, kết cấu thép chịu lực chính dùng phổ biến là kết cấu khung. Trong kết cấu
này, cột đóng vai trò quan trọng, do vậy nghiên cứu sinh chọn hướng nghiên cứu của
luận án là “Nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa bằng
thực nghiệm”. Phạm vi của luận án tập trung nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc
của cột thép chịu nén đúng tâm được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc
dạng hộp chịu tác động của lửa.
1. Mục đích của luận án
Nghiên cứu xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống cháy và sự làm việc
của cột thép chịu nén đúng tâm được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc
dạng hộp chịu tác động của lửa.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Cột thép chịu nén đúng tâm được bọc tấm thạch cao dạng hộp chịu tác động của lửa.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa,
từ đó lựa chọn giải pháp bảo vệ phù hợp. Xác định được những vấn đề cần làm sáng
tỏ cho giải pháp đó để phù hợp với thực tiễn tác động của một đám cháy và điều kiện
khí hậu ẩm của Việt Nam.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống
cháy trong điều kiện khí hậu ẩm của Việt Nam.
- Cách xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao cho phù hợp với điều kiện thực tế,
đó là khi đám cháy xảy ra thì trong các tấm thạch cao vẫn có một lượng nước nhất
3
định do tác động của không khí ẩm và quá trình thoát nước này có ảnh hưởng đến hệ
số dẫn nhiệt của tấm thạch cao.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình truyền nhiệt trong vật rắn, sau đó truyền
qua môi trường không khí khi hệ số dẫn nhiệt trong vật rắn thay đổi. Từ đó xây dựng
mô hình tính toán sự truyền nhiệt trong kết cấu được bọc tấm thạch cao chống cháy,
có kể đến ảnh hưởng của hiện tượng đối lưu và bức xạ khi truyền nhiệt qua lớp
không khí.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ứng xử cơ học của kết cấu khi chịu tác động của tải
trọng và tác động của lửa cho cấu kiện cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm
thạch cao chống cháy. Từ đó xây dựng quy trình thuật toán tính kết cấu cột có và
không có lớp bọc bảo vệ bằng thạch cao chống cháy dạng hộp chịu tác động của đám
cháy tiêu chuẩn.
- Từ các mô hình đã lập, so sánh và phân tích ảnh hưởng của các tham số chính đến
sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép dưới tác động của lửa.
- Thí nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng của một số tham số chính đến sự truyền nhiệt
và khả năng chịu lực của cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc
dạng hộp dưới tác dụng của lửa.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định giá trị của hệ số dẫn nhiệt của tấm
thạch cao biến thiên theo quá trình mất nước do tác động của đám cháy tiêu chuẩn
gây ra.
- Sử dụng hệ số dẫn nhiệt đã xác định được để nghiên cứu sự làm việc của cột thép
chịu nén đúng tâm, được và không được bảo vệ bằng bọc tấm thạch cao chống cháy
chịu tác động của lửa.
- Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết, rút ra các kết quả nghiên cứu
của luận án.
5. Phạm vi nghiên cứu:
Cột thép chịu nén đúng tâm được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng
hộp chịu tác động của lửa.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Đưa ra được giải pháp bảo vệ cột thép chịu tác động của lửa phù hợp với điều kiện
Việt nam.
- Xây dựng được quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt có kể đến quá trình mất nước
trong tấm thạch cao do tác động của đám cháy tiêu chuẩn phục vụ cho việc tính toán
thời gian chịu lửa của kết cấu thép.
- Đã xét được các tham số ảnh hưởng chính liên quan trực tiếp đến các thông số thiết
kế, đánh giá cho giải pháp bảo vệ kết cấu chịu tác động của lửa bằng bọc tấm thạch
cao dạng hộp gồm: kích thước hình học của cột thép; chiều dày lớp thạch cao bảo
vệ; hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao lấy theo thông số do nhà sản xuất cung cấp và
theo thông số xác định từ thực nghiệm; tác dụng nhiệt theo 3 mặt và theo 4 mặt;
khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột thép; ảnh hưởng của giải
pháp bảo vệ; tải trọng nén đúng tâm đến sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực cho
mô hình cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng bọc tấm thạch cao chống cháy
4
dạng hộp dưới tác dụng của lửa.
- Đã thí nghiệm kiểm chứng, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết với thực nghiệm
cho trường hợp cột chịu nén đúng tâm được bọc bảo vệ bằng tấm thạch cao chống
cháy và trường hợp không bọc bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy.
7. Cấu trúc luận án
Ngoài các phần mở đầu, kết luận, mục lục, danh mục các tài liệu tham khảo, các
công trình khoa học đã công bố, các phụ lục hình vẽ, bảng biểu, luận án được bố cục
trong 4 chương: Chƣơng 1: Tổng quan về các giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác
động của lửa và lựa chọn giải pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam. Chƣơng
2:Nghiên cứu các yếu tố gián tiếp ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao
trong quá trình xảy ra cháy. Chƣơng 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số đến
sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép dưới tác động của lửa Chƣơng 4:
Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của một số tham số chính đến sự truyền nhiệt và
khả năng chịu lực của cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc
dạng hộp dưới tác dụng của lửa.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ KẾT CẤU
THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÙ HỢP
VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Đã tiến hành tổng quan theo các nội dung 1) Các giải pháp bảo vệ cột thép khỏi tác
dụng của lửa như Xây gạch ốp bên ngoài; Tạo lớp bê tông, cốt lưới thép bao xung
quanh cấu kiện; Ốp bên ngoài bằng vật liệu không cháy có hệ số dẫn nhiệt thấp (tấm
thạch cao chống cháy); Phun lớp vữa bảo vệ bên ngoài cấu kiện; Sơn chống cháy; 2)
Đã làm rõ các quy định và nghiên cứu trong và ngoài nước về bảo vệ cột thép chịu
tác động của lửa trong nước và trên thế giới; 3) Đã đưa ra các nghiên cứu về ứng xử
của cột thép được và không được bảo vệ trong điều kiện cháy trên thế giới và trong
nước. Từ tổng quan đã nhận xét rút ra: để nghiên cứu về giải pháp bảo vệ kết cấu
thép bằng bọc tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp thì cần làm rõ các nội dung
sau:
- Sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao theo mức độ mất nước dưới tác
động của một đám cháy tiêu chuẩn.
- Các yếu tố thực tiễn có ảnh hưởng đến mức độ tổn hao nước trong tấm thạch cao:
gia nhiệt (cháy) 1 mặt hay ở cả 2 mặt của tấm thạch cao; chiều dầy tấm thạch cao;
cường độ (tốc độ) gia nhiệt; số lượng tấm để tạo chiều dầy ốp...
4) Đã nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa phù hợp với
điều kiện Việt Nam dựa trên các điều kiện kinh tế - kỹ thuật; điều tra khảo sát tại
một số thành phố lớn ở Việt nam.
Từ các nghiên cứu tại chương 1, tác giả luận án đã rút ra một số kết luận như sau:
- Đối với kết cấu thép không được bảo vệ khi chịu tác động của nhiệt độ cao thì tính
chất cơ học của thép giảm dần và nhiệt độ giới hạn của thép là trong khoảng từ
500°C đến 550°C. Với nhiệt độ giới hạn này thì thời gian chịu tác dụng của lửa mà
kết cấu không bị sụp đổ là tương đối thấp trong khoảng từ 15 đến 24 phút.
- Các tiêu chuẩn trên thế giới có quy định về việc bảo vệ kết cấu thép để kết cấu đảm
bảo được thời gian chịu lửa theo quy định đối với từng loại công trình cụ thể. Trong
5
QCVN 06:2010/BXD có quy định thời gian chịu lửa tối thiểu là 90 phút đối với các
kết cấu chịu lực có bậc chịu lửa II, III thậm chí lên đến 150 phút đối với kết cấu có
bậc chịu lửa I. Vì vậy, cần phải có giải pháp bảo vệ kết cấu thép để phù hợp với các
quy định về bậc chịu lửa của kết cấu thép chịu lực như là dầm thép và cột thép.
- Hiện nay, có nhiều giải pháp bảo vệ kết cấu thép khỏi tác động của lửa như xây
gạch ốp bên ngoài, tạo lớp bê tông, lớp xi măng có cốt là lưới thép bao xung quanh
cấu kiện, ốp bên ngoài bằng vật liệu chống cháy như tấm thạch cao, phu lớp vữa bảo
vệ bên ngoài, sử dụng sơn chống cháy. Luận án đã tiến hành khảo sát việc sử dụng
các giải pháp bảo vệ tại một số thành phố và tiến hành so sánh về kinh tế giữa giải
pháp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp và bằng sơn phủ. Các kết quả so sánh
đã chỉ ra trong các giải pháp bảo vệ, việc sử dụng tấm thạch cao hiện là phổ biến hơn
cả và có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tốt hơn, đáp ứng điều kiện kinh tế và quy định kỹ
thuật của Việt Nam.
- Các nghiên cứu về ứng xử của cột thép được bảo vệ bởi tấm thạch cao bọc dạng
hộp cũng đã được đề cập đến trong một số nghiên cứu trong nước và trên thế giới.
Tuy nhiên các công trình đã nghiên cứu này chưa đề cập đến ảnh hưởng của độ ẩm
thực tế có trong các tấm thạch cao đến khả năng cách nhiệt của nó khi có đám cháy
xảy ra. Việc tính toán khả năng bảo vệ của tấm thạch cao chống cháy vẫn dựa trên cơ
sở hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao là hằng số ứng với tấm thạch cao đã mất nước
hoàn toàn, do hãng sản xuất cung cấp, trong khi tại thời điểm bị cháy, trong các tấm
thạch cao vẫn có một lượng nước do tác động của không khí ẩm. Tác động của nhiệt
trong quá trình cháy sẽ làm cho lượng nước này mất dần, làm cho hệ số dẫn nhiệt
thay đổi. Vì vậy việc tính toán thời gian cách nhiệt an toàn cho kết cấu được bảo vệ
khi sử dụng giá trị của hệ số dẫn nhiệt thay đổi do kể đến ảnh hưởng của quá trình
mất nước sẽ cho kết quả sát với thực tiễn, đảm bảo an toàn cho kết cấu.
- Định hướng nội dung nghiên cứu chính của luận án ở các chương tiếp theo là:
+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ mất nước trong tấm thạch cao, qua
đó tìm mối liên hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng này đến sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt
trong điều kiện chịu tác động của quy luật đám cháy tiêu chuẩn.
+ Nghiên cứu xây dựng quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao theo
mức độ mất nước trong tấm dưới tác động của đám cháy tiêu chuẩn.
+ Nghiên cứu thực nghiệm bằng mô hình để kiểm chứng tổng hợp các kết quả đã
nghiên cứu trên.
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ GIÁN TIẾP ẢNH HƢỞNG
ĐẾN HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA TẤM THẠCH CAO TRONG QUÁ TRÌNH
XẢY RA CHÁY
Nội dung chương 2 trình bày phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt phục vụ công tác
thiết kế bảo vệ kết cấu khi bị cháy và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ảnh
hưởng của các tham số đến khả năng mất nước trong tấm thạch cao, gồm: (1) Trạng
thái gia nhiệt; (2) Chiều dày tấm thạch cao chống cháy; (3) Tốc độ gia nhiệt. Do tác
động của không khí ẩm, các tấm thạch cao thường không ở trạng thái mất nước hoàn
toàn mà có một lượng nước nhất định. Lượng nước này trong tấm thạch cao sẽ giảm
dần đến trạng thái mất nước hoàn toàn do tác động của đám cháy. Cùng với quá trình
6
mất nước này, hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao cũng sẽ biến thiên giảm dần theo
thời gian bị tác động do cháy.
2.1.
Phƣơng pháp thí nghiệm để xác định hệ số dẫn nhiệt
a. Phƣơng pháp thí nghiệm do nhà sản xuất thực hiện
Trong các công trình nghiên cứu trước đây, việc xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
cách nhiệt được thực hiện trong điều kiện gia nhiệt ổn định và tác động nhiệt cả hai
mặt, không tính đến ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt, tốc độ khô của tấm thạch cao và
độ mở vết nứt khi tấm chịu tác động của nhiệt độ. Giá trị độ dẫn nhiệt của tấm thạch
cao được lấy bằng hằng số, ứng với trạng thái tấm thạch cao bị mất nước hoàn toàn.
Căn cứ vào phương pháp để xác định hệ số dẫn nhiệt nêu trên cho thấy có một số
yếu tố chưa phù hợp với điều kiện làm việc của tấm thạch cao khi bị tác động của lửa
do đám cháy gây ra, cụ thể:
- Khi đám cháy xảy ra, do tác động của không khí ẩm trong môi trường tấm thạch
cao làm việc nên tồn tại một lượng nước nhất định trong tấm. Lượng nước này sẽ
làm cho hệ số dẫn nhiệt ở trạng thái ban đầu lớn hơn hệ số dẫn nhiệt mà nhà sản xuất
đã cung cấp theo phương pháp xác định như trên.
- Việc thoát hết lượng nước còn tồn tại trong tấm thạch cao phụ thuộc vào nhiều yếu
tố như: (1) trạng thái gia nhiệt (tác động gia nhiệt của đám cháy chỉ tác động lên một
mặt của tấm thạch cao); (2) chiều dầy của tấm thạch cao; (3) cường độ gia nhiệt.
Như vậy, trong thời gian bảo vệ kết cấu khi chịu tác động của đám cháy, hệ số dẫn
nhiệt của tấm thạch cao sẽ thay đổi theo hướng giảm dần cùng quá trình mất nước có
trong tấm. Khi lượng nước trong tấm mất hết thì hệ số dẫn nhiệt mới ổn định và có
giá trị bằng hằng số.
b. Phƣơng pháp thí nghiệm đề xuất trong luận án
Để xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện bị
cháy, trong luận án đã tiến hành xác định hệ số dẫn nhiệt bằng cách gia nhiệt theo
một mặt bằng lò điện. Nhiệt độ được gia nhiệt tại mặt nóng (trong lò) theo đường
cong gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834.
Mẫu thí nghiệm được đặt phía trước lò điện và mặt trong của tấm tiếp xúc trực tiếp
với nguồn nhiệt (mặt nóng). Nguồn nhiệt này có khả năng điều chỉnh để duy trì ổn
định ở một nhiệt độ đốt nóng bất kỳ. Vị trí tiếp xúc giữa mẫu thử và lò được chèn vật
liệu cách nhiệt kín, đảm bảo không để nhiệt lượng trong lò thoát ra ngoài. Sự truyền
nhiệt trong tấm được giả thiết là đơn hướng, ổn định qua mặt cắt ngang của tấm và
tấm được coi như là vật liệu đồng nhất đẳng hướng. Nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của
tấm với nguồn nhiệt (mặt nóng), và phía ngoài tấm (mặt lạnh) được đo bằng các đầu
đo nhiệt. Nhiệt độ ở phía ngoài tấm được theo dõi đến khi ổn định và từ đó xác định
các giá trị cần thiết và tính toán hệ số dẫn nhiệt tương ứng. Lò điện được đặt trong
phòng có điều hòa giữ ổn định nhiệt bên ngoài lò.
Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo công thức dưới đây:
U I
(2.1)
A T1 T2
Trong đó :
I : cường độ dòng điện cung cấp cho lò, A
7
U : hiệu điện thế cung cấp cho lò, V
A : diện tích tiếp xúc của mẫu với lò, m2
: chiều dày mẫu thí nghiệm, m
T1: nhiệt độ mặt tiếp xúc với nhiệt, °C
T2: nhiệt độ mặt tiếp xúc với môi trường, °C
Trong công thức nêu trên, nhiệt truyền từ mặt nóng sang mặt lạnh được giả thiết là
phân bố tuyến tính theo chiều dày của tấm.
2.2. Ảnh hƣởng của một số tham số đến khả năng mất nƣớc, làm hệ số dẫn
nhiệt của tấm thạch cao thay đổi trong quá trình cháy
2.2.1. Trạng thái gia nhiệt để xác định hệ số dẫn nhiệt
a. Trường hợp tấm thạch cao bị nung nóng cả hai mặt
- Trong khoảng nhiệt độ từ 30°C đến 200°C: Khi nung nóng toàn bộ các mặt của tấm
thạch cao đã rắn cứng trên 70°C bắt đầu xảy ra sự tách nước và phá huỷ cấu tạo
mạng tinh thể. Ở nhiệt độ xấp xỉ 200°C, nước hoá học trong thạch cao bị tách hoàn
toàn. Ở nhiệt độ 200°C, tổn hao trọng lượng của các mẫu thử là lớn nhất (đạt khoảng
21%) do thạch cao đã bị mất nước hoàn toàn.
- Trong khoảng nhiệt độ từ 400 - 700°C: Do ở giai đoạn trước, tấm thạch cao đã bị
mất nước hoàn toàn nên trong khoảng nhiệt độ này khối lượng của mẫu thử không
thay đổi.
- Từ 900°C: Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nung lên đến gần 900°C, thì sẽ xảy ra phản
ứng hóa học:
b. Trường hợp tấm thạch cao bị nung nóng một mặt
Trong thực tế, do tác động của độ ẩm trong không khí, trong tấm thạch cao luôn có
một độ ẩm nhất định. Khi xảy ra sự cố cháy, lửa chỉ tác động gia nhiệt trực tiếp lên
một mặt của tấm thạch cao bảo vệ kết cấu. Tác động này là nguyên nhân làm giảm
lượng nước ẩm cho đến khi tấm thạch cao mất nước hoàn toàn.
Dưới đây trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái gia nhiệt theo
quy luật của đám cháy tiêu chuẩn lên một mặt của tấm thạch cao.
- Thiết bị thí nghiệm:
Thiết bị thí nghiệm gồm: lò điện model ELF 11/4, có dải nhiệt độ từ 0°C đến 1100°C
của Mỹ (Hình 2.4); Đầu đo nhiệt độ Model WRNK – 191 và đồng hồ hiển thị nhiệt
độ Model XMTD – 2001.
- Mẫu thí nghiệm:
Mẫu thí nghiệm là sản phẩm tấm thạch cao chống cháy của hãng GYPROC và
BORAL, với các loại chiều dày như sau:
- Tấm thạch cao GYPROC chống cháy:
- Tấm thạch cao BORAL FIREBLOC chống cháy:
Các mẫu thí nghiệm có kích thước 300x300 mm2
Mẫu thí nghiệm được gia nhiệt ở mặt nóng tại các cấp nhiệt độ: 50, 100, 120, 200,
400, 600, 800, 1000 °C. Các giá trị nhiệt độ này được chọn dựa trên sự thay đổi ứng
xử của tấm thạch cao như đã phân tích trong mục 1. Ở mỗi cấp nhiệt độ, tiến hành thí
nghiệm 3 mẫu. Quy trình thí nghiệm và vị trí đo nhiệt độ được bố trí như sau:
- Phía trong lò: 1 điểm đo (điểm 1)
8
- Trên bề mặt ngoài của tấm : 1 điểm đo (điểm 3)
- Ở giữa tấm : 1 điểm đo (điểm 2)
Trình tự thí nghiệm ở mỗi cấp nhiệt độ như sau:
- Cân mẫu trước khi thí nghiệm (ghi lại giá trị khối lượng m1);
- Gá mẫu vào trước lò;
- Lắp đặt các đầu đo;
- Nâng nhiệt độ trong lò lên cấp nhiệt độ thí nghiệm (ghi lại thời gian);
- Khi nhiệt độ lò đạt cấp nhiệt độ thí nghiệm, theo dõi đến khi nhiệt độ tại mặt lạnh
đạt ổn định; và các giá trị nhiệt độ đo tại 3 điểm 1, 2, 3 có quan hệ tuyến tính.
- Sau khi nhiệt độ đã ổn định, tiến hành ghi lại giá trị nhiệt độ, cường độ dòng điện,
hiệu điện thế;
- Sau khi kết thúc thí nghiệm, tiến hành cân lại mẫu (ghi lại giá trị khối lượng m 2).
Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy:
- (1) Từ cấp gia nhiệt ứng với nhiệt độ 200°C trở lên, giá trị hệ số dẫn nhiệt của cả 2
loại tấm hầu như không thay đổi và được xem như là hằng số;
- (2) Với 2 loại tấm thạch cao được nghiên cứu, thời gian cần thiết để nhiệt độ ở phía
mặt lạnh của mẫu thí nghiệm ổn định nhiệt độ và giá trị nhiệt độ đo được tại 3 điểm
1, 2, 3 có giá trị tuyến tính cho mỗi cấp gia nhiệt là trong khoảng từ 15 đến 20 phút.
Trạng thái ổn định này tương ứng với trạng thái nước hoá học trong thạch cao bị tách
hoàn toàn.
- (3) Quy luật ảnh hưởng của độ hao tổn nước đến hệ số dẫn nhiệt đối với hai tấm
thạch cao có chiều dày khác nhau là tương tự nhau;
- (4) ở cùng một cấp gia nhiệt, giá trị độ hao tổn nước của tấm mỏng và tấm dày là
không giống nhau (ví dụ, tấm GYPROC 12,7 mm có tổng lượng nước thoát hết là
khoảng 20% khi nhiệt độ mặt nóng là 1000°C trong khi với tấm GYPROC 15,8 mm
lại có tổng lượng nước thoát hết là 15% khi nhiệt độ mặt nóng là 1000°C) và giá trị
của hệ số dẫn nhiệt của tấm mỏng là nhỏ hơn tấm dày. Điều này có thể được giải
thích là tấm có thạch cao mỏng hơn sẽ thoát nước nhiều hơn và do đó có hệ số dẫn
nhiệt nhỏ hơn.
2.2.2. Ảnh hƣởng của độ dày tấm thạch cao đến khả năng mất nƣớc, làm hệ
số dẫn nhiệt của tấm thạch cao thay đổi trong quá trình cháy
Dưới một tác động gia nhiệt như nhau thì độ dầy của tấm có ảnh hưởng đến tốc độ
thoát nước ẩm trong tấm và do đó gián tiếp ảnh hưởng đến tốc độ giảm của hệ số dẫn
nhiệt đến giá trị hằng số của nó (ở trạng thái tấm thạch cao mất nước hoàn toàn). Tác
giả luận án đã tiến hành thí nghiệm xác định giá trị hệ số dẫn nhiệt với Tấm
GYPROC và tấm BORAL. Giá trị hệ số dẫn nhiệt tính toán từ các giá trị đo thực
nghiệm cho theo bảng dưới đây:
Tấm GYPROC 12,7 mm
Tấm GYPROC 15,8 mm
Hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn
Nhiệt độ (°C)
Nhiệt độ (°C)
(W/m°C)
nhiệt (W/m°C)
50
0.41
50
0.53
100
0.28
100
0.35
120
0.24
120
0.29
9
200
400
600
800
1000
0.19
0.18
0.18
0.19
0.19
200
400
600
800
1000
0.25
0.22
0.21
0.21
0.23
Tấm BORAL 15 mm
Hệ số dẫn
Hệ số dẫn nhiệt
Nhiệt độ (°C)
Nhiệt độ (°C)
nhiệt
(W/m°C)
(W/m°C)
50
0.39
50
0.43
120
0.19
120
0.25
200
0.15
200
0.2
400
0.16
400
0.18
600
0.18
600
0.18
800
0.22
800
0.23
1000
0.22
1000
0.23
Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C)
Tấm BORAL 12,5 mm
0.9
Mehaffey (94)
0.8
Hamanthy (88)
0.7
Thomas (97)
0.6
Takeda (98)
Cooper (97),
Franssen (99)
0.5
Sultan (96)
0.4
Wakili (07)
0.3
Rahmanian (11)
0.2
Benichou (05)
0.1
Tấm GYPROC
12.7 mm
0
0
200
400
600
Nhiệt độ (°C)
800
1000
Tấm GYPROC
15.8 mm
Hình 2.1. So sánh hệ số dẫn nhiệt của 2 loại tấm thạch cao GYPROC đã thí nghiệm
với các kết quả nghiên cứu của nước ngoài
10
Mehaffey (94)
Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C)
0,9
Hamanthy (88)
0,8
Thomas (97)
0,7
Takeda (98)
0,6
Cooper
(97), Franssen
(99)
Sultan (96)
0,5
0,4
Wakili (07)
0,3
Rahmanian
(11)
0,2
Benichou (05)
0,1
Tấm BORAL
12.5 mm
0
0
200
400
600
Nhiệt độ (°C)
800
1000
Tấm BORAL
15 mm
Hình 2.2. So sánh hệ số dẫn nhiệt của 2 loại tấm thạch cao BORAL FIREBLOC đã
thí nghiệm với các kết quả nghiên cứu của nước ngoài
Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy:
- Hệ số dẫn nhiệt của cả 2 loại tấm từ 600°C không bị tăng lên như trong 1 số tài liệu
tham khảo. Điều này có thể giải thích là do chất lượng của 2 tấm là tốt và có thể sử
dụng được để bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện cháy với nhiệt độ rất cao có thể lên
đến trên 1000°C.
- Đường biểu diễn hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ của 2 loại tấm thí là tương tự nhau.
- Hệ số dẫn nhiệt của các tấm mỏng (tấm GYPROC 12,7 mm, tấm BORAL
FIREBLOC 12,5 mm) nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của tấm dày hơn (tấm GYPROC 15,8
mm, tấm BORAL FIREBLOC 15 mm). Điều này có thể được giải thích là do kích
thước của tấm mỏng bé hơn nên có cấu trúc đồng đều hơn và dẫn đến có chất lượng
tốt hơn là tấm dày. Ngoài ra tấm mỏng có khả năng thoát nước tốt hơn nên có hệ số
dẫn nhiệt nhỏ hơn.
Như vậy, với một độ dày nhất định thì sử dụng nhiều tấm mỏng để bảo vệ kết cấu
dưới tác dụng của lửa sẽ hiệu quả hơn là dùng một tấm có độ dày tương đương.
- Với các kết quả trên, thấy rằng cần phải xác định hệ số dẫn nhiệt cho từng loại tấm
cụ thể. Trong trường hợp thiên về an toàn, có thể tiến hành thí nghiệm cho tấm dày
nhất để có thể có được hệ số dẫn nhiệt lớn nhất và kết quả tính toán truyền nhiệt cho
kết quả bất lợi nhất.
2.2.3. Ảnh hƣởng của tốc độ gia nhiệt đến hệ số dẫn nhiệt
Ứng với mỗi một dạng đám cháy, tốc độ gia nhiệt thường tuân theo một quy luật
nhất định. Để xét ảnh hưởng của tham số này, các thí nghiệm xác định hệ số dẫn
nhiệt được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ lò được tăng liên tục theo 3 đường
cong gia nhiệt, với tốc độ lần lượt là 20°C/phút, 10°C/phút và 5°C/phút. Ở mỗi một
tốc độ gia nhiệt, tiến hành thí nghiệm cho 3 mẫu thí nghiệm. Từ các kết quả thí
nghiệm cho thấy:
- (1) Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên hệ số dẫn nhiệt đối với tấm mỏng, là nhỏ
hơn tấm dày;
11
- (2) Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến hệ số dẫn nhiệt của hai tấm thí nghiệm có
chiều dày khác nhau chủ yếu là nằm trong khoảng mức gia nhiệt từ 30-200°C, và
trong khoảng nhiệt độ này tốc độ gia nhiệt cao (20°C/phút) có ảnh hưởng lớn hơn
đến hệ số dẫn nhiệt so với các tốc độ gia nhiệt thấp hơn.
- (3) Với 2 loại tấm thí nghiệm, tốc độ gia nhiệt lớn nhất (20°C/phút) sẽ cho hệ số
dẫn nhiệt lớn nhất.
Từ các nghiên cứu tại chƣơng 2, tác giả luận án đã rút ra một số kết luận nhƣ
sau:
- Việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt của các tấm thạch cao chống cháy bằng hằng số ứng
với trạng thái mất nước hoàn toàn do nhà sản xuất cung cấp để tính toán thiết kế bảo
vệ cho các kết cấu là chưa phù hợp với thực tế và không đảm bảo an toàn cho kết cấu
được bảo vệ.
- Việc xác định hệ số dẫn nhiệt của các tấm thạch cao bảo vệ kết cấu trong điều kiện
bị cháy phải được thực hiện trong trạng thái gia nhiệt chỉ ở một mặt của tấm và quy
luật gia nhiệt cần phù hợp với quy luật của đám cháy tiêu chuẩn. Ngoài ra phải kể
đến ảnh hưởng của độ ẩm trong tấm thạch cao;
- So sánh hệ số dẫn nhiệt đã xác định bằng phương pháp thí nghiệm kiến nghị trong
luận án và hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao do nhà sản xuất cung cấp cho thấy hệ số
dẫn nhiệt mà nhà sản xuất cung cấp của cả hai loại GYPROC và BORAL cho thấy
việc tính toán có sử dụng hệ số dẫn nhiệt xác định bằng phương pháp thực nghiệm
đã kiến nghị cho kết quả phù hợp và đảm bảo an toàn với điều kiện thực tiễn hơn.
- Với các kết quả thí nghiệm, thấy rằng cần phải xác định hệ số dẫn nhiệt cho từng
loại tấm cụ thể do hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiều tham số như: chiều dày tấm,
tốc độ gia nhiệt... Luận án đã phân tích và chỉ ra ảnh hưởng của các tham số này đến
hệ số dẫn nhiệt. Trong trường hợp thiên về an toàn, có thể tiến hành thí nghiệm cho
tấm dày nhất và với tốc độ gia nhiệt bất lợi nhất là 200C/phút. Khi đó hệ số dẫn nhiệt
thu được là lớn nhất và dẫn đến kết quả tính toán truyền nhiệt sẽ thiên về an toàn.
Từ các kết luận trên, luận án đề xuất quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm
thạch cao chống cháy theo điều kiện cháy một mặt theo các bước dưới đây.
Quy trình thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của
tấm thạch cao chống cháy
a. Bƣớc 1: Chuẩn bị thí nghiệm
- Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm theo kích thước phù hợp với diện tích mặt lò đốt.
Mẫu được giữ trong thời gian tối thiểu 24h trước khi thí nghiệm ở điều kiện thí
nghiệm tiêu chuẩn về độ ẩm và nhiệt độ ứng với môi trường kết cấu được bảo vệ.
Trong trường hợp không có số liệu cụ thể thì lấy độ ẩm và nhiệt độ tương ứng để thí
nghiệm theo Bảng 2.2 hoặc phụ lục 4 của luận án.
- Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm.
b. Bƣớc 2: Lắp đặt mẫu và thiết bị đo
- Đặt mẫu thí nghiệm phía trước lò điện và mặt trong của mẫu tiếp xúc trực tiếp với
nguồn nhiệt (mặt nóng).
- Sử dụng đầu đo nhiệt độ nhiệt độ xác định nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của tấm với
nguồn nhiệt (mặt nóng), và phía ngoài tấm (mặt lạnh) và nhiệt độ ở vị trí ½ tấm.
12
- Kiểm tra độ kín khít giữa lò và mẫu, tránh hiện tượng thất thoát lượng nhiệt ra
ngoài
- Vị trí bố trí các đầu đo như sau:
+ Phía trong lò: 1 điểm đo (điểm 1 );
+ Trên bề mặt ngoài của tấm : 1 điểm đo (điểm 3);
+ Ở giữa tấm : 1 điểm đo (điểm 2);
c. Bƣớc 3: Lắp đặt mẫu và thiết bị đo
- Tiến hành gia tăng nhiệt độ trong lò đốt theo đường cong gia nhiệt của tiêu chuẩn
ISO 834, tốc độ gia nhiệt là 20oC/phút.
- Lấy số liệu đo nhiệt độ ở mẫu thạch cao thí nghiệm tại các thời điểm nhiệt độ trong
lò ở các giá trị 25, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 và 1000 oC.
d. Bƣớc 4: Tính toán xác định hệ số dẫn nhiệt:
Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo công thức dưới đây:
U I
A T1 T2
e.
Bƣớc 5: Lập biểu đồ quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt độ
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ
TRUYỀN NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT THÉP DƢỚI TÁC
ĐỘNG CỦA LỬA
Nội dung chương 3 trình bày nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số đến sự truyền
nhiệt của mô hình cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp
(bài toán nhiệt) và xác định khả năng chịu lực của cột thép chịu nén đúng tâm có và
không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp (bài toán cơ-nhiệt) dưới tác dụng
của lửa theo các nội dung như sau:
- Các lý thuyết tính toán liên quan đến quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột
thép trong điều kiện cháy;
- Lập mô hình số mô phỏng quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép khi
chịu tác dụng đồng thời của tải trọng nén đúng tâm và tải trọng nhiệt;
- Phân tích, làm rõ ảnh hưởng của các thông số vật liệu, kích thước hình học, tải trọng,
chế độ gia nhiệt... đến sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép trong trường hợp
có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp;
- Tính toán, so sánh cho các trường hợp sử dụng hệ số dẫn nhiệt do nhà sản xuất cung cấp
và hệ số dẫn nhiệt xác định thực nghiệm.
Tác giả luận án đã đưa ra cơ sở lý thuyết liên quan đến quá trình truyền nhiệt như hiện
tượng truyền dẫn nhiệt trong vật rắn, hiện tượng truyền dẫn nhiệt trong không khí; cơ sở
lý thuyết bài toán cơ học; mô hình hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Trong chương 3, tác giả luận án đã sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, đây là một
trong nhiều chương trình phần mềm thương mại, sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn PTHH (FEM) để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các phương trình vi phân,
phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp
rời rạc hóa và gần đúng để giải. Luận án đã đưa ra mô hình truyền dẫn nhiệt và mô hình
cơ-nhiệt để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép được bảo vệ
13
và không được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy, đồng thời kèm theo một số giả
thiết.
a. Sơ đồ tính toán đối với bài toán nhiệt:
b.
Sơ đồ tính toán đối với bài toán cơ-nhiệt
Mô hình được sử dụng để tính toán quá trình truyền nhiệt của cột thép có và không
có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp với các tham số chính
sau:
14
+ Cột chịu lửa theo 3 mặt và theo 4 mặt.
+ Kích thước hình học của cột thép: H150 (150x150x20x20 mm), H200, H300 với
chiều cao 2.4 m.
+ Sơ đồ làm việc của cột thép sơ đồ một đầu ngàm, một đầu khớp.
+ Nguồn nhiệt là nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834, tác dụng vào 3 mặt hoặc 4 mặt của
cấu kiện; thời gian tính toán đến 100 phút.
Các tham số nghiên cứu bao gồm:
(i) Kích thước hình học của cột thép: H150, H200, H300;
(ii) Chiều dày lớp thạch cao bảo vệ: 12,7 và 15,8 mm;
(iii) Hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao GYPROC, lấy theo thông số do nhà sản xuất
cung cấp (λ = 0,2 W/mK) và theo thông số xác định từ thực nghiệm;
(iv) Tác dụng nhiệt theo 3 mặt và theo 4 mặt;
(v) Khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột thép: theo quy định
của nhà sản xuất, giá trị tối đa là 3 cm. Do giới hạn kích thước của thanh chữ C dùng
để liên kết tấm thạch cao với cột thép nên trong tính toán này, 3 giá trị lần lượt là 1
cm, 2 cm và 3 cm được sử dụng trong tính toán;
(vi) Ảnh hưởng của giải pháp bảo vệ;
(vii) Tải trọng nén đúng tâm: 10, 25, 50T;
Các giá trị so sánh trong bài toán truyền nhiệt là nhiệt độ của thép được xác định
bằng giá trị trung bình nhiệt độ tại các điểm A, B và C trên mặt cắt của cột thép
tương ứng với các điều kiện biên khác nhau (hình 3.1, 3.2, 3.3).
Các giá trị so sánh trong bài toán cơ-nhiệt là chuyển vị ngang tại giữa cột, ứng suất
trung bình lớn nhất trong cột và thời gian chịu lửa của cột thép.
Hình 3.1. Mô hình tính toán và các
điều kiện biên trong bài toán cột không
được bảo vệ chịu tác dụng lửa 4 mặt
Hình 3.2. Mô hình tính toán và các
điều kiện biên trong bài toán cột được
bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng
hộp chịu tác dụng lửa 4 mặt.
15
P
Hình 3.3. Mô hình tính toán và các Hình 3.4. Sơ đồ làm việc của cột chịu
điều kiện biên trong bài toán cột được nén đúng tâm 1 đầu ngàm, 1 đầu khớp
bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng
hộp chịu tác dụng lửa 3 mặt
3.1. Ảnh hƣởng của một số tham số chính đến quá trình truyền nhiệt của cột
thép dƣới tác động của lửa
3.1.1. Ảnh hƣởng của giải pháp bảo vệ và tác động của lửa theo 3 mặt, 4 mặt
Các kết quả tính toán tốc độ tăng nhiệt của cột thép sau 100 phút được trong 2
trường hợp tính toán với hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm và theo nhà sản xuất.
Kết quả so sánh cho thấy hiệu quả của việc bảo vệ cột thép bằng tấm thạch cao làm
giảm đáng kể nhiệt độ trong cột thép. Với cột thép không được bảo vệ, tốc độ tăng
nhiệt của cột sau 100 phút là khoảng 10°C/phút tương đương gần 1000°C, trong khi
được bảo vệ bằng tấm thạch cao thì tốc độ tăng nhiệt của cột là khoảng 6,25°C/phút
(625°C) khi chịu lửa theo 4 mặt và khoảng 5,9°C/phút (590°C) khi chịu lửa theo 3
mặt. Tính toán với trường hợp cột chịu lửa 3 mặt và 4 mặt cho thấy, khi chịu nhiệt
độ 10000C trong thời gian 100 phút, nhiệt độ trong cột thép trong trường hợp chịu
lửa 4 mặt tăng khoảng 5% (50oC đến 60oC) so với cột chịu lửa 3 mặt. Kết quả trên
cho thấy đối với giải pháp cấu tạo như nhau, chỉ cần tính toán với 01 trường hợp cột
chịu lửa 4 mặt sẽ cho kết quả thiên về an toàn.
3.1.2. Ảnh hƣởng của tải trọng.
Trong khuôn khổ luận án, mô hình 2D đã được lựa chọn để bước đầu nghiên cứu ảnh
hưởng của các tham số chính, do đó ảnh hưởng của tải trọng đến sự truyền nhiệt của
cột thép chưa được xét đến trong các tính toán. Việc phát triển từ mô hình 2D lên mô
hình 3D có thể là hướng nghiên cứu tiếp theo của nghiên cứu sinh
3.1.3. Ảnh hƣởng của hệ số dẫn nhiệt
Tham số khảo sát trong phần này là Hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao GYPROC,
lấy theo thông số do nhà sản xuất cung cấp (λ = 0,2 W/mK) và thông số xác định
bằng thực nghiệm. Kết quả so sánh đã cho thấy tốc độ gia nhiệt sau 100 phút khi sử
dụng hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm lớn hơn giá trị thu được khi sử dụng hệ số
do nhà sản xuất cung cấp khoảng 0,4 đến 0,8°C/phút (40°C đến 80°C), tương đương
tăng khoảng 8-12%. Sự khác biệt này cho thấy khi tính toán với hệ số dẫn nhiệt lấy
theo thực nghiệm sẽ cho kết quả thiên về an toàn hơn khi tính toán với hệ số dẫn
nhiệt là hằng số do nhà sản xuất cung cấp.
3.1.4. Ảnh hƣởng của khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột
thép
16
Tham số khảo sát trong phần này là khoảng cách thông thủy: 1, 2, 3 cm. Kết quả so
sánh đã cho thấy khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt kết cấu thép
càng tăng thì trong cùng một khoảng thời gian, tốc độ tăng nhiệt của cột thép càng
giảm. Tuy nhiên, ảnh hưởng của khoảng cách này là tương đối nhỏ đến khả năng
chịu lửa của cột thép. Khi tăng chiều dày lớp không khí tử 1 cm lên 3 cm, tốc độ
tăng nhiệt chỉ giảm từ 0.03-0.05°C/phút tương đương (3-5°C). Kết quả trên cho thấy,
có thể lấy giá trị khoảng không khí tùy thuộc vào giải pháp liên kết. Giá trị khoảng
không khí càng nhỏ thì càng thuận tiện cho kiến trúc. Ngoài ra, do yêu cầu liên kết
mà có thể chọn khoảng không khí là 2 hoặc 3 cm
3.1.5. Ảnh hƣởng của chiều dày tấm thạch cao
Tham số nghiên cứu trong phần này là chiều dày tấm thạch cao: 12,7mm và 15,8mm.
Kết quả thu được đã cho thấy ảnh hưởng quan trọng của chiều dày tấm thạch cao đến
ứng xử của cột thép được bảo vệ khi chịu tác dụng của lửa. Sau 100 phút cháy, tốc
độ tăng nhiệt của cột thép khi được bảo vệ bằng 1 tấm 15,8mm nhỏ hơn khoảng
0,8°C/phút, tương đương 12%, so với khi cột thép được bảo vệ bằng 1 tấm 12,7mm.
3.1.6. Ảnh hƣởng của số lớp thạch cao
Các kết quả tính toán về nhiệt độ thép sau 100 phút và nhiệt độ trung bình trên 1mm
lớp bảo vệ. Kết quả so sánh tốc độ tăng nhiệt trung bình trên 1 mm chiều dày lớp bảo
vệ cho thấy nhiệt độ trung bình khi sử dụng 3 tấm thạch cao 12,7 bằng 70% nhiệt độ
trung bình khi sử dụng 2 tấm 15,8 mm. Điều này cho thấy sử dụng 3 lớp thạch cao
12,7 mm có hiệu quả bảo vệ cột thép tốt hơn sử dụng 2 lớp thạch cao 15,8 mm.
3.1.7. Ảnh hƣởng của kích thƣớc tiết diện cột
Kết quả tính toán sau 100 phút cháy cho thấy kích thước tiết diện cột thép có ảnh
hưởng đến khả năng truyền nhiệt khi có đám cháy của cột thép. Kích thước tiết diện
cột càng lớn thì tốc độ tăng nhiệt trong cột thép càng nhỏ do có ảnh hưởng của bức
xạ và đối lưu nhiệt trong khoảng không khí phía trong cột dẫn đến làm giảm tác
động nhiệt từ tấm thạch cao đến cột thép. Đối với cột tiết diện H300, tốc độ tăng
nhiệt trong cột thép thu được sau 100 phút giảm khoảng 0,6°C/phút, tương đương
giảm khoảng 10% so với khi sử dụng tiết diện H150.
3.2. Kết quả tính toán và so sánh ảnh hƣởng của các tham số chính đến khả
năng chịu lực của cột bằng thép hình chịu nén đúng tâm, dƣới tác động của lửa
khi có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp.
3.2.1. Kết quả tính toán
a. Chuyển vị ngang
17
Chuyển vị ngang lớn nhất (mm)
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Thời gian (phút)
Hình 3.5: Chuyển vị ngang tại vị trí giữa cột thép
+ Giai đoạn 1 từ 0 đến 20 phút: chuyển vị của cột nhỏ khoảng 1 mm do cột được bảo
vệ bằng tấm thạch cao có tác dụng làm giảm nhiệt độ của cột; Nhiệt độ trung bình
của cột thép dưới 1000C;
+ Giai đoạn 2 từ 20 đến 40 phút: nhiệt độ trong tấm thạch cao vượt quá 1000C là
nhiệt độ bay hơi của các phần tử nước trong tấm thạch cao làm giảm khả năng cách
nhiệt của hệ cột được bảo vệ, điều này làm tăng nhiệt độ của cột từ 1000C lên 4000C
và dẫn đến chuyển vị ngang của cột tăng dần với tốc độ chậm (từ 1 mm lên khoảng
10 mm);
+ Giai đoạn 3 từ phút thứ 40 trở đi: nhiệt độ trong tấm thạch cao tiếp xúc với lửa là
trên 4500C, tấm thạch cao khi đó đã mất hết khả năng cách nhiệt và xuất hiện các vết
nứt trong tấm. Tuy nhiên, nhiệt độ trong tấm thạch cao phía tiếp xúc với môi trường
vẫn còn chưa tách hết hoàn toàn nước trong tấm. Điều này làm chuyển vị của cột
thay đổi chậm và nằm trong khoảng 8mm.
b. Ứng suất trong cột thép
400
Ứng suất lớn nhất (MPa)
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Thời gian (phút)
Hình 3.6: Ứng suất lớn nhất trên cột thép
Đường biểu diễn ứng suất cho thấy ứng suất trong cột thép trong khoảng 30 phút đầu
là không thay đổi. Từ 40 phút trở đi, ứng suất trong cột thép tăng lên khi nhiệt độ
trong cột thép tăng lên và giá trị ứng suất sau 100 phút đạt 195 Mpa. Khi so sánh với
18
ứng suất cho phép của thép tại cùng thời điểm, với nhiệt độ đạt khoảng 580°C, hệ số
giảm cường độ của thép là 0.349 và do đó ứng suất cho phép của cột là 0.349x300
MPa = 105 Mpa. Thời gian tương ứng với giá trị ứng suất cho phép này là 70 phút.
Như vậy có thể kết luận là thời gian chịu lửa của cột thép nghiên cứu là 70 phút.
3.2.2. Ảnh hƣởng của giải pháp bảo vệ cột thép
Ảnh hưởng của giải pháp bảo vệ cột thép đến ứng xử của cột thép được bảo vệ khi
cột chịu tác dụng của lửa được khảo sát và phân tích thông qua giá trị chuyển vị
ngang lớn nhất của cột.
Kết quả so sánh đã chỉ ra trong trường hợp cột chịu tải trọng 25T, cột được bảo vệ
bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp có chuyển vị ngang nhỏ hơn khoảng 2-4 lần so với
cột không được bảo vệ phụ thuộc vào tiết diện cột thép (H150, H200 hoặc H300),
phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt sử dụng (do thực nghiệm hoặc do nhà sản xuất cung
cấp). Điều này có thể được giải thích là do ảnh hưởng của tấm thạch cao giúp làm
giảm nhiệt độ trong cột khi chịu lửa và do đó làm giảm đáng kể biến dạng của cột.
Mặt khác, khi so sánh ảnh hưởng của lửa tác dụng theo 3 mặt và theo 4 mặt, khi cột
chịu tải trọng 25T, ảnh hưởng của tham số này tương đối lớn đến ứng xử của cột
thép. Giá trị chuyển vị của cột khi chịu lửa theo 4 mặt lớn hơn khoảng 1,33 lần
chuyển vị của cột khi chịu lửa theo 3 mặt.
Trong trường hợp cột chịu tải trọng 50T, cột được bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc
dạng hộp có chuyển vị ngang nhỏ hơn khoảng 2-4 lần so với cột không được bảo vệ
phụ thuộc vào tiết diện cột thép (H150, H200 hoặc H300), phụ thuộc vào hệ số dẫn
nhiệt sử dụng (do thực nghiệm hoặc do nhà sản xuất cung cấp). Mặt khác, khi so
sánh ảnh hưởng của lửa tác dụng theo 3 mặt và theo 4 mặt, khi cột chịu tải trọng
50T, ảnh hưởng của tham số này tương đối lớn đến ứng xử của cột thép. Giá trị
chuyển vị của cột khi chịu lửa theo 4 mặt lớn hơn khoảng 1,4 lần chuyển vị của cột
khi chịu lửa theo 3 mặt.
3.2.3. Ảnh hƣởng của tải trọng
Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên cột
thép (0T, 25T, 50T) đến ứng xử của cột thép. Kết quả tính toán cho thấy ảnh hưởng
rõ rệt của tải trọng đến chuyển vị ngang của cột thép. Tải trọng càng lớn thì chuyển
vị ngang của cột càng lớn, với trường hợp tải trọng đúng tâm 50T, chuyển vị ngang
của cột lớn hơn từ 1,5 đến 2,5 lần trường hợp cột không chịu tải trọng.
3.2.4. Ảnh hƣởng của hệ số dẫn nhiệt
Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của hệ số dẫn nhiệt lên cột
thép (tính toán với hệ số thực nghiệm và hệ số do nhà sản xuất cung cấp). Kết quả so
sánh đã cho thấy sử dụng hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm sẽ cho kết quả thiên
về an toàn hơn với giá trị chuyển vị lớn hơn khoảng 11 đến 14% so với khi tính toán
với hệ số dẫn nhiệt do nhà sản xuất cung cấp.
3.2.5. Ảnh hƣởng của khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột
thép.
Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách thông thủy
lần lượt là 1, 2 và 3 cm. Kết quả so sánh đã chỉ ra khoảng cách thông thủy giữa tấm
thạch cao và bề mặt cột thép có ảnh hưởng tương đối nhỏ đến đến chuyển vị ngang
19
của cột thép. Khi tăng khoảng cách này từ 1cm lên 3cm, giá trị chuyển vị ngang của
cột thép sau 100 phút mô phỏng tăng 1,03 lần.
3.2.6. Ảnh hƣởng của chiều dày lớp thạch cao
Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp thạch cao
bảo vệ lần lượt là 12,7mm và 15,8 mm. Kết quả so sánh cho thấy sau 100 phút, sử
dụng tấm 12,7mm sẽ làm cho chuyển vị ngang của cột tăng lên khoảng 1,5-1,7 lần,
phụ thuộc vào giá trị tải trọng, so với trường hợp sử dụng tấm 15,8mm.
3.2.7. Ảnh hƣởng của kích thƣớc tiết diện cột
Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của kích thước tiết diện cột
lần lượt là H150, H200 và H300. Cột H150 có chuyển vị ngang lớn hơn khoảng 1,3
đến 1,5 lần so với cột H300, phụ thuộc vào giá trị tải trọng.
3.2.8. So sánh với tiêu chuẩn Eurocode 3, phần 1-2
Trong tiêu chuẩn Eurocode 3, phần 1-2 có quy định 2 phương pháp để xác định khả
năng chịu lửa của cấu kiện: phương pháp tính toán giản đơn và phương pháp tính
toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả tính toán về thời gian chịu lửa
(thông qua ứng suất giới hạn trong cột thép) giữa 2 phương pháp với cùng 1 tiết diện
cột và tải trọng, ứng với các giá trị tải trọng khác nhau lần lượt là 0, 25 và 50T. Kết
quả so sánh đã chỉ ra tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn thiên về an toàn
với giá trị thời gian chịu lửa của cấu kiện nhỏ hơn từ 10-12 phút so với thời gian chịu
lửa tính toán phương pháp giản đơn quy định trong tiêu chuẩn Eurocode 3, phần 1-2.
Sự khác nhau này có thể được giải thích là do sự sai khác về hệ số dẫn nhiệt thay đổi
theo nhiệt độ xác định thực nghiệm và hệ số dẫn nhiệt là hằng số khi tính toán theo
tiêu chuẩn Châu Âu.
CHƢƠNG 4. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM
SỐ CHÍNH ĐẾN SỰ TRUYỀN NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA
CỘT THÉP CÓ VÀ KHÔNG CÓ LỚP BẢO VỆ BẰNG TẤM THẠCH CAO
BỌC DẠNG HỘP DƢỚI TÁC DỤNG CỦA LỬA
Kết quả xác định chuyển vị và nhiệt độ của cột thép chịu nén đúng tâm khi chịu tác
động của 3 mặt lửa đã được tính toán bằng phần mềm ANSYS trong chương 3. Để
kiểm chứng lại các kết quả trên khi áp dụng vào thực tiễn cho các công trình xây
dựng, luận án đã tiến hành triển khai tiến hành thực nghiệm xác định chuyển vị và
nhiệt độ của cột thép chịu nén đúng tâm khi chịu tác động của 3 mặt lửa tại phòng
nghiên cứu phòng chống cháy - Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng. Việc tạo nhiệt
tương đương nhiệt độ của đám cháy tiêu chuẩn được thực hiện trong lò đốt của
phòng nghiên cứu phòng chống cháy. Mục tiêu của thí nghiệm nhằm xác định 02
thông số chính ứng với 02 trường hợp là cột thép chịu nén đúng tâm, tải trọng nén 25
tấn/ cột được bọc thạch cao chống cháy dạng hộp và trường hợp không bọc thạch cao
chống cháy dạng hộp. 02 thông số chính mà luận án cần xác định gồm:
- Xác định nhiệt độ tại các điểm khác nhau theo chiều cao của cột thép.
- Xác định chuyển vị theo hai phương x, y tại 04 vị trí dọc theo chiều cao của cột
thép.
a – Đo nhiệt độ: Các đầu đo nhiệt độ được bố trí ở 03 mặt cắt dọc theo chiều cao cột
20
y
y
T
T
5
CH¸Y
4
2
1
3
CH¸Y
7
2
x
x
8
6
1
9
8
9
Các điểm đo nhiệt độ tại MC 1-1 và 2 – 2
Các điểm đo nhiệt độ tại MC 3-3
Tổng số: 9 vị trí 1,2,3,4,5,6,7,8,9
Tổng số: 4 vị trí 1,2,8,9
Hình 4.1. Các vị trí đo nhiệt độ của cột thép được bọc thạch cao bảo vệ
y
y
2
CH¸Y
CH¸Y
5 7
3
4 6
2
5 7
3
4 6
x
1
x
1
8
8
Các điểm đo nhiệt độ tại MC 1-1 và 2 – 2
Các điểm đo nhiệt độ tại MC 3-3
Tổng số: 8 vị trí 1,2,3,4,5,6,7,8
Tổng số: 8 vị trí 1,2,3,4,5,6,7,8
Hình 4.2. Các vị trí đo nhiệt độ của cột thép không bọc thạch cao bảo vệ
b – Đo chuyển vị: Các vị trí cần xác định ở 04 vị trí dọc theo chiều cao cột
4.1. Quy trình thí nghiệm xác định chuyển vị và nhiệt độ đối với 02 cột thép
đƣợc bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp
- Lắp dựng 02 cột được bọc bảo vệ vào lò đốt, mỗi cột được bọc bằng thạch cao
chống cháy dầy 12.7mm và 15.8 mm.
- Lắp dựng các vách (tấm) bằng thép được bọc thủy tinh cách nhiệt vào các vị trí hở
mặt lò đảm bảo 03 mặt của cột chịu tác động của lửa, 01 mặt không chịu tác động
của lửa.
- Lắp dựng các thanh thép ngang, giữ các tấm thép trên mặt lò
- Đưa gối tạo liên kết khớp vào mặt trên của cột thép
- Lắp dựng các kích gia tải
- Lắp dựng cột để gắn các đầu đo chuyển vị
- Lắp đặt các đầu đo chuyển vị
- Tiến hành gia tải, tải trọng nén 25 tấn / cột.
- Chèn bịt bông thủy tinh vào các vị trí hở
- Tiến hành thí nghiệm
- Kết thúc thí nghiệm
4.2. Quy trình Thí nghiệm xác định chuyển vị và nhiệt độ đối với 01 cột thép
không đƣợc bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp
- Lắp dựng 01 cột thép không được bọc bảo vệ vào lò đốt; đưa gối tạo liên kết khớp
vào mặt trên của cột thép; lắp dựng các kích gia tải
- Lắp dựng cột để gắn các đầu đo chuyển vị; lắp đặt các đầu đo chuyển vị
21
- Tiến hành gia tải, tải trọng nén 25 tấn / cột.
- Chèn bịt bông thủy tinh vào các vị trí hở
- Tiến hành thí nghiệm
- Kết thúc thí nghiệm
4.3. Kết quả thí nghiệm
a. Nhiệt độ:
1200
Điểm 1 (1)
Điểm 1 (2)
1200
Nhiệt độ lò
1000
800
Điểm 7 (1)
Điểm 6 (1)
Điểm 3 (2)
Điểm 7 (2)
800
Nhiệt độ (C)
Nhiệt độ (C)
Điểm 3 (1)
Điểm 4 (1)
1000
y
600
T
5
400
CH¸Y
4
2
1
7
3
y
400
x
8
6
600
T
9
5
200
200
0
0
CH¸Y
0
10
20
30
40
50
60
70
0
10
20
Hình 4.3. Nhiệt độ tại các điểm đo trên tấm
thạch cao tiếp xúc với lửa(cột H150 được
bọc bảo vệ bằng tấm thạch cao GYPROC
12,7mm)
7
50
x
8
6
9
60
70
Hình 4.4. Nhiệt độ tại các điểm đo trên cột
thép (cột H150 được bọc bảo vệ bằng tấm
thạch cao GYPROC 12,7mm)
1200
1200
Điểm 9 (1)
Điểm 9 (2)
1000
800
800
Nhiệt độ (C)
600
y
T
400
5
CH¸Y
200
4
2
1
7
3
6
x
8
9
0
0
10
20
30
40
50
60
70
y
Điểm 4 (1)
Điểm 2 (1)
Điểm 8 (2)
Điểm 6 (2)
800
Điểm 5 (1)
Điểm 5 (1)
Điểm 1 (1)
Điểm 7 (3)
Điểm 7 (1)
Điểm 6 (1)
Điểm 2 (2)
Điểm 8 (3)
5
0
Điểm 8 (1)
Điểm 7 (2)
Điểm 3 (1)
Nhiệt độ lò
400
300
y
200
CH¸Y
2
5 7
3
4 6
x
1
8
0
20
30
3
7
6
x
8
9
10
20
30
40
50
60
70
Hình 4.6. Nhiệt độ tại các điểm đo (cột H150
được bọc bảo vệ bằng tấm thạch cao
GYPROC 15,8mm)
500
10
4
2
1
0
600
0
CH¸Y
200
700
100
T
400
Thời gian (phút)
Hình 4.5. Nhiệt độ tại các điểm đo trên tấm
thạch cao tiếp xúc với môi trường
(cột H150 được bọc bảo vệ bằng tấm thạch
cao GYPROC 12,7mm)
900
Điểm 1 (1)
Điểm 9 (2)
600
Thời gian (phút)
1000
Điểm 9 (1)
Điểm 5 (1)
Nhiệt độ lò
Nhiệt độ lò
1000
Nhiệt độ (C)
40
3
Thời gian (phút)
Thời gian (phút)
Nhiệt độ (C)
30
4
2
1
40
50
Thời gian (phút)
Hình 4.7. Nhiệt độ tại các điểm đo trên cột
thép (cột H150 được bọc bảo vệ bằng tấm
thạch cao GYPROC 15,8mm)
22
b. Chuyển vị:
12
9
Thí nghiệm - Giữa cột (1)
8
TN - Giữa cột (1)
10
7
Chuyển vị (mm)
Thí nghiệm - Giữa cột (2)
Chuyển vị (mm)
6
5
4
TN - Giữa cột (2)
TN - Giữa cột (3)
8
TN - Giữa cột (4)
6
4
3
2
2
1
0
0
0
-1
0
10
20
30
40
50
60
70
10
20
30
40
50
60
70
80
Thời gian (phút)
80
Thời gian (phút)
Hình 4.8. Chuyển vị cột thép H150 được
bảo vệ bằng tấm thạch cao 12,7 mm
Hình 4.9. Chuyển vị cột thép H150
được bảo vệ bằng tấm thạch cao 15,8
mm
4,5
4
Chuyển vị (mm)
3,5
Chuyển vị tại giữa cột
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
Thời gian (phút)
Hình 4.10. Chuyển vị cột thép H150 khi
không được bảo vệ
4.4. So sánh với kết quả tính toán
900
800
TN-Điểm 1 (1)
700
TN-Điểm 1 (2)
600
Tính toán
Điểm 3 (1)
Điểm 3 (2)
Điểm 6 (1)
Tính toán - Điểm 4
800
700
600
500
Nhiệt độ (C)
Nhiệt độ (C)
900
y
T
400
5
300
CH¸Y
2
1
200
4
3
7
6
x
8
9
Điểm 7 (1)
Điểm 4 (1)
Điểm 7 (2)
500
400
y
300
T
5
200
CH¸Y
100
100
4
2
1
3
7
x
8
6
9
0
0
0
0
10
20
30
40
Thời gian (phút)
50
60
70
Hình 4.11. So sánh nhiệt độ tại tấm thạch
cao tiếp xúc với lửa
10
20
30
40
50
60
70
Thời gian (phút)
Hình 4.12. So sánh nhiệt độ tại các điểm
trên cột thép
23
12
900
700
Thí nghiệm - Giữa cột (2)
10
Điểm 9 (2)
Tính toán - Điểm 9
Tính toán - Giữa cột
8
Chuyển vị (mm)
600
Nhiệt độ (C)
Thí nghiệm - Giữa cột (1)
Điểm 9 (1)
800
500
400
y
T
300
6
4
5
200
CH¸Y
2
4
2
1
7
3
100
x
8
6
9
0
0
0
0
10
20
30
40
Thời gian (phút)
50
60
10
20
30
40
50
60
70
80
-2
70
Thời gian (phút)
Hình 4.13. So sánh nhiệt độ tại tấm thạch
cao tiếp xúc với môi trường
Hình 4.14. So sánh chuyển vị ngang của cột
thép được bảo vệ bằng tấm 12,7mm giữa
tính toán và thí nghiệm
Bảng 4.1: So sánh nhiệt độ, chuyển vị và thời gian chịu lửa của cột thép được bảo vệ bằng
tấm thạch cao GYPROC 12,7mm
Nhiệt độ cột thép thí nghiệm (0C) tại
70 phút
Chuyển vị ngang lớn nhất
(mm)
Tính toán
Thí nghiệm
Tính toán
Thí nghiệm
550
580
10
8
60
TN - Giữa cột (1)
Điểm 9 (1)
800
10
Điểm 1 (1)
700
TN - Giữa cột (2)
TN - Giữa cột (3)
Chuyển vị (mm)
Điểm 5 (1)
Điểm 9 (2)
600
Tính toán - Điểm 9
Nhiệt độ (C)
70
12
900
500
400
y
T
300
8
TN - Giữa cột (4)
Tính toán
6
4
5
200
CH¸Y
4
2
1
7
3
2
x
8
6
9
100
0
0
0
0
10
20
30
40
Thời gian (phút)
50
60
Điểm 4 (1)
Điểm 2 (1)
Điểm 8 (2)
Điểm 6 (2)
900
800
Điểm 5 (1)
Điểm 5 (1)
Điểm 1 (1)
Điểm 7 (3)
Điểm 7 (1)
Điểm 6 (1)
Điểm 2 (2)
Điểm 8 (3)
600
500
y
T
5
200
CH¸Y
100
4
2
1
3
7
6
40
50
60
70
80
7
700
300
30
Hình 4.16. So sánh chuyển vị ngang của cột
thép được bảo vệ bằng tấm 15,8mm giữa
tính toán và thí nghiệm
Điểm 8 (1)
Điểm 7 (2)
Điểm 3 (1)
Tính toán
400
20
Thời gian (phút)
Chuyển vị ngang lớn nhất (mm)
1000
10
70
Hình 4.15. So sánh nhiệt độ cột thép được
bảo vệ bằng tấm 15,8 mm giữa tính toán và
thí nghiệm
Nhiệt độ (C)
Thời gian chịu lửa
(phút)
Thí
Tính toán
nghiệm
5
Thí nghiệm
4
Tính toán
3
2
1
x
8
6
9
0
0
0
10
20
30
Thời gian (phút)
40
0
50
Hình 4.17. So sánh nhiệt độ cột thép H150
10
20
30
40
50
Thời gian (phút)
Hình 4.18. So sánh chuyển vị ngang của cột
24
không được bảo vệ giữa tính toán và thí
nghiệm
thép H150 không được bảo vệ bằng giữa
tính toán và thí nghiệm
Bảng 4.2: So sánh nhiệt độ, chuyển vị và thời gian chịu lửa của cột thép không được bảo vệ
giữa tính toán và giá trị thí nghiệm
Nhiệt độ cột thép thí nghiệm
Chuyển vị ngang lớn nhất
Thời gian chịu lửa (phút)
(0C) tại 45 phút
(mm)
Tính toán
Thí nghiệm
Tính toán
Thí nghiệm
Tính toán
850
600
6,4
4
17
Thí
nghiệm
37
Từ các nghiên cứu tại chƣơng 4, tác giả luận án đã rút ra một số kết luận nhƣ
sau:
Đã nghiên cứu lập quy trình thí nghiệm và đã tiến hành thí nghiệm kiểm chứng kết
quả tính toán lý thuyết với thực nghiệm với trường hợp bọc bảo vệ bằng tấm thạch
cao chống cháy và trường hợp không bọc bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy phù
hợp với điều kiện Việt Nam. Các kết quả thí nghiệm và kiểm chứng kết quả tính toán
cho một số trường hợp thí nghiệm có đầy đủ kết quả đo cho thấy:
+ Ở nhiệt độ lớn hơn 550oC, tấm thạch cạo vẫn bảo tồn tính nguyên vẹn, các liên kết
(vít, bu lông..) vẫn còn, vì vậy giải pháp cấu tạo sử dụng vít liên kết khoan sâu từ 3 5mm, bên ngoài phủ vữa thạch cao chống cháy đáp ứng được yêu cầu về chịu lửa
trong thời gian tối thiểu 60 phút;
+ Đối chiếu giữa kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán về chuyển vị và nhiệt độ
trong cột thép với một số trường hợp có đầy đủ kết quả đo, độ sai số về nhiệt độ và
thời gian chịu lửa là trên dưới 5% trong khi độ sai số về chuyển vị là tương đối lớn,
vì vậy hệ số dẫn nhiệt xác định bằng thực nghiệm theo quy trình đã kiến nghị trong
luận án là phù hợp với thực tiễn, có thể được sử dụng.
+ Thời gian chịu lửa của kết cấu thép phụ thuộc kích thước tiết diện cột thép. Thực tế
cho thấy khi tính toán chuyển vị và nhiệt độ của cột thép, có thể sử dụng nhiệt độ ở
phía trong cánh đến 550oC là giá trị giới hạn về chịu lửa.
KẾT LUẬN CHUNG
I. Các kết quả chính đạt đƣợc
1- Trên cơ sở các kết quả điều tra và nghiên cứu về các giải pháp bảo vệ kết cấu thép
chịu tác động của lửa đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam, tác giả luận án
đã minh chứng và đưa ra được kiến nghị về giải pháp bảo vệ có hiệu quả, phù hợp
với điều kiện kỹ thuật - kinh tế của Việt Nam. Đó là sử dụng giải pháp bọc tấm thạch
cao chống cháy dạng hộp.
2- Đã xây dựng được quy trình thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch
cao bằng thực nghiệm phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam và tác
động thực tế của đám cháy, cụ thể là:
+ Điều kiện tác động nhiệt lên một mặt của tấm thạch cao. Tác động này phù hợp với
thực tiễn khi đám cháy xảy ra hơn so với phương pháp xác định khi gia nhiệt 02 mặt
mà các nhà sản xuất sử dụng.
25
