So sánh giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu công trình tính theo một số tiêu chuẩn (luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.82 MB, 101 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
HOÀNG TRUNG QUYẾT
SO SÁNH GIỚI HẠN CHỊU LỬA CỦA CẤU KIỆN KẾT CẤU
CÔNG TRÌNH TÍNH THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRUỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
HOÀNG TRUNG QUYẾT
KHÓA: 2017-2019
SO SÁNH GIỚI HẠN CHỊU LỬA CỦA CẤU KIỆN KẾT CẤU
CÔNG TRÌNH TÍNH THEO MỘT SỐ TIÊU CHUẨN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. CHU THỊ BÌNH
2. TS. PHẠM THANH HÙNG
XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN
Hà Nội - 2019
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt hai năm học tập tại Khoa Sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc
Hà Nội, tôi và các học viên cao học khóa 2017 – 2019 đã luôn nhận được sự hướng
dẫn, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và các cán bộ Khoa. Chúng tôi cũng được
học tập và tiếp thu những kiến thức, phương pháp nghiên cứu khoa học vô cùng quý
báu mà các thầy cô đã dày công nghiên cứu, truyền đạt lại cho chúng tôi trong các
buổi học.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Chu Thị Bình và TS. Phạm
Thanh Hùng đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin được
bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ nhân viên trường Đại học Kiến
trúc Hà Nội nói chung, khoa Sau đại học nói riêng.
Vì thời gian nghiên cứu cũng như kiến thức có hạn, trong khi vấn đề nghiên
cứu rộng và phức tạp chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được sự góp ý chia sẻ của các quý thầy cô cũng như quý đồng nghiệp và
những người quan tâm đến xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu để đề tài
nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2019
Học viên
Hoàng Trung Quyết
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập
của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của luận văn là trung thực và có
nguồn gốc rõ ràng.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Hoàng Trung Quyết
MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
* Lý do chọn đề tài ......................................................................................................1
* Mục đích nghiên cứu ................................................................................................2
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................2
* Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................2
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................2
* Cấu trúc luận văn .....................................................................................................2
NỘI DUNG ................................................................................................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH
TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY ...................................................................................3
1.1. Các đặc tính của vật liệu thép và vật liệu bê tông dưới tác động của nhiệt
độ cao .................................................................................................................3
1.2. Ứng xử của kết cấu dưới tác động của nhiệt độ cao ...................................12
1.3. Giới thiệu một số phương pháp xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện
kết cấu trong điều kiện cháy ..........................................................................14
1.3.1. Phương pháp dùng kết quả thí nghiệm ............................................................14
1.3.2. Phương pháp dùng bảng tra .............................................................................14
1.3.3. Phương pháp tính đơn giản hóa .......................................................................14
1.3.4. Phương pháp tính toán tiên tiến ......................................................................14
CHƯƠNG II: XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHỊU LỬA CỦA CẤU KIỆN KẾT
CẤU TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY .......................................................................16
2.1. Xác định giới hạn chịu lửa cấu kiện thép ....................................................16
2.1.1. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện thép theo tiêu chuẩn Việt Nam ........16
2.1.2. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện thép theo tiêu chuẩn châu Âu
Eurocode 3 .......................................................................................................21
2.1.3. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện thép theo tiêu chuẩn Mỹ ..................23
2.2. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện bê tông – cốt thép ......................28
2.2.1. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện bê tông – cốt thép theo tiêu chuẩn
Việt Nam ..........................................................................................................28
2.2.2. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện bê tông - cốt thép theo tiêu chuẩn
Châu Âu Eurocode 2 ........................................................................................37
2.2.3. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện bê tông - cốt thép theo tiêu chuẩn Mỹ
..........................................................................................................................42
2.3. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện liên hợp thép – bê tông ..............46
2.3.1. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện liên hợp thép – bê tông theo tiêu
chuẩn Việt Nam ...............................................................................................46
2.3.2. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện liên hợp thép – bê tông theo tiêu
chuẩn châu Âu Eurocode 4 ..............................................................................46
2.3.3. Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện liên hợp thép – bê tông theo tiêu
chuẩn Mỹ .........................................................................................................60
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN CHỊU LỬA CỦA CẤU KIỆN
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH......................................................................................64
Ví dụ 3.1: Xác định vật liệu cách nhiệt của cấu kiện kết cấu thép ...........................64
3.1.1 Xác định vật liệu cách nhiệt của cấu kiện kết cấu thép theo tiêu chuẩn Việt
Nam ................................................................................................................65
3.1.2 Xác định vật liệu cách nhiệt của cấu kiện kết cấu thép theo tiêu chuẩn Châu
Âu ...................................................................................................................65
3.1.3 Xác định vật liệu cách nhiệt của cấu kiện kết cấu thép theo tiêu chuẩn Mỹ ...79
Ví dụ 3.2: Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu bê tông – cốt thép .......80
3.2.1 Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu bê tông – cốt thép theo tiêu
chuẩn Việt Nam ...............................................................................................81
3.2.2 Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu bê tông – cốt thép theo tiêu
chuẩn châu Âu .................................................................................................82
3.2.3 Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu bê tông – cốt thép theo tiêu
chuẩn Mỹ .........................................................................................................82
Ví dụ 3.3: Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu liên hợp thép – bê tông
.............................................................................................................................83
3.3.1 Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu liên hợp thép – bê tông theo
tiêu chuẩn Việt Nam ........................................................................................84
3.3.2 Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu liên hợp thép – bê tông theo
tiêu chuẩn Châu Âu..........................................................................................84
3.3.3 Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu liên hợp thép – bê tông theo
tiêu chuẩn Mỹ ..................................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .........................................................................86
KẾT LUẬN ..............................................................................................................86
KHUYẾN NGHỊ......................................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BXD
: Bộ Xây dựng
QCVN
: Quy chuẩn Việt Nam
TCVN
: Tiêu chuẩn Việt Nam
TTGH
: Trạng thái giới hạn
EC
: Eurocode
EN
: European Standard
ASCE
: The American Soceity of Civil Engineers
IBC
: International Building Code
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU
Nội dung
STT
Trang
Bảng 1.1
Giá trị các hệ số suy giảm môđun đàn hồi, giới hạn chảy và
giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ
5
Bảng 1.2
Hệ số suy giảm khả năng chịu nén và biến dạng cực hạn của
bêtông ở nhiệt độ
9
Bảng 2.1
Cột chống bằng thép được bọc bảo vệ (khối lượng cột trên 1 m
dài không nhỏ hơn 45 kg)
16
Bảng 2.2
Dầm bằng thép được bọc bảo vệ (khối lượng dầm trên 1 m dài
không nhỏ hơn 30 kg)
18
Bảng 2.3
Giới hạn chịu lửa của cấu kiện thép
21
Bảng 2.4
Khoảng cách bảo vệ tối thiểu của cấu kiện kết cấu với các vật
liệu bao che trong thời gian cháy
24
Bảng 2.5
Dầm bê tông cốt thép
28
Bảng 2.6
Dầm bê tông cốt thép ứng suất trước
29
Bảng 2.7
Cột bê tông cốt thép (có 4 mặt đều tiếp xúc với lửa)
31
Bảng 2.8
Cột bê tông cốt thép (có 1 mặt tiếp xúc với lửa)
31
Bảng 2.9
Sàn bê tông cốt thép (Cốt liệu gốc silic hoặc đá vôi)
32
Bảng 2.10 Sàn bê tông cốt thép dự ứng lực (Cốt liệu gốc silic hoặc đá vôi)
34
Bảng 2.11 Giới hạn chịu lửa của cấu kiện bê tông cốt thép
37
Bảng 2.12
Kích thước tiết diện và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu
cho cột tiết diện chữ nhật hoặc tròn
37
Bảng 2.13
Kích thước tiết diện và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu
cho cột bê tông cốt thép có tiết diện chữ nhật hoặc tròn
38
Bảng 2.14
Kích thước tiết diện và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu
cho dầm đơn giản bằng bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực
39
Bảng 2.15
Kích thước tiết diện và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu
cho dầm liên tục bằng bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực
39
Bảng 2.16
Bê tông cốt thép và dự ứng lực liên tục; tăng chiều rộng và độ
dày cho các điều kiện theo 5.6.3
40
Bảng 2.17
Khoảng cách bảo vệ tối thiểu cho bê tông cốt thép đối với
vách, sàn và mái dốc
42
Bảng 2.18
Khoảng cách bảo vệ tối thiểu cho bê tông cốt thép và bê tông
dự ứng lực đối với sàn và sàn mái
43
Bảng 2.19 Khoảng cách tối thiểu cho dầm bê tông không dự ứng lực
43
Bảng 2.20
Khoảng cách bảo vệ tối thiểu đối với cốt thép dự ứng lực hoặc
lớn hơn trong bề rộng dầm
44
Bảng 2.21
Khoảng cách bảo vệ tối thiểu đối với cốt thép dự ứng lực hoặc
lớn hơn bề rộng dầm
44
Bảng 2.22 Kích thước cột bê tông tối thiểu
45
Bảng 2.23
Kích thước nhỏ nhất của mặt cắt ngang b và diện tích tối thiểu
của cốt thép bổ sung so với diện tích bản cánh As / Af .
46
Bảng 2.24
Khoảng cách tối thiểu đến trục cốt thép bổ sung của dầm liên
hợp
48
Bảng 2.25
Lớp bê tông bảo vệ tối thiểu cho tiết diện dầm thép khi bê tông
chỉ đóng vai trò chống cháy
48
Kích thước nhỏ nhất của mặt cắt ngang, lớp bê tông bảo vệ tối
Bảng 2.26 thiểu của thép hình và khoảng cách tối thiểu đến trục cốt thép
đối với cột liên hợp có thép hình được bọc bê tông toàn bộ
49
Bảng 2.27
Lớp bê tông bảo vệ tối thiểu cho tiết diện cột thép khi bê tông
chỉ đóng vai trò chống cháy
50
Kích thước nhỏ nhất của mặt cắt ngang, khoảng cách tối thiểu
Bảng 2.28 đến trục cốt thép và tỷ lệ cốt thép tối thiểu của cột liên hợp có
thép hình được bọc bê tông một phần
51
Kích thước nhỏ nhất của mặt cắt ngang, tỷ lệ cốt thép tối thiểu
Bảng 2.29 và khoảng cách tối thiểu đến trục cốt thép đối với cột liên hợp
có tiết diện rỗng được nhồi bê tông
52
Bảng 2.30 Hệ số xác định khả năng kháng cháy đối với cách nhiệt
54
Bảng 2.31 Hệ số xác định khả năng kháng cháy đối với tấm thép.
55
Bảng 2.32
Hệ số xác định nhiệt độ của các thanh thép trong các xương
sườn.
56
Bảng 2.33 Hệ số giảm cường độ tra theo nhiệt độ của thép
57
Bảng 2.34 Khoảng cách bảo vệ tối thiểu cho sàn và sàn mái
61
Bảng 3.1
Chiều dày CAFCO 300 cho cột thép tiết diện chữ H - 4 mặt
tiếp xúc với lửa - Nhiệt độ tới hạn 550oC (BS476: Part21:
1987)
66
Bảng 3.2
Các hệ số giảm theo nhiệt độ
67
Bảng 3.3
Bảng tính nhiệt độ kết cấu thép bọc vật liệu CAFECO 300
70
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Nội dung
STT
Trang
Hình 1.1
Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu
thép ở một nhiệt độ cho trước
4
Hình 1.2
Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép trong
điều kiện chịu nhiệt độ cao theo EC
4
Hình 1.3
Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của thép theo nhiệt độ
6
Hình 1.4
Sự biến thiên dẫn nhiệt của thép theo nhiệt độ theo EC
7
Hình 1.5
Sự biến thiên dẫn nhiệt của vật liệu thép
8
Hình 1.6
Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bêtông
trong điều kiện chịu nhiệt độ cao
8
Hình 1.7
Độ giảm cường độ chịu nén của vật liệu bêtông khi hạ nhiệt độ
về nhiệt độ thường
10
Hình 1.8
Sự biến thiên khả năng giãn nở vì nhiệt của vật liệu bêtông
theo nhiệt độ
11
Hình 1.9
Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu bêtông theo nhiệt độ
12
Hình 1.10 Sự biến thiên nhiệt dung riêng của bê tông theo nhiệt độ
12
Hình 2.1
Chia vùng nhiệt độ trong tiết diện ngang của cột
41
Hình 2.2
Biểu đồ xác định các giá trị mô men
42
Hình 2.3
Định nghĩa của các yếu tố hình học cho xương sườn sàn liên
hợp
54
Hình 2.4
Các tham số cho các vị trí của các thanh gia cố
56
Hình 2.5
Biểu đồ đường đẳng nhiệt
59
Hình 2.6
Đường đẳng nhiệt xác định bằng 4 điểm
59
Hình 3.1
Mặt bằng định vị cột
64
Hình 3.2
Mặt bằng kết cấu
64
Hình 3.3
Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian của cấu kiện
78
Hình 3.4
Mặt cắt ngang dầm D4-6
80
Hình 3.5
Mặt bằng định vị dầm D4-6
81
Hình 3.6
Mặt bằng định vị cột
83
Hình 3.7
Mặt cắt ngang chi tiết cột
83
1
MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài:
- Hiện nay nhu cầu xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp đang
bùng nổ mạnh mẽ tại Việt Nam, đặc biệt là các đô thị lớn. Kết cấu chịu lực chính
được sử dụng cũng rất đa dạng nhưng chủ yếu gồm: kết cấu bê tông cốt thép, kết
cấu thép, kết cấu liên hợp thép – bê tông.
- Thực trạng gần đây cho thấy xảy ra rất nhiều các vụ cháy lớn gây ảnh
hưởng nhiều đến tính mạng và tài sản cũng như làm tổn hại nghiêm trọng đến kết
cấu chịu lực chính của công trình như: Cháy chung cư Carina Plaza ở thành phố
Hồ Chí Minh; Cháy chung cư CT4 – Khu đô thi Xa La Hà Đông …Công tác thiết
kế, thẩm định công trình thường đưa yếu tố cháy vào sau khi thiết kế kiến trúc và
kết cấu công trình. Vì vậy để đảm bảo an toàn cho người tài sản, việc tính toán
thiết kế ban đầu cần phải đưa yêu cầu về đảm bảo an toàn cháy như là một điều
kiện cần cho việc thiết kế công trình.
- Khi thiết kế kết cấu công trình ngoài việc tính toán về khả năng chịu tải, về
điều kiện làm việc bình thường (TTGH 2) cần thiết kế đảm bảo về an toàn cháy
theo hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam như quy chuẩn QCVN
06:2010/BXD và TCVN 2622:1995. Trong đó quy định cấp chống cháy của công
trình tương ứng với giới hạn chịu lửa yêu cầu của các cấu kiện trong công trình.
Như vậy phải xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu để đảm bảo giới
hạn đó không nhỏ hơn giới hạn chịu lửa yêu cầu.
- Việc xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu còn chưa được công
bố nhiều, đặc biệt là tại Việt Nam. Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có giải thích, chỉ
dẫn tính toán cụ thể. Một số tiêu chuẩn nước ngoài có chỉ dẫn tính toán như
Eurocodes, tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI/SFPE 29-05.
- 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 xác định
2
giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu trong điều kiện cháy. Qua ứng dụng tính
toán, đưa ra các nhận xét, khuyến nghị.
* Mục đích nghiên cứu:
Trình bày một số phương pháp xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết
cấu trong điều kiện cháy. Ứng dụng tính toán để có kết quả đưa ra các nhận xét,
khuyến nghị.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là các cấu kiện kết cấu trong điều kiện cháy. Phạm vi
nghiên cứu là giới hạn chịu lửa của một số cấu kiện kết cấu.
* Phương pháp nghiên cứu:
Dùng phương pháp tổng hợp, nghiên cứu theo tài liệu và ứng dụng thực hành
tính toán, qua đó đưa ra các nhận xét khuyến nghị.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài trình bày những kiến thức mới (chưa công bố nhiều tại Việt Nam) về
cấu kiện kết cấu trong điều kiện cháy. Những kiến thức này là cần thiết cho các sinh
viên, kỹ sư, cán bộ làm về ngành xây dựng.
* Cấu trúc luận văn:
Luận văn gồm có phần mở đầu, 3 chương và kết luận:
Chương 1: Tổng quan về ứng xử của kết cấu công trình trong điều
kiện cháy
Chương 2: Xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu công trình
trong điều kiện cháy
Chương 3: Ví dụ xác định giới hạn chịu lửa của cấu kiện kết cấu công
trình
3
NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH
TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY
Các đặc tính của vật liệu thép và vật liệu bê tông dưới tác động
1.1.
của nhiệt độ cao [4]
a) Đối với vật liệu thép:
* 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 độ trên
3000C và giảm theo một tốc độ ổn định đến khoảng 8000C. Mối quan hệ của
ứng suất – biến dạng của thép được xây dựng từ phương trình thể hiện trạng
thái làm việc đàn hồi tuyến tính của thép. 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
cho trước thể hiện trên hình 1.1.
Trong đó:
•
fy,
: giới hạn chảy hiệu quả
•
fp,
: giới hạn tỷ lệ
•
Ea,
: độ dốc của đồ thị trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính
•
p,
: biến dạng ứng với giai đoạn tỷ lệ
•
y,
: biến dạng chảy
•
t,
: biến dạng giới hạn trong giai đoạn chảy
•
u,
: biến dạng cực hạn trong vật liệu
4
Hình 1.1 Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở
một nhiệt độ cho trước [6]
Trên hình 1.2 giới thiệu biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép
trong điều kiện chịu nhiệt độ khác nhau từ 200C đến 8000C theo Eurocode [6].
Hình 1.2 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép trong điều
kiện chịu nhiệt độ cao theo EC [6]
5
EC [6] đã đưa ra giá trị các hệ số suy giảm môđun đàn hồi kE,, giới hạn chảy
ky, và giới hạn tỷ lệ kp, của vật liệu thép ở một nhiệt độ nhất định, theo bảng
sau:
Bảng 1.1
Giá trị các hệ số suy giảm môđun đàn hồi, giới hạn chảy và
giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ [6]
Nhiệt độ (0C)
kE,=Ea,/Ea
20
1,0000
1,00
1,0000
100
1,0000
1,00
1,0000
200
0,9000
1,00
0,8070
300
0,8000
1,00
0,6130
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
ky,=fay,/fay
kp,=fap,/fap
*) Hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép
EC [6] 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 được
thể hiện như hình 1.3
Khi 200C a 7500C thì
l
1,2.105.a 0.4.108.a2 2,416.104
l
Khi 7500C a 8600C thì l/l = 1,1.10-2
(1.1)
(1.2)
6
Khi 8600C a 12000C thì
Trong đó: l
l
2.105.a 6,2.103
l
(1.3)
: chiều dài ban đầu ở nhiệt độ 200C của cấu kiện khảo sát
a : nhiệt độ của thép tại thời điểm khảo sát (0C)
Hình 1.3 Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của thép theo nhiệt độ [6]
*) Nhiệt dung riêng của vật liệu thép:
Nhiệt dung riêng của thép là nhiệt lượng lưu giữ trong một đơn vị khối
lượng của thép để tăng 10C hay 1K. Vật liệu có nhiệt dung riêng càng lớn thì sự
thay đổi nhiệt độ (tăng lên để vật liệu hấp thụ một năng lượng nhiệt cho trước
hoặc giảm đi để tỏa ra một lượng nhiệt cho trước) càng nhỏ. EC [6] đã đưa ra
biểu đồ mô tả mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ được thể hiện như
hình 1.4
7
Hình 1.4 Sự biến thiên dẫn nhiệt của thép theo nhiệt độ theo EC [6]
Khi 200C a 6000C thì: Ca 425 7,73.101.a 2,2.106.3a (J / kgK) (1.4)
Khi 6000C a 7350C thì: Ca 666
13002
(J / kgK)
1 a
(1.5)
Khi 7350C a 9000C thì: Ca 545
17820
(J / kgK)
1 a
(1.6)
Khi 9000C a 12000C thì: Ca = 650 (J/kgK)
(1.7)
Để đơn giản, một trị số trung bình bằng 600 J/kgK được lấy là giá trị đặc trưng
trong các công thức tính toán đối với vật liệu thép.
*) Tính dẫn nhiệt của vật liệu thép:
Tính dẫn nhiệt (a) được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện
tích tiết diện ngang của vật liệu trong một đơn vị thời gian tương ứng với một đơn
vị nhiệt (tức là 10C hoặc 1K thay đổi trên một đơn vị chiều dài) được thể hiện như
hình 1.5
Khi 200C a 8000C thì: a 54 3,33.102.a (W / mk)
(1.8)
Khi 8000C a 12000C thì: a 27,3(W / mk)
(1.9)
8
Để đơn giản tính toán EC [6] sử dụng giá trị không đổi là a = 45 W/mK.
Hình 1.5 Sự biến thiên dẫn nhiệt của vật liệu thép [6]
b) Đối với vật liệu bê tông:
*) Đặc tính của vật liệu bêtông dưới tác dụng của nhiệt độ cao
Cường độ của bêtông:
Hình 1.6 Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bêtông trong điều
kiện chịu nhiệt độ cao
Bêtông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng. Tất cả các dạng đường cong quan
hệ ứng suất – biến dạng đều đạt cường độ chịu nén cao hơn giới hạn đàn hồi hiệu
9
quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi xuống được thể hiện như hình 1.6. Trong
trường hợp này, khả năng chịu kéo của bêtông cũng xem như bằng 0.
Còn đối với EC [5] tương tự như đối với vật liệu thép, giá trị các hệ số suy giảm
khả năng chịu nén kc, và biến dạng cực hạn cu, tương ứng với ứng suất fc của vật
liệu bêtông ở một nhiệt độ nhất định cũng được thể hiện theo bảng:
Bảng 1.2
Hệ số suy giảm khả năng chịu nén và biến dạng cực hạn của
bêtông ở nhiệt độ [5]
Nhiệt độ (0C)
cu,
kc, = fc,/fc
Bê tông thường
Bê tông nhẹ
(Bê tông 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
400
0,750
0,880
0,0100
500
0,600
0,760
0,0150
600
0,450
0,640
0,0250
700
0,300
0,052
0,0250
800
0,150
0,040
0,0250
900
0,008
0,028
0,0250
1000
0,004
0,016
0,0250
1100
0,001
0,004
0,0250
1200
0,000
0,000
0,0000
Khi nghiên cứu sự làm việc của bêtông sau khi giảm nhiệt độ về nhiệt độ
thường thì cho thấy bêtông không đạt được cường độ chịu nén như ban đầu. Mức
độ của quá trình giảm cường độ này sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ lớn nhất mà bêtông
phải chịu trong giai đoạn trước đó. Thông thường, giá trị cường độ tại một nhiệt độ
10
c nào đó (200C< c < cmax) sẽ được xác định bằng phép nội suy tuyến tính giữa
cường độ tại cmax và cường độ tại nhiệt độ phòng 200C.
(1): Biểu đồ ở nhiệt độ thường 200C
(2): Biểu đồ ở 200C khi hạ nhiệt độ từ 7000C
(3): Biểu đồ khi đốt nóng đến 4000C
(4): Biểu đồ ở 4000C khi hạ nhiệt độ từ 7000C
Hình 1.7
Độ giảm cường độ chịu nén của vật liệu bêtông khi hạ nhiệt độ
về nhiệt độ thường [5]
Như vậy, bêtông giảm cường độ ở nhiệt độ cao chậm hơn so với thép nên tạo ra
sự cách nhiệt tương đối tốt cho cốt thép hoặc các phần kết cấu thép mà nó bao bọc.
Khi chịu lửa bê tông sẽ xuất hiện hiện tượng nứt, vỡ lớp bêtông bảo vệ, nhất là khi
lửa cháy có kèm theo nổ thì sự phá vỡ dần dần của bêtông sẽ làm lộ rõ cốt thép
hoặc kết cấu thép trực tiếp tiếp xúc với ngọn lửa, rất bất lợi cho kết cấu. Vì vậy độ
dày của lớp bêtông bảo vệ theo lý thuyết phải được xác định theo từng giai đoạn
chịu nhiệt được thể hiện ở hình 1.7
Các đặc tính khác của bêtông:
11
Sự giãn nở vì nhiệt của bêtông tăng theo nhiệt độ. Quá trình chuyển pha của
bêtông xảy ra ở nhiệt độ 7000C, khi đó sự giãn nở vì nhiệt trong bêtông ngưng hoàn
toàn, đường cong thể hiện mối quan hệ giữa hệ số giãn nở vì nhiệt và nhiệt độ trong
bêtông được thể hiện ở hình 1.8
Hình 1.8
Sự biến thiên khả năng giãn nở vì nhiệt của vật liệu bêtông
theo nhiệt độ [5]
Khả năng truyền nhiệt của bêtông phụ thuộc vào khả năng truyền nhiệt của các
thành phần bao gồm hàm lượng nước, dạng cốt liệu, tỷ lệ trộn và loại xi măng.
Trong thực tế, khả năng truyền nhiệt của bêtông là một hàm của nhiệt độ (đối
với cả bêtông thường và bêtông nhẹ). Để đơn giản cho tính toán, EC [5] cho phép
sử dụng một giá trị không đổi cho thông số này kc=1,6W/mK được thể hiện ở hình
1.9
12
Hình 1.9
Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu bêtông theo nhiệt độ [5]
EC [5] cũng sử dụng một giá trị không đổi đối với nhiệt độ cho bêtông thường
Cc = 1000 J/kgK được thể hiện ở hình 1.10
Hình 1.10 Sự biến thiên nhiệt dung riêng của bê tông theo nhiệt độ [5]
1.2.
Ứng xử của kết cấu dưới tác động của nhiệt độ cao [4]
Khi kết cấu chịu cháy, ngoài nội lực do tải trọng gây ra trong kết cấu, sự giãn nở
do nhiệt độ cao còn gây ra sự phân phối nội lực rất lớn. Với cấu kiện đơn lẻ, ảnh
hưởng của sự giãn dài do nhiệt độ cao có thể xác định rõ ràng. Song với kết cấu
gồm nhiều cấu kiện, sự tác động do biến dạng nhiệt này có khi không xác định
