Ảnh hưởng của hình thức bọc bảo vệ đến ứng suất, biến dạng của dầm thép tiết diện chữ I trong điều kiện chịu nhiệt độ cao

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019. 13 (5V): 47–54

ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH THỨC BỌC BẢO VỆ ĐẾN ỨNG SUẤT,
BIẾN DẠNG CỦA DẦM THÉP TIẾT DIỆN CHỮ I TRONG
ĐIỀU KIỆN CHỊU NHIỆT ĐỘ CAO
Phạm Thị Ngọc Thua,∗, Phan Quốc Tuấna
a

Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng,
55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam

Nhận ngày 31/08/2019, Sửa xong 19/09/2019, Chấp nhận đăng 19/09/2019
Tóm tắt
Thép là dạng vật liệu suy giảm khả năng chịu lực nhanh trong điều kiện chịu lửa. Bọc các cấu kiện thép chịu
lực bằng vật liệu chống cháy là một trong các biện pháp hữu hiệu để bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện chịu
nhiệt độ cao. Hiện nay, có hai hình thức bọc phổ biến áp dụng cho các cấu kiện chịu uốn là bọc hình hộp và
bọc theo chu vi. Mỗi hình thức bọc lại phù hợp với một dạng vật liệu bảo vệ khác nhau. Bài báo giới thiệu một
nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của hình thức bọc bảo vệ đến khả năng chịu lực của cấu kiện dầm thép tiết diện
chữ I trong điều kiện chịu nhiệt độ cao. Phần mềm mô phỏng ANSYS Workbench đã được sử dụng để xác định
sự phân bố nhiệt độ trong dầm thép, ứng suất, biến dạng của dầm tại một thời điểm cho trước khi cháy từ đó
đưa ra kết luận về cách lựa chọn hình thức bọc phù hợp với từng điều kiện thiết kế dầm thép.
Từ khoá: dầm thép; vật liệu chống cháy; hình thức bọc; nhiệt độ cao; ANSYS Workbench.
EFFECTS OF PROTECTIVE COVER FORMS ON BEHAVIOR OF I-SHAPED STEEL BEAMS UNDER
ELEVATED TEMPERATURE
Abstract
Steel is a material which rapidly declines load-bearing capacity in fire. Covering steel members with fire protection materials is one of the effective measures to protect them in fire. Currently, there are two common forms
of covering applied to bending members: box-shaped protection and contour protection. Each form is suitable
for a certain protection material. The paper introduces a study examining effects of protective cover forms on
the bearing capacity of I-shaped steel beams under elevated temperature. The ANSYS Workbench simulation
software is used to determine the temperature distribution, stresses, deflections of steel beams at a given time
in the research process and presents a conclusion about choosing the suitable cover form in beam design.

Keywords: steel beams; fire protection materials; cover forms; elevated temperature; ANSYS Workbench.
c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)

1. Đặt vấn đề
Thép là một vật liệu đang chiếm ưu thế trong các công trình xây dựng hiện nay nhờ khả năng chịu
lực cao và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, thép bị giảm khả năng chịu lực rất nhanh trong điều kiện chịu
nhiệt độ cao nên việc ứng dụng biện pháp nâng cao khả năng chịu nhiệt cho kết cấu thép đang được
quan tâm mạnh mẽ. Một số biện pháp bọc bảo vệ cấu kiện thép bằng các vật liệu cách nhiệt như thạch
cao chống cháy, vữa chống cháy, sơn chống cháy, ... là những hình thức được sử dụng phổ biến.
∗

Tác giả chính. Địa chỉ e-mail: (Thu, P. T. N.)

47


Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Bài toán đặt ra trong quá trình nghiên cứu tính hiệu quả của hình thức bọc bảo vệ là xác định quy
luật lan truyền nhiệt thông qua lớp vật liệu cách nhiệt vào bên trong cấu kiện, từ đó phân tích ứng xử
nhiệt và trạng thái làm việc trong điều kiện vừa chịu lực vừa chịu nhiệt của cấu kiện thép. Kết quả của
bài toán này sẽ tạo điều kiện cho việc lựa chọn vật liệu bọc, giải pháp bọc và chiều dày lớp bọc phù
hợp với từng trường hợp thiết kế cụ thể.
Phương pháp phần tử hữu hạn 3D [1–4] được sử dụng là công cụ chính để giải bài toán trên, với
hai giai đoạn phân tích cơ bản là phân tích nhiệt [2, 4] và phân tích cơ học [1, 3]. Giai đoạn phân tích
nhiệt sẽ xác định trường nhiệt độ trong cấu kiện biến thiên theo thời gian, dựa trên mối quan hệ nhiệt
độ - thời gian của các mô hình cháy danh nghĩa. Kết quả thu được ở giai đoạn này kết hợp với tải trọng
sẽ là điều kiện đầu vào cho giai đoạn phân tích cơ học để xác định các giá trị ứng suất, biến dạng và
khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép. Các đặc tính nhiệt học như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung
riêng và các đặc tính cơ học như modun đàn hồi, modun tiếp tuyến, giới hạn chảy của vật liệu thép

đều thay đổi theo nhiệt độ [5–7], tức là thay đổi theo thời gian. Như vậy, bài toán được phân tích bao
gồm cả sự thay đổi về không gian (ba trục x, y, z trong hệ tọa độ Descartes) và thời gian (t).
Trong phạm vi của bài báo, tác giả tập trung nghiên cứu trạng thái ứng xử của cấu kiện dầm thép
tiết diện chữ I chịu lực được bọc bảo vệ theo hai hình thức: bọc theo chu vi bằng vật liệu vữa chống
cháy và bọc hình hộp bằng vật liệu thạch cao chống cháy trong điều kiện chịu nhiệt độ cao. Chương
trình mô phỏng ANSYS Workbench [8, 9] theo phương pháp phần tử hữu hạn với phân tích nhiệt
Transient thermal và phân tích cơ Transient structural được sử dụng để xác định sự phân bố nhiệt độ,
ứng suất, biến dạng trên toàn bộ dầm tại một thời điểm cho trước trong quá trình dầm vừa chịu lực
vừa chịu nhiệt độ cao biến thiên theo thời gian.

2. Các hình thức bọc bảo vệ dầm thép tiết diện I

2.
Cácchống
hình thức
vệphần
dầm thép
tiết chính
diện I là các chất khoáng tự nhiên, xi măng và
Vữa
cháybọc
có bảo
thành
hóa học
2. Các hình thức bọc bảo vệ dầm thép tiết diện I
Vữa phụ
chống
thànhđược
phầnthi
hóacông

học chính
các chấtpháp
khoáng
tự khô
nhiên,
xi măng
và đổ
các chất
giacháy
hoạtcótính,
bằng là
phương
phun
hoặc
trát hoặc
Vữa
chống
cháy
có
thành
phần
hóa
học
chính
là
các
chất
khoáng
tự
nhiên,

xi
măng
và các chất
các cốp
chấtpha.
phụ gia
tính, được
bằng phương
pháp
phun lại
khôkhông
hoặc trát
ghép
Cáchoạt
phương
pháp thi
nàycông
thi công
tương đối
nhanh,
gặphoặc
phảiđổnhững
phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ ghép cốp pha. Các
ghép
cốp
Các
phương
pháp này
thi
công tấm

tươngtường,
đối nhanh,
lại không
gặp phải
những chi
vấn
đề pháp
khó pha.
khăn
khicông
cố định
panel,
tấmnhững
sàn
cứng
phương
này thi
tươngcác
đốitấm
nhanh,
lại không
gặp phải
vấn xung
đề khóquanh
khăn các
khi cố định
vấn
đề
khó
khăn

khi
cố
định
các
tấm
panel,
tấm
tường,
tấm
sàn
cứng
xung
quanh
các
chi
các
tấm tường,
tấmkhi
sànthicứng
xung
cáccháy
chi tiết
tiếttấm
liênpanel,
kết phức
tạp. Sau
công,
vữaquanh
chống
tạo liên

nênkết
mộtphức
lớp tạp.
phủSau
rắn,khi
cóthi
khảcông,
tiết
liên cháy
kết phức
tạp.một
Sau lớp
khi phủ
thi công,
vữa
chống
cháy
tạo
nên
một
lớp phủ
rắn,của
có các
khả đám cháy
vữa
chống
tạo
nên
rắn,
có

khả
năng
chịu
được
sự
tác
động
nhiệt
năng chịu được sự tác động nhiệt của các đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt
nhiên
liệu
có được
cườngsựđộtác
cao,
đặcnhiệt
biệt là
năng
chịu
động
củadạng
các lửa
đámphun.
cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt
là dạng lửa phun.
là dạng lửa phun.

Dầm
sàn
b,(b)Dầm
độc

lập
bọc
vữa
bốn
mặt
Dầm
sànbọc
bọcvữa
vữaba
ba
mặt
độc
lậplập
bọc bọc
vữa bốn
a,a,(a)
Dầm
sàn
bọc
vữa
bamặt
mặt
b,Dầm
Dầm
độc
vữamặt
bốn mặt
Hình1.1.Các
Các hình
hình thức

thức bọc
I chịu
lựclực
bằng
vữavữa
chống
cháycháy
Hình
bọctiết
tiếtdiện
diệnthép
thép
I chịu
bằng
chống

Hình 1. Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực bằng vữa chống cháy

Vữa chống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến nhất là bọc theo chu vi của cấu kiện
Vữa
chống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến nhất là bọc theo chu vi của cấu kiện
thép.
Phổ biến
nhất với
tiết diệnbảo
chữvệI,phổ
khi các cấu
kiệnbọc
dầmtheo
đỡ sàn

bê
vì bê
tông
là Phổ biến
Vữa
chống
hình
chusàn
vi tông,
của
cấu
kiện
thép.
thép. Phổ biếncháy
nhấtcóvới
tiếtthức
diện chữ
I, khibiến
cácnhất
cấulàkiện
dầm đỡ
bê tông,
vì bê
tông
là
nhấtnhững
với tiết
I, nhiệt
khi các
đỡ sàn

bêbọc
tông,
bê mặt
tôngcòn
là những
vật1a).
liệuCòn
cách nhiệt tốt
vậtdiện
liệuchữ
cách
tốtcấu
nênkiện
vữadầm
thường
được
tạivìcác
lại (hình
những
vật
liệuđược
cáchbọc
nhiệt
tốt
vữa
được
bọc tạiđối
cácvớimặt
(hình
1a). Còn

nên
vữavới
thường
tại độc
cácnên
mặthoặc
còn thường
lại
1(a)).
cáccòn
cấulại
kiện
dầm
đối
các cấu
kiện dầm
lập
liên(Hình
kết với
các Còn
bề mặt vật
liệu
chịu
nhiệt
kém độc
thì lập hoặc

đối với các cấu kiện dầm độc lập hoặc liên kết với các bề mặt vật liệu chịu nhiệt kém thì
nên bọc vữa cả bốn mặt để đảm bảo hiệu quả 48
cách nhiệt cần thiết (hình 1b). Về phương

nên
bọc
vữa
cả
bốn
mặt
để
đảm
bảo
hiệu
quả
cách nhiệt
cầnthểthiết
1b). tiếp
Về lên
phương
thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống
cháy có
bám(hình
dính trực

thức
hìnhkết
thành
liệucóphủ
chống
vữa
chống
trựcvữa
tiếp lên

bề mặt
cấu hệ
thépvật
hoặc
thêm
lưới cháy,
thép gia
cường.
Độcháy
dày có
tối thể
thiểubám
củadính
một lớp
bềbám
mặtdính
kết cấu
có của
thêm
giathép
cường.
Độ dày
tối thiểu
của các
mộttính
lớp vữa
trực thép
tiếp làhoặc
14mm,
lớplưới

vữathép
có lưới
gia cường
là 50mm.
Trong


Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

liên kết với các bề mặt vật liệu chịu nhiệt kém thì nên bọc vữa cả bốn mặt để đảm bảo hiệu quả cách
nhiệt cần thiết (Hình 1(b)). Về phương thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống cháy có
thể bám dính trực tiếp lên bề mặt kết cấu thép hoặc có thêm lưới thép gia cường. Độ dày tối thiểu của
một lớp vữa bám dính trực tiếp là 14 mm, của lớp vữa có lưới thép gia cường là 50 mm. Trong các
toán
nhiệt,truyền
độ dẫnnhiệt
nhiệtcủa
củathạch
vữa chống
cháyhơn
có thể
đổi từnên
0,15-0,25
W/m◦độ
C [7, 10].
(hìnhtính
2c).
Vìtruyền
khả năng
cao thấp

so thay
với thép
phần nhiệt
(hình 2c).
Vì cao
khảcó
năng
truyền
nhiệt
của
thạchvàcao
thấp
hơn
so với
thép nên
phần
nhiệt
độ
Thạch
21%
khối
lượng
là
nước
79%
khối
lượng
là
thạch
cao

khan.
Hợp
chất
ở trong khu vực bao kín bởi hộp bảo vệ được xem là◦phân bố đều. Các tấm thạch cao cónày hoàn
toàn không
có bao
phản
ứng
hóanăng
họcbảo
ở nhiệt
độ dưới
1200
C. thấp
Khi
công
trình
xảy thạch
ra hỏa
hoạn,
ở trong
khu vực
bởi
hộp
vệnhiệt
được
xem
là phân
bố hơn
đều.soCác

cao
có đầu
(hình
2c).kín
Vì khả
truyền
của
thạch
cao
với tấm
thép
nên
phần
nhiệt
độ tiên các
độ dày
tốitửthiểu
9mm,
trong
một
sốnhiệt
trường
hợp
cần
tăng
mạnh
hiệudạng
quảhơi
cách
nhiệt,

cólàthể
phân
nước
kết
tinh
sẽ
hấp
thụ
rồi
được
giải
phóng
ra
dưới
nước.
Đây
hiện
ở trong
khutrong
vực bao
hộp bảo
được
xem
là phân
đều.cách
Cácnhiệt,
tấm thạch
cao có tượng
độ dày tối thiểu
9mm,

mộtkín
số bởi
trường
hợpvệ
cần
tăng
mạnh
hiệubốquả
có thể
sử dụng
ốp
hai
tấm
liền
nhau
để
tăng
bề
dày
lớp
bọc.
Trong
các
tính
toán
truyền
nhiệt,
độ nhiệt
canxi hóa, độ
chính

quáthiểu
trình9mm,
hấp thụ
nhiệt
vàsốgiải
phóng
các
phânmạnh
tử nước
này đãcách
hạnnhiệt,
chế sự
truyền
dày tối
trongbề
một
trường
hợp
cần tăng
hiệu quả
có thể
sử dụng ốp hai
tấm
liền nhau
để tăng
dày
lớp
bọc.
Trong
các tính toán

truyền nhiệt,
độ
o
mặtcủa
tiếpthạch
xúc trực
tiếp
với lửa
sang
kia của
tấm,
tạo hiệu quả
cách
nhiệt cho tấm.
dẫn từ
nhiệt
chống
cháy
có mặt
thể
thay
đổi
từ 0,2-0,25
W/m
C [2,12].
o tính
dụngcao
ốp hai
tấm liền
để tăng

dày
bọc. Trong
toán truyền nhiệt, độ
dẫn nhiệt củasửthạch
cao
chống
cháynhau
có thể
thaybềđổi
từlớp
0,2-0,25
W/mcác
C [2,12].
dẫn nhiệt của thạch cao chống cháy có thể thay đổi từ 0,2-0,25 W/moC [2,12].

c,bọc
Dầm
bọc
bốn
mặt
cókhông khí
a,bọc
Dầm
sàn
b, Dầm
độc
lập
bọc
bốn
(a) Dầm

mặtbọc ba mặt b,
(b)Dầm
Dầmđộc
độc
lập
bọc
bốn
mặt
(c)mặt
bọc
bốn
mặt
có mặt
lỗcó
hổng
c,Dầm
Dầm
bốn
mặt
c,
Dầm
bọc
bốn
có
Dầm
sànsàn
bọc
baba
mặt
lập

bốn
mặt
a,a,Dầm
sàn
bọc
ba
mặt
b,
Dầm
độc
lậpbọc
bọc
bốn
mặt
lỗ
hổng
không
khí
lỗ lỗ
hổng
không
khí khí
hổng
không
Hình
2.
Các
hình
thức
bọc

tiết
diện
thép
I chịu
lực
bằng
thạch
cao chống
cháy
Hình
2.
Các
hình
thức
bọc
tiết
diện
thép
I
chịu
lực
bằng
vữa
chống
cháy
Hình
2.
Các
hình
thức

bọc
tiết
diện
thép
I
chịu
lực
bằng
thạch
cao
chống
cháy
Hình 2. Các hình thức
tiết diện thép I chịu lực bằng thạch cao chống cháy

3. Khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm thép được bọc bảo vệ trong

Khảo
sátthức
trạng thái
thái ứng
ứng của
suấtthạch
-- biến
của
dầm
bảo
vệ
trong
Hình

caodạng
là bọc
hình
hộp,thép
tấmđược
thạch
cao
chạy
vòng
quanh
3.3.Khảo
sát
trạng
suất
biến
dạng
của
dầm
thép
đượcbọc
bọc
bảo
vệ
trong tiết diện
điềubọc
kiệnchủ
chịuyếu
nhiệt
độ cao
điều

kiện
chịu
nhiệt
độ cao
cao
theo
một
hình
chữ nhật
ngoại tiếp (Hình 2(a) và 2(b)). Trong thực tế, người ta có thể cấu tạo thêm các
điều
kiện
chịu
nhiệt
độ
Xét cấu
kiện dầm thép có tiết diện chữ I được bọc bảo vệ có kích thước bản bụng
lỗ hổng không khí xung quanh tiết diện để tăng mức độ đối lưu không khí (Hình 2(c)). Vì khả năng

Xétcấu
cấukiện
kiện
dầm thép
thép
có tiết
diện
chữ
II được
bọc
bảo

kích
thước
bảnbản
bụng
h =600mm,
tw=10mm,
cánh
bf=250mm,
tbọc
trên
dầm
liên
kết
với
bản
sàn
Xét
dầm
có
tiếtbản
diện
chữ
được
bảovệMặt
vệcócó
kích
thước
bụng
f=14mm.
truyền nhiệtwcủa thạch cao

thấp hơn so với thép
nên phần
nhiệt độ ở trong khu vực bao kín bởi hộp bảo
hw=600mm, tbê
bản
cánh
b
=250mm,
t
=14mm.
Mặt
trên
dầm
liên
kết
với
bản
sàn
w=10mm,
f
f
tông
cốt bản
thép
có chiều
dày bthạch
Nhiệt
độ tác
dụng
lên

bản
dưới
củasốsàn
dầm
s=100mm.
hw=600mm,
tw=10mm,
cánh
bf=250mm,
tcao
trên
dầm
kết
với
bản
f=14mm.
vệ được xem
là phân
bố đều.
Các
tấm
có
độ Mặt
dày
tối
thiểu
9 liên
mm,cánh
trong
một

trường hợp
bê cần
tôngtăng
cốtmạnh
thép
có
chiều
dày
b
=100mm.
Nhiệt
độ
tác
dụng
lên
bản
cánh
dưới
của
dầm
sdài dầm)
thép hiệu
(theo quả
suốtcách
chiềunhiệt,
biến
thiên
theo
thờitấm
gian,

ápnhau
dụng để
đường
cong
nhiệt
độbọc.
có
thể
sử
dụng
ốp
hai
liền
tăng
bề
dày
lớp
bê tông cốt thép có chiều dày bs=100mm. Nhiệt độ tác dụng lên bản cánh dưới của dầm- Trong
thờitruyền
gian ISO
834
dựabiến
trênnhiệt
mô hình
cháy
danh
nghĩa
vậtđường
liệuthể
hydro

cacbua
thép
suốt
chiều
dài
dầm)
thiên
theo
thời
gian,
áp của
dụng
cong
nhiệt
độ8]:các(theo
tính toán
nhiệt,
độ
dẫn
của
thạch
cao
chống
cháy
có
thay
đổi
từ[6,0,2-0,25
W/m◦C

thép (theo suốt chiều dài dầm) biến thiên theo thời gian, áp dụng đường cong nhiệt độ T = 345
logdanh
+ 1 ) + 20
[7,gian
10].ISO 834 dựa trên mô hình
thời
cháy
của vật liệu hydro cacbua [6, 8]: (1)
10 ( 8t nghĩa
thời gian ISO 834 dựa trên mô hình cháy danho nghĩa của vật liệu hydro cacbua [6, 8]:
trong đó:
T là log
nhiệt
độ thu được ( C) tại thời điểm t (phút).
(1)
T = 345
10 ( 8t + 1 ) + 20
T
=
345
log
tbiến
+tông
1 )dạng
+xem
20 của
10 ( 8
mặtứng
trênsuất
bản

như dầm
nhiệt thép
độ phòng
đổi
theo
3. Khảo sát Nhiệt
trạngđộ
thái
-bê
đượcTphong
bọc=25
bảooC,vệkhông
trong(1)
điều
kiện chịu
trong đó: T là nhiệt độ thu được (oC) tại thời điểm t (phút).

cao
suốt
trong(othời
gian
khảo
sát. t (phút).
trongnhiệt
đó: độT
là chiều
nhiệtdài
độdầm
thu và
được

C) tại
thời
điểm
Nhiệt độ mặt trên bản bê tông xem như nhiệt độ phòng Tphong=25oC, không đổi theo
Dầm
hai
đầu
khớp,
nhịp
L=8m,
tải
trọng
tác dụng lênTbản cánh
otrên của dầm thép xem
Nhiệt
độcấu
mặtdầm
trênvà
bản
bêthời
tông
xem
như
=25
C, không
đổihwtheo
phong
Xét
kiện
dầm

thép
có
tiết
diện
chữ
Inhiệt
được độ
bọcphòng
bảo vệ có
kích
thước
bản bụng
= 600 mm,
suốt
chiều
dài
trong
gian
khảo
sát.
là phân bố đều q=40KN/m và không đổi trong suốt thời gian khảo sát. Giới hạn chảy của
t
=
10
mm,
bản
cánh
b
=
250

mm,
t
=
14
mm.
Mặt
trên
dầm
liên
kết
với
bản
sàn
bê
tông
cốt thép
w
f thời gian khảo
f
suốtDầm
chiềuhai
dàiđầu
dầm
và trong
sát.
khớp,
nhịp
L=8m, tải
2 trọng tác dụng lên bản cánh trên của dầm thép xem
thép

f
/
g
=2400daN/cm
[6].
Hệ
số
dẫn
nhiệt
của
thép
thay
đổi
phụ
thuộc
nhiệt
độ
theo
y
M,fi
có chiều dày b s = 100 mm. Nhiệt độ tác dụng lên bản cánh dưới của dầm thép (theo suốt chiều dài
nhịp và
L=8m,
tảiđổi
trọng
tácsuốt
dụng
lêngian
bảnkhảo
cánhsát.

trên
củahạn
dầm
thép
xem
làDầm
phânhai
bố đầu
đều khớp,
q=40KN/m
không
trong
thời
Giới
chảy
của
1993
[6].thời gian, áp dụng đường cong nhiệt độ - thời gian ISO 834 dựa trên mô hình
dầm) biến EN
thiên
theo

làthép
phân
đềunghĩa
q=40KN/m
và không
đổi nhiệt
trong
suốtthép

thờithay
gianđổi
khảo
Giới
hạnđộchảy
fy/bố
gdanh
Hệ
số cacbua
dẫn
phụsát.
thuộc
nhiệt
theocủa
M,fi=2400daN/cm
cháy
của vật2 [6].
liệu
hydro
[5, của
6]:
thép
=2400daN/cm2 [6]. Hệ số dẫn nhiệt của thép thay đổi phụ thuộc nhiệt độ theo
y/gM,fi[6].
EN f1993
EN 1993 [6].

T = 345log10 (8t + 1) + 20

(1)

trong đó T là nhiệt độ thu được (◦C) tại thời điểm t (phút).
Nhiệt độ mặt trên bản bê tông xem như nhiệt độ phòng T phong = 25◦C, không đổi theo suốt chiều
dài dầm và trong thời gian khảo sát.
49 4

4


Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Dầm hai đầu khớp, nhịp L = 8 m, tải trọng tác dụng lên bản cánh trên của dầm thép xem là
phân bố đều q = 40 KN/m và không đổi trong suốt thời gian khảo sát. Giới hạn chảy của thép
fy /γ M, fi = 2400 daN/cm2 [5]. Hệ số dẫn nhiệt của thép thay đổi phụ thuộc nhiệt độ theo EN 1993 [5].

TiếtTiết
diệndiện
dầmdầm
bọcvữa
vữa chống
chống
cháycháy
(a)
bọc
vữa
chống
a,a,Tiết
diện
dầm
bọc

cháy

b,
bọc
thạch
(b)diện
Tiếtdầm
diện
dầm
bọccao
thạch cao
b, Tiết
Tiết
diện
dầm
bọc
thạch
cao
Hình
3.
Kích
thước
tiết
diện
dầm
khảo
sát
Hình
diện
dầm

khảo
sátsát
Hình3.3.Kích
Kíchthước
thướctiết
tiết
diện
dầm
khảo
Quá trình khảo sát dựa trên việc thay đổi một số thông số của hình thức bọc bảo vệ
Quá trình khảo sát dựa trên việc thay đổi một số thông số của hình thức bọc bảo vệ
dầm:khảo sát dựa trên việc thay đổi một số thông số của hình thức bọc bảo vệ dầm:
Quá trình
dầm:
15
25
50
Bọc chu vị, bề dày vữa tbv (mm)
15
25
50
Bọc chu vị, bề dày vữa tbv (mm)
Bọc chu vị, bềBọc
dàyhình
vữahộp,
tbvbề
(mm)
25
50
13

16
26
32
dày thạch cao tbv (mm) 15
13
16
26
32
Bọc hình hộp, bề dày thạch cao tbv (mm)
o
o
Bọc hình
bềsốdày
(mm)
16l=0,25 W/m26
32
Vữahộp,
có hệ
dẫn thạch
nhiệt lcao
=0,18tbvW/m
C; thạch cao có13
hệ số dẫn nhiệt
C;
Vữa có hệ số dẫn nhiệt l=0,18 W/moC; thạch cao có hệ số dẫn nhiệt l=0,25 W/moC;
◦
◦
Phần
mềm λmô
phỏngW/m

ANSYS
được sử dụng
phỏng
Vữa có hệ sốPhần
dẫn nhiệt
= phỏng
0,18
C; thạch
có hệđể
sốxây
dẫndựng
nhiệtmô
λ =hình
0,25mô
W/m
C. trường
mềm mô
ANSYS
được cao
sử dụng
để
xây
dựng
mô
hình
mô
phỏng
trường
ứng suất-biến dạng (theo phân tích Transient structural - mặc định là phi tuyến hình học
ứng suất-biến dạng (theo phân tích Transient structural - mặc định là phi tuyến hình học

[11]) của
thép ANSYS
khi chịu đồng
dụngđểcủa
tải dựng
trọng và
độ.mô
Phần
tử được
Phần mềm
môdầm
phỏng
đượcthời
sử tác
dụng
xây
mônhiệt
hình
phỏng
trường ứng suất[11]) của dầm thép khi chịu đồng thời tác dụng của tải trọng và nhiệt độ. Phần tử được
là phần
3D solid
body HEX8
[5] - dạng
phần
tử bậc
nhất tuyến
gồm 6 hình
mặt, 8học
nút; [9])

mô của dầm thép
biến dạngchọn
(theo
phântửtích
Transient
structural
- mặc
định
là phi
chọn là phần tử 3D solid body HEX8 [5] - dạng phần tử bậc nhất gồm 6 mặt, 8 nút; mô
hình vật
liệutác
dạng
tuyến
tínhtải
(dạng
isotropic
elasticity
[5]). tử được chọn là phần tử 3D solid body
khi chịu đồng
thời
dụng
của
trọng
và nhiệt
độ. Phần
hình vật liệu dạng tuyến tính (dạng isotropic elasticity [5]).
HEX8 [8] - dạng
tử bậc
6 mặt,

nút;
môcủa
hình
dạng
tuyến
Trong phần
mô hình
này, nhất
ta bỏ gồm
qua trạng
thái8làm
việc
các vật
lớp liệu
vật liệu
cách
nhiệt,tính
ứng (dạng isotropic
Trong mô hình này, ta bỏ qua trạng thái làm việc của các lớp vật liệu cách nhiệt, ứng
elasticity [8]).
suất nghiên cứu là ứng suất Von-mises [3], biến dạng nghiên cứu là độ võng của dầm
suất nghiên cứu là ứng suất Von-mises [3], biến dạng nghiên cứu là độ võng của dầm
tương ứng với các thời điểm cháy 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút; 30phút; 60phút;
tương ứng với các thời điểm cháy 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút; 30phút; 60phút;
90phút; 120phút. Các kết quả thu tại các thời điểm cháy tiêu chuẩn 30phút; 60phút;
90phút;
Các kết
quả thu
tại các
điểm cháy

tiêu chịu
chuẩnlực30phút;
60phút;
90phút; 120phút.
120phút được
sẽ dùng
để kiểm
tra thời
tiêu chuẩn
khả năng
(R) trong
EN
90phút;
120phút
được
sẽ
dùng
để
kiểm
tra
tiêu
chuẩn
khả
năng
chịu
lực
(R)
trong
EN
1993 [6]. Các thời điểm 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút được đưa vào khảo sát là do

1993
[6].
Các
thời
điểm
0,5phút;
1,5phút;
4phút;
15phút
được
đưa
vào
khảo
sát
là
do
trong khoảng 15 phút đầu, đường cong ở phương trình (1) có độ dốc lớn (nhiệt độ tăng
trong
cong
phương
(1)thời
có gian
độ dốc
nhanhkhoảng
so với 15
thờiphút
gian)đầu,
nênđường
cần thiết
phảiở chia

nhỏ trình
khoảng
nàylớn
để (nhiệt
các đồ độ
thị tăng
kết
nhanh
so
với
thời
gian)
nên
cần
thiết
phải
chia
nhỏ
khoảng
thời
gian
này
để
các
đồ
thị kết
quả thu được có độ chính xác cao hơn.
quả thu được có độ chính xác cao hơn.

5

◦ (oC) trên dầm thép được bọc vữa dày 15mm, tại t=120 phút
Hình
4. Sựbố
phân
bố nhiệt
Hình 4. Sự
phân
nhiệt
độ (độ
C) trên dầm 5thép được bọc vữa dày 15 mm, tại t = 120 phút

Trong mô hình này, ta bỏ qua trạng thái làm việc của các lớp vật liệu cách nhiệt, ứng suất nghiên
cứu là ứng suất Von-mises [2], biến dạng nghiên cứu là độ võng của dầm tương ứng với các thời điểm
cháy 0,5 phút; 1,5 phút; 4 phút; 15 phút; 30 phút; 60 phút; 90 phút; 120 phút. Các kết quả thu tại các
50


Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

thời điểm cháy tiêu chuẩn 30 phút; 60 phút; 90 phút; 120 phút được sẽ dùng để kiểm tra tiêu chuẩn
khả năng chịu lực (R) trong EN 1993 [5]. Các thời điểm 0,5 phút; 1,5 phút; 4 phút; 15 phút được đưa
vào khảo sát là do trong khoảng 15 phút đầu, đường cong ở phương trình (1) có độ dốc lớn (nhiệt độ
tăng nhanh so với thời gian) nên cần thiết phải chia nhỏ khoảng thời gian này để các đồ thị kết quả
thu được có độ chính xác cao hơn.
HìnhHình
4. SựHình
bố
độ
C)

thép dầm
đượcthép
bọc được
vữa
tại15mm,
t=120
phút
4.phân
Sự4.phân
bố nhiệt
độ trên
(oC)
trên
thép
được
bọc dày
vữa
dày
tại t=120
phút phút
Sựnhiệt
phân
bố(onhiệt
độ dầm
(oC) dầm
trên
bọc15mm,
vữa15mm,
dày
tại

t=120

◦ o
o b,
(a)
phân
bố
nhiệt
phân
bốsuất
ứng
suất
(c)
Sự
phân
bộ
độ võng
c, Sự c,phân
bộSự
độphân
võng
(m)
Sự c,
phân
bộ
độbộ
võng
(m) (m)
a, Sự
Sự a,

phân
bốSự
nhiệt
độ(bốC)
( nhiệt
C)
b, (Sự
phân
bố
độ
Sựa,
phân
bốđộ
nhiệt
độ (oC)
SựSự
phân
bố
ứng
suất
(Pa)
phân
độ
C)(b)
b,
Sựứng
phân
bố(Pa)
ứng (Pa)
suất (Pa)

5. Các
trên
tiết
giữa
(z=4m)
thép
được
bọc15
vữa
dày
5. kết
Các
kết
quả
thu
trêndiện
tiết
giữa
dầm
(z=4m)
được
bọc
vữa
Hình
5.quả
Cácthu
kếtđược
quả
thu được

trêndiện
tiết= diện
dầm
(z=4m)
được
bọc
vữa
dày phút
Hình 5.Hình
Các Hình
kết
quả
thu
được
trên
tiết được
diện
giữa
dầm
(z
4dầm
m) giữa
thép
được
bọcthép
vữathép
dày
mm,
tạidày
t = 120

15mm,
tại15mm,
t=120
phút
15mm,
tại t=120
phút phút
tại
t=120

6

6

6

Hình6.6.Mối
Mối quan
quan hệ
gian
Hình
hệnhiệt
nhiệtđộđộ- thời
- thời
gian

Hình 6–8 thể hiện sự tổng hợp các kết quả thu được từ chương trình mô phỏng. Từ đó, ta có thể
rút ra một số nhận xét như sau:
- Tại thời điểm t = 120 phút, nhiệt độ đám cháy đạt T = 1054◦C, nhiệt độ T max cấu kiện dầm thép
khi bọc chu vi bằng 503,71 ◦C và khi bọc hình hộp bằng 696,9◦C. Các giá trị này cho ta thấy hiệu quả

cách nhiệt khi sử dụng vật liệu bọc là khá cao.
- So sánh giữa 2 hình thức bọc bảo vệ thì hình thức bọc bằng vữa theo chu vi cho hiệu quả cách
nhiệt tốt hơn. Tại thời điểm 120 phút, T max khi bọc chu vi bằng 503,71◦C và T max khi bọc hình hộp
bằng 696,9◦C. Có 3 lí do để giải thích cho kết luận này:
+ Khả năng cách nhiệt của vữa và thạch cao là khác nhau;
+ Bề dày lớp vật liệu bảo vệ khác nhau (giữa 15 mm và 13 mm);
51
Hình 7. Mối quan hệ ứng suất - thời gian tại tiết diện giữa dầm


- thời
gian
Thu, P. T. N.,Hình
Tuấn,6.P.Mối
Q. /quan
Tạp hệ
chínhiệt
Khoađộhọc
Công
nghệ Xây dựng

Hình
7. Mối
thờigian
giantạitạitiếttiết
diện
Hình
7. Mốiquan
quanhệ
hệứng

ứng suất
suất -- thời
diện
giữagiữa
dầmdầm

7

Hình thức
bọc
Bọc
vữa, dày
15 mm
Bọc
vữa, dày
25 mm
Bọc
vữa, dày
50 mm

Hình
Mốiquan
quanhệ
hệ biến
biến dạng
tạitại
tiếttiết
diệndiện
giữagiữa
dầm dầm

Hình
8. 8.
Mối
dạng- -thời
thờigian
gian
Hình 6, Bảng
7, 8 thể1.hiện
sự
tổng
hợp
các
kết
quả
thu
được
từ
chương
trình
phỏng. Từ
Kết quả nhiệt độ, ứng suất, độ võng của dầm bọcmô
vữa
đó, ta có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Tại thời điểm t = 120 phút, nhiệt độ đám cháy đạt T= 1054oC, nhiệt độ Tmax cấu kiện
Thời
điểm Nhiệt độ
Ứng suất
Ứng suất tới
Độ võng Độ
o

dầm thép khi bọc chu vi◦= 503,71oC và khi bọc
này cho ta
2 hình hộp = 696,9 C.
2 Các giá
t (phút)
T ( C)
∆trị(cm)
(daN/cm ) hạn (daN/cm )
thấy hiệu quả cách nhiệt khi sử dụng vật liệu bọc là khá cao.
2400
5,119
- So30
sánh giữa 2 303,60
hình thức bọc bảo1680
vệ thì hình thức bọc
bằng vữa theo chu
vi cho hiệu
o
60 nhiệt tốt hơn.
379,97
6,207
quả cách
Tại thời điểm1908
120 phút, Tmax khi2400
bọc chu vi = 503,71
C và Tmax
o
90hình hộp = 696,9
445,89
2137

khi bọc
C. Có 3 lí do
để giải thích cho 2136
kết luận này:
+ 120
Khả năng cách 503,71
nhiệt của vữa và 2312
thạch cao là khác nhau,
1872
+ Bề dày lớp vật liệu bảo vệ khác nhau (giữa 15mm và 13mm),

7,174
8,034

võng/Nhịp
∆/L
1/156
1/129
1/111
1/100

30
230,09
1496
2400
4,131
60
273,50
1632
2400

4,735
không khí giữa tiết diện thép và vật liệu bọc hình hộp. Trong thực tế trong khoảng không
90
316,49
1757
2400
5,357
gian này sẽ xảy ra hiện tượng đối lưu, tuy nhiên khoảng không khí này hẹp và dài, nhiệt
120
355,81
1862
2400
5,936
độ tác động theo phương dọc cấu kiện như nhau nên ảnh hưởng của đối lưu gần như rất

1/194
1/169
1/149
1/135

nhỏ. 30
176,66
1397
2400
3,392
- Để60
xác định trạng
thái tới hạn của
cấu kiện ta cần khảo
sát 3 thông số:3,488

nhiệt độ, ứng
183,84
1420
2400
suất và90
biến dạng. Trong
chương
trình
mô
phỏng,
ứng
suất
và
biến
dạng
thu
được đã kể
195,86
1458
2400
3,656

1/236
1/229
1/219
1/207

+ Hình thức bọc theo chu vi tốt hơn, vì ôm sát vào toàn bộ tiết diện, tránh được khoảng

đến ảnh

giảm môđun đàn
hồi E theo nhiệt2400
độ T [6], vì vậy với
kết quả thu
120hưởng sự suy
210,80
1503
3,871
được, ta so sánh ứng suất với giới hạn chảy fy,q [6] để có được kết luận về khả năng chịu
lực của dầm. Kết quả chi tiết được thể hiện trong các bảng 1, 2 và 3.

52
Bảng 1. Kết quả nhiệt độ, ứng suất, độ võng của dầm bọc vữa
8


Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

+ Hình thức bọc theo chu vi tốt hơn, vì ôm sát vào toàn bộ tiết diện, tránh được khoảng không
khí giữa tiết diện thép và vật liệu bọc hình hộp. Trong thực tế trong khoảng không gian này sẽ xảy ra
hiện tượng đối lưu, tuy nhiên khoảng không khí này hẹp và dài, nhiệt độ tác động theo phương dọc
cấu kiện như nhau nên ảnh hưởng của đối lưu gần như rất nhỏ.
- Để xác định trạng thái tới hạn của cấu kiện ta cần khảo sát 3 thông số: nhiệt độ, ứng suất và
biến dạng. Trong chương trình mô phỏng, ứng suất và biến dạng thu được đã kể đến ảnh hưởng sự
suy giảm môđun đàn hồi E theo nhiệt độ T [5], vì vậy với kết quả thu được, ta so sánh ứng suất với
giới hạn chảy fy,θ [5] để có được kết luận về khả năng chịu lực của dầm. Kết quả chi tiết được thể hiện
trong các Bảng 1, 2 và 3.
Bảng 2. Kết quả nhiệt độ, ứng suất, độ võng của dầm bọc thạch cao

Hình thức

bọc

Thời điểm
t (phút)

Nhiệt độ
T (◦C)

Ứng suất
Ứng suất tới
(daN/cm2 ) hạn (daN/cm2 )

Độ võng
∆ (cm)

Độ võng/Nhịp
∆/L

Bọc
thạch
cao, dày
13 mm

30
60
90
120

390,41
522,11

622,41
696,90

1902
2197
2362
2465

2400
1708
999
552

6,399
8,395
9,955
11,193

1/125
1/95
1/80
1/71

Bọc
thạch
cao, dày
16 mm

30
60

90
120

358,23
474,05
566,62
641,28

1818
2085
2239
2351

2400
2009
1376
890

5,953
7,717
9,164
10,382

1/134
1/104
1/87
1/77

Bọc
thạch

cao, dày
26 mm

30
60
90
120

267,69
347,83
422,15
487,23

1578
1791
1938
2034

2400
2400
2283
1939

4,678
5,882
7,032
8,045

1/171
1/136

1/114
1/99

Bọc
thạch
cao, dày
32 mm

30
60
90
120

242,65
303,61
365,77
423,10

1518
1684
1816
1909

2400
2400
2400
2278

4,325
5,238

6,197
7,089

1/185
1/153
1/129
1/113

Bảng 3. Kết luận về khả năng chịu lực của dầm trong điều kiện chịu lửa

Hình thức bọc

Khả năng chịu lực
theo thời gian

Ứng suất/Ứng suất
tới hạn (%)

Độ võng/Độ võng
tới hạn (%)

Vữa, dày 15 mm
Vữa, dày 25 mm
Vữa, dày 50 mm
Thạch cao, dày 13 mm
Thạch cao, dày 16 mm
Thạch cao, dày 26 mm
Thạch cao, dày 32 mm

60 phút

120 phút
120 phút
30 phút
30 phút
90 phút
120 phút

79,5
75,5
62,6
79,3
75,8
84,9
83,8

15,1
14,8
9,7
16,0
14,9
17,6
17,7

- Các giá trị độ võng dao động từ (1/113–1/135) của nhịp ứng với khả năng chịu lực tới hạn của
từng dầm. Nếu so với độ võng giới hạn của dầm chịu lực trong điều kiện chịu nhiệt độ cao là L2 /400h
53


Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

= 26,67 cm [11] thì có thể thấy rằng khả năng chịu lực của dầm trong các trường hợp này đều do trạng
thái giới hạn thứ nhất quyết định.
4. Kết luận
- Vữa và thạch cao chống cháy đều là các vật liệu phổ biến để bảo vệ dầm thép làm việc trong
điều kiện chịu nhiệt độ cao ở Việt Nam. Hình thức bọc theo chu vi và bọc hình hộp vừa thuận lợi về
thi công vừa đạt hiệu quả cao về mặt cách nhiệt.
- Dựa vào các kết quả thu được từ các ví dụ trên, ta có thể rút ra một số kết luận cơ bản sau:
+ Khả năng bảo vệ dầm thép của các vữa và thạch cao là khá lớn, tùy thuộc vào từng yêu cầu thiết
kế khác nhau, ta có thể lựa chọn hình thức bọc và độ dày lớp vật liệu bọc sao cho phù hợp.
+ Bài báo đang nghiên cứu trạng thái ứng suất-biến dạng ứng với các thời gian cháy tiêu chuẩn,
tuy nhiên dựa vào phân tích này ta hoàn toàn có thể xác định được thời gian chính xác tương ứng khi
ứng suất trong dầm đạt đến ứng suất tới hạn. Điều này sẽ cho ta cơ sở để kết luận về thời gian tối đa
mà cấu kiện dầm có thể chịu được trong điều kiện chịu nhiệt độ cao.
+ Khi dầm đạt đến khoảng 80% ứng suất tới hạn thì độ võng đạt khoảng 1/120 của nhịp. Giá
trị này hoàn toàn có thể chấp nhận được để đảm bảo duy trì sự tồn tại của cấu kiện trong điều kiện
đám cháy.
- Dựa trên nguyên tắc phân tích như trên, ta có thể thực hiện tiếp các bài toán khác khi thay đổi
các thông số của dầm như sơ đồ kết cấu, sơ đồ tải trọng, kịch bản cháy, . . . để có được kết quả đầy đủ
về trạng thái làm việc của các cấu kiện dầm thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu nhiệt
độ cao.
Tài liệu tham khảo
[1] Cầu, V. N. (2005). Tính kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn. Nhà xuất bản Xây dựng.
[2] Thu, P. T. N. (2012). Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn xác định sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện
thép. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 6(2):54–61.
[3] Trâm, N., Ca, T. Q. (2007). Phương pháp phần tử hữu hạn và các ứng dụng trong tính toán kỹ thuật. Nhà
xuất bản Xây dựng.
[4] Thu, P. T. N. (2016). Apply the 3D finite element method to determine temperature at given position
of steel members. Proceedings of the International Conference on Sustainable Development in Civil
Engineering, 199–212.
[5] EN 1993-1-2:2005. General rules - Structural fire design.

[6] BS 5950-8:2003. Code of practice for fire resistant design.
[7] Lawson, R. M., Newman, G. M. (1990). Fire Resistant design of steel structures-A handbook to BS 5950:
Part 8. The Steel Construction Institute.
[8] Công ty cổ phần công nghệ tiên tiến (2015). Tài liệu khóa học ANSYS Mechanical.
[9] Kohnke, P. (1999). ANSYS Theory reference (Release 5.6). Ansys, Inc, Southpointe 275 Technology
Drive Canonsburg, PA 15317.
[10] Quý, N. N. (2002). Công nghệ vật liệu cách nhiệt. Nhà xuất bản Xây dựng.
[11] BS EN 1363-1:2012. Fire resistant test. General requirements.

54