Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của ống thép nhồi bê tông (CFST) bị cháy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRÌNH NGUYỄN MINH THÔNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG (CFST) BỊ CHÁY

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành : 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, 06-2019


Công trình được hoàn thành: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Cao Văn Vui

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Khổng Trọng Toàn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Minh Thi

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày
03 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Lương Văn Hải

- Chủ tịch Hội đồng

2. TS. Nguyễn Thái Bình

-

Thư ký

3. TS. Khổng Trọng Toàn

-

ủy viên (Phản biện 1)

4. TS. Trần Minh Thi

-

ủy viên (Phản biện 2)

5. PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước -

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ủy viên

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRÌNH NGUYỄN MINH THÔNG

MSHV: 1670589

Ngày, tháng, năm sinh: 14/12/1992

Nơi sinh: Đà Nẵng

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60580208
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thực nghiêm ứng xử của ống thép nhồi bê tông (CFST)
bị cháy (Experimental study on behaviour of concrete filled steel tubes exposed to
fire).
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm.
2. Tiến hành thí nghiệm cháy với các mốc thời gian khác nhau.
3. Quan sát mẫu thí nghiệm sau khi cháy và đua ra nhận xét.
4. Tiến hành thí nghiệm mẫu dưới tác dụng lực nén dọc trục.
5. Thu thập số liệu và quan sát dạng phá hoại.
6. Phân tích số liệu và đánh giá ảnh hưởng của lửa đến ứng xử của ống thép nhồi bê
tông chịu tải dọc trục.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 13/08/2018

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/06/2019
IV. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Cao Văn Vui


Tp. HCM, ngày tháng năm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Cao Văn Vui

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô trong khoa Kỹ Thuật Xây Dựng,
những người đã tận tình truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm thực tế cho tôi trong
thời gian học tập tại trường.
Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Cao Văn Vui. Người đã trực tiếp
hướng dẫn hết sức tận tình, đã mang lại cho tôi những ý tưởng, những góp ý quý báu và
những lời nhắc nhở động viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện luận văn bằng tất cả tâm huyết và năng
lực của bản thân, tuy nhiên không thể tránh khỏi những sai sót. Do đó, rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp, nhận xét quy báu và sự cảm thông từ các quý Thầy Cô.

Xin trân trọng cảm ơn.

Tp. HCM, ngày 03 tháng 06 năm 2019

Trình Nguyễn Minh Thông


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ống thép nhồi bê tông (concrete filled Steel tubes-CFST) ngày càng được sử dụng rộng
rãi trong các công trình xây dựng. Tại nhiệt độ thường, cột CFST có những ưu điểm nổi
bật như không cần ván khuôn khi thi công, khả năng chịu tải và độ dẻo (ductility) cao.
Tuy nhiên, khi hỏa hoạn xảy ra, những nhược điểm của CFST chưa được nghiên cứu
kỹ. Luận văn này trình bày nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của cột CFST bị cháy.
Mười tám mẫu thí nghiệm có cùng kích thước ống thép đường kính 114 mm, dày 2 mm
và dài 2000 mm. Các mẫu thí nghiệm được chia thành 6 nhóm, bao gồm một nhóm
không thí nghiệm cháy sử dụng làm mẫu đối chứng và 5 nhóm thí nghiệm cháy với các
mốc thời gian là 15, 30, 45, 60 và 75 phút. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khả năng chịu
lực dọc trục của các mẫu bị cháy giảm đáng kể so với mẫu đối chứng. Với thời gian
cháy 15,30,45 phút, khả năng chịu tải của cột giảm xuống còn 94,58, 60, 45,86% so với
mẫu đối chứng. Bên cạnh đó, độ cứng dọc trục của cột giảm khi thời gian cháy tăng. Độ
cứng của mẫu bị cháy 15, 30, 45 phút giảm xuống còn 82,23, 69,19, 65,20% độ cứng
của mẫu đối chứng.


3

ABSTRACT
Concrete filled steel tube (CFST) has been widely used in construction. At ambient

temperature, CFST demonstrates several outstanding advantages such as no need of
formwork, high load-carrying capacity and ductility. However, the disadvantages of
CFST in fire conditions have not been scrutinized yet. This thesis presents the
experimental behaviour of concrete filled steel tubes exposed to fire. The experiment
was conducted on eighteen CFST column specimens with 114-mm diameter, 2-mm
thickness and 2000-mm length. These column specimens were divided into six groups,
in which, 1 group was not exposed to fire to use as control specimen and 5 groups were
exposed to 15, 30, 45, 60, 75 minutes of fire. The experimental results showed that the
load-bearing capacity of fire-exposed specimens decrease significantly compared to the
control specimen. With fire durations of, the loadbearing capacity of column specimens
exposed to 15, 30, 45 minutes of fire reduced 94.58, 60, 45.86% compared to the control
specimens. In addition, the stiffness of CFST columns reduced as the duration of fire
increased.The stiffness of specimens exsposed to 15, 30, 45 minutes of fire decreased
to 82.23, 69.19, 65.20% compared to that of the control specimens.


4

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy
Cao Văn Vui.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu
khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp. HCM, ngày 03 tháng 06 năm 2019

Trình Nguyễn Minh Thông

iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ .................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ........................................................................................................................ iv
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
1.1. Lý do thực hiện đề tài ............................................................................................... 1
1.2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 1
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
1.4. Ý nghĩa nghiên cứu ................................................................................................... 2
1.5. Cấu trúc luận văn ...................................................................................................... 2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ............................................................................................. 4
2.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................... 4
2.2. Tổng quan nghiên cứu về ống CFST bị cháy ........................................................... 5
2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................................... 5
2.2.2. Tình hình trong nước....................................................................................... 17
2.3. Tổng kết nghiên cứu ............................................................................................... 20
CHƯƠNG 3. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM ............................................................ 21
3.1. Vật liệu ................................................................................................................... 21
3.1.1. Bê tông ............................................................................................................ 21
3.1.2. Thép................................................................................................................. 21


V

3.2. Chế tạo mẫu ........................................................................................................... 22
3.2.1. Cơ sở lý luận chọn mẫu ................................................................................... 22
3.2.2. Mẩu thí nghiệm .............................................................................................. 22

3.2.3. Qui trình chế tạo mẫu ...................................................................................... 24
3.3. Quy trình thí nghi nghiệm ...................................................................................... 28
3.3.1. Thí nghiệm cháy ............................................................................................. 28
3.3.2. Thí nghiệm nén .............................................................................................. 32
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ......................................................................... 34
4.1. .................................................................................................................... Kết
quả thí nghiệm cháy ........................................................................................................ 34
4.1.1. Đuờng cong nhiệt độ ....................................................................................... 34
4.1.2. Dạng phá hoại cháy ......................................................................................... 36
4.2. Kết quả thí nghiệm nén........................................................................................... 39
4.2.1. Dạng phá hoại nén dọc trục ............................................................................. 39
4.2.2. Đuờng cong lục dọc và chuyển vị ................................................................... 41
4.2.3. Khả năng chịu lục dọc trục lớn nhất ............................................................... 54
4.2.4. Chuyển vị tại lực dọc trục lớn nhất ................................................................. 55
4.2.5. Khả năng chịu lực khi giảm còn 85% lực dọc trục lớn nhất ........................... 56
4.2.6. Chuyển vị sau khi phá hoại tại cấp lực 85% lực dọc lớn nhất ........................ 57
4.2.7. Độ cứngcủa mẫu ............................................................................................. 58
CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 60
5.1. Kết luận................................................................................................................... 60
5.2. Kiến nghị ................................................................................................................ 61


vi
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .............................................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 63
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................................. 68


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 .Các vụ hỏa hoạn trên thế giới ............................................................................ 4
Hình 2.2. Vụ hỏa hoạn chung cư Carina, Việt Nam .......................................................... 5

Hình 3.1. Chi tiết mẫu cột CFST ..................................................................................... 23
Hình 3.2. Hàn bít một đầu ống thép ................................................................................ 25
Hình 3.3. Công tác đổ bê tông vào ống thép ................................................................... 26
Hình 3.4. Công tác mài phang mặt và hàn bản mã .......................................................... 27
Hình 3.5. Thiết kế lò thí nghiệm cháy ............................................................................. 29
Hình 3.6. Hình thực tế lò thí nghiệm cháy ...................................................................... 30
Hình 3.7. Can nhiệt loại K-1200°C ................................................................................. 30
Hình 3.8 Mẩu được lắp vào trong lò................................................................................ 31
Hình 3.9. Bộ khớp thí nghiệm ......................................................................................... 32
Hình 3.10. Vị trí liên kết bộ khớp ................................................................................... 32
Hình 3.11 Hình ảnh thí nghiệm nén ................................................................................ 33

Hình 4.1. Đường nhiệt độ cháy 15 phút .......................................................................... 34
Hình 4.2. Đường cong nhiệt độ cháy 30 phút.................................................................. 35
Hình 4.3. Đường cong nhiệt độ cháy 45 phút.................................................................. 35
Hình 4.4. Đường cong nhiệt độ cháy 60 phút.................................................................. 36
Hình 4.5. Mẩu sau khi thí nghiệm cháy ........................................................................... 37
Hình 4.6. Vị trí vết rộp của mẫu sau khi bị cháy ............................................................. 38
viii


Hình 4.7. Mau C-60-1 bị phá hoại ................................................................................... 39
Hình 4.8. Phá hoại của mẫu đối chứng dưới tác dụng lực dọc ........................................40
Hình 4.9. Phá hoại của mẫu bị cháy dưới tác dụng lực dọc ............................................40
Hình 4.10. Cận cảnh phá hoại của mẫu bị cháy dưới tác dụng lực dọc trục ................... 41
Hình 4.11. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-0-1 ................................................. 42

Hình 4.12. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-0-2 ................................................. 43
Hình 4.13. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-0-3 ................................................. 44
Hình 4.14. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-15-1 ............................................... 45
Hình 4.15. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-15-2 ............................................... 46
Hình 4.16. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-15-3 ............................................... 47
Hình 4.17. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-30-1 ............................................... 48
Hình 4.18. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-30-2 ............................................... 49
Hình 4.19. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-30-3 ............................................... 50
Hình 4.20. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-45-1 ............................................... 51
Hình 4.21. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C45-2 ................................................ 52
Hình 4.22. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-45-3 ............................................... 53
Hình 4.23. Lực dọc lớn nhất của nhóm mẫu ................................................................... 55
Hình 4.24. Chuyển vị tại tải trọng lớn nhất ..................................................................... 56
Hình 4.25. Khả năng chịu lực của nhóm mẫu khi lực giảm còn 85% lực dọc lớn nhất 57
Hình 4.26. Chuyển vị tại 85% lực dọc lớn nhất .............................................................. 58
Hình 4.27 Độ cứng nhóm mẫu......................................................................................... 59


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Cấp phối bê tông ............................................................................................. 21
Bảng 3.2. Bảng mẫu thí nghiệm ...................................................................................... 23

Bảng 4.1. Lực dọc, chuyển vị tương ứng và độ cứng của mẫu đối chứng ...................... 44
Bảng 4.2. Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của mẫu cháy 15 phút .................. 47
Bảng 4.3. Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của mẫu cháy 30 phút .................. 50
Bảng 4.4. Lực dọc lớn nhất và chuyển vị tương ứng của mẫu cháy 45 phút .................. 53
Bảng 4.5. Độ cứng mẫu ................................................................................................... 58

X

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
CFST

Ống thép nhồi bê tông

BTCT

Bê tông cốt thép

RHS

Tiết diện chữ nhật rỗng (Rectangular Hollow Section)

PTHH

Phần tử hữu hạn

CFSST Ống thép không gỉ nhồi bê tông (Concrete Filled Stainless Steel Tube)
UHSC Bê tông siêu cường độ cao (Ultra High Strength Concrete)
HSC

Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete)

NSC

Bê tông thường (Normal Strength Concrete)

Ký hiệu
fcu

Cường độ chịu nén của bê tông mẫu lập phương, MPa

fy

ứng suất chảy dẻo của thép, MPa

Nmax

Lực dọc tối đa, MPa

fck

Cường độ chịu nén của bê tông mẫu lăng trụ, MPa

ts

Chiều dày thành ống, mm

ỊJ,

Tỷ lệ cốt thép trong bê tông, %

Ả

Độ mãnh của cột

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1. Lý do thực hiện đề tài
Hằng năm, rất nhiều vụ hỏa hoạn đã xảy ra, gây ra thiệt hại lớn về người và tài sản.
Khi cháy, lửa tác động trực tiếp lên hệ kết cấu khiến công trình bị hư hại hoặc có thể dẫn
đến sụp đổ. Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của lửa lên công trình là vấn đề ngày càng được
quan tâm và nghiên cứu.
Ngày nay, việc ứng dụng cột ống thép nhồi bê tông (CFST) trong kết cấu nhà cao
tầng được phát triển rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của cấu kiện này. Cột CFST tận
dụng tối đa khả năng chịu lực của bê tông và thép do khắc phục được những nhược điểm
của nhau khi làm việc đồng thời trong cấu kiện và có ưu điểm về mặt thi công. Điều đó đặc
biệt kinh tế và hữu ích cho việc ứng dụng trong kết cấu nhà cao tầng vì cấu kiện có độ bền,
cường độ chịu lực cao, tiết diện thon gọn, có tính thẩm mỹ cao, rút ngắn thời gian thi công
và giảm thiểu chi phí xây dựng. Mặc dù được ứng dụng rộng rãi, nhưng những nghiên cứu
thực nghiệm về ứng xử của cột CFST bị cháy vẫn còn hạn chế. Cột là cấu kiện chịu lực
chính trong hệ kết cấu. Khi bị cháy, cột chịu tác động trực tiếp từ lửa gây suy giảm độ cứng
của cấu kiện dẫn đến hư hại công trình. Trong các hệ tiêu chuẩn hiện hành vẫn chưa có sự
thống nhất trong các công thức tính cột CFST trong điều cháy. Vì thế, việc nghiên cứu thực
nghiệm cột CFST bị cháy sẽ góp phần hiểu rõ ứng xử của cấu kiện trong thực tế, giúp việc
thiết kế được thực hiện một cách dễ dàng và chính xác hom.
1.2. Mục đích nghiên cứu
-

Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cấu kiện CFST tiết diện tròn khi bị cháy.

-

Phân tích ứng xử mối quan hệ lực-chuyển vị.



2
-

Đánh giá khả năng chịu lực dọc trục của cấu kiện CFST bị cháy.

-

Phân tích và đánh giá sụ suy giảm độ cứng và sự thay đổi chuyển vị của cột CFST sau
khi bị cháy.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu: Ống CFST tiết diện tròn.

-

Phạm vi nghiên cứu: Ống CFST tiết diện tròn bị cháy và chịu tác dụng của lực nén
dọc trục.

1.4. Ý nghĩa nghiên cứu
-

Ỷ nghĩa khoa học :
•

Góp phần làm rõ ứng xử của cấu kiện ống CFST khi bị cháy.

•

Đánh giá khả năng chịu lực còn lại của cấu kiện sau khi bị cháy.

• Kết quả từ đề tài góp phần bổ sung kiến thức về ứng xử của cấu kiện ống
CFST bị cháy.
-

Ý nghĩa thực tiễn :
• Hỏa hoạn là điều không thể tránh khỏi trong cuộc sống hàng ngày. Hiểu rõ ứng
xử của ống CFST bị cháy giúp cho việc thiết kế cột có xét đến điều kiện cháy
được thực hiện một dễ dàng và chính xác hơn.
• Đối với các công trình đã bị cháy, việc đánh giá khả năng chịu lực còn lại của
kết cấu ngày càng được quan tâm hơn.

1.5. Cấu trúc luận văn
Nội dung trong luận văn được trình bày cụ thể qua 5 chương. Chương 1 là chương
mở đầu của luận văn nêu lên lý do thực hiện đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và
phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa nghiên cứu và cấu trúc của luận
văn.


3
Chương 2 trình bày tổng quan các nghiên cứu. Phần đầu tiên của chương 2 trình bày
về các vụ cháy lớn xảy ra trên thế giới và tại Việt Nam. Bên cạnh đó, giới thiệu về tính ưu
việt của cấu kiện CFST. Phần tiếp theo trình bày các nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm
ở trong và ngoài nước, sau đó rút ra ưu và khuyết điểm của các nghiên cứu.
Chương 3 trình bày chương trình thí nghiệm. Phần đầu trình bày vật liệu bao gồm bê

tông và thép. Phần thứ hai là chế tạo mẫu, phần này nói về quy cách mẫu thí nghiệm bao
gồm kích thước và chiều dày ống và quy trình chế tạo mẫu. Phần cuối cùng là quy trình thí
nghiệm cháy và thí nghiệm nén.
Chương 4 trình bày kết quả thí nghiệm bao gồm 2 phần. Phần thứ nhất là thí nghiêm
cháy, đường cong nhiệt độ và dạng phá hoại cháy được trình bày trong phần này. Phần thứ
hai trình bày kết quả thí nghiệm nén bao gồm các mục như dạng phá hoại do nén dọc trục,
đường cong lực và chuyển vị, khả năng chịu lực dọc trục, chuyển vị tại lực dọc trục lớn
nhất. 85% khả năng chịu lực dọc trục, chuyển vị sau khi mẫu bị phá hoại tại cấp lực 85%
lực dọc trục lớn nhất và độ cứng của mẫu cũng được trình bày trong phần này. Chương 5
là chương kết thúc luận văn, nêu kết luận của luận văn, các hạn chế trong nghiên cứu và đề
xuất kiến nghị.


4

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN
2.1. Giới thiệu chung
Hỏa hoạn là một trong những hiểm họa mà con người thường xuyên phải đối mặt
trong cuộc sống hàng ngày. Trên thế giới đã xảy ra nhiều vụ hỏa hoạn gây thiệt hại đến tính
mạng con người và tài sản. Điển hình như vụ hỏa hoạn Chicago [1] vào năm 1871, kéo dài
trong 3 ngày khiến cho 300 người thiệt mạng, phá hủy toàn bộ hơn 3 dặm vuông diện tích
thành phố Chicago, 100.000 người rơi vào hoàn cảnh mất nhà cửa. Năm 2010, vụ cháy
chung cư 28 tầng [2] ở Thượng Hải, Trung Quốc đã khiến 58 người thiệt mạng và 70 người
khác bị thương. Vào năm 2017, hỏa hoạn đã thiêu rụi tòa nhà Grenfel Tower
[3] ở Anh khiến 80 người thiệt mạng. Ở Việt Nam, vụ hỏa hoạn ở chung cư Carina Plaza
[4] tại thành phố Hồ Chí Minh khiến cho 13 người thiệt mạng, 91 người phải nhập viện
trong tình trạng nguy kịch. Hình 2.1 mô tả đám cháy tòa nhà Grenfell Tower và chung cư
28 tầng ở Thượng Hải, Hình 2.2 mô tả đám cháy chung cư Carina ở Việt Nam.

a) Grenfell Tower

b) Chung cư 28 tầng ở Thượng Hải

Hình 2.1 .Các vụ hỏa hoạn trên thế giới


5

Hình 2.2. Vụ hỏa hoạn chung cư Carina, Việt Nam
Trong những năm gần đây, các công trình nhà cao tầng được xây dựng rộng rãi trên
khắp thế giới. Việc ứng dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được đặc biệt quan
tâm bởi những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) truyền
thống trong cả giai đoạn thi công lẫn giai đoạn sử dụng. Trong giai đoạn thi công, bê tông
được đổ trực tiếp vào ống thép thay thế cho ván khuôn. Khi bê tông chưa đủ ngày tuổi, ống
thép thay thế bê tông tham gia chịu lực chính trong hệ kết cấu. Trong giai đoạn sử dụng,
kết cấu có ưu điểm hơn về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng cao, tiết diện thon
gọn làm tăng không gian sử dụng và có tính thẫm mỹ cao hơn BTCT truyền thống.
Cột là cấu kiện chịu lực chính trong kết cấu công trình. Khi xảy ra cháy, cột bị tác
động trực tiếp từ lửa gây suy giảm đáng kể khả năng chịu lực. Điều này có thể gây sụp đổ
công trình. Vì vậy, việc đánh giá khả năng chịu cháy cho cột là điều cần được quan tâm và
nghiên cứu.
2.2. Tổng quan nghiên cứu về ống CFST bị cháy
2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Năm 2009, Hong và cộng sự [5] đã đề xuất phương pháp số “Phân Tích Ba Bước”
để dự đoán ứng xử cột ống thép nhồi bê tông (CFST) khi bị cháy theo tiêu chuẩn ISO- 834
[6]. Các mô hình số được phát triển cụ thể cho mỗi bước phân tích: (1) phân tích động lực
cháy, (2) phân tích truyền nhiệt phi tuyến, (3) phân tích ứng suất phi tuyến. Một ma trận


6

phân tích kết quả của 15 mẫu cột CFST đã được thí nghiệm theo tiêu chuẩn cháy bởi các
nhà nghiên cứu khác nhau được chọn lọc để xác minh tính chính xác của kết quả số. Phân
tích độ nhạy được tiến hành để nghiên cứu các thông số chính ảnh hưởng đến ứng xử của
cột CFST chịu cháy. Kết quả thu được từ phân tích chi tiết độ nhạy cho kết quả như sau (i)
Thép ống được mô hình hóa bằng cách sử dụng mô hình “Poh Ơ-E-T‘, (ii) lõi bê tông được
mô hình hóa bằng cách sử dụng mô hình “Lie và Iriwin Ơ-T‘, (iii) mô hình giãn nở nhiệt
tuyến tính có thể được sử dụng cho vật liệu thép và bê tông, (iv) ứng xử tổng hợp của vật
liệu liên họp được áp dụng cho mô phỏng mẫu cột CFST. Bên cạnh đó, các kết quả dự đoán
số từ phân tích “Ba Bước” cho kết quả cụ thể qua biểu đồ nhiệt độ-thời gian cháy (T-t),
biểu đồ chuyển vị dọc trục-thời gian cháy (5-t). Các dự đoán số về thời gian phá hoại là
tương đối chuẩn xác với kết quả thực nghiệm.
Trong cùng năm 2009, Hui và cộng sự [7] đã tiến hành thí nghiệm 6 mẫu ống thép
nhồi bê tông mặt cắt rỗng với 2 lóp vỏ thép bọc mặt ngoài và trong, kẹp giữa là lớp lõi bê
tông (concrete filled double skin tubular columns-CFDST) sử dụng bê tông tự đầm (selfconsolidating concrete-SCC) với các tiết diện ống khác nhau. Ba mẫu CFDST sử dụng ống
thép tiết diện tròn cho cả 2 lớp, 1 mẫu CFDST sử dụng lóp thép bên ngoài tiết diện vuông,
lớp bên trong tiết diện tròn, 3 mẫu còn lại sử dụng ống thép tiết diện vuông cho cả hai lớp.
Dựa trên kết quả nghiên cứu có thể kết luận rằng, khả năng chịu cháy của cột CFDST sử
dụng scc cao hơn hẳn cột CFST truyền thống. Nghiên cứu khẳng định rõ sự tương tác giữa
bê tông và thép trong vật liệu composite mang ý nghĩa tích cực cho khả năng kháng cháy
của cấu kiện. Tỷ lệ lỗ rỗng là tham số chính ảnh hưởng đến khả năng chịu cháy của cột
CFSDT.
Sau đó 2 năm, Tao và cộng sự [8] tiến hành thí nghiệm 64 mẫu CFST bị cháy với
các tiết diện khác nhau, bao gồm 33 mẫu tiết diện tròn đường kính ống 194 mm, dày 5,4
mm, dài 582 mm; 6 mẫu ống đường kính 377 mm, dày 8,1 mm, dài 1131 mm; 13 mẫu ống
đường kính 200 mm, dày 5mm, dài 600 mm bị cháy trong các mốc thời gian 90 phút và
180 phút, 12 mẫu không thí nghiệm cháy được sử dụng làm mẫu đối chứng để so sánh. Các


7
tham số được nghiên cứu trong thực nghiệm gồm: (a) thời gian đốt; (b) loại mặt cắt ngang;

(c) kích thước mặt cắt ngang; (d) tỷ lệ chiều dài với chiều rộng (đường kính); (e) loại bê
tông; (f) loại tro bay, (g) điều kiện bảo dưỡng bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường
độ liên kết giữa ống thép và lõi bê tông thường giảm sau 90 phút đầu tiếp xúc với lửa và
phục hồi lại khi thời gian tiếp xúc kéo dài đến 180 phút. Bên cạnh đó, cường độ liên kết
được kiến nghị theo kết quả nghiên cứu là 0,4 MPa với cột tiết diện tròn và 0,15 MPa với
cột tiết diện vuông. Do sự co ngót của bê tông nên cường độ liên kết của cột CFST bị ảnh
hưởng bởi kích thước mặt cắt ngang.
Trong cùng năm 2011, Tao và Ghannam [9] tiến hành mô phỏng sự phát triển nhiệt
độ trong cột CFST và cột ống thép không gỉ nhồi bê tông (concrete filled stainless steel
tubes-CFSST). số liệu thí nghiệm 78 mẫu trong các nghiên cứu trước đây đc thu thập để
phát triển mô hình PTHH phân tích truyền nhiệt. Các yếu tố quan trọng trong truyền nhiệt
bao gồm tính chất truyền nhiệt của thép và bê tông, độ ẩm của bê tông, độ dẫn nhiệt tiếp
xúc tại bề mặt ống thép, hệ số phát xạ nhiệt. Bên cạnh đó, tác giả đề nghị một mô hình để
tính toán độ ẩm của bê tông bên trong ống thép. Giá trị độ ẩm 5 % được đề xuất nếu tỷ lệ
trộn bê tông không được xác định.
Năm 2013, Yang và cộng sự [10] nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng ứng xử của
cột CFST với tiết diện chữ nhật rỗng (Rectangular Hollow Section-RHS). Có tất cả 3 mẫu
cột RHS được thí nghiệm gồm mẫu thứ nhất với tiết diện chữ nhật có kích thước 200x300
dày 5,75 mm, dài 3000 mm bị cháy 3 mặt với thời gian cháy là 34,3 phút; mẫu thứ hai với
tiết diện chữ nhật có kích thước 150x250 dày 10 mm, dài 3000 mm bị cháy 3 mặt với thời
gian cháy là 14,3 phút; cột còn lại bị cháy 4 mặt, tiết diện chữ nhật có kích thước 250x150
dày 10 mm với thời gian cháy 13 phút. Các yếu tố được xem xét đến là nhiệt độ được phân
phối, chuyển vị dọc trục, chuyển vị ngang và cơ chế phá hoại. Một mô hình phần tử hữu
hạn (PTHH) đã được phát triển để đối chiếu với kết quả thực nghiệm, mô hình được sử
dụng để hổ trợ cho nghiên cứu về các thông số chính ảnh hưởng đến cơ chế phá hoại của
cấu kiện. Tác giả rút ra được các kết luận như sau, sự dịch chuyển tâm cứng và phát triển


8
nhiệt độ bất đối xứng đối với cột tiếp xúc bị cháy không đồng đều gây mất ổn định cho cấu

kiện. Đối chiếu các phân tích số cho thấy rằng sự dịch chuyển tâm khối lượng mặt cắt ngang
của cột bị cháy 3 mặt thường dịch chuyển từ 0,025 đến 0,125 lần về mặt không bị cháy.
Bên cạnh đó, các nghiên cứu tham số cho thấy tỷ lệ tải, tiết diện mặt cắt ngang, tỷ lệ lệch
tâm tải có ảnh hường đáng kể đến khả năng chịu cháy của các cột CFST tiết diện RHS,
trong khi các yếu tố như tỷ lệ độ mảnh, hàm lượng thép, cường độ vật liệu lại ít quan trọng
hơn.
Năm 2013, Wang và cộng sự [11] nghiên cứu ảnh hưởng của thép cường độ cao đến
khả năng chịu cháy của cột CFST dưới tác dụng của tải trọng dọc trục bằng phương pháp
số. Mô hình PTHH 3 chiều được phát triển để thực hiện mô phỏng truyền nhiệt và phân
tích phi tuyến vật liệu. Có tổng cộng 37 mẫu mô phỏng được chia làm 5 nhóm, nhóm thứ
nhất gồm 12 mẫu với kích thước ống 400 mm, dày 13,33 mm; nhóm thứ hai gồm 22 mẫu
kích thước ống 200 mm, dày 5mm; nhóm thứ ba gồm 5 mẫu kích thước ống 400 mm, dày
13,33 mm; nhóm thứ tư gồm 4 mẫu kích thước 200 mm, dày 5 mm và nhóm cuối cùng gồm
4 mẫu kích thước 200 mm, dày 5 mm, mỗi nhóm mẫu sử dụng cường độ bê tông và cường
độ thép khác nhau. Kết quả thu được từ phân tích mô hình PTHH đã được kiểm chứng
thông qua các số liệu thực nghiệm và cho thấy rằng mô hình PTHH có thể dự đoán chính
xác khả năng chịu cháy của cột CFST. Hơn nữa, một nghiên cứu về tham số được mở rộng
bao gồm: kích thước cột, cường độ thép, cường độ bê tông, tỷ lệ tải, các loại cốt liệu và độ
ẩm của bê tông. Quan trọng nhất là xem xét sự tiếp xúc giữa ống thép và lõi bê tông và sự
tiếp xúc của bê tông với bản mã đầu cột. Do sự giãn nở nhiệt khác nhau của vật liệu nên bê
tông sẽ bị tách ra khỏi ống thép và bản mã thép ở đầu cột khi bị cháy. Phương pháp được
trình bày bởi Espinos đã dự đoán kết quả tương đối chính xác cho cột CFST có tiết diện
tròn và vuông.
Trong cùng năm 2013, Han và cộng sự [12] nghiên cứu thực nghiệm trên 5 mẫu cột
ống thép không gỉ nhồi bê tông (concrete filled stainless Steel tube-CFSST) có tiết diện
tròn và vuông chịu tải trọng nén dọc trục trong điều kiện cháy tiêu chuẩn. Ba mẫu CFST
tiết diện vuông với thời gian cháy 240, 148, 220 phút và 2 mẫu CFST tiết diện tròn với thời


9

gian cháy lần lượt là 132,37 phút. Lớp S30408 thép không gỉ được sử dụng cho ống thép
và bê tông tự đầm được sử dụng nhồi vào trong ống thép. Các thông số thử nghiệm bao
gồm: mức tải, kích thước và tiết diện mặt cắt. Biến dạng dọc trục và khả năng chịu cháy
của mẫu được trình bày trong nghiên cứu này, mô hình PTHH được phát triển để tiếp tục
nghiên cứu các dạng phá hoại của cột CFSST với CFST, sự khác biệt trong ứng xử chịu
cháy giữa hai loại cột này sẽ được làm rõ hơn. Năm mẫu CFSST được nghiên cứu dưới tác
dụng đồng thời của lực nén dọc trục và bị cháy trong điều kiện tiêu chuẩn cho thấy khả
năng chịu cháy của cột CFSST bị ảnh hưởng qua các tham số kích thước tiết diện và mức
tải trọng. Bên cạnh đó, mô hình PTHH được phát triển để mô phỏng sự phát triển của nhiệt
độ khi cháy và ứng xử của cột CFSST. Kết quả phân tích cho thấy rằng lõi bê tông chịu
toàn bộ tải trọng dọc trục ở giai đoạn sau khi bị cháy. Do sự khác biệt về tính chất cơ lý và
tính kháng nhiệt giữa thép không gỉ và thép cacbon nên cột CFST có khả năng chịu cháy
tốt hơn.
Sau đó 2 năm, Yao và cộng sự [13] thực hiện phân tích khả năng chịu lực của các
cột CFST. Phương pháp này dựa trên việc giảm cường độ của ống thép và bê tông để đánh
giá khả năng bị tác động nhiệt tối đa. Thu thập kết quả thí nghiệm của 61 mẫu được tiến
hành gia nhiệt đồng đều hoặc bị cháy theo tiểu chuẩn ISO-834. Một mô hình PTHH 3 chiều
được phát triển để kiểm tra ứng xử của cột CFST trong các điều kiện gia nhiệt nhác nhau.
Dựa trên đường cong Cardington từ các thử nghiệm cháy thực tế và phần mềm mô phỏng
động lực cháy (FDS), nghiên cứu tham số được thực hiện gồm thời gian cháy, đường kính
mặt cắt tiết diện ống, tỷ lệ độ mảnh, giới hạn chảy của ống thép và cường độ chịu nén của
lõi bê tông đến khả năng chịu lực của cấu kiện sau khi cháy. Nghiên cứu rút ra được rằng,
ứng xử của cột CFST dưới tác động của lửa tự nhiên là khác với tiêu chuẩn lửa truyền
thống. Sự phát triển của lửa được mô phỏng bằng phần mềm FDS một cách hiệu quả. Mô
hình này có thể áp dụng trong các trường hợp cháy tự nhiên khác nhau. Mô hình PTHH
được đề xuất để dự đoán mối quan hệ tải trọng và biến dạng của cột CFST sau khi bị cháy
đồng đều hoặc theo tiêu chuẩn cháy ISO-834.