Luận văn thạc sĩ ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN LANH

ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN LANH

ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD & CN
Mã ngành: 85.80.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CẢM ƠN
Qua quá trình nỗ lực phấn đấu học tập và nghiên cứu của bản thân cùng với sự
giúp đỡ tận tình của các thầy, cơ giáo Trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng và các bạn bè
đồng nghiệp, luận văn thạc sĩ ứng dụng “Ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông chịu
tác dụng của tải trọng và nhiệt độ” đã được tác giả hồn thành.
Để có được thành quả này, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy
TS. Trần Anh Thiện tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể các Thầy, cơ giáo
của khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa, gia đình,
bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học
và kinh nghiệm thực tế của bản thân tác giả cịn ít nên luận văn khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành
giúp tác giả hoàn thiện hơn đề tài của luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 30 tháng 10 năm
2019
Học viên thực hiện

Lê Văn Lanh


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lê văn Lanh


ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ
Học viên: Lê Văn Lanh Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN
Mã số: 85.80.201
Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được sử dụng khá phổ biến trong cơng
trình xây dựng. Khi cháy xảy ra, do bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ tăng cao, vật liệu bê
tông và thép sẽ bị giãn nở cùng với ngoại lực do tải trọng tác dụng làm kết cấu bị phân
phối lại nội lực. Ứng xử kết cấu trở nên phức tạp; trong trường hợp này cần phải có
phần mềm hỗ trợ để phân tích ứng xử một cách chi tiết. Do đó, phần mềm ABAQUS
được sử dụng để mô phỏng kết cấu cột CFST khi chịu tác dụng tải trọng và nhiệt độ.
Luận văn này dựa vào đường chuẩn ASTM E119-88 để xây dựng được đường quan hệ
nhiệt độ xung quanh bề mặt kết cấu và thời gian cháy, sau đó tính tốn sự truyền nhiệt
từ bề mặt kết cấu đến các điểm bên trong kết cấu. Từ đó phân tích ứng xử cơ học của
kết cấu trong điều kiện nhiệt độ tăng cao theo thời gian. Nghiên cứu cũng phân tích so
sánh sự làm việc giữa cột CFST so với cột ống thép rỗng có cùng khả năng chịu lực
khi chịu tải trọng và nhiệt độ, từ đó làm nổi bật khả năng chịu lửa của cột CFST.
Từ khóa: cột ống thép nhồi bê tông, lõi bê tông, ống thép, truyền nhiệt, lửa
BEHAVIOR OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS UNDER
COMBINED TEMPERATURE AND LOADING
Abstract – Concrete Filled Steel Tube (CFST) columns are quite popular in construction.
During a fire, due to the increasing temperature, the expanding of concrete and steel
materials along with external forces caused by loading makes the structure redistribute
internal forces. The behavior of the structure becomes complicated; in this case, it is
necessary to have a supported software to analyze the structural response in details. In this
study, ABAQUS software is used to simulate CFST column structure under load and
temperature. This thesis relies on the ASTM E119-88 curve to build the temperature

profile in the steel tube and concrete core with respect tothe burning time, then calculate
the heat transfer from the structure surface to the inside area of the structure. Analyzing
the mechanical behavior of the structure under increasing temperature over time was
carried out. The study also investigated and compared the behavior of CFST columns with
circular hollow steel columns under temperature and loading, thereby highlighting the
fire-resisting capacity of CFST columns.
Keywords: concrete filled steel tube columns, concrete core, steel tube, heat transfer,

fire


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
....................................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN
..............................................................................................................
TÓM TẮT ..........................................................................................................................
MỤC LỤC .........................................................................................................................
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài.......................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..............................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................3
5. Bố cục của luận văn...................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI
TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ TĂNG...................................................................................4
Tổng quan về cột CFST...........................................................................................4

1.1.1 Cấu tạo cột CFST.........................................................................................4
1.1.2 Đặc điểm cột CFST khi chịu lực nén đúng tâm............................................4
1.1.3 Đặc điểm cột CFST khi chịu đồng thời tải trọng và nhiệt độ.......................4
Tính chất cơ lý của vật liệu khi chịu nhiệt độ..........................................................5
1.2.1 Tính chất cơ lý của bê tông khi chịu nhiệt độ tăng cao.................................5
1.2.2 Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt độ tăng cao......................................9
Tình hình nghiên cứu............................................................................................. 12
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................... 12
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước............................................................... 13
Kết luận chương 1.................................................................................................. 14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN KẾT CẤU CỘT CFST KHI CHỊU
TÁC DỤNG TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ................................................................. 15
2.1. Ứng xử cháy của cột CFST................................................................................... 15
2.1.1. Sự truyền nhiệt trong kết cấu..................................................................... 15
2.1.2. Phân tích kết cấu trong điều kiện cháy...................................................... 20
2.1.3. Lý thuyết xác định biến dạng của bê tông................................................. 23
2.1.4. Lý thuyết xác định biến dạng của ống thép............................................... 29
2.2. Mô phỏng cột CFST trong phần mềm ABAQUS.................................................. 30
2.2.1. Cơ sở lý thuyết ABAQUS về truyền nhiệt................................................. 30
2.2.2. Định nghĩa phần tử trong Abaqus.............................................................. 32
2.2.3. Tương tác và ràng buộc giữa các phần tử.................................................. 34


2.2.4. Thuộc tính tương tác kết cấu cột CFST trong Abaqus...............................34


2.2.5. Q trình phân tích kết cấu bằng phần mềm Abaqus................................. 35
2.2.6. Các bước mơ hình hóa trên phần mềm Abaqus.........................................36
2.3. Kết luận chương 2................................................................................................. 42
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA CỘT CFST KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA

TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ...................................................................................... 43
3.1. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm............................................. 43
3.1.1. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cột C11 [22].............43
3.1.2. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm cột C17 [22].............50
3.2. So sánh khả năng chịu lực giữa cột CFST và cột ống thép rỗng (CHS)................52
3.3. Kết luận chương 3................................................................................................. 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 59
1. Kết luận................................................................................................................... 59
2. Kiến nghị................................................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 60


D
CFST
CHS
CHS C1
CHS C2
EC1
EC2
EC3
EC4
PPPTHH
QCVN
TCVN
Test


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu

bảng biểu
2.1
2.2
2.3
2.4
3.1
3.2
3.3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu
hình vẽ
1.1

Độ giản nở dài của bê

1.2

Độ giản nở của bê tôn

1.3

Nhiệt dung riêng của b

1.4

Tính dẫn nhiệt của bê

1.5

Khối lượng riêng của

1.6

Mối quan hệ ứng suất

1.7

Độ giản nở dài của thé

1.8

Độ giản nở của thép k

1.9

Nhiệt dung riêng của t

1.10

Tính dẫn nhiệt của thé

1.11

Đường cong ứng suất
cao với cường độ thép

2.1

Mối quan hệ nhiệt độ v
ISO 834 và ASTM E11

2.2

Dẫn nhiệt xảy ra trên

2.3

Dẫn nhiệt trên tinh thể

2.4

Sự truyền nhiệt trong k

2.5

Sơ đồ phân tích lệch tả

2.6

Ứng xử điển hình của

2.7

Vịng lặp đầu tiên của

2.8

Mơ hình tốn học biểu

chịu nén ở nhiệt độ ca

2.9

Biến dạng khi giảm ứn
và mơ hình phân lập (e


2.10

So sánh ứng suất - biến
nghiệm

2.11

So sánh kết quả thí ngh
một số mơ hình

2.12

Các thơng số đặc trưn
một nhiệt độ cho trư


Số hiệu
hình vẽ
2.13

Các bộ phận khác nha

2.14

Chi tiết lắp ráp các bộ

2.15

Chia lưới các phần và

2.16

Lắp ghép cấu kiện

2.17

Sơ đồ phân tích

2.18

Thiết lập bước phân tí

2.19

Thiết lập bước phân tí

2.20

Gán tải trọng

2.21

Khai báo điều kiện biê

2.22

Khai báo điều kiện biê

2.23

Input kết quả mơ hình

2.24

Chia lưới cho cấu kiện

2.25

Phân tích dữ liệu mơ p

3.1

Mẫu cột C11 trong ngh

3.2

Hình dạng bị biến dạn
với nghiên cứu của Lie

3.3

Mơ hình chia lưới phầ

3.4

So sánh thay đổi nhiệt
đối với ống thép

3.5

So sánh thay đổi nhiệt
đối với lõi bê tông ở đ

3.6

So sánh thay đổi nhiệt
đối với lõi bê tông ở đ

3.7

So sánh giữa chuyển v
C11
Mẫu cột C17 trong ng

3.8


3.9

So sánh thay đổi nhiệt
đối với ống thép C17

3.10

So sánh thay đổi nhiệt
đối với lõi bê tông ở đ

3.11

So sánh thay đổi nhiệt
đối với lõi bê tông ở đ


Số hiệu
hình vẽ
3.12

So sánh giữa chuyển v
C17

3.13

So sánh biểu đồ tươn
cột CHS C2

3.14

Mẫu cột CHS C2

3.15

So sánh hình dạng biế

3.16

Biến dạng của cột CFS

3.17

So sánh ứng suất của c

3.18

Ứng suất tiếp của cột
s

3.19

Ứng suất pháp của cột
3547s

3.20

Chuyển vị dọc trục của


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Một cơng trình xây dựng khi thiết kế cần phải đáp ứng được tất cả các yếu tố về
kiến trúc, kết cấu và kinh tế. Bên cạnh đó một vấn đề hết sức được quan tâm là thiết kế
kết cấu cơng trình khi xảy ra hỏa hoạn. Bởi vì khi cháy, nhiệt độ tăng cao sẽ làm cho

kết cấu phá hủy đổ sập, gây những thiệt hại to lớn về người và tài sản. Do đó ngồi
những biện pháp phịng chống cứu hỏa, thì vấn đề nghiên cứu thiết kế kết cấu cơng
trình đảm bảo độ bền, sức chịu tải khi xảy ra cháy là một chủ đề nghiên cứu đóng vai
trị rất quan trọng và cấp thiết.
Hiện nay có nhiều tiêu chuẩn thiết kế kết cấu cơng trình ở Việt Nam cũng như
các quốc gia trên thế giới có đề cập đến yếu tố đảm bảo an toàn kết cấu khi xảy ra
cháy, tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành điều có những hạn chế nhất định khi áp dụng
tính tốn. Cụ thể như sau:
(1) QCVN 03:2012/BXD Quy chuẩn này quy định bậc chịu lửa của cơng
trình tùy thuộc vào cấp cơng trình và quy định giới hạn chịu lửa yêu cầu của
cấu kiện trong điều kiện cháy dựa vào bậc chịu lửa của cơng trình [7]. Nhưng
quy chuẩn này khơng đề cập đến kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST).

(2) QCVN 06:2010/BXD quy định bậc chịu lửa cơng trình được quy định
tùy thuộc vào chức năng, diện tích, chiều cao, chiều rộng và khoảng cách
lối thốt nạn… của cơng trình. Giới hạn chịu lửa của kết cấu [8]. Bảng 1. 4.
Các bảng tra trong quy chuẩn này khơng có cho kết cấu cột CFST.
(3) TCVN 2622:1995 quy định bậc chịu lửa của cơng trình phụ thuộc vào
cơng năng, số tầng, kích thước của nhà [9]. TCVN 2622:1995 đưa ra giới
hạn chịu lửa tương ứng với chiều dày, kích thước tối thiểu của mặt cắt kết
cấu và nhóm cháy của vật liệu. Tuy nhiên trong bảng tra tiêu chuẩn này
không đề cập đến kết cấu cột CFST.
(4) TCVN 9311-2012 đã có những quy định về thí nghiệm chịu lửa để xác
định giới hạn chịu lửa của cấu kiện [10]. Và đã đưa ra được nhận định xác
định giới hạn chịu lửa của cấu kiện có thể tính tốn theo tiêu chuẩn thiết kế
kết cấu chịu lửa. Tuy nhiên hiện nay Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế
kết cấu chịu lửa.
(5) Một số hệ thống tiêu chuẩn châu Âu Eurocodes có đầy đủ các tiêu chuẩn
tính tốn kết cấu trong điều kiện cháy và thí nghiệm. Tuy nhiên khi tính tốn

2
thiết kế vẫn còn một số hạn chế như khi sử dụng bảng tra ta bị giới hạn về
kích thước cấu kiện….
Nhìn chung các tiêu chuẩn trên thế giới và trong nước đều khơng đề cập, hoặc
có nhưng có nhiều hạn chế khi tính tốn thiết kế kết cấu cột CFST trong điều kiện xảy
ra cháy.
Hiện nay cột CFST được sử dụng khá phổ biến đối với các cơng trình xây dựng.
Tuy nhiên khi thiết kế còn gặp nhiều vấn đề phức tạp đối với kết cấu vừa chịu tải trọng,
vừa chịu nhiệt độ tăng cao. Phải xác định được ứng xử cơ học của kết cấu cột CFST trong
điều kiện xảy ra cháy, từ đó đưa ra được những đánh giá, nhận xét về tải trọng, vật liệu, độ
dày của ống thép,…. Để giải quyết vấn đề này thường làm thực nghiệm cụ

thể, việc thực hiện thực nghiệm sẽ cung cấp các ứng xử của cột khi cháy một cách rõ
ràng. Tuy nhiên khi thực hiện thực nghiệm ta phải xây dựng cấu kiện cơng trình có
hình dáng, kích thước, độ cứng, khối lượng tương ứng với mơ hình theo lý thuyết là
tương đối phức tạp. Việc tạo ra một mơ hình như vậy u cầu kỹ sư có trình độ chun
mơn cao. Đồng thời cần phải có phịng thí nghiệm chuyên biệt, cùng những thiết bị và
vật liệu làm mơ hình phức tạp và tốn kém, do đó cần phải có phương pháp đơn giản và
kinh tế hơn để xác định nhiệt độ truyền dẫn và tải trọng tác dụng vào kết cấu. Từ đó
xác định được ứng xử kết cấu, nhưng cho kết quả tương đương hoặc sai khác khơng
đáng kể so với thí nghiệm thực tế. Hiện nay có một số phần mềm mơ phỏng kỹ thuật
dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình này khá tin cậy để thay thế
thí nghiệm như ABAQUS [26], ANSYS [27]. Do đó tơi chọn đề tài “Ứng xử của cột
ống thép nhồi bê tông chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ” để thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, tính chất cơ lý của vật liệu bê tơng và thép
khi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ.
Xây dựng mơ hình mô phỏng cột CFST trong trường hợp cột chịu tác dụng của
tải trọng và nhiệt độ. Kiểm chứng kết quả mơ phỏng với các kết quả thí nghiệm đã

được thực hiện trên thế giới.
Nghiên cứu ứng xử của cột CFST khi chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Cột ống thép nhồi bê tông (CFST).
Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử của cột CFST khi cột chịu tác dụng của tải trọng
và nhiệt độ.


3
4.

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số ứng xử của cột CFST khi chịu tác dụng

của tải trọng và nhiệt độ.
5.

Bố cục của luận văn
Luận văn gồm phần: Mở đầu, 03 chương và phần Kết luận, kiến nghị
MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài
2.Mục tiêu nghiên cứu
3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.Phương pháp nghiên cứu
5.Bố cục của luận văn
6.Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST khi chịu tác dụng tải trọng và nhiệt độ
tăng.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn kết cấu cột CFST khi chịu tác dụng tải trọng

và nhiệt độ.
Chương 3: Mô phỏng ứng xử của cột CFST khi chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt

độ.
Kết luận và kiến nghị


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST KHI
CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ TĂNG
Tổng quan về cột CFST
1.1.1 Cấu tạo cột CFST
Kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube viết tắt
CFST) là kết cấu liên hợp gồm hai cấu kiện chịu lực chính là ống thép và lõi bê tơng.
Hai cấu kiện này làm việc chung với nhau và có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ,
khả năng biến dạng và khả năng chống cháy.
Vỏ ống thép bên ngồi có chức năng như một lớp áo, bao bọc toàn bộ lõi bê tông.
Nhờ hiệu ứng giam dữ này làm tăng khả năng chịu nén, giảm co ngót, giảm nứt trong
bê tơng, do lõi bê tông bị cách ly với môi trường bê ngồi. Việc nhồi bê tơng vào ống
thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của ống thép, làm giảm độ mảnh của
cấu kiện, làm tăng ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp,
méo (biến dạng) của ống thép khi bị va đập.
Mặt cắt ngang tiết diện cột CFST thường có 2 loại chính là cột trịn và cột vng.
Nhưng trong luận văn này chỉ đi sâu vào nghiên cứu cột có tiết diện mặt cắt ngang là
hình trịn.
1.1.2 Đặc điểm cột CFST khi chịu lực nén đúng tâm
Cột CFST có khả năng chịu nén cao, nhưng khả năng chịu kéo lại nhỏ hơn nhiều so
với chịu nén. Sự hư hỏng của kết cấu phụ thuộc vào cường độ của các thành phần vật liệu,
cụ thể là phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của thép. Tuy

nhiên cột CFST, lõi bê tông chịu áp lực kiềm chế thành bên của ống thép, kết quả là cột
thép liên hợp chịu nén dọc trục lớn so với khi chỉ có riêng mặt cắt bê tơng. Hơn nữa, quan
trọng nhất là trạng thái của bê tông bị kiềm chế do được bọc bằng ống thép sẽ trở nên dẻo
hơn và có ảnh hưởng đến tồn bộ trạng thái làm việc của kết cấu cột.

Kích thước mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu CFST có thể được giảm
do tăng cường độ vật liệu của ống thép hoặc lõi bê tông.
1.1.3 Đặc điểm cột CFST khi chịu đồng thời tải trọng và nhiệt độ
Việc sử dụng cột CFST nhằm tăng khả năng chịu nén của cột nhưng tiết diện mặt
cắt ngang cột CFST thì nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Các ống
thép rỗng hoạt động như một ván khuôn để đổ bê tông giúp giảm thời gian và giá
thành khi thi công. Khi xảy ra cháy, ống thép hoạt động như một lá chắn nhằm ngăn
chặn sự truyền nhiệt vào bê tơng, trong khi đó lõi bê tơng tạo ra một hiệu ứng tản nhiệt
làm giảm quá trình truyền nhiệt trong kết cấu.
Khi xảy ra cháy, do tác dụng của nhiệt độ làm cho vật liệu kết cấu bị giản nở, kết
hợp với tác dụng của tải trọng làm cho nội lực kết cấu sẽ bị thay đổi. Các trạng thái ứng


5
– biến dạng sẽ biến đổi do sự thay đổi nhiệt độ và gây phá hủy kết cấu. Bê tông là cốt
liệu có khả năng chịu nén rất tốt, nhưng do ảnh hưởng của nhiệt độ tăng làm cho tính
giịn của bê tông tăng cao, gây phá hủy kết cấu. Nhưng khi bê tơng được giam dữ
trong ống thép thì khả năng chịu lực tăng đáng kể.
Tính chất cơ lý của vật liệu khi chịu nhiệt độ
1.2.1 Tính chất cơ lý của bê tông khi chịu nhiệt độ tăng cao
Về tính chất cơ học và nhiệt học của vật liệu bê tơng đã có nhiều nghiên cứu
trước đây cơng bố kết quả như [4], [6], [12], [16], [18], [22]. Dựa vào các nghiên cứu
đó, các mơ hình ứng xử của vật liệu đã được đề xuất dưới dạng các công thức để phục
vụ cho việc mô phỏng số bằng các phần mềm.
a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của bê tơng do nhiệt

Độ giãn nở dài hay cịn được gọi là giãn nở tuyến tính có nghĩa là sự thay đổi
theo độ dài dọc theo một chiều của lõi bê tơng, khác với giãn nở thể tích. Sự thay đổi
chiều dài của cấu kiện do giãn nở nhiệt, liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ theo hệ số
giản nở tuyến tính.
Độ giãn nở dài vì nhiệt của bê tơng được ký hiệu là (l/l)c, cách xác định độ giản
dài nhiệt của bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode 2 (EC2) [18]. Giá trị phụ thuộc vào
ngưỡng nhiệt độ xác định.
- Đối với cốt liệu Silic:
-4

(l/l)c = -1.8x10

-3

(l/l)c = 14x10
- Đối với cốt liệu vơi:
-4

(l/l)c = -1.2x10

-3

(l/l)c = 12x10
trong đó: L là chiều dài, giá trị này được xác định ở nhiệt độ 20°C;
Δl là nhiệt độ gây ra sự kéo dài của thành phần bê
o

tông; θc là nhiệt độ bê tơng [ C].
Sau khi tính tốn hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ tăng, đường cong thể hiện mối
quan hệ độ giãn nở dài với nhiệt độ được thể hiện như Hình 1.1.

6

Hình 1.1. Độ giản nở dài của bê tơng khi nhiệt độ tăng cao
[16] b) Hệ số giãn nở vì nhiệt (Thermal Expansion) của vật liệu bê tông
Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (c) được định nghĩa là một đại lượng đặc trưng
cho sự thay đổi kích thước của nó khi có sự thay đổi nhiệt độ. Hệ số giãn nở nhiệt của
bê tông phụ thuộc vào cấp phối của bê tơng, vào tính chất của cốt liệu và chất kết dính.
Xác định hệ số giãn nở nhiệt của bê tơng xác định theo cơng thức:
(1.5)



o

trong đó: θc là nhiệt độ của bê tơng [ C].
Sau khi tính tốn hệ số giãn nở của bê tơng theo nhiệt độ, đường cong thể hiện
mối quan hệ giữa hệ số giản nở bê tông với nhiệt độ như biểu đồ Hình 1.2.

Hình 1.2. Độ giản nở của bê tơng khi nhiệt độ tăng cao [16]


Dựa vào Hình 1.2, ta có nhận xét như sau: Hệ số giãn nở vì nhiệt của bê tơng (c)
o

tăng theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ đạt 700 C, có hiện tượng chuyển pha từ tăng hệ số
giãn nở sang giảm hệ số giãn nở.
c) Nhiệt dung riêng (Specific Heat) của vật liệu bê tông

7
Nhiệt dung riêng cp (c ) của bê tông (với độ ẩm vật liệu 0%), theo tiêu chuẩn
EC2 [18], nhiệt dung riêng của bê tông được xác định như sau:
cp(θc) = 900 [J/kg K]
cp(θc) = 900+(θc - 100) [J/kg K]
cp(θc) = 1000+(θc - 200)/2 [J/kg K]
cp(θc) = 1100 [J/kg K]
o

trong đó: θc là nhiệt độ bê tơng [ C].
Nếu độ ẩm (Moisture) không được xem xét rõ ràng trong phương pháp tính tốn,
các phương trình trước đó cần được sửa đổi bằng cách thêm giá trị ở mức tối đa nằm ở
0

0

Cp.peak giữa nhiệt độ 100 C và 115 C với mức giảm tuyến tính giữa nhiệt độ 115
0

0

C và 200 C. Giá trị này tỷ lệ với giá trị độ ẩm bằng:
Cp.peak = 900 J/kg K cho độ ẩm 0 % của trọng lượng bê tông.
Cp.peak =1470 J/kg K cho độ ẩm 1.5 % của trọng lượng bê tông
Cp.peak = 2020 J/kg K cho độ ẩm 3.0 % của trọng lượng bê tông

Sau khi sử dụng những công thức (1.7), (1.8), (1.9) mối quan hệ giữa nhiệt dung
riêng của thép với nhiệt độ được thể hiện ở Hình 1.3.

Hình 1.3. Nhiệt dung riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [16]
Cần lưu ý rằng, theo tiêu chuẩn EC4 [20], khi độ ẩm 10% giá trị Cp.peak =5600
J/kgK nên được sử dụng với cột CFST.
d) Tính dẫn nhiệt (Thermal Conductiviy) vật liệu bê tơng
Tính dẫn nhiệt (c) của bê tông, theo tiêu chuẩn EC2 [18], được xác định bởi giới
hạn dưới và giới hạn trên bởi phương trình sau:
- Giới hạn trên (Upper Limit)
2

λc =2-0.2451(θc/100)+0.0107 (θc/100) [W/mK] từ 20°C ≤ θc ≤ 1200°C

(1.10)


8
- Giới hạn dưới (Lower Limit)
2

λc =1.36-0.136(θc/100)+0.0057(θc/100) [W/m K] từ 20°C ≤ θc ≤ 1200°C (1.11)
o

trong đó: θc là nhiệt độ bê tông [ C].
Sau khi sử dụng các công thức tính tốn (1.10), (1.11) quan hệ đường cong giữa
nhiệt độ và tính dẫn nhiệt của bê tơng được thể hiện như Hình 1.4.

Hình 1.4. Tính dẫn nhiệt của bê tông khi nhiệt độ tăng cao
[16] e) Khối lượng riêng (Density) của bê tông
Khối lượng riêng (ρ) của bê tông sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, vì khi nhiệt độ tăng,
lượng nước trong bê tông sẽ bị suy giảm. Theo tiêu chuẩn EC2 [18] thì khối lượng
riêng của bê tơng được xác định theo công thức sau:

ρ = ρ(20°C)
ρc = ρ(20°C) (1- 0.02(θc - 115)/85)
ρc = ρ(20°C) (0.98 - 0.03(θc - 200)/200)
ρc = ρ(20°C) (0.95 - 0.07(θc - 400)/800)
o

trong đó θc là nhiệt độ của bê tông [ C], và ρ(20°C) = 2300kg/m3
Sau khi tính tốn theo phương trình trên, đường cong giữa nhiệt độ và khối lượng
riêng của bê tơng được thể hiện như Hình 1.5.

Hình 1.5. Khối lượng riêng của bê tông khi nhiệt độ tăng cao [16]


9
f) Cường độ của bê tông khi chịu tác dụng của nhiệt độ tăng
Khi nhiệt độ tăng cao làm cho cường độ bê tông sẽ suy giảm. Mối quan hệ ứng
suất (Stress) - biến dạng (Strain) của bê tơng có sự biến đổi khác nhau khi thay đổi
nhiệt độ, được xác định trong tiêu chuẩn EC2 [18]. Đường cong thể hiện mối quan hệ
ứng suất – biến dạng của bê tơng có sự thay đổi đáng kể so với biểu đồ của cốt thép
(Hình 1.6).

Hình 1.6. Mối quan hệ ứng suất – biến dạng khi nhiệt độ khác nhau [16]
Tất cả các đường cong này đều đạt cường độ chịu nén cao hơn giới hạn đàn hồi
hiệu quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi xuống. Trong trường hợp này, khả năng
chịu kéo của bê tông cũng xem như bằng khơng.
1.2.2 Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt độ tăng cao
Tính chất cơ lý của thép khi chịu nhiệt tăng cao được xác định theo tiêu chuẩn EC3
[19] và tiêu chuẩn EC4 [20]. Cho đến nay có một số nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề
này [4], [6], [12], [16], [19], [20], [22].

a) Độ giãn nở dài (Thermal Elongation) của thép vì nhiệt
Độ giãn nở dài của thép (l/l)a, theo tiêu chuẩn EC3 [19] được tính tốn theo
cơng thức sau:
-5

-8 2

(l/l)c = -1.2x10 + 0.4x10  a + 2.416x10
(l/l)c = 1.1x10
-5

-4

-2

(l/l)c = 2x10 a - 6.2x10

-3
o

trong đó θc là nhiệt độ của bê tơng [ C].
Sau khi sử dụng các công thức (1.16), (1.17), (1.18), quan hệ đường cong giữa
nhiệt độ và độ giãn nở dài của bê tơng được thể hiện như Hình 1.7.