1 PHẦN MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài: - Kết cấu liên hợp thép bêtông kết cấu sử dụng thép hình kết hợp với bêtông để làm kết cấu chịu lực cho công trình; - Kết cấu liên hợp thép - bêtông có ưu điểm mặt chịu lực là: + Khả chịu lực độ tin cậy cao: Kết cấu liên hợp thép – bêtông tận dụng ưu điểm riêng đặc trưng lý hai loại vật liệu, vật liệu thép vật liệu bêtông + Công sử dụng hiệu quả: sàn liên hợp có chiều dày mỏng hơn, dầm liên hợp vượt nhịp lớn hơn, cột liên hợp có tiết diện mảnh hơn, kết cấu liên hợp chịu nhiệt độ cao với thời gian dài + Hiệu kinh tế: So với trường hợp sử dụng kết cấu thép túy việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông có hiệu kinh tế cao hơn, giảm trọng lượng thép khoảng 10 - 15% - Bên cạnh ưu điểm đó, kết cấu liên hợp thép bêtông có ưu điểm khả chịu cháy so với kết cấu thép bêtông đóng vai trò làm lớp vật liệu bảo vệ, làm chậm trình tăng truyền nhiệt kết cấu thép Với ưu điểm nêu trên, kết cấu liên hợp thép - bêtông ngày sử dụng rộng rãi công trình xây dựng -Việc xác định khả chịu lực kết cấu liên hợp điều kiện cháy phức tạp phải kể đến biến dạng nhiệt, thay đổi tính chất lý vật liệu nhiệt độ tăng cao Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có dẫn tính toán, có tiêu chuẩn nước có dẫn Eurocodes, tiêu chuẩn Canada, New Ziland… tính toán cho cấu kiện đơn giản phải dùng nhiều giả thiết đơn giản hóa thiên an toàn - Do kiến thức kết cấu điều kiện cháy chưa công bố nhiều tài liệu tiếng Việt, luận văn trình bày rõ số phương pháp tính toán khả chịu lực kết cấu liên hợp thép - bêtông điều kiện cháy, qua ứng dụng tính toán, đưa nhận xét, khuyến nghị * Mục đích nghiên cứu: Nêu rõ số phương pháp xác định khả chịu lực kết cấu liên hợp thép – bêtông điều kiện cháy, ứng dụng tính toán để có kết đưa nhận xét, khuyến nghị * Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu kết cấu liên hợp thép- bêtông điều kiện cháy Phạm vi nghiên cứu phương pháp tính toán cho số cấu kiện kết cấu khung phẳng * Phương pháp nghiên cứu: Trong luận văn dùng phương pháp tổng hợp, nghiên cứu lý thuyết ứng dụng thực hành tính toán, qua đưa nhận xét khuyến nghị * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Đề tài trình bày kiến thức (chưa công bố nhiều Việt Nam) kết cấu điều kiện cháy Những kiến thức cần thiết cho sinh viên, kỹ sư, cán làm ngành xây dựng * Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm có chương: Chương 1: Tổng quan ứng xử kết cấu liên hợp thép – bêtông điều kiện cháy Chương 2: Xác định khả chịu lực kết cấu liên hợp thép – bêtông điều kiện cháy Chương 3: Ví dụ tính toán NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY 1.1 Giới thiệu kết cấu liên hợp thép – bêtông Kết cấu liên hợp thép – bêtông kết cấu mà thép chịu lực có dạng tấm, thép hình, thép ống kết hợp với kết cấu bêtông Nó nằm bêtông (gọi thép nhồi bêtông) hay nằm bêtông (gọi kết cấu thép bọc bêtông) làm việc Các giải pháp cấu tạo thường sử dụng loại cấu kiện kết cấu cột liên hợp thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H bọc bêtông phần toàn bộ, thép ống nhồi đầy bêtông bêtông cốt thép Hình 1.1: Một số kiểu tiết diện cột [9] Đối với cấu kiện sàn liên hợp giải pháp sử dụng thường sàn bêtông cốt thép đặt lên dầm thép hình chữ I Ngoài tôn thép sóng đặt mặt sàn bêtông, nằm sàn bêtông dầm thép hình để đóng vai trò vừa cốt thép chịu kéo trình sử dụng đồng thời ván khuôn đỡ bêtông tươi trình thi công Bản sàn bêtông Cốt thép sàn Dầm thép Hình 1.2: Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tôn sóng [6] * Ưu điểm kết cấu liên hợp thép – bêtông a Khả chịu lực độ tin cậy cao [6] Kết cấu liên hợp thép – bêtông tận dụng ưu điểm riêng đặc trưng lý hai loại vật liệu, vật liệu thép vật liệu bêtông Vật liệu thép có cường độ chịu kéo nén cao, khả cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ an toàn chịu lực cao khả chịu lửa giá thành lại cao Trong vật liệu bêtông có cường độ chịu nén tương đối lại có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ sử dụng phổ biến Như vậy, so với trường hợp sử dụng kết cấu bêtông cốt thép túy việc sử dụng kết cấu liên hợp thép – bêtông đảm bảo khả chịu lực nâng cao độ tin cậy kết cấu, bao gồm khả chịu lực hai thành phần kết cấu thép hình bêtông cốt thép kết hợp tham gia chịu lực b Công sử dụng hiệu [6] Đối với công trình nhà nhiều tầng, chiều cao nhà cao nhịp khung lớn nội lực dọc trục cột mômen dầm lớn; lực dọc cột lên đến 3000T công trình nhà cao 30 tầng Như vậy, sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thông thường kích thước tiết diện yêu cầu cột lớn, thực tế cấp độ bền bêtông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng Việt Nam vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính toán khoảng 155 đến 215 daN/cm2 Chẳng hạn sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép túy kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40 tầng xây dựng Hà Nội khoảng 1,5m x 1,5m; nhiên kích thước giảm xuống khoảng 1m x 1m sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông Như vậy, việc ứng dụng giải pháp kết cấu liên hợp tạo cho công trình gọn nhẹ tăng không gian sử dụng c Hiệu kinh tế [6] So với trường hợp sử dụng kết cấu thép túy việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông có hiệu kinh tế cao hơn, giảm trọng lượng thép khoảng 10 - 15% Nếu so sánh với trường hợp sử dụng kết cấu bêtông cốt thép túy giải pháp kết cấu liên hợp giảm trọng lượng công trình khoảng 10-20%, dẫn đến giảm kết cấu móng Do lượng thép dùng kết cấu liên hợp nhiều chút tổng chi phí xây dựng công trình giảm, đồng thời tăng nhanh thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng quay vòng vốn * Nhược điểm kết cấu liên hợp thép – bêtông [9] Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm bật kết cấu liên hợp thép – bêtông đòi hỏi gắn kết hai vật liệu bêtông cốt thép, việc tính toán phức tạp hơn, đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn, chi phí gia công chế tạo liên kết tăng 1.2 Thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông điều kiện nhiệt độ thường [6] Quy trình thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông nhìn chung giống loại cấu kiện khác, thực theo bước sau: - Lựa chọn sơ hình dạng kích thước tiết diện cấu kiện kết cấu (bản sàn, dầm, cột, giằng đứng) cấu tạo nút khung liên kết (khớp, nửa cứng, cứng), cấu kiện cột cần đảm bảo không mảnh Bước thực chủ yếu dựa vào kinh nghiệm người thiết kế kết tính toán sơ - Tiến hành phân tích hệ kết cấu nhằm xác định nội lực biến dạng cấu kiện kết cấu dầm, cột, nút khung ứng với trường hợp tổ hợp tải trọng gây nguy hiểm cho kết cấu công trình Khi phân tích hệ kết cấu sàn tính toán riêng rẽ, phần bề rộng tiết diện sàn cần kể đến để tham gia làm việc với dầm sàn - Xác định khả chịu lực cấu kiện kết cấu chọn kiểm tra trạng thái giới hạn chịu lực biến dạng 1.2.1 Sàn liên hợp thép – bêtông Sàn liên hợp thường gồm tôn đặt mặt dưới, bên lưới cốt thép bêtông đổ chỗ Tấm tôn cấu tạo theo nhiều hình dạng khác có sườn làm tăng độ cứng uốn giảm trọng lượng sàn, tăng khả truyền lực bêtông tôn, ngăn cản chuyển vị dầm thép trình lắp dựng Các chốt liên kết hàn sẵn với tôn để tăng khả chịu cắt tôn bêtông Tổng chiều dày sàn liên hợp ≥ 80mm đến 180mm, tùy theo yêu cầu chịu tải trọng khả chịu lửa cho sàn Chiều dày phần bêtông nằm sóng tôn yêu cầu lớn 40mm để nhằm bảo vệ cốt thép đảm bảo khả chịu lực Nhịp sàn từ 2,5m đến 4m lên đến 7m sử dụng cột trụ chống đỡ trình thi công Sàn liên hợp cần thiết kế đảm bảo đủ khả chịu lực suốt giai đoạn thi công giai đoạn sử dụng bêtông đông cứng Tấm tôn đóng vai trò ván khuôn trình thi công cần tính toán chịu loại tải trọng trọng lượng thân bêtông ướt, lưới cốt thép, thiết bị đổ bêtông người thao tác, …Sàn liên hợp cần kiểm tra vị trí nguy hiểm xảy phá hoại mômen uốn lớn nhất, bị trượt dọc trượt ngang mặt tiếp xúc tôn bêtông 1.2.2 Dầm liên hợp thép – bêtông a Giải pháp dầm liên hợp đơn giản liên tục: Giải pháp cấu tạo dầm liên hợp đơn giản có mômen dương nên có ưu điểm sau so với dầm liên hợp liên tục: - Vùng chịu ứng suất nén dọc trục bụng dầm ít; đồng thời cánh nén liên kết với sàn bêtông cốt thép thép; khả chịu lực dầm không phụ thuộc điều kiện ổn định dầm thép; - Bản bụng chịu ứng suất nhỏ nên tạo lỗ bụng; - Mômen uốn lực cắt dầm xác định đơn giản không ảnh hưởng bêtông nứt, từ biến lão hóa; - Bản sàn bêtông không chịu kéo, mômen cột nhỏ có hệ giằng vách cứng chịu tải trọng ngang; - Không có ảnh hưởng nhịp dầm, phân tích nội lực hệ kết cấu nhanh hơn; Tuy nhiên, dầm liên hợp đơn giản có nhược điểm sau: độ võng nhịp dầm bề rộng khe nứt gối lớn; chiều cao tiết diện dầm yêu cầu lớn b Tiết diện tính toán dầm liên hợp Tiết diện dầm liên hợp có dạng chữ T gồm tiết diện dầm thép hình sàn bêtông cốt thép Thực tế chịu tải trọng, mặt cắt ngang dầm liên hợp không trì phẳng, ứng suất nén mômen uốn phân bố không theo bề rộng phần sàn bêtông (hình 1.3) Do bề rộng tính toán phần sàn bêtông, beff xác định theo giả thuyết cân bằng, diện tích đa giác ACDEF GHJK coi ứng suất lớn phân bố toàn bề rộng tính toán beff Tỷ số beff / B có giá trị nhỏ 1, phụ thuộc vào nhịp dầm, điều kiện liên kết hai đầu dầm, loại tải trọng tác dụng, Bề rộng tính toán, beff tiết diện nhịp dầm lớn so với gần gối dầm Tuy nhiên, để đơn giản phân tích tính toán kết cấu, bề rộng beff cho toàn tiết diện dầm lấy giống theo tiết diện nhịp dầm có gối tựa hai đầu theo tiết diện gần gối tựa dầm conxôn Hình 1.3: Bề rộng tính toán dầm liên hợp [6] Trường hợp có sử dụng tôn sóng định hình (đặt vuông góc với nhịp dầm) kể đến phần bêtông nằm sườn tôn chịu lực nén, bỏ qua tôn định hình phần bêtông nằm sườn c Phân loại tiết diện dầm liên hợp Bản bụng cánh nén dầm thép bị ổn định cục bộ, phụ thuộc vào độ mảnh chúng hw /tw b0f / tf Trong thực hành thiết kế, tuỳ theo cấu tạo tiết diện dầm thép (được bọc bêtông phần, hoàn toàn, không bọc bêtông) tỷ số hw /tw b0f / tf, tiết diện dầm liên hợp phân thành bốn loại; tiết diện loại cao loại có khả chống ổn định tốt nhất: - Tiết diện loại 1: cho phép chảy dẻo hoàn toàn hình thành khớp dẻo tiến hành phân tích dẻo; - Tiết diện loại 2: cho phép chảy dẻo với góc xoay chảy dẻo bị hạn chế bêtông bị vỡ thép bị ổn định; - Tiết diện loại 3: cho phép xuất ứng suất lớn đạt tới giới hạn chảy tiết diện không phép chảy dẻo; - Tiết diện loại 4: cho phép tượng ổn định cục xảy trước ứng suất lớn đạt tới giới hạn chảy Ví dụ, sàn bêtông cốt thép liên kết chắn với cánh nén dầm thép cánh nén coi loại 1, nhiên, trình thi công dầm thép coi thuộc loại thấp Khi trục trung hoà dẻo nằm sàn bêtông cánh dầm thép bụng dầm thép coi loại loại tương ứng với liên kết chịu cắt hoàn toàn không hoàn toàn Loại tiết diện dầm liên hợp xác định theo loại thấp loại bụng cánh nén d Phương pháp phân tích xác định nội lực thiết kế Mômen lực cắt thiết kế dầm liên hợp xác định theo hai phương pháp phân tích hệ kết cấu là: phương pháp phân tích đàn hồi t uyến tính phương pháp phân tích chảy dẻo Phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính áp dụng cho 10 bốn loại tiết diện dầm liên hợp Trong phương pháp phân tích yêu cầu cần xác định độ cứng uốn EI tương đối phần tử kết cấu Các giá trị khác EI sử dụng cho trường hợp tải trọng tác dụng, cụ thể: (a) Trong giai đoạn thi công kết cấu chưa liên hợp sử dụng độ ng EaIa riêng thép kết cấu; (b) Trong giai đoạn kết cấu đưa vào sử dụng chịu tải trọng tác dụng dài hạn sử dụng độ cứng quy đổi EaI mômen quán tính I xác định từ tiết diện quy đổi sử dụng hệ số môđun đàn hồi n=Ea /E*c với E*c môđun đàn hồi tính toán bêtông; (c) Khi kết cấu chịu tải trọng thay đổi sử dụng hệ số n0=Ea /Ecm với Ecm môđun cát tuyến bêtông chịu tải trọng ngắn hạn; Các giá trị độ cứng trường hợp (b) (c) thay đổi theo dấu mômen uốn Thực tế theo chiều dài dầm, bêtông bị nứt không nứt Thường bêtông tiết diện gần gối tựa dầm nứt nhiều so với tiết diện dầm Để đơn giản áp dụng phương pháp phân tích coi bêtông không nứt cho toàn tiết diện dầm, sau sử dụng hệ số giảm mômen tiết diện gần gối dầm tương ứng tăng mômen tiết diện nhịp dầm để đảm bảo nguyên tắc cân tĩnh Phương pháp phân tích dẻo áp dụng trường hợp dầm liên hợp có tiết diện loại vị trí hình thành khớp dẻo loại loại tiết diện khác nằm phạm vi hình thành khớp dẻo Khả xoay dẻo khớp dẻo bị hạn chế bêtông vỡ thép ổn định phụ thuộc vào kích thước tiết diện, hình dạng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu, chế hình thành 90 Ac = 190 × 190 × 10 −6 − 0,003277 = 328,2.10−4 (m2) As : diện tích tiết diện ngang cốt thép As = (2 × 120 × 11 + 98 × 6,5) × 10−6 = 32,77.10 −4 (m2) → N pl , Rd 39.10 −4 × 2,35.105 328,2.10 −4 × 2.10 32,77.10 −4 × 2,35.105 = + + 1,5 → N pl , Rd = 2210 (kN) Khi ta lấy hệ số γ Ma ; γ c ; γ s 1,ta có N pl ,R = N pl ,Rd → N pl ,R 39.10 −4 × 2,35.105 328,2.10 −4 × 2.10 32,77.10 −4 × 2,35.105 = + + 1 → N pl , Rd = 2340 (kN) b Lực nén giới hạn toàn tiết diện theo điều kiện ổn định N cr = π (Ea I a + 0,8 Ec I c + Es I s ) l2 Chiều dài tính toán cột: l = µL = 1× 3,31 = 3,31 (m)  200 × 2003 190 × 1903   × 10 −12 = 2,47.10 −5 (m4) I a =  − 12 12    190 × 1903  I c =   × 10 −12 − 0,317.10 −5 = 10,5.10 −5 (m4) 12    11 × 1203 98 × 6,53  I s =  × +  × 10 −12 = 0,317.10 −5 (m4) 12 12   Ea = 2,1.108 (kN/m2); Ec = 2,9.104 (kN/m2); Es = 2,10.108 (kN/m2) 3,14 (2,1.108 × 2,47.10 −5 + 2,9.10 × 10,5.10 −5 + 2,1.108 × 0,317.10 −5 ) N cr = 3,312 N cr = 5860 (kN) + Độ mảnh cột điều kiện chịu lửa: λz ,θ = N pl ,R N cr = 2340 = 0,67 5680 91 [ φ = 0,5 + α (λ − 0,2 ) + λ ] φ = 0,5.[1 + 0,21(0,67 − 0,2) + 0,67 ] = 0,77 Với α = 0,21 → χz = 0,77 + 0,77 − 0,67 = 0,86 ≤ Khả chịu lực cột điều kiện chịu lửa: N Sd = χ z N pl , Rd N Sd = 0,86 × 2210 = 1910 (kN) Xác định tiết diện tính toán cột điều kiện chịu lửa: a Phần thép bọc cột: + Chiều rộng tính toán: b1 = 200 (mm) + Chiều dày tính toán: e1 = (mm) + Nhiệt độ xem phân bố toàn tiết diện cột thép, xác định sau:  Am   V  θ f ,t = θ o ,t + kt  Trong đó: θ o ,t = 5500 C ; kt = 9,65 (m0C) tra bảng theo cấp bền R30 Am : chu vi bị đốt nóng tiết diện lộ hoàn toàn lửa Am = 2h + 2b = × 200 + × 200 = 800 (mm) V : diện tích tiết diện ngang, với tiết diện lộ hoàn toàn lửa V = hb = 200 × 200 = 40.103 (mm2) → Am / V = 800 × 103 / 40.103 = 20 (m-1) → θ f ,t = 550 + 9,65 × 20 = 743 (0C) Tra bảng theo θ f ,t = 743 (0C) ta k max, 743 C = 0,1784 + Cường độ tính toán: 92 f a max, f , 743 / γ M , fi ,a = k max, 743 f ay , f , 20 / γ M , fi ,a f a max, f , 743 / γ M , fi ,a = 0,1784 × 235.103 / 0,9 = 46,6.103 (kN/m2) + Môđun đàn hồi: E f 1,θ = k E ,743 .Ea , f , 20 Tra bảng theo θ f ,t = 743 (0C) ta k E ,743 C = 0,1128 → E f ,θ = 0,1128 × 210.10 = 23,7.10 (kN/m2) b Phần bêtông nhồi cột: + Chiều cao tính toán: hc* = hc − 2e f − 2bc , fi Tra bảng với cấp bền R30 bc , fi = (mm) → hc* = 200 − × − × 11 − × = 160 (mm) + Chiều rộng tính toán: bc* = bc − eW − 2bc , fi → bc* = 200 − × − 6,5 − × = 175,5 (mm) + Nhiệt độ tính toán: tra bảng theo R30 Am/V=20 (m-1) ta θ c ,t = 274 (0C) + Cường độ tính toán: Tra bảng theo θ c ,t = 274 (0C) ta kc , 274 C = 0,863 f c , 274 / γ M , fi ,c = kc , 274 f c , 20 / γ M , fi ,c f c , 274 / γ M , fi ,c = 0,863 × 20.103 / = 17,3.103 (kN/m2) + Môđun đàn hồi: Tra bảng theo θ c ,t = 274 (0C) ta ε cu , 274 C = 5,61.10−3 Ec ,θ = kc , 274 f c , 20 / ε cu , 274 Ec ,θ = 0,863 × 20.103 / 5,61.10 −3 = 3080.103 (kN/m2) c Phần thép hình cột: Tiết diện thép hình bao bọc hoàn toàn cột thép lớp bêtông nhồi cột, coi truyền nhiệt lớp bêtông nhỏ, tiết diện thép 93 hình chữ I không bị tác dụng lửa làm việc nhiệt độ bình thường 200C + Cường độ tính toán: f sy , 20 / γ M , fi ,r = 235.103 / 0,9 = 261.103 (kN/m2) + Môđun đàn hồi: E s ,t = Es , 20 = 210.10 (kN/m2) Xác định khả chịu lực cột liên hợp điều kiện chịu lửa a Khả chịu nén dọc thực tế cột: N fi , pl , Rd = N fi , pl , Rd , f + N fi , pl , Rd ,c + N fi , pl , Rd ,s N fi , pl , Rd = ∑ (A f ,θ f a max,θ ) + γ M , fi ,a ∑ ( Ac ,θ f c ,θ ) γ M , fi ,c + ∑ ( As ,θ f s max,θ ) γ M , fi ,s Trong : N fi , pl , Rd , f : khả chịu nén tiết diện cột thép N fi , pl , Rd ,c : khả chịu nén phần bêtông chèn vào cột thép N fi , pl , Rd ,s : khả chịu nén phần thép hình đặt bêtông Ta có: N fi , pl , Rd , f = N fi , pl , Rd ,c = N fi , pl , Rd ,s = ∑ ( A f ,θ f a max,θ ) γ M , fi ,a = × × (200 + 190) × 46,6.10 = 182 (kN) 10 ∑ ( Ac ,θ f c ,θ ) 160 × 175,5 × 17,3.103 = = 485 (kN) γ M , fi ,c 106 ∑ ( As ,θ f s max,θ ) γ M , fi ,s (2 × 120 × 11 + 98 × 6,5) × 261.10 = = 856 (kN) 10 → N fi , pl , Rd = 182 + 485 + 856 = 1520 (kN) Khi ta lấy hệ số γ M , fi ,a ; γ M , fi ,c ; γ M , fi ,r 1,ta có N fi , pl ,R = N fi , pl ,Rd → N fi , pl , R = 182 × 0,9 + 485 + 856 × 0,9 = 1420 (kN) b Lực nén giới hạn toàn tiết diện chịu lửa: 94 N fi ,cr , z = π (Ea ,θ ,σ I a + Ec ,θ ,σ I c + Es ,θ ,σ I s ) l 2fi Chiều dài tính toán cột: l fi = µL = 1× 3,31 = 3,31 (m)  200 × 200 190 × 190  −  × 10 −12 = 2,47.10 −5 (m4) I a =  12 12    160 × (175,53 − 6,53 ) 11× 1203   × 10 −12 = 6,89.10 −5 (m4) I c =  − 2× 12 12    11 × 120 98 × 6,53  I s =  × +  × 10 −12 = 0,317.10 −5 (m4) 12 12   Ea ,θ ,σ = ϕ f E f ,θ = × 23,7.106 = 23,7.10 (kN/m2) Ec ,θ ,σ = ϕ c Ec ,θ = 0,8 × 3,080.10 = 2,46.106 (kN/m2) Es ,θ ,σ = ϕ f Es ,θ = × 210.10 = 210.10 (kN/m2) N fi ,cr , z N fi ,cr , z 3,14 (23,7.106 × 2,47.10 −5 + 2,46.106 × 6,89.10 −5 + 210.106 × 0,317.10 −5 ) = 3,312 = 1280 (kN) + Độ mảnh cột điều kiện chịu lửa: N fi , pl , R λz ,θ = N fi ,cr , z = 1420 = 1,053 1280 [ φ = 0,5 + α (λ − 0,2) + λ ] φ = 0,5.[1 + 0,21(1,053 − 0,2) + 1,0532 ] = 1,144 Với α = 0,21 → χz = 1,144 + 1,144 − 1,0532 = 0,628 ≤ Khả chịu lực cột điều kiện chịu lửa: N fi , Rd , z = χ z N fi , pl , Rd N fi , Rd , z = 0,628 × 1520 = 957 (kN) 95 Bảng 3.11: Bảng giá trị khả chịu lực cột liên hợp với cấp bêtông C20/25 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 1910 957 721 590 So sánh với N0 100% 50,16% 37,82% 31% Bảng 3.12: Bảng giá trị khả chịu lực cột liên hợp với cấp bêtông C40/50 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 2170 1120 796 615 So sánh với N0 100% 51,74% 36,64% 28,32% Bảng 3.13: Bảng giá trị khả chịu lực cột liên hợp với cấp bêtông C50/60 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 2290 1200 830 626 So sánh với N0 100% 52,50% 36,23% 27,35% 2500 N (kN) 2000 C20 C40 C50 1500 1000 500 0 30 60 90 Time (min) Hình 3.32: Lực dọc cột thay đổi mác bêtông 96 Bảng 3.14: Bảng khả chịu lực cột liên hợp với thép mác S275 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 2120 1000 750 614 So sánh với N0 100% 57,14% 35,35% 28,95% Bảng 3.15: Bảng khả chịu lực cột liên hợp với thép mác S335 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 2420 1050 783 640 So sánh với N0 100% 43,42% 32,33% 26,43% N (kN) 3000 2500 2000 1500 1000 S235 S275 S335 500 0 30 60 90 Time (min) Hình 3.33: Lực dọc cột thay đổi mác thép Tính phần mềm SAFIR Do tiết diện cột đối xứng nên tính toán ta cần tính toán nửa tiết diện Bảng 3.16: Bảng khả chịu lực cột tính SAFIR với với cấp bêtông C20 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 2148 1158 600 450 So sánh với N0 100% 53,92% 27,93% 20,94% 97 Bảng 3.17: Bảng khả chịu lực cột tính SAFIR với với cấp bêtông C30 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 2382 1286 600 450 So sánh với N0 100% 54% 25,10% 18,89% Bảng 3.18: Bảng khả chịu lực cột tính SAFIR với với cấp bêtông C50 Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị N (kN) 2898 1546 600 450 So sánh với N0 100% 53,34% 20,7% 15,52% Nhiệt độ (0C) 1200 1000 800 600 400 SAFIR SIMPLE 200 30 60 90 Time (min) Nhiệt độ (oC) Hình 3.34: Nhiệt độ thép tính theo hai phương án 700 600 500 400 300 200 100 SAFIR SIMPLE 30 60 90 Time (min) Hình 3.35: Nhiệt độ bêtông theo hai phương án Nfi/N0 (%) 98 120 100 80 60 40 SAFIR SIMPLE 20 0 30 60 90 Time (min) Hình 3.36: Độ giảm lực dọc cột tính theo hai phương án Nhận xét: Lực dọc tính toán theo hai phương án chênh lệch không nhiều, từ hình vẽ cho thấy phương pháp đơn giản cho kết nhiệt độ nhỏ nên thiên hướng an toàn nhiều Diamond 2012.a.0 for SAFIR FILE: PROFILE4 NODES: 347 ELEMENTS: 316 NODES PLOT SOLIDS PLOT STEELEC3 STEELEC2 SILCONC_EN USER1 Y X Z Hình 3.37: Tiết diện cột tính toán với phần mềm SAFIR 99 Diamond 2012.a.0 for SAFIR Y X Z 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 FILE: PROFILE4 NODES: 347 ELEMENTS: 316 NODES PLOT SOLIDS PLOT FRONTIERS PLOT TEMPERATURE PLOT TIME: 5400 sec 990.70 915.20 839.70 764.20 688.70 613.20 537.70 462.20 386.70 1 1 1 11 Hình 3.38: Nhiệt độ cột sau 90 phút bị cháy Diamond 2012.a.0 for SAFIR 13 45 78 1214 15 2021 22 2628 31 3536 37 4546 47 5456 57 10 11 13 18 24 34 39 50 63 16 17 19 23 25 33 40 49 53 67 27 29 30 32 38 44 52 61 66 77 41 42 43 48 51 55 65 69 78 85 58 59 60 62 64 68 80 83 86 99 72 87 105122 134 74 135 75 88 89 107 108123 124 137 76 95 112126 139 81 97 117131 144 84 101 121141 147 94 104 125146 154 98 115 132152 157 103 119 142 156 165 150 158 113 129 151167 170 FILE: PROFILE4 NODES: 347 ELEMENTS: 316 NODES PLOT SOLIDS PLOT 7071 73 79 82 93 102 114 127 148 166173 180 9091 92 96 100 106 118 130 149 164 174184 189 109 110 111 116 120 128 143 153 168 175 186195 199 133 136 138 140 145 155 163 171 181 188 197204 209 159 160 161 162 169 172 179 185 190 201 210216 218 176 177 178 182 183 187 191 200 203 214 223231 234 192 193 194 196 198 202 205 212 217 226 238248 250 Y X Z 206 207 208 211 219 220 221 224 229 230 232 233 240 241 242 244 257 258 255 260 272 276 273 274 288 291 290 292 302 308 304 306 307 316 317 319 213 225 236 247 262 280 295 310 311 323 215 222 227 237 245 253 263 266 264 265 228 235 243 249 256 268 275 281 239 246 252 259 269 277284 287 251 254 261 270 278 285294 296 267 271 279 283 289 299303 309 282 286 293 298 301 313322 325 297 300 305 312 321 328333 336 314 320 318 326 324 331 329 335 334 339 338342 341 343 315 345 327 330 332 337 340 344346 347 Hình 3.39: Chia node cột phần SAFIR Nhiệt độ (oC) 100 1200 1000 Node 90 Node 100 Node 164 Node 189 800 600 400 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) Hình 3.40: Nhiệt độ số điểm tiết diện cột 3.4 Bài toán khung liên hợp Bài toán: Cho khung đơn giản cột cao 3,31m, dầm dài 4,9m, tiết diện dầm IPE300 (phần 3.2), tiết diện cột C200x200 Dầm chịu tải trọng phân bố theo phương thẳng đứng 0,1kN/m, xác định khả chịu lực dầm Diamond 2012.a.0 for SAFIR 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 10 22 23 24 25 26 27 28 29 Y 30 F0 Z 1F0 X F0 FILE: Khung dam NODES: 31 BEAMS: 15 TRUSSES: SHELLS: SOILS: SOLIDS: NODES PLOT BEAMS PLOT IMPOSED DOF PLOT POINT LOADS PLOT DISTRIBUTED LOADS PLOT Structure Not Displaced selected Beam Element F0 31 F0 F0 Hình 3.41: Mô hình tải trọng tính toán khung phẳng 101 Diamond 2012.a.0 for SAFIR 11 10 21 12 20 13 19 14 18 15 16 22 23 17 24 25 26 27 28 29 Y2 30 FILE: Khung dam NODES: 31 BEAMS: 15 TRUSSES: SHELLS: SOILS: SOLIDS: NODES PLOT BEAMS PLOT IMPOSED DOF PLOT DISPLACEMENT PLOT ( x 8) Structure Not Displaced selected TIME: 1320 sec Beam Element F0 Z 1F0 X F0 F0 31 F0 1.0 E-01 F0 m Hình 3.42: Biến dạng khung sau 20 phút bị cháy Bảng 3.19: Giá trị mômen dầm với cấp bền chịu lửa tính theo phương pháp đơn giản Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị M (kNm) 348 261 224 162 So sánh với M0 100% 75% 64,36% 46,55% Bảng 3.20: Giá trị mômen dầm với cấp bền chịu lửa tính theo phương pháp tiên tiến dùng phần mềm SAFIR Cấp bền chịu lửa R0 R30 R60 R90 Giá trị M (kNm) 274,85 216,79 133,57 83,84 So sánh với M0 100% 69,68% 53,13% 31,74% 102 M (kNm) 400 300 SAFIR SIMPLE 200 100 0 30 60 90 Time (min) Mo/Mfi (%) Hình 3.43: So sánh mômen dầm theo hai phương án 120 100 80 60 40 SAFIR SIMPLE 20 0 30 60 90 Time (min) Hình 3.44: So sánh độ giảm mômen dầm theo hai phương án Nhận xét: Mômen tính theo phương pháp đơn giản lớn hẳn so với phương pháp tiên tiến dùng phần mềm SAFIR, phương pháp tiên tiến dùng phần mềm SAFIR thiên an toàn phương pháp đơn giản 103 KẾT LUẬN & KHUYẾN NGHỊ * KẾT LUẬN: Trong phạm vi cho phép, luận văn trình bày nguyên lý thực tính toán cụ thể khả chịu lực số cấu kiện điển hình liên hợp thép- bêtông điều kiện cháy theo hai phương pháp phương pháp đơn giản phương pháp tiên tiến sử dụng phần mềm SAFIR - Phương pháp đơn giản có ưu điểm dễ dàng tính toán khả chịu lực cấu kiện riêng lẻ điều kiện cháy, nhanh chóng thuận tiện song phạm vi áp dụng hạn chế, sử dụng cho cấu kiện riêng lẻ, chưa kể đến biến dạng nhiệt làm việc chung cấu kiện kết cấu công trình - Phương pháp dùng mô hình tiên tiến có ưu điểm có kể đến biến dạng nhiệt, biến thiên tính chất lý vật liệu theo nhiệt độ, song yêu cầu phần mềm phân tích kết cấu phi tuyến chuyên biệt trình độ để sử dụng phần mềm - Kết tính theo hai phương pháp chênh lệch đáng kể Kết tính theo phương pháp đơn giản thường thiên an toàn hơn, điều không hợp lý nguyên tắc xây dựng phương pháp tính toán đơn giản phải thiên an toàn - Kết thu từ ví dụ tính toán (chương III) chứng minh ưu điểm vượt trội chịu lực tiết diện liên hợp điều kiện cháy Khi lớp bêtông bảo vệ đóng vai trò vừa vật liệu chịu lực (cùng cốt thép) vừa vật liệu cách nhiệt (làm chậm trình lan truyền nhiệt tiết diện thép), cấu kiện liên hợp chịu lực thời gian lâu so với cấu kiện không bảo vệ chịu lực lớn so với cấu kiện bảo vệ theo hình thức khác 104 * KHUYẾN NGHỊ: - Cần tiếp tục nghiên cứu để giải thích sai khác đáng kể kết tính theo hai phương pháp: đơn giản mô hình tiên tiến - Mô hình tiên tiến dùng phần mềm SAFIR dùng để phân tích kết cấu điều kiện cháy mô kết cấu làm việc tương đối giống với điều kiện thực tế nên cho kết xác phương pháp đơn giản hóa trình bày tiêu chuẩn Tuy nhiên dùng phần mềm máy tính đòi hỏi thời gian, kiến thức chuyên sâu nên không phù hợp với kỹ sư thực hành Việc nghiên cứu phát triển phương pháp tính toán đơn giản cần thiết (các phương pháp cần cho kết sai lệch thiên an toàn với kết mô phỏng) -Thực nghiệm cần thiết để kiểm chứng lý thuyết Song thí nghiệm kết cấu đám cháy đòi hỏi kinh phí lớn khó làm với số lượng nhiều nên việc dùng phần mềm mô theo mô hình tiên tiến cần khuyến khích Thí nghiệm thường để kiểm chứng giả thiết mô hình tính Qua hàng loạt mô phỏng, yếu tố ảnh hưởng đến làm việc kết cấu cần nghiên cứu tìm quy luật để đưa cách tính thực hành [...]... hn 29 Trong quỏ trỡnh thớ nghim, nhit ti mt s im trờn cu kin c o dn n cỏc mỏy tớnh nh cỏc thermocouples t sn trong cu kin trong quỏ trỡnh ch to Nhit xung quanh cu kin (trong bung t) c o bng cỏc thermoplates Hỡnh 1.16: Lũ t tiờu chun [8] 1.3.4 Cỏc phng phỏp tớnh toỏn kh nng chu lc ca kt cu liờn hp thộp bờtụng trong iu kin chỏy: [13] Theo Eurocode 4 thỡ ỏnh giỏ s lm vic vic ca kt cu liờn hp trong. .. - Cỏc tỏc ng giỏn tip do la gõy ra (Ad) xột n nh hng tỏc ng ca cỏc dng ti trng tỏc dng lờn kt cu trong iu kin chu la, ngi ta s dng h s gim ti fi, c nh ngha: fi = Efi,d / Ed Ed : l giỏ tr ni lc tn ti trong kt cu trong iu kin chu lc bỡnh thng Efi,d : l giỏ tr ni lc khi tớnh toỏn kt cu trong iu kin chu la Trong nhiu trng hp, khi xột mt thi im c th fi c ký hiu l fi,t c xỏc nh nh sau: 31 fi,t = Efi,d,t... trong iu kin chu la Thụng thng, giỏ tr ny khi biu th theo cỏc thnh phn ti trng, c xỏc nh theo cụng thc sau: fi = GA Gk + 1,1Qk ,1 G Gk + Q ,1Qk ,1 Trong ú: Gk : l giỏ tr c trng ca ti trng thng xuyờn Qk,1 : l giỏ tr hot ti chớnh GA : l h s vt ti ca ti trng thng xuyờn trong iu kin chu la, GA = 1 G : l h s vt ti ca ti trng thng xuyờn trong iu kin thng, G = 1,35 Q,1 : l h s vt ti ca hot ti chớnh trong. .. lỏng b mt Chớnh vỡ vy, nhit trong tm tụn s tng rt nhanh, t ng bin dng v c xem l lm vic c lp vi phn bờtụng Trong cỏc quan im tớnh toỏn truyn thng, ngi ta b qua s tham gia chu lc ca tm tụn trong iu kin chu la Hỡnh 2.1: Hỡnh nh tm tụn sn [9] Tuy nhiờn trong thc t, tm tụn úng mt vai trũ khỏ quan trng, nú va ging nh mt tm cng ngn khụng cho la, khúi truyn qua, gim tc truyn nhit trong bờtụng v cú tỏc dng hn... hm lng nc, dng ct liu, t l trn v loi 26 xi mng Trong ú, dng ct liu cú nh hng ln nht n kh nng truyn nhit ca bờtụng khụ Bờn cnh ú, hm lng nc trong bờtụng cng lm tng kh nng truyn nhit Trong thc t, kh nng truyn nhit ca bờtụng l mt hm ca nhit (i vi c bờtụng thng v bờtụng nh) n gin cho tớnh toỏn, EC cho phộp s dng mt giỏ tr khụng i cho thụng s ny kc=1,6W/mK Tính dẫn nhiệt (W/m0 C) 3 2 Giá trị không đổi... truyn nhit trong kt cu thộp, lm cho kt cu cú kh nng chu lc ln hn Chớnh s kt hp ny ó lm ni bt rừ nhng u im vt tri, hn ch ti a cỏc nhc im ca hai loi vt liu trờn trong quỏ trỡnh s dng 1.3.3 Cỏc phng phỏp thớ nghim xỏc nh kh nng chu chỏy ca cu kin kt cu cụng trỡnh Cỏc cu kin c thớ nghim trong lũ t tiờu chun, cú lũ ngang thớ nghim dm, sn v lũ ng thớ nghim ct, tng Cu kin kt cu thng c thớ nghim trong iu kin... thụng s in hỡnh c trng cho trng thỏi lm vic ca vt liu thộp mt nhit cao cho trc th hin trờn hỡnh 1.7 Trong ú: fy, : gii hn chy hiu qu fp, : gii hn t l Ea, : dc ca th trong giai on n hi tuyn tớnh p, : bin dng ng vi giai on t l y, : bin dng chy t, : bin dng gii hn trong giai on chy u, : bin dng cc hn trong vt liu 18 f y, f p, Ea, = tan p, y, t, u, Hỡnh 1.7: Cỏc thụng s c trng cho trng thỏi lm... gim theo Trong thc t, do kh nng chu nhit cao ca bờtụng v do s thoỏt hi nc trờn b mt bờtụng m nhit ca tm tụn luụn nh hn nhit ca ỏm chỏy Vỡ vy trong nhiu trng hp ngi ta khụng xột n nh hng ca tm tụn khi tớnh toỏn bn chu la Trong nhiu trng hp khi tm tụn c c nh ti gi (thụng qua cỏc cht liờn kt vi dm) hoc khi tm tụn c b trớ ti phn bn sn cú nhit thp hn (khi bn sn cú kớch thc ln, nhit phõn b trong sn... dc trc ca tm tụn b hn ch, lm cho bn sn cng b ngn cn trong mt phng ca nú Kt qu l ng lc mng trong sn tng lờn v lm tng kh nng chu la ca tm sn Theo phng phỏp tớnh toỏn n gin, khi chu lc trong iu kin chu la, trc trung hũa ca bn sn c xỏc nh t phng trỡnh cõn bng ng sut: 35 f ay ,i f + 0,85 A j kc , , j c , j Ai k y , ,i M , fi ,a M , fi ,c Trong ú: f ay ,i / M , fi ,a : l cng tớnh toỏn ca... ti trng thng xuyờn trong iu kin chu la, 1,1= 0,5 0,9 Trong iu kin chu la, giú ch úng vai trũ l tỏc nhõn nh hng trc tip n tc chỏy ca ngn la ch khụng c xột n nh mt dng ti trng ti tỏc dng lờn kt cu 2.1.2 Cỏc nguyờn tc tớnh toỏn c bn Cỏc cu kin khi c tớnh toỏn theo yờu cu chng chỏy u phi tha món ba tiờu chun sau: 32 * Tiờu chun v tớnh kớn (E): cỏc vt nt, cỏc l hng khụng c phộp xut hin trong kt cu vỡ chỳng ... (tc l phn nm trờn ng ng nhit ny) ng ng nhit c xỏc nh thụng qua tit din Y Phần bê tông tính toán Cốt thép chịu kéo h1 (4) (3) (1) h2 l /2 (2) Đờng đẳng nhiệt lim l2 X l1 l /2 Hỡnh 2.3: Xỏc nh... ct liu, t l trn v loi 26 xi mng Trong ú, dng ct liu cú nh hng ln nht n kh nng truyn nhit ca bờtụng khụ Bờn cnh ú, hm lng nc bờtụng cng lm tng kh nng truyn nhit Trong thc t, kh nng truyn nhit ca... h s vt ti nh hn 29 Trong quỏ trỡnh thớ nghim, nhit ti mt s im trờn cu kin c o dn n cỏc mỏy tớnh nh cỏc thermocouples t sn cu kin quỏ trỡnh ch to Nhit xung quanh cu kin (trong bung t) c o bng