Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết 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.
Tạp chí Khoa học Cơng 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 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 dạng vật liệu suy giảm khả chịu lực nhanh điều kiện chịu lửa Bọc cấu kiện thép chịu lực vật liệu chống cháy biện pháp hữu hiệu để bảo vệ kết cấu thép điều kiện chịu nhiệt độ cao Hiện nay, có hai hình thức bọc phổ biến áp dụng cho cấu kiện chịu uốn bọc hình hộp bọc theo chu vi Mỗi hình thức bọc lại phù hợp với dạng vật liệu bảo vệ khác Bài báo giới thiệu nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng hình thức bọc bảo vệ đến khả chịu lực cấu kiện dầm thép tiết diện chữ I điều kiện chịu nhiệt độ cao Phần mềm mô ANSYS Workbench sử dụng để xác định phân bố nhiệt độ dầm thép, ứng suất, biến dạng dầm thời điểm cho trước cháy từ đưa kết luận cách lựa chọn hình thức bọc phù hợp với 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 https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(5V)-06 c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Đặt vấn đề Thép vật liệu chiếm ưu cơng trình xây dựng nhờ khả chịu lực cao trọng lượng nhẹ Tuy nhiên, thép bị giảm khả chịu lực nhanh điều kiện chịu nhiệt độ cao nên việc ứng dụng biện pháp nâng cao khả chịu nhiệt cho kết cấu thép quan tâm mạnh mẽ Một số biện pháp bọc bảo vệ cấu kiện thép vật liệu cách nhiệt thạch cao chống cháy, vữa chống cháy, sơn chống cháy, hình thức sử dụng phổ biến ∗ Tác giả Địa e-mail: thuptn@nuce.edu.vn (Thu, P T N.) 47 Thu, P T N., Tuấn, P Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bài tốn đặt q trình nghiên cứu tính hiệu hình thức bọc bảo vệ xác định quy luật lan truyền nhiệt thông qua lớp vật liệu cách nhiệt vào bên cấu kiện, từ phân tích ứng xử nhiệt trạng thái làm việc điều kiện vừa chịu lực vừa chịu nhiệt cấu kiện thép Kết toán tạo điều kiện cho việc lựa chọn vật liệu bọc, giải pháp bọc chiều dày lớp bọc phù hợp với trường hợp thiết kế cụ thể Phương pháp phần tử hữu hạn 3D [1–4] sử dụng cơng cụ để giải toán trên, với hai giai đoạn phân tích phân tích nhiệt [2, 4] phân tích học [1, 3] Giai đoạn phân tích nhiệt xác định trường nhiệt độ cấu kiện biến thiên theo thời gian, dựa mối quan hệ nhiệt độ - thời gian mơ hình cháy danh nghĩa Kết thu giai đoạn kết hợp với tải trọng điều kiện đầu vào cho giai đoạn phân tích học để xác định giá trị ứng suất, biến dạng khả chịu lực tới hạn cấu kiện thép Các đặc tính nhiệt học hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng đặc tính học modun đàn hồi, modun tiếp tuyến, giới hạn chảy vật liệu thép thay đổi theo nhiệt độ [5–7], tức thay đổi theo thời gian Như vậy, toán phân tích bao gồm thay đổi không gian (ba trục x, y, z hệ tọa độ Descartes) thời gian (t) Trong phạm vi báo, tác giả tập trung nghiên cứu trạng thái ứng xử cấu kiện dầm thép tiết diện chữ I chịu lực bọc bảo vệ theo hai hình thức: bọc theo chu vi vật liệu vữa chống cháy bọc hình hộp vật liệu thạch cao chống cháy điều kiện chịu nhiệt độ cao Chương trình mơ ANSYS Workbench [8, 9] theo phương pháp phần tử hữu hạn với phân tích nhiệt Transient thermal phân tích Transient structural sử dụng để xác định phân bố nhiệt độ, ứng suất, biến dạng toàn dầm thời điểm cho trước trình dầm vừa chịu lực vừa chịu nhiệt độ cao biến thiên theo thời gian Các hình thức bọc bảo vệ dầm thép tiết diện I Cácchống hình thức vệphần dầm thép tiết diện I chất khoáng tự nhiên, xi măng Vữa cháybọc có bảo thành hóa học Các hình thức bọc bảo vệ dầm thép tiết diện I Vữa phụ chống thànhđược phầnthi hóacơng học chấtpháp khống tự khô nhiên, xi măng đổ chất giacháy hoạtcótính, phương phun trát Vữa chống cháy có thành phần hóa học chất khoáng tự nhiên, xi măng chất cốp chấtpha phụ gia tính, phương pháp phun lại khôkhông trát ghép Cáchoạt phương pháp thi nàycông thi cơng tương đối nhanh, gặphoặc phảiđổnhững phụ gia hoạt tính, thi công phương pháp phun khô trát đổ ghép cốp pha Các ghép cốp Các phương pháp thi công tươngtường, đối nhanh, lại không gặp vấn đề pháp khó pha khăn khicông cố định panel, tấmnhững sàn cứng phương thi tươngcác đốitấm nhanh, lại không gặp phải vấn xung đề khóquanh khăn cố định vấn đề khó khăn cố định panel, tường, sàn cứng xung quanh chi 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 khảcơng, tiết liên cháy kết phức tạp.một Sau lớp phủ thi công, vữa chống cháy tạo nên lớp phủ rắn,của có khả đám cháy vữa chống tạo nên rắn, có khả chịu tác động nhiệt chịu tác động nhiệt đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt nhiên liệu có cườngsựđộtác cao, đặcnhiệt biệt chịu động củadạng lửa đámphun cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt dạng lửa phun 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 vữavữa chống cháycháy Hình bọctiết tiếtdiện diệnthép thép I chịu chống Hình Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực vữa chống cháy Vữa chống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến bọc theo chu vi cấu kiện Vữa chống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến bọc theo chu vi cấu kiện thép Phổ biến với tiết diệnbảo chữvệI,phổ cấu kiệnbọc dầmtheo đỡ sàn bê bê tơng Phổ biến Vữa chống hình chusàn vi tơng, cấu kiện thép thép Phổ biếncháy nhấtcóvới tiếtthức diện chữ I, khibiến cácnhất cấulàkiện dầm đỡ bê tơng, bê tơng nhấtnhững với tiết I, nhiệt đỡ sàn bêbọc tông, bê mặt tơngcòn vật1a) liệuCòn cách nhiệt tốt vậtdiện liệuchữ cách tốtcấu nênkiện vữadầm thường tạivìcác lại (hình vật liệuđược cáchbọc nhiệt tốt vữa bọc tạiđối cácvớimặt (hình 1a) Còn nên vữavới thường độc cácnên mặthoặc thường lại 1(a)) cáccòn cấulại kiện dầm đối cấu kiện dầm lập liên(Hình kết với Còn bề mặt vật liệu chịu nhiệt độc lập cấu kiện dầm độc lập liên kết với bề mặt vật liệu chịu nhiệt nên bọc vữa bốn mặt để đảm bảo hiệu 48 cách nhiệt cần thiết (hình 1b) Về phương nên bọc vữa bốn mặt để đảm bảo hiệu 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 thêm lưới cháy, thép gia cường Độcháy dày có tối thể thiểubám củadính lớp bềbám mặtdính kết cấu có thêm giathép cường Độ dày tối thiểu mộttính lớp vữa trực thép tiếp làhoặc 14mm, lớplưới vữathép có lưới gia cường 50mm Trong Thu, P T N., Tuấn, P Q / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng liên kết với bề mặt vật liệu chịu nhiệt nên bọc vữa bốn mặt để đảm bảo hiệu cách nhiệt cần thiết (Hình 1(b)) Về phương thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống cháy bám dính trực tiếp lên bề mặt kết cấu thép có thêm lưới thép gia cường Độ dày tối thiểu lớp vữa bám dính trực tiếp 14 mm, lớp vữa có lưới thép gia cường 50 mm Trong toán nhiệt,truyền độ dẫnnhiệt nhiệtcủa củathạch vữa chống cháyhơn đổi từnên 0,15-0,25 W/m◦độ C [7, 10] (hìnhtính 2c) Vìtruyền khả cao thấp so thay với thép phần nhiệt (hình 2c) Vì cao khảcó truyền nhiệt thạchvàcao thấp so với thép nên phần nhiệt độ Thạch 21% khối lượng nước 79% khối lượng thạch cao khan Hợp chất khu vực bao kín hộp bảo vệ xem là◦phân bố Các thạch cao cónày hồn tồn khơng có bao phản ứng hóanăng họcbảo nhiệt độ 1200 C thấp Khi cơng trình xảy thạch hỏa hoạn, khu vực hộp vệnhiệt xem phân bố đều.soCác cao có đầu (hình 2c).kín Vì khả truyền thạch cao với thép nên phần nhiệt độ tiên độ dày tốitửthiểu 9mm, sốnhiệt trường hợp cần tăng mạnh hiệudạng quảhơi cách nhiệt, cólàthể phân nước kết tinh hấp thụ giải phóng nước Đây khutrong vực bao hộp bảo xem phân đều.cách Cácnhiệt, thạch cao có tượng độ dày tối thiểu 9mm, mộtkín số trường hợpvệ cần tăng mạnh hiệubốquả sử dụng ốp hai liền để tăng bề dày lớp bọc Trong tính tốn truyền nhiệt, độ nhiệt canxi hóa, độ qthiểu trình9mm, hấp thụ nhiệt vàsốgiải phóng phânmạnh tử nước đãcách hạnnhiệt, chế truyền dày tối trongbề trường hợp cần tăng hiệu sử dụng ốp hai liền để tăng dày lớp bọc Trong tính tốn truyền nhiệt, độ o mặtcủa tiếpthạch xúc trực tiếp với lửa sang tấm, tạo hiệu cách nhiệt cho 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 liền để tăng dày bọc Trong toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt củasửthạch cao chống cháynhau thaybềđổi từlớp 0,2-0,25 W/mcác C [2,12] dẫn nhiệt thạch cao chống cháy thay đổi từ 0,2-0,25 W/moC [2,12] c,bọc Dầm bọc bốn mặt cókhơng 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 khơng khí lỗ lỗ hổng khơng khí khí hổng khơng Hình Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực thạch cao chống cháy Hình Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực vữa chống cháy Hình Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực thạch cao chống cháy Hình Các hình thức tiết diện thép I chịu lực thạch cao chống cháy Khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng dầm thép bọc bảo vệ Khảo sátthức trạng thái thái ứng ứng suấtthạch biến dầm bảo vệ Hình caodạng bọc hình hộp,thép tấmđược thạch cao chạy vòng quanh 3.3.Khảo sát trạng suất biến dạng dầm thép đượcbọc bọc bảo vệ tiết diện điềubọc kiệnchủ chịuyếu nhiệt độ cao điều kiện chịu nhiệt độ cao cao theo hình chữ nhật ngoại tiếp (Hình 2(a) 2(b)) Trong thực tế, người ta cấu tạo thêm điều kiện chịu nhiệt độ Xét cấu kiện dầm thép có tiết diện chữ I bọc bảo vệ có kích thước bụng lỗ hổng khơng khí xung quanh tiết diện để tăng mức độ đối lưu khơng khí (Hình 2(c)) Vì khả Xétcấu cấukiện kiện dầm thép thép có tiết diện chữ II bọc bảo kích thước bảnbản bụng h =600mm, tw=10mm, cánh bf=250mm, tbọc dầm liên kết với sàn Xét dầm có tiếtbản diện chữ bảovệMặt vệcócó kích thước bụng f=14mm truyền nhiệtwcủa thạch cao thấp so với thép nên phần nhiệt độ khu vực bao kín hộp bảo hw=600mm, tbê cánh b =250mm, t =14mm Mặt dầm liên kết với sàn w=10mm, f f tông cốt thép có chiều dày bthạch Nhiệt độ tác dụng lên củasốsàn dầm s=100mm hw=600mm, tw=10mm, cánh bf=250mm, tcao dầm kết với f=14mm vệ xem phân bố Các có độ Mặt dày tối thiểu liên mm,cánh trường hợp bê cần tơngtăng cốtmạnh thép có chiều dày b =100mm Nhiệt độ tác dụng lên cánh dầm sdài dầm) thép hiệu (theo suốtcách chiềunhiệt, biến thiên theo thờitấm gian, ápnhau dụng để đường cong nhiệt độbọc sử dụng ốp hai liền tăng bề dày lớp bê tơng cốt thép có chiều dày bs=100mm Nhiệt độ tác dụng lên cánh dầm- Trong thờitruyền gian ISO 834 dựabiến trênnhiệt mơ hình cháy danh nghĩa vậtđường liệuthể hydro cacbua thép suốt chiều dài dầm) thiên theo thời gian, áp dụng cong nhiệt độ8]:các(theo tính tốn nhiệt, độ dẫn 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 + ) + 20 [7,gian 10].ISO 834 dựa mơ hình thời cháy vật liệu hydro cacbua [6, 8]: (1) 10 ( 8t nghĩa thời gian ISO 834 dựa mơ hình cháy danho nghĩa vật liệu hydro cacbua [6, 8]: đó: T log nhiệt độ thu ( C) thời điểm t (phút) (1) T = 345 10 ( 8t + ) + 20 T = 345 log tbiến +tông )dạng +xem 20 10 ( mặtứng trênsuất dầm nhiệt thép độ phòng đổi theo Khảo sát Nhiệt trạngđộ thái -bê đượcTphong bọc=25 bảooC,vệkhơng trong(1) điều kiện chịu đó: T nhiệt độ thu (oC) thời điểm t (phút) cao suốt trong(othời gian khảo sát t (phút) trongnhiệt đó: độT chiều nhiệtdài độdầm thu C) thời điểm Nhiệt độ mặt bê tông xem nhiệt độ phòng Tphong=25oC, khơng đổi theo Dầm hai đầu khớp, nhịp L=8m, tải trọng tác dụng lênTbản cánh otrên dầm thép xem Nhiệt độcấu mặtdầm trênvà bêthời tông xem =25 C, không đổihwtheo phong Xét kiện dầm thép có tiết diện chữ Inhiệt độ bọcphòng bảo vệ có kích thước bụng = 600 mm, suốt chiều dài gian khảo sát phân bố q=40KN/m không đổi suốt thời gian khảo sát Giới hạn chảy t = 10 mm, cánh b = 250 mm, t = 14 mm Mặt dầm liên kết với sàn bê tông cốt thép w f thời gian khảo f suốtDầm chiềuhai dàiđầu dầm sát khớp, nhịp L=8m, tải trọng tác dụng lên cánh dầm thép xem thép f / g =2400daN/cm [6] Hệ số dẫn nhiệt thép thay đổi phụ thuộc nhiệt độ theo y M,fi có chiều dày b s = 100 mm Nhiệt độ tác dụng lên cánh dầm thép (theo suốt chiều dài nhịp L=8m, tảiđổi trọng tácsuốt dụng lêngian bảnkhảo cánhsát củahạn dầm thép xem làDầm phânhai bố đầu khớp, q=40KN/m không thời Giới chảy 1993 [6].thời gian, áp dụng đường cong nhiệt độ - thời gian ISO 834 dựa mơ hình dầm) biến EN thiên theo làthép phân đềunghĩa q=40KN/m không đổi nhiệt suốtthép thờithay gianđổi khảo Giới hạnđộchảy fy/bố gdanh Hệ số cacbua dẫn phụsát thuộc nhiệt theocủa M,fi=2400daN/cm cháy vật2 [6] liệu hydro [5, 6]: thép =2400daN/cm2 [6] Hệ số dẫn nhiệt thép thay đổi phụ thuộc nhiệt độ theo y/gM,fi[6] EN f1993 EN 1993 [6] T = 345log10 (8t + 1) + 20 (1) T nhiệt độ thu (◦C) thời điểm t (phút) Nhiệt độ mặt bê tơng xem nhiệt độ phòng T phong = 25◦C, không đổi theo suốt chiều dài dầm thời gian khảo sát 49 4 Thu, P T N., Tuấn, P Q / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Dầm hai đầu khớp, nhịp L = m, tải trọng tác dụng lên cánh dầm thép xem phân bố q = 40 KN/m không đổi suốt thời gian khảo sát Giới hạn chảy thép fy /γ M, fi = 2400 daN/cm2 [5] Hệ số dẫn nhiệt 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 Kích thước tiết diện dầm khảo sát Hình diện dầm khảo sátsát Hình3.3.Kích Kíchthước thướctiết tiết diện dầm khảo Q trình khảo sát dựa việc thay đổi số thông số hình thức bọc bảo vệ Quá trình khảo sát dựa việc thay đổi số thông số hình thức bọc bảo vệ dầm:khảo sát dựa việc thay đổi số thơng số 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 sử dụng Vữa có hệ sốPhần dẫn nhiệt = 0,18 C; thạch có hệđể sốxây dẫndựng nhiệtmơ λ =hình 0,25mơ W/m C trường mềm mơ ANSYS cao sử dụng để xây dựng mơ hình mơ trường ứng suất-biến dạng (theo phân tích Transient structural - mặc định phi tuyến hình học ứng suất-biến dạng (theo phân tích Transient structural - mặc định phi tuyến hình học [11]) thép ANSYS chịu đồng dụngđểcủa tải dựng trọng độ.mô Phần tử Phần mềm môdầm đượcthời sử tác dụng xây mơnhiệt hình trường ứng suất[11]) dầm thép chịu đồng thời tác dụng tải trọng nhiệt độ Phần tử phần 3D solid body HEX8 [5] - dạng phần tử bậc tuyến gồm hình mặt, 8học nút; [9]) mơ dầm thép biến dạngchọn (theo phântửtích Transient structural - mặc định phi chọn phần tử 3D solid body HEX8 [5] - dạng phần tử bậc gồm mặt, nút; mơ hình vật liệutác dạng tuyến tínhtải (dạng isotropic elasticity [5]) tử chọn phần tử 3D solid body chịu đồng thời dụng trọng nhiệt độ Phần hình vật liệu dạng tuyến tính (dạng isotropic elasticity [5]) HEX8 [8] - dạng tử bậc mặt, nút; mơcủa hình dạng tuyến Trong phần mơ hình này, ta bỏ gồm qua trạng thái8làm việc vật lớp liệu vật liệu cách nhiệt,tính ứng (dạng isotropic Trong mơ hình này, ta bỏ qua trạng thái làm việc lớp vật liệu cách nhiệt, ứng elasticity [8]) suất nghiên cứu ứng suất Von-mises [3], biến dạng nghiên cứu độ võng dầm suất nghiên cứu ứng suất Von-mises [3], biến dạng nghiên cứu độ võng dầm tương ứng với thời điểm cháy 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút; 30phút; 60phút; tương ứng với thời điểm cháy 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút; 30phút; 60phút; 90phút; 120phút Các kết thu thời điểm cháy tiêu chuẩn 30phút; 60phút; 90phút; Các kết thu điểm cháy tiêu chịu chuẩnlực30phút; 60phút; 90phút; 120phút 120phút dùng để kiểm tra thời tiêu chuẩn khả (R) EN 90phút; 120phút dùng để kiểm tra tiêu chuẩn khả chịu lực (R) EN 1993 [6] Các thời điểm 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút đưa vào khảo sát 1993 [6] Các thời điểm 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút đưa vào khảo sát khoảng 15 phút đầu, đường cong phương trình (1) có độ dốc lớn (nhiệt độ tăng 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 đồ độ thị tăng kết nhanh so với thời gian) nên cần thiết phải chia nhỏ khoảng thời gian để đồ thị kết thu có độ xác cao thu có độ xác cao ◦ (oC) dầm thép bọc vữa dày 15mm, t=120 phút Hình Sựbố phân bố nhiệt Hình Sự phân nhiệt độ (độ C) dầm 5thép bọc vữa dày 15 mm, t = 120 phút Trong mơ hình này, ta bỏ qua trạng thái làm việc lớp vật liệu cách nhiệt, ứng suất nghiên cứu ứng suất Von-mises [2], biến dạng nghiên cứu độ võng dầm tương ứng với thời điểm cháy 0,5 phút; 1,5 phút; phút; 15 phút; 30 phút; 60 phút; 90 phút; 120 phút Các kết thu 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 dùng để kiểm tra tiêu chuẩn khả chịu lực (R) EN 1993 [5] Các thời điểm 0,5 phút; 1,5 phút; phút; 15 phút đưa vào khảo sát khoảng 15 phút đầu, đường cong phương trình (1) có độ dốc lớn (nhiệt độ tăng nhanh so với thời gian) nên cần thiết phải chia nhỏ khoảng thời gian để đồ thị kết thu có độ xác cao HìnhHình SựHình bố độ C) thép dầm đượcthép bọc vữa tại15mm, t=120 phút 4.phân Sự4.phân bố nhiệt độ (oC) thép bọc dày vữa dày t=120 phút phút Sựnhiệt phân bố(onhiệt độ dầm (oC) dầm bọc15mm, vữa15mm, dày t=120 ◦ o o b, (a) phân bố nhiệt phân bốsuất ứng suất (c) Sự phân độ võng c, Sự c,phân bộSự độphân võng (m) Sự c, phân 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) Các tiết (z=4m) thép bọc15 vữa dày kết Các kết thu trêndiện tiết dầm (z=4m) bọc vữa Hình 5.quả Cácthu kếtđược thu trêndiện tiết= diện dầm (z=4m) bọc vữa dày phút Hình 5.Hình Các Hình kết thu tiết diện dầm (z 4dầm m) thép bọcthép vữathép dày mm, tạidày t = 120 15mm, tại15mm, t=120 phút 15mm, t=120 phút phút t=120 6 Hình6.6.Mối Mối quan quan hệ gian Hình hệnhiệt nhiệtđộđộ- thời - thời gian Hình 6–8 thể tổng hợp kết thu từ chương trình mơ Từ đó, ta rút số nhận xét sau: - Tại thời điểm t = 120 phút, nhiệt độ đám cháy đạt T = 1054◦C, nhiệt độ T max cấu kiện dầm thép bọc chu vi 503,71 ◦C bọc hình hộp 696,9◦C Các giá trị cho ta thấy hiệu cách nhiệt sử dụng vật liệu bọc cao - So sánh hình thức bọc bảo vệ hình thức bọc vữa theo chu vi cho hiệu cách nhiệt tốt Tại thời điểm 120 phút, T max bọc chu vi 503,71◦C T max bọc hình hộp 696,9◦C Có lí để giải thích cho kết luận này: + Khả cách nhiệt vữa thạch cao khác nhau; + Bề dày lớp vật liệu bảo vệ khác (giữa 15 mm 13 mm); 51 Hình Mối quan hệ ứng suất - thời gian tiết diện dầm - thời gian Thu, P T N.,Hình Tuấn,6.P.Mối Q /quan Tạp hệ chínhiệt Khoađộhọc Cơng nghệ Xây dựng Hình Mối thờigian giantạitạitiếttiết diện Hình Mốiquan quanhệ hệứng ứng suất suất thời diện giữagiữa dầmdầm 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 Mối dạng- -thời thờigian gian Hình 6, Bảng 7, thể1.hiện tổng hợp kết thu từ chương trình Từ Kết nhiệt độ, ứng suất, độ võng dầm bọcmơ vữa đó, ta rút số nhận xét 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 bọc chu vi◦= 503,71oC bọc cho ta hình hộp = 696,9 C Các giá t (phút) T ( C) ∆trị(cm) (daN/cm ) hạn (daN/cm ) thấy hiệu cách nhiệt sử dụng vật liệu bọc cao 2400 5,119 - So30 sánh 303,60 hình thức bọc bảo1680 vệ hình thức bọc vữa theo chu vi cho hiệu o 60 nhiệt tốt 379,97 6,207 cách Tại thời điểm1908 120 phút, Tmax khi2400 bọc chu vi = 503,71 C Tmax o 90hình hộp = 696,9 445,89 2137 bọc C Có lí để giải thích cho 2136 kết luận này: + 120 Khả cách 503,71 nhiệt vữa 2312 thạch cao khác nhau, 1872 + Bề dày lớp vật liệu bảo vệ khác (giữa 15mm 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 khơng khí tiết diện thép vật liệu bọc hình hộp Trong thực tế khoảng không 90 316,49 1757 2400 5,357 gian xảy tượng đối lưu, nhiên khoảng khơng khí hẹp dài, nhiệt 120 355,81 1862 2400 5,936 độ tác động theo phương dọc cấu kiện nên ảnh hưởng đối lưu gần 1/194 1/169 1/149 1/135 nhỏ 30 176,66 1397 2400 3,392 - Để60 xác định trạng thái tới hạn cấu kiện ta cần khảo sát thông số:3,488 nhiệt độ, ứng 183,84 1420 2400 suất và90 biến dạng Trong chương trình mơ phỏng, ứng suất biến dạng thu kể 195,86 1458 2400 3,656 1/236 1/229 1/219 1/207 + Hình thức bọc theo chu vi tốt hơn, ơm sát vào tồn tiết diện, tránh khoảng đến ảnh giảm môđun đàn hồi E theo nhiệt2400 độ T [6], với kết thu 120hưởng suy 210,80 1503 3,871 được, ta so sánh ứng suất với giới hạn chảy fy,q [6] để có kết luận khả chịu lực dầm Kết chi tiết thể bảng 1, 52 Bảng Kết nhiệt độ, ứng suất, độ võng dầm bọc vữa Thu, P T N., Tuấn, P Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng + Hình thức bọc theo chu vi tốt hơn, ơm sát vào tồn tiết diện, tránh khoảng khơng khí tiết diện thép vật liệu bọc hình hộp Trong thực tế khoảng không gian xảy tượng đối lưu, nhiên khoảng khơng khí hẹp dài, nhiệt độ tác động theo phương dọc cấu kiện nên ảnh hưởng đối lưu gần nhỏ - Để xác định trạng thái tới hạn cấu kiện ta cần khảo sát thông số: nhiệt độ, ứng suất biến dạng Trong chương trình mơ phỏng, ứng suất biến dạng thu kể đến ảnh hưởng suy giảm môđun đàn hồi E theo nhiệt độ T [5], với kết thu được, ta so sánh ứng suất với giới hạn chảy fy,θ [5] để có kết luận khả chịu lực dầm Kết chi tiết thể Bảng 1, Bảng Kết nhiệt độ, ứng suất, độ võng 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 Kết luận khả chịu lực dầm điều kiện chịu lửa Hình thức bọc Khả 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) nhịp ứng với khả chịu lực tới hạn dầm Nếu so với độ võng giới hạn dầm chịu lực điều kiện chịu nhiệt độ cao L2 /400h 53 Thu, P T N., Tuấn, P Q / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng = 26,67 cm [11] thấy khả chịu lực dầm trường hợp trạng thái giới hạn thứ định Kết luận - Vữa thạch cao chống cháy vật liệu phổ biến để bảo vệ dầm thép làm việc điều kiện chịu nhiệt độ cao Việt Nam Hình thức bọc theo chu vi bọc hình hộp vừa thuận lợi thi công vừa đạt hiệu cao mặt cách nhiệt - Dựa vào kết thu từ ví dụ trên, ta rút số kết luận sau: + Khả bảo vệ dầm thép vữa thạch cao lớn, tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế khác nhau, ta lựa chọn hình thức bọc độ dày lớp vật liệu bọc cho phù hợp + Bài báo nghiên cứu trạng thái ứng suất-biến dạng ứng với thời gian cháy tiêu chuẩn, nhiên dựa vào phân tích ta hồn tồn xác định thời gian xác tương ứng ứng suất dầm đạt đến ứng suất tới hạn Điều cho ta sở để kết luận thời gian tối đa mà cấu kiện dầm chịu điều kiện chịu nhiệt độ cao + Khi dầm đạt đến khoảng 80% ứng suất tới hạn độ võng đạt khoảng 1/120 nhịp Giá trị hồn tồn chấp nhận để đảm bảo trì tồn cấu kiện điều kiện đám cháy - Dựa ngun tắc phân tích trên, ta thực tiếp toán khác thay đổi thông số dầm sơ đồ kết cấu, sơ đồ tải trọng, kịch cháy, để có kết đầy đủ trạng thái làm việc cấu kiện dầm thép bọc bảo vệ chịu lực 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 Xây dựng [2] Thu, P T N (2012) Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn xác định phân bố nhiệt độ tiết diện thép Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, 6(2):54–61 [3] Trâm, N., Ca, T Q (2007) Phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng tính tốn kỹ thuật Nhà xuất 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 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 Xây dựng [11] BS EN 1363-1:2012 Fire resistant test General requirements 54 ... suất biến dạng dầm thép đượcbọc bọc bảo vệ tiết diện i ubọc kiệnchủ chịuyếu nhiệt độ cao i u kiện chịu nhiệt độ cao cao theo hình chữ nhật ngo i tiếp (Hình 2(a) 2(b)) Trong thực tế, ngư i ta... 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 Kích thước tiết diện dầm khảo sát Hình diện dầm khảo... cháycháy Hình bọctiết tiếtdiện diệnthép thép I chịu chống Hình Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực vữa chống cháy Vữa chống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến bọc theo chu vi cấu kiện Vữa