Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày các nguyên tắc thiết kế chung và các phương pháp tính toán đơn giản cho cấu kiện sàn bê tông cốt thép, được quy định trong tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 về thiết kế kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện cháy. Quy trình tính toán theo ba phương pháp đơn giản bao gồm tra bảng, đường đẳng nhiệt và phương pháp phân lớp được trình bày cụ thể và minh họa thông qua ví dụ tính toán.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 13 (2V): 41–52 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN THEO TIÊU CHUẨN EN 1992-1-2 Nguyễn Tuấn Trunga,∗, Dương Văn Haia , Phạm Mai Phươnga 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 22/04/2019, Sửa xong 20/05/2019, Chấp nhận đăng 28/05/2019 Tóm tắt Bài báo trình bày nguyên tắc thiết kế chung phương pháp tính tốn đơn giản cho cấu kiện sàn bê tơng cốt thép, quy định tiêu chuẩn châu Âu EN 1992-1-2 thiết kế kết cấu bê tông cốt thép điều kiện cháy Quy trình tính tốn theo ba phương pháp đơn giản bao gồm tra bảng, đường đẳng nhiệt phương pháp phân lớp trình bày cụ thể minh họa thơng qua ví dụ tính tốn Ảnh hưởng số thông số quan trọng lớp bê tông bảo vệ, hàm lượng cốt thép thời gian cháy khảo sát Kết cho thấy tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ hàm lượng cốt thép khả chịu lực cháy sàn tăng lên, nhiên khả chịu lực tăng đến giá trị lại giảm dần chiều cao làm việc giảm Khi thời gian cháy tăng lên khả chịu lực cháy sàn giảm Nếu vẽ giá trị mô men ngoại lực khả chịu lực biểu đồ dễ dàng xác định khả chịu lực cháy sàn bê tơng cốt thép Từ khố: dầm; bê tơng cốt thép; chịu lửa; khả chịu lửa; EC2 CALCULATION OF FIRE RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE SLABS USING THE SIMPLIFIED METHODS ACCORDING TO EN 1992-1-2 Abstract This paper presents the general principles and the simplified methods to design reinforced concrete slabs in fire according to the Eurocode EN 1992-1-2 of structural fire design for concrete structures The detailed design procedures for three simplified methods, namely the tabulated method, the 500◦C isotherm method and the zone method are established and illustrated by a design example The effects of critical parameters including concrete cover, mechanical reinforcement ratio and fire duration are investigated The results show that fire resistance of concrete slabs increases as concrete cover and reinforcement ratio increase However, up to a certain value of the concrete cover, the fire resistance will reduce caused by a decrease of the effective depth If the fire duration is longer, the load-bearing capacity of slabs will also be reduced It can be easily determined the fire resistance of a concrete slab if the bending moment and the fire resistance are drawn in one figure Keywords: beams; reinforced concrete; fire; fire resistance; EC2 https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(2V)-05 c 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Tiêu chuẩn thiết kế nhiều quốc gia, có Việt Nam, đưa dẫn kỹ thuật cho kết cấu chịu lửa Tuy nhiên, phần lớn tiêu chuẩn đưa quy tắc mang tính mơ tả ∗ Tác giả Địa e-mail: trungnt2@nuce.edu.vn (Trung, N T.) 41 Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng dạng bảng biểu, quy định cấp chịu lửa kết cấu phụ thuộc vào bề dày lớp bê tông bảo vệ kích thước nhỏ tiết diện chịu lực dựa vào kết thí nghiệm Quy chuẩn QCVN 06:2010/BXD [1] (quy chuẩn kỹ thuật quốc gia an tồn cháy cho nhà cơng trình) quy định bậc chịu lửa cấp I, II, III IV cho cơng trình xây dựng Tương ứng với bậc chịu lửa khoảng thời gian tương ứng mà cấu kiện phải đủ khả chịu lực Trong hệ kết cấu nhà cơng trình, sàn cấu kiện quan trọng tiếp nhận truyền tải trọng đứng xuống dầm cột, đồng thời đóng vai trò vách cứng ngang để phân phối tải trọng ngang cho cột hệ vách lõi Khi xảy hỏa hoạn, sàn khơng đủ an tồn chịu lực gây tổn thất sinh mạng lớn, đồng thời ảnh hưởng đến cấu kiện chịu lực khác gây sụp đổ dây chuyền Phụ lục F.12 QCVN 06:2010/BXD [1] quy định sàn bê tông cốt thép (BTCT) sử dụng bê tông cốt liệu gốc silic đá vôi, để đảm bảo giới hạn chịu lửa theo tiêu chí chịu lực R240, R180, R120, R90, R60 R30, yêu cầu chiều cao nhỏ sàn tương ứng 150, 150, 125, 125, 100 100 mm, lớp bê tông bảo vệ tương ứng 25, 25, 20, 20, 15 15 Tuy nhiên, QCVN 06:2010/BXD tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép TCVN 5574:2012 [2] không đề cập tới ảnh hưởng yếu tố khác đặc trưng lý bê tông cốt thép nhiệt độ cao, khơng có dẫn cụ thể để thiết kế cấu kiện BTCT chịu lửa Do vậy, việc tìm hiểu tiêu chuẩn nước ngồi cấp bách cần thiết cho công tác thiết kế kết cấu điều kiện cháy Việt Nam Tại Việt Nam, nghiên cứu thiết kế kết cấu BTCT chịu lửa Có số nghiên cứu cột BTCT chịu lửa, phương pháp tính toán đơn giản theo tiêu chuẩn châu Âu EN 1992 phần 1-2 (EC2-1-2) phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác trình bày cụ thể, rõ ràng [3, 4] Năm 2018, nghiên cứu thiết kế sàn BTCT chịu lửa hướng dẫn tác giả tìm hiểu phương pháp tính tốn theo EC2-1-2 [5] Tuy nhiên, nghiên cứu phương pháp chia vùng chưa xác Hơn khơng đề cập đến việc kiểm tra khả chịu cắt yêu cầu cấu tạo cốt thép Để thiết kế kết cấu BTCT nhiệt độ cao, tiêu chuẩn EC2-1-2 [6] đưa dẫn rõ ràng cho phép thiết kế theo ba phương pháp: phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản phương pháp thiết kế theo yêu cầu cụ thể khả làm việc kết cấu Bài báo trình bày nguyên tắc thiết kế chung phương pháp tính tốn đơn giản cho cấu kiện sàn bê tơng cốt thép, quy định EC2-1-2 Quy trình tính tốn theo ba phương pháp đơn giản bao gồm tra bảng, đường đẳng nhiệt phương pháp phân lớp trình bày cụ thể minh họa thơng qua ví dụ tính tốn Ảnh hưởng số thơng số quan trọng lớp bê tông bảo vệ, hàm lượng cốt thép thời gian cháy khảo sát Nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EC2-1-2 2.1 Các phương pháp tính tốn Tiêu chuẩn EN 1992-1-2 trình bày ba phương pháp tính tốn kết cấu chịu lửa phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản phương pháp nâng cao Khái niệm phạm vi áp dụng ba phương pháp liệt kê Bảng [6] Ba phương pháp chia thành hai nhóm thiết kế theo nguyên tắc định trước (phương pháp tra bảng phương pháp tính tốn đơn giản), thiết kế theo tính kết cấu (phương pháp nâng cao) Phương pháp thiết kế theo nguyên tắc định trước xác định khả chịu lực cấu kiện dựa ứng xử nhiệt ứng xử học vật liệu kết cấu chịu tác động đường gia nhiệt cho trước (thường đường gia nhiệt tiêu chuẩn) Còn phương pháp thiết kế 42 Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Bảng Phạm vi áp dụng ba phương pháp thiết kế kết cấu chịu lửa Phương pháp tra bảng Các phương pháp tính đơn giản Phương pháp nâng cao Phân tích cấu Chỉ nêu số liệu áp Chỉ nêu số liệu phân bố nhiệt độ Chỉ đưa nguyên kiện riêng lẻ dụng cho đường gia cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn tắc nhiệt tiêu chuẩn Phân tích Khơng đề cập phần kết cấu Chỉ nêu số liệu phân bố nhiệt độ Chỉ đưa nguyên cho đường gia nhiệt tiêu chuẩn tắc Phân tích tổng Khơng đề cập thể hệ kết cấu Không đề cập Chỉ đưa nguyên tắc theo tính kết cấu, khả chịu lực kết cấu xác định theo mơ hình tính tốn nâng cao chịu tác động đường gia nhiệt 2.2 Đường gia nhiệt tiêu chuẩn Đường gia nhiệt tiêu chuẩn (hay đường cong ISO-834 [7]) đường biểu diễn tăng nhiệt độ theo thời gian Đây đường cong phổ biến sử dụng để tính tốn khả chịu lửa kết cấu cho cơng thức (1), t thời gian (phút) θg = 20 + 345 log(8t + 1) (1) 2.3 Tổ hợp hệ tác động chịu lửa Hệ tác động chịu lửa xác định theo hai phương pháp phương pháp tổ hợp trực tiếp, phương pháp tổ hợp gián tiếp [8] Theo phương pháp trực tiếp, tổ hợp tải trọng xác định bao gồm tĩnh tải tiêu chuẩn hoạt tải tiêu chuẩn nhân với hệ số ψ2 (hệ số phụ thuộc vào loại cơng trình lấy theo tiêu chuẩn EN 1990 [9]) Từ tổ hợp tải trọng này, hệ tác động xác định dựa theo phương pháp thông thường học kết cấu Theo phương pháp gián tiếp, hệ tác động chịu lửa xác định từ hệ phân tích kết cấu nhiệt độ thường công thức (2) [6] Ed, f i,t = Ed, f i = η f i Ed (2) Ed giá trị nội lực tính tốn tương ứng nhiệt độ thường, với quy tắc tổ hợp tác động; Ed, f i giá trị nội lực tính tốn tương ứng trường hợp cháy; η f i hệ số giảm tải trọng trường hợp cháy, xác định công thức (3) [6] ηfi = Gk + ψ f i Qk,1 γG Gk + γQ,1 Qk,1 (3) Qk,1 giá trị tiêu chuẩn hoạt tải; Gk giá trị tiêu chuẩn tĩnh tải; γG hệ số vượt tải cho tĩnh tải; γQ,1 hệ số vượt tải cho hoạt tải; ψ f i hệ số tổ hợp cho giá trị tải trọng thường xuyên tải trọng gần thường xuyên lấy ψ1,1 ψ2,1 theo tiêu chuẩn EN 1990 [9] 43 Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 2.4 Các tiêu chí khả chịu lửa nguyên tắc kiểm tra theo tiêu chí chịu lực Khi cấu kiện bị tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn, cấu kiện cần thoả mãn ba tiêu chí sau: (i) Tiêu chí tính tồn vẹn (tiêu chí E): cấu kiện phải đảm bảo không bị vỡ rời; (ii) Tiêu chí khả cách nhiệt (tiêu chí I): cấu kiện phải đảm bảo khả cách nhiệt, nghĩa gia tăng nhiệt độ trung bình mặt cấu kiện không bị cháy không vượt 140K, đồng thời gia tăng nhiệt độ lớn mặt khơng vượt q 180K; (iii) Tiêu chí khả chịu lực (tiêu chí R): cấu kiện phải đảm bảo khả chịu lực trình bị cháy Các tiêu chí kết hợp ký hiệu REI30, REI60 Một số thời gian chịu lửa thường sử dụng cho kết cấu BTCT REI60, REI90, REI120, REI150, REI180 REI240 Đối với kết cấu chịu lực tiêu chí R quan trọng Trong khoảng thời gian xác định, tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834, khả chịu lửa theo tiêu chí R cần kiểm tra theo điều kiện sau: Ed, f i ≤ Rd,t, f i (4) Ed, f i giá trị thiết kế tác động điều kiện nhiệt độ cao theo EC2-1-2, có kể đến ảnh hưởng biến dạng nhiệt; Rd,t, f i khả chịu lực thiết kế tương ứng điều kiện nhiệt độ cao 2.5 Đặc trưng lý bê tông cốt thép chịu lửa Để thiết kế kết cấu BTCT chịu lửa, thông số quan trọng quan hệ ứng suất - biến dạng, độ suy giảm cường độ bê tông cốt thép Các thông số quy định EC2-1-2 biểu diễn Hình Hình (a) Quan hệ ứng suất - biến dạng bê tông (b) Suy giảm cường độ bê tơng Hình Đặc trưng lý bê tông nhiệt độ cao Khi nhiệt độ tăng cao, cường độ mô đun đàn hồi bê tông cốt thép suy giảm, biến dạng tương ứng với ứng suất lớn nhất, biến dạng cực hạn bê tông lại tăng dần với nhiệt độ, nghĩa bê tông trở nên mềm Giá trị hệ số suy giảm cường độ theo nhiệt độ cho bê tông cốt liệu gốc silic gốc đá vôi cho cốt thép cán nóng kéo nguội Hình 1(b) 2(b) 44 a) Quan hệ ứng - biến dạng củacủa bê bê tông a) Quan hệ suất ứng suất - biến dạng tông b) giảmcường cườngđộđộcủa tông b) Suy Suy giảm bêbê tông Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Đặc trưng lý bê tơng nhiệt độ cao Hình Đặc trưng lý bê tông nhiệt độ cao (a) Quan a) hệQuan ứng suất - biến dạng củadạng cốt thép hệ ứng suất - biến cốt thép giảm cường thép b)(b) SuySuy giảm cường độđộ cốtcốt thép a) Quan hệ ứng suất - biến dạng cốtlýthép cường độ cốt thép Hình Đặc trưng bê tông b) cốtSuy thépgiảm nhiệt độ cao Hình Đặc trưng lý bê tơng cốt thép nhiệt độ cao Hình Đặc trưng lý bê tông cốt thép nhiệt độ cao Các phương pháp đơn giản thiết kế sàn bê tông5 cốt thép chịu lửa theo EC2-1-2 3.1 Phương pháp tra bảng Phương pháp tra bảng áp dụng cho sàn BTCT cho trường hợp chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO-834 với thời gian khơng q 240 phút Quy trình thiết kế sàn BTCT theo phương pháp sau - Xác định giá trị khoảng cách đến trục cốt thép a, chiều dày lớp bê tơng tính từ mặt chịu lửa đến trọng tâm cốt thép loại dầm Trường hợp hai phương khoảng cách a tính đến trọng tâm cốt thép lớp dưới; - Tra Bảng ứng với loại sàn để xác định chiều dày nhỏ khoảng cách đến trục cốt thép nhỏ yêu cầu cho khả chịu lực So sánh giá trị thiết kế với giá trị yêu cầu để xác định cấu kiện có thoả mãn yêu cầu chịu lửa đặt hay không Bảng Kích thước khoảng cách trục cho phương hai phương Các kích thước nhỏ (mm) Khả chịu lửa tiêu chuẩn Chiều dày h s (mm) REI 30 REI 60 REI 90 REI 120 REI 180 REI 240 60 80 100 120 150 175 Chiều dày lớp bê tơng tính đến trọng tâm cốt thép, a Bản hai phương Bản phương ly /l x ≤ 1,5 1,5 < ly /l x ≤ 10* 20 30 40 55 65 10* 10* 15* 20 30 40 10* 15* 20 25 40 50 3.2 Phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦ C (theo Phụ lục B1 EC2-1-2 [6]) Phương pháp đường đẳng nhiệt áp dụng cho cấu kiện dầm, cột, sàn chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn với chiều dày tối thiểu sàn thỏa mãn điều kiện Bảng B1 phụ lục B1 45 - Xác định hệ số suy giảm cường độ bê tông kc cốt (Hình 1(b) 2(b)) Từ xác định cường độ tính tốn cháy Cường độ tính toán nhiệt độ cao cốt thép: f yd , fi = k s f yk / 1, Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng ◦ f cd ,thước Cường nhiệt cao bê500 tông: [6] Phương pháp dựa nguyênđộ tắc tính bỏ tốn phần tiết diện cóđộ nhiệt độ lớn C Kích fi = kc f ck / 1,5 tiết diện suy giảm kích thước tiết diện ngun trừ vùng bê tơng có nhiệt độ lớn 500◦C ◦ Những vùng có nhiệttrong độ lớn f500 C cường giả bị mấttrưng hết khảcủa năngcốt chịu thép lực, độ thư độ thiết chảy đặc nhiệt yk vùng bê tơng lại trì cường độ mô đun đàn hồi ban đầu Cốt thép tiết cường độ đặc trưng chịu nén bê tông nhiệt độ thường (MPa) diện suy giảm tính giảm cường độ dựa theo nhiệt độ cốt thép Phương pháp áp dụng để tính tốn cho vùng chịu mơ men dương chịu mô men âm sàn Tuy nhiên, trường hợp chịu mô men âm, vùng bê tông chịu nén mặt sàn (là mặt chịu tác động trực tiếp lửa) Nếu tính theo phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C, kết khơng xác phương pháp phân lớp Bởi vùng có nhiệt độ lớn 200◦C nhỏ 500◦C mà giữ nguyên cường độ ban đầu bê tơng khơng xác (xem Hình 1(a)) Do vậy, phương pháp nên áp dụng cho sàn BTCT vùng chịu mô men dương, vùng kéo bê tơng nằm vùng có nhiệt độ lớn bỏ hồn tồn Quy trình tính tốn sau: - Xác định tải trọng tính tốn w f i nội lực lớn MEd, f i , VEd, f i cháy; - Xác định phân bố Hình nhiệt độ3trong Dựa phân bố nhiệt độ áp dụng cho sàn chịu lửa từ R Cácsàn đường Hình Các đường phân bố nhiệt độ áp dụng cho vào Hình để xác định nhiệt độ mặt trên, nhiệt độ sàn chịu lửa từ R30 đến R240 cốt thép nhiệt độ mặt sàn; - Xác định hệ số suy giảm cường độ bê tông kc cốt thép k s cháy (Hình 1(b) 2(b)) Từ xác định cường độ tính tốn cháy vật liệu Cường độ tính tốn nhiệt độ cao cốt thép: fyd, f i = k s fyk /1,15 (5) Cường độ tính tốn nhiệt độ cao bê tông: fcd, f i = kc fck /1,5 (6) fyk cường độ chảy đặc trưng cốt thép nhiệt độ thường (MPa); fck cường độ đặc trưng chịu nén bê tông nhiệt độ thường (MPa) - Xác định khả chịu mô men sàn theo nguyên tắc cấu kiện chịu uốn; Chiều cao vùng nén: A s fyd, f i x= (mm) (7) fcd, f i λb A s diện tích cốt thép chịu kéo; b bề rộng tiết diện; λ = 0,8 fck ≥ 50MPa Cánh tay đòn: z = d − λx/2 (mm) d chiều cao làm việc tiết diện 46 (8) Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Khả chịu mô-men cháy: MRd, f i = A s fyd, f i z (kNm) (9) - So sánh MEd, f i MRd, f i Kiểm tra khả chịu cắt sàn kết luận 3.3 Phương pháp phân lớp [6] Phương pháp áp dụng cho kết cấu chịu tác động đường tiêu2019 chuẩn Tạp chí Khoacủa học Cơng nghệgia Xây nhiệt dựng NUCE Phương pháp chia tiết diện thành lớp có chiều dày (tối thiểu 3), sau xác định nhiệt độ trung bình, hệ số suy giảm cường độ bê tông vàhs’mô đàn hồi tương ứng lớp = hđun (12) s – az (mm) Từ đó, xác định hệ số suy giảm cường độ trung bình kc,m chiều dày lớp bê tông bị hỏng d’ = hs’ – a (mm) (13) cháy az Cốt thép tính giảm cường độ dựa theo nhiệt độ cốt thép Như phân Fsbê = tông f yd , fi Avùng o Lựccó kéomơ cốt men thép: âm, (kN) (14) s ' tích mục 3.2, phương pháp nên sử dụng vùng nén nằm thớ F = f l xb Lực nén (kN) (15) bị suy giảm cường độ cháy Quy trình tính tốno sau.bê tơng: c cd , fi - Xác định tải trọng tính tốn wfi nội lực lớn MEd, f i , VEd, f i cháy; - Xác định khả chịu mô men sàn: + Chia tiết diện thành n lớp có chiều dày (n ≥ 3) Xác định nhiệt độ tâm lớp hệ số suy giảm cường độ bê tông tương ứng kc (θi ) + Xác định hệ số suy giảm cường độ trung bình: n − 0,2 n kc,m = kc (θi ) (10) n i=1 Hình Hệ số giảm cường độ chịu nén tiết diện giảm yếu Hình Hệ số giảm cường độ chịu nén tiết + Chiều dày lớp bê tông bị hỏng cháy o Chiều cao vùng nén x sẽdiện xác yếu định cách cân tổng l giảm xác định công thức (11): nén phân lớp Fci với lực kéo cốt thép Fs az = h s − okc,m Cánh tay đòn: (mm) z = d’ – 0,5λx (mm) (11) Khả koc (θ M )năng chịu mô-men cháy: M Rd , fi = As ' f yd , fi z (kNm) (16) (17) - So sánh M , fi M Rd , fi Kiểm tra khả chịu cắt sàn kết luận kc (θ M ) hệ số suy giảm cường độ bê tơng tham Edkhảo (Hình 4) + Xác định chiều dày sàn giảm yếu 3.4 chiều caotralàm Kiểm khả việc hiệu chịu cắt củagiảm sàn yếu: Việc kiểm tra khả chịu cắt sàn cháy dựa nguyên t h sthiết = h skế−của az tiêu (mm) (12) chuẩn EN 1992-1-1 [10] EN 1992-1-2 [6] Lực cắt b thường nhỏ nên bê tông đủ khả chịu cắt Khả chịu cắt tính tốn c (mm) (13) sàn bê tông cháy xác định công thức (18) d = hs − a + Lực kéo cốt thép: F s = fyd, f i A s + Lực nén bê tông: VRd ,c, fi = CRd ,c k (100 r1 f ck , fi )1/3 bwd ' (kN) (kN) (18) (14) không nhỏ giá trị sau: V = vmin bw d ' (kN) , c , fi Fc = fcl, f λxb Rd(kN) (19) (15) CRd ,c = 0,18 / g c ; vmin = 0,035k f ck , fi (MPa) + Chiều cao vùng nén x xác định cách cân tổng lực nén phân lớp Fci với lực kéo cốt thép F s + Cánh tay đòn: z = d − 0,5λx (mm) (16) 3/2 47 1/2 Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng + Khả chịu mô-men cháy: MRd, f i = A s fyd, f i z (kNm) (17) - So sánh MEd, f i MRd, f i Kiểm tra khả chịu cắt sàn kết luận 3.4 Kiểm tra khả chịu cắt sàn Việc kiểm tra khả chịu cắt sàn cháy dựa nguyên tắc thiết kế tiêu chuẩn EN 1992-1-1 [10] EN 1992-1-2 [6] Lực cắt thường nhỏ nên bê tông đủ khả chịu cắt Khả chịu cắt tính tốn sàn bê tơng cháy xác định công thức (18) VRd,c, f i = CRd,c k(100ρ1 fck, f i )1/3 bw d (kN) (18) không nhỏ giá trị sau: VRd,c, f i = vmin bw d 1/2 (kN) CRd,c = 0,18/γc ; vmin = 0,035k3/2 fck, fi (MPa) (19) k = + 200/d ≤ 2,0 với d chiều cao làm việc giảm yếu tiết diện (mm); ρ1 = A sl /bw d ≤ 0,02; A sl diện tích cốt thép chịu kéo (mm2 ); bw bề rộng nhỏ mặt cắt tiết diện vùng kéo (mm) 3.5 Một số vấn đề cấu tạo cốt thép Ngoài quy định sàn BTCT nhiệt độ thường, trường hợp sử dụng phương pháp tra bảng để kiểm tra khả chịu lực sàn cháy, lớp bê tông bảo vệ phải chọn cho đảm bảo khoảng cách đến trục cốt thép yêu cầu Bảng Nếu lựa chọn nhỏ khoảng cách phải sử dụng phương pháp phức tạp hơn, phương pháp đường đẳng nhiệt, phương pháp phân lớp hay phương pháp nâng cao để kiểm tra Các yêu cầu khoảng cách cốt thép sàn BTCT chịu lửa tương tự sàn BTCT nhiệt độ thường Trừ phi cốt thép thường tính tốn để đảm bảo khả chịu lực cháy, yêu cầu hàm lượng cốt thép tối thiểu tối đa tương tự Hàm lượng cốt thép tối thiểu theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1 [10] 0,13% hàm lượng tối đa 4% vùng không nối cốt thép Ví dụ tính tốn khảo sát tham số 4.1 Ví dụ tính tốn Ví dụ 1: Cho sàn làm việc phương, có sơ đồ tính dầm liên tục hai nhịp với chiều dài tính toán nhịp l = m Chiều dày h s = 180 mm Bê tông cốt liệu gốc silic có fck = 25 MPa, cốt thép có giới hạn chảy fy = 500 MPa Sàn bố trí cốt thép nhịp φ14a150 (A s,span = 1077 mm2 ), cốt thép gối φ14a125 (A s,sup = 1232 mm2 ) Chiều dày lớp bê tông bảo vệ a0 = 20 mm Tĩnh tải phụ thêm 1,5 kN/m2 , hoạt tải 5,0 kN/m2 Sàn có chức khu mua sắm nên hệ số ψ2 = 0,6 Kiểm tra khả chịu lực sàn cháy với đường gia nhiệt tiêu chuẩn 90 phút (R90) Tổng trọng lượng thân sàn tải trọng phụ thêm 6,0 kN/m2 Tổ hợp tải trọng cháy w f i 9,0 kN/m2 Tiết diện tính tốn b × h s = 1000 × 180 (mm) Khoảng cách trục cốt thép a = 27 mm Chiều cao làm việc: d = 153 mm 48 Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Phương pháp tra bảng Theo Bảng 2, với R90 ta có hmin = 100 mm, amin = 30 mm Sàn thỏa mãn điều kiện chiều dày không thỏa mãn điều kiện khoảng cách trục cốt thép (a = 27 mm < 30 mm) Vậy theo phương pháp tra bảng sàn không đủ khả chịu lực xảy cháy 90 phút (không đạt R90) - Phương pháp miền đẳng nhiệt 500◦ C (vùng chịu mô men dương) Mô men dương lớn nhịp là: MEd, f i = 0,07w f i l2 = 22,68 kNm Khi chịu lửa 90 phút, từ Hình xác định nhiệt độ mặt sàn 963◦C, nhiệt độ vị trí cốt thép 525◦C, nhiệt độ vị trí h s /2 143◦C, nhiệt độ vị trí 3/4h s 30◦C Theo Hình 2(b) Bảng EC2-1-2, hệ số suy giảm cường độ cốt thép k s (θ) = 0,703 Bảng Phân bố nhiệt độ hệ số giảm cường độ bê tông phân lớp Lớp x (mm) θ (◦C) kc (θ) 15 45 75 105 135 165 695 360 190 110 100 95 0,308 0,79 0,955 0,995 1,0 1,0 5,048 kc (θi ) Vì nhiệt độ vị trí 3h/4 < 100◦C nên hệ số suy giảm cường độ bê tông kc = 1,0 Cường độ tính tốn cốt thép: fyd, f i = 305,6 MPa Cường độ chịu nén tính tốn bê tơng: fcd, f i = 16,67 MPa Tổng lực kéo FS = fyd, f i × A s,span = 328959 N Tổng lực nén Fc = η fcd, f i λxb = 13333,3x Cân chiều cao vùng nén x = 24,7 mm Khả chịu lực cháy: Mu1 = F s (d − 0, 5λx) = 47,1 kNm > MEd, f i = 22,68 kNm Như vậy, theo phương pháp miền đẳng nhiệt sàn đủ khả chịu mô men nhịp chịu lửa 90 phút - Phương pháp chia vùng (vùng chịu mô men âm) Mô men âm lớn gối là: MEd, f i = 0, 125w f i l2 = 40,5 kNm Chia sàn thành lớp có chiều dày ∆x = 30 mm Nhiệt độ hệ số suy giảm cường độ lớp điểm lớp cho Bảng Bảng Khảo sát ảnh hưởng lớp bê tông bảo vệ c (mm) 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 REd, f i (kNm) 29,89 41,93 50,46 51,67 52,22 55,7 53,36 51,02 48,07 46,34 Hệ số suy giảm cường độ trung bình theo cơng thức (10) kc,m = 0,812 Chiều dày lớp bê tông bị hỏng az = 33,8mm Chiều dày sàn sau giảm yếu h s = 146,2 mm Chiều cao làm việc hiệu tiết diện sau giảm yếu: d = 119,2 mm Vì cốt thép nằm thớ sàn, vùng có nhiệt độ nhỏ 100◦C nên khơng bị suy giảm cường độ Lực kéo cốt thép: F s = 535437 N Do vùng nén bê tông nằm thớ (mặt chịu lửa) nên cần thử dần để tìm x với điều kiện F s = Fc , với Fc = kc (θ) × 25/1,5 × 1,0 × 0,8 × x × 1000 (N) Thử dần tìm chiều cao vùng nén x = 46,5 mm Tính khả chịu mơ men Mu2 = 53,9 kNm > MEd, f i = 22,68 kNm Như vậy, tính theo phương pháp chia vùng sàn đủ khả chịu mô men gối chịu lửa 90 phút 49 Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Kiểm tra khả chịu cắt Giá trị lực cắt lớn nhất: VEd = 0, 625w f i l = 33,75 kN Khả chịu cắt thiết kế bê tông xác định theo cơng thức (18), tính VRd,c = 78,9 kN > VEd = 33,75 kN Do vậy, sàn đủ khả chịu cắt Kết kiểm tra khả chịu lực 90 phút sàn theo phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C chia vùng thỏa mãn Tuy nhiên, theo phương pháp tra bảng lại cho kết chưa đủ khả chịu lực Lý phương pháp tra bảng xây dựng mức đơn giản hóa, thiên an tồn, phương pháp đường đẳng nhiệt phân lớp sử dụng cường độ suy giảm bê tông, cốt thép cho kết tính tốn xác Do đó, kết luận phương pháp tra bảng cho kết có độ an tồn cao 4.2 Khảo sát số thơng số Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019 Khả chịu lực cháy REd,fi (kNm) a Ảnh hưởng lớp bê tông bảo vệ 60 Để khảo sát ảnh hưởng lớp bê tông bảo vệ 50 tới khả chịu lực cháy sàn BTCT, sử 40 dụng thơng số thiết kế Ví dụ 1, thay đổi 30 chiều dày lớp bê tông bảo vệ Các toán khảo sát 20 kết thể Bảng Hình 10 Có thể thấy tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ khả chịu lực cháy tăng 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 theo dạng phi tuyến tính Tuy nhiên, đến giá Chiều dày lớp bê tông bảo vệ c (mm) trị c khả chịu lực cháy lại giảm dần Lý chiều cao làm việc giảm Hình 5 Ảnh vệvệ Hình Ảnhhưởng hưởngcủa củalớp lớpbêbêtơng tơngbảo bảo làm giảm khả chịu lực sàn Có thể thấy tăng chiều dày lớp bê tơng bảo vệ khả chịu lực Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 b Ảnh hưởng hàm lượng cốt thép cháy tăng theo dạng phi tuyến tính Tuy nhiên, đến giá trị c khả chịu lực cháy lại giảm dần Lý chiều cao làm việc giảm Khả chịu momen cháy (kNm) Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng cốt thép 120 làm giảm khả chịu lực sàn c=15 chịu kéo tới khả chịu lực sàn nhiệt 100 c=20 Ảnh hưởng cốt thép c=25 độ cao, thay đổi hàm lượng cốt thépb)chịu kéo hàm lượng 80 ứng với ba lớp bê tông bảo vệ khác vớiĐể cáckhảo sát ảnh hưởng hàm lượng cốt thép chịu kéo tới khả chịu 60 thông số thiết kế Ví dụ Với lớp bảo sàn ởvệ, nhiệt độ cao, thay đổi hàm lượng cốt thép chịu kéo ứng với ba lớp 40 đường kính cốt thép giữ nguyên tông để không bảo vệ khác với thơng số thiết kế ví dụ Với lớp bảo 20 giữ nguyên để không ảnh hưởng tới khoảng cách trục K ảnh hưởng tới khoảng cách trục Kết quảđường kính cho cốt thép cho Bảng0 Hình Bảng Hình 0.305 0.440 0.598 0.782 0.989 1.221 Kết cho thấy với lớp bêBảng tông5 bảo Ảnh hưởng hàm lượng cốt kéo (đơn vị: kNm) Hàmthép lượng chịu cốt thép w (%) vệ, tăng hàm lượng cốt thép dọc momen Ảnh hưởng hàm lượng cốt thép chịu kéo Cốt thép f14aHình 280 f14hưởng a200 f14ahàm 140 lượng f14a110 f14chịu a90 f14a70 Hình Ảnh cốt thép kháng cháy sàn tăng nhanh Khi hàm lượng c) Thời gian cháy kéo 0,31 0,44 0,60 0,78 0,99 1,22 (%) cốt thép tăng 1,44 lần (từ 0,31% lên 0,44%) µthì Bài toán 2: Cho loại dầm nhịp L = 3,0m có hs = 150mm, khoảng khả kháng cháy tăng từ 1,7 đến 1,5 (tương c = 15mm 11,54 19,17 29,24 41,85 57,00 74,60 cách trục cốt thép a = 25mm, f10a150, µ = 0,31% Tĩnh tải G = 1,5kNm2, hoạt tải Q = ứng với c 15 mm 25 mm) Khi hàmc4,0kN/m lượng thép tăng gấp đơi (từ 0,31% lên 0,6%) = 20mm2 cốt 19,65 29,97 42,77 58,00 75,53 Bê tơng có fck = 25MPa, cốt thép có fy = 500MPa Khảo sát quan95,08 hệ mô men kháng cháy tăng lên 2,53,ckhả 2,18 2,05 lần tương ứng với52,60 c 15, 20, 109,26 chịu lực thời gian cháy = 25mm 25,60 37,88 69,61 88,63 25 mm Mức độ tăng mô men kháng cháy giảm khisáttăng lớp bêcủatông bảocháy vệ Bảng 6đi Khảo ảnh hưởng thời gian c Thời gian cháy Kết cho thấy với lớp bê tông bảo vệ, tăng hàm lượng cốt th dọc momen kháng cháy của0sàn tăng t (phút) 60 nhanh 90Khi hàm 120 lượng 180cốt thép 240 tăng 1.44 (từ 0,31% lên 0,44%) kháng ứng vớ θs (oC)thì khả 25 400 cháy 500tăng từ 5601,7 đến 680 1,5 (tương 750 15mm 25mm) Khi hàm lượng cốt thép tăng gấp đôi (từ 0,31% lên 0,6%) o θd ( C) 25 890 960 1050 1090 1130 mô men kháng cháyo tăng lên 2,53 , 2,18 2,05 lần tương ứng với c θt ( C) 25 25 25 25 25 25 lượt 15, 20, 25mm Mức độ tăng mô men kháng cháy giảm tăng lớp MRd,fi (kNm) 25,8 25,8 20,4 15,7 7,5 4,6 50 tông bảo vệ % giảm - 0% 21% 39% 71% 82% Kết khảo sát cho Bảng Hình Rõ ràng thời gian cháy tăng lên khả chịu lực giảm 13 Khi tăng thời gian cháy từ 60 phút lên 120 phút, khả kháng cháy giảm 39%, tăng thời gian cháy lên 180 phút khả Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Bảng Ảnh hưởng hàm lượng cốt thép chịu kéo (đơn vị: kNm) Cốt thép φ14a280 φ14a200 φ14a140 µ (%) c = 15 mm c = 20 mm c = 25 mm 0,31 11,54 19,65 25,60 0,44 19,17 29,97 37,88 0,60 29,24 42,77 52,60 φ14a110 φ14a90 φ14a70 0,78 0,99 1,22 41,85 57,00 74,60 58,00 75,53 95,08 88,63 109,26 Tạp chí69,61 Khoa học Cơng nghệ Xây dựng NUCE 2019 30 Khả chịu mơ men cháy (kNm) Ví dụ 2: Cho loại dầm nhịp L = 3,0 m Khả chịu lực 25 Mơ men có h s = 150 mm, khoảng cách trục cốt thép a = 25 20 mm, φ10a150, µ = 0,31% Tĩnh tải G = 1,5 kNm , 15 hoạt tải Q = 4,0 kN/m2 Bê tơng có fck = 25 MPa, cốt thép có fy = 500 MPa Khảo sát quan hệ 10 khả chịu lực thời gian cháy Kết khảo sát cho Bảng Hình Rõ ràng thời gian cháy tăng lên 50 100 150 200 Thời gian (phút) khả chịu lực giảm Khi tăng thời gian cháy từ 60 phút lên 120 phút, khả kháng Hình Quan hệ khả kháng cháy thời gian chịu lửa Hình Quan hệ khả kháng cháy thời cháy giảm 39%, tăng thời gian cháy Kếtlên luận gian chịu lửa 180 phút khả kháng cháy giảm nhiều, Bài báo trình bày quy tắc thiết kế quy trình tính tốn cụ thể cho b khoảng 71% phương pháp tính tốn đơn giản để xác định khả chịu lực sàn BTCT kh Nếu vẽ giá trị mô men ngoại lực khảcháy, năngmà chịu cháy đồ,chuẩn ta dễ dàng xác định tiêu chuẩn biểu quy Việt Nam chưa đề cập đến khả chịu lửa cấu kiện TrongPhương trường hợp này, sàn chịu lửa 170 phút pháp tra bảng, phương pháp đường đẳng nhiệt phương pháp phân lớp the tiêu chuẩn EC2-1-2 dùng để thiết kế sàn BTCT chịu tác động đường gi Bảng Khảo sát ảnh hưởng nhiệt tiêu chuẩncủa lênthời đến gian giờcháy (R240) Phương pháp tra bảng xây dựng mứ t (phút) 60 θ s (◦C) 25 400 θd (◦C) 25 890 θt (◦C) 25 25 MRd, f i (kNm) 25,8 25,8 % giảm - 0% Kết luận đơn giản hóa, thiên an tồn, phương pháp đường đẳng nhiệt phương phá 90cho kết 120 xác 180đòi hỏi nhiều 240 phân lớp tính tốn phức tạp Khi chiều dày lớp 560 bê tông bảo vệ tăng 500 680lên khả 750chịu lửa theo tiêu chí R tăng lên theo dạng phi tuyến Tuy nhiên, đến giá trị lớp bê tơn 1050cháy lại giảm 1090 1130 bảo vệ 960 khả kháng dần chiều cao làm việc giảm Việc chọ lớp bê tông bảo vệ cho sàn quan trọng để cân đối khả chịu lực nhiệ 25 25 25 25 độ thường khả kháng cháy 20,4 15,7 7,5 4,6 Với lớp bê tông bảo vệ, tăng hàm lượng cốt thép dọc mơ me kháng cháy nhanh Mức độ71% tăng mô men kháng 21%của sàn tăng39% 82%cháy tùy thuộc chiều dày lớp bê tông bảo vệ Khi thời gian cháy tăng lên khả kháng chá sàn giảm Nếu vẽ giá trị mô men ngoại lực khả chịu lực cùn biểu đồ dễ dàng xác định khả chịu lực cháy sàn bê tông cố thép cảmquy ơn trình tính tốn cụ thể cho ba phương pháp tính Bài báo trình bày quy tắc thiết Lời kế toán đơn giản để xác định khả chịu lực BTCT khicảm cháy, màhỗtrong tiêucủachuẩn Tácsàn giả chân thành ơn trợ tàicác Trường Đại học Xây dựn (NUCE) cho đềpháp tài khoa học cấp trường, pháp mã sốđường 101-2018/KHXD quy chuẩn Việt Nam chưa đề cập đến Phương tra bảng, phương đẳng nhiệtTác giả cám sỹ Phan Đồng để góp ý cho phương pháp phân lớp theo tiêu chuẩn Thạc EC2-1-2 cóThành thể dùng thiết kế sànbáo BTCT chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn lên đến (R240) Phương pháp tra bảng xây dựng mức đơn 15 phân lớp cho kết giản hóa, thiên an tồn, phương pháp đường đẳng nhiệt phương pháp xác đòi hỏi nhiều tính tốn phức tạp 51 Trung, N T cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Khi chiều dày lớp bê tơng bảo vệ tăng lên khả chịu lửa theo tiêu chí R tăng lên theo dạng phi tuyến Tuy nhiên, đến giá trị lớp bê tơng bảo vệ khả kháng cháy lại giảm dần chiều cao làm việc giảm Việc chọn lớp bê tông bảo vệ cho sàn quan trọng để cân đối khả chịu lực nhiệt độ thường khả kháng cháy Với lớp bê tông bảo vệ, tăng hàm lượng cốt thép dọc mơ men kháng cháy sàn tăng nhanh Mức độ tăng mô men kháng cháy tùy thuộc vào chiều dày lớp bê tơng bảo vệ Khi thời gian cháy tăng lên khả kháng cháy sàn giảm Nếu vẽ giá trị mô men ngoại lực khả chịu lực biểu đồ dễ dàng xác định khả chịu lực cháy sàn bê tông cốt thép Lời cảm ơn Tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ tài Trường Đại học Xây dựng (NUCE) cho đề tài khoa học cấp trường, mã số 101-2018/KHXD Tác giả cám ơn Thạc sỹ Phan Thành Đồng góp ý cho báo Tài liệu tham khảo [1] QCVN 06:2010/BXD Quy chuẩn kỹ thuật an tồn cháy cho nhà cơng trình [2] TCVN 5574:2012 Kết cấu bê tơng bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế Bộ Khoa học Công nghệ, Việt Nam [3] Thắng, N T., Ninh, N T (2016) Biểu đồ tương tác cột bê tông cốt thép nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn châu Âu EC2 Tạp chí Khoa Học Cơng Nghệ Xây Dựng (KHCNXD) - Đại học Xây dựng, 10(2):55–61 [4] Thắng, N (2017) Xác định khả chịu lửa cột bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn EC2-1-2 Tạp chí Xây dựng Việt Nam, Bộ Xây dựng, (590):71–75 [5] Đồng, P T (2018) Thiết kế sàn bê tông cốt thép chịu lửa theo Tiêu chuẩn EN 1992-1-2 Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Xây dựng [6] EN 1992-1-2 (2004) Design of concrete structures Part 1-2: General rules — Structural fire design European Committee for Standardization, Brussels, Belgium [7] ISO 834:1975 Fire resistance tests - Elements of building construction [8] EN 1991-1-2 (2002) Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-2: General actions - Actions on structures exposed to fire European Committee for Standardization (CEN), Brussels, Belgium [9] EN 1990 (2002) Basis of structural design European Committee for Standardization (CEN), Brussels, Belgium [10] EN 1992-1-1 (2004) Design of Concrete Structures – Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings European Committee for Standardization (CEN) 52 ... kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EC2-1-2 2.1 Các phương pháp tính tốn Tiêu chuẩn EN 1992-1-2 trình bày ba phương pháp tính tốn kết cấu chịu lửa phương pháp tra bảng, phương pháp đơn giản phương. .. cốtl thép cường độ cốt thép Hình Đặc trưng bê tơng b) cốtSuy thépgiảm nhiệt độ cao Hình Đặc trưng lý bê tông cốt thép nhiệt độ cao Hình Đặc trưng lý bê tông cốt thép nhiệt độ cao Các phương pháp. .. phương pháp đơn giản thiết kế sàn bê tông5 cốt thép chịu lửa theo EC2-1-2 3.1 Phương pháp tra bảng Phương pháp tra bảng áp dụng cho sàn BTCT cho trường hợp chịu tác động đường gia nhiệt tiêu chuẩn