Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng: Đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện thép chịu lực được bọc bảo vệ ứng dụng cho các công trình nhà tại Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng "Đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện thép chịu lực được bọc bảo vệ ứng dụng cho các công trình nhà tại Việt Nam" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về các giải pháp bọc bảo vệ kết cấu thép và các phương pháp tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa ứng dụng cho các công trình nhà; Phương pháp giải bài toán truyền nhiệt trong các cấu kiện thép; Xác định khả năng chịu lực của cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng: Đánh giá khả năng chịu lửa của các cấu kiện thép chịu lực được bọc bảo vệ ứng dụng cho các công trình nhà tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI -------------&------------- Phạm Thị Ngọc Thu ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN THÉP CHỊU LỰC ĐƯỢC BỌC BẢO VỆ ỨNG DỤNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH NHÀ TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI -------------&------------- Phạm Thị Ngọc Thu ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA CÁC CẤU KIỆN THÉP CHỊU LỰC ĐƯỢC BỌC BẢO VỆ ỨNG DỤNG CHO CÁC CÔNG TRÌNH NHÀ TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580201 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN GS.TS. Phạm Văn Hội Hà Nội – Năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án là kết quả công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan …………………………………………………………………… i Mục lục ………..………………………………………………………………... ii Danh mục các chữ viết tắt, ký hiệu, thuật ngữ …………………………………. vi Danh mục các bảng biểu ……………………………………………………….. xi Danh mục các hình vẽ, sơ đồ, đồ thị …………………………………………… xiii Mở đầu ………………………………………………………………………..... 01 1 Lý do lựa chọn đề tài …………………………………………………. 01 2 Mục đích nghiên cứu …………………………………………………. 04 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ……………………………………. 04 4 Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………... 04 5 Cơ sở khoa học ……………………………………………………….. 05 6 Đóng góp của luận án ………………………………………………… 05 7 Cấu trúc và nội dung luận án …………………………………………. 06 Chương 1. Tổng quan về các hình thức bọc bảo vệ KCT và các phương pháp tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa ứng dụng cho các công trình nhà …... 08 1.1 Tổng quan về các giải pháp bọc bảo vệ kết cấu thép ứng dụng cho các công trình nhà …………………………………………….................... 08 1.1.1 Các giải pháp thiết kế phòng chống cháy cho các công trình nhà ……. 08 1.1.2 Vật liệu thạch cao chống cháy………………………………………… 09 1.1.2.1 Quy trình sản xuất thạch cao chống cháy …………………………….. 09 1.1.2.2 Cơ chế làm việc của vật liệu thạch cao chống cháy ………………….. 10 1.1.2.3 Các hình thức cấu tạo bọc cấu kiện thép bằng tấm thạch cao chống cháy …………………………………………………………………... 11 1.1.3 Vật liệu vữa chống cháy ……………………………………………… 14 1.2 Tổng quan về quy trình tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa 16 1.2.1 Bài toán tính toán kết cấu thép chịu lực khi chịu lửa ………………… 16
iii 1.2.2 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong mô hình cháy .................... 16 1.2.2.1 Mô hình cháy danh nghĩa …………………………………………….. 17 1.2.2.2 Mô hình cháy tham biến ……………………………………………… 18 1.2.2.3 Mô hình cháy thực tế …………………………………………………. 19 1.2.3 Sự biến thiên nhiệt độ bên trong kết cấu thép theo mô hình kết cấu ..... 20 1.2.4 Các nguyên tắc tính toán cơ bản ............................................................ 21 1.2.5 Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa ........................ 22 1.2.6 Trạng thái làm việc của các cấu kiện dầm, cột thép trong điều kiện chịu lửa .................................................................................................. 24 1.3 Các nghiên cứu về tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa ....... 26 1.3.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới ..................................................... 26 1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam ...................................................... 29 1.4 Các tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng ....................................................... 31 Nhận xét chương 1 ................................................................................ 34 Chương 2. Bài toán truyền nhiệt trong các cấu kiện thép không bọc và được bọc bảo vệ …………………………………………………………………......... 36 2.1 Bản chất của quá trình truyền nhiệt ....................................................... 36 2.1.1 Hiện tượng bức xạ …………………………………………………..... 37 2.1.2 Hiện tượng đối lưu ................................................................................ 38 2.2 Sự thay đổi các đặc tính nhiệt của thép trong điều kiện chịu lửa .......... 39 2.2.1 Hệ số giãn nở vì nhiệt ............................................................................ 39 2.2.2 Nhiệt dung riêng .................................................................................... 41 2.2.3 Hệ số dẫn nhiệt ...................................................................................... 41 2.3 Bài toán truyền nhiệt trong không gian ba chiều .................................. 42 2.3.1 Phương trình truyền nhiệt trong không gian ba chiều ........................... 42 2.3.2 Thuật toán DT3D ứng dụng phương pháp PTHH trong bài toán truyền nhiệt ba chiều ............................................................................ 44 2.3.2.1 Mô hình phần tử hữu hạn ...................................................................... 44 2.3.2.2 Xây dựng hàm dạng .............................................................................. 45
iv 2.3.2.3 Xây dựng ma trận truyền nhiệt của hệ ................................................... 47 2.3.2.4 Rời rạc hóa các bước thời gian trong quá trình khảo sát ....................... 49 2.4 Ví dụ tính toán và kiểm chứng .............................................................. 52 2.4.1 Ví dụ tính toán ....................................................................................... 52 2.4.2 Ví dụ kiểm chứng thí nghiệm ................................................................ 55 Nhận xét chương 2 ................................................................................ 57 Chương 3. Xác định khả nănng chịu lực của cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp đơn giản hóa …................................................. 59 3.1 Sự thay đổi các đặc tính cơ lý của thép trong điều kiện chịu lửa .......... 59 3.2 Quy trình tính toán cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa SMD ........................................... 63 3.2.1 Khả năng chịu lực của các cấu kiện cơ bản ........................................... 63 3.2.1.1 Các cấu kiện dầm chịu uốn theo điều kiện bền ..................................... 63 3.2.1.2 Các cấu kiện cột chịu nén theo điều kiện ổn định tổng thể ................... 65 3.2.2 Quy trình tính toán cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp tính đơn giản hóa SMD ........................................... 69 3.3 Ứng dụng SMD cho cấu kiện dầm thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu lửa ........................................................................ 72 3.3.1 Trạng thái làm việc của cấu kiện dầm thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa .................................................................................................. 72 3.3.2 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo chu vi .............................................. 73 3.3.3 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt dạng hình hộp ......................................... 76 3.4 Ứng dụng SMD cho cấu kiện cột thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu lửa .................................................................................. 78 3.4.1 Trạng thái làm việc của cấu kiện cột thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa .................................................................................................. 78 3.4.2 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt theo chu vi …………………………….. 79 3.4.3 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt dạng hình hộp …………………………. 81 Nhận xét chương 3 ................................................................................ 84
v Chương 4. Đánh giá khả năng chịu lực của các cấu kiện thép trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số ………………..................................... 85 4.1 Phân tích sự làm việc của cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa theo phương pháp mô phỏng số ...................................................... 85 4.1.1 Mô hình Thermal Analysis .................................................................... 85 4.1.1.1 Các phương trình truyền nhiệt cơ bản ................................................... 85 4.1.1.2 Xây dựng ma trận truyền nhiệt của phần tử .......................................... 87 4.1.1.3 Mô hình phần tử vật liệu thép trong Thermal Analysis ......................... 88 4.1.2 Mô hình Structural Analysis .................................................................. 89 4.1.2.1 Mối quan hệ ứng suất-biến dạng ........................................................... 89 4.1.2.2 Xây dựng ma trận ứng suất-biến dạng của phần tử …………………... 92 4.1.2.3 Mô hình phần tử vật liệu thép trong Structural Analysis …………….. 93 4.1.2.4 Phân tích Eigenvalue Buckling ………………………………………. 95 4.1.3 Các thí nghiệm kiểm chứng ................................................................... 95 4.1.3.1 Thí nghiệm dầm thép không bọc bảo vệ ……………………………... 95 4.1.3.2 Thí nghiệm cột thép chèn gạch ……………………………………….. 98 4.2 Các ví dụ khảo sát ................................................................................. 101 4.2.1 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt theo chu vi .............................................. 101 4.2.2 Dầm thép bọc bảo vệ ba mặt dạng hình hộp ......................................... 109 4.2.3 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt theo chu vi …………………………….. 116 4.2.4 Cột thép bọc bảo vệ bốn mặt dạng hình hộp …………………………. 125 Nhận xét chương 4 ................................................................................ 132 Kết luận chung ..............………………………………………………………… 134 Các công trình khoa học của nghiên cứu sinh liên quan đến luận án ................... 137 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 138 Phụ lục Phần code chương trình ví dụ tính toán mục 2.4.1................................... PL1
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ Các chữ cái Latin viết hoa A diện tích của cấu kiện Ad tác động gián tiếp do lửa gây ra Ai diện tích phần thứ i có nhiệt độ qi Am chu vi của cấu kiện bị đốt nóng [B] ma trận biến dạng - chuyển vị C nhiệt dung riêng Ca nhiệt dung riêng của vật liệu thép [D] ma trận độ cứng đàn hồi E tiêu chuẩn về tính kín, modun đàn hồi Ea modun đàn hồi của vật liệu thép ở nhiệt độ thường Ea,q modun đàn hồi của vật liệu thép ở nhiệt độ q Ed nội lực trong điều kiện nhiệt độ thường Efi,d nội lực trong điều kiện chịu lửa Efi,d,t nội lực thời điểm t trong điều kiện chịu lửa G modun đàn hồi trượt Gk tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa H chiều cao cột I tiêu chuẩn về cách nhiệt J ma trận Jacobien [K] ma trận truyền nhiệt của cả hệ L nhịp dầm [M] mômen uốn đàn hồi cho phép khi tính toán cấu kiện trong điều kiện nhiệt độ thường Mb,fi,t,Rd mômen oằn vặn bên cho phép của tiết diện tại thời điểm t Mfi,t,Rd mômen uốn cho phép của tiết diện tại thời điểm t Mfi,q,Rd mô men uốn của tiết diện chịu sự phân bố nhiệt độ đều q
vii N hàm hình dạng Nfi,t,Rd lực nén (kéo) cho phép trên tiết diện tại thời điểm t Pr hằng số Prant Q lượng nhiệt phát sinh trong phân tố Qk hoạt tải trong điều kiện chịu lửa Qk,1 hoạt tải chính trong điều kiện chịu lửa Qk,i hoạt tải phụ thứ i trong điều kiện chịu lửa R tiêu chuẩn về khả năng chịu lực Re hằng số Raynolds Rfi,d,t khả năng chịu lực của kết cấu tại thời điểm t trong điều kiện chịu lửa Rd cường độ tính toán trong điều kiện nhiệt độ thường T nhiệt độ Ti nhiệt độ của nút thứ i Tc nhiệt độ môi trường Tf nhiệt độ đám cháy Tg nhiệt độ luồng khí Tr nhiệt độ bức xạ Ts nhiệt độ bề mặt U công ảo của nội lực V thể tích của vật thể, công ảo của ngoại lực Vfi,t,Rd lực cắt cho phép trên tiết diện tại thời điểm t Vs diện tích tiết diện ngang của cấu kiện bị đốt nóng Các chữ cái Latin viết thường bf bề rộng bản cánh fp giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ thường fp,q giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ q fy giới hạn chảy của vật liệu thép ở nhiệt độ thường fy,q giới hạn chảy của vật liệu thép ở nhiệt độ q h chiều cao tiết diện, hệ số truyền nhiệt do đối lưu
viii hw chiều cao bản bụng [ke] ma trận truyền nhiệt của phần tử kE,q hệ số suy giảm mô đun đàn hồi của vật liệu thép ở nhiệt độ q kp,q hệ số suy giảm giới hạn chảy của vật liệu thép ở nhiệt độ q ky,q hệ số suy giảm giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ q l chiều dài q nhiệt lượng qfi tải trọng tác dụng trong điều kiện chịu lửa qconv nhiệt lượng do đối lưu qemi nhiệt lượng phát ra từ bề mặt qinc nhiệt lượng truyền đến bề mặt qrad nhiệt lượng do bức xạ qref nhiệt lượng phản xạ qtot nhiệt lượng tổng t thời gian [phút] tf chiều dày bản cánh tfi thời gian chịu lửa thực tế tfi,d thời gian chịu lửa thiết kế tw chiều dày bản bụng {u} vecto chuyển vị tại nút {w} vecto chuyển vị của một nút trong phần tử x,y,z tọa độ zi khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng tâm phần thứ i Các ký tự Hy lạp aa hệ số giãn nở vì nhiệt của thép as hệ số hấp thụ nhiệt của bề mặt cfi hệ số suy giảm do hiện tượng uốn dọc trong điều kiện chịu lửa clt,fi hệ số suy giảm do hiện tượng oằn vặn bên trong điều kiện chịu lửa s ứng suất, hằng số Stefan-Boltzmann
ix e biến dạng es hệ số phát xạ của bề mặt ep,q biến dạng tỷ đối ứng với giới hạn tỷ lệ ở nhiệt độ q ey,q biến dạng chảy tỷ đối ở nhiệt độ q et,q biến dạng tỷ đối giới hạn giai đoạn chảy ở nhiệt độ q eu,q biến dạng tỷ đối cực hạn ở nhiệt độ q {e}el vectơ biến dạng đàn hồi {e}cr vectơ biến dạng do từ biến {e}pl vectơ biến dạng dẻo {e}th vectơ biến dạng nhiệt {e}tt vectơ biến dạng tổng fi hệ số tầm nhìn, hàm thử gG hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện thường gGA hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa gQ,1 hệ số vượt tải của hoạt tải chính trong điều kiện thường gM,fi hệ số độ tin cậy của vật liệu thép trong điều kiện chịu lửa gM,1 hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện oằn vặn bên trong điều kiện chịu lửa k1 hệ số điều chỉnh trong trường hợp nhiệt độ phân bố không đều trên tiết diện k2 hệ số điều chỉnh trong trường hợp nhiệt độ phân bố không đều trên dọc chiều dài dầm hfi hệ số giảm tải trong điều kiện chịu lửa l hệ số dẫn nhiệt, hệ số dẻo la hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thép l lt ,q ,com độ mảnh của cấu kiện oằn vặn bên trong điều kiện chịu lửa l q ,max độ mảnh cấu kiện chịu nén đúng tâm bên trong điều kiện chịu lửa
x l max độ mảnh cấu kiện chịu nén đúng tâm bên trong điều kiện thường n hệ số Poisson ns vận tốc luồng khí nóng q nhiệt độ qa nhiệt độ trong cấu kiện thép qcr,d nhiệt độ tới hạn trong điều kiện chịu lửa r tỷ trọng y1 hệ số giảm tải của hoạt tải trong điều kiện chịu lửa y1,1 hệ số tổ hợp hoạt tải chính trong điều kiện chịu lửa y1,i hệ số tổ hợp hoạt tải phụ thứ i trong điều kiện chịu lửa x,h,z tọa độ Dl độ giãn dài
xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 2.1 Giá trị nhiệt độ các nút trên tiết diện B-B tại các thời điểm khảo sát …. 53 3.1 Giá trị các hệ số suy giảm mô đun đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ q …………………………....................... 62 3.2 Bảng tra hệ số bM …………………………............................................ 69 3.3 Kết quả tính khả năng chịu momen của dầm khi lớp vữa dày tbv=15mm tại thời điểm t=30 phút ………………………………………………… 75 3.4 Kết quả tính khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.2 theo Mfi,t,Rd ……… 75 3.5 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.2 theo quy trình SMD 76 3.6 Kết quả tính khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.3 theo Mfi,t,Rd ……… 77 3.7 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 3.3.3 theo quy trình SMD 78 3.8 Sự thay đổi các thông số của cột ví dụ 3.4.2 trong quá trình khảo sát … 79 3.9 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.2 (trường hợp 2 đầu khớp) ………………………………………………………………. 80 3.10 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.2 (trường hợp 1 đầu ngàm 1 đầu tự do) …………………………………………………. 80 3.11a Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.2 ………………. 81 3.11b Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 3.4.2 ……………. 81 3.12 Sự thay đổi các thông số của cột ví dụ 3.4.3 trong quá trình khảo sát … 82 3.13 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.3 (trường hợp 2 đầu khớp) ………………………………………………………………. 82 3.14 Kết quả tính khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.3 (trường hợp 1 đầu ngàm 1 đầu tự do) …………………………………………………. 83 3.15a Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 3.4.3 ………………. 83 3.15b Kết luận về khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 3.4.3 ……………. 84 4.1 Các kết quả thu được với dầm 2 đầu ngàm, L=8m, bọc vữa dày 25mm.. 106 4.2 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.1 theo mô phỏng …... 107 4.3 Kết luận khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.1 theo hai phương pháp . 109 4.4 Kết luận về khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.2 theo mô phỏng …... 114
xii 4.5 Kết luận khả năng chịu lực của dầm ví dụ 4.2.2 theo hai phương pháp . 116 4.6 Kết luận về khả năng chịu lực của cột ví dụ 4.2.3 theo mô phỏng ……. 123 4.7a Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 4.2.3 theo hai phương pháp ......................................................................................................... 124 4.7b Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 4.2.3 theo hai phương pháp ............................................................................................ 125 4.8 Kết luận về khả năng chịu lực của cột ví dụ 4.2.4 theo mô phỏng ……. 130 4.9a Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=0) ví dụ 4.2.4 theo hai phương pháp ......................................................................................................... 131 4.9b Kết luận khả năng chịu lực của cột (e=200) ví dụ 4.2.4 theo hai phương pháp ............................................................................................ 132
xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ 1.1a Sản phẩm thạch cao chống cháy …………………………...................... 09 1.1b Mặt cắt tấm thạch cao …………………………...................................... 09 1.2 Các hình thức bọc cấu kiện thép chịu lực bằng tấm thạch cao ………… 11 1.3 Cấu tạo tấm thạch cao dạng vách, tường ………………………………. 12 1.4 Cấu tạo ốp tấm thạch cao dạng hình hộp ………………………………. 12 1.5 Bọc hệ giàn thép bằng tấm thạch cao chống cháy (Bảo tàng Hà Nội) … 13 1.6 Thi công vữa chống cháy ……………………………………………… 14 1.7 Thi công bọc vữa chống cháy cho cột thép (Tổ hợp hóa dầu Long Sơn) 15 1.8 Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian theo mô hình cháy danh nghĩa ……….. 18 1.9 Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích nhận gió trên một mặt của không gian cháy ……………………………………... 18 1.10 Ví dụ về ảnh hưởng không đều của đám cháy trong một không gian cháy ……………………………………………………………………. 19 1.11 Các mô hình cháy được mô tả trong không gian mẫu của FDS ……….. 19 1.12 Kết quả biến thiên nhiệt độ trong một mô phỏng của ANSYS ………... 21 1.13 Mối quan hệ giữa tải trọng - nhiệt độ - thời gian trong kịch bản 3 ……. 24 2.1 Hiện tượng bức xạ trên bề mặt vật thể ………........................................ 37 2.2 Sự biến thiên hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ …... 39 2.3 Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ ……... 40 2.4 Sự biến thiên nhiệt dung riêng của vật liệu thép theo nhiệt độ ………... 41 2.5 Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu thép theo nhiệt độ ………....... 42 2.6 Mô hình vi phân thể tích khảo sát ………............................................... 43 2.7a Phần tử quy chiếu 3 chiều - dạng tứ diện ……….................................... 44 2.7b Phần tử quy chiếu 3 chiều - dạng lập phương ………............................. 45 2.8 Mô hình phần tử 6 mặt khảo sát ……….................................................. 45 2.9 Sự biến thiên nhiệt độ T từ bước thời gian n đến n+1 …………………. 49 2.10 Sơ đồ khối bài toán tính nhiệt độ theo phương pháp phần tử hữu hạn … 51
xiv 2.11 Tiết diện dầm ví dụ 1……….................................................................... 52 2.12 Số thứ tự chia nút trên dầm thép ví dụ 1 ................................................. 53 2.13 Kết quả sự phân bố nhiệt độ các nút trên tiết diện B-B tại t=300 giây.... 55 2.14 Sơ đồ và vị trí các điểm đo nhiệt độ trên cột thép ví dụ kiểm chứng ….. 56 2.15 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm W1-4 (bản bụng) theo thí nghiệm và theo DT3D ……………………………………………………………... 57 3.1 Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở một nhiệt độ cao q cho trước ………............................................................. 59 3.2 Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu thép tại các mức nhiệt độ khác nhau ………....................................................................... 61 3.3 Sự biến thiên các thông số đặc trưng cho sự làm việc của vật liệu thép theo nhiệt độ ………................................................................................ 63 3.4 Xác định vị trí trục trung hòa tiết diện chữ I …………………………... 64 3.5 Chiều dài tính toán của cột trong điều kiện chịu lửa trong sơ đồ giằng .. 66 3.6a Quy trình bài toán xác định khả năng chịu lực của dầm thép được bọc bảo vệ theo phương pháp đơn giản hóa ………………………………... 71 3.6b Quy trình bài toán xác định khả năng chịu lực của cột thép được bọc bảo vệ theo phương pháp đơn giản hóa ………………………………... 72 3.7 Tiết diện dầm thép trong mục 3.3.2 ……………………………………. 74 3.8 Nguyên tắc chia lưới phần tử trên tiết diện dầm được bọc bảo vệ …….. 74 3.9 Tiết diện dầm thép trong mục 3.3.3 ……………………………………. 77 3.10 Tiết diện cột thép trong mục 3.4.2 ……………………………………. 79 3.11 Tiết diện cột thép trong mục 3.4.3 ……………………………………. 82 4.1 Các thông số để xác định hệ số tầm nhìn fis ..………………………….. 87 4.2 Mối quan hệ ứng suất - biến dạng theo các mô hình ứng xử của vật liệu ngoài đàn hồi trong ANSYS .................................................................... 91 4.3 Khai báo sự biến thiên modun đàn hồi theo nhiệt độ trong ANSYS …. 94 4.4 Khai báo mô hình ứng xử MISO trong ANSYS ………………………. 94 4.5 Mô hình thí nghiệm dầm ......................................................................... 96
xv 4.6 Vị trí các điểm đo nhiệt độ trên dầm thí nghiệm ..................................... 96 4.7 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm F1 (bản cánh dưới), F3 (bản cánh trên) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS .…………………….. 97 4.8 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm W1 (bản bụng) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS ……………………………………………….. 97 4.9 Kết quả so sánh độ võng dầm theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS ………………………………………………………………… 98 4.10 Sơ đồ và vị trí các điểm đo nhiệt độ trên cột thép chèn gạch ………….. 99 4.11 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm F1-3 (bản cánh), F4-6 (bản cánh) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS …………………………… 99 4.12 Kết quả so sánh nhiệt độ tại điểm W1-3 (bản bụng), W4-6 (bản bụng) theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS …………………………… 100 4.13 Kết quả so sánh chuyển vị ngang của cột theo thí nghiệm và theo mô phỏng ANSYS …………………………………………………………. 100 4.14 Sự phân bố nhiệt độ trên phần dầm thép tại t = 120 phút ……………… 103 4.15 Mô hình biến dạng dầm thép tại t = 120 phút …………………………. 103 4.16 Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện dầm tại các thời điểm khảo sát …….. 104 4.17 Sự phân bố biến dạng trên tiết diện giữa dầm tại các thời điểm khảo sát 105 4.18 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu khớp …. 106 4.19 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu ngàm … 106 4.20 Kết quả nhiệt độ trong dầm ví dụ 4.2.1 theo ba cách tính ………........... 107 4.21 Sự phân bố nhiệt độ trên phần dầm thép tại t = 120 phút ……………… 110 4.22 Mô hình biến dạng dầm tại t = 120 phút ………………………………. 110 4.23 Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện dầm tại các thời điểm khảo sát …….. 111 4.24 Sự phân bố biến dạng trên tiết diện giữa dầm tại các thời điểm khảo sát 112 4.25 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu khớp …. 113 4.26 Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 2 đầu ngàm … 113 4.27 Kết quả nhiệt độ trong dầm ví dụ 4.2.2 theo ba cách tính ………........... 114 4.28 Sự phân bố nhiệt độ trên phần cột thép tại t = 120 phút ……………….. 117
xvi 4.29 Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện cột tại các thời điểm khảo sát ……… 118 4.30 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=30 phút ……... 119 4.31 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=60 phút ……... 119 4.32 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=90 phút ……... 120 4.33 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=120 phút ……. 120 4.34 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 2 đầu khớp …… 121 4.35 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 2 đầu khớp …............ 121 4.36 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1 đầu tự do ….............................................................................................. 122 4.37 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1 đầu tự do ………………………………………………………………………. 122 4.38 Kết quả nhiệt độ trong cột ví dụ 4.2.3 theo ba cách tính …..................... 124 4.39 Sự phân bố nhiệt độ trên phần cột thép tại t = 120 phút ……………….. 125 4.40 Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện cột tại các thời điểm khảo sát ……… 126 4.41 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=30 phút ……... 127 4.42 Chuyển vị ngang và chuyển vị thẳng đứng của cột tại t=60 phút ……... 127 4.43 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 2 đầu khớp …… 128 4.44 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 2 đầu khớp …............ 128 4.45 Mối quan hệ chuyển vị thẳng đứng - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1 đầu tự do ….............................................................................................. 129 4.46 Mối quan hệ chuyển vị ngang - thời gian của cột 1 đầu ngàm 1 đầu tự do ………………………………………………………………………. 129 4.47 Kết quả nhiệt độ trong cột ví dụ 4.2.4 theo ba cách tính …..................... 130
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế quốc dân đã làm cho các nhu cầu về chất lượng cuộc sống được nâng cao về mọi mặt. Bên cạnh đó, các hiểm họa vẫn luôn xảy ra với số lượng ngày càng nhiều, qui mô ngày càng lớn, đe dọa trực tiếp đến cuộc sống của con người. Đó là nạn ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước, tai nạn giao thông … và đặc biệt là các vụ cháy. Thực tế đã cho thấy rằng, các đám cháy (cháy rừng, cháy các công trình xây dựng dân dụng, cháy các khu hầm mỏ, cháy các khu công nghiệp …) đã gây ra những thiệt hại rất lớn về tính mạng và của cải vật chất. Mặc dù tỷ lệ chết do cháy nhà thấp hơn so với các loại tai nạn khác nhưng lại xảy ra với số lượng nhiều người một lúc, nên mức độ nguy hiểm của tai nạn cháy vẫn được xếp ngang với tai nạn máy bay và tai nạn động đất. Trên thế giới có thể kể ra nhiều vụ cháy nhà mang tính chất lịch sử như: - Năm 2001, hai tòa nhà Trung tâm thương mại thế giới (World Trade Center) bị khủng bố, hai chiếc máy bay dân dụng đã lần lượt đâm thẳng vào tòa nhà phía Bắc và tòa nhà phía Nam, gây nên vụ nổ lớn với nhiệt độ ở trung tâm vùng nổ là 1.200- 1.500oC, làm bung hoàn toàn lớp vật liệu chống cháy bao quanh hệ kết cấu thép chịu lực. Tòa nhà thứ nhất sụp đổ hoàn toàn sau 56 phút và toà nhà thứ hai cũng chỉ tồn tại thêm khoảng 30 phút nữa. - Năm 2004, vụ cháy kéo dài 17 giờ đã thiêu hủy toàn bộ 20 tầng trên cùng của Trụ sở làm việc cao 50 tầng ở Caracas, Venezuela. - Vụ cháy do chập mạch điện trong quá trình sử dụng đối với tòa nhà văn phòng Windsor Building cao nhất thủ đô Madrid, Tây Ban Nha (32 tầng với chiều cao tổng cộng 106m). Tại trung tâm vùng cháy, nhiệt độ lên tới 800oC, làm sập 6 tầng nhà và gây hư hại hoàn toàn cho hệ thống lưới cột-vách chịu lực chính. - Năm 2006, vụ cháy bắt nguồn từ một trong các phân xưởng của nhà máy thép lớn nhất nước Nga Magnitogorsk ở vùng núi Ural đã nhận chìm toàn bộ phần nhà xưởng với diện tích khoảng 1.000m2, làm 5 người bị chết và gây thiệt hại rất lớn về vật chất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sản xuất của nhà máy.
2 Ở Việt Nam, theo thống kê của Bộ Công an trong các năm gần đây, trung bình một năm xảy ra 2.200 vụ cháy (bao gồm cả cháy khu dân sự và cháy rừng), số người chết là 65 người/năm, số người bị thương là 180 người/năm, làm thiệt hại ước tính 745 tỷ/năm và 2.240ha rừng/năm [28]. Đáng kể là vụ cháy chợ Đồng Xuân 1995, vụ cháy New Century Tràng Thi 1999, vụ cháy trung tâm thương mại quốc tế ITC thành phố Hồ Chí Minh 2002 (60 người chết, 70 người bị thương, thiệt hại 32 tỷ đồng), vụ cháy chợ Vinh đầu năm 2006, vụ cháy chợ Lớn Quy Nhơn 2006, vụ cháy trung tâm thương mại Hải Dương 2013 thiệt hại hơn 500 tỷ đồng, … Chính do những thiệt hại lớn về sinh mạng và của cải vật chất nên vấn đề phòng chống cháy cho các công trình xây dựng là rất quan trọng. Việc an toàn phòng chống cháy nhằm vào hai mục đích chính: - Giảm tối đa những thiệt hại về sinh mạng con người trong các công trình bị cháy và các công trình lân cận. - Giảm các mất mát về của cải, tài chính trong các công trình bị cháy và giảm các ảnh hưởng tới các công trình lân cận. Để đạt hai mục đích trên, nhiều nước có chủ trương tăng chi phí phòng chống cháy để giảm thiệt hại về người và của. Nhiều tổ chức nghiên cứu về phòng chống cháy trên thế giới đã được thành lập như Công ty chống cháy công trình và vật liệu chịu lửa CE của Mỹ, Hiệp hội kết cấu thép của Anh, CTICM của Pháp, TNO của Hà Lan, Trung Quốc, Nhật Bản,….Các tài liệu, tiêu chuẩn qui định về phòng cháy, chữa cháy khi thiết kế các công trình xây dựng cũng được xuất bản: BS 5950, Part 8 - Code of practice for fire resistant design (Tiêu chuẩn Anh); EN 1993, Part 1.2 - General rules - Structural fire design; EN 1994, Part 1.2 - Composite steel and concrete structural fire design (Tiêu chuẩn Châu Âu); ASCE/SEI/SFPE 29-05, Standard calculation methods for structural fire protection (Tiêu chuẩn Mỹ)…. Ở Việt Nam, vấn đề này cũng rất được quan tâm, thể hiện ở số lượng các tiêu chuẩn, tài liệu liên quan đến kỹ thuật phòng chữa cháy cho các công trình xây dựng, ví dụ như: