Các Thông Số Đặc Trưng Cho Trạng Thái Làm Việc Của Vật Liệu Thép Ở

1.3. Kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy

1.3.1. Các đặc tính của vật liệu thép, vật liệu bêtông dưới tác động của nhiệt

độ cao [13]

a. Đặc tính của vật liệu thép dưới tác động của nhiệt độ cao

* Mối quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép ở nhiệt độ cao:

Các loại vật liệu xây dựng đều giảm cường độ và độ cứng khi chúng chịu nhiệt độ cao của đám cháy. Đối với thép, cường độ bắt đầu giảm ở nhiệt độ trên 3000C và giảm theo một tốc độ ổn định đến khoảng 8000C. Thực tế thép chỉ còn khoảng 23% cường độ ban đầu ở 7000C, 11% cường độ ban đầu ở 8000C, 6% cường độ ban đầu ở 9000C, phần cường độ còn lại sẽ tiếp tục giảm dần đến khi xuất hiện hiện tượng chảy lỏng ở 15000C, toàn bộ quá trình này được thể hiện ở đường cong ứng suất – biến dạng. Để xây dựng các đường cong thể hiện mối quan hệ của ứng suất – biến dạng của thép ở một nhiệt độ nhất định, người ta xuất phát từ phương trình thể hiện trạng thái làm việc đàn hồi tuyến tính của thép, từ đó dựa trên một loạt các thí nghiệm điều chỉnh ở dạng tiếp tuyến với phần ellipse mà tại đó hệ số góc của nó bằng 0. Dạng đường cong và các thông số điển hình đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở một nhiệt độ cao  cho trước thể hiện trên hình 1.7.

Trong đó:

fy, : giới hạn chảy hiệu quả fp, : giới hạn tỷ lệ

Ea, : độ dốc của đồ thị trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính

p, : biến dạng ứng với giai đoạn tỷ lệ

y, : biến dạng chảy

t, : biến dạng giới hạn trong giai đoạn chảy

u, : biến dạng cực hạn trong vật liệu

Ea,= tan



f y,

f p,



 p,  y,  t,  u, 

Hình 1.7: Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở

một nhiệt độ  cho trước [13]

øng suÊt (N/mm2)

200 C

2000C

3000C

4000C

500 C

6000C

7000C

8000C

300

250

200

150

100

0 0,5 1,0 1,5 2,0

BiÒn d¹ng (%)

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép trong điều kiện chịu nhiệt độ cao theo EC [13]

Mục đích của việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu thép khi chịu tác động của cháy là xác định cường độ thiết kế cho vật liệu hay xác định độ giảm cường độ so với cường độ của vật liệu làm việc trong điều kiện bình

thường. Dựa vào các kết quả nghiên cứu thu được, EC đã đưa ra giá trị các hệ số suy giảm môđun đàn hồi kE,, giới hạn chảy ky, và giới hạn tỷ lệ kp, của vật liệu thép ở một nhiệt độ  nhất định, theo bảng và hình sau:

Bảng 1.1: Giá trị các hệ số suy giảm môđun đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ  [13]

Nhiệt độ  (0C)

kE,= Ea,/Ea	ky,= fay,/fay	kp,= fap,/fap
20	1,0000	1,00	1,0000
100	1,0000	1,00	1,0000
200	0,9000	1,00	0,8070
300	0,8000	1,00	0,6130
400	0,7000	1,00	0,4200
500	0,6000	0,78	0,3600
600	0,3100	0,47	0,1800
700	0,1300	0,23	0,0750
800	0,0900	0,11	0,0500
900	0,0675	0,06	0,0375
1000	0,0450	0,04	0,0250
1100	0,0225	0,02	0,0125
1200	0,0000	0,00	0,0000

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 113 trang tài liệu này.

* Hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép

EC xem độ giãn dài tương đối l/l của kết cấu ở một nhiệt độ nhất định từ 200C đến nhiệt độ dưới ngưỡng của sự đổi pha của thép là một hàm nhiệt độ: l/l = 1,2.10-5a + 0,4.10-8a2 – 2,416.10-4

Trong đó:

l : là chiều dài ban đầu ở nhiệt độ 200C của cấu kiện khảo sát

a : là nhiệt độ của thép tại thời điểm khảo sát (0C)

Khi 7500C  a  8600C thì l/l = 1,1.10-2

Khi 8600C  a  12000C thì l/l = 2.10-5a – 6,2.10-3

Trong hầu hết các phương pháp tính toán độ bền chịu lửa đơn giản, sự giãn nở vì nhiệt thường được bỏ qua. Tuy nhiên cũng có một số trường hợp, ví dụ như kết cấu dầm thép liên kết để đỡ bản sàn bêtông ở cánh trên, sự chênh lệch giãn nở vì nhiệt giữa cánh trên và cánh dưới dầm (do cánh trên có sự bảo vệ của sàn bêtông, có tác dụng ngăn cản sự biến dạng và làm tiêu tan nhiệt) sẽ gây nên một biến dạng nhiệt đáng kể cho tiết diện.

Vì vậy, khi áp dụng một loại kết cấu mới mới, rất cần nghiên cứu đến sự giảm bớt quá trình giãn nở vì nhiệt của kết cấu thép trong điều kiện chịu nhiệt độ cao khi có sử dụng các hình thức cách nhiệt, nó sẽ dẫn đến một sự ứng xử nhiệt hoàn toàn khác so với sự làm việc của cấu kiện thép không được bảo vệ. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các kết cấu liên hợp thép – bêtông.

l / l).103

0 20

200

400

600

800

1000

1200

a( 0C)

Hình 1.9: Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của thép theo nhiệt độ [13]

* Nhiệt dung riêng của vật liệu thép:

Nhiệt dung riêng của thép là nhiệt lượng lưu giữ trong một đơn vị khối lượng của thép để tăng 10C hay 1K. Vật liệu có nhiệt dung riêng càng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ (tăng lên để vật liệu hấp thụ một năng lượng nhiệt cho trước hoặc giảm đi để tỏa ra một lượng nhiệt cho trước) càng nhỏ. EC đã đưa ra biểu đồ mô tả mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ như sau:

a(W/mK)

a(0C)

0 20

200

400

600

800

1000

1200

Hình 1.10: Sự biến thiên dẫn nhiệt của thép theo nhiệt độ (theo EC) [13]

Khi 200C  a  6000C thì:

Ca = 425 + 7,73.10-1a - 1,6.10-3a2 + 2,2.10-6a3 (J/kgK)

Khi 6000C  a  7350C thì: Ca = 666 + 13002/(1-a) (J/kgK) Khi 7350C  a  9000C thì: Ca = 545 + 17820/(a - 731) (J/kgK) Khi 9000C  a  12000C thì: Ca = 650 (J/kgK)

Để đơn giản, một trị số trung bình bằng 600J/kgK được lấy là giá trị đặc trưng trong các công thức tính toán đối với vật liệu thép.

* Tính dẫn nhiệt của vật liệu thép:

Tính dẫn nhiệt (a) được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích tiết diện ngang của vật liệu trong một đơn vị thời gian tương ứng với một đơn vị nhiệt (tức là 10C hoặc 1K thay đổi trên một đơn vị chiều dài). Thông số này ít quan trọng hơn đối với thép so với các vật liệu bảo vệ bởi tính dẫn nhiệt của thép rất lớn, lớn hơn 50 lần so với bêtông và 500 lần so với

xi măng khoáng (một loại vật liệu bảo vệ điển hình). Mặc dù tính dẫn nhiệt cũng biến thiên theo nhiệt độ:

Khi 200C  a  8000C thì: a = 54 – 3,33 10-2a (W/mK) Khi 8000C  a  12000C thì: a = 27,3 (W/mK)

Nhưng EC sử dụng một giá trị không đổi là 45 W/mK cho các tính toán đơn giản.

b. Đặc tính của vật liệu bêtông dưới tác dụng của nhiệt độ cao

* Cường độ của bêtông:

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

øng suÊt t−¬ng ®èi

200 C

2000C

4000C

6000C

8000C

c (t)

fc (200C)

0,1

10000C

1 2

BiÒn d¹ng (%)

3 4

Hình 1.11: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bêtông trong

điều kiện chịu nhiệt độ cao [13]

Bêtông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, dạng của đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bêtông ở những nhiệt độ khác nhau (hình 1.11) thì có sự khác biệt đáng kể so với biến dạng của biểu đồ vật liệu thép. Tất cả các đường cong này đều đạt cường độ chịu

nén cao hơn giới hạn đàn hồi hiệu quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi xuống. Trong trường hợp này, khả năng chịu kéo của bêtông cũng xem như bằng 0.

Đối với bêtông thường, bêtông nặng giá trị cường độ đạt được ở mức thấp hơn, nhất là đối với bêtông dùng cốt liệu silicat. Tuy nhiên để thiên về an toàn, người ta cũng áp dụng luôn kết quả này cho bêtông dùng cốt liệu đá vôi. Còn đối với EC, tương tự như đối với vật liệu thép, giá trị các hệ số suy giảm khả năng chịu nén kc, và biến dạng cực hạn cu, tương ứng với ứng suất fc, của vật liệu bêtông ở một nhiệt độ  nhất định cũng được thể hiện theo bảng:

Bảng 1.2: Hệ số suy giảm khả năng chịu nén và biến dạng cực hạn của bêtông ở nhiệt độ  [13]

Nhiệt độ  (0C)

kc,= fc,/fc		cu, (Bêtông thường)
Bêtông thường	Bêtông nhẹ	cu, (Bêtông thường)
20	1,000	1,000	0,0025
100	1,000	1,000	0,0040
200	0,950	1,000	0,0055
300	0,850	1,000	0,0070
400	0,750	0,880	0,0100
500	0,600	0,760	0,0150
600	0,450	0,640	0,0250
700	0,300	0,052	0,0250
800	0,150	0,040	0,0250
900	0,008	0,028	0,0250
1000	0,004	0,016	0,0250
1100	0,001	0,004	0,0250
1200	0,000	0,000	0,0000

Một điều kiện khá quan trọng khi nghiên cứu sự làm việc của bêtông sau khi giảm nhiệt độ về nhiệt độ thường thì bêtông không đạt được cường độ chịu nén như ban đầu. Mức độ của quá trình giảm cường độ này sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ lớn nhất mà bêtông phải chịu trong giai đoạn trước đó. Thông thường, giá trị cường độ tại một nhiệt độ c nào đó (200C< c < c max) sẽ được xác định bằng phép nội suy tuyến tính giữa cường độ tại c max và cường độ tại

nhiệt độ phòng 200C.

C−êng ®é chÞu nÐn (MPA)

max = 7000C

(1)

(3)

(2)

(4)

0 0,005

0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035

BiÒn d¹ng (%)

(1): Biểu đồ  -  ở nhiệt độ thường 200C

(2): Biểu đồ  -  ở 200C khi hạ nhiệt độ từ 7000C (3): Biểu đồ  -  khi đốt nóng đến 4000C

(4): Biểu đồ  -  ở 4000C khi hạ nhiệt độ từ 7000C

Hình 1.12: Độ giảm cường độ chịu nén của vật liệu bêtông khi hạ nhiệt độ về nhiệt độ thường [13]

Như vậy, bêtông giảm cường độ ở nhiệt độ cao chậm hơn so với thép nên tạo ra sự cách nhiệt tương đối tốt cho cốt thép hoặc các phần kết cấu thép mà nó bao bọc. Tuy nhiên ảnh hưởng lớn nhất của bêtông là khi chịu lửa sẽ