Sự Biến Thiên Khả Năng Giãn Nở Vì Nhiệt Của Vật Liệu Bêtông Theo Nhiệt

xuất hiện hiện tượng nứt, vỡ lớp bêtông bảo vệ, nhất là khi lửa cháy có kèm theo nổ thì sự phá vỡ dần dần của bêtông sẽ làm lộ rò cốt thép hoặc kết cấu thép trực tiếp tiếp xúc với ngọn lửa, rất bất lợi cho kết cấu. Vì vậy, mức độ tăng nhiệt và giảm cường độ của cốt thép và kết cấu thép sẽ xác định khả năng chịu lửa của bêtông. Điều đó có nghĩa là độ dày của lớp bêtông bảo vệ theo lý thuyết phải được xác định theo từng giai đoạn chịu nhiệt.

* Các đặc tính khác của bêtông:

Sự giãn nở vì nhiệt của bêtông tăng theo nhiệt độ. Quá trình chuyển pha của bêtông xảy ra ở nhiệt độ 7000C, khi đó sự giãn nở vì nhiệt trong bêtông ngưng hoàn toàn, đường cong thể hiện mối quan hệ giữa hệ số giãn nở vì nhiệt và nhiệt độ trong bêtông được thể hiện ở hình 1.13

HÖ sè gi·n në v× nhiÖt/0C (x10-5)

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

NhiÖt ®é (0C)

Hình 1.13: Sự biến thiên khả năng giãn nở vì nhiệt của vật liệu bêtông theo nhiệt độ [13]

Khả năng truyền nhiệt của bêtông phụ thuộc vào khả năng truyền nhiệt của các thành phần bao gồm hàm lượng nước, dạng cốt liệu, tỷ lệ trộn và loại

xi măng. Trong đó, dạng cốt liệu có ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng truyền nhiệt của bêtông khô.

Bên cạnh đó, hàm lượng nước trong bêtông cũng làm tăng khả năng truyền nhiệt. Trong thực tế, khả năng truyền nhiệt của bêtông là một hàm của nhiệt độ (đối với cả bêtông thường và bêtông nhẹ). Để đơn giản cho tính toán, EC cho phép sử dụng một giá trị không đổi cho thông số này kc=1,6W/mK.

TÝnh dÉn nhiÖt



		Gi¸ trÞ kh«ng ®æi 1,6(W/m0 C)

					NC
					LC

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 113 trang tài liệu này.

(W/m0 C)

0 200

400

600

800

1000

1200

NhiÖt ®é (0C)

Hình 1.14: Sự biến thiên tính dẫn nhiệt của vật liệu bêtông theo nhiệt độ [13]

NhiÖt dung riªng (J/kg0 C)


								NC
				Gi¸ trÞ kh«ng ®æi 1000 (J/kg0 C)
								LC

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0

200

400

600

800

1000

1200

NhiÖt ®é (0C)

Hình 1.15: Sự biến nhiệt dung riêng của vật liệu bêtông theo nhiệt độ [13]

Nhiệt dung riêng của bêtông cũng phụ thuộc vào thành phần cốt liệu, tỷ lệ trộn và hàm lượng nước. Thành phần cốt liệu có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt là trong trường hợp bêtông cốt liệu đá vôi, nhiệt dung riêng tăng đột ngột do có sự thay đổi về mặt hóa học của đá vôi ở nhiệt độ khoảng 8000C. Hàm lượng nước cũng đóng vai trò quan trọng, ở những trạng thái nhiệt độ lớn hơn 2000C nhiệt dung riêng của bêtông ướt lớn gấp 2 lần so với bêtông khô. EC cũng sử dụng một giá trị không đổi đối với nhiệt độ cho bêtông thường Cc = 1000 J/kgK.

1.3.2. Ứng xử của kết cấu dưới tác động của nhiệt độ cao [8]

Khi kết cấu chịu cháy, ngoài nội lực do tải trọng gây ra trong kết cấu, sự giãn nở do nhiệt độ cao còn gây ra sự phân phối nội lực rất lớn. Với cấu kiện đơn lẻ, ảnh hưởng của sự giãn dài do nhiệt độ cao có thể xác định rò ràng. Song với kết cấu gồm nhiều cấu kiện, sự tác động do biến dạng nhiệt này có khi không xác định được nếu không có phần mềm phân tích chuyên sâu. Sự làm việc của kết cấu khi ở nhiệt độ cao có thể khác hẳn với trạng thái làm việc của kết cấu khi ở nhiệt độ thường. Do vậy, việc phân tích có kể đến biến dạng do nhiệt rất cần được chú trọng.

Kết cấu bêtông cốt thép được xếp vào loại chịu lửa tốt. Song thống kê cho thấy rất nhiều công trình bằng bêtông cốt thép cũng sụp đổ do cháy. Đó chính là do tính giòn của vật liệu bêtông. Kết cấu bêtông cốt thép thường mất khả năng chịu lực do lớp bêtông bên ngoài bị nứt vỡ bong ra làm tiết diện cấu kiện bị nhỏ đi và lớp cốt thép bên trong không được bảo vệ. Sự giãn nhiệt của sàn bêtông cốt thép không những ảnh hưởng đến kết cấu sàn mà còn ảnh hưởng đến cột liên kết với sàn. Sự chuyển dịch của kết cấu sàn - cột làm cho cột chịu ứng suất cắt rất lớn và cột có thể bị phá hoại do cắt (khác hẳn với cơ chế phá hoại của cột ở nhiệt độ thường). Tùy theo sự phân bố của tải trọng và độ cứng của các cấu kiện, khung bêtông cốt thép có thể bị phá hoại do cắt

hoặc do mất ổn định của dầm khi độ vòng của sàn lớn, có thể bị phá hoại do cắt hoặc do mất ổn định của cột, thậm chí có thể bị phá hoại liên kết do lực cắt. Cả ba cách thức phá hoại khung bêtông cốt thép (dầm trước, cột trước hay liên kết trước) đều liên quan đến lực cắt phát sinh do chuyển dịch ngang bởi giãn nở nhiệt của bản sàn.

Kết cấu thép thường mảnh hơn kết cấu bêtông và độ dẫn nhiệt của thép lớn hơn rất nhiều so với bêtông. Dạng phá hoại của khung thép khi chịu cháy thường là do bị ép, mất ổn định tổng thể, uốn hay mất ổn định xoắn với cột, mất ổn định cục bộ hoặc do uốn đối với dầm, do cắt hoặc mất ổn định cục bộ đối với liên kết. Sự giãn nở theo phương ngang của kết cấu thép nhỏ hơn so với bêtông vì vật liệu thép có tính đàn dẻo, dầm và bản sàn bị vòng nhiều hơn và chuyển dịch ngang của liên kết ít hơn. Do vậy cách thức phá hoại của khung thép trái hẳn với cách thức phá hoại của khung bêtông cốt thép: dầm, sàn bị phá hoại trước cột.

Kết cấu liên hợp thép - bêtông, bêtông còn đóng vai trò làm lớp vật liệu bảo vệ, làm chậm quá trình tăng và lan truyền nhiệt trong kết cấu thép, làm cho kết cấu có khả năng chịu lực lớn hơn. Chính sự kết hợp này đã làm nổi bật rò những ưu điểm vượt trội, hạn chế tối đa các nhược điểm của hai loại vật liệu trên trong quá trình sử dụng

1.3.3. Các phương pháp thí nghiệm xác định khả năng chịu cháy của cấu kiện kết cấu công trình

Các cấu kiện được thí nghiệm trong lò đốt tiêu chuẩn, có lò ngang để thí nghiệm dầm, sàn và lò đứng để thí nghiệm cột, tường. Cấu kiện kết cấu thường được thí nghiệm trong điều kiện chịu tải. Tải trọng tác dụng lên kết cấu khi xảy ra cháy luôn luôn nhỏ hơn tải trọng ở nhiệt độ thường do hệ số vượt tải nhỏ hơn.

Trong quá trình thí nghiệm, nhiệt độ tại một số điểm trên cấu kiện được đo dẫn đến các máy tính nhờ các thermocouples đặt sẵn trong cấu kiện trong quá trình chế tạo. Nhiệt độ xung quanh cấu kiện (trong buồng đốt) được đo bằng các thermoplates.

Hình 1.16: Lò đốt tiêu chuẩn [8]

1.3.4. Các phương pháp tính toán khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép

– bêtông trong điều kiện cháy: [13]

Theo Eurocode 4 thì để đánh giá sự làm việc việc của kết cấu liên hợp trong quá trình chịu cháy thì có thể dùng một trong ba phương pháp như sau:

- Phương pháp tra bảng: Dựa vào kết quả thiết kế theo bảng cho sẵn cho từng loại cấu kiện kết cấu dầm, sàn, cột.

- Phương pháp tính toán theo mô hình đơn giản: tính toán cho từng loại cấu kiện (Trình bày trong chương II)

- Phương pháp tính toán theo mô hình tiên tiến: có thể tính toán tổng thể cho toàn bộ kết cấu, cho từng phần của kết cấu hoặc cho từng loại cấu kiện. Phương pháp này thường phụ thuộc vào khả năng của phần mềm phân tích kết cấu có hay không kể đến: biến dạng nhiệt, ứng suất dư, tính phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học... Luận văn này trình bày phương pháp tính toán theo mô hình tiên tiến sử dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAFIR.

CHƯƠNG II:

XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP

– BÊTÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY

2.1. Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện liên hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy theo phương pháp tính đơn giản hóa của tiêu chuẩn Eurocodes (EN 1994 -1-2) [13]

2.1.1. Tải trọng tác dụng

Thực tế đã chứng minh rằng xác suất để đám cháy lớn sinh ra, tồn tại đồng thời với mật độ tải trọng lớn tác dụng lên kết cấu là nhỏ. Eurocode 4 phần 1.2 đã giới thiệu nguyên tắc xác định tải trọng tính toán trong trường hợp kết cấu làm việc chịu lửa. Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa được chia làm 3 loại chính:

- Tải trọng thường xuyên (Gk): khi tính toán chịu lửa, Gk vẫn được xét đến một cách nguyên vẹn, không điều chỉnh.

- Hoạt tải (Qk): vì lửa được xét là một tác động có tính tai nạn đối với kết cấu xây dựng nên giá trị hoạt tải được giảm đi bằng cách nhân Qk với một hệ số tổ hợp 1 có trị số biến thiên từ 0,5 đến 0,9, phụ thuộc vào chức năng sử dụng của công trình.

- Các tác động gián tiếp do lửa gây ra (Ad)

Để xét đến ảnh hưởng tác động của các dạng tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa, người ta sử dụng hệ số giảm tải fi, được định nghĩa:

fi = Efi,d / Ed

Ed : là giá trị nội lực tồn tại trong kết cấu trong điều kiện chịu lực bình thường

Efi,d : là giá trị nội lực khi tính toán kết cấu trong điều kiện chịu lửa Trong nhiều trường hợp, khi xét ở một thời điểm cụ thể fi được ký

hiệu là fi,t được xác định như sau:

fi,t = Efi,d,t / Rd

Rd : là cường độ tính toán của vật liệu tại điều kiện nhiệt độ bình thường

Efi,d, t : là giá trị nội lực khi tính toán kết cấu ở thời điểm t trong điều kiện chịu lửa

Thông thường, giá trị này khi biểu thị theo các thành phần tải trọng, được xác

định theo công thức sau:

 GA .Gk 1,1Qk ,1

 

Trong đó:

 G .Gk

  Q

,1Qk ,1

Gk : là giá trị đặc trưng của tải trọng thường xuyên

Qk,1 : là giá trị hoạt tải chính

GA : là hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa, GA = 1

G : là hệ số vượt tải của tải trọng thường xuyên trong điều kiện thường, G = 1,35

Q,1 : là hệ số vượt tải của hoạt tải chính trong điều kiện chịu thường,

Q,1 = 1,5

1,1 : là hệ số tổ hợp khi xét đến xác xuất tồn tại của hoạt tải chính cùng với tải trọng thường xuyên trong điều kiện chịu lửa, 1,1= 0,5 – 0,9

Trong điều kiện chịu lửa, gió chỉ đóng vai trò là tác nhân ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cháy của ngọn lửa chứ không được xét đến như một dạng tải trọng tải tác dụng lên kết cấu.

2.1.2. Các nguyên tắc tính toán cơ bản

Các cấu kiện khi được tính toán theo yêu cầu chống cháy đều phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn sau:

* Tiêu chuẩn về tính kín (E): các vết nứt, các lỗ hổng không được phép xuất hiện trong kết cấu vì chúng có thể cho nguồn lửa hay khí nóng truyền qua.

* Tiêu chuẩn về cách nhiệt (I): nhiệt độ trên bề mặt của các cấu kiện riêng biệt không lộ trong lửa không được vượt quá nhiệt độ bốc cháy.

* Tiêu chuẩn về khả năng chịu lực (R): các cấu kiện phải đảm bảo khả năng chịu lực trong suốt thời gian chịu lửa yêu cầu.

Về nguyên tắc tính toán, khi kể đến cả ba tiêu chuẩn này, người ta có thể xử lý thông tin theo ba cách sau:

* Thời gian chịu lửa thiết kế kết cấu phải lớn hơn thời gian chịu lửa mà thực tế yêu cầu tfi,d ≥ tfi

* Tại một thời điểm t cho trước trong điều kiện chịu lửa, khả năng chịu

lực của kết cấu phải lớn hơn tải trọng thực tế tác dụng lên nó Rfi,d,t ≥ Efi,d,t

* Nhiệt độ tới hạn của kết cấu theo thiết kế phải lớn hơn nhiệt độ mà kết cấu đạt tới trong điều kiện chịu lửa thực tế cr,d ≥ 

Về công cụ thực hiện, tùy thuộc vào trạng thái làm việc của cấu kiện và

công năng sử dụng của công trình mà có thể sử dụng một trong ba phương pháp sau:

* Phương pháp tính toán đơn giản, dùng cho các cấu kiện điển hình.

* Thiết lập phương trình tính, kết quả được thể hiện thông qua các bảng dữ liệu, dùng cho các cấu kiện điển hình.

* Phương pháp tính toán tiên tiến: kể tới các yếu tố biến dạng nhiệt, ứng suất dư, tính phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học ...để phân tích sự làm việc thực tế của một kết cấu tổng thể

Trong phạm vi luận văn, tác giả chỉ đề cập đến Tiêu chuẩn về khả năng chịu lực (R):