Luận văn Ứng xử của dầm bê tông cốt thép chịu lửa

iBỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HỒ CHÍ MINH -------------------------------- VÕ ĐỨC THỊNH ỨNG XỬ CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU LỬA Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.KS. ĐÀO ĐÌNH NHÂN TP. Hồ Chí Minh 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 9 năm 2020 Võ Đức Thịnh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Đào Đình Nhân đã giúp đỡ, hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Xây Dựng của trường Đại Học Kiến Trúc Thành Phố Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn. Vì kiến thức và thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 9 năm 2020 Võ Đức Thịnh iii TÓM TẮT Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về khả năng chịu tải trọng hình tam giác của dầm bê tông cốt thép một nhịp hai đầu ngàm trong điều kiện cháy, sử dụng tiêu chuẩn EN 1992-1-2 để tính toán. Người viết sử dụng phần mềm COMSOL để mô phỏng quá trình truyền nhiệt theo thời gian trong mặt cắt dầm bê tông cốt thép trong hai trường hợp: có và không có lớp chống cháy. Chia mặt cắt dầm thành những lớp có nhiệt độ khác nhau, để xác định được tính chất cơ lý của vật liệu theo tiêu chuẩn EN 1992. Mô phỏng cấu kiện dầm bằng phần mềm OpenSees để thực hiện phân tích khả năng chịu lực của các mặt cắt cũng như toàn bộ dầm bê tông cốt thép. Từ những kết quả thu được, ta có thể thấy được sự khác biệt về khả năng chịu lực theo thời gian cháy trong trường hợp thép chịu lực nằm trên và nằm dưới. Đồng thời vẽ được biểu đồ tải trọng cực hạn của dầm bê tông cốt thép theo thời gian trong trường hợp có lớp chống cháy và không có lớp chống cháy. Từ đó thấy được sự quan trọng của lớp chống cháy đối với dầm bê tông cốt thép trong trường hợp có hỏa hoạn xảy ra. iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii TÓM TẮT ...................................................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................... iv DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................vii DANH SÁCH CÁC HÌNH ................................................................................. viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .................................................... xi CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1 1.1. Giới thiệu ................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 2 1.3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................. 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 3 1.5. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 3 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI ......................................................................................... 5 2.1. Nghiên cứu trên thế giới ............................................................................ 5 2.2. Nghiên cứu trong nước .............................................................................. 9 2.3. Nhận xét ................................................................................................... 13 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................... 14 3.1. Nguyên tắc thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu lửa theo EN 1992 .... 14 3.1.1. Các phương pháp tính toán ................................................................. 14 3.1.2. Đường gia nhiệt tiêu chuẩn ................................................................. 15 3.1.3. Tổ hợp hệ quả của các tác động khi chịu lửa ...................................... 15 v 3.1.4. Các tiêu chí về khả năng chịu lửa và nguyên tắc kiểm tra theo tiêu chí chịu lực ................................................................................................ 16 3.1.5. Sự suy giảm tính năng chịu lực của vật liệu ở nhiệt độ cao ................ 16 3.1.6. Sự phân bố nhiệt độ trong dầm BTCT ................................................ 17 3.1.7. Phương pháp tra bảng tính toán dầm BTCT ở nhiệt độ cao ................ 18 3.1.8. Phương pháp đường đẳng nhiệt 500◦C tính toán dầm BTCT ở nhiệt độ cao ....................................................................................................... 20 3.2. Tổng quan về OpenSees .......................................................................... 21 3.2.1. Mô hình vật liệu đàn hồi – dẻo lý tưởng ............................................. 22 3.2.2. Vật liệu bê tông ................................................................................... 22 3.2.3. Phân tích ứng của của tiết diện bằng phương pháp chia thớ ............... 22 CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH SỐ ........................................................................... 24 4.1. Số liệu đầu vào ......................................................................................... 24 4.1.1. Môi trường ........................................................................................... 24 4.1.2. Chi tiết cấu kiện ................................................................................... 24 4.1.3. Vật liệu ................................................................................................ 24 4.2. Phân tích quá trình truyền nhiệt trong dầm bằng phần mềm COMSOL . 25 4.2.1. Mô hình dầm chịu lửa ......................................................................... 25 4.2.2. Kết quả phân tích nhiệt độ ................................................................... 27 4.3. Các đặc trưng cơ lý của vật liệu ở nhiệt độ cao ....................................... 31 4.3.1. Vật liệu bê tông ................................................................................... 31 4.3.2. Vật liệu thép ........................................................................................ 35 4.4. Khả năng chịu moment của tiết diện ....................................................... 37 4.4.1. Kết quả phân tích ................................................................................. 39 vi 4.4.2. Nhận xét .............................................................................................. 45 4.5. Khả năng chịu tải của cấu kiện dầm một nhịp – hai đầu ngàm ............... 46 4.5.1. Dầm một nhịp – hai đầu ngàm ............................................................ 46 4.5.2. Thiết kế dầm D1 .................................................................................. 47 4.5.3. Mô hình số của dầm D1 ...................................................................... 49 4.5.4. Khả năng chịu lực cực hạn của dầm không có lớp vữa chống cháy ... 50 4.5.5. Khả năng chịu lực cực hạn của dầm có lớp vữa chống cháy .............. 53 4.5.6. Kiểm tra khả năng chịu lửa của dầm theo tiêu chuẩn EN 1992 và đối chiếu với yêu cầu của QCVN 06:2020 ................................................ 57 4.5.7. Nhận xét .............................................................................................. 59 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 61 5.1. Kết luận .................................................................................................... 61 5.2. Kiến nghị ................................................................................................. 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1 – Các phương pháp thiết kế kết cấu chịu lửa ........................................ 14 Bảng 3.2 – Kích thước tối thiểu của dầm BTCT một nhịp ................................... 19 Bảng 3.3 – Kích thước tối thiểu của dầm BTCT nhiều nhịp liên tục ................... 19 Bảng 4.1 – Các hệ số suy giảm ứng suất – biến dạng của bê tông theo nhiệt độ . 32 Bảng 4.2 – Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông ở nhiệt độ cao ..................................... 34 Bảng 4.3 – Các chỉ tiêu cơ lý của cốt thép ở nhiệt độ cao .................................... 36 Bảng 4.4 – Moment cực hạn theo thời gian của tiết diện 1 (không có lớp vữa chống cháy) .......................................................................................................................... 40 Bảng 4.5 – Moment cực hạn theo thời gian của tiết diện 2 (không có lớp vữa chống cháy) .......................................................................................................................... 40 Bảng 4.6 – Moment cực hạn theo thời gian của tiết diện 1 (có lớp vữa chống cháy) ................................................................................................................................... 43 Bảng 4.7 – Moment cực hạn theo thời gian của tiết diện 2 (có lớp vữa chống cháy) ................................................................................................................................... 43 Bảng 4.8 – Tải trọng tác dụng lên sàn .................................................................. 47 Bảng 4.9 – Moment cực hạn theo thời gian của mặt cắt tại gối của dầm D1 (Không có lớp vữa chống cháy) ............................................................................................. 50 Bảng 4.10 – Moment cực hạn theo thời gian của mặt cắt tại nhịp của dầm D1 (Không có lớp vữa chống cháy) ................................................................................ 50 Bảng 4.11 – Moment cực hạn theo thời gian của mặt cắt tại gối của dầm D1 (có lớp vữa chống cháy) .................................................................................................. 53 Bảng 4.12 – Moment cực hạn theo thời gian của mặt cắt tại nhịp của dầm D1 (có lớp vữa chống cháy) .................................................................................................. 54 Bảng 4.13 – Phân phân loại khả năng chống cháy của dầm D1 ........................... 57 Bảng 4.14 - Giới hạn chịu lửa của dầm bê tông cốt thép ..................................... 58 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 3.1 – Đặc trưng cơ lý của bê tông ở nhiệt độ cao ....................................... 17 Hình 3.2 – Đặc trưng cơ lý của cốt thép ở nhiệt độ cao ...................................... 17 Hình 3.3 – Phân bố nhiệt độ trên 1/4 tiết diện dầm ............................................. 18 Hình 3.4 – Tiết diện ngang suy giảm của dầm BTCT ......................................... 21 Hình 4.1 – Thông số vật liệu của tiết diện bê tông .............................................. 25 Hình 4.2 – Thông số vật liệu của lớp vữa chống cháy ........................................ 26 Hình 4.3 – Thông số truyền nhiệt trong cấu kiện ................................................ 27 Hình 4.4 – Đường đẳng nhiệt trong mặt cắt dầm tại t = 30p và t = 60p .............. 27 Hình 4.5 – Đường đẳng nhiệt trong mặt cắt dầm tại t = 90p và t = 120p ............ 28 Hình 4.6 – Đường đẳng nhiệt trong mặt cắt dầm tại t = 150p và t = 180p .......... 28 Hình 4.7 – Sự tương đồng giữa đường đẳng nhiệt do phân tích bằng COMSOL và đường đẳng nhiệt trong EN 1992 .............................................................................. 29 Hình 4.8 – Đường đẳng nhiệt trong mặt cắt dầm tại t = 30p và t = 60p .............. 29 Hình 4.9 – Đường đẳng nhiệt trong mặt cắt dầm tại t = 90p và t = 120p ............ 30 Hình 4.10 – Đường đẳng nhiệt trong mặt cắt dầm tại t = 150p và t = 180p ........ 30 Hình 4.11 – Hệ số suy giảm cường độ bê tông kc ............................................... 31 Hình 4.12 – Đường cong ứng suất – biến dạng ................................................... 32 Hình 4.13 – Biểu đồ ứng suất - biến dạng của bê tông ở nhiệt độ cao ................ 33 Hình 4.14 – Hệ số suy giảm cường độ cốt thép ks ............................................... 35 Hình 4.15 – Tiết diện bê tông được chia thớ theo nhiệt độ ................................. 37 Hình 4.16 – Tiết diện dầm bê tông cốt thép ........................................................ 38 Hình 4.17 – Biểu đồ moment – độ cong của tiết diện 1 (không có lớp vữa chống cháy) .......................................................................................................................... 39 Hình 4.18 – Biểu đồ moment – độ cong của tiết diện 2 (không có lớp vữa chống cháy) .......................................................................................................................... 39 Hình 4.19 – Moment cực hạn theo thời gian của hai tiết diện (không có lớp vữa chống cháy) ............................................................................................................... 41 ix Hình 4.20 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian của hai tiết diện (không có lớp vữa chống cháy) ........................................................................................................ 41 Hình 4.21 – Biểu đồ moment – độ cong của tiết diện 1 (có lớp vữa chống cháy) ................................................................................................................................... 42 Hình 4.22 – Biểu đồ moment – độ cong của tiết diện 2 (có lớp vữa chống cháy) ................................................................................................................................... 42 Hình 4.23 – Moment cực hạn theo thời gian của hai tiết diện (có lớp vữa chống cháy) .......................................................................................................................... 44 Hình 4.24 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian của hai tiết diện (có lớp vữa chống cháy) ............................................................................................................... 44 Hình 4.25 – Vị trí dầm D1 ................................................................................... 46 Hình 4.26 – Tải trọng tác dụng lên dầm D1 ........................................................ 47 Hình 4.27 – Chi tiết dầm D1 ................................................................................ 49 Hình 4.28 – Các mặt cắt của dầm D1 .................................................................. 49 Hình 4.29 – Moment cực hạn theo thời gian của các tiết diện dầm D1 (Không có lớp vữa chống cháy) .................................................................................................. 51 Hình 4.30 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian của các tiết diện dầm D1 (Không có lớp vữa chống cháy) ............................................................................................. 51 Hình 4.31 – Tải trọng cực hạn qmax của dầm D1 theo thời gian (không có lớp vữa chống cháy) ............................................................................................................... 52 Hình 4.32 – Sự suy giảm tải trọng cực hạn của dầm BTCT theo thời gian (không có lớp vữa chống cháy) ............................................................................................. 52 Hình 4.33 – Tải trọng thiết kế và tải trọng cực hạn của dầm D1 (không có lớp vữa chống cháy) ............................................................................................................... 53 Hình 4.34 – Moment cực hạn theo thời gian của tiết diện (có lớp vữa chống cháy) ................................................................................................................................... 54 Hình 4.35 – Sự suy giảm cường độ theo thời gian của tiết diện (có lớp vữa chống cháy) .......................................................................................................................... 55