Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép-bê tông
1. Lý do chọn đề tài
Ở các nước có ngành xây dựng phát triển mạnh và trình độ khoa học tiên tiến như Mỹ, Đức, Nhật, Hàn, Trung Quốc… kết cấu liên hợp thép-bê tông (Steel ReinforcedConcrete- SRC) đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình lớn. Ở nước ta hiện nay, với quá trình đô thị hóa nhanh và tốc độ xây dựng nhà cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ tại các khu đô thị lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đòi hỏi một loại kết cấu mới có thể khắc phục được các nhược điểm của bê tông cốt thép thông thường như kích thước lớn ,nặng nề ,giảm không gian sử dụng. Với các ưu điểm như giảm được trọng lượng bản thân kết cấu, thời gian thi công nhanh, tính thẩm mỹ cao, kết cấu liên hợp thép-bê tông ngày càng được dùng phổ biến trong các công trình xây dựng ở Việt Nam.
Nghiên cứu đặc điểm làm việc của kết cấu liên hợp thép-bê tông khi chịu ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ giúp chúng ta hiểu rõ hơn ứng xử của kết cấu dưới tác động của lửa, đánh giá được ổn định tổng thể của kết cấu . Qua đó có thể đưa ra các giải pháp kết cấu giúp công trình có thể chịu được sự tăng nhiệt độ, đảm bảo ổn định về kết cấu và tính thẩm mỹ.
Chính vì thế, đề tài “Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép-bê tông” là đề tài cần nghiên cứu để có thể giúp kết cấu liên hợp thép-bê tông có thể áp dụng rộng rãi và phổ biến ở các công trình xây dựng nước ta.
2. Mục tiêu nghiên cứu
– Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ lý của thép và bê tông.
– Phương pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu EC4.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu: Dầm liên hợp thép bê tông.
– Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép-bê tông.
4. Nội dung nghiên cứu
– Ảnh hưởng của hỏa hoạn đến các công trình xây dựng.
– Các biện pháp phòng chống cháy.
– Phương pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu EC4.
5. Phương pháp nghiên cứu
– Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về kết cấu liên hợp thép-bê tông trên các tài liệu liên quan về xây dựng. Tìm hiểu tiêu chuẩn Châu Âu EC4.
– Phương pháp xử lý thông tin: Phân tích, tổng hợp, đánh giá.
6. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm phần: Mở đầu, 03 Chương và phần Kết luận, kiến nghị
ẢNH HƯỞNG CỦA HỎA HOẠN ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG
THIỆT HẠI CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG DO HỎA HOẠN GÂY RA
Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra trên thế giới
Lịch sử nhân loại đã phải chịu không biết bao đau thương thiệt hại do cháy nổ gây ra. Gần đây nhất là vụ hỏa hoạn chung cư Grenfell 27 tầng, quận White City, London. Đây là tòa nhà dân cư được xây dựng vào thập niên 1970. Lửa lớn đã bùng cháy dữ dội suốt nhiều giờ và gần như thiêu rụi toàn bộ công trình. Vụ hỏa hoạn khiến ít nhất 17 người thiệt mạng, 74 người bị thương.
Thiệt hại của các công trình xây dựng do hỏa hoạn gây ra ở Việt Nam
Gần đây, hàng loạt chung cư cao tầng được xây dựng trên cả nước. Nhưng, trong số đó có không ít công trình đã được bàn giao, sử dụng dù chưa được thẩm duyệt, nghiệm thu về an toàn phòng cháy, chữa cháy. Vi phạm này tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn cháy nổ. Thời gian qua, việc hỏa hoạn thường xảy ra ở các chung cư cao tầng đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Những vụ cháy lớn ở các công trình cao tầng gây ra thiệt hại nghiêm trọng như :
+ Hỏa hoạn tại Trung tâm Thương mại Quốc tế (ITC) cao 6 tầng ở TP HCM cuối tháng 10/2002, cướp đi 61 sinh mạng, làm chừng 70 người khác bị thương, và gây thiệt hại hàng chục tỷ đồng.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của thép và bê tông
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của thép
Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu thép ở nhiệt độ cao
Tất cả các vật liệu xây dựng đều được giảm cường độ và độ cứng một cách đáng kể khi chúng chịu nhiệt độ cao. 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% ở 8000C và 6% 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 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 theo dạng tiếp tuyến với phần ellipse mà tại cuối của nó, 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 hơn cho trước.
Hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép
Hệ số giãn nở vì nhiệt (αa) tăng theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ phòng, αt thường là 12. 10-6 /0C, ở nhiệt độ 200-6000C, là 14.10-6 /0C. Ở nhiệt độ lên đến 7300C, vật liệu thép chịu một sự đổi pha, dẫn đén sự thay đổi cấu trúc tinh thể, vật liệu trở nên đặc chắc hơn và sự giãn nở trong quá trình hấp thụ năng lượng tạm thời dừng lại.
EC xem độ giãn dài tương đối Δ 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 theo nhiệt độ
∆ l / l = – 2,416 .10-4 + 1,2 .10-5 θa + 0,4 .10-8 θa khi 20°C < θa ≤ 750°C
∆ l / l = 11 .10-3 khi 750°C <θa ≤ 860°C
∆ l / l = – 6,2 .10-3 + 2 .10-5 θa khi 860°C <θa ≤ 1200°C
Với: L là chiều dài ở 20 ° C của thanh thép
Δl là nhiệt độ gây ra sự kéo dài của thành phần thép
θa là nhiệt độ thép.
Nhiệt dung riêng của vật liệu thép
Nhiệt dung riêng của thép là nhiệt lượng hấp thụ của một khối đơn vị 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 nhiệt lượng cho trước hoặc giảm đi để tỏa ra một nhiệt lượng cho trước) càng nhỏ. Trong hầu hết các tính toán, BS5950 sử dụng một giá trị không đổi của nhiệt dung riêng của thép là Ca=520J/kgK.
Tính dẫn nhiệt của vật liệu thép
Tính dẫn nhiệt ( λa ) được xác 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 độ ( 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 vì tính dẫn nhiệt của thép rất lớn, lớn hơn 50 lần so với bê tông và 500 lần so với xi măng khoáng ( một loại vật liệu điển hình). Mặc dù tính dẫn nhiệt cũng biến thiên theo nhiệt độ
λa = 54 – 3,33 .10-2 θa [W/mK] khi 20°C ≤ θa ≤ 800°C
λa = 27,3 [W/mK] khi 800°C < θa ≤ 1200°C
Nhưng EC sử dụng một giá trị không đổi là 45 W/mK cho các tính toán đơn giản. Còn BS 5950 lại đề nghị một giá trị xấp xỉ 37,5 W/mK hoặc chính xác hơn:
λa = 52,57 – 1,541 .10-2 θa – 2,155 .10-5 θa 2 [W/mK]
Quá trình tăng nhiệt độ trong kết cấu thép ở điều kiện chịu nhiệt độ cao
Hệ số tiết diện : Đối với kết cấu thép khi chịu nhiệt độ cao, thông số điều khiển mức độ tăng nhiệt độ là tỷ số giữa chu vi bị đốt nóng Am và diện tích tiết diện ngang V của cấu kiện, gọi là hệ số tiết diện, có đơn vị m-1. Tiết diện có Am/V thấp sẽ phản ứng chậm với nhiệt độ nên có khả năng chịu lửa với thời gian lớn hơn. Giá trị trung bình của thông số này trong khoảng 100-250 m-1 cho hình dạng thông thường của tiết diện thép cán nóng.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của bê tông
Cường độ của bê tông
Bê tông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, dạng của đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông ở những nhiệt độ khác nhau thì có sự khác biệt đáng kể so với dạng biểu đồ của 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 bê tông cũng xem như bằng không.
Các đặc tính nhiệt khác của bê tông
Sự giãn nở vì nhiệt của bê tông thường tăng mạnh theo nhiệt độ. Quá trình chuyển pha của bê tông xảy ra ở nhiệt độ 7000C, khi đó sự giãn nở vì nhiệt trong bê tông nhưng hoàn toàn , đường cong thể hiện mối quan hệ giữa hệ số giãn nở vì nhiệt và nhiệt độ trong bê tông được thể hiện ở hình
Các biện pháp phòng chống cháy cho công trình
Các biện pháp báo cháy, chữa cháy cho công trình
Các biện pháp tăng khả năng chịu lửa cho kết cấu
Phương pháp tính ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn châu âu eurocode 4
Hiện tượng mất ổn định tổng thể của dầm liên hợp thép-bê tông
Trong dầm liên hợp, khi làm việc của cánh trên của dầm thép được giữ khỏi oằn do được liên kết với bản sàn bê tông, tuy nhiên cần thỏa mãn điều kiện là các liên kết được thiết kế phù hợp và khoảng cách giữa hai mép của bản sàn ( của các ô ) không quá nhỏ ( khoảng cách này ít nhất phải lớn hơn hai lần chiều cao của dầm thép). Điều này sẽ khác trong giai đoạn thi công, trước khi bê tông trở nên cứng. Khi đó cần kiểm tra sự oằn của dầm thép.
Ngược lại, theo biểu đồ momen uốn của dầm liên hợp liên tục, cánh dưới sẽ chịu nén trong vùng momen âm ở tại các gối tựa trung gian, đặc biệt chiều dài của vùng này có thể khá lớn khi hoạt tải chỉ tác dụng lên một bên nhịp, khi đó có nguy cơ mất ổn định ngang của cánh dưới ở cạnh gối tựa trung gian. Khi mất ổn định , tiết diện thép của dầm liên hợp không thể quay giống như vật thể cứng quanh trọng tâm xoắn của mình, sự giữ của tấm đan gây nên sự vẹo tiết diện này.
Phương pháp xác định nhiệt độ và thời gian chịu lửa cần thiết đối với kết cấu liên hợp thép – bê tông
Tải trọng tác dụng
Tải trọng tác dụng lên kết cấu trong điều kiện chịu lửa được chia thành ba 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 ψ1 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)
Các nguyên tắc tính toán cơ bản
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LY LUAN VA PHUONG PHAP DẠY HOC VAT LY\XAY DUNG CONG TRINH DD&DN\NGUYEN ANH NHAT\TOM TAT
