Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp bảo vệ kết cấu thép chịu tác động của lửa bằng thực nghiệm

một độ ẩm nhất định. Khi xảy ra sự cố cháy, lửa chỉ tác động gia nhiệt trực tiếp lên một mặt của tấm thạch cao bảo vệ kết cấu. Tác động này là nguyên nhân làm giảm lượng nước ẩm cho đến khi tấm thạch cao mất nước hoàn toàn. Dưới đây trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái gia nhiệt theo quy luật của đám cháy tiêu chuẩn lên một mặt của tấm thạch cao. - Thiết bị thí nghiệm: Thiết bị thí nghiệm gồm: lò điện model ELF 11/4, có dải nhiệt độ từ 0°C đến 1100°C của Mỹ (Hình 2.4); Đầu đo nhiệt độ Model WRNK – 191 và đồng hồ hiển thị nhiệt độ Model XMTD – 2001. - Mẫu thí nghiệm: Mẫu thí nghiệm là sản phẩm tấm thạch cao chống cháy của hãng GYPROC và BORAL, với các loại chiều dày như sau: - Tấm thạch cao GYPROC chống cháy: - Tấm thạch cao BORAL FIREBLOC chống cháy: Các mẫu thí nghiệm có kích thước 300x300 mm2 Mẫu thí nghiệm được gia nhiệt ở mặt nóng tại các cấp nhiệt độ: 50, 100, 120, 200, 400, 600, 800, 1000 °C. Các giá trị nhiệt độ này được chọn dựa trên sự thay đổi ứng xử của tấm thạch cao như đã phân tích trong mục 1. Ở mỗi cấp nhiệt độ, tiến hành thí nghiệm 3 mẫu. Quy trình thí nghiệm và vị trí đo nhiệt độ được bố trí như sau: - Phía trong lò: 1 điểm đo (điểm 1) 9 - Trên bề mặt ngoài của tấm : 1 điểm đo (điểm 3) - Ở giữa tấm : 1 điểm đo (điểm 2) Trình tự thí nghiệm ở mỗi cấp nhiệt độ như sau: - Cân mẫu trước khi thí nghiệm (ghi lại giá trị khối lượng m1); - Gá mẫu vào trước lò; - Lắp đặt các đầu đo; - Nâng nhiệt độ trong lò lên cấp nhiệt độ thí nghiệm (ghi lại thời gian); - Khi nhiệt độ lò đạt cấp nhiệt độ thí nghiệm, theo dõi đến khi nhiệt độ tại mặt lạnh đạt ổn định; và các giá trị nhiệt độ đo tại 3 điểm 1, 2, 3 có quan hệ tuyến tính. - Sau khi nhiệt độ đã ổn định, tiến hành ghi lại giá trị nhiệt độ, cường độ dòng điện, hiệu điện thế; - Sau khi kết thúc thí nghiệm, tiến hành cân lại mẫu (ghi lại giá trị khối lượng m2). Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy: - (1) Từ cấp gia nhiệt ứng với nhiệt độ 200°C trở lên, giá trị hệ số dẫn nhiệt của cả 2 loại tấm hầu như không thay đổi và được xem như là hằng số; - (2) Với 2 loại tấm thạch cao được nghiên cứu, thời gian cần thiết để nhiệt độ ở phía mặt lạnh của mẫu thí nghiệm ổn định nhiệt độ và giá trị nhiệt độ đo được tại 3 điểm 1, 2, 3 có giá trị tuyến tính cho mỗi cấp gia nhiệt là trong khoảng từ 15 đến 20 phút. Trạng thái ổn định này tương ứng với trạng thái nước hoá học trong thạch cao bị tách hoàn toàn. - (3) Quy luật ảnh hưởng của độ hao tổn nước đến hệ số dẫn nhiệt đối với hai tấm thạch cao có chiều dày khác nhau là tương tự nhau; - (4) ở cùng một cấp gia nhiệt, giá trị độ hao tổn nước của tấm mỏng và tấm dày là không giống nhau (ví dụ, tấm GYPROC 12,7 mm có tổng lượng nước thoát hết là khoảng 20% khi nhiệt độ mặt nóng là 1000°C trong khi với tấm GYPROC 15,8 mm lại có tổng lượng nước thoát hết là 15% khi nhiệt độ mặt nóng là 1000°C) và giá trị của hệ số dẫn nhiệt của tấm mỏng là nhỏ hơn tấm dày. Điều này có thể được giải thích là tấm có thạch cao mỏng hơn sẽ thoát nước nhiều hơn và do đó có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn. 2.2.2. Ảnh hƣởng của độ dày tấm thạch cao đến khả năng mất nƣớc, làm hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao thay đổi trong quá trình cháy Dưới một tác động gia nhiệt như nhau thì độ dầy của tấm có ảnh hưởng đến tốc độ thoát nước ẩm trong tấm và do đó gián tiếp ảnh hưởng đến tốc độ giảm của hệ số dẫn nhiệt đến giá trị hằng số của nó (ở trạng thái tấm thạch cao mất nước hoàn toàn). Tác giả luận án đã tiến hành thí nghiệm xác định giá trị hệ số dẫn nhiệt với Tấm GYPROC và tấm BORAL. Giá trị hệ số dẫn nhiệt tính toán từ các giá trị đo thực nghiệm cho theo bảng dưới đây: Tấm GYPROC 12,7 mm Tấm GYPROC 15,8 mm Nhiệt độ (°C) Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C) Nhiệt độ (°C) Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C) 50 0.41 50 0.53 100 0.28 100 0.35 120 0.24 120 0.29 10 200 0.19 200 0.25 400 0.18 400 0.22 600 0.18 600 0.21 800 0.19 800 0.21 1000 0.19 1000 0.23 Tấm BORAL 12,5 mm Tấm BORAL 15 mm Nhiệt độ (°C) Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C) Nhiệt độ (°C) Hệ số dẫn nhiệt (W/m°C) 50 0.39 50 0.43 120 0.19 120 0.25 200 0.15 200 0.2 400 0.16 400 0.18 600 0.18 600 0.18 800 0.22 800 0.23 1000 0.22 1000 0.23 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 200 400 600 800 1000 H ệ s ố d ẫ n n h iệ t (W /m °C ) Nhiệt độ (°C) Mehaffey (94) Hamanthy (88) Thomas (97) Takeda (98) Cooper (97), Franssen (99) Sultan (96) Wakili (07) Rahmanian (11) Benichou (05) Tấm GYPROC 12.7 mm Tấm GYPROC 15.8 mm Hình 2.1. So sánh hệ số dẫn nhiệt của 2 loại tấm thạch cao GYPROC đã thí nghiệm với các kết quả nghiên cứu của nước ngoài 11 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 200 400 600 800 1000 H ệ s ố d ẫ n n h iệ t (W /m °C ) Nhiệt độ (°C) Mehaffey (94) Hamanthy (88) Thomas (97) Takeda (98) Cooper (97), Franssen (99) Sultan (96) Wakili (07) Rahmanian (11) Benichou (05) Tấm BORAL 12.5 mm Tấm BORAL 15 mm Hình 2.2. So sánh hệ số dẫn nhiệt của 2 loại tấm thạch cao BORAL FIREBLOC đã thí nghiệm với các kết quả nghiên cứu của nước ngoài Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy: - Hệ số dẫn nhiệt của cả 2 loại tấm từ 600°C không bị tăng lên như trong 1 số tài liệu tham khảo. Điều này có thể giải thích là do chất lượng của 2 tấm là tốt và có thể sử dụng được để bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện cháy với nhiệt độ rất cao có thể lên đến trên 1000°C. - Đường biểu diễn hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ của 2 loại tấm thí là tương tự nhau. - Hệ số dẫn nhiệt của các tấm mỏng (tấm GYPROC 12,7 mm, tấm BORAL FIREBLOC 12,5 mm) nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của tấm dày hơn (tấm GYPROC 15,8 mm, tấm BORAL FIREBLOC 15 mm). Điều này có thể được giải thích là do kích thước của tấm mỏng bé hơn nên có cấu trúc đồng đều hơn và dẫn đến có chất lượng tốt hơn là tấm dày. Ngoài ra tấm mỏng có khả năng thoát nước tốt hơn nên có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn. Như vậy, với một độ dày nhất định thì sử dụng nhiều tấm mỏng để bảo vệ kết cấu dưới tác dụng của lửa sẽ hiệu quả hơn là dùng một tấm có độ dày tương đương. - Với các kết quả trên, thấy rằng cần phải xác định hệ số dẫn nhiệt cho từng loại tấm cụ thể. Trong trường hợp thiên về an toàn, có thể tiến hành thí nghiệm cho tấm dày nhất để có thể có được hệ số dẫn nhiệt lớn nhất và kết quả tính toán truyền nhiệt cho kết quả bất lợi nhất. 2.2.3. Ảnh hƣởng của tốc độ gia nhiệt đến hệ số dẫn nhiệt Ứng với mỗi một dạng đám cháy, tốc độ gia nhiệt thường tuân theo một quy luật nhất định. Để xét ảnh hưởng của tham số này, các thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ lò được tăng liên tục theo 3 đường cong gia nhiệt, với tốc độ lần lượt là 20°C/phút, 10°C/phút và 5°C/phút. Ở mỗi một tốc độ gia nhiệt, tiến hành thí nghiệm cho 3 mẫu thí nghiệm. Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy: - (1) Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên hệ số dẫn nhiệt đối với tấm mỏng, là nhỏ hơn tấm dày; 12 - (2) Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến hệ số dẫn nhiệt của hai tấm thí nghiệm có chiều dày khác nhau chủ yếu là nằm trong khoảng mức gia nhiệt từ 30-200°C, và trong khoảng nhiệt độ này tốc độ gia nhiệt cao (20°C/phút) có ảnh hưởng lớn hơn đến hệ số dẫn nhiệt so với các tốc độ gia nhiệt thấp hơn. - (3) Với 2 loại tấm thí nghiệm, tốc độ gia nhiệt lớn nhất (20°C/phút) sẽ cho hệ số dẫn nhiệt lớn nhất. Từ các nghiên cứu tại chƣơng 2, tác giả luận án đã rút ra một số kết luận nhƣ sau: - Việc sử dụng hệ số dẫn nhiệt của các tấm thạch cao chống cháy bằng hằng số ứng với trạng thái mất nước hoàn toàn do nhà sản xuất cung cấp để tính toán thiết kế bảo vệ cho các kết cấu là chưa phù hợp với thực tế và không đảm bảo an toàn cho kết cấu được bảo vệ. - Việc xác định hệ số dẫn nhiệt của các tấm thạch cao bảo vệ kết cấu trong điều kiện bị cháy phải được thực hiện trong trạng thái gia nhiệt chỉ ở một mặt của tấm và quy luật gia nhiệt cần phù hợp với quy luật của đám cháy tiêu chuẩn. Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của độ ẩm trong tấm thạch cao; - So sánh hệ số dẫn nhiệt đã xác định bằng phương pháp thí nghiệm kiến nghị trong luận án và hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao do nhà sản xuất cung cấp cho thấy hệ số dẫn nhiệt mà nhà sản xuất cung cấp của cả hai loại GYPROC và BORAL cho thấy việc tính toán có sử dụng hệ số dẫn nhiệt xác định bằng phương pháp thực nghiệm đã kiến nghị cho kết quả phù hợp và đảm bảo an toàn với điều kiện thực tiễn hơn. - Với các kết quả thí nghiệm, thấy rằng cần phải xác định hệ số dẫn nhiệt cho từng loại tấm cụ thể do hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiều tham số như: chiều dày tấm, tốc độ gia nhiệt... Luận án đã phân tích và chỉ ra ảnh hưởng của các tham số này đến hệ số dẫn nhiệt. Trong trường hợp thiên về an toàn, có thể tiến hành thí nghiệm cho tấm dày nhất và với tốc độ gia nhiệt bất lợi nhất là 200C/phút. Khi đó hệ số dẫn nhiệt thu được là lớn nhất và dẫn đến kết quả tính toán truyền nhiệt sẽ thiên về an toàn. Từ các kết luận trên, luận án đề xuất quy trình xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống cháy theo điều kiện cháy một mặt theo các bước dưới đây. Quy trình thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao chống cháy a. Bƣớc 1: Chuẩn bị thí nghiệm - Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm theo kích thước phù hợp với diện tích mặt lò đốt. Mẫu được giữ trong thời gian tối thiểu 24h trước khi thí nghiệm ở điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn về độ ẩm và nhiệt độ ứng với môi trường kết cấu được bảo vệ. Trong trường hợp không có số liệu cụ thể thì lấy độ ẩm và nhiệt độ tương ứng để thí nghiệm theo Bảng 2.2 hoặc phụ lục 4 của luận án. - Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm. b. Bƣớc 2: Lắp đặt mẫu và thiết bị đo - Đặt mẫu thí nghiệm phía trước lò điện và mặt trong của mẫu tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt (mặt nóng). - Sử dụng đầu đo nhiệt độ nhiệt độ xác định nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của tấm với nguồn nhiệt (mặt nóng), và phía ngoài tấm (mặt lạnh) và nhiệt độ ở vị trí ½ tấm. 13 - Kiểm tra độ kín khít giữa lò và mẫu, tránh hiện tượng thất thoát lượng nhiệt ra ngoài - Vị trí bố trí các đầu đo như sau: + Phía trong lò: 1 điểm đo (điểm 1 ); + Trên bề mặt ngoài của tấm : 1 điểm đo (điểm 3); + Ở giữa tấm : 1 điểm đo (điểm 2); c. Bƣớc 3: Lắp đặt mẫu và thiết bị đo - Tiến hành gia tăng nhiệt độ trong lò đốt theo đường cong gia nhiệt của tiêu chuẩn ISO 834, tốc độ gia nhiệt là 20oC/phút. - Lấy số liệu đo nhiệt độ ở mẫu thạch cao thí nghiệm tại các thời điểm nhiệt độ trong lò ở các giá trị 25, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 và 1000 oC. d. Bƣớc 4: Tính toán xác định hệ số dẫn nhiệt: Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo công thức dưới đây:  1 2 U I A T T        e. Bƣớc 5: Lập biểu đồ quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt và nhiệt độ CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ TRUYỀN NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT THÉP DƢỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỬA Nội dung chương 3 trình bày nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham số đến sự truyền nhiệt của mô hình cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp (bài toán nhiệt) và xác định khả năng chịu lực của cột thép chịu nén đúng tâm có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp (bài toán cơ-nhiệt) dưới tác dụng của lửa theo các nội dung như sau: - Các lý thuyết tính toán liên quan đến quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép trong điều kiện cháy; - Lập mô hình số mô phỏng quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép khi chịu tác dụng đồng thời của tải trọng nén đúng tâm và tải trọng nhiệt; - Phân tích, làm rõ ảnh hưởng của các thông số vật liệu, kích thước hình học, tải trọng, chế độ gia nhiệt... đến sự truyền nhiệt và khả năng chịu lực của cột thép trong trường hợp có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp; - Tính toán, so sánh cho các trường hợp sử dụng hệ số dẫn nhiệt do nhà sản xuất cung cấp và hệ số dẫn nhiệt xác định thực nghiệm. Tác giả luận án đã đưa ra cơ sở lý thuyết liên quan đến quá trình truyền nhiệt như hiện tượng truyền dẫn nhiệt trong vật rắn, hiện tượng truyền dẫn nhiệt trong không khí; cơ sở lý thuyết bài toán cơ học; mô hình hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Trong chương 3, tác giả luận án đã sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, đây là một trong nhiều chương trình phần mềm thương mại, sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn - PTHH (FEM) để phân tích các bài toán vật lý - cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải. Luận án đã đưa ra mô hình truyền dẫn nhiệt và mô hình cơ-nhiệt để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và ứng xử cơ-nhiệt của cột thép được bảo vệ 14 và không được bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy, đồng thời kèm theo một số giả thiết. a. Sơ đồ tính toán đối với bài toán nhiệt: b. Sơ đồ tính toán đối với bài toán cơ-nhiệt Mô hình được sử dụng để tính toán quá trình truyền nhiệt của cột thép có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp với các tham số chính sau: 15 + Cột chịu lửa theo 3 mặt và theo 4 mặt. + Kích thước hình học của cột thép: H150 (150x150x20x20 mm), H200, H300 với chiều cao 2.4 m. + Sơ đồ làm việc của cột thép sơ đồ một đầu ngàm, một đầu khớp. + Nguồn nhiệt là nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834, tác dụng vào 3 mặt hoặc 4 mặt của cấu kiện; thời gian tính toán đến 100 phút. Các tham số nghiên cứu bao gồm: (i) Kích thước hình học của cột thép: H150, H200, H300; (ii) Chiều dày lớp thạch cao bảo vệ: 12,7 và 15,8 mm; (iii) Hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao GYPROC, lấy theo thông số do nhà sản xuất cung cấp (λ = 0,2 W/mK) và theo thông số xác định từ thực nghiệm; (iv) Tác dụng nhiệt theo 3 mặt và theo 4 mặt; (v) Khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột thép: theo quy định của nhà sản xuất, giá trị tối đa là 3 cm. Do giới hạn kích thước của thanh chữ C dùng để liên kết tấm thạch cao với cột thép nên trong tính toán này, 3 giá trị lần lượt là 1 cm, 2 cm và 3 cm được sử dụng trong tính toán; (vi) Ảnh hưởng của giải pháp bảo vệ; (vii) Tải trọng nén đúng tâm: 10, 25, 50T; Các giá trị so sánh trong bài toán truyền nhiệt là nhiệt độ của thép được xác định bằng giá trị trung bình nhiệt độ tại các điểm A, B và C trên mặt cắt của cột thép tương ứng với các điều kiện biên khác nhau (hình 3.1, 3.2, 3.3). Các giá trị so sánh trong bài toán cơ-nhiệt là chuyển vị ngang tại giữa cột, ứng suất trung bình lớn nhất trong cột và thời gian chịu lửa của cột thép. Hình 3.1. Mô hình tính toán và các điều kiện biên trong bài toán cột không được bảo vệ chịu tác dụng lửa 4 mặt Hình 3.2. Mô hình tính toán và các điều kiện biên trong bài toán cột được bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp chịu tác dụng lửa 4 mặt. 16 P Hình 3.3. Mô hình tính toán và các điều kiện biên trong bài toán cột được bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp chịu tác dụng lửa 3 mặt Hình 3.4. Sơ đồ làm việc của cột chịu nén đúng tâm 1 đầu ngàm, 1 đầu khớp 3.1. Ảnh hƣởng của một số tham số chính đến quá trình truyền nhiệt của cột thép dƣới tác động của lửa 3.1.1. Ảnh hƣởng của giải pháp bảo vệ và tác động của lửa theo 3 mặt, 4 mặt Các kết quả tính toán tốc độ tăng nhiệt của cột thép sau 100 phút được trong 2 trường hợp tính toán với hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm và theo nhà sản xuất. Kết quả so sánh cho thấy hiệu quả của việc bảo vệ cột thép bằng tấm thạch cao làm giảm đáng kể nhiệt độ trong cột thép. Với cột thép không được bảo vệ, tốc độ tăng nhiệt của cột sau 100 phút là khoảng 10°C/phút tương đương gần 1000°C, trong khi được bảo vệ bằng tấm thạch cao thì tốc độ tăng nhiệt của cột là khoảng 6,25°C/phút (625°C) khi chịu lửa theo 4 mặt và khoảng 5,9°C/phút (590°C) khi chịu lửa theo 3 mặt. Tính toán với trường hợp cột chịu lửa 3 mặt và 4 mặt cho thấy, khi chịu nhiệt độ 10000C trong thời gian 100 phút, nhiệt độ trong cột thép trong trường hợp chịu lửa 4 mặt tăng khoảng 5% (50oC đến 60oC) so với cột chịu lửa 3 mặt. Kết quả trên cho thấy đối với giải pháp cấu tạo như nhau, chỉ cần tính toán với 01 trường hợp cột chịu lửa 4 mặt sẽ cho kết quả thiên về an toàn. 3.1.2. Ảnh hƣởng của tải trọng. Trong khuôn khổ luận án, mô hình 2D đã được lựa chọn để bước đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số chính, do đó ảnh hưởng của tải trọng đến sự truyền nhiệt của cột thép chưa được xét đến trong các tính toán. Việc phát triển từ mô hình 2D lên mô hình 3D có thể là hướng nghiên cứu tiếp theo của nghiên cứu sinh 3.1.3. Ảnh hƣởng của hệ số dẫn nhiệt Tham số khảo sát trong phần này là Hệ số dẫn nhiệt của tấm thạch cao GYPROC, lấy theo thông số do nhà sản xuất cung cấp (λ = 0,2 W/mK) và thông số xác định bằng thực nghiệm. Kết quả so sánh đã cho thấy tốc độ gia nhiệt sau 100 phút khi sử dụng hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm lớn hơn giá trị thu được khi sử dụng hệ số do nhà sản xuất cung cấp khoảng 0,4 đến 0,8°C/phút (40°C đến 80°C), tương đương tăng khoảng 8-12%. Sự khác biệt này cho thấy khi tính toán với hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm sẽ cho kết quả thiên về an toàn hơn khi tính toán với hệ số dẫn nhiệt là hằng số do nhà sản xuất cung cấp. 3.1.4. Ảnh hƣởng của khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột thép 17 Tham số khảo sát trong phần này là khoảng cách thông thủy: 1, 2, 3 cm. Kết quả so sánh đã cho thấy khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt kết cấu thép càng tăng thì trong cùng một khoảng thời gian, tốc độ tăng nhiệt của cột thép càng giảm. Tuy nhiên, ảnh hưởng của khoảng cách này là tương đối nhỏ đến khả năng chịu lửa của cột thép. Khi tăng chiều dày lớp không khí tử 1 cm lên 3 cm, tốc độ tăng nhiệt chỉ giảm từ 0.03-0.05°C/phút tương đương (3-5°C). Kết quả trên cho thấy, có thể lấy giá trị khoảng không khí tùy thuộc vào giải pháp liên kết. Giá trị khoảng không khí càng nhỏ thì càng thuận tiện cho kiến trúc. Ngoài ra, do yêu cầu liên kết mà có thể chọn khoảng không khí là 2 hoặc 3 cm 3.1.5. Ảnh hƣởng của chiều dày tấm thạch cao Tham số nghiên cứu trong phần này là chiều dày tấm thạch cao: 12,7mm và 15,8mm. Kết quả thu được đã cho thấy ảnh hưởng quan trọng của chiều dày tấm thạch cao đến ứng xử của cột thép được bảo vệ khi chịu tác dụng của lửa. Sau 100 phút cháy, tốc độ tăng nhiệt của cột thép khi được bảo vệ bằng 1 tấm 15,8mm nhỏ hơn khoảng 0,8°C/phút, tương đương 12%, so với khi cột thép được bảo vệ bằng 1 tấm 12,7mm. 3.1.6. Ảnh hƣởng của số lớp thạch cao Các kết quả tính toán về nhiệt độ thép sau 100 phút và nhiệt độ trung bình trên 1mm lớp bảo vệ. Kết quả so sánh tốc độ tăng nhiệt trung bình trên 1 mm chiều dày lớp bảo vệ cho thấy nhiệt độ trung bình khi sử dụng 3 tấm thạch cao 12,7 bằng 70% nhiệt độ trung bình khi sử dụng 2 tấm 15,8 mm. Điều này cho thấy sử dụng 3 lớp thạch cao 12,7 mm có hiệu quả bảo vệ cột thép tốt hơn sử dụng 2 lớp thạch cao 15,8 mm. 3.1.7. Ảnh hƣởng của kích thƣớc tiết diện cột Kết quả tính toán sau 100 phút cháy cho thấy kích thước tiết diện cột thép có ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt khi có đám cháy của cột thép. Kích thước tiết diện cột càng lớn thì tốc độ tăng nhiệt trong cột thép càng nhỏ do có ảnh hưởng của bức xạ và đối lưu nhiệt trong khoảng không khí phía trong cột dẫn đến làm giảm tác động nhiệt từ tấm thạch cao đến cột thép. Đối với cột tiết diện H300, tốc độ tăng nhiệt trong cột thép thu được sau 100 phút giảm khoảng 0,6°C/phút, tương đương giảm khoảng 10% so với khi sử dụng tiết diện H150. 3.2. Kết quả tính toán và so sánh ảnh hƣởng của các tham số chính đến khả năng chịu lực của cột bằng thép hình chịu nén đúng tâm, dƣới tác động của lửa khi có và không có lớp bảo vệ bằng tấm thạch cao chống cháy bọc dạng hộp. 3.2.1. Kết quả tính toán a. Chuyển vị ngang 18 0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 C h u y ể n v ị n g a n g l ớ n n h ấ t (m m ) Thời gian (phút) Hình 3.5: Chuyển vị ngang tại vị trí giữa cột thép + Giai đoạn 1 từ 0 đến 20 phút: chuyển vị của cột nhỏ khoảng 1 mm do cột được bảo vệ bằng tấm thạch cao có tác dụng làm giảm nhiệt độ của cột; Nhiệt độ trung bình của cột thép dưới 1000C; + Giai đoạn 2 từ 20 đến 40 phút: nhiệt độ trong tấm thạch cao vượt quá 1000C là nhiệt độ bay hơi của các phần tử nước trong tấm thạch cao làm giảm khả năng cách nhiệt của hệ cột được bảo vệ, điều này làm tăng nhiệt độ của cột từ 1000C lên 4000C và dẫn đến chuyển vị ngang của cột tăng dần với tốc độ chậm (từ 1 mm lên khoảng 10 mm); + Giai đoạn 3 từ phút thứ 40 trở đi: nhiệt độ trong tấm thạch cao tiếp xúc với lửa là trên 4500C, tấm thạch cao khi đó đã mất hết khả năng cách nhiệt và xuất hiện các vết nứt trong tấm. Tuy nhiên, nhiệt độ trong tấm thạch cao phía tiếp xúc với môi trường vẫn còn chưa tách hết hoàn toàn nước trong tấm. Điều này làm chuyển vị của cột thay đổi chậm và nằm trong khoảng 8mm. b. Ứng suất trong cột thép 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ứ n g s u ấ t lớ n n h ấ t (M P a ) Thời gian (phút) Hình 3.6: Ứng suất lớn nhất trên cột thép Đường biểu diễn ứng suất cho thấy ứng suất trong cột thép trong khoảng 30 phút đầu là không thay đổi. Từ 40 phút trở đi, ứng suất trong cột thép tăng lên khi nhiệt độ trong cột thép tăng lên và giá trị ứng suất sau 100 phút đạt 195 Mpa. Khi so sánh với 19 ứng suất cho phép của thép tại cùng thời điểm, với nhiệt độ đạt khoảng 580°C, hệ số giảm cường độ của thép là 0.349 và do đó ứng suất cho phép của cột là 0.349x300 MPa = 105 Mpa. Thời gian tương ứng với giá trị ứng suất cho phép này là 70 phút. Như vậy có thể kết luận là thời gian chịu lửa của cột thép nghiên cứu là 70 phút. 3.2.2. Ảnh hƣởng của giải pháp bảo vệ cột thép Ảnh hưởng của giải pháp bảo vệ cột thép đến ứng xử của cột thép được bảo vệ khi cột chịu tác dụng của lửa được khảo sát và phân tích thông qua giá trị chuyển vị ngang lớn nhất của cột. Kết quả so sánh đã chỉ ra trong trường hợp cột chịu tải trọng 25T, cột được bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp có chuyển vị ngang nhỏ hơn khoảng 2-4 lần so với cột không được bảo vệ phụ thuộc vào tiết diện cột thép (H150, H200 hoặc H300), phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt sử dụng (do thực nghiệm hoặc do nhà sản xuất cung cấp). Điều này có thể được giải thích là do ảnh hưởng của tấm thạch cao giúp làm giảm nhiệt độ trong cột khi chịu lửa và do đó làm giảm đáng kể biến dạng của cột. Mặt khác, khi so sánh ảnh hưởng của lửa tác dụng theo 3 mặt và theo 4 mặt, khi cột chịu tải trọng 25T, ảnh hưởng của tham số này tương đối lớn đến ứng xử của cột thép. Giá trị chuyển vị của cột khi chịu lửa theo 4 mặt lớn hơn khoảng 1,33 lần chuyển vị của cột khi chịu lửa theo 3 mặt. Trong trường hợp cột chịu tải trọng 50T, cột được bảo vệ bằng tấm thạch cao bọc dạng hộp có chuyển vị ngang nhỏ hơn khoảng 2-4 lần so với cột không được bảo vệ phụ thuộc vào tiết diện cột thép (H150, H200 hoặc H300), phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt sử dụng (do thực nghiệm hoặc do nhà sản xuất cung cấp). Mặt khác, khi so sánh ảnh hưởng của lửa tác dụng theo 3 mặt và theo 4 mặt, khi cột chịu tải trọng 50T, ảnh hưởng của tham số này tương đối lớn đến ứng xử của cột thép. Giá trị chuyển vị của cột khi chịu lửa theo 4 mặt lớn hơn khoảng 1,4 lần chuyển vị của cột khi chịu lửa theo 3 mặt. 3.2.3. Ảnh hƣởng của tải trọng Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của tải trọng tác dụng lên cột thép (0T, 25T, 50T) đến ứng xử của cột thép. Kết quả tính toán cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của tải trọng đến chuyển vị ngang của cột thép. Tải trọng càng lớn thì chuyển vị ngang của cột càng lớn, với trường hợp tải trọng đúng tâm 50T, chuyển vị ngang của cột lớn hơn từ 1,5 đến 2,5 lần trường hợp cột không chịu tải trọng. 3.2.4. Ảnh hƣởng của hệ số dẫn nhiệt Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của hệ số dẫn nhiệt lên cột thép (tính toán với hệ số thực nghiệm và hệ số do nhà sản xuất cung cấp). Kết quả so sánh đã cho thấy sử dụng hệ số dẫn nhiệt lấy theo thực nghiệm sẽ cho kết quả thiên về an toàn hơn với giá trị chuyển vị lớn hơn khoảng 11 đến 14% so với khi tính toán với hệ số dẫn nhiệt do nhà sản xuất cung cấp. 3.2.5. Ảnh hƣởng của khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột thép. Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách thông thủy lần lượt là 1, 2 và 3 cm. Kết quả so sánh đã chỉ ra khoảng cách thông thủy giữa tấm thạch cao và bề mặt cột thép có ảnh hưởng tương đối nhỏ đến đến chuyển vị ngang 20 của cột thép. Khi tăng khoảng cách này từ 1cm lên 3cm, giá trị chuyển vị ngang của cột thép sau 100 phút mô phỏng tăng 1,03 lần. 3.2.6. Ảnh hƣởng của chiều dày lớp thạch cao Các tính toán đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của chiều