ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRÌNH NGUYỄN MINH THÔNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG (CFST) BỊ CHÁY

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành : 60580208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, 06-2019


Công trình được hoàn thành: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Cao Văn Vui

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Khổng Trọng Toàn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Minh Thi

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày
03 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Lương Văn Hải

- Chủ tịch Hội đồng


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRÌNH NGUYỄN MINH THÔNG

MSHV: 1670589

Ngày, tháng, năm sinh: 14/12/1992

Nơi sinh: Đà Nẵng

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60580208
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thực nghiêm ứng xử của ống thép nhồi bê tông (CFST)
bị cháy (Experimental study on behaviour of concrete filled steel tubes exposed to
fire).
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm.
2. Tiến hành thí nghiệm cháy với các mốc thời gian khác nhau.
3. Quan sát mẫu thí nghiệm sau khi cháy và đua ra nhận xét.
4. Tiến hành thí nghiệm mẫu dưới tác dụng lực nén dọc trục.
5. Thu thập số liệu và quan sát dạng phá hoại.
6. Phân tích số liệu và đánh giá ảnh hưởng của lửa đến ứng xử của ống thép nhồi bê
tông chịu tải dọc trục.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ


Xin trân trọng cảm ơn.

Tp. HCM, ngày 03 tháng 06 năm 2019

Trình Nguyễn Minh Thông


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ống thép nhồi bê tông (concrete filled Steel tubes-CFST) ngày càng được sử dụng rộng
rãi trong các công trình xây dựng. Tại nhiệt độ thường, cột CFST có những ưu điểm nổi
bật như không cần ván khuôn khi thi công, khả năng chịu tải và độ dẻo (ductility) cao.
Tuy nhiên, khi hỏa hoạn xảy ra, những nhược điểm của CFST chưa được nghiên cứu
kỹ. Luận văn này trình bày nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của cột CFST bị cháy.
Mười tám mẫu thí nghiệm có cùng kích thước ống thép đường kính 114 mm, dày 2 mm
và dài 2000 mm. Các mẫu thí nghiệm được chia thành 6 nhóm, bao gồm một nhóm
không thí nghiệm cháy sử dụng làm mẫu đối chứng và 5 nhóm thí nghiệm cháy với các
mốc thời gian là 15, 30, 45, 60 và 75 phút. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khả năng chịu
lực dọc trục của các mẫu bị cháy giảm đáng kể so với mẫu đối chứng. Với thời gian
cháy 15,30,45 phút, khả năng chịu tải của cột giảm xuống còn 94,58, 60, 45,86% so với
mẫu đối chứng. Bên cạnh đó, độ cứng dọc trục của cột giảm khi thời gian cháy tăng. Độ
cứng của mẫu bị cháy 15, 30, 45 phút giảm xuống còn 82,23, 69,19, 65,20% độ cứng
của mẫu đối chứng.


3

ABSTRACT
Concrete filled steel tube (CFST) has been widely used in construction. At ambient

iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ .................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ........................................................................................................................ iv
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
1.1. Lý do thực hiện đề tài ............................................................................................... 1
1.2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 1
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
1.4. Ý nghĩa nghiên cứu ................................................................................................... 2
1.5. Cấu trúc luận văn ...................................................................................................... 2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ............................................................................................. 4
2.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................... 4
2.2. Tổng quan nghiên cứu về ống CFST bị cháy ........................................................... 5
2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................................... 5
2.2.2. Tình hình trong nước....................................................................................... 17
2.3. Tổng kết nghiên cứu ............................................................................................... 20
CHƯƠNG 3. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM ............................................................ 21
3.1. Vật liệu ................................................................................................................... 21
3.1.1. Bê tông ............................................................................................................ 21
3.1.2. Thép................................................................................................................. 21


V

3.2. Chế tạo mẫu ........................................................................................................... 22
3.2.1. Cơ sở lý luận chọn mẫu ................................................................................... 22
3.2.2. Mẩu thí nghiệm .............................................................................................. 22

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 .Các vụ hỏa hoạn trên thế giới ............................................................................ 4
Hình 2.2. Vụ hỏa hoạn chung cư Carina, Việt Nam .......................................................... 5

Hình 3.1. Chi tiết mẫu cột CFST ..................................................................................... 23
Hình 3.2. Hàn bít một đầu ống thép ................................................................................ 25
Hình 3.3. Công tác đổ bê tông vào ống thép ................................................................... 26
Hình 3.4. Công tác mài phang mặt và hàn bản mã .......................................................... 27
Hình 3.5. Thiết kế lò thí nghiệm cháy ............................................................................. 29
Hình 3.6. Hình thực tế lò thí nghiệm cháy ...................................................................... 30
Hình 3.7. Can nhiệt loại K-1200°C ................................................................................. 30
Hình 3.8 Mẩu được lắp vào trong lò................................................................................ 31
Hình 3.9. Bộ khớp thí nghiệm ......................................................................................... 32
Hình 3.10. Vị trí liên kết bộ khớp ................................................................................... 32
Hình 3.11 Hình ảnh thí nghiệm nén ................................................................................ 33

Hình 4.1. Đường nhiệt độ cháy 15 phút .......................................................................... 34
Hình 4.2. Đường cong nhiệt độ cháy 30 phút.................................................................. 35
Hình 4.3. Đường cong nhiệt độ cháy 45 phút.................................................................. 35
Hình 4.4. Đường cong nhiệt độ cháy 60 phút.................................................................. 36
Hình 4.5. Mẩu sau khi thí nghiệm cháy ........................................................................... 37
Hình 4.6. Vị trí vết rộp của mẫu sau khi bị cháy ............................................................. 38
viii


Hình 4.7. Mau C-60-1 bị phá hoại ................................................................................... 39
Hình 4.8. Phá hoại của mẫu đối chứng dưới tác dụng lực dọc ........................................40
Hình 4.9. Phá hoại của mẫu bị cháy dưới tác dụng lực dọc ............................................40
Hình 4.10. Cận cảnh phá hoại của mẫu bị cháy dưới tác dụng lực dọc trục ................... 41
Hình 4.11. Đường cong lực-chuyển vị của mẫu C-0-1 ................................................. 42


X

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
CFST

Ống thép nhồi bê tông

BTCT

Bê tông cốt thép

RHS

Tiết diện chữ nhật rỗng (Rectangular Hollow Section)

PTHH

Phần tử hữu hạn

CFSST Ống thép không gỉ nhồi bê tông (Concrete Filled Stainless Steel Tube)
UHSC Bê tông siêu cường độ cao (Ultra High Strength Concrete)
HSC

Bê tông cường độ cao (High Strength Concrete)

NSC

Bê tông thường (Normal Strength Concrete)


CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1. Lý do thực hiện đề tài
Hằng năm, rất nhiều vụ hỏa hoạn đã xảy ra, gây ra thiệt hại lớn về người và tài sản.
Khi cháy, lửa tác động trực tiếp lên hệ kết cấu khiến công trình bị hư hại hoặc có thể dẫn
đến sụp đổ. Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của lửa lên công trình là vấn đề ngày càng được
quan tâm và nghiên cứu.
Ngày nay, việc ứng dụng cột ống thép nhồi bê tông (CFST) trong kết cấu nhà cao
tầng được phát triển rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của cấu kiện này. Cột CFST tận
dụng tối đa khả năng chịu lực của bê tông và thép do khắc phục được những nhược điểm
của nhau khi làm việc đồng thời trong cấu kiện và có ưu điểm về mặt thi công. Điều đó đặc
biệt kinh tế và hữu ích cho việc ứng dụng trong kết cấu nhà cao tầng vì cấu kiện có độ bền,
cường độ chịu lực cao, tiết diện thon gọn, có tính thẩm mỹ cao, rút ngắn thời gian thi công
và giảm thiểu chi phí xây dựng. Mặc dù được ứng dụng rộng rãi, nhưng những nghiên cứu
thực nghiệm về ứng xử của cột CFST bị cháy vẫn còn hạn chế. Cột là cấu kiện chịu lực
chính trong hệ kết cấu. Khi bị cháy, cột chịu tác động trực tiếp từ lửa gây suy giảm độ cứng
của cấu kiện dẫn đến hư hại công trình. Trong các hệ tiêu chuẩn hiện hành vẫn chưa có sự
thống nhất trong các công thức tính cột CFST trong điều cháy. Vì thế, việc nghiên cứu thực
nghiệm cột CFST bị cháy sẽ góp phần hiểu rõ ứng xử của cấu kiện trong thực tế, giúp việc
thiết kế được thực hiện một cách dễ dàng và chính xác hom.
1.2. Mục đích nghiên cứu
-

Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cấu kiện CFST tiết diện tròn khi bị cháy.

-


Góp phần làm rõ ứng xử của cấu kiện ống CFST khi bị cháy.

•

Đánh giá khả năng chịu lực còn lại của cấu kiện sau khi bị cháy.

• Kết quả từ đề tài góp phần bổ sung kiến thức về ứng xử của cấu kiện ống
CFST bị cháy.
-

Ý nghĩa thực tiễn :
• Hỏa hoạn là điều không thể tránh khỏi trong cuộc sống hàng ngày. Hiểu rõ ứng
xử của ống CFST bị cháy giúp cho việc thiết kế cột có xét đến điều kiện cháy
được thực hiện một dễ dàng và chính xác hơn.
• Đối với các công trình đã bị cháy, việc đánh giá khả năng chịu lực còn lại của
kết cấu ngày càng được quan tâm hơn.

1.5. Cấu trúc luận văn
Nội dung trong luận văn được trình bày cụ thể qua 5 chương. Chương 1 là chương
mở đầu của luận văn nêu lên lý do thực hiện đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và
phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa nghiên cứu và cấu trúc của luận
văn.


3
Chương 2 trình bày tổng quan các nghiên cứu. Phần đầu tiên của chương 2 trình bày
về các vụ cháy lớn xảy ra trên thế giới và tại Việt Nam. Bên cạnh đó, giới thiệu về tính ưu
việt của cấu kiện CFST. Phần tiếp theo trình bày các nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm
ở trong và ngoài nước, sau đó rút ra ưu và khuyết điểm của các nghiên cứu.
Chương 3 trình bày chương trình thí nghiệm. Phần đầu trình bày vật liệu bao gồm bê


b) Chung cư 28 tầng ở Thượng Hải

Hình 2.1 .Các vụ hỏa hoạn trên thế giới


5

Hình 2.2. Vụ hỏa hoạn chung cư Carina, Việt Nam
Trong những năm gần đây, các công trình nhà cao tầng được xây dựng rộng rãi trên
khắp thế giới. Việc ứng dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được đặc biệt quan
tâm bởi những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) truyền
thống trong cả giai đoạn thi công lẫn giai đoạn sử dụng. Trong giai đoạn thi công, bê tông
được đổ trực tiếp vào ống thép thay thế cho ván khuôn. Khi bê tông chưa đủ ngày tuổi, ống
thép thay thế bê tông tham gia chịu lực chính trong hệ kết cấu. Trong giai đoạn sử dụng,
kết cấu có ưu điểm hơn về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng cao, tiết diện thon
gọn làm tăng không gian sử dụng và có tính thẫm mỹ cao hơn BTCT truyền thống.
Cột là cấu kiện chịu lực chính trong kết cấu công trình. Khi xảy ra cháy, cột bị tác
động trực tiếp từ lửa gây suy giảm đáng kể khả năng chịu lực. Điều này có thể gây sụp đổ
công trình. Vì vậy, việc đánh giá khả năng chịu cháy cho cột là điều cần được quan tâm và
nghiên cứu.
2.2. Tổng quan nghiên cứu về ống CFST bị cháy
2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Năm 2009, Hong và cộng sự [5] đã đề xuất phương pháp số “Phân Tích Ba Bước”
để dự đoán ứng xử cột ống thép nhồi bê tông (CFST) khi bị cháy theo tiêu chuẩn ISO- 834
[6]. Các mô hình số được phát triển cụ thể cho mỗi bước phân tích: (1) phân tích động lực
cháy, (2) phân tích truyền nhiệt phi tuyến, (3) phân tích ứng suất phi tuyến. Một ma trận


6

(c) kích thước mặt cắt ngang; (d) tỷ lệ chiều dài với chiều rộng (đường kính); (e) loại bê
tông; (f) loại tro bay, (g) điều kiện bảo dưỡng bê tông. Kết quả nghiên cứu cho thấy cường
độ liên kết giữa ống thép và lõi bê tông thường giảm sau 90 phút đầu tiếp xúc với lửa và
phục hồi lại khi thời gian tiếp xúc kéo dài đến 180 phút. Bên cạnh đó, cường độ liên kết
được kiến nghị theo kết quả nghiên cứu là 0,4 MPa với cột tiết diện tròn và 0,15 MPa với
cột tiết diện vuông. Do sự co ngót của bê tông nên cường độ liên kết của cột CFST bị ảnh
hưởng bởi kích thước mặt cắt ngang.
Trong cùng năm 2011, Tao và Ghannam [9] tiến hành mô phỏng sự phát triển nhiệt
độ trong cột CFST và cột ống thép không gỉ nhồi bê tông (concrete filled stainless steel
tubes-CFSST). số liệu thí nghiệm 78 mẫu trong các nghiên cứu trước đây đc thu thập để
phát triển mô hình PTHH phân tích truyền nhiệt. Các yếu tố quan trọng trong truyền nhiệt
bao gồm tính chất truyền nhiệt của thép và bê tông, độ ẩm của bê tông, độ dẫn nhiệt tiếp
xúc tại bề mặt ống thép, hệ số phát xạ nhiệt. Bên cạnh đó, tác giả đề nghị một mô hình để
tính toán độ ẩm của bê tông bên trong ống thép. Giá trị độ ẩm 5 % được đề xuất nếu tỷ lệ
trộn bê tông không được xác định.
Năm 2013, Yang và cộng sự [10] nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng ứng xử của
cột CFST với tiết diện chữ nhật rỗng (Rectangular Hollow Section-RHS). Có tất cả 3 mẫu
cột RHS được thí nghiệm gồm mẫu thứ nhất với tiết diện chữ nhật có kích thước 200x300
dày 5,75 mm, dài 3000 mm bị cháy 3 mặt với thời gian cháy là 34,3 phút; mẫu thứ hai với
tiết diện chữ nhật có kích thước 150x250 dày 10 mm, dài 3000 mm bị cháy 3 mặt với thời
gian cháy là 14,3 phút; cột còn lại bị cháy 4 mặt, tiết diện chữ nhật có kích thước 250x150
dày 10 mm với thời gian cháy 13 phút. Các yếu tố được xem xét đến là nhiệt độ được phân
phối, chuyển vị dọc trục, chuyển vị ngang và cơ chế phá hoại. Một mô hình phần tử hữu
hạn (PTHH) đã được phát triển để đối chiếu với kết quả thực nghiệm, mô hình được sử
dụng để hổ trợ cho nghiên cứu về các thông số chính ảnh hưởng đến cơ chế phá hoại của
cấu kiện. Tác giả rút ra được các kết luận như sau, sự dịch chuyển tâm cứng và phát triển


8
nhiệt độ bất đối xứng đối với cột tiếp xúc bị cháy không đồng đều gây mất ổn định cho cấu

gian cháy lần lượt là 132,37 phút. Lớp S30408 thép không gỉ được sử dụng cho ống thép
và bê tông tự đầm được sử dụng nhồi vào trong ống thép. Các thông số thử nghiệm bao
gồm: mức tải, kích thước và tiết diện mặt cắt. Biến dạng dọc trục và khả năng chịu cháy
của mẫu được trình bày trong nghiên cứu này, mô hình PTHH được phát triển để tiếp tục
nghiên cứu các dạng phá hoại của cột CFSST với CFST, sự khác biệt trong ứng xử chịu
cháy giữa hai loại cột này sẽ được làm rõ hơn. Năm mẫu CFSST được nghiên cứu dưới tác
dụng đồng thời của lực nén dọc trục và bị cháy trong điều kiện tiêu chuẩn cho thấy khả
năng chịu cháy của cột CFSST bị ảnh hưởng qua các tham số kích thước tiết diện và mức
tải trọng. Bên cạnh đó, mô hình PTHH được phát triển để mô phỏng sự phát triển của nhiệt
độ khi cháy và ứng xử của cột CFSST. Kết quả phân tích cho thấy rằng lõi bê tông chịu
toàn bộ tải trọng dọc trục ở giai đoạn sau khi bị cháy. Do sự khác biệt về tính chất cơ lý và
tính kháng nhiệt giữa thép không gỉ và thép cacbon nên cột CFST có khả năng chịu cháy
tốt hơn.
Sau đó 2 năm, Yao và cộng sự [13] thực hiện phân tích khả năng chịu lực của các
cột CFST. Phương pháp này dựa trên việc giảm cường độ của ống thép và bê tông để đánh
giá khả năng bị tác động nhiệt tối đa. Thu thập kết quả thí nghiệm của 61 mẫu được tiến
hành gia nhiệt đồng đều hoặc bị cháy theo tiểu chuẩn ISO-834. Một mô hình PTHH 3 chiều
được phát triển để kiểm tra ứng xử của cột CFST trong các điều kiện gia nhiệt nhác nhau.
Dựa trên đường cong Cardington từ các thử nghiệm cháy thực tế và phần mềm mô phỏng
động lực cháy (FDS), nghiên cứu tham số được thực hiện gồm thời gian cháy, đường kính
mặt cắt tiết diện ống, tỷ lệ độ mảnh, giới hạn chảy của ống thép và cường độ chịu nén của
lõi bê tông đến khả năng chịu lực của cấu kiện sau khi cháy. Nghiên cứu rút ra được rằng,
ứng xử của cột CFST dưới tác động của lửa tự nhiên là khác với tiêu chuẩn lửa truyền
thống. Sự phát triển của lửa được mô phỏng bằng phần mềm FDS một cách hiệu quả. Mô
hình này có thể áp dụng trong các trường hợp cháy tự nhiên khác nhau. Mô hình PTHH
được đề xuất để dự đoán mối quan hệ tải trọng và biến dạng của cột CFST sau khi bị cháy
đồng đều hoặc theo tiêu chuẩn cháy ISO-834.