Trong một bài đánh giá gần đây được công bố trên tạp chí Buildings, các nhà nghiên cứu đã trình bày một cuộc điều tra số chi tiết về hiệu suất của các cột thép sau khi tiếp xúc với lửa.

Nghiên cứu: Điều tra số lượng hiệu suất sau cháy của cột thép. Hình ảnh: Leon Rafael / Shutterstock.com

Tiểu sử

Tình thế tiến thoái lưỡng nan về kinh tế, xã hội và công nghệ của việc tái sử dụng các cấu trúc sau các sự kiện thảm khốc như động đất, hỏa hoạn, v.v. đã thu hút sự quan tâm của nhiều học giả. Trong những thập kỷ gần đây, đã có một số nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về ứng xử của kết cấu thép khi chịu tải trọng địa chấn.

Việc phát triển các cấu trúc cải tiến giúp giảm hư hỏng cấu trúc và phi cấu trúc và có thể tái sử dụng nhanh chóng sau động đất đã đạt được thông qua nghiên cứu về tính năng địa chấn của kết cấu thép. Dự đoán hành vi của các thành viên thép, các kết nối và hệ thống kết cấu hoàn chỉnh chịu lửa đã đạt được những tiến bộ đáng kể.

Mặt khác, đánh giá an toàn về khả năng tái sử dụng của kết cấu thép sau hỏa hoạn hiện đang được kiểm tra. Phần lớn các nghiên cứu tập trung vào hành vi sau cháy của các kết nối bắt vít hoặc hàn, với rất ít nghiên cứu về hành vi tổng thể của kết cấu hoặc các phần tử kết cấu.

Kết cấu thép được xây dựng theo tiêu chuẩn địa chấn hiện hành có thể chịu lửa với mức hư hỏng kết cấu tối thiểu và có thể được khôi phục và tái sử dụng. Do đó, điều quan trọng là phải điều tra xem việc tái sử dụng kết cấu thép sau hỏa hoạn có an toàn ở những nơi có địa chấn hay không.

Cột thép hạn chế quay và trục và mô hình số. Tín dụng hình ảnh: Pantousa, D et al., Buildings

Về nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, các tác giả đã khảo sát hiệu suất địa chấn của các cột thép đã bị hư hỏng trước khi hỏa hoạn. Các mô hình phần tử hữu hạn phức tạp được xây dựng và xác nhận dựa trên dữ liệu thực nghiệm cho mục đích này. Các mô hình được sử dụng để xác định chính xác hoạt động của các cột dầm ở nhiệt độ cao.

Hành vi của các cột lần đầu tiên được điều tra bằng cách sử dụng các điều kiện biên được đơn giản hóa, với cấu trúc xung quanh được loại trừ khỏi mô hình số. Các thiệt hại về cấu trúc do đám cháy gây ra đã được xác định bằng cách sử dụng phân tích cấu trúc nhiệt. Tính năng tuần hoàn của cột cũng được kiểm tra, có tính đến cả các biến dạng còn sót lại sau khi cháy và các đặc tính vật liệu phù hợp.

Sự tương tác phức tạp giữa các cột được nung nóng và cấu trúc xung quanh đã được tính đến trong mô hình để đạt được kết quả thực tế hơn. Hoạt động của khung chịu địa chấn, khi tiếp xúc với lửa, đã được mô hình hóa. Hành vi của các cột bị cháy sau đó được đánh giá dưới các tải trọng theo chu kỳ.

Các tác giả cũng đánh giá ứng xử sau cháy của cột thép chữ H khi chịu tải trọng chu kỳ và tải trọng nén dọc trục. Ảnh hưởng của những thay đổi trong điều kiện biên, tình huống cháy và tỷ lệ tải trọng dọc trục được áp dụng đã được nghiên cứu. Đánh giá kết cấu nhiệt được sử dụng để xác định mức độ hư hỏng kết cấu do đám cháy gây ra.

Tính năng tuần hoàn của cột đã được kiểm tra, có tính đến cả các biến dạng còn sót lại sau cháy và các đặc tính vật liệu phù hợp. Ngoài ra, một khung chống động đất (các cột có điều kiện biên thực tế) đã được khảo sát. Tác động của thiệt hại do hỏa hoạn đối với hoạt động chu kỳ của các cột đã được chứng minh. Nhiệt độ cao nhất đo được trong giai đoạn gia nhiệt, cũng như mức tải dọc trục, đã được phân tích tham số. Các dịch chuyển ra khỏi mặt phẳng toàn cầu được kết hợp với sự vênh cục bộ của mạng và các mặt bích về cuối giai đoạn cháy.

(a) So sánh kết quả phân tích số với kết quả thử nghiệm đối với mẫu S2-1 ở 415 ° C; (b) hình dạng biến dạng của dầm thép khi hỏng. Tín dụng hình ảnh: Pantousa, D et al., Buildings

Quan sát

Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự cải thiện về kích thước của web và các mặt bích, tỷ lệ thuận với mức độ tải. Người ta cũng xác định rằng đối với các nhiệt độ cao nhất được ghi lại nhỏ hơn hoặc bằng 550 ° C, các dịch chuyển cục bộ còn sót lại nhẹ (khoảng 1 mm) không ảnh hưởng đến hoạt động của các cột trong quá trình tải theo chu kỳ.

Các chuyển vị cục bộ ngoài mặt phẳng với biên độ lớn hơn về phía cơ sở của chúng ít ảnh hưởng đến hành vi tuần hoàn của chúng bằng cách gây ra hiện tượng vênh cục bộ sớm và do đó làm mất khả năng uốn. Hành vi này được ưa chuộng hơn khi mức tải tăng lên và nhiệt độ vượt quá 550 ° C.

Các dịch chuyển dư toàn cục và ngoài mặt phẳng nhỏ hơn 1% L không ảnh hưởng đến hoạt động theo chu kỳ của cột hoặc kích hoạt bất kỳ sự bất ổn toàn cục nào. Hơn nữa, cơ chế vênh cục bộ và công thức bản lề nhựa, gây ra các dịch chuyển ngoài mặt phẳng toàn cầu, là nguyên nhân chính dẫn đến sự cố của các cột.

Người ta cũng quan sát thấy rằng các biến dạng vênh cục bộ quá mức gây ra sự mất ổn định toàn cục xung quanh trục yếu và chỉ những cột bị hư hại nghiêm trọng (chuyển vị ngoài mặt phẳng toàn cầu lớn hơn 1% L) mới chịu đựng được hiện tượng vênh bên. Do các dịch chuyển còn lại và sự suy giảm các tính chất cơ học, khả năng quay của các cột bị hư hỏng bị giảm sút.

Chi tiết kết nối dầm-cột với chất làm cứng web. Tín dụng hình ảnh: Pantousa, D et al., Buildings

Kết luận

Kết luận, nghiên cứu này đã làm sáng tỏ hành vi số lượng của các cột thép sau khi hỏa hoạn khi chịu tải theo chu kỳ. Các tác giả đã chứng minh hoạt động của các cột bằng cách sử dụng các điều kiện biên đơn giản mà không xem xét đến cấu trúc xung quanh. Người ta suy ra rằng ngọn lửa đã làm hỏng hoạt động tuần hoàn của cột.

Các cột bị hư hỏng do cháy được tìm thấy có thể chịu được nhiệt độ cao (750 ° C) mà không bị hư hại lớn; tuy nhiên, hành vi của chúng sẽ nhạy cảm hơn trong một trận động đất tiếp theo. Các tác giả nhấn mạnh rằng cần phải có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cách các kết cấu thép phản ứng sau hỏa hoạn trong một trận động đất.

Họ cũng đề cập rằng để xác thực thực sự các mô hình số được sử dụng trong bài báo này, cần phải có các thí nghiệm quy mô đầy đủ trên các cột thép. Nhìn chung, họ tin rằng để đánh giá tính nhạy cảm với địa chấn của khung thép sau sự cố hỏa hoạn và đưa ra hướng dẫn sử dụng lại chúng, cần phải có nhiều thử nghiệm và số liệu hơn.

(Nguồn: www.mdpi.com)

 

Cảm ơn đã theo dõi hết bài viết!!!