Ảnh hưởng của hình thức bọc bảo vệ đến ứng suất, biến dạng của dầm thép tiết diện chữ i trong điều kiện chịu nhiệt độ cao

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019. 13 (5V): 47–54
ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH THỨC BỌC BẢO VỆ ĐẾN ỨNG SUẤT,
BIẾN DẠNG CỦA DẦM THÉP TIẾT DIỆN CHỮ I TRONG
ĐIỀU KIỆN CHỊU NHIỆT ĐỘ CAO
Phạm Thị Ngọc Thua,∗, Phan Quốc Tuấna
aKhoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng,
55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 31/08/2019, Sửa xong 19/09/2019, Chấp nhận đăng 19/09/2019
Tóm tắt
Thép là dạng vật liệu suy giảm khả năng chịu lực nhanh trong điều kiện chịu lửa. Bọc các cấu kiện thép chịu
lực bằng vật liệu chống cháy là một trong các biện pháp hữu hiệu để bảo vệ kết cấu thép trong điều kiện chịu
nhiệt độ cao. Hiện nay, có hai hình thức bọc phổ biến áp dụng cho các cấu kiện chịu uốn là bọc hình hộp và
bọc theo chu vi. Mỗi hình thức bọc lại phù hợp với một dạng vật liệu bảo vệ khác nhau. Bài báo giới thiệu một
nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của hình thức bọc bảo vệ đến khả năng chịu lực của cấu kiện dầm thép tiết diện
chữ I trong điều kiện chịu nhiệt độ cao. Phần mềm mô phỏng ANSYS Workbench đã được sử dụng để xác định
sự phân bố nhiệt độ trong dầm thép, ứng suất, biến dạng của dầm tại một thời điểm cho trước khi cháy từ đó
đưa ra kết luận về cách lựa chọn hình thức bọc phù hợp với từng điều kiện thiết kế dầm thép.
Từ khoá: dầm thép; vật liệu chống cháy; hình thức bọc; nhiệt độ cao; ANSYS Workbench.
EFFECTS OF PROTECTIVE COVER FORMS ON BEHAVIOR OF I-SHAPED STEEL BEAMS UNDER
ELEVATED TEMPERATURE
Abstract
Steel is a material which rapidly declines load-bearing capacity in fire. Covering steel members with fire pro-
tection materials is one of the effective measures to protect them in fire. Currently, there are two common forms
of covering applied to bending members: box-shaped protection and contour protection. Each form is suitable
for a certain protection material. The paper introduces a study examining effects of protective cover forms on
the bearing capacity of I-shaped steel beams under elevated temperature. The ANSYS Workbench simulation
software is used to determine the temperature distribution, stresses, deflections of steel beams at a given time
in the research process and presents a conclusion about choosing the suitable cover form in beam design.
Keywords: steel beams; fire protection materials; cover forms; elevated temperature; ANSYS Workbench.
https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(5V)-06 c© 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)
1. Đặt vấn đề
Thép là một vật liệu đang chiếm ưu thế trong các công trình xây dựng hiện nay nhờ khả năng chịu
lực cao và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, thép bị giảm khả năng chịu lực rất nhanh trong điều kiện chịu
nhiệt độ cao nên việc ứng dụng biện pháp nâng cao khả năng chịu nhiệt cho kết cấu thép đang được
quan tâm mạnh mẽ. Một số biện pháp bọc bảo vệ cấu kiện thép bằng các vật liệu cách nhiệt như thạch
cao chống cháy, vữa chống cháy, sơn chống cháy, ... là những hình thức được sử dụng phổ biến.
∗Tác giả chính. Địa chỉ e-mail: thuptn@nuce.edu.vn (Thu, P. T. N.)
47
Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Bài toán đặt ra trong quá trình nghiên cứu tính hiệu quả của hình thức bọc bảo vệ là xác định quy
luật lan truyền nhiệt thông qua lớp vật liệu cách nhiệt vào bên trong cấu kiện, từ đó phân tích ứng xử
nhiệt và trạng thái làm việc trong điều kiện vừa chịu lực vừa chịu nhiệt của cấu kiện thép. Kết quả của
bài toán này sẽ tạo điều kiện cho việc lựa chọn vật liệu bọc, giải pháp bọc và chiều dày lớp bọc phù
hợp với từng trường hợp thiết kế cụ thể.
Phương pháp phần tử hữu hạn 3D [1–4] được sử dụng là công cụ chính để giải bài toán trên, với
hai giai đoạn phân tích cơ bản là phân tích nhiệt [2, 4] và phân tích cơ học [1, 3]. Giai đoạn phân tích
nhiệt sẽ xác định trường nhiệt độ trong cấu kiện biến thiên theo thời gian, dựa trên mối quan hệ nhiệt
độ - thời gian của các mô hình cháy danh nghĩa. Kết quả thu được ở giai đoạn này kết hợp với tải trọng
sẽ là điều kiện đầu vào cho giai đoạn phân tích cơ học để xác định các giá trị ứng suất, biến dạng và
khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép. Các đặc tính nhiệt học như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung
riêng và các đặc tính cơ học như modun đàn hồi, modun tiếp tuyến, giới hạn chảy của vật liệu thép
đều thay đổi theo nhiệt độ [5–7], tức là thay đổi theo thời gian. Như vậy, bài toán được phân tích bao
gồm cả sự thay đổi về không gian (ba trục x, y, z trong hệ tọa độ Descartes) và thời gian (t).
Trong phạm vi của bài báo, tác giả tập trung nghiên cứu trạng thái ứng xử của cấu kiện dầm thép
tiết diện chữ I chịu lực được bọc bảo vệ theo hai hình thức: bọc theo chu vi bằng vật liệu vữa chống
cháy và bọc hình hộp bằng vật liệu thạch cao chống cháy trong điều kiện chịu nhiệt độ cao. Chương
trình mô phỏng ANSYS Workbench [8, 9] theo phương pháp phần tử hữu hạn với phân tích nhiệt
Transient thermal và phân tích cơ Transient structural được sử dụng để xác định sự phân bố nhiệt độ,
ứng suất, biến dạng trên toàn bộ dầm tại một thời điểm cho trước trong quá trình dầm vừa chịu lực
vừa chịu nhiệt độ cao biến thiên theo thời gian.
2. Các hình thức bọc bảo vệ dầm thép tiết diện I
Vữa chống cháy có thành phần hóa học chính là các chất khoáng tự nhiên, xi măng và các chất
phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ ghép cốp pha. Các
phương pháp này thi công tương đối nhanh, lại không gặp phải những vấn đề khó khăn khi cố định
các tấm panel, tấm tường, tấm sàn cứng xung quanh các chi tiết liên kết phức tạp. Sau khi thi công,
vữa chống cháy tạo nên một lớp phủ rắn, có khả năng chịu được sự tác động nhiệt của các đám cháy
nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt là dạng lửa phun.
3 
2. Các hình thức bọc bảo vệ dầm thép tiết diện I 
Vữa chống cháy có thành phần hóa học chính là các chất khoáng tự nhiên, xi măng và 
các chất phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ 
ghép cốp pha. Các phương pháp này thi công tương đối nhanh, lại không gặp phải những 
vấn đề khó khăn khi cố định các tấm panel, tấm tường, tấm sàn cứng xung quanh các chi 
tiết liên kết phức ạp. Sau khi thi công, vữa chống háy tạo nên một lớp phủ rắn, có khả 
năng chịu được sự tác động nhiệt của các đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt 
là dạng lửa phun. 
 a, Dầm sàn bọc vữa ba mặt b, Dầm độc lập bọc vữa bốn mặt 
Hình 1. Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực bằng vữa chống cháy 
Vữa chống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến nhất là bọc theo chu vi của cấu kiện 
thép. Phổ biến nhất với tiết diện chữ I, khi các cấu kiện dầm đỡ sàn bê tông, vì bê tông là 
những vật liệu cách nhiệt tốt nên vữa thường được bọc tại các mặt còn lại (hình 1a). Còn 
đối với các cấu kiện dầm độc lập hoặc liên kết với các bề mặt vật liệu chịu nhiệt kém thì 
nên bọc vữa cả bốn mặt để đảm bảo hiệu quả cách nhiệt cần thiết (hình 1b). Về phương 
thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống cháy có thể bám dính trực tiếp lên 
bề mặt kết cấu thép hoặc có thêm lưới thép gia cường. Độ dày tối thiểu của một lớp vữa 
bám dính trực tiếp là 14mm, của lớp vữa có lưới thép gia cường là 50mm. Trong các tính 
toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của vữa chống cháy có thể thay đổi từ 0,15-0,25 W/moC 
[2,12]. 
Thạch cao có 21% khối lượng là nước và 79% khối lượng là thạch cao khan. Hợp chất 
này hoàn toàn không có phản ứng hóa học ở nhiệt độ dưới 1200oC. Khi công trình xảy ra 
hỏa hoạn, đầu tiên các phân tử nước kết tinh sẽ hấp thụ nhiệt rồi được giải phóng ra dưới 
dạng hơi nước. Đây là hiện tượng canxi hóa, chính quá trình hấp thụ nhiệt và giải phóng 
các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt từ mặt tiếp xúc trực tiếp với lửa sang 
mặt kia của tấm, tạo hiệu quả cách nhiệt cho tấm. 
Hình thức bọc chủ yếu của thạch cao là bọc hình hộp, tấm thạch cao chạy vòng quanh 
tiết diện theo một hình chữ nhật ngoại tiếp (hình 2a,b). Trong thực tế, người ta có thể cấu 
tạo thêm các lỗ hổng không khí xung quanh tiết diện để tăng mức độ đối lưu không khí 
(a) Dầm sàn bọc vữ a mặt
3 
2. Các ình thức bọc bảo vệ dầm thép tiết diệ I
Vữa c ốn cháy có thành phần óa học chí h là các chất khoáng tự n iên, xi măng và 
các chất phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ 
ghép cốp pha. Các phương pháp này thi công tương đối nhanh, lại không gặp phải những 
vấn đề khó khăn khi cố định các tấm panel, tấm tường, tấm sàn cứng xung quanh các chi 
tiết liên kết phức tạp. Sau khi thi công, vữa chống cháy tạo nên một lớp phủ rắn, có khả 
năng chịu đ ợc sự tác động nh của các đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt 
là dạng lửa phun. 
 a, Dầ sàn bọc vữa ba ặt b, Dầm độc lập bọc vữa bốn mặt 
Hình 1. Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực bằng vữa chống cháy 
Vữa chống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến nhất là bọc theo chu vi của cấu kiện 
thép. Phổ biến nhất với tiết diện chữ I, khi các cấu kiện dầm đỡ sàn bê tông, vì bê tông là 
những vật liệu cách nhiệt tốt nên vữa thường được bọc tại các mặt còn lại (hình 1a). Còn 
đối với các cấu kiện dầm độc lập hoặc liên kết với các bề mặt vật liệu chịu nhiệt kém thì 
nên bọc vữa cả bốn mặt để đảm bảo hiệu quả cách nhiệt cần thiết (hình 1b). Về phương 
thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống cháy có thể bám dính trực tiếp lên 
bề mặt kết cấu thép hoặc có thêm lưới thép gia cường. Độ dày tối thiểu của một lớp vữa 
bám dính trực tiếp là 14mm, của lớp vữa có lưới thép gia cường là 50mm. Trong các tính 
toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của vữa chống cháy có thể thay đổi từ 0,15-0,25 W/moC 
[2,12]. 
Thạch cao có 21% khối lượng là nước và 79% khối lượng là thạch cao khan. Hợp chất 
này hoàn toàn không có phản ứng hóa học ở nhiệt độ dưới 1200oC. Khi công trình xảy ra 
hỏa hoạn, đầu tiên các phân tử nước kết tinh sẽ hấp thụ nhiệt rồi được giải phóng ra dưới 
dạng hơi nước. Đây là hiện tượng canxi hóa, chính quá trình hấp thụ nhiệt và giải phóng 
các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt từ mặt tiếp xúc trực tiếp với lửa sang 
mặt kia của tấm, tạo hiệu quả cách nhiệt cho tấm. 
Hình thức bọc chủ yếu của thạch cao là bọc hình hộp, tấm thạch cao chạy vòng quanh 
tiết diện theo một hình chữ nhật ngoại tiếp (hình 2a,b). Trong thực tế, người ta có thể cấu 
tạo thêm các lỗ hổng không khí xung quanh tiết diện để tăng mức độ đối lưu không khí 
(b) Dầm độc lập bọc vữa bốn mặt
Hình 1. Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực bằng vữa chống cháy
Vữa c ống cháy có hình thức bảo vệ phổ biến nhất là bọc theo chu vi của cấu kiện thép. Phổ biến
nhất với tiết diện chữ I, k các cấu kiện dầm đỡ sàn bê tông, vì bê tông là những vật liệu cách nhiệt tốt
nên vữa thường được bọc tại các mặt còn lại (Hình 1(a)). Còn đối với các cấu kiện dầm độc lập hoặc
48
Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
liên kết với các bề mặt vật liệu chịu nhiệt kém thì nên bọc vữa cả bốn mặt để đảm bảo hiệu quả cách
nhiệt cần thiết (Hình 1(b)). Về phương thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống cháy có
thể bám dính trực tiếp lên bề mặt kết cấu thép hoặc có thêm lưới thép gia cường. Độ dày tối thiểu của
một lớp vữa bám dính trực tiếp là 14 mm, của lớp vữa có lưới thép gia cường là 50 mm. Trong các
tính toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của vữa chống cháy có thể thay đổi từ 0,15-0,25 W/m◦C [7, 10].
Thạch cao có 21% khối lượng là nước và 79% khối lượng là thạch cao khan. Hợp chất này hoàn
toàn không có phản ứng hóa học ở nhiệt độ dưới 1200◦C. Khi công trình xảy ra hỏa hoạn, đầu tiên các
phân tử nước kết tinh sẽ hấp thụ nhiệt rồi được giải phóng ra dưới dạng hơi nước. Đây là hiện tượng
canxi hóa, chính quá trình hấp thụ nhiệt và giải phóng các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt
từ mặt tiếp xúc trực tiếp với lửa sang mặt kia của tấm, tạo hiệu quả cách nhiệt cho tấm.
4 
(hình 2c). Vì khả ăng ruyền hiệt của thạch cao thấp hơn so với thép nên phần nhiệt độ 
ở trong khu vực bao kín bởi hộp bảo vệ được xem là phân bố đều. Các tấm thạch cao có 
độ dày tối thiểu 9mm, trong một số trường hợp cần tăng mạnh hiệu quả cách nhiệt, có thể 
sử dụng ốp hai tấm liền nhau để tăng bề d y lớp bọc. Trong các tính toán truyề nhiệt, độ 
dẫn nhiệt của thạch cao chống cháy có thể thay đổi từ 0,2-0,25 W/moC [2,12]. 
a, Dầm sàn bọc ba mặt b, Dầm độc lập bọc bốn mặt c, Dầm bọc bốn mặt có 
lỗ hổng không khí 
Hình 2. Các hình thức bọc tiết diện thép I chịu lực bằng thạch cao chống cháy 
3. Khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm thép được bọc bảo vệ trong 
điều kiện chịu nhiệt độ cao 
Xét cấu kiện dầm thép có tiết diện chữ I được bọc bảo vệ có kích thước bản bụng 
hw=600mm, tw=10mm, bản cánh bf=250mm, tf=14mm. Mặt trên dầm liên kết với bản sàn 
bê tông cốt thép có chiều dày bs=100mm. Nhiệt độ tác dụng lên bản cánh dưới của dầm 
thép (theo suốt chiều dài dầm) biến thiên theo thời gian, áp dụng đường cong nhiệt độ - 
thời gian ISO 834 dựa trên mô hình cháy danh nghĩa của vật liệu hydro cacbua [6, 8]: 
 (1) 
trong đó: T là nhiệt độ thu được (oC) tại thời điểm t (phút). 
Nhiệt độ mặt trên bản bê tông xem như nhiệt độ phòng Tphong=25oC, không đổi theo 
suốt chiều dài dầm và trong thời gian khảo sát. 
Dầm hai đầu khớp, nhịp L=8m, tải trọng tác dụng lên bản cánh trên của dầm thép xem 
là phân bố đều q=40KN/m và không đổi trong suốt thời gian khảo sát. Giới hạn chảy của 
thép fy/gM,fi=2400daN/cm2 [6]. Hệ số dẫn nhiệt của thép thay đổi phụ thuộc nhiệt độ theo 
EN 1993 [6]. 
20)1t8(log345T 10 ++=
(a) Dầm sàn bọc ba mặt
4 
(hình 2c). Vì khả năng truyền nhiệt của thạch cao thấp hơn so với thép nên phần nhiệt độ 
ở tr ng khu vực bao kí bởi hộp bảo vệ được xem là phân bố đều. Các tấm thạch ca có 
độ dày tối thiểu 9mm, trong một số trường hợp cần tăng mạnh hiệu quả cách nhiệt, có thể 
sử dụng ốp hai tấm liền nhau để tăng bề dày lớp bọc. Trong các tính toán truyền nhiệt, độ 
dẫn nhiệt của thạch cao chống cháy có thể thay đổi từ 0,2-0,25 W/moC [2,12]. 
a, Dầm sàn bọc ba b, Dầm độc lập bọc bốn mặt c, Dầm bọc bốn mặt có 
lỗ hổng không khí 
Hình 2. Các hình t c c tiết iện thép I chịu lực bằng thạch cao chống cháy 
3. Khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm thép được bọc bảo vệ trong 
điều kiện chịu nhiệt độ cao 
Xét cấu kiện dầm thép có tiết diện chữ I được bọc bảo vệ có kích thước bản bụng 
hw=600mm, tw=10mm, bản cánh bf=250mm, tf=14mm. Mặt trên dầm liên kết với bản sàn 
bê tông cốt thép có chiều dày bs=100mm. Nhiệt độ tác dụng lên bản cánh dưới của dầm 
thép (theo suốt chiều dài dầm) biến thiên theo thời gian, áp dụng đường cong nhiệt độ - 
thời gian ISO 834 dựa trên mô hình cháy danh nghĩa của vật liệu hydro cacbua [6, 8]: 
 (1) 
trong đó: T là nhiệt độ thu được (oC) tại thời điểm t (phút). 
Nhiệt độ mặt trên bản bê tông xem như nhiệt độ phòng Tphong=25oC, không đổi theo 
suốt chiều dài dầm và trong thời gian khảo sát. 
Dầm hai đầu khớp, nhịp L=8m, tải trọng tác dụng lên bản cánh trên của dầm thép xem 
là phân bố đều q=40KN/m và không đổi trong suốt thời gian khảo sát. Giới hạn chảy của 
thép fy/gM,fi=2400daN/cm2 [6]. Hệ số dẫn nhiệt của thép thay đổi phụ thuộc nhiệt độ theo 
EN 1993 [6]. 
20)1t8(log345T 10 ++=
(b) Dầm độc lập bọc bốn mặt
4 
(hình 2c). Vì khả năng truyền nhiệt của thạch cao thấp hơn so với thép nên phần nhiệt độ 
ở trong khu vực bao kín bởi hộp bảo vệ được xe là ... hòng Tphong = 25◦C, không đổi theo suốt chiều
dài dầm và trong thời gian khảo sát.
49
Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Dầm hai đầu khớp, nhịp L = 8 m, tải trọng tác dụng lên bản cánh trên của dầm thép xem là
phân bố đều q = 40 KN/m và không đổi trong suốt thời gian khảo sát. Giới hạn chảy của thép
fy/γM, fi = 2400 daN/cm
2 [5]. Hệ số dẫn nhiệt của thép thay đổi phụ thuộc nhiệt độ theo EN 1993 [5].
5 
 a, Tiết diện dầm bọc vữa chống cháy b, Tiết diện dầm bọc thạch cao 
Hình 3. Kích thước tiết diện dầm khảo sát 
Quá trình khảo sát dựa trên việc thay đổi một số thông số của hình thức bọc bảo vệ 
dầm: 
Bọc chu vị, bề dày vữa tbv (mm) 15 25 50 
Bọc hình hộp, bề dày thạch cao tbv (mm) 13 16 26 32 
Vữa có hệ số dẫn nhiệt l=0,18 W/moC; thạch cao có hệ số dẫn nhiệt l=0,25 W/moC; 
Phần mềm mô phỏng ANSYS được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng trường 
ứng suất-biến dạng (theo phân tích Transient structural - mặc định là phi tuyến hình học 
[11]) của dầm thép khi chịu đồng thời tác dụng của tải trọng và nhiệt độ. Phần tử được 
chọn là phần tử 3D solid body HEX8 [5] - dạng phần tử bậc nhất gồm 6 mặt, 8 nút; mô 
hình vật liệu dạng tuyến tính (dạng isotropic elasticity [5]). 
Trong mô hình này, ta bỏ qua trạng thái làm việc của các lớp vật liệu cách nhiệt, ứng 
suất nghiên cứu là ứng suất Von-mises [3], biến dạng nghiên cứu là độ võng của dầm 
tương ứng với các thời điểm cháy 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút; 30phút; 60phút; 
90phút; 120phút. Các kết quả thu tại các thời điểm cháy tiêu chuẩn 30phút; 60phút; 
90phút; 120phút được sẽ dùng để kiểm tra tiêu chuẩn khả năng chịu lực (R) trong EN 
1993 [6]. Các thời điểm 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút được đưa vào khảo sát là do 
trong khoảng 15 phút đầu, đường cong ở phương trình (1) có độ dốc lớn (nhiệt độ tăng 
nhanh so với thời gian) nên cần thiết phải chia nhỏ khoảng thời gian này để các đồ thị kết 
quả thu được có độ chính xác cao hơn. 
(a) Tiết diện dầm bọc vữa chống cháy
5 
 a, Tiết diện dầm bọc vữa chống cháy b, Tiết diện dầm bọc thạch cao 
Hình 3. Kích thước tiết diện dầm khảo sát 
Quá trình khảo sát dựa trên việc thay đổi một số thông số của hình thức bọc bảo vệ 
dầm: 
Bọc chu vị, bề dày vữa tbv (mm) 15 25 50 
Bọc hình hộp, bề dày thạch cao tbv (mm) 13 16 26 32 
Vữa có hệ số dẫn nhiệt l=0,18 W/moC; thạch cao có hệ số dẫn nhiệt l=0,25 W/moC; 
Phần mềm mô phỏng ANSYS được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng trường 
ứng suất-biến dạng (theo phân tích Transient structural - mặc định là phi tuyến hình học 
[11]) của dầm thép khi chịu đồng thời tác dụng của tải trọng và nhiệt độ. Phần tử được 
chọn là phần tử 3D solid body HEX8 [5] - dạng phần tử bậc nhất gồm 6 mặt, 8 nút; mô 
hình vật liệu dạng tuyến tính (dạng isotropic elasticity [5]). 
Trong mô hình này, ta bỏ qua trạng thái làm việc của các lớp vật liệu cách nhiệt, ứng 
suất nghiên cứu là ứng suất Von-mises [3], biến dạng nghiên cứu là độ võng của dầm 
tương ứng với các thời điểm cháy 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút; 30phút; 60phút; 
90phút; 120phút. Các kết quả thu tại các thời điểm cháy tiêu chuẩn 30phút; 60phút; 
90phút; 120phút được sẽ dùng để kiểm tra tiêu chuẩn khả năng chịu lực (R) trong EN 
1993 [6]. Các thời điểm 0,5phút; 1,5phút; 4phút; 15phút được đưa vào khảo sát là do 
trong khoảng 15 phút đầu, đường cong ở phương trình (1) có độ dốc lớn (nhiệt độ tăng 
nhanh so với thời gian) nên cần thiết phải chia nhỏ khoảng thời gian này để các đồ thị kết 
quả thu được có độ chính xác cao hơn. 
(b) Tiết diện dầm bọc thạch cao
Hình 3. Kích thước tiết diện dầm khảo sát
Quá trình khảo sát dựa trên việc thay đổi một số thông số của hình thức bọc bảo vệ dầm:
Bọc chu vị, bề dày vữa tbv (mm) 15 5 50
Bọc hình hộp, bề dày thạch cao tbv ( m) 13 16 26 32
Vữa có hệ số dẫn nhiệt λ = 0,18 W/m◦C; thạch cao có hệ số dẫn nhiệt λ = 0,25 W/m◦C.
Phần mềm mô phỏng ANSYS được sử dụng để xây dự mô hình mô phỏng trường ứng suất-
biến dạng (theo ân tích Transient structural - mặc định là p i tuyến hình học [9]) của dầm thép
khi chịu đồ g thời tác dụng của tải trọng và nhiệt độ. Phần tử được chọn là phần tử 3D solid body
HEX8 [8] - dạng phần tử bậc nhất gồm 6 mặt, 8 nút; mô hình vật liệu dạng tuyến tính (dạng isotropic
elasticity [8]).
6 
Hình 4. Sự phân bố nhiệt độ (oC) trên dầm thép được bọc vữa dày 15mm, tại t=120 phút 
a, Sự phân bố nhiệt độ (oC) 
b, Sự phân bố ứng suất (Pa) 
c, Sự phân bộ độ võng (m) 
Hình 5. Các kết quả thu được trên tiết diện giữa dầm (z=4m) thép được bọc vữa dày 
15mm, tại t=120 phút 
Hình 4. Sự phân bố nhiệt độ (◦C) trên dầm thé ợc bọc vữa dày 15 mm, tại t = 120 phút
Trong mô hình này, ta bỏ qua trạng thái làm việc của các lớp vật liệu cách nhiệt, ứng suất nghiên
cứu là ứng suất Von-mises [2], biến dạng nghiên cứu là độ võng của dầm tương ứng với các thời điểm
cháy 0,5 phút; 1,5 phút; 4 phút; 15 phút; 30 phút; 60 phút; 90 phút; 120 phút. Các kết quả thu tại các
50
Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
thời điểm cháy tiêu chuẩn 30 phút; 60 phút; 90 phút; 120 phút được sẽ dùng để kiểm tra tiêu chuẩn
khả năng chịu lực (R) trong EN 1993 [5]. Các thời điểm 0,5 phút; 1,5 phút; 4 phút; 15 phút được đưa
vào khảo sát là do trong khoảng 15 phút đầu, đường cong ở phương trình (1) có độ dốc lớn (nhiệt độ
tăng nhanh so với thời gian) nên cần thiết phải chia nhỏ khoảng thời gian này để các đồ thị kết quả
thu được có độ chính xác cao hơn.
6 
Hình 4. Sự phân bố nhiệt độ (oC) trên dầm thép được bọc vữa dày 15mm, tại t=120 phút 
a, Sự phân bố nhiệt độ (oC) 
b, Sự phân bố ứng suất (Pa) 
c, Sự phân bộ độ võng (m) 
Hình 5. Các kết quả thu được trên tiết diện giữa dầm (z=4m) thép được bọc vữa dày 
15mm, tại t=120 phút 
(a) hân bố nhiệt độ (◦C)
6 
Hình 4. Sự phâ bố nhiệt độ (oC) trên dầm thép được bọc vữa dày 15mm, tại t=120 phút 
a, Sự phâ bố nhiệt độ (oC) 
b, Sự phân bố ứng suất (Pa) 
c, Sự phân bộ độ võng (m) 
Hình 5. Các kết q ả thu được rên tiết d ện giữa dầm (z=4m) thép được bọc vữa dày 
15mm, tại t=120 phút 
(b) Sự phâ bố ứng suất ( a)
6 
Hình 4. Sự phâ bố nhiệt độ (oC) trên dầm thép được bọc vữa dày 15mm, tại t=120 phút 
a, Sự phâ bố nhiệt độ (oC) 
b, Sự phân bố ứng suất (Pa) 
c, Sự phâ bộ độ võng (m) 
Hình 5. Các kết q ả hu được rên tiết d ện giữa dầm (z=4m) thép được bọc vữa dày 
15mm, tại t=120 phút 
(c) Sự phân bộ đ ( )
Hình 5. Các kết quả t u được trên tiết diệ g ữa dầm (z = 4 m) thép được bọc vữa dày 15 mm, tại t = 120 phút
7 
 Hình 6. Mối quan hệ nhiệt độ - thời gian 
 Hình 7. Mối quan hệ ứng suất - thời gian tại tiết diện giữa dầm 
Hình 6. i hệ nhiệt độ - thời gian
Hình 6–8 thể hiện sự tổng hợp các kết quả thu được từ chương trình mô phỏng. Từ đó, ta có thể
rút ra một số nhận xét như sau:
- Tại thời điểm t = 120 phút, nhiệt độ đám cháy đạt T = 1054◦C, nhiệt độ Tmax cấu kiện dầm thép
khi bọc chu vi bằng 503,71 ◦C và khi bọc hình hộp bằng 696,9◦C. Các giá trị này cho ta thấy hiệu quả
cách nhiệt khi sử dụng vật liệu bọc là khá cao.
- So sánh giữa 2 hình thức bọc bảo vệ thì hình thức bọc bằng vữa theo chu vi cho hiệu quả cách
nhiệt tốt hơn. Tại thời điểm 120 phút, Tmax khi bọc chu vi bằng 503,71◦C và Tmax khi bọc hình hộp
bằng 696,9◦C. Có 3 lí do để giải thích cho kết luận này:
+ Khả năng cách nhiệt của vữa và thạch cao là khác nhau;
+ Bề dày lớp vật liệu bảo vệ khác nhau (giữa 15 mm và 13 mm);
51
Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
7 
 Hình 6. Mối quan hệ nhiệt độ - thời gian 
 Hình 7. Mối quan hệ ứng suất - thời gian tại tiết diện giữa dầm Hình 7. Mối quan hệ ứng suất - thời gian tại tiết diện giữa dầm
8 
 Hình 8. Mối quan hệ biến dạng - thời gian tại tiết diện giữa dầm 
Hình 6, 7, 8 thể hiện sự tổng hợp các kết quả thu được từ chương trình mô phỏng. Từ 
đó, ta có thể rút ra một số nhận xét như sau: 
- Tại thời điểm t = 120 phút, nhiệt độ đám cháy đạt T= 1054oC, nhiệt độ Tmax cấu kiện 
dầm thép khi bọc chu vi = 503,71oC và khi bọc hình hộp = 696,9oC. Các giá trị này cho ta 
thấy hiệu quả cách nhiệt khi sử dụng vật liệu bọc là khá cao. 
- So sánh giữa 2 hình thức bọc bảo vệ thì hình thức bọc bằng vữa theo chu vi cho hiệu 
quả cách nhiệt tốt hơn. Tại thời điểm 120 phút, Tmax khi bọc chu vi = 503,71oC và Tmax 
khi bọc hình hộp = 696,9oC. Có 3 lí do để giải thích cho kết luận này: 
+ Khả năng cách nhiệt của vữa và thạch cao là khác nhau, 
+ Bề dày lớp vật liệu bảo vệ khác nhau (giữa 15mm và 13mm), 
+ Hình thức bọc theo chu vi tốt hơn, vì ôm sát vào toàn bộ tiết diện, tránh được khoảng 
không khí giữa tiết diện thép và vật liệu bọc hình hộp. Trong thực tế trong khoảng không 
gian này sẽ xảy ra hiện tượng đối lưu, tuy nhiên khoảng không khí này hẹp và dài, nhiệt 
độ tác động theo phương dọc cấu kiện như nhau nên ảnh hưởng của đối lưu gần như rất 
nhỏ. 
- Để xác định trạng thái tới hạn của cấu kiện ta cần khảo sát 3 thông số: nhiệt độ, ứng 
suất và biến dạng. Trong chương trình mô phỏng, ứng suất và biến dạng thu được đã kể 
đến ảnh hưởng sự suy giảm môđun đàn hồi E theo nhiệt độ T [6], vì vậy với kết quả thu 
được, ta so sánh ứng suất với giới hạn chảy fy,q [6] để có được kết luận về khả năng chịu 
lực của dầm. Kết quả chi tiết được thể hiện trong các bảng 1, 2 và 3. 
Bảng 1. Kết quả nhiệt độ, ứng suất, độ võng của dầm bọc vữa 
Hình 8. Mối quan hệ ạng - thời gian tại iết diện giữa dầm
Bảng 1. Kết quả nhiệt độ, ứng suất, độ võng của dầm bọc vữa
Hình thức
bọc
Thời điểm
t (phút)
Nhiệt độ
T (◦C)
Ứng suất
(daN/cm2)
Ứng suất tới
hạn (daN/cm2)
Độ võng
∆ (cm)
Độ võng/Nhịp
∆/L
Bọc
vữa, dày
15 mm
30 303,60 1680 2400 5,119 1/156
60 379,97 1908 2400 6,207 1/129
90 445,89 2137 2136 7,174 1/111
120 503,71 2312 1872 8,034 1/100
Bọc
vữa, dày
25 mm
30 230,09 1496 2400 4,131 1/194
60 273,50 1632 2400 4,735 1/169
90 316,49 1757 2400 5,357 1/149
120 355,81 1862 2400 5,936 1/135
Bọc
vữa, dày
50 mm
30 176,66 1397 2400 3,392 1/236
60 183,84 1420 2400 3,488 1/229
90 195,86 1458 2400 3,656 1/219
120 210,80 1503 2400 3,871 1/207
52
Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
+ Hình thức bọc theo chu vi tốt hơn, vì ôm sát vào toàn bộ tiết diện, tránh được khoảng không
khí giữa tiết diện thép và vật liệu bọc hình hộp. Trong thực tế trong khoảng không gian này sẽ xảy ra
hiện tượng đối lưu, tuy nhiên khoảng không khí này hẹp và dài, nhiệt độ tác động theo phương dọc
cấu kiện như nhau nên ảnh hưởng của đối lưu gần như rất nhỏ.
- Để xác định trạng thái tới hạn của cấu kiện ta cần khảo sát 3 thông số: nhiệt độ, ứng suất và
biến dạng. Trong chương trình mô phỏng, ứng suất và biến dạng thu được đã kể đến ảnh hưởng sự
suy giảm môđun đàn hồi E theo nhiệt độ T [5], vì vậy với kết quả thu được, ta so sánh ứng suất với
giới hạn chảy fy,θ [5] để có được kết luận về khả năng chịu lực của dầm. Kết quả chi tiết được thể hiện
trong các Bảng 1, 2 và 3.
Bảng 2. Kết quả nhiệt độ, ứng suất, độ võng của dầm bọc thạch cao
Hình thức
bọc
Thời điểm
t (phút)
Nhiệt độ
T (◦C)
Ứng suất
(daN/cm2)
Ứng suất tới
hạn (daN/cm2)
Độ võng
∆ (cm)
Độ võng/Nhịp
∆/L
Bọc
thạch
cao, dày
13 mm
30 390,41 1902 2400 6,399 1/125
60 522,11 2197 1708 8,395 1/95
90 622,41 2362 999 9,955 1/80
120 696,90 2465 552 11,193 1/71
Bọc
thạch
cao, dày
16 mm
30 358,23 1818 2400 5,953 1/134
60 474,05 2085 2009 7,717 1/104
90 566,62 2239 1376 9,164 1/87
120 641,28 2351 890 10,382 1/77
Bọc
thạch
cao, dày
26 mm
30 267,69 1578 2400 4,678 1/171
60 347,83 1791 2400 5,882 1/136
90 422,15 1938 2283 7,032 1/114
120 487,23 2034 1939 8,045 1/99
Bọc
thạch
cao, dày
32 mm
30 242,65 1518 2400 4,325 1/185
60 303,61 1684 2400 5,238 1/153
90 365,77 1816 2400 6,197 1/129
120 423,10 1909 2278 7,089 1/113
Bảng 3. Kết luận về khả năng chịu lực của dầm trong điều kiện chịu lửa
Hình thức bọc
Khả năng chịu lực
theo thời gian
Ứng suất/Ứng suất
tới hạn (%)
Độ võng/Độ võng
tới hạn (%)
Vữa, dày 15 mm 60 phút 79,5 15,1
Vữa, dày 25 mm 120 phút 75,5 14,8
Vữa, dày 50 mm 120 phút 62,6 9,7
Thạch cao, dày 13 mm 30 phút 79,3 16,0
Thạch cao, dày 16 mm 30 phút 75,8 14,9
Thạch cao, dày 26 mm 90 phút 84,9 17,6
Thạch cao, dày 32 mm 120 phút 83,8 17,7
- Các giá trị độ võng dao động từ (1/113–1/135) của nhịp ứng với khả năng chịu lực tới hạn của
từng dầm. Nếu so với độ võng giới hạn của dầm chịu lực trong điều kiện chịu nhiệt độ cao là L2/400h
53
Thu, P. T. N., Tuấn, P. Q. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
= 26,67 cm [11] thì có thể thấy rằng khả năng chịu lực của dầm trong các trường hợp này đều do trạng
thái giới hạn thứ nhất quyết định.
4. Kết luận
- Vữa và thạch cao chống cháy đều là các vật liệu phổ biến để bảo vệ dầm thép làm việc trong
điều kiện chịu nhiệt độ cao ở Việt Nam. Hình thức bọc theo chu vi và bọc hình hộp vừa thuận lợi về
thi công vừa đạt hiệu quả cao về mặt cách nhiệt.
- Dựa vào các kết quả thu được từ các ví dụ trên, ta có thể rút ra một số kết luận cơ bản sau:
+ Khả năng bảo vệ dầm thép của các vữa và thạch cao là khá lớn, tùy thuộc vào từng yêu cầu thiết
kế khác nhau, ta có thể lựa chọn hình thức bọc và độ dày lớp vật liệu bọc sao cho phù hợp.
+ Bài báo đang nghiên cứu trạng thái ứng suất-biến dạng ứng với các thời gian cháy tiêu chuẩn,
tuy nhiên dựa vào phân tích này ta hoàn toàn có thể xác định được thời gian chính xác tương ứng khi
ứng suất trong dầm đạt đến ứng suất tới hạn. Điều này sẽ cho ta cơ sở để kết luận về thời gian tối đa
mà cấu kiện dầm có thể chịu được trong điều kiện chịu nhiệt độ cao.
+ Khi dầm đạt đến khoảng 80% ứng suất tới hạn thì độ võng đạt khoảng 1/120 của nhịp. Giá
trị này hoàn toàn có thể chấp nhận được để đảm bảo duy trì sự tồn tại của cấu kiện trong điều kiện
đám cháy.
- Dựa trên nguyên tắc phân tích như trên, ta có thể thực hiện tiếp các bài toán khác khi thay đổi
các thông số của dầm như sơ đồ kết cấu, sơ đồ tải trọng, kịch bản cháy, . . . để có được kết quả đầy đủ
về trạng thái làm việc của các cấu kiện dầm thép được bọc bảo vệ chịu lực trong điều kiện chịu nhiệt
độ cao.
Tài liệu tham khảo
[1] Cầu, V. N. (2005). Tính kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn. Nhà xuất bản Xây dựng.
[2] Thu, P. T. N. (2012). Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn xác định sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện
thép. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 6(2):54–61.
[3] Trâm, N., Ca, T. Q. (2007). Phương pháp phần tử hữu hạn và các ứng dụng trong tính toán kỹ thuật. Nhà
xuất bản Xây dựng.
[4] Thu, P. T. N. (2016). Apply the 3D finite element method to determine temperature at given position
of steel members. Proceedings of the International Conference on Sustainable Development in Civil
Engineering, 199–212.
[5] EN 1993-1-2:2005. General rules - Structural fire design.
[6] BS 5950-8:2003. Code of practice for fire resistant design.
[7] Lawson, R. M., Newman, G. M. (1990). Fire Resistant design of steel structures-A handbook to BS 5950:
Part 8. The Steel Construction Institute.
[8] Công ty cổ phần công nghệ tiên tiến (2015). Tài liệu khóa học ANSYS Mechanical.
[9] Kohnke, P. (1999). ANSYS Theory reference (Release 5.6). Ansys, Inc, Southpointe 275 Technology
Drive Canonsburg, PA 15317.
[10] Quý, N. N. (2002). Công nghệ vật liệu cách nhiệt. Nhà xuất bản Xây dựng.
[11] BS EN 1363-1:2012. Fire resistant test. General requirements.
54