Dầm bê tông cốt thép chịu tác động của lửa - Lựa chọn phần tử cho mô hình nhiệt học trong Ansys

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 9 
 DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA LỬA - LỰA CHỌN 
PHẦN TỬ CHO MÔ HÌNH NHIỆT HỌC TRONG ANSYS 
ThS. HOÀNG ANH GIANG 
Viện KHCN Xây dựng 
Tóm tắt: Qua so sánh về các biểu đồ phân bố 
nhiệt độ trên tiết diện dầm bê tông cốt thép xác định 
được qua thử nghiệm đốt và qua phân tích bằng 
phương pháp phần tử hữu hạn với hai cách áp dụng 
tác động của nhiệt khác nhau lên mô hình dầm 
giống hệt như mẫu đã được thử nghiệm, bài viết 
muốn chứng minh cách tốt nhất để áp dụng tác 
động của nhiệt lên các mô hình tính toán nếu khả 
năng chịu lửa của mẫu được đánh giá bằng thử 
nghiệm theo ISO 834. 
Từ khóa: ANSYS, Kết cấu bê tông cốt thép chịu 
tác động của lửa, Khả năng chịu lửa, Tác động của 
nhiệt, Phân tích về nhiệt độ, Thiết kế chịu lửa cho 
kết cấu. 
Abstract: By a comparision of the distributions of 
temperature on a reinforced concrete beam 
crossection which are the results of fire test data 
and that of finite element analyses with different 
methods of applying heat actions to a model that is 
identical to the tested sample, this paper 
concentrates on identifying a better tactic of 
application heat to the model in the case of fire 
resistance test conforming to ISO 834. 
Keywords: ANSYS, Reinforced concrete structures 
subject to fire, Fire resistance, Thermal actions, 
Temperature analysis, Structural Fire design. 
1. Đặt vấn đề 
Trong thiết kế kết cấu chịu tác động của lửa đòi 
hỏi phải xác định được sự phân bố nhiệt độ trong 
cấu kiện hoặc kết cấu. Ở mức độ đơn giản nhất, có 
thể áp dụng các biểu đồ phân bố nhiệt độ trên tiết 
diện ngang tương ứng với những khoảng thời gian 
tác động của lửa tiêu chuẩn [1] khác nhau (những 
biểu đồ này thường được cho sẵn trong một số tài 
liệu thiết kế như [3] [4] hoặc [5]). Trong những 
trường hợp riêng, có thể dùng các phần mềm bằng 
phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để phân tích 
về nhiệt độ, khi đó đòi hỏi phải áp dụng tác động 
của nhiệt từ ngọn lửa hoặc đám cháy lên mô hình. 
Theo EN 1991-1-2 [6], tác động của nhiệt lên bề 
mặt lộ lửa của cấu kiện được biểu diễn dưới dạng 
thông lượng nhiệt và gồm hai thành phần là nhiệt 
đối lưu (ℎ̇௡௘௧,௖)	và nhiệt bức xạ	(ℎ̇௡௘௧,௥). Tuy nhiên, 
các mô hình đám cháy dùng cho thiết kế cũng như 
thử nghiệm đốt lại thường được biểu diễn dưới 
dạng một hàm số của nhiệt độ khoang cháy theo 
thời gian [7] [8] (còn gọi đường quan hệ Nhiệt độ - 
thời gian tiêu chuẩn). Các nghiên cứu về sự làm 
việc của kết cấu dưới tác động của lửa trong đó có 
kết hợp giữa thực nghiệm và phân tích lý thuyết, thì 
các kết quả kiểm soát nhiệt độ của thiết bị thử 
nghiệm (đường quan hệ Nhiệt độ - thời gian ghi 
nhận được trong thực nghiệm) sẽ được dùng làm 
số liệu đầu vào về tác động của nhiệt áp dụng lên 
mô hình phân tích bằng chương trình máy tính. Nếu 
việc áp dụng tác động của nhiệt vào mô hình không 
đúng với bản chất số liệu của phép đo thì có thể 
dẫn đến những sai lệch giữa kết quả đo phân bố 
nhiệt độ trên tiết diện hoặc cấu kiện với kết quả 
phân tích về nhiệt độ của các mô hình tính. 
ANSYS [9] là một phần mềm khá mạnh trong 
việc giải bài toán phân tích về truyền nhiệt và cũng 
có một số nghiên cứu trong lĩnh vực kết cấu chịu tác 
động của lửa đã khai thác phần mềm này như một 
công cụ cho việc phân tích bằng mô hình phần tử 
hữu hạn về cả khía cạnh nhiệt độ và kết cấu, ví dụ 
như [10] [11] [12]. Ở mô hình phân tích về nhiệt độ 
đề cập trong [11] hoặc [12], bê tông và thép tương 
ứng được mô hình hóa bằng phần tử khối đặc và 
phần tử thanh, còn sự truyền nhiệt từ đám cháy vào 
các phần tử trong mô hình được thực hiện thông 
qua một loại phần tử phẳng có hiệu ứng bề mặt (gọi 
chung là phần tử hiệu ứng bề mặt). Do đặc điểm 
của loại phần tử hiệu ứng bề mặt là chỉ có thể tiếp 
nhận tác động của nhiệt dưới một trong hai dạng, 
hoặc là giá trị nhiệt độ (đơn vị là oC hoặc oK) của 
khối khí đối lưu ở lân cận bề mặt hoặc là giá trị 
thông lượng nhiệt (đơn vị là W/m2) nên theo cách 
này hoặc là việc phân tích bằng ANSYS chỉ có thể 
áp dụng được thành phần nhiệt đối lưu lên mô hình 
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
10 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 
tính hoặc phải chuyển đổi được nhiệt độ của môi 
trường lò thử nghiệm tại các thời điểm khác nhau 
sang hình thức thông lượng nhiệt thì mới đảm bảo 
áp dụng được toàn bộ tác động của nhiệt từ đám 
cháy lên mô hình. Các nhận xét trong [13] cho rằng, 
việc chuyển đổi nhiệt độ của môi trường lò thử 
nghiệm sang thông lượng nhiệt là rất phức tạp và 
gần như không thể thực hiện được nếu không có 
các biện pháp đo bổ sung số liệu trong quá trình thử 
nghiệm. 
Để làm rõ về phương pháp áp dụng tác động 
của nhiệt lên mô hình phân tích nhiệt độ bằng 
ANSYS đối với các cấu kiện bê tông cốt thép chịu 
tác động của lửa tiêu chuẩn theo ISO 834 [7], tác 
giả bài viết đã thực hiện nghiên cứu so sánh kết quả 
thử nghiệm với kết quả phân tích bằng mô hình 
theo hai phương án áp dụng tác động của nhiệt 
khác nhau. Tập hợp số liệu kiểm chứng cho các 
phương án phân tích bằng mô hình là kết quả ghi 
nhận về phân bố nhiệt độ trên tiết diện của một dầm 
bê tông cốt thép được thử nghiệm đốt tại Phòng 
nghiên cứu Phòng chống cháy, Viện Chuyên ngành 
Kết cấu Công trình Xây dựng, Viện KHCN Xây 
dựng. 
2. Đo nhiệt độ của mẫu khung bê tông cốt thép 
trong thử nghiệm đốt 
2.1 Mẫu thử nghiệm 
Mẫu được thử nghiệm đốt là một khung bê tông 
cốt thép toàn khối với cấu kiện dầm có chiều dài 
phần lộ lửa là 2,9 m và kích thước tiết diện (bxh) 
200 mm x 350 mm còn cấu kiện cột có tiết diện 
(bxh) 200 mm x 250 mm và chiều dài lộ lửa là 2,9 
m. Mẫu thử được chế tạo từ bê tông có vật liệu 
thành phần và cấp phối như trong Bảng 1. Cường 
độ chịu nén mẫu lập phương tiêu chuẩn của bê tông 
ở 28 ngày tuổi là 35 MPa. 
Bảng 1. Thông tin về vật liệu thành phần và cấp phối bê tông chế tạo mẫu 
Tên vật liệu Chủng loại Khối lượng (kg) 
Xi măng Chinfon PCB40 450 
Cát vàng Sông Lô 670 
Đá Cacbonat 1 050 
Phụ gia siêu dẻo Napthalene Sunfonate 4,5 
Nước Nước sinh hoạt 190 
Trên cấu kiện dầm có 3 tiết diện được đặt sẵn 
các cụm dây đo nhiệt độ. Mỗi cụm dây đo được 
ghép lại từ 9 đầu đo nhiệt độ loại K đặt cách đều 
nhau, có 5 đầu đo nhiệt độ đặt cách nhau 20 mm, 
các đầu đo còn lại đặt cách nhau 50 mm (Hình 1). 
Các tiết diện được ký hiệu là T3, T4 và T5. Trong 
đó, T4 bố trí ở giữa dầm, còn T3 và T5 bố trí đối 
xứng nhau qua T4 và cách nhau 1,5 m. 
a) Cụm dây đo nhiệt độ b) Cụm dây đo nhiệt độ được đặt vào tiết 
diện dầm 
c) Tấm đo nhiệt độ đặt gần vị trí tiết diện 
giữa dầm (tiết diện T4) 
Hình 1. Cấu tạo và bố trí lắp đặt đầu đo nhiệt độ trên mẫu 
Khoảng cách thực tế của các điểm đo đầu tiên 
đến bề mặt bê tông bên ngoài (bề mặt trong của 
cốp pha) được ghi nhận chính xác sau khi các cụm 
dây đo nhiệt độ được cố định vào vị trí dự kiến trong 
tiết diện. Theo đó, tại tiết diện T4 điểm đo đầu tiên 
cách bề mặt bê tông đáy dầm 8 mm, chứ không 
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 11 
nằm trực tiếp trên bề mặt đáy dầm như thiết kế ban 
đâu. Khoảng cách từ bề mặt bê tông đáy dầm đến 
các điểm khác lần lượt là 28, 48, 68, 88, 138, 188, 
238 và 288 mm. Kết quả đo nhiệt độ tại mỗi điểm 
được trình bày theo tên tiết diện và độ sâu của điểm 
đo, ví dụ T4-8 là điểm đo tại tiết diện T4, ở chiều 
sâu 8 mm. 
Nhiệt độ của môi trường lò thử nghiệm gần vị trí 
tiết diện T4 được đo và ghi nhận bằng một đầu đo 
nhiệt độ dạng tấm (ký hiệu là PT3) có cấu tạo giống 
với các tấm đo nhiệt độ tiêu chuẩn của lò thử 
nghiệm [7]. 
2.2 Thử nghiệm đốt 
Thử nghiệm đốt được thực hiện trên hệ thống lò 
đốt theo phương đứng (hình 2). Trong quá trình thử 
nghiệm, mẫu thử chịu tác động đồng thời của lực và 
của lửa tiêu chuẩn theo ISO 834:1999 trong khoảng 
thời gian 120 phút. 
Hình 2. Quá trình thử nghiệm trên lò đốt theo phương đứng và hệ gia tải kèm theo 
Các thông số được ghi nhận trong quá trình thử 
nghiệm bao gồm: 
- Nhiệt độ môi trường lò thử nghiệm; 
- Nhiệt độ tại vùng không gian lò gần với một số 
tiết diện đặc trưng, trong đó có tiết diện T4; 
- Phân bố nhiệt độ trên các tiết diện dầm và cột; 
- Các biểu hiện làm việc tổng thể khác của kết 
cấu khung (sự xuất hiện và phát triển của các vết 
nứt, diễn biến độ võng của dầm, chuyển dịch của 
nút đầu cột,). 
Phạm vi bài viết này chỉ tập trung xem xét các 
số liệu đo nhiệt độ tại các tiết diện của dầm (T3, T4 
và T5). Việc so sánh các kết quả thử nghiệm với kết 
quả phân tích bằng mô hình PTHH được trình bày 
trong mục 4. 
3. Phân tích trên mô hình PTHH bằng ANSYS 
3.1 Giới thiệu chung 
ANSYS Parametric Design Language (APDL) là 
một ngôn ngữ lập trình theo phương pháp kịch bản 
được sử dụng để thực hiện tự động các tác vụ 
chung hoặc xây dựng các mô hình tính dưới dạng 
các tham số hoặc tham biến. Phần mềm được phát 
triển bởi ANSYS Corporation của Mỹ. ANSYS có 
nhiều mô đun phục vụ cho các ứng dụng khác 
nhau, tương đối đa dạng, trong đó ANSYS 
Mechanical APDL là một mô đun được dùng cho 
lĩnh vực cơ học nói chung, bao gồm các dạng bài 
toán động lực, kết cấu và truyền nhiệt. Trong nghiên 
cứu này, phiên bản dành cho nghiên cứu và đào tạo 
18.1 (ANSYS® Academic Research Mechanical, 
Release 18.1 - dưới đây gọi tắt là APDL 18.1) được 
dùng để phân tích về nhiệt độ của mô hình không 
gian 3 chiều (mô hình 3D) của cấu kiện dầm đã 
được thử nghiệm chịu lửa nêu trong mục 2. 
3.2 Các phương án áp dụng tác động của nhiệt 
và mô hình hóa 
Tác động của nhiệt được lấy theo đường Nhiệt 
độ - thời gian thực tế, ghi nhận được trong quá trình 
thử nghiệm bởi đầu đo nhiệt dạng tấm PT3. Việc áp 
dụng tác động của nhiệt vào mô hình được thực 
hiện theo hai cách tiếp cận khác nhau, cụ thể gồm: 
- Truyền qua bề mặt hiệu ứng nhiệt: coi đường 
Nhiệt độ - thời gian thực tế là sự thay đổi của nhiệt 
độ khối khí trong lò thử nghiệm và truyền vào các 
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
12 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 
phần tử khối đặc của mô hình thông qua phần tử 
hiệu ứng bề mặt nằm ở mặt ngoài của cấu kiện và 
tiếp xúc với môi trường của lò thử nghiệm. Đây là 
cách vẫn được áp dụng trong các nghiên cứu trước 
đây như đã đề cập trong [10] [11] [12]; 
- Truyền trực tiếp vào nút: coi đường Nhiệt độ - 
thời gian thực tế là sự thay đổi nhiệt độ của chính 
các điểm trên bề mặt ngoài của của cấu kiện và tiếp 
xúc với môi trường lò thử nghiệm. Khi phân tích 
bằng APDL 18.1, các giá trị nhiệt độ này được áp 
dụng trực tiếp vào các nút của phần tử khối đặc của 
mô hình và truyền nhiệt vào bên trong bằng hình 
thức dẫn nhiệt. 
Theo [3], để đơn giản hóa, khi phân tích về nhiệt 
độ trên tiết diện của các cấu kiện bê tông cốt thép 
có thể bỏ qua sự có mặt của cốt thép. Tuy nhiên, 
trong nghiên cứu này vẫn xem xét sự có mặt đồng 
thời của cốt thép trong bê tông. Theo cả hai cách áp 
dụng tác động của nhiệt, cấu kiện dầm trong thực tế 
được mô hình hóa hoàn toàn giống nhau về kích 
thước hình học và cách thức chia lưới phân mảnh, 
chỉ riêng số loại phần tử được sử dụng là khác 
nhau, cụ thể như sau: 
- Theo cách truyền nhiệt qua phần tử hiệu ứng bề 
mặt, có 3 loại phần tử được sử dụng gồm: (1) phần 
tử khối đặc SOLID70, dùng để mô hình hóa vật liệu 
bê tông; (2) phần tử thanh LINK33, dùng để mô 
hình hóa cốt thép; và (3) phần tử hiệu ứng bề mặt 
SURF152, dùng để phủ lên vùng bề mặt của mô 
hình ứng với vùng bề mặt của mẫu thử tiếp xúc trực 
tiếp với môi trường lò thử nghiệm; 
- Theo cách truyền nhiệt trực tiếp vào nút, do 
không sử dụng phần tử hiệu ứng bề mặt nên chỉ 
còn 2 loại phần tử được sử dụng gồm: (1) phần tử 
khối đặc SOLID70, dùng để mô hình hóa vật liệu bê 
tông; (2) phần tử thanh LINK33, dùng để mô hình 
hóa cốt thép; 
- Mô hình phân tích theo hai cách áp dụng tác 
động của nhiệt được trình bày trên hình 3. Quá trình 
phân tích về nhiệt độ được thực hiện theo cách có 
thay đổi các tính chất vật liệu theo nhiệt độ. Trong 
đó, các tính chất vật lý (khối lượng riêng, hệ số dẫn 
nhiệt, nhiệt dung riêng) của bê tông và của thép 
thay đổi theo mức nhiệt độ, tương ứng được lấy 
theo [3] và [14]. Riêng khối lượng riêng của thép 
phụ thuộc vào nhiệt độ được lấy theo tài liệu [15] do 
trong [14] không đề cập. Hệ số dẫn nhiệt của bê 
tông được lấy ở mức cận trên theo [3]. Khi phân 
tích nhiệt độ theo cách truyền nhiệt qua phần tử 
hiệu ứng bề mặt, hệ số truyền nhiệt đối lưu trong 
không khí được lấy theo [6] là 25 W/(m2 K). Các kết 
quả phân tích được trích xuất và trình bày dưới 
dạng biểu đồ phân bố nhiệt trên toàn tiết diện và trị 
số nhiệt độ của các thớ khác nhau theo chiều cao 
và tại giữa bề rộng của tiết diện (hình 3), đây là vị trí 
tương ứng có đặt các cụm đầu đo nhiệt độ trong 
cấu kiện dầm của mẫu được thử nghiệm. 
a) Áp dụng tác động của nhiệt thông qua phần tử hiệu 
ứng bề mặt SURF152 
b) Áp dụng tác động của nhiệt trực tiếp vào các nút của 
phần tử SOLID70 nằm trên bề mặt ngoài 
Hình 2. Sơ đồ tính theo hai cách áp dụng tác động của nhiệt lên mô hình và 
ví dụ về kết quả phân tích nhiệt độ trên tiết diện 
4. So sánh và nhận xét kết quả 
Các biểu đồ thể hiện diễn biến thay đổi nhiệt độ 
theo thời gian tại các điểm đo trên 3 tiết diện của 
cấu kiện dầm thuộc mẫu thử nghiệm được sử dụng 
để so sánh với kết quả phân tích từ mô hình theo 
hai cách tiếp cận khác nhau. Kết quả phân tích của 
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 13 
0
200
400
600
800
1000
1200
0 2000 4000 6000 8000
N
hi
ệt
 đ
ộ 
(o
C
)
Thời gian (Sec)
PT3 NH_8 SH_8
mô hình áp dụng tác động nhiệt qua hiệu ứng bề 
mặt được ký hiệu là SH, kết quả phân tích của mô 
hình áp dụng tác động nhiệt trực tiếp vào nút được 
ký hiệu là NH. Hình 4 trình bày kết quả phân tích về 
nhiệt độ ở chiều sâu 8 mm theo hai cách tiếp cận 
khác nhau và số liệu nhiệt độ ghi nhận bởi đầu đo 
nhiệt dạng tấm PT3, được sử dụng như số liệu đầu 
vào về tác động của nhiệt lên mô hình. Việc so sánh 
các số liệu khác được thực hiện theo hai hình thức 
chính, gồm: 
- Phân bố nhiệt độ theo chiều cao tiết diện ở 
những thời điểm khác nhau, từ 1 200 s đến 7 200 s 
(hình 5); 
- Diễn biến thay đổi nhiệt độ trong suốt khoảng 
thời gian thử nghiệm tại các điểm có chiều sâu (tính 
từ bề mặt ngoài của đáy dầm) tương ứng với chiều 
sâu đặt 06 đầu đo nhiệt độ tại các tiết diện T3, T4 
và T5, cụ thể gồm: 8, 28, 48, 68, 88 và 138 mm 
(hình 6). 
Hình 3. So sánh kết quả phân tích nhiệt độ tại điểm có độ sâu 8 mm 
với số liệu nhiệt độ của đường Nhiệt độ - thời gian ghi nhận tại đầu đo PT3 
So sánh kết quả thể hiện trên các biểu đồ có thể 
rút ra một số nhận xét như sau: 
Về tổng thể (hình 4, hình 5), cả hai mô hình 
phân tích bằng APDL 18.1 đều cho ra kết quả phù 
hợp với xu hướng thực tế về thay đổi nhiệt độ của 
từng điểm đo cũng như thay đổi nhiệt độ theo chiều 
cao tiết diện tại những thời điểm khác nhau. Tuy 
nhiên, chênh lệch kết quả giữa hai mô hình là rõ 
nét, thậm chí lên đến hơn 300 oC. 
So sánh với các số liệu thử nghiệm thực tế, cho 
thấy các kết quả phân tích bằng mô hình áp dụng 
nhiệt độ trực tiếp vào nút sai khác ít hơn so với các 
kết quả phân tích bằng mô hình sử dụng phần tử bề 
mặt SURF152, bao gồm cả khía cạnh giá trị nhiệt 
độ tại cùng một thời điểm và diễn biến thay đổi của 
nhiệt độ theo thời gian (các thời điểm so sánh khác 
nhau). 
Với cùng một tác động theo đường Nhiệt độ - 
thời gian thực tế, mô hình áp dụng cách tác động 
nhiệt qua phần tử hiệu ứng bề mặt SURF152 cho ra 
kết quả thấp hơn so với mô hình áp dụng nhiệt độ 
trực tiếp vào các nút. Tại cùng một điểm khảo sát 
hoặc trên cùng một tiết diện, sự khác nhau này 
càng lớn khi mức nhiệt độ tác động càng tăng. 
Ngoài sự chênh lệch về giá trị nhiệt độ, Hình 4 còn 
cho thấy mô hình áp dụng nhiệt độ trực tiếp lên nút 
có khả năng phản ánh tác động của nhiệt sát hơn 
so với mô hình sử dụng phần tử hiệu ứng bề mặt 
SURF152, đặc biệt là trong giai đoạn khoảng 10 
phút đầu tiên của quá trình tăng nhiệt. 
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
14 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 
Hình 4. Phân bố nhiệt độ theo chiều cao tiết diện ở những thời điểm khác nhau - so sánh 
kết quả phân tích với thực nghiệm 
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0100200300400500600700800
K
ho
ản
g 
cá
ch
 t
ín
h 
đế
n 
đá
y 
dầ
m
 (
m
m
)
Nhiệt độ (oC)
t = 1 200s
Tiết diện T3
Tiết diện T5
Tiết diện T4
NH
SH
0
50
100
150
200
250
300
350
400
02004006008001000
K
ho
ản
g 
cá
ch
 t
ín
h 
đế
n 
đá
y 
dầ
m
 (
m
m
)
Nhiệt độ (oC)
t = 1 800s
Tiết diện T3
Tiết diện T5
Tiết diện T4
NH
SH
0
50
100
150
200
250
300
350
400
02004006008001000
K
ho
ản
g 
cá
ch
 t
ín
h 
đế
n 
đá
y 
dầ
m
(m
m
)
Nhiệt độ (oC)
t = 3 600s
Tiết diện T3
Tiết diện T5
Tiết diện T4
NH
SH
0
50
100
150
200
250
300
350
400
02004006008001000
K
ho
ản
g 
cá
ch
 t
ín
h 
đế
n 
đá
y 
dầ
m
(m
m
)
Nhiệt độ (oC)
t = 4 800s
Tiết diện T3
Tiết diện T5
Tiết diện T4
NH
SH
0
50
100
150
200
250
300
350
400
020040060080010001200
K
ho
ản
g 
cá
ch
 t
ín
h 
đế
n 
đá
y 
dầ
m
(m
m
)
Nhiệt độ (oC)
t = 5 400s
Tiết diện T3
Tiết diện T5
Tiết diện T4
NH
SH
0
50
100
150
200
250
300
350
400
020040060080010001200
K
ho
ản
g 
cá
ch
 t
ín
h 
đế
n 
đá
y 
dầ
m
(m
m
)
Nhiệt độ (oC)
t = 7 200s
Tiết diện T3
Tiết diện T5
Tiết diện T4
NH
SH
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
hi
ệt
 đ
ộ 
(o
C
)
Thời gian (Sec)
d = 8 mm
T3-8 T4-8 T5-8 NH SH
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
hi
ệt
 đ
ộ 
(o
C
)
Thời gian (Sec)
d = 28 mm
T3-28 T4-28 T5-28 NH SH
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 15 
Hình 5. Diễn biến tăng nhiệt độ tại các chiều sâu khác nhau trên tiết diện - so sánh kết quả phân tích với thực nghiệm 
- Diễn biến tăng nhiệt tại các chiều sâu khác nhau 
của tiết diện thể hiện trên hình 6 cho thấy, ở mức 
nhiệt độ dưới 100 oC, các giá trị nhiệt độ đo thực tế 
trên mẫu thử có tốc độ tăng nhanh hơn so với kết 
quả phân tích bằng APDL 18.1 đối với mô hình 
truyền nhiệt trực tiếp, sau mức nhiệt độ này, kết quả 
phân tích bằng mô hình có xu hướng tăng nhanh 
hơn so với số liệu đo thực tế; 
- Qua số liệu thử nghiệm trên hình 6, có thể thấy 
trong khoảng nhiệt độ từ 100 oC đến dưới 120 oC 
tốc độ tăng nhiệt độ thực tế bị chững lại, hình dạng 
biểu đồ tăng nhiệt độ theo thời gian ở mức nhiệt độ 
này gần giống như một thềm nằm ngang và chiều 
dài của thềm này tăng theo chiều sâu của điểm 
được khảo sát. Nguyên nhân của hiện tượng này có 
thể là do ảnh hưởng của việc nước tự do trong bê 
tông bị hóa hơi ở mức nhiệt độ trên 100 oC [16] [17] 
làm cho nhiệt độ của bê tông ở chiều sâu đang diễn 
ra sự hóa hơi trở nên ổn định hoặc tăng chậm cho 
đến khi lượng nước tự do hóa hơi hết và vùng bê 
tông đó khô hẳn thì nhiệt độ lại gia tăng đều. Bên 
cạnh đó, tương quan giữa chiều dài của thềm nằm 
ngang với chiều sâu của điểm khảo sát về thực chất 
có thể là sự tương quan với lượng nước tự do bị 
hóa hơi ở điểm đó, vì ở một độ ẩm xác định thì 
lượng nước này tỉ lệ thuận với thể tích bê tông nằm 
giữa điểm khảo sát với bề mặt lộ lửa. Giai đoạn 
thềm nằm ngang này cũng chính là giai đoạn gây ra 
sự sai khác rõ nét nhất giữa số liệu đo thực tế với 
kết quả phân tích bằng mô hình. Nguyên nhân có 
thể là do việc áp dụng một số tính chất nhiệt học 
của bê tông theo khuyến cáo trong [3] (ví dụ, hệ số 
dẫn nhiệt) vào mô hình PTHH đã chưa bao quát 
được hết những ảnh hưởng của sự tồn tại một 
lượng ẩm lớn bên trong những vùng bê tông có 
nhiệt độ từ 100 oC đến khoảng 120 oC; 
- Như vậy có thể thấy trong trường hợp của bài 
toán được trình bày trên đây, khi phân tích bằng 
APDL 18.1 thì phương án áp dụng tác động của 
nhiệt trực tiếp lên các nút trên bề mặt lộ lửa của mô 
hình sẽ cho kết quả gần với số liệu đo của thử 
nghiệm thực tế hơn so với phương án áp dụng tác 
động của nhiệt thông qua phần tử bề mặt 
SURF152. Tuy nhiên, điều này cũng nảy sinh vấn 
đề là trong trường hợp nào thì có thể sử dụng phần 
tử SURF152 để áp dụng các tác động nhiệt vào mô 
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
hi
ệt
 đ
ộ 
(o
C
)
Thời gian (Sec)
d = 48 mm
T3-48 T4-48 T5-48 NH SH
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
hi
ệt
 đ
ộ 
(o
C
)
Thời gian (Sec)
d = 68 mm
T3-68 T4-68 T5-68 NH SH
0
50
100
150
200
250
300
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
hi
ệt
 đ
ộ 
(o
C
)
Thời gian (Sec)
d = 88 mm
T3-88 T4-88 T5-88 NH SH
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
N
hi
ệt
 đ
ộ 
(o
C
)
Thời gian (Sec)
d = 138 mm
T3-138 T4-138 T5-138 NH SH
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
16 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 
hình PTHH? Để có câu trả lời chính xác, cần có 
những nghiên cứu kỹ hơn, tuy nhiên điểm mấu chốt 
cho việc lựa chọn phương pháp áp dụng tác động 
của nhiệt lên mô hình ở đây chính là phải cân nhắc 
đến phương pháp kiểm soát đường Nhiệt độ - thời 
gian trong quá trình thử nghiệm. Có hai cơ sở ban 
đầu giải thích cho điều này như sau: 
 + Việc kiểm soát nhiệt độ của thử nghiệm theo 
các tiêu chuẩn quốc tế hoặc châu Âu [7] [18] hoặc 
được biên soạn dựa trên những tiêu chuẩn này [2] 
đòi hỏi phải thực hiện bằng các đầu đo nhiệt độ 
dạng tấm, do vậy về hình thức đó là kiểm soát nhiệt 
độ của khối không khí trong lò, song về thực chất đó 
chính là mức nhiệt độ mà khối khí nóng trong lò đã 
tác động lên bề mặt của các mẫu thử vì đầu đo 
nhiệt dạng tấm đã cho phép tính đến thành phần 
nhiệt tác động theo cả phương thức đối lưu và bức 
xạ [19]. Điều này cho thấy việc áp dụng tác động 
của nhiệt lên mô hình thông qua phần tử hiệu ứng 
bề mặt SURF152 sẽ không phù hợp do chưa bao 
gồm được thành phần nhiệt bức xạ; 
 + Quy định về cấu tạo đầu đo nhiệt độ để kiểm 
soát đường Nhiệt độ - thời gian theo các tiêu chuẩn 
của Mỹ [8] [20] chỉ đòi hỏi phần tiếp xúc để cảm 
nhận nhiệt độ của môi trường lò thử nghiệm có 
đường kính khoảng 3 mm. Với diện tích nhỏ như 
vậy thì nhiệt độ mà nó cảm nhận được có thể chủ 
yếu là thành phần nhiệt đối lưu, do đó trong trường 
hợp này việc áp dụng mô hình truyền tác động nhiệt 
qua các phần tử hiệu ứng bề mặt SURF152 có thể 
là chấp nhận được. 
5. Kết luận, kiến nghị 
5.1 Kết luận 
- Các kết quả nghiên cứu so sánh trình bày trong 
bài viết cho thấy, có thể áp dụng APDL 18.1 trong 
bài toán phân tích dầm bê tông cốt thép chịu tác 
động của lửa theo mô hình 3D có xét đến sự làm 
việc đồng thời của cả bê tông và cốt thép. Khả năng 
này cho phép áp dụng APDL 18.1 để phân tích các 
bài toán đòi hỏi phải xem xét sự làm việc chịu lực và 
chịu lửa trong không gian 3 chiều của các cấu kiện 
kết cấu; 
- Một vấn đề khá quan trọng quyết định đến độ 
chính xác của các kết quả phân tích về nhiệt độ 
bằng APDL 18.1 đối với bài toán kết cấu bê tông cốt 
thép chịu tác động của lửa là lựa chọn đúng 
phương pháp áp dụng tải tác động của nhiệt lên mô 
hình. Các kết quả nghiên cứu trình bày trong bài 
báo này cho thấy, đối với bài toán phân tích nhiệt độ 
bằng APDL 18.1 mà tải trọng nhiệt là đường Nhiệt 
độ - thời gian được kiểm soát theo [2] [7] [18] hoặc 
căn cứ vào các đầu đo nhiệt độ dạng tấm thì 
phương án áp dụng trực tiếp các giá trị nhiệt độ của 
đường Nhiệt độ - thời gian vào các nút nằm trên các 
bề mặt lộ lửa của mô hình PTHH sẽ cho kết quả sát 
nhất với kết quả đo được trên các mẫu tương ứng 
được thử nghiệm đốt trong thực tế. 
5.2 Kiến nghị 
- Cần có những nghiên cứu kỹ hơn về việc áp 
dụng tác động của nhiệt vào mô hình PTHH thông 
qua phần tử hiệu ứng bề mặt SURF152 khi phân 
tích nhiệt độ bằng APDL 18.1; 
- Để mô hình phân tích về nhiệt bằng APDL 18.1 
cho kết quả sát hơn nữa với các số liệu đo trên mẫu 
thử thực tế thì cần có thêm các số liệu về tính chất 
nhiệt học của bê tông trong điều kiện nhiệt độ từ 
100 oC đến 120 oC, bổ sung cho các giá trị khuyến 
cáo trong [3]. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Hoàng Anh Giang (2000), “Về vấn đề xác định tải 
trọng cháy trong tính toán khả năng chiu lửa của 
công trình xây dựng”, Tạp chí KHCN Xây dựng, Số 
4, 2000(113), Tr. 13-22. 
[2] TCVN 9311-1 (2012), Thử nghiệm chịu lửa. Các bộ 
phận công trình xây dựng. Phần 1 – Yêu cầu chung. 
[3] CEN - EN 1992-1-2 (2004/AC:2008), Eurocode 2: 
Design of concrete structures - Part 1-2: General 
rules - Structural fire design. 
[4] ACI 216R (1989), Guide for Determining the Fire 
Endurance of Concrete Elements Reported by ACI 
Committee 216 (Reapproved 1994). 
[5] ASCE/SEI/SFPE 29 (2005), Standard Calculation 
Methods for Structural Fire Protection. 
[6] CEN - EN 1991-1-2 (2002/AC:2013), Eurocode 1: 
Actions on structures. Part 1-2: General actions - 
Actions on structures exposed to fire. 
[7] ISO 834-1 (1999 (E)), ISO 834-1 (1999/Amd.1:2012 
(E)), Fire-resistance tests - Elements of building 
construction - Part 1: General requirements. 
[8] ASTM E 119 (2011), Standard Test Methods for Fire 
Tests of Building Construction and Materials. 
KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 
 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 4/2017 17 
[9]  truy cập 
ngày 29/11/2017. 
[10] Hawileh R. A. (2011), “Heat Transfer Analysis of 
Reinforced Concrete Beams Reinforced with GFRP 
Bars, Convection and Conduction Heat Transfer”, 
Dr. Amimul Ahsan (Ed.), ISBN: 978-953-307-582-2, 
InTech, Tr. 299-314. 
[11] Shakya A.M., Kodur V.K.R. (2015), “Response of 
precast prestressed concrete hollowcore slabs under 
fire conditions”, Engineering Structures 87 (2015), 
Tr. 126–138. 
[12] Nair R. G., Gomez S. M. (2014), “Numerical Analysis 
on Fire Resistance of Prestressed Concrete T-
beam”, IOSR Journal of Mechanical and Civil 
Engineering, e-ISSN: 2278-1684, p-ISSN: 2320-
334X. International Conference on Innovations in 
Civil Engineering. SCMS School of Engineering and 
Technology. Vol. 1, 2014. www.iosrjournals.org, Tr. 
66-73. 
[13] Wickström U. (1994), “The Plate Thermometer - A 
Simple Instrument for Reaching Harmonized Fire 
Resistance Tests”, Fire Technology, Second Quarter 
1994, Tr. 196-208. 
[14] CEN – EN 1993-1-2 (2005), Design of steel 
structures - Part 1-2: General rules - Structural fire 
design. 
[15] Wade C. A. (1993), “Summary report on a finite 
element program for modelling the thermal response 
of building component exposed to fire”, Branz Study 
report No 51, The Resource Centre for Building 
Excellence, Branz, New Zealand. 
[16] Harmathy T. Z. (1966), “Experimental study on 
moisture and fire endurance”, Fire Technology, 
February 1966, Volume 2, Issue 1, Tr. 52–59. 
[17] Jansso R., Boström L. (2009), “The Influence of 
Pressure in the Pore System on Fire Spalling of 
Concrete”, Fire Technology, 46, Tr. 217–230, 2010. 
[18] BSI - BS EN 1363-1 (1999), Fire resistance tests – 
Part 1 General Requirements. 
[19] Wickström, U., Duthinh, D., McGrattan, K. (2007), 
“Adiabatic Surface Temperature for Calculating Heat 
Transfer to Fires Exposed Structures”, Interflam 
2007. (Interflam '07). International Interflam 
Conference, 11th Proceedings. Volume 2. 
September 3-5, 2007, London, England, Tr. 943-
953. 
[20] NFPA 252 (2006), Standard Methods of Tests of Fire 
Resistance of Building Construction and Materials. 
Ngày nhận bài: 06/12/2017. 
Ngày nhận bài sửa lần cuối: 07/02/2018.