Mô phỏng số giàn không gian chịu lửa đều

Mô phỏng số giàn không gian chịu lửa đều sẽ giúp các kiến trúc sư hiểu rõ hơn về sự tác động của nhiệt vào khung thép trong lửa mà không cần thực nghiệm tốn kém chi phí và thời gian.

Khi một kết cấu khung chịu tác động của lửa, hai nguồn phi tuyến chính bao gồm phi tuyến về mặt hình học và phi tuyến về mặt vật liệu đều có thể xuất hiện trong khung. Do đó, bất kỳ phương pháp phân tích tiên tiến nào cũng cần phải xem xét được cả hai nguồn phi tuyến này.

Nguồn phi tuyến về mặt hình học

Nguồn phi tuyến thứ nhất là phi tuyến về mặt hình học, nó có thể được xem xét bằng việc sử dụng hoặc là hàm nội suy chuyển vị như trong phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống hoặc là bằng hàm ổn định. Nhiều các nghiên cứu đã sử dụng hàm nội suy chuyển vị để phân tích kết cấu dạng khung trong lửa như Iu và Chan, Caldas và cs., Jiang và Usmani. Tuy nhiên, vì hàm nội suy chuyển vị được xây dựng dựa vào hàm dạng cho trường chuyển vị nên nó không thể xác định chính xác các ứng xử phi tuyến về mặt hình học P-δ nếu chỉ sử dụng một hoặc hai phần tử trên một cấu kiện . Do đó, để có thể phân tích được các nghiệm chính xác ở mức chấp nhận, phương pháp này yêu cầu sử dụng nhiều phần tử trên một cấu kiện và điều này dẫn tới sự giảm đi trong hiệu suất tính toán. Để vượt qua giới hạn này, hàm ổn định có thể được sử dụng để thay thế hàm nội suy chuyển vị, bởi vì hàm ổn định cho phép xem xét chính xác các ảnh hưởng phi tuyến về mặt hình học P-δ mà chỉ cần sử dụng một hoặc hai phần tử trên một cấu kiện. Trong hiểu biết của nhóm tác giả,chưa có các nghiên cứu về khung thép chịu lửa sử dụng hàm ổn định. Do đó, hàm ổn định sẽ được phát triển trong nghiên cứu này.

Nguồn phi tuyến về mặt vật liệu

Nguồn phi tuyến thứ hai có thể xuất hiện trong một kết cấu giàn không gian chịu lửa đó là phi tuyến về mặt vật liệu. Nguồn phi tuyến này có thể được xem xét bằng việc sử dụng mô hình khớp dẻo hoặc là mô hình dẻo phân tán. Cho phân tích chịu lửa, mô hình khớp dẻo đã được chứng minh là không phù hợp vì vị trí của khớp dẻo là không thể đoán trước và mô hình vật liệu của thép trong lửa cũng hoàn toàn khác với mô hình vật liệu thép trong điều kiện nhiệt độ phòng. Vì vậy, mô hình dẻo phân tán với kỹ thuật rời rạc fiber sẽ được thông qua trong nghiên cứu này.

Tiếp cận này cũng cho phép truy vết một cách chính xác sự chảy dẻo dọc trục của phần tử và trên toàn bộ mặt cắt. Trong nghiên cứu này, một phương pháp tiên tiến mới hợp nhất hàm ổn định và mô hình dẻo phân tán sẽ được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Fortran để tiên đoán ứng xử cơ nhiệt phi đàn hồi phi tuyến tính của khung thép chịu lửa đều.

Lợi ích chính của phương pháp đề xuất đó là nó có thể xem xét chính xác ứng xử phi tuyến hình học P-δ với chỉ một hoặc hai phần tử trên một cấu kiện, và điều này dẫn tới một sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất tính toán.

Một khung giải lặp gia tăng nhiệt phi tuyến dựa vào thuật toán Newton-Raphson cũng sẽ được phát triển đề giải các vấn đề phi tuyến vì tác động của lửa. Độ tin cậy và tính chính xác của phương pháp đề xuất được kiểm chứng thông qua việc so sánh kết quả phân tích với kết quả thí nghiệm, kết quả của tác giả khác và kết quả từ chương trình Abaqus. Kết quả thu được đã chứng minh rằng phương pháp đề xuất là chính xác và nó cải thiện đáng kể hiệu suất tính toán.

Chú ý ở đây, lửa đều sẽ xuất hiện trong không gian vừa và nhỏ, và ngược lại trong các không gian mở và lớn, lửa cục bộ có thể xuất hiện và chiếm ưu thế. Vì phạm vi xuất hiện và cơ chế tác động của lửa đều và lửa cục bộ có phần khác nhau, nên rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu khung thép chịu lửa đều và khung thép chịu lửa cục bộ một cách độc lập.

Trong bài báo này, các tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của khung thép chịu lửa đều.

Tài liệu: Mô phỏng số giàn không gian chịu lửa đều – Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2023, 17 (2V): 61–77