Cùng chịu tác động của một đám cháy, dầm và cột thép có thể tăng nhiệt với tốc độ khác nhau. Một trong những thông số chi phối quá trình này là hệ số tiết diện Hp/A. Giá trị càng lớn, cấu kiện thường nóng lên càng nhanh và có thể cần lớp bảo vệ chống cháy dày hơn. Trong bài viết dưới đây, BỐN IBST sẽ giải thích Hp/A là gì, ảnh hưởng ra sao và cần sử dụng thế nào khi tính khả năng chịu lửa của kết cấu thép.
Hệ số tiết diện Hp/A là gì?
Hệ số tiết diện Hp/A thể hiện tỷ lệ giữa bề mặt nhận nhiệt và lượng thép trong tiết diện. Thông số này được dùng để đánh giá tốc độ tăng nhiệt của cấu kiện khi xảy ra cháy.
Công thức cơ bản:
Hp/A = chu vi chịu nhiệt của cấu kiện / diện tích tiết diện thép
Trong đó:
- Hp là chu vi chịu nhiệt: Đây là phần biên của tiết diện tiếp xúc với lửa hoặc hệ bảo vệ, thường tính bằng mét.
- A là diện tích tiết diện thép: Giá trị thể hiện lượng thép trong mặt cắt ngang, thường tính bằng mét vuông.
- Đơn vị của Hp/A là m⁻¹: Kết quả thu được khi lấy mét chia cho mét vuông.
Trong một số tài liệu, thông số này được ký hiệu là Am/V. Hp/A thường xuất hiện trong bảng tra chiều dày vật liệu bảo vệ cho cấu kiện thép của công trình xây dựng.
Hệ số tiết diện Hp/A ảnh hưởng đến khả năng chịu lửa thế nào?
Hp/A không cho biết trực tiếp cấu kiện chịu được bao nhiêu tải. Giá trị này phản ánh tốc độ thép nhận nhiệt, từ đó ảnh hưởng đến thời điểm khả năng chịu lực bắt đầu suy giảm.
Hp/A càng lớn, thép càng nóng nhanh
Cấu kiện có chu vi chịu nhiệt lớn nhưng diện tích thép nhỏ sẽ nhận nhiều nhiệt so với lượng vật liệu cần nung nóng. Có thể hiểu qua hai trường hợp:
- Hp/A thấp: Lượng thép tương đối lớn so với bề mặt nhận nhiệt nên cấu kiện thường nóng chậm hơn.
- Hp/A cao: Tiết diện mảnh hoặc có nhiều bề mặt nhận nhiệt nên đạt nhiệt độ cao sớm hơn.
Vì vậy, thanh thép mảnh vẫn có thể tăng nhiệt nhanh và suy giảm khả năng làm việc sớm khi xảy ra cháy.
Xem thêm: Quy trình thẩm tra thiết kế kết cấu giúp phát hiện sai sót như thế nào?
Nhiệt độ tăng làm khả năng chịu lực suy giảm
Thép không cháy như vật liệu hữu cơ, nhưng tính chất cơ học giảm khi nhiệt độ tăng. Giới hạn chảy và mô đun đàn hồi suy giảm khiến cấu kiện biến dạng nhiều hơn dưới cùng mức tải.
- Đối với dầm: Độ cứng giảm làm độ võng tăng và khả năng chịu lực suy giảm.
- Đối với cột: Nguy cơ mất ổn định tăng, nhất là với cột mảnh hoặc chịu tỷ lệ tải cao.
- Đối với hệ kết cấu: Biến dạng có thể làm thay đổi phân phối nội lực giữa các cấu kiện.
Hp/A cao thường khiến cấu kiện tiến gần nhiệt độ tới hạn nhanh hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ tới hạn còn phụ thuộc tải trọng, sơ đồ làm việc, độ mảnh và điều kiện liên kết.
Hp/A ảnh hưởng đến chiều dày lớp chống cháy
Lớp chống cháy có nhiệm vụ làm chậm quá trình truyền nhiệt vào thép. Trong cùng điều kiện và cùng thời gian chịu lửa, tiết diện có Hp/A cao thường cần mức bảo vệ lớn hơn.
Điều này đặc biệt quan trọng khi sử dụng sơn trương nở. Không nên áp dụng một chiều dày sơn cho toàn bộ dầm, cột và thanh giằng nếu chúng có hệ số tiết diện khác nhau.
| Tiêu chí | Hp/A thấp | Hp/A cao |
| Lượng thép so với bề mặt nhận nhiệt | Tương đối lớn | Tương đối nhỏ |
| Tốc độ tăng nhiệt | Thường chậm hơn | Thường nhanh hơn |
| Thời gian đạt nhiệt độ tới hạn | Có xu hướng dài hơn | Có xu hướng ngắn hơn |
| Mức bảo vệ chống cháy | Có thể thấp hơn | Thường cần cao hơn |
Cách xác định Hp/A cho cấu kiện thép
Muốn tính đúng Hp/A, cần xác định cấu kiện tiếp xúc với lửa ở những mặt nào. Cùng một tiết diện nhưng cách lắp đặt và phương án bảo vệ khác nhau sẽ cho kết quả khác nhau.
- Xác định diện tích A: Lấy từ hồ sơ, bảng tra hoặc kích thước thực tế của đúng tiết diện được thi công.
- Xác định số mặt chịu lửa: Cột độc lập có thể lộ bốn phía, còn dầm đỡ sàn thường được che ở mặt trên.
- Xác định hình thức bảo vệ: Cách sơn bám theo biên dạng và bọc hộp có cách xác định chu vi khác nhau.
- Tính chu vi Hp: Chỉ cộng phần biên phù hợp điều kiện tiếp xúc và cấu hình bảo vệ.
- Thống nhất đơn vị: Nếu kích thước dùng milimét, cần quy đổi đồng bộ sang mét và mét vuông trước khi tính.
Ví dụ, một tiết diện có A bằng 0,0076 m². Nếu chu vi chịu nhiệt ba mặt là 0,75 m thì Hp/A xấp xỉ 99 m⁻¹. Khi cấu kiện lộ bốn mặt và Hp tăng lên 0,95 m, kết quả tăng lên khoảng 125 m⁻¹.
Diện tích thép không đổi nhưng điều kiện tiếp xúc lửa đã làm Hp/A thay đổi. Số liệu trên chỉ dùng để minh họa phương pháp.
Sử dụng Hp/A khi thiết kế chống cháy kết cấu thép
Hệ số tiết diện Hp/A là một dữ liệu đầu vào, không phải căn cứ duy nhất để kết luận cấu kiện đạt yêu cầu chịu lửa. Việc lựa chọn lớp bảo vệ cần xét đồng thời nhiều thông tin.
- Giới hạn chịu lửa: Cấu kiện có thể phải đáp ứng R30, R60, R90 hoặc mức khác. Thời gian yêu cầu càng dài thì mức bảo vệ thường càng cao.
- Nhiệt độ tới hạn: Cấu kiện chịu tỷ lệ tải lớn thường có ít dự phòng hơn cấu kiện chịu tải thấp.
- Hp/A của từng nhóm: Phân loại dầm, cột và thanh giằng theo tiết diện, số mặt chịu lửa và cách bảo vệ.
- Loại vật liệu: Sơn trương nở, vữa phun và tấm bọc có bảng tra riêng. Không tự quy đổi chiều dày giữa các hệ.
- Phạm vi thử nghiệm: Chỉ dùng bảng chiều dày trong phạm vi Hp/A, nhiệt độ tới hạn và thời gian đã được đánh giá.
Nên lập bảng gồm mã cấu kiện, Hp/A, số mặt chịu lửa, nhiệt độ tới hạn và chiều dày bảo vệ để kiểm tra khi thi công.
Việc rà soát đồng thời tải trọng, Hp/A, nhiệt độ tới hạn và dữ liệu của hệ chống cháy nên được thực hiện trong quá trình tư vấn thẩm tra thiết kế công trình. Qua đó, các giả định sai có thể được phát hiện trước khi triển khai đại trà.
Những sai sót thường gặp khi tính Hp/A chống cháy
Sai số khi xác định hệ số tiết diện có thể dẫn đến chọn thiếu hoặc thừa vật liệu bảo vệ. Các lỗi thường xuất hiện ở bước xác định chu vi, quy đổi đơn vị và sử dụng bảng tra.
- Tính sai số mặt chịu lửa: Dầm đỡ sàn và cột đứng độc lập có điều kiện nhận nhiệt khác nhau.
- Nhầm bảo vệ theo biên dạng với bọc hộp: Số liệu phải phù hợp cấu tạo và tài liệu của hệ sản phẩm.
- Dùng sai đơn vị: Không lấy Hp bằng milimét chia cho A bằng mét vuông. Bảng tính cần ghi rõ đơn vị.
- Dùng một Hp/A cho nhiều tiết diện: Giá trị chung có thể khiến một số vị trí không đủ bảo vệ.
- Chọn chiều dày chỉ theo Hp/A: Cần kiểm tra thêm thời gian chịu lửa, nhiệt độ tới hạn và phạm vi thử nghiệm. Không nên tự ngoại suy khi thông số nằm ngoài bảng tra.
Kết luận
Hệ số tiết diện Hp/A cho biết tỷ lệ giữa bề mặt nhận nhiệt và lượng thép trong tiết diện. Hp/A càng lớn, cấu kiện thường nóng nhanh hơn, đạt nhiệt độ tới hạn sớm hơn và có thể cần lớp chống cháy dày hơn. Tuy nhiên, giá trị này không thể thay thế việc kiểm tra tải trọng, sơ đồ làm việc, giới hạn chịu lửa và dữ liệu thử nghiệm của vật liệu.
Nếu cần kiểm tra Hp/A, nhiệt độ tới hạn hoặc cơ sở lựa chọn chiều dày bảo vệ cho từng nhóm dầm và cột thép, hãy liên hệ BỐN IBST để được tư vấn theo hồ sơ và điều kiện thực tế của công trình.
