Khi kiểm tra khả năng chịu lửa, không thể lấy nguyên tổ hợp tải trọng ở điều kiện sử dụng bình thường để đưa vào tính toán. Tải trọng trong trường hợp cháy phải phản ánh những tác động còn tồn tại khi sự cố xảy ra, đồng thời xét đến khả năng chịu lực suy giảm của thép khi nhiệt độ tăng. Trong bài viết này, BỐN IBST giải thích cách nhận diện tải trọng, chọn hệ số tổ hợp và xác định nội lực dùng để kiểm tra kết cấu thép. Nội dung tập trung vào cách làm thực tế, hạn chế công thức khó hiểu.
Hiểu đúng tải trọng tác dụng lên kết cấu thép khi cháy
Trước khi lập tổ hợp tải trọng, cần phân biệt tải trọng cơ học, tác động nhiệt và tải trọng cháy. Ba khái niệm này liên quan nhưng phục vụ những bước tính khác nhau.
- Tải trọng cơ học: Gồm tự trọng, thiết bị cố định và phần hoạt tải còn tồn tại. Nhóm tải này tạo nội lực trong cấu kiện.
- Tác động nhiệt: Nhiệt làm thép giãn nở, giảm độ cứng và cường độ. Biến dạng bị cản trở có thể tạo thêm nội lực.
- Tải trọng cháy: Là lượng vật liệu có khả năng cháy trong một khu vực. Đại lượng này dùng để xây dựng kịch bản nhiệt, không phải tải trọng đặt trực tiếp lên dầm hoặc cột.
Việc phân biệt đúng giúp người thiết kế không trộn lẫn bước xác định nhiệt độ với bước kiểm tra chịu lực. Đối với một công trình xây dựng, hai bước phải cùng dựa trên một tình huống cháy thống nhất.
Cách xác định tổ hợp tải trọng khi cháy
Cháy được xem là một tình huống thiết kế sự cố. Vì vậy, tải trọng được chọn theo khả năng cùng xuất hiện tại thời điểm cháy, thay vì cộng toàn bộ giá trị bất lợi như trong điều kiện thông thường.
Bước 1: Xác định tình huống cháy cần kiểm tra
Trước tiên, kỹ sư cần xác định khu vực xảy ra cháy, cấu kiện chịu ảnh hưởng và thời gian chịu lửa yêu cầu. Phạm vi tính có thể là một dầm, một cột, một khoang cháy hoặc toàn bộ khung.
Số mặt tiếp xúc với lửa cũng phải được xác định. Chẳng hạn, cột lộ bốn mặt sẽ nhận nhiệt khác dầm nằm dưới sàn.
Bước 2: Thu thập tải trọng từ hồ sơ và hiện trạng
Tải trọng đầu vào cần lấy từ bản vẽ, thuyết minh thiết kế và công năng đang sử dụng. Với công trình cải tạo, số liệu trong hồ sơ cũ phải được đối chiếu hiện trạng.
- Tải trọng thường xuyên: Tự trọng thép, sàn, mái, tường, lớp hoàn thiện và các bộ phận gắn cố định.
- Hoạt tải sử dụng: Tải do người, hàng hóa, vật tư hoặc hoạt động sản xuất tạo ra. Giá trị này phụ thuộc từng công năng.
- Tải trọng đặc thù: Máy móc, bồn chứa, đường ống, cầu trục hoặc tải bảo trì mái cần được nhận diện riêng.
Nếu nhà xưởng đã chuyển thành kho hoặc bổ sung máy móc, tải trọng thực tế có thể khác thiết kế ban đầu.
Xem thêm: Những nguyên tắc kỹ thuật thiết kế kết cấu thép chịu lửa cần biết
Bước 3: Chọn hệ số cho tổ hợp tải trọng khi cháy
Trong tình huống cháy, tải trọng thường xuyên thường được xét theo giá trị đặc trưng. Hoạt tải được nhân với hệ số tổ hợp vì khả năng đạt đồng thời giá trị lớn nhất trong lúc cháy thường thấp hơn.
Có thể hiểu theo dạng đơn giản:
Tải trọng thiết kế khi cháy = tải trọng thường xuyên + phần hoạt tải có khả năng cùng tồn tại + tác động sự cố liên quan.
Không có một hệ số giảm hoạt tải dùng chung. Giá trị lựa chọn phụ thuộc công năng, loại tải và tiêu chuẩn áp dụng.
Gió, tải mái hoặc cầu trục phải được xem xét theo khả năng cùng xuất hiện trong kịch bản đang xét.
Bước 4: Xác định nội lực thiết kế chịu lửa
Sau khi lập tổ hợp, kỹ sư phân tích mô hình để xác định nội lực tại cấu kiện và liên kết:
- Cột: Lực dọc, mô men và nguy cơ mất ổn định.
- Dầm: Mô men, lực cắt, độ võng và phản lực tại gối.
- Thanh giằng, liên kết: Lực kéo, lực nén và khả năng truyền lực qua bu lông, bản mã hoặc mối hàn.
Khung siêu tĩnh hoặc hệ có liên kết phức tạp còn cần xét tương tác giữa nhiều cấu kiện.
Bước 5: Xét ảnh hưởng nhiệt và kiểm tra khả năng chịu lực còn lại
Tổ hợp tải trọng khi cháy thường nhỏ hơn tổ hợp thông thường. Tuy nhiên, kết cấu chưa chắc an toàn vì sức chịu tải và độ cứng của thép cũng giảm khi nhiệt độ tăng.
Kỹ sư cần so sánh nội lực tác dụng với khả năng chịu lực còn lại của cấu kiện. Khả năng này phụ thuộc nhiệt độ thép, tiết diện, liên kết và lớp bảo vệ chống cháy.
Với khung bị hạn chế chuyển vị, sự giãn nở nhiệt có thể tạo thêm lực. Vì vậy, không nên chỉ giảm hoạt tải rồi kiểm tra riêng từng tiết diện.
Mỗi loại tải trọng được xử lý như thế nào?
Bảng sau tóm tắt cách xem xét các nhóm tải phổ biến. Giá trị cụ thể vẫn phải được chọn theo tiêu chuẩn và công năng của từng dự án.
| Thành phần tác động | Cách xem xét khi cháy | Điều cần kiểm tra |
| Tự trọng kết cấu, sàn và hoàn thiện | Thường giữ theo giá trị đặc trưng | Có đúng với cấu tạo thực tế không |
| Thiết bị gắn cố định | Thường tiếp tục được xét | Có truyền tải vào cấu kiện không |
| Hoạt tải sử dụng | Nhân với hệ số tổ hợp phù hợp | Loại công năng và mức sử dụng |
| Hàng hóa trong kho | Không tự động loại bỏ | Mức chất tải và kịch bản cháy |
| Gió, tải mái, cầu trục | Xét theo tình huống cụ thể | Khả năng cùng xuất hiện |
| Tác động do nhiệt | Phân tích riêng khi cần | Nhiệt độ và mức cản trở biến dạng |
Ví dụ, một dầm thép đỡ sàn có tải trọng thường xuyên đặc trưng 5 kN/m² và hoạt tải đặc trưng 3 kN/m². Giả sử hệ số tổ hợp hoạt tải dùng trong ví dụ là 0,3, tải trọng cơ học khi cháy được tính:
5 + 0,3 × 3 = 5,9 kN/m².
Kỹ sư còn phải xác định nội lực và kiểm tra sức chịu tải của dầm tại nhiệt độ tương ứng. Hệ số 0,3 chỉ dùng để minh họa, không phải giá trị mặc định.
Sai sót cần tránh khi xác định tải trọng thiết kế chịu lửa
Sai lệch thường xuất phát từ việc chọn sai tình huống hoặc dùng đầu vào không phù hợp:
- Giữ nguyên tổ hợp thông thường: Cách này không phản ánh đúng tính chất sự cố của trường hợp cháy.
- Dùng một hệ số cho mọi hoạt tải: Văn phòng, kho và khu sản xuất có đặc điểm sử dụng khác nhau. Hệ số phải theo công năng và tiêu chuẩn.
- Nhầm tải trọng cháy với tải trọng kết cấu: Hai đại lượng này phục vụ hai bước tính khác nhau và không thể thay thế cho nhau.
- Bỏ qua biến dạng nhiệt bị cản trở: Lỗi này thường gặp khi chỉ kiểm tra tiết diện mà không xét cấu kiện trong toàn khung.
- Dùng hồ sơ cũ mà không kiểm tra hiện trạng: Việc tăng tải kho, bổ sung thiết bị hoặc đổi công năng có thể làm tải trọng thay đổi đáng kể.
Hồ sơ tính toán cần có bản vẽ kết cấu, thuyết minh tải trọng, công năng sử dụng, yêu cầu chịu lửa và phương án bảo vệ. Khi cần rà soát độc lập, dịch vụ tư vấn thẩm tra thiết kế công trình giúp kiểm tra sự thống nhất giữa tải trọng, mô hình và phương án chịu lửa.
Kết luận
Tải trọng trong trường hợp cháy được xác định từ các tải cơ học còn tồn tại, phần hoạt tải có khả năng cùng xuất hiện và ảnh hưởng do nhiệt khi cần. Không nên giữ nguyên mọi tải trọng như điều kiện bình thường, nhưng cũng không được tùy ý loại bỏ hoạt tải hoặc tải trọng đặc thù.
Nếu cần kiểm tra tổ hợp tải trọng, nội lực và hồ sơ thiết kế chịu lửa cho kết cấu thép, hãy liên hệ BỐN IBST để được rà soát theo công năng và tình trạng thực tế của công trình.
