Kết cấu thép có cường độ cao, thi công nhanh và phù hợp với nhiều loại công trình. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng do cháy, cường độ và độ cứng của thép sẽ suy giảm, làm tăng nguy cơ mất ổn định. Vì vậy, xác định giới hạn chịu lửa kết cấu thép là nội dung quan trọng trong thiết kế an toàn cháy. Bài viết dưới đây của Bốn IBST giải thích ý nghĩa các mức R30, R60, R90, R120, những yếu tố ảnh hưởng và cách lựa chọn giải pháp bảo vệ phù hợp.
Giới hạn chịu lửa kết cấu thép là gì?
Giới hạn chịu lửa phản ánh khoảng thời gian cấu kiện duy trì được trạng thái làm việc yêu cầu khi chịu tác động của lửa theo điều kiện thử nghiệm hoặc phương pháp tính toán quy định.
Đối với cấu kiện thép chịu lực, tiêu chí quan trọng nhất là R – khả năng chịu lực. Cấu kiện đạt giới hạn R khi chưa mất khả năng chịu tải, chưa mất ổn định và chưa xuất hiện biến dạng vượt quá giới hạn cho phép trong thời gian đánh giá.
Cần phân biệt rõ ba tiêu chí thường gặp:
- R – Khả năng chịu lực: Áp dụng cho cột, dầm, giàn và các bộ phận tham gia chịu tải của công trình.
- E – Tính toàn vẹn: Phản ánh khả năng ngăn ngọn lửa và khí nóng đi qua các khe hở hoặc vết nứt của cấu kiện ngăn cháy.
- I – Khả năng cách nhiệt: Thể hiện khả năng hạn chế nhiệt độ tăng quá mức trên bề mặt không tiếp xúc trực tiếp với lửa.
Với kết cấu thép trần không có lớp bảo vệ, nhiệt độ có thể tăng nhanh khi tiếp xúc với đám cháy. Thép không thuộc nhóm vật liệu dễ cháy, nhưng điều đó không đồng nghĩa cấu kiện luôn giữ được khả năng chịu lực. Đây là vấn đề cần được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế xây dựng.
Cách xác định giới hạn chịu lửa của kết cấu thép
Việc xác định giới hạn chịu lửa phải dựa trên yêu cầu của công trình, tải trọng trong tình huống cháy, đặc điểm tiết diện và sự suy giảm cơ tính của thép ở nhiệt độ cao.
Xác định mức chịu lửa yêu cầu
Trước tiên, kỹ sư phải xác định cấu kiện cần đạt R30, R60, R90 hay một mức khác. Yêu cầu này không được lựa chọn tùy ý hoặc áp dụng giống nhau cho mọi công trình.
Theo QCVN 06:2022/BXD và Sửa đổi 1:2023, giới hạn chịu lửa cần thiết của cấu kiện phải phù hợp với bậc chịu lửa của nhà, công trình hoặc khoang cháy. Khi xác định yêu cầu cần xem xét:
- Công năng và nhóm nguy hiểm cháy của công trình.
- Chiều cao phòng cháy chữa cháy và số tầng.
- Diện tích khoang cháy và cách phân chia không gian.
- Vai trò chịu lực của cột, dầm, giàn hoặc kết cấu mái.
- Yêu cầu ổn định tổng thể trong thời gian xảy ra cháy.
Do đó, cùng là cột thép nhưng yêu cầu chịu lửa tại nhà xưởng, trung tâm thương mại và công trình cao tầng có thể khác nhau.
Xác định tải trọng trong tình huống cháy
Tải trọng dùng để kiểm tra khi cháy không nhất thiết giống hoàn toàn với tổ hợp tải trọng ở điều kiện sử dụng bình thường. Đây là tình huống thiết kế đặc biệt cần được lập đúng theo tiêu chuẩn áp dụng.
Kỹ sư xem xét tải trọng thường xuyên, phần tải trọng tạm thời có khả năng xuất hiện và các tác động liên quan. Nội lực trong cột, dầm hoặc giàn được xác định từ mô hình kết cấu. Kết quả này là cơ sở kiểm tra khả năng chịu lực còn lại khi nhiệt độ thép tăng lên.
Nếu xác định tải trọng quá thấp, kết quả có thể không bảo đảm an toàn. Ngược lại, áp dụng tổ hợp không phù hợp có thể làm tăng không cần thiết chiều dày lớp bảo vệ và chi phí thi công.
Tính nhiệt độ của cấu kiện thép
Nhiệt độ thép theo thời gian phụ thuộc vào mức độ truyền nhiệt từ môi trường cháy vào cấu kiện. Hai cấu kiện sử dụng cùng một loại thép chưa chắc có tốc độ tăng nhiệt giống nhau.
Các thông số cần xem xét gồm:
- Đường cong nhiệt độ – thời gian: Mô tả sự phát triển nhiệt của môi trường cháy theo kịch bản hoặc tiêu chuẩn được áp dụng.
- Tỷ số diện tích tiếp xúc trên thể tích: Tiết diện có nhiều bề mặt tiếp xúc với lửa thường tăng nhiệt nhanh hơn.
- Số mặt bị tác động: Cột bị lửa tác động từ bốn phía khác với dầm chỉ tiếp xúc ở ba phía.
- Đặc tính lớp bảo vệ: Chiều dày, khối lượng thể tích, nhiệt dung và hệ số dẫn nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ thép.
- Điều kiện cấu tạo: Khe hở, liên kết, vị trí lắp đặt và cách bao bọc có thể làm thay đổi quá trình truyền nhiệt.
Kết quả tính nhiệt cho biết nhiệt độ của cấu kiện tại từng thời điểm, chẳng hạn sau 30, 60, 90 hoặc 120 phút.
Kiểm tra khả năng chịu lực ở nhiệt độ cao
Sau khi xác định nhiệt độ thép, kỹ sư tính toán khả năng chịu lực còn lại của cấu kiện. Cường độ chảy và mô đun đàn hồi của thép được hiệu chỉnh bằng hệ số suy giảm tương ứng với nhiệt độ.
Nội dung kiểm tra phụ thuộc vào loại cấu kiện:
- Cột được kiểm tra về khả năng chịu nén và ổn định tổng thể.
- Dầm được kiểm tra khả năng chịu uốn, cắt và biến dạng.
- Cấu kiện giàn được kiểm tra lực dọc và mất ổn định.
- Liên kết được đánh giá khả năng truyền lực trong điều kiện nhiệt độ cao.
- Hệ kết cấu được xem xét về ổn định không gian và tương tác giữa các cấu kiện.
Không nên chỉ dùng một mức nhiệt độ giới hạn cố định cho mọi trường hợp. Khả năng chịu lửa còn phụ thuộc vào mức sử dụng khả năng chịu lực, dạng tiết diện, chiều dài tính toán và điều kiện liên kết.
Kết luận thời gian chịu lửa đạt được
Giới hạn chịu lửa đạt được là thời gian cấu kiện vẫn đáp ứng tiêu chí R trong điều kiện đánh giá đã chọn. Kết quả phải được so sánh với mức chịu lửa yêu cầu của hồ sơ thiết kế.
Nếu thời gian tính toán thấp hơn yêu cầu, đơn vị thiết kế có thể tăng tiết diện, giảm tải trọng, thay đổi sơ đồ liên kết hoặc bổ sung lớp bảo vệ chống cháy. Sau khi điều chỉnh, cấu kiện cần được tính lại để xác nhận mức giới hạn cuối cùng.
R30, R60, R90 và R120 có ý nghĩa gì?
Các ký hiệu R30, R60, R90 và R120 thể hiện số phút cấu kiện duy trì khả năng chịu lực theo điều kiện đánh giá quy định. Đây không phải thời gian tồn tại chắc chắn của công trình trong mọi đám cháy thực tế.
| Ký hiệu | Thời gian tối thiểu | Ý nghĩa |
| R30 | 30 phút | Cấu kiện duy trì khả năng chịu lực ít nhất 30 phút |
| R60 | 60 phút | Cấu kiện duy trì khả năng chịu lực ít nhất 60 phút |
| R90 | 90 phút | Cấu kiện duy trì khả năng chịu lực ít nhất 90 phút |
| R120 | 120 phút | Cấu kiện duy trì khả năng chịu lực ít nhất 120 phút |
Xem thêm: Thiết kế kết cấu thép chịu lửa theo yêu cầu công trình
Những yếu tố ảnh hưởng đến giới hạn chịu lửa kết cấu thép
Giới hạn chịu lửa là kết quả tổng hợp của đặc điểm cấu kiện, mức chịu tải, điều kiện tiếp xúc với lửa và giải pháp bảo vệ. Một thay đổi nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả.
- Loại và kích thước tiết diện: Tiết diện mảnh, có diện tích bề mặt lớn so với thể tích thường tăng nhiệt nhanh hơn tiết diện đặc hoặc tiết diện lớn.
- Mức độ sử dụng khả năng chịu lực: Cấu kiện đang chịu nội lực lớn thường có phần dự trữ thấp hơn khi cường độ thép suy giảm.
- Số mặt tiếp xúc với lửa: Cấu kiện bị nung nóng từ nhiều phía có tốc độ hấp thụ nhiệt lớn hơn trường hợp được che chắn một phần.
- Điều kiện liên kết và ổn định: Chiều dài tính toán, liên kết đầu cấu kiện và khả năng giãn nở nhiệt ảnh hưởng đến nguy cơ mất ổn định.
- Chất lượng lớp bảo vệ: Vật liệu không đúng chủng loại, thiếu chiều dày hoặc thi công gián đoạn có thể làm giảm hiệu quả chống cháy.
Với công trình đang khai thác, dữ liệu hiện trạng cần được kiểm tra trước khi tính toán. Công tác kiểm định chất lượng công trình xây dựng có thể hỗ trợ xác định tiết diện thực tế, tình trạng liên kết, mức độ ăn mòn và khả năng chịu lực còn lại.
Kết luận
Giới hạn chịu lửa kết cấu thép phải được xác định theo yêu cầu của công trình và kết quả tính toán cụ thể. R30, R60, R90 hay R120 không chỉ là thông số của vật liệu bảo vệ mà là khả năng chịu lực của cấu kiện trong một hệ điều kiện xác định.
Nếu cần kiểm tra mức chịu lửa hoặc lựa chọn phương án bảo vệ kết cấu thép, hãy liên hệ Bốn IBST để được rà soát hồ sơ, tính toán và đề xuất giải pháp phù hợp với công trình.
