Kết cấu thép không bắt cháy nhưng có thể nóng lên nhanh, làm suy giảm cường độ, độ cứng và khả năng ổn định khi xảy ra hỏa hoạn. Vì vậy, khả năng chịu lửa của kết cấu thép không thể xác định dựa vào độ dày vật liệu hoặc lớp sơn bên ngoài. Cần xem xét đồng thời nhiệt độ, tiết diện, tải trọng, liên kết và biện pháp bảo vệ chống cháy. Trong bài viết này, Bốn IBST phân tích những yếu tố quan trọng giúp chủ đầu tư lựa chọn phương án thiết kế, kiểm tra và bảo vệ kết cấu phù hợp.
Khả năng chịu lửa của kết cấu thép là gì?
Khả năng chịu lửa thể hiện khoảng thời gian kết cấu thép duy trì được chức năng chịu lực cần thiết trong điều kiện cháy. Yêu cầu này được xác định theo công năng, quy mô và giải pháp an toàn cháy của từng công trình.
Trong lĩnh vực xây dựng, khả năng chịu lửa của cấu kiện chịu lực thường được ký hiệu bằng chữ R, đi kèm thời gian tính bằng phút:
- R30: Cấu kiện cần duy trì khả năng chịu lực trong ít nhất 30 phút theo điều kiện thử nghiệm hoặc tính toán tương ứng.
- R60: Khả năng chịu lực được yêu cầu trong 60 phút.
- R90: Cấu kiện phải đáp ứng yêu cầu chịu lực trong 90 phút.
- R120: Thời gian chịu lực yêu cầu đạt 120 phút.
Những yếu tố quyết định khả năng chịu lửa của kết cấu thép
Khả năng chịu lửa không phụ thuộc vào một thông số riêng lẻ. Cùng một loại thép nhưng khác tiết diện, tải trọng hoặc lớp bảo vệ sẽ có thời gian chịu lửa khác nhau.
Nhiệt độ và thời gian tiếp xúc với lửa
Nhiệt độ thép tăng theo diễn biến đám cháy và khả năng truyền nhiệt từ môi trường vào cấu kiện. Khi nhiệt độ tăng cao, các đặc tính cơ học của thép bắt đầu suy giảm.
- Cường độ chịu lực giảm: Khả năng chịu kéo, nén và uốn của cấu kiện giảm dần, trong khi tải trọng vẫn tiếp tục tác dụng.
- Độ cứng suy giảm: Dầm dễ tăng độ võng, còn cột và thanh nén có nguy cơ mất ổn định sớm hơn.
- Biến dạng nhiệt xuất hiện: Thép giãn nở khi nóng lên. Nếu chuyển vị bị ngăn cản, kết cấu có thể phát sinh thêm nội lực tại liên kết và cấu kiện lân cận.
Hệ số tiết diện của cấu kiện
Tốc độ tăng nhiệt phụ thuộc đáng kể vào tỷ lệ giữa diện tích bề mặt tiếp xúc với lửa và thể tích thép. Tỷ lệ này thường được gọi là hệ số tiết diện.
- Cấu kiện mảnh nóng nhanh hơn: Thanh thép mỏng hoặc có nhiều mặt tiếp xúc với lửa sẽ nhận nhiệt nhanh so với khối lượng thép của nó.
- Cấu kiện lớn nóng chậm hơn: Tiết diện có khối lượng thép lớn thường cần nhiều năng lượng hơn để đạt cùng một mức nhiệt độ.
- Điều kiện tiếp xúc phải được xét đúng: Cột có bốn mặt tiếp xúc với lửa sẽ khác dầm được sàn che một phần hoặc cấu kiện nằm sát tường.
Loại thép và đặc tính cơ học
Mác thép quyết định giới hạn chảy, cường độ và một số đặc trưng cơ học ban đầu. Tuy nhiên, sử dụng thép có cường độ cao không đồng nghĩa khả năng chịu lửa luôn cao hơn.
Khi tính toán trong tình huống cháy, các thông số cơ học cần được hiệu chỉnh theo nhiệt độ. Kỹ sư phải xem xét cường độ giảm, mô đun đàn hồi giảm và biến dạng nhiệt của vật liệu. Đối với công trình hiện hữu thiếu hồ sơ, việc nhận diện loại thép và kiểm tra đặc trưng vật liệu có thể cần thực hiện trước khi lập mô hình.
Tải trọng tác dụng khi xảy ra cháy
Mức tải trên cấu kiện ảnh hưởng trực tiếp đến thời điểm mất khả năng chịu lực. Cấu kiện đang làm việc gần giới hạn sẽ có dự trữ an toàn thấp hơn khi cường độ thép suy giảm.
- Tải trọng thường xuyên: Bao gồm trọng lượng kết cấu, sàn, tường, thiết bị cố định và các bộ phận gắn lâu dài.
- Tải trọng sử dụng: Phụ thuộc công năng như kho hàng, nhà xưởng, văn phòng hoặc khu vực tập trung đông người.
- Tổ hợp tải trọng khi cháy: Phải được xác định theo tình huống thiết kế đặc biệt, không áp dụng máy móc tổ hợp của điều kiện sử dụng thông thường.
Điều kiện liên kết và sơ đồ kết cấu
Cấu kiện không làm việc độc lập mà liên kết với dầm, cột, giằng, sàn và móng. Vì vậy, ứng xử của toàn hệ có thể khác kết quả kiểm tra riêng từng thanh.
Liên kết bu lông, mối hàn và bản mã cũng chịu tác động của nhiệt độ. Biến dạng nhiệt bị kiềm chế có thể tạo thêm lực kéo, lực nén hoặc mô men tại nút. Ngược lại, hệ kết cấu có khả năng phân phối lại nội lực phù hợp sẽ duy trì ổn định tốt hơn.
Biện pháp bảo vệ chống cháy
Lớp bảo vệ có nhiệm vụ làm chậm quá trình truyền nhiệt vào thép. Hiệu quả phụ thuộc loại vật liệu, chiều dày, chất lượng thi công và điều kiện sử dụng.
- Chiều dày lớp bảo vệ: Phải phù hợp với giới hạn chịu lửa, hệ số tiết diện và đặc tính của sản phẩm.
- Độ bám dính: Sơn hoặc vữa bị bong, nứt và mất liên tục sẽ làm giảm hiệu quả bảo vệ tại vị trí hư hỏng.
- Chi tiết nút liên kết: Bu lông, bản mã, mối nối và vị trí tiếp giáp cần được xử lý đồng bộ với cấu kiện chính.
- Môi trường sử dụng: Độ ẩm, ăn mòn, va đập và điều kiện ngoài trời có thể ảnh hưởng đến độ bền của lớp chống cháy.
Cách đánh giá khả năng chịu lửa của kết cấu thép
Quá trình đánh giá cần kết hợp dữ liệu thiết kế, hiện trạng cấu kiện, tải trọng và đặc tính vật liệu. Với công trình đang sử dụng, có thể cần triển khai kiểm định chất lượng công trình xây dựng trước khi tính toán.
| Bước | Nội dung thực hiện |
| 1 | Xác định giới hạn chịu lửa yêu cầu đối với từng nhóm cấu kiện |
| 2 | Thu thập bản vẽ, mác thép, tiết diện, liên kết và tải trọng |
| 3 | Khảo sát lớp chống cháy, ăn mòn, biến dạng và hư hỏng hiện hữu |
| 4 | Xác định tác động nhiệt và nhiệt độ dự kiến của cấu kiện |
| 5 | Kiểm tra chịu lực, độ võng, ổn định và khả năng làm việc của liên kết |
| 6 | Kết luận mức đáp ứng và đề xuất giải pháp xử lý nếu chưa đạt |
Giải pháp nâng cao khả năng chịu lửa
Mỗi giải pháp chống cháy có phạm vi sử dụng riêng. Việc lựa chọn nên dựa trên giới hạn chịu lửa, kiến trúc, môi trường và yêu cầu bảo trì.
| Giải pháp | Ưu điểm | Điểm cần lưu ý |
| Sơn chống cháy | Giữ hình thức tiết diện, phù hợp cấu kiện lộ | Kiểm soát chiều dày và độ bám dính |
| Vữa phun chống cháy | Thi công được trên diện tích lớn | Bề mặt hoàn thiện và độ bền va đập |
| Tấm chống cháy | Chiều dày ổn định, thi công khô | Xử lý mối nối và vị trí phức tạp |
| Bọc bê tông | Bảo vệ tốt, tăng độ cứng cấu kiện | Tăng tải trọng và kích thước kết cấu |
Xem thêm: Thiết kế kết cấu thép chịu lửa uy tín
Khi nào cần tính toán lại khả năng chịu lửa?
Việc đánh giá lại cần được thực hiện khi điều kiện làm việc của kết cấu thay đổi hoặc hồ sơ hiện hữu không còn phản ánh đúng công trình.
- Thay đổi công năng: Chuyển văn phòng thành kho, tăng mật độ hàng hóa hoặc thay đổi dây chuyền sản xuất.
- Tăng tải trọng: Bổ sung máy móc, sàn kỹ thuật, hệ thống cơ điện hoặc thiết bị treo trên mái.
- Cải tạo kết cấu: Thay đổi tiết diện, liên kết, hệ giằng hoặc sơ đồ truyền lực.
- Lớp chống cháy xuống cấp: Xuất hiện bong tróc, nứt, ăn mòn hoặc thiếu chiều dày tại một số vị trí.
- Công trình từng xảy ra cháy: Cần khảo sát biến dạng, vật liệu, liên kết và khả năng chịu lực còn lại trước khi tiếp tục sử dụng.
Tư vấn khả năng chịu lửa của kết cấu thép
Khả năng chịu lửa của kết cấu thép phụ thuộc đồng thời vào nhiệt độ, tiết diện, vật liệu, tải trọng, liên kết và lớp bảo vệ. Vì vậy, mỗi công trình cần được tính toán theo điều kiện thực tế thay vì áp dụng một chiều dày chống cháy chung.
Nếu cần kiểm tra hồ sơ, đánh giá kết cấu hiện hữu hoặc thiết kế giải pháp bảo vệ chống cháy, hãy liên hệ Bốn IBST để được tư vấn phạm vi công việc và phương án phù hợp.
