Nhiệt độ tới hạn kết cấu thép là thông số quan trọng khi đánh giá khả năng chịu lực của công trình trong điều kiện cháy. Đây không phải nhiệt độ nóng chảy của thép, mà là ngưỡng cấu kiện không còn đáp ứng yêu cầu chịu lực theo tính toán. Trong bài viết này, BỐN IBST sẽ giải thích bản chất của nhiệt độ tới hạn, các yếu tố ảnh hưởng và lý do cần xác định thông số này trước khi lựa chọn sơn, vữa hoặc tấm bọc chống cháy.
Nhiệt độ tới hạn kết cấu thép là gì?
Nhiệt độ tới hạn là mức nhiệt mà tại đó khả năng chịu lực của cấu kiện thép giảm xuống bằng với tác động thiết kế trong tình huống cháy. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, cấu kiện có nguy cơ mất ổn định hoặc biến dạng vượt giới hạn cho phép.
Khi xảy ra cháy, nhiệt từ môi trường truyền vào bề mặt rồi lan dần trong tiết diện thép. Thép không cháy như vật liệu hữu cơ, nhưng cường độ và độ cứng giảm rõ rệt khi nhiệt độ tăng cao.
Vì vậy, nhiệt độ tới hạn không chỉ phản ánh đặc tính của vật liệu thép. Thông số này còn phụ thuộc vào tải trọng, dạng cấu kiện, độ mảnh, liên kết và sơ đồ làm việc của toàn hệ.
Trong một công trình xây dựng, các khái niệm nhiệt độ đám cháy, nhiệt độ cấu kiện và giới hạn chịu lửa thường bị nhầm lẫn. Bảng dưới đây giúp phân biệt rõ hơn:
| Khái niệm | Đơn vị | Ý nghĩa |
| Nhiệt độ tới hạn của cấu kiện thép | °C | Ngưỡng cấu kiện không còn đủ khả năng chịu tác động thiết kế |
| Nhiệt độ đám cháy | °C | Nhiệt độ môi trường khí bao quanh cấu kiện |
| Nhiệt độ cấu kiện | °C | Mức nhiệt thực tế truyền vào tiết diện thép |
| Giới hạn chịu lửa | Phút | Thời gian cấu kiện duy trì tiêu chí chịu lực hoặc ngăn cháy |
| Nhiệt độ nóng chảy | °C | Ngưỡng thép chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng |
Cách xác định nhiệt độ tới hạn của kết cấu thép
Việc xác định nhiệt độ tới hạn cần bắt đầu từ trạng thái chịu lực của cấu kiện, sau đó xem xét sự suy giảm đặc tính thép theo nhiệt độ. Kết quả cuối cùng được dùng để kiểm tra khả năng chịu lực trong khoảng thời gian cháy yêu cầu.
Xác định tác động thiết kế trong tình huống cháy
Trước tiên, kỹ sư cần xác định tải trọng và nội lực tác động lên kết cấu khi xảy ra cháy. Tổ hợp này không được lấy máy móc từ trạng thái sử dụng thông thường.
Những dữ liệu cần làm rõ gồm:
- Tĩnh tải của kết cấu và các lớp hoàn thiện.
- Hoạt tải được xét trong tình huống cháy.
- Nội lực tại dầm, cột, giằng và liên kết.
- Sơ đồ làm việc cùng điều kiện gối đỡ.
- Thời gian chịu lửa yêu cầu đối với từng bộ phận.
Bước này cho biết cấu kiện phải duy trì khả năng chịu lực ở mức nào. Nếu nội lực đầu vào không đúng, nhiệt độ tới hạn và chiều dày bảo vệ xác định sau đó cũng có thể sai lệch.
Xác định mức độ huy động khả năng chịu lực
Mức độ huy động được hiểu đơn giản là tỷ lệ giữa tác động thiết kế trong tình huống cháy và khả năng chịu lực của cấu kiện tại trạng thái ban đầu.
Tỷ lệ này càng cao thì phần khả năng chịu lực dự phòng càng ít. Khi nhiệt độ tăng và cường độ thép suy giảm, cấu kiện sẽ chạm đến trạng thái giới hạn sớm hơn.
Ví dụ, một dầm đang chịu nội lực bằng phần lớn khả năng thiết kế sẽ nhạy cảm với sự suy giảm cường độ hơn dầm có cùng tiết diện nhưng chịu tải thấp. Vì vậy, không thể chỉ nhìn vào loại thép để kết luận nhiệt độ tới hạn.
Xét sự suy giảm đặc tính của thép theo nhiệt độ
Sau khi xác định mức độ chịu tải, kỹ sư cần xét khả năng làm việc của vật liệu tại các mức nhiệt khác nhau. Hai đặc tính quan trọng là giới hạn chảy và mô đun đàn hồi.
- Giới hạn chảy suy giảm: Khả năng chống lại ứng suất của vật liệu giảm, ảnh hưởng trực tiếp đến dầm chịu uốn và thanh chịu kéo.
- Mô đun đàn hồi giảm: Cấu kiện trở nên kém cứng hơn, độ võng tăng và nguy cơ mất ổn định của cột cũng lớn hơn.
- Độ mảnh tiếp tục chi phối: Cấu kiện mảnh có thể mất ổn định trước khi vật liệu sử dụng hết cường độ còn lại.
- Dạng phá hoại có thể thay đổi: Ở nhiệt độ cao, trạng thái nguy hiểm có thể chuyển từ kiểm tra cường độ sang ổn định tổng thể hoặc biến dạng.
Việc tính chịu lửa thép vì thế phải đánh giá cả cường độ, độ cứng và ổn định. Chỉ kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện là chưa đủ đối với nhiều loại cấu kiện.
So sánh nhiệt độ cấu kiện với nhiệt độ tới hạn
Sau khi xác định nhiệt độ tới hạn, cần tính mức nhiệt thực tế của cấu kiện tại thời điểm chịu lửa yêu cầu. Nguyên tắc kiểm tra là nhiệt độ cấu kiện không được vượt quá ngưỡng tới hạn tương ứng.
Mức tăng nhiệt của thép chịu ảnh hưởng bởi:
- Số mặt tiếp xúc với lửa: Cấu kiện bị tác động nhiệt từ nhiều phía thường tăng nhiệt nhanh hơn.
- Hệ số tiết diện: Cấu kiện có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn so với thể tích thép sẽ hấp thụ nhiệt nhanh.
- Giải pháp bảo vệ: Sơn trương nở, vữa phun và tấm bọc có đặc tính truyền nhiệt khác nhau.
- Chiều dày lớp bảo vệ: Chiều dày phải được lựa chọn theo dữ liệu thử nghiệm của sản phẩm và điều kiện áp dụng cụ thể.
- Thời gian chịu lửa yêu cầu: Yêu cầu 60 phút, 90 phút hoặc 120 phút tạo ra mức tác động nhiệt khác nhau.
Nếu nhiệt độ tính toán vượt nhiệt độ tới hạn, cấu kiện cần được điều chỉnh. Phương án có thể là tăng chiều dày lớp bảo vệ, thay đổi tiết diện, giảm tải hoặc điều chỉnh sơ đồ kết cấu.
Vì sao phải tính nhiệt độ tới hạn khi thiết kế chịu lửa?
Xác định đúng nhiệt độ tới hạn giúp kết nối bài toán chịu lực với giải pháp bảo vệ chống cháy. Đây là căn cứ để lựa chọn phương án phù hợp thay vì chỉ dựa vào số phút chịu lửa.
Việc tính toán mang lại các giá trị thực tế sau:
- Kiểm soát khả năng chịu lực khi cháy: Kỹ sư có thể đánh giá cấu kiện có duy trì trạng thái ổn định trong thời gian yêu cầu hay không.
- Lựa chọn đúng giải pháp bảo vệ: Mỗi loại sơn, vữa hoặc tấm bọc có phạm vi áp dụng riêng. Nhiệt độ tới hạn là một trong các dữ liệu cần thiết để tra chọn.
- Xác định chiều dày phù hợp: Cùng yêu cầu chịu lửa 90 phút nhưng các cấu kiện có hệ số tiết diện hoặc nhiệt độ tới hạn khác nhau có thể cần chiều dày bảo vệ khác nhau.
- Kiểm soát chi phí: Chọn nhiệt độ tới hạn quá thấp có thể làm tăng chiều dày và chi phí. Chọn quá cao lại tạo nguy cơ không đủ khả năng bảo vệ.
- Có cơ sở kiểm tra hồ sơ: Chủ đầu tư và đơn vị thẩm tra có thể kiểm tra căn cứ tính toán, dữ liệu sản phẩm và sự phù hợp giữa giải pháp với từng cấu kiện.
Đối với công trình có nhiều loại tiết diện hoặc yêu cầu chịu lửa khác nhau, hồ sơ cần thể hiện rõ cách phân nhóm cấu kiện. Chủ đầu tư có thể sử dụng dịch vụ tư vấn thẩm tra thiết kế công trình để kiểm tra cơ sở tính toán trước khi thi công lớp bảo vệ.
Những sai sót thường gặp khi tính chịu lửa thép
Sai sót trong đầu vào hoặc cách lựa chọn thông số có thể làm lớp chống cháy thiếu chiều dày hoặc gây tăng chi phí không cần thiết. Một số vấn đề thường xuất hiện gồm:
- Dùng một mức 550°C cho toàn bộ kết cấu: Cách làm này bỏ qua tải trọng, độ mảnh và dạng làm việc riêng của dầm, cột hoặc thanh giằng.
- Đồng nhất nhiệt độ đám cháy với nhiệt độ thép: Nhiệt độ khí và nhiệt độ trong cấu kiện không giống nhau vì còn phụ thuộc quá trình truyền nhiệt và lớp bảo vệ.
- Chỉ kiểm tra cường độ vật liệu: Với cột và thanh nén, mất ổn định có thể xảy ra trước khi tiết diện mất hoàn toàn khả năng chịu lực.
- Chọn sơn chống cháy chỉ theo số phút: Chiều dày còn phụ thuộc hệ số tiết diện, số mặt tiếp xúc lửa, nhiệt độ tới hạn và dữ liệu thử nghiệm của sản phẩm.
- Không tính lại khi công trình thay đổi: Việc tăng tải, đổi công năng, thay tiết diện hoặc điều chỉnh hệ giằng có thể làm thay đổi kết quả ban đầu.
Xem thêm: Những nguyên tắc kỹ thuật thiết kế kết cấu thép chịu lửa cần biết
Tính đúng nhiệt độ tới hạn để chọn giải pháp chịu lửa phù hợp
Nhiệt độ tới hạn kết cấu thép không phải nhiệt độ nóng chảy và cũng không phải một giá trị cố định cho mọi cấu kiện. Thông số này cần được xác định từ tải trọng, dạng làm việc, độ mảnh, điều kiện liên kết và yêu cầu chịu lửa cụ thể.
Tính toán đúng giúp kiểm soát khả năng chịu lực khi cháy, lựa chọn vật liệu bảo vệ phù hợp và tránh tăng chi phí do áp dụng một mức nhiệt quy ước cho toàn bộ công trình. Nếu cần kiểm tra hoặc thẩm tra hồ sơ tính chịu lửa kết cấu thép, hãy liên hệ BỐN IBST để được đánh giá trên cơ sở thiết kế và điều kiện sử dụng thực tế.
