Tính toán kết cấu thép trong điều kiện cháy giúp xác định dầm, cột và hệ khung có thể duy trì khả năng chịu lực trong thời gian yêu cầu hay không. Khi nhiệt độ tăng, thép suy giảm giới hạn chảy, độ cứng và khả năng ổn định, dù bản thân vật liệu không bắt cháy. Bài viết dưới đây sẽ hướng dẫn cách xác định nhiệt độ cháy, hệ số tiết diện, nhiệt độ cấu kiện và sức chịu tải còn lại. Đây cũng là cơ sở để Bốn IBST đề xuất giải pháp bảo vệ phù hợp cho từng công trình.
Tính toán kết cấu thép trong điều kiện cháy là gì?
Đây là quá trình phân tích tác động của nhiệt độ cao lên kết cấu, từ đó xác định thời gian cấu kiện duy trì khả năng chịu lực trước nguy cơ mất ổn định hoặc sập đổ.
Mục tiêu của phép tính là kiểm tra dầm, cột, thanh giằng và liên kết có đáp ứng giới hạn chịu lửa yêu cầu như R30, R60, R90 hoặc R120 hay không. Trong đó, chữ R thể hiện khả năng duy trì chịu lực trong số phút quy định.
Thép không cháy nhưng cơ tính giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng. Theo các hệ số tham khảo thường dùng trong thiết kế chịu lửa, tại khoảng 600°C, giới hạn chảy của thép kết cấu thông dụng có thể chỉ còn xấp xỉ một nửa. Khi nhiệt độ đạt 800°C, giá trị này có thể giảm xuống quanh mức 10%.
Mức suy giảm cụ thể phải được xác định theo loại thép và tiêu chuẩn áp dụng. Tính toán cũng cần xét công năng, quy mô, bậc chịu lửa và điều kiện sử dụng thực tế của công trình xây dựng.
Quy trình tính toán kết cấu thép trong điều kiện cháy
Quy trình gồm năm bước chính, từ xác định nhiệt độ môi trường cháy đến kiểm tra sức chịu tải còn lại của cấu kiện và liên kết tại thời điểm yêu cầu.
Bước 1: Xác định nhiệt độ theo đường cong cháy
Trước tiên, kỹ sư cần lựa chọn kịch bản cháy phù hợp. Với phương pháp tiền định, đường cong cháy tiêu chuẩn thường được sử dụng để mô tả sự tăng nhiệt của khí theo thời gian:
T=20+345log10(8t+1)
Trong đó:
- (T) là nhiệt độ khí cháy tại thời điểm tính toán, đơn vị °C.
- (t) là thời gian kể từ khi bắt đầu cháy, tính bằng phút.
Công thức cho thấy nhiệt độ môi trường tăng nhanh trong giai đoạn đầu. Tuy nhiên, nhiệt độ khí cháy không phải nhiệt độ của cấu kiện. Tốc độ tăng nhiệt của thép còn phụ thuộc kích thước tiết diện, số mặt tiếp xúc lửa và lớp bảo vệ bên ngoài.
Trước khi tính, cần xác định thời gian chịu lửa bắt buộc của từng bộ phận. Một cột yêu cầu R90 phải được kiểm tra tại thời điểm 90 phút, không thể sử dụng kết quả R30 để kết luận.
Bước 2: Xác định hệ số tiết diện của cấu kiện
Hệ số tiết diện phản ánh mức độ hấp thụ nhiệt của cấu kiện thép. Đại lượng này thường được xác định bằng tỷ số:
Am/V
Trong đó:
- (Am) là chu vi hoặc diện tích bề mặt thép tiếp xúc với lửa.
- (V) là thể tích thép tương ứng trên cùng một đơn vị chiều dài.
Cấu kiện có tỷ số (Am/V) lớn sẽ tăng nhiệt nhanh hơn vì diện tích hấp thụ nhiệt lớn so với thể tích vật liệu. Do đó, thanh thép mảnh thường nóng nhanh hơn cấu kiện có tiết diện lớn trong cùng điều kiện cháy.
Số mặt tiếp xúc cũng phải được xác định đúng. Dầm nằm dưới sàn có thể chỉ tiếp xúc lửa ở ba mặt, trong khi cột đứng độc lập có thể chịu tác động ở cả bốn mặt. Sai khác này ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ tính toán.
Bước 3: Tính nhiệt độ của cấu kiện thép
Nhiệt độ thép được xác định theo từng khoảng thời gian dựa trên cân bằng nhiệt. Quá trình tính phải xét đồng thời truyền nhiệt đối lưu và bức xạ từ môi trường cháy vào bề mặt cấu kiện.
Các thông số chính gồm:
- Nhiệt độ khí cháy: Được xác định theo đường cong cháy đã lựa chọn và thời gian chịu lửa yêu cầu.
- Đặc điểm tiết diện: Hệ số tiết diện càng lớn thì tốc độ tăng nhiệt của cấu kiện càng nhanh.
- Điều kiện tiếp xúc: Cần xác định chính xác số mặt chịu tác động trực tiếp của lửa.
- Đặc tính vật liệu: Khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của thép thay đổi theo nhiệt độ.
- Lớp chống cháy: Loại vật liệu, chiều dày, khối lượng riêng và khả năng dẫn nhiệt đều ảnh hưởng đến nhiệt độ thép.
Cấu kiện thép trần thường tăng nhiệt nhanh. Nếu được sơn chống cháy hoặc bọc bằng vật liệu cách nhiệt, quá trình truyền nhiệt bị làm chậm, giúp thép duy trì nhiệt độ thấp hơn trong cùng thời gian cháy.
Bước 4: Xác định sự suy giảm cơ tính của thép
Sau khi xác định nhiệt độ cấu kiện, kỹ sư phải hiệu chỉnh giới hạn chảy và mô đun đàn hồi. Không được sử dụng nguyên giá trị vật liệu ở nhiệt độ thường để kiểm tra điều kiện cháy.
Giới hạn chảy tại nhiệt độ 0 được xác định theo công thức:
fy,θ=ky,θfy
Mô đun đàn hồi tại nhiệt độ 0 được xác định như sau:
Ea,θ=kE,θEa
Trong đó, ky,θ và kE,θ là các hệ số suy giảm tương ứng với nhiệt độ của thép. Các hệ số này cần được tra theo tiêu chuẩn thiết kế áp dụng cho dự án.
Giới hạn chảy giảm làm giảm sức chịu tải của tiết diện. Trong khi đó, mô đun đàn hồi giảm khiến cấu kiện dễ biến dạng và mất ổn định hơn, đặc biệt với cột mảnh hoặc dầm không được giữ ổn định ngang đầy đủ.
Bước 5: Kiểm tra khả năng chịu lực khi cháy
Bước cuối cùng là so sánh tác động thiết kế với sức kháng của cấu kiện tại nhiệt độ tính toán. Với cấu kiện chịu nén, điều kiện kiểm tra cơ bản được thể hiện như sau:
Nfi,Ed≤Nfi,Rd
Trong đó:
- Nfi,Ed là lực dọc thiết kế trong tình huống cháy.
- Nfi,Rd là khả năng chịu lực thiết kế của cấu kiện ở nhiệt độ tương ứng.
Ngoài lực nén, kỹ sư cần kiểm tra khả năng chịu uốn và lực cắt của dầm, mất ổn định tổng thể của cột, mất ổn định xoắn ngang và trường hợp đồng thời chịu nén, uốn.
Bu lông, đường hàn và nút khung cũng phải được kiểm tra. Nếu chỉ tính tiết diện dầm hoặc cột nhưng bỏ qua liên kết, kết luận về thời gian chịu lửa của toàn hệ kết cấu có thể không đầy đủ.
Dữ liệu cần chuẩn bị trước khi tính toán
Kết quả chỉ đáng tin cậy khi hồ sơ đầu vào phản ánh đúng thiết kế và hiện trạng. Với công trình đang khai thác, một số thông số cần được khảo sát hoặc kiểm chứng tại hiện trường.
| Nhóm dữ liệu | Thông tin cần xác định | Mục đích |
| Yêu cầu chịu lửa | R30, R60, R90 hoặc R120 | Chọn thời điểm kiểm tra |
| Sơ đồ kết cấu | Nhịp, liên kết, điều kiện biên | Lập mô hình chịu lực |
| Tiết diện | Kích thước, chiều dày, số mặt tiếp xúc | Tính hệ số tiết diện |
| Vật liệu | Mác thép, bu lông, đường hàn | Xác định cơ tính |
| Tải trọng | Tĩnh tải, hoạt tải, thiết bị | Lập tổ hợp khi cháy |
| Lớp bảo vệ | Vật liệu và chiều dày | Tính nhiệt độ cấu kiện |
Nếu hồ sơ hoàn công thiếu hoặc hiện trạng đã thay đổi, cần đo đạc tiết diện, kiểm tra vật liệu và xác minh sơ đồ làm việc. Công tác kiểm định chất lượng công trình xây dựng sẽ cung cấp dữ liệu cần thiết trước khi lập mô hình tính toán.
Giải pháp tăng khả năng chịu lửa cho kết cấu thép
Nếu kết quả kiểm tra không đạt thời gian yêu cầu, cần giảm tốc độ tăng nhiệt của cấu kiện hoặc điều chỉnh hệ kết cấu. Mỗi giải pháp có phạm vi sử dụng và yêu cầu thi công khác nhau.
| Giải pháp | Nguyên lý | Phạm vi phù hợp |
| Sơn chống cháy | Phồng nở, tạo lớp cách nhiệt | Kết cấu cần giữ hình thức bề mặt |
| Tấm thạch cao | Hạn chế nhiệt truyền vào thép | Dầm, cột trong nhà |
| Tấm sợi khoáng | Bao bọc và cách nhiệt | Công trình yêu cầu bảo vệ cao |
| Vữa phun | Tạo lớp bảo vệ liên tục | Nhà xưởng, công trình công nghiệp |
| Bọc bê tông | Tăng khối lượng nhiệt | Cột và cấu kiện cần độ bền cơ học |
Xem thêm: Thiết kế kết cấu thép chịu lửa cho công trình
Kết luận
Tính toán kết cấu thép trong điều kiện cháy phải thực hiện tuần tự từ kịch bản cháy, hệ số tiết diện, nhiệt độ cấu kiện đến kiểm tra sức chịu tải. Chủ đầu tư cần dựa trên hồ sơ và hiện trạng thực tế, không lựa chọn chiều dày chống cháy theo kinh nghiệm. Hãy liên hệ Bốn IBST để được kiểm tra hồ sơ, tính khả năng chịu lửa và đề xuất phương án bảo vệ phù hợp cho công trình.
