Cường độ của thép không duy trì cố định khi vật liệu chịu nhiệt độ cao. Khi xảy ra cháy, thép có thể giảm giới hạn chảy, độ cứng và khả năng chịu tải dù chưa nóng chảy. Từ khoảng 400–600°C, sự suy giảm bắt đầu trở nên đáng kể và ảnh hưởng trực tiếp đến dầm, cột, liên kết trong công trình. Hiểu mức thay đổi của thép theo từng khoảng nhiệt độ giúp kỹ sư đánh giá đúng tình trạng kết cấu sau cháy và xác định có cần kiểm định, sửa chữa hoặc gia cường trước khi tiếp tục sử dụng hay không. Bốn IBST hiện thực hiện khảo sát và đánh giá hiện trạng kết cấu cho các công trình chịu ảnh hưởng bởi cháy, nhiệt độ cao và các sự cố khác.
Cường độ của thép là gì?
Cường độ của thép thể hiện khả năng vật liệu chịu ứng suất trước khi xảy ra biến dạng lớn hoặc phá hoại. Trong thiết kế kết cấu, hai thông số thường được quan tâm là giới hạn chảy và giới hạn bền kéo.
- Giới hạn chảy: Là mức ứng suất mà tại đó thép bắt đầu xuất hiện biến dạng dẻo đáng kể. Đây là thông số quan trọng khi tính toán khả năng chịu lực của kết cấu thép.
- Giới hạn bền: Thể hiện mức ứng suất lớn nhất vật liệu có thể chịu được trước khi bị phá hủy.
- Mô đun đàn hồi: Phản ánh độ cứng của thép. Khi mô đun đàn hồi giảm, cấu kiện dễ xuất hiện độ võng và biến dạng lớn hơn dưới cùng một tải trọng.
Ở nhiệt độ thường, các thông số này được xác định theo cấp thép và tiêu chuẩn vật liệu. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng cao, đặc tính cơ học và cường độ của thép thay đổi đáng kể.
Cường độ của thép suy giảm như thế nào khi nhiệt độ tăng?
Ở giai đoạn đầu, nhiệt độ tăng chưa làm giới hạn chảy của thép giảm mạnh. Tuy nhiên, khi vượt khoảng 400°C, các đặc tính cơ học bắt đầu biến đổi rõ rệt. Từ 500–700°C,cường độ của thép và khả năng chịu lực có thể giảm rất nhanh.
Bảng dưới đây thể hiện mức cường độ chảy còn lại tương đối của thép kết cấu carbon theo các giá trị thường được sử dụng trong tính toán kết cấu thép chịu cháy:
| Nhiệt độ thép | Cường độ chảy còn lại xấp xỉ | Nhận xét |
| 20°C | 100% | Trạng thái nhiệt độ thường |
| 300°C | Khoảng 100% | Cường độ chảy chưa giảm đáng kể |
| 400°C | Khoảng 100% | Độ cứng đã bắt đầu suy giảm |
| 500°C | Khoảng 78% | Khả năng chịu lực giảm rõ |
| 600°C | Khoảng 47% | Chỉ còn gần một nửa cường độ ban đầu |
| 700°C | Khoảng 23% | Khả năng chịu lực suy giảm mạnh |
| 800°C | Khoảng 11% | Kết cấu có nguy cơ mất khả năng chịu tải |
| 900°C | Khoảng 6% | Cường độ còn rất thấp |
| 1.000°C | Khoảng 4% | Thép gần như không còn khả năng chịu tải thiết kế |
Các giá trị trên mang tính tham khảo cho thép kết cấu thông dụng. Kết quả thực tế còn phụ thuộc cấp thép, thành phần vật liệu, tốc độ tăng nhiệt, thời gian chịu nhiệt và điều kiện làm nguội.
Điểm cần lưu ý là độ cứng của thép có thể giảm trước khi cường độ chảy giảm mạnh. Vì vậy, ngay cả ở khoảng 300–400°C, cấu kiện đã có thể tăng độ võng và biến dạng khi đang chịu tải.
Đến khoảng 600°C, cường độ chảy của thép thông dụng chỉ còn xấp xỉ một nửa so với trạng thái ban đầu. Đây là lý do kết cấu thép trong đám cháy có thể biến dạng hoặc mất ổn định dù nhiệt độ nóng chảy của thép còn cao hơn rất nhiều.
Vì sao nhiệt độ cao làm thép giảm khả năng chịu lực?
Nhiệt độ tác động trực tiếp đến cấu trúc và đặc tính cơ học của vật liệu. Khi thép bị nung nóng, khả năng chống lại biến dạng của vật liệu giảm dần, đồng thời cường độ của thép cũng suy giảm khi nhiệt độ đạt đến các ngưỡng nhất định.
- Giới hạn chảy giảm: Khi nhiệt độ tăng đủ cao, thép bắt đầu biến dạng dẻo ở mức ứng suất thấp hơn. Cấu kiện vì vậy không còn chịu được tải trọng tương đương trạng thái thiết kế ban đầu.
- Mô đun đàn hồi giảm: Độ cứng của thép suy giảm khiến dầm dễ võng, cột dễ biến dạng và kết cấu trở nên nhạy cảm hơn với tải trọng.
- Xuất hiện giãn nở nhiệt: Thép nở ra khi nhiệt độ tăng. Nếu chuyển vị bị dầm, cột hoặc liên kết khác hạn chế, nội lực bổ sung có thể xuất hiện trong hệ kết cấu.
- Tăng nguy cơ mất ổn định: Khi vừa giảm độ cứng vừa chịu tải trọng lớn, cột thép hoặc các cấu kiện mảnh có thể mất ổn định trước khi vật liệu đạt đến trạng thái phá hoại hoàn toàn.
Mức độ ảnh hưởng vì vậy không thể xác định chỉ dựa vào nhiệt độ nóng chảy của thép. Trong thực tế, kết cấu có thể mất khả năng chịu lực ở mức nhiệt thấp hơn nhiều.
Nhiệt độ cao ảnh hưởng thế nào đến kết cấu thép trong công trình?
Khi cường độ của thép suy giảm, khả năng chịu lực của toàn bộ hệ kết cấu cũng thay đổi. Biểu hiện hư hỏng phụ thuộc loại cấu kiện, tải trọng và thời gian tiếp xúc với nhiệt.
Một số hiện tượng thường cần kiểm tra gồm:
- Dầm thép bị võng: Mô đun đàn hồi giảm cùng với giãn nở nhiệt có thể làm độ võng tăng mạnh trong thời gian xảy ra cháy.
- Cột thép cong hoặc mất ổn định: Khả năng chịu nén giảm khiến cột có nguy cơ cong vênh, đặc biệt khi nhiệt độ phân bố không đều.
- Liên kết bị biến dạng: Bu lông, bản mã và mối hàn cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Hư hỏng tại liên kết có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền lực của cả hệ.
- Xuất hiện biến dạng dư: Sau khi đám cháy được dập tắt và thép nguội trở lại, một số cấu kiện vẫn có thể giữ lại độ võng, cong hoặc xoắn.
- Lớp chống cháy bị hư hỏng: Nếu vật liệu bảo vệ chống cháy bong tróc, thép bên trong có thể tăng nhiệt nhanh hơn và chịu tác động nhiệt nghiêm trọng hơn.
Do đó, không nên đánh giá mức độ an toàn của công trình chỉ dựa vào việc kết cấu thép còn nguyên hình dạng hay chưa xuất hiện nứt gãy.
Xem thêm: Kiểm định công trình sau sự cố cháy, nổ, sập đổ gồm những nội dung gì?
Thép sau khi nguội có phục hồi lại cường độ ban đầu không?
Một phần đặc tính cơ học và cường độ của thép kết cấu thông thường có thể phục hồi sau khi vật liệu nguội. Tuy nhiên, điều này không đồng nghĩa mọi cấu kiện từng chịu cháy đều có thể tiếp tục sử dụng mà không cần kiểm tra.
Mức độ phục hồi phụ thuộc vào nhiệt độ cực đại, thời gian chịu nhiệt, loại thép và quá trình làm nguội. Nếu nhiệt độ rất cao hoặc vật liệu trải qua biến đổi tổ chức đáng kể, cơ tính sau cháy có thể khác trạng thái ban đầu.
Ngoài vật liệu, kỹ sư còn phải kiểm tra biến dạng của cấu kiện. Một dầm thép có thể phục hồi phần lớn cường độ vật liệu nhưng vẫn không đạt yêu cầu sử dụng nếu đã xuất hiện độ võng dư quá lớn.
Tương tự, cột thép bị cong, liên kết bị biến dạng hoặc mối hàn bị ảnh hưởng nhiệt cũng cần được đánh giá riêng.
Vì vậy, với công trình từng xảy ra hỏa hoạn, câu hỏi cần xem xét không chỉ là thép còn bao nhiêu cường độ mà còn là khả năng chịu lực còn lại của toàn bộ hệ kết cấu.
Khi nào cần kiểm định kết cấu thép sau cháy?
Không phải mọi trường hợp tiếp xúc nhiệt đều gây ra mức hư hỏng giống nhau. Tuy nhiên, kiểm định nên được thực hiện khi công trình có dấu hiệu biến dạng hoặc từng chịu một đám cháy đủ lớn để ảnh hưởng đến kết cấu chịu lực và cường độ của thép.
Đặc biệt cần đánh giá khi xuất hiện các tình trạng như dầm võng rõ, cột cong, liên kết biến dạng, lớp chống cháy bong tróc hoặc khu vực kết cấu chịu nhiệt trong thời gian dài.
Đối với nhà xưởng, kho hàng, nhà thép tiền chế và công trình công nghiệp, việc đưa công trình trở lại hoạt động khi chưa đánh giá khả năng chịu lực có thể tiềm ẩn rủi ro về an toàn.
Bốn IBST thực hiện khảo sát, kiểm định và đánh giá hiện trạng kết cấu công trình, bao gồm các trường hợp công trình bị ảnh hưởng bởi cháy và nhiệt độ cao. Kết quả kiểm định giúp chủ đầu tư có cơ sở lựa chọn phương án tiếp tục sử dụng, sửa chữa hoặc gia cường phù hợp.
Xem thêm : Kiểm định chất lượng công trình xây dựng
Kết luận
Cường độ của thép suy giảm ngày càng nhanh khi nhiệt độ tăng cao. Từ khoảng 500°C, giới hạn chảy bắt đầu giảm rõ rệt; ở khoảng 600°C, thép chỉ còn xấp xỉ một nửa khả năng chịu lực ban đầu và tiếp tục giảm mạnh khi nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ chỉ là một trong các yếu tố cần xem xét. Thời gian chịu nhiệt, loại thép, tải trọng, biến dạng dư và tình trạng liên kết đều ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của kết cấu sau cháy. Nếu công trình từng chịu cháy hoặc nhiệt độ cao, Bốn IBST có thể thực hiện khảo sát, kiểm định và đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu, từ đó đề xuất phương án sửa chữa hoặc gia cường phù hợp với hiện trạng thực tế.
