Cách xác định nhiệt độ cấu kiện thép không đơn giản là lấy nhiệt độ của đám cháy tại cùng một thời điểm. Nhiệt độ khí trong khoang cháy và nhiệt độ thực tế của thép là hai đại lượng khác nhau. Muốn xác định nhiệt độ dầm, cột hoặc cấu kiện thép, cần xét đường cong nhiệt độ – thời gian, diện tích bề mặt tiếp xúc lửa, hệ số tiết diện và quá trình truyền nhiệt vào thép. Bài viết dưới đây của Bốn IBST trình bày cách tính theo phương pháp thường dùng trong EN 1991-1-2 và EN 1993-1-2.
Nhiệt độ khí cháy không phải nhiệt độ cấu kiện thép
Trong kịch bản cháy tiêu chuẩn, đường cong nhiệt độ – thời gian mô tả nhiệt độ khí trong môi trường cháy. Cấu kiện thép nhận nhiệt từ môi trường này thông qua đối lưu và bức xạ.
Vì vậy, tại cùng một thời điểm:
- Nhiệt độ khí cháy θg: Được xác định trực tiếp từ đường cong cháy tiêu chuẩn.
- Nhiệt độ thép θa: Phải tính thông qua quá trình truyền nhiệt vào cấu kiện.
- Tốc độ tăng nhiệt của thép: Phụ thuộc hình dạng tiết diện, diện tích tiếp xúc lửa và giải pháp bảo vệ chống cháy.
Hai cấu kiện đặt trong cùng một môi trường cháy có thể đạt nhiệt độ khác nhau nếu tiết diện hoặc điều kiện tiếp xúc lửa khác nhau.
Cách xác định nhiệt độ cấu kiện thép theo kịch bản cháy tiêu chuẩn
Quá trình xác định nhiệt độ cấu kiện thép có thể thực hiện theo 5 bước. Với thép không được bảo vệ, EN 1993-1-2 sử dụng phương pháp tính gia tăng nhiệt độ theo từng bước thời gian.
Bước 1: Xác định nhiệt độ khí cháy theo thời gian
Theo đường cong nhiệt độ – thời gian tiêu chuẩn của EN 1991-1-2:2002:
θg = 20 + 345 × log10(8t + 1)
Trong đó:
- θg: nhiệt độ khí trong khoang cháy, °C.
- t: thời gian cháy, phút.
Một số giá trị thường dùng:
| Thời gian cháy | Nhiệt độ khí θg |
| 15 phút | khoảng 739°C |
| 30 phút | khoảng 842°C |
| 45 phút | khoảng 902°C |
| 60 phút | khoảng 945°C |
| 90 phút | khoảng 1.006°C |
| 120 phút | khoảng 1.049°C |
Công thức trên mô tả điều kiện tác động nhiệt lên cấu kiện, chưa phải nhiệt độ thực tế của thép.
Bước 2: Xác định bề mặt cấu kiện tiếp xúc với lửa
Phải xác định phần chu vi tiết diện thực tế chịu tác động nhiệt. Đây là dữ liệu dùng để tính hệ số tiết diện của cấu kiện.
Ví dụ:
- Cột thép đứng độc lập: Có thể chịu tác động cháy trên bốn phía.
- Dầm thép đỡ sàn bê tông: Mặt trên của cánh trên thường được che bởi sàn, nên có thể xét tiếp xúc lửa ba phía.
- Cấu kiện nằm trong tường hoặc được che chắn: Chỉ tính phần bề mặt thực tế tiếp xúc với môi trường cháy.
Không nên mặc định mọi cấu kiện thép đều được nung nóng trên bốn mặt.
Bước 3: Tính hệ số tiết diện Am/V
Hệ số tiết diện là thông số quan trọng khi xác định nhiệt độ cấu kiện thép.
Công thức tổng quát:
Am/V = diện tích bề mặt tiếp xúc lửa trên một đơn vị chiều dài / thể tích thép trên cùng chiều dài
Đơn vị thường dùng là m⁻¹.
Với cấu kiện có tiết diện không đổi, có thể hiểu đơn giản là:
Am/V = chu vi chịu tác động nhiệt / diện tích tiết diện thép
Ảnh hưởng của hệ số này khá rõ:
- Am/V lớn: Diện tích nhận nhiệt lớn so với khối lượng thép, cấu kiện nóng nhanh hơn.
- Am/V nhỏ: Khối lượng thép lớn so với bề mặt nhận nhiệt, tốc độ tăng nhiệt chậm hơn.
Ví dụ của Steel Construction Info cho tiết diện 533 × 210 UB 82 chịu lửa bốn mặt có hệ số tiết diện khoảng 176 m⁻¹. Khi cánh trên được sàn bê tông che và chỉ còn ba mặt chịu lửa, giá trị giảm xuống khoảng 156 m⁻¹.
Bước 4: Xác định dòng nhiệt truyền vào thép
Nhiệt truyền từ môi trường cháy vào bề mặt cấu kiện gồm hai thành phần chính:
ḣnet = ḣnet,c + ḣnet,r
Trong đó, truyền nhiệt đối lưu được xác định theo:
ḣnet,c = αc × (θg − θa)
Với đường cong cháy tiêu chuẩn, hệ số truyền nhiệt đối lưu thường lấy:
αc = 25 W/m²K
Ngoài đối lưu, phải xét bức xạ nhiệt. Thành phần bức xạ phụ thuộc nhiệt độ khí, nhiệt độ bề mặt thép, hệ số phát xạ và hằng số Stefan–Boltzmann.
Trong tính toán theo Eurocode, giá trị thường sử dụng cho bề mặt thép là εm = 0,7, trong khi hệ số phát xạ của môi trường cháy có thể lấy εf = 1,0.
Bước 5: Tính nhiệt độ thép tăng theo từng bước thời gian
Với cấu kiện thép không bảo vệ và giả thiết nhiệt độ phân bố tương đối đều trên tiết diện, độ tăng nhiệt trong một bước thời gian có thể xác định theo dạng:
Δθa,t = ksh × (Am/V) × ḣnet,d × Δt / (ca × ρa)
Trong đó:
- ksh: Hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng che khuất.
- Am/V: Hệ số tiết diện, m⁻¹.
- ḣnet,d: Dòng nhiệt thuần truyền vào cấu kiện, W/m².
- ca: Nhiệt dung riêng của thép, J/kgK.
- ρa: Khối lượng riêng của thép, kg/m³.
- Δt: Bước thời gian tính toán.
Sau mỗi bước, nhiệt độ mới của thép được cập nhật và tiếp tục sử dụng để tính bước tiếp theo.
Theo EN 1993-1-2:2005, với cấu kiện thép không bảo vệ, bước thời gian Δt không nên lớn hơn 5 giây.
Do đó, cách xác định nhiệt độ cấu kiện thép không thể chỉ lấy nhiệt độ khí tại phút thứ 60 rồi thay một lần vào công thức. Bài toán phải được tính lặp từ thời điểm bắt đầu cháy đến thời điểm cần kiểm tra.
Ví dụ xác định nhiệt độ cấu kiện thép trong 60 phút cháy
Có thể tham khảo ví dụ tính của tài liệu hướng dẫn Eurocode của Joint Research Centre với tiết diện IPE360 chịu tác động cháy bốn phía:
| Thông số | Giá trị |
| Hệ số tiết diện Am/V | 186 m⁻¹ |
| Hệ số hiệu chỉnh ksh | 0,706 |
| Hệ số đối lưu αc | 25 W/m²K |
| Hệ số phát xạ bề mặt thép | 0,7 |
| Bước thời gian | 5 giây |
| Kịch bản cháy | Đường cong tiêu chuẩn |
Tài liệu JRC sử dụng chính phương pháp gia tăng nhiệt độ của EN 1993-1-2 và cho thấy cấu kiện thép trần tăng nhiệt rất nhanh khi tiếp xúc trực tiếp với cháy tiêu chuẩn.
Khi tính lặp với các thông số trên, có thể thu được giá trị minh họa:
| Thời gian | Nhiệt độ khí tiêu chuẩn | Nhiệt độ thép xấp xỉ |
| 15 phút | 739°C | 625°C |
| 30 phút | 842°C | 804°C |
| 45 phút | 902°C | 894°C |
| 60 phút | 945°C | 940°C |
Bảng cho thấy ở giai đoạn đầu, nhiệt độ thép thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ khí. Khi thời gian cháy kéo dài, chênh lệch giảm và nhiệt độ thép trần dần tiến gần nhiệt độ môi trường cháy.
Các giá trị trên dùng để minh họa phương pháp tính, không phải giá trị mặc định cho mọi dầm hoặc cột thép. Nhiệt độ thực tế phải được tính theo đúng tiết diện và điều kiện tiếp xúc của từng cấu kiện.
Xem thêm : Giới hạn chịu lửa kết cấu thép là gì? Cách xác định R30, R60, R90 và R120
Cấu kiện có lớp chống cháy được xác định nhiệt độ thế nào?
Khi thép được bọc hoặc phủ vật liệu chống cháy, nhiệt không truyền trực tiếp từ môi trường cháy vào bề mặt thép. Bài toán phải bổ sung các đặc tính nhiệt của lớp bảo vệ.
Những thông số cần xác định gồm:
- Chiều dày lớp bảo vệ dp: Chiều dày lớn thường làm chậm tốc độ truyền nhiệt vào thép.
- Hệ số dẫn nhiệt λp: Cho biết khả năng truyền nhiệt của vật liệu chống cháy.
- Khối lượng riêng ρp: Ảnh hưởng khả năng tích nhiệt của lớp vật liệu.
- Nhiệt dung riêng cp: Được sử dụng trong bài toán cân bằng nhiệt.
- Hệ số tiết diện Ap/V: Phụ thuộc cách bố trí lớp bảo vệ quanh cấu kiện.
EN 1993-1-2 có phương pháp riêng để tính nhiệt độ của cấu kiện thép được cách nhiệt bằng vật liệu chống cháy.
Vì vậy, khi kiểm tra cấu kiện R60 hoặc R90, không thể chỉ dựa vào chiều dày sơn hoặc vật liệu bọc. Cần kết hợp đặc tính vật liệu với hệ số tiết diện của cấu kiện.
Xem thêm : Dịch vụ thiết kế kết cấu thép chịu lửa
Những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ cấu kiện thép
Trong cùng một kịch bản cháy, nhiệt độ cấu kiện có thể khác nhau đáng kể. Khi áp dụng cách xác định nhiệt độ cấu kiện thép, cần chú ý bốn yếu tố chính:
- Hệ số tiết diện: Cấu kiện có Am/V lớn thường tăng nhiệt nhanh hơn cấu kiện có Am/V nhỏ. Đây là lý do các tiết diện thép nhỏ, mảnh thường bất lợi hơn khi chịu cháy.
- Số mặt tiếp xúc với lửa: Dầm chịu lửa ba mặt thường nhận nhiệt ít hơn cấu kiện tương tự chịu lửa bốn mặt.
- Lớp bảo vệ chống cháy: Sơn trương nở, tấm bọc hoặc vật liệu phun chống cháy làm giảm tốc độ truyền nhiệt vào thép.
- Thời gian tác động: Đường cong cháy tiêu chuẩn tiếp tục tăng nhiệt theo thời gian, nên nhiệt độ thép cũng tiếp tục tăng nếu không có đủ khả năng cách nhiệt.
Do đó, chỉ biết tiết diện thép hoặc thời gian chịu lửa yêu cầu chưa đủ để kết luận nhiệt độ cấu kiện.
Xác định nhiệt độ cấu kiện thép cần dựa trên đúng điều kiện thực tế
Cách xác định nhiệt độ cấu kiện thép trong cháy tiêu chuẩn cần bắt đầu từ đường cong nhiệt độ – thời gian, sau đó tính dòng nhiệt truyền vào cấu kiện theo từng bước. Hệ số tiết diện, số mặt tiếp xúc và lớp bảo vệ chống cháy đều ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả. Với các công trình cần kiểm tra khả năng chịu lửa R30, R60, R90 hoặc R120, Bốn IBST có thể thực hiện tính toán nhiệt, đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu và xác định yêu cầu bảo vệ chống cháy phù hợp. Liên hệ Bốn IBST để được trao đổi theo hồ sơ và điều kiện thực tế của công trình.
