Eurocode 3 chịu lửa cung cấp cơ sở tính toán khả năng chịu lực của kết cấu thép trong điều kiện nhiệt độ cao. Tiêu chuẩn không chỉ trả lời cấu kiện chịu lửa được bao nhiêu phút mà còn giúp xác định nhiệt độ thép, mức suy giảm vật liệu và sức kháng còn lại. Trong bài viết này, BỐN IBST sẽ giải thích cách áp dụng EN 1993-1-2 theo từng bước. Nội dung tập trung vào những dữ liệu cần chuẩn bị, phương pháp kiểm tra và các sai sót cần tránh khi thiết kế thép khi cháy.
EN 1993-1-2 giữ vai trò gì trong thiết kế thép khi cháy?
EN 1993-1-2 là phần của Eurocode 3 dành cho thiết kế kết cấu thép trong tình huống cháy. Tiêu chuẩn được sử dụng cùng các phần Eurocode liên quan, không áp dụng riêng lẻ.
Trong điều kiện bình thường, cấu kiện thép được kiểm tra theo cường độ, độ ổn định và khả năng sử dụng. Khi xảy ra cháy, nhiệt độ thép tăng lên làm giảm giới hạn chảy và mô đun đàn hồi. Cột dễ mất ổn định hơn, trong khi dầm có thể tăng độ võng và giảm khả năng chịu uốn.
EN 1993-1-2 đưa ra phương pháp để xác định:
- Đặc tính của thép ở nhiệt độ cao: Cường độ, độ cứng và biến dạng nhiệt được điều chỉnh theo nhiệt độ tính toán của cấu kiện.
- Nhiệt độ của cấu kiện thép: Quá trình tăng nhiệt được xác định theo tác động nhiệt, hình dạng tiết diện, diện tích tiếp xúc lửa và lớp bảo vệ.
- Sức kháng trong tình huống cháy: Cấu kiện được kiểm tra theo dạng chịu lực như kéo, nén, uốn hoặc tổ hợp nội lực.
- Khả năng ổn định: Tiêu chuẩn xét nguy cơ mất ổn định của cột, dầm và các cấu kiện mảnh khi độ cứng của thép giảm.
Eurocode 3 chịu lửa không tự xác định toàn bộ yêu cầu an toàn cháy cho một công trình xây dựng. Thời gian chịu lửa cần thiết vẫn phải căn cứ vào quy chuẩn, công năng, bậc chịu lửa và yêu cầu của hồ sơ PCCC.
Tiêu chuẩn này cũng cần được dùng đồng bộ với EN 1990, EN 1991-1-2 và EN 1993-1-1. Trong đó, EN 1991-1-2 xác định tác động nhiệt do cháy. EN 1993-1-2 sử dụng đầu vào đó để kiểm tra kết cấu thép.
Quy trình áp dụng Eurocode 3 chịu lửa
Thiết kế chịu lửa không bắt đầu bằng việc chọn sơn chống cháy. Kỹ sư cần đi từ yêu cầu chịu lửa, tải trọng, nhiệt độ đến sức kháng của từng cấu kiện.
Bước 1: Xác định yêu cầu chịu lửa của cấu kiện
Trước khi tính toán, cần biết cấu kiện phải duy trì khả năng chịu lực trong bao lâu. Yêu cầu này thường được thể hiện bằng các mức R30, R60, R90 hoặc R120.
Ký hiệu R thể hiện khả năng chịu lực trong thời gian cháy. Con số phía sau là khoảng thời gian tính bằng phút. Ví dụ, R60 yêu cầu cấu kiện duy trì khả năng chịu lực trong 60 phút theo điều kiện đánh giá được áp dụng.
Kỹ sư cần phân loại rõ cột, dầm, giằng, khung mái và liên kết. Không nên mặc định tất cả cấu kiện đều có cùng yêu cầu chịu lửa. Mức yêu cầu có thể khác nhau tùy vị trí và vai trò của từng bộ phận trong hệ kết cấu.
Đầu vào này phải thống nhất với quy chuẩn áp dụng, hồ sơ PCCC và nhiệm vụ thiết kế. Nếu xác định sai thời gian yêu cầu, toàn bộ kết quả tính nhiệt và lựa chọn lớp bảo vệ phía sau đều có thể không phù hợp.
Xem thêm: Quan trắc kết cấu theo thời gian làm thay đổi cách quản lý công trình
Bước 2: Lập tổ hợp tải trọng trong trường hợp cháy
Cháy được xem là một tình huống thiết kế sự cố. Vì vậy, tải trọng và hệ số tổ hợp không hoàn toàn giống trường hợp tính toán ở nhiệt độ thường.
Kỹ sư cần xác định tĩnh tải, hoạt tải và các tác động có khả năng xuất hiện trong thời gian cháy. Một số hoạt tải được đưa vào tổ hợp với hệ số giảm phù hợp theo hệ tiêu chuẩn của dự án.
Từ tổ hợp này, nội lực trong cột, dầm, giằng và liên kết được tính lại. Kết quả cho biết cấu kiện đang phải sử dụng bao nhiêu phần khả năng chịu lực tại thời điểm xảy ra cháy.
Mức độ chịu tải có liên quan trực tiếp đến nhiệt độ tới hạn. Cấu kiện đang chịu tải lớn thường có khoảng dự trữ thấp hơn. Do đó, cấu kiện này có thể không chịu được mức nhiệt cao như một cấu kiện cùng tiết diện nhưng chịu tải nhỏ hơn.
Bước 3: Xác định tác động nhiệt và nhiệt độ thép
Sau khi có tải trọng, kỹ sư cần xác định nhiệt tác động lên cấu kiện. Tùy phương pháp thiết kế, dự án có thể dùng đường cong cháy tiêu chuẩn hoặc một mô hình cháy có cơ sở riêng.
Nhiệt độ của thép phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Số mặt tiếp xúc với lửa: Dầm bị tác động nhiệt từ ba mặt sẽ có quá trình tăng nhiệt khác với cấu kiện được bao che một phần.
- Hệ số tiết diện Hp/A: Tiết diện có diện tích nhận nhiệt lớn so với thể tích thép thường nóng nhanh hơn.
- Loại tiết diện: Cột thép hình, dầm tổ hợp, thép hộp và cấu kiện có hình dạng khác nhau sẽ có đặc điểm truyền nhiệt khác nhau.
- Lớp bảo vệ chịu lửa: Sơn trương nở, vữa phun hoặc tấm bọc làm chậm quá trình truyền nhiệt vào lõi thép.
- Đặc tính của vật liệu bảo vệ: Khả năng dẫn nhiệt, nhiệt dung, chiều dày và điều kiện thi công đều ảnh hưởng đến kết quả.
Bước 4: Điều chỉnh đặc tính thép theo nhiệt độ
Cường độ và độ cứng của thép không được giữ nguyên trong tính toán cháy. EN 1993-1-2 cung cấp các hệ số suy giảm để xác định đặc tính vật liệu tại từng mức nhiệt độ.
Khi nhiệt độ tăng, mô đun đàn hồi giảm làm cấu kiện dễ biến dạng và mất ổn định hơn. Giới hạn chảy cũng giảm, khiến sức kháng chịu kéo, nén hoặc uốn không còn như ở nhiệt độ thường.
Ảnh hưởng này đặc biệt rõ với cột chịu nén và dầm mảnh. Cột có thể mất ổn định trước khi tiết diện đạt đến giới hạn cường độ. Dầm cũng có thể xuất hiện độ võng lớn hoặc mất ổn định bên ngoài mặt phẳng.
Bước 5: Kiểm tra sức kháng và lựa chọn giải pháp bảo vệ
Ở bước cuối, tác động thiết kế trong tình huống cháy được so sánh với sức kháng còn lại của cấu kiện tại cùng thời điểm. Điều kiện cơ bản là sức kháng phải không nhỏ hơn tác động tính toán.
Nội dung kiểm tra phụ thuộc vào trạng thái làm việc:
- Dầm chịu uốn: Kiểm tra khả năng chịu mô men, lực cắt và nguy cơ mất ổn định khi độ cứng suy giảm.
- Cột chịu nén: Kiểm tra sức kháng tiết diện và khả năng mất ổn định theo các phương chính.
- Cấu kiện chịu kéo: Xác định sức kháng còn lại của tiết diện ở nhiệt độ tính toán.
- Cấu kiện chịu lực kết hợp: Kiểm tra tương tác giữa lực dọc, mô men và lực cắt khi cần thiết.
- Liên kết: Xem xét bu lông, đường hàn, bản mã và khả năng truyền lực giữa các cấu kiện.
Nên dùng phương pháp tính đơn giản hay mô hình nâng cao?
EN 1993-1-2 cho phép tiếp cận việc thiết kế ở nhiều mức độ. Phương pháp phù hợp phụ thuộc vào quy mô công trình, sơ đồ kết cấu và dữ liệu đầu vào hiện có.
| Tiêu chí | Phương pháp tính đơn giản | Mô hình tính nâng cao |
| Phạm vi phân tích | Chủ yếu kiểm tra từng cấu kiện | Phân tích cấu kiện, bộ phận hoặc toàn hệ |
| Phân bố nhiệt | Sử dụng các giả thiết được đơn giản hóa | Mô phỏng truyền nhiệt chi tiết hơn |
| Ứng xử kết cấu | Tập trung vào sức kháng cấu kiện | Xét biến dạng và tương tác giữa các cấu kiện |
| Dữ liệu đầu vào | Ít, dễ kiểm soát | Nhiều và cần độ tin cậy cao |
| Trường hợp áp dụng | Công trình thông dụng, sơ đồ rõ | Kết cấu phức tạp hoặc giải pháp đặc biệt |
| Kiểm chứng | Theo điều kiện áp dụng của công thức | Cần kiểm tra mô hình và độ nhạy kết quả |
Những sai sót thường gặp khi áp dụng EN 1993-1-2
Phần lớn sai lệch không xuất phát từ công thức mà đến từ dữ liệu đầu vào thiếu đồng bộ. Những lỗi dưới đây cần được kiểm tra trước khi hoàn thiện hồ sơ:
- Chọn lớp bảo vệ chỉ theo thời gian R: R60 hoặc R90 chưa đủ để quyết định chiều dày sơn. Cần biết Hp/A, nhiệt độ tới hạn và số mặt tiếp xúc lửa.
- Dùng tổ hợp tải trọng ở nhiệt độ thường: Tình huống cháy có nguyên tắc tổ hợp riêng. Sử dụng sai tổ hợp sẽ làm thay đổi nội lực và mức độ chịu tải của cấu kiện.
- Áp một nhiệt độ tới hạn cho toàn bộ kết cấu: Mỗi nhóm cấu kiện có tải trọng và cơ chế mất khả năng chịu lực khác nhau. Một giá trị chung có thể dẫn đến thiết kế thiếu hoặc thừa.
- Bỏ qua ổn định và liên kết: Kiểm tra riêng sức kháng tiết diện chưa đủ. Mất ổn định cột, dầm và suy giảm khả năng truyền lực của liên kết cũng cần được xem xét.
- Trộn dữ liệu từ nhiều hệ tiêu chuẩn: Tải trọng, hệ số vật liệu và phương pháp kiểm tra phải đồng bộ. Việc lựa chọn từng phần từ các tiêu chuẩn khác nhau cần có cơ sở rõ ràng.
Áp dụng Eurocode 3 chịu lửa cần bắt đầu từ dữ liệu đồng bộ
Eurocode 3 chịu lửa giúp thiết lập quy trình kiểm tra kết cấu từ tải trọng, tác động nhiệt đến sức kháng còn lại khi cháy. Tuy nhiên, kết quả chỉ đáng tin cậy khi yêu cầu chịu lửa, tổ hợp tải trọng, Hp/A và dữ liệu vật liệu được xác định thống nhất.
Thiết kế thép khi cháy không nên dừng ở việc chọn chiều dày sơn theo số phút chịu lửa. Mỗi cấu kiện cần được xem xét theo điều kiện chịu lực và nhiệt độ thực tế của nó.
Với dự án áp dụng Eurocode hoặc sử dụng nhiều căn cứ kỹ thuật, chủ đầu tư có thể tham khảo dịch vụ tư vấn thẩm tra thiết kế công trình của BỐN IBST để kiểm tra cơ sở tính, dữ liệu đầu vào và tính đồng bộ của hồ sơ.
