Khảo sát sự tăng nhiệt độ của dầm thép có vật liệu chống cháy trong đám cháy, sử dụng phương pháp nhiệt độ tới hạn

Bài viết Khảo sát sự tăng nhiệt độ của dầm thép có vật liệu chống cháy trong đám cháy, sử dụng phương pháp nhiệt độ tới hạn trình bày phương pháp tính nhiệt độ của dầm thép có lớp bảo vệ trong đám cháy, sử dụng phương pháp nhiệt độ tới hạn theo tiêu chuẩn Châu Âu. Sử dụng phương pháp này, khảo sát quan hệ nhiệt độ- thời gian trong dầm thép khi thay đổi chiều dày và loại vật liệu bọc chống cháy, từ các kết quả thu được để đưa ra các nhận xét, kiến nghị cho việc chọn vật liệu bọc chống cháy cho dầm thép.

Khảo sát tăng nhiệt độ dầm thép có vật liệu chống cháy đám cháy, sử dụng phương pháp nhiệt độ tới hạn Survey of increase of temperature of steel beams with fire-resistive materials in fire, using critical temperature method Mai Trọng Nghĩa Tóm tắt Bài báo trình bày phương pháp tính nhiệt độ dầm thép có lớp bảo vệ đám cháy, sử dụng phương pháp nhiệt độ tới hạn theo tiêu chuẩn Châu Âu Sử dụng phương pháp này, khảo sát quan hệ nhiệt độ- thời gian dầm thép thay đổi chiều dày loại vật liệu bọc chống cháy, từ kết thu để đưa nhận xét, kiến nghị cho việc chọn vật liệu bọc chống cháy cho dầm thép Từ khóa: Dầm thép, Phương pháp nhiệt độ tới hạn, vật liệu bọc chống cháy Giới thiệu Kết cấu thép có ưu điểm trọng lượng nhẹ, khả chịu lực kém, độ tin cậy cao, nhược điểm chịu lửa kém, tính chất lý giảm nhanh nhiệt độ tăng đám cháy Dầm thép cấu kiện dùng phổ biến Vật liệu chống cháy bọc dầm thép sử dụng nhằm tăng thời gian chịu đám cháy Việc lựa chọn chủng loại, chiều dày, tính chất lý vật liệu bọc đảm bảo dầm thép chịu cháy theo yêu cầu thiết kế chịu lửa Theo Tiêu chuẩn EN 1993-1-2, khả chống cháy kết cấu thép thể qua việc đáp ứng nội dung sau: Abstract The paper presents the method of calculating the temperature of steel beams with fireresistive material in the fire, using the method of critical temperature according to European standards Using this method, investigating the temperature-time relationship in steel beams when changing the thickness and type of fireresistive material, from the results obtained to make comments and recommendations for selecting fire-resistive material for steel beams Key words: Steel beam, critical temperature method, fire- resistive material Hình Một số đường tăng nhiệt độ đám cháy theo tiêu chuẩn châu Âu [2] ThS Mai Trọng Nghĩa Bộ môn kết cấu thép gỗ Khoa Xây dựng ĐT: 0982405689 Email: nghiamt@hau.edu.vn Ngày nhận bài: 12/5/2020 Ngày sửa bài: 28/5/2020 Ngày duyệt đăng: 9/3/2022 Hình Biểu đồ hệ số suy giảm môđun đàn hồi, giới hạn chảy giới hạn tỷ lệ vật liệu thép nhiệt độ cao [3] S¬ 44 - 2022 15 KHOA HC & CôNG NGHê ã Thi gian chu la kết cấu ≥ thời gian chịu lửa yêu cầu; • Đảm bảo khả chịu lửa thời điểm yêu cầu; • Nhiệt độ tới hạn cấu kiện lớn so với nhiệt độ thiết kế cấu kiện thời điểm yêu cầu Theo Tiêu chuẩn EN 1993-1-2, có ba phương pháp tính tốn sử dụng để phân tích ứng xử kết cấu thép chịu lửa, kết hợp với nội dung trên: • Phương pháp nhiệt độ tới hạn - phương pháp đơn giản sử dụng phổ biến cho đánh giá khả chống cháy cấu kiện; • Các mơ hình tính tốn đơn giản - phương pháp thiết kế bao gồm tất mơ hình học đơn giản phát triển cho phân tích cấu kiện; • Các mơ hình tính tốn nâng cao – phương pháp thiết kế áp dụng cho tất loại kết cấu, dựa phương pháp phần tử hữu hạn, áp dụng rộng rãi tính tốn có nhiều lợi Trong phạm vi báo này, đề cập đến trình tự tính tốn phương pháp nhiệt độ tới hạn Phương pháp đơn giản, dễ sử dụng, có đủ độ tin cậy cho người tính tốn kết cấu thép Việt nam Phương pháp thường áp dụng thực hành thiết kế kết cấu thép theo tiêu chuẩn Âu Châu Một số kết khảo sát nhiệt độ dầm thép thay đổi chiều dày loại vật liệu bọc chống cháy thực để có nhận xét, kiến nghị cho việc thiết kế dầm thép có vật liệu bọc chống cháy 1.1 Sự tăng nhiệt độ dầm thép điều kiện chịu lửa theo thời gian Mỗi đám cháy có đường cong quan hệ nhiệt độ thời gian cháy khác để phân tích tính tốn tiến hành thí nghiệm quy đường cong nhiệt độ - thời gian cháy tiêu chuẩn Hình Nhiệt độ tính nhiệt độ biên bề mặt kết cấu Đường Standard phù hợp cho việc mô đám cháy công trình mà vật liệu gây cháy vật liệu gốc xenlulozơ Đường Hydrocarbon phù hợp cho việc mô đám cháy có nguồn gốc từ hydrocarbon, đám cháy tăng nhiệt độ lên cao nhanh Đường External phù hợp cho việc mô đám cháy xảy bên ngồi cơng trình Đường Slow heating phù hợp cho việc mơ đám cháy có nguồn gốc từ vật liệu xảy phản ứng hấp thụ nhiệt Trong kết cấu nhà cửa thường thiết kế chịu cháy với đường Standard Đường gọi đường chuẩn ISO 834 Đường chuẩn ISO 834 xác định từ phương trình sau: T = 345log10(8t + 1) + T0 (1) Trong đó: t thời gian (phút); T nhiệt độ buồng cháy (°C) T0 nhiệt độ ban đầu buồng cháy (thường lấy 20°C) 1.2 Các đặc tính vật liệu thép dầm tác động nhiệt độ cao Trên Hình thể quan hệ hệ số suy giảm môđun đàn hồi, giới hạn chảy giới hạn tỷ lệ vật liệu thép theo nhiệt độ, đó: fp,θ, fy,θ Ea,θ giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy mô đun đàn hồi vật liệu nhiệt độ θ; fy Ea giới hạn chảy mô đun đàn hồi vật liệu nhiệt độ thường Hình Dầm thép sử dụng lớp vữa CAFCO bảo vệ chống cháy dầm thép bọc thạch cao Gyproc Tiêu chuẩn EN 1993-1-2 [3] đưa phương pháp tính tốn kết cấu thép đảm bảo an toàn cháy dựa nhiệt độ tới hạn Phương pháp giả thiết nhiệt độ tiết diện thép nhỏ nhiệt độ tới hạn đảm bảo kết cấu đủ khả chịu lực Với dầm thép hay cột tiếp xúc mặt với lửa nhiệt độ tới hạn 620°C, với cột có mặt tiếp xúc lửa 550°C Việc xác định nhiệt độ dầm thép trình chịu lửa để xác định kết cấu có đảm bảo an tồn cháy hay khơng 1.3 Các bước tính nhiệt độ tới hạn dầm thép khơng có có lớp bảo vệ điều kiện cháy, sử dụng phương pháp đơn giản theo Tiêu chuẩn EN 1993-1-2 Trình tự tính tốn theo phương pháp nhiệt độ tới hạn Tiêu chuẩn EN 1993-1-2 gồm bước chính: Bước 1: Xác định tải trọng lên cấu kiện điều kiện chịu lửa Efi,d,t; Khi nhiệt độ tăng đám cháy, với vật liệu thép, giới hạn chảy bắt đầu giảm nhiệt độ 400oC Ở nhiệt độ 550oC lại 60% cường độ nhiệt độ thường Hình 16 T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Bc 2: Phõn loại tiết diện cấu kiện; Bước 3: Xác định khả chịu lực cấu kiện Rfi,d,0; Bước 4: Xác tỷ số tải trọng μ0; Bước 5: Xác định nhiệt độ tới hạn dầm θa,cr qua công thức thực nghiệm Khi tính tốn với dầm khơng có lớp bảo vệ, không đảm bảo khả chịu lực cháy phải sử dụng biện pháp bảo vệ cấu kiện trước ảnh hưởng lửa Với dầm thép, có lớp bảo vệ có tác dụng rõ rệt Quan sát đồ thị quan hệ nhiệt độ cấu kiện theo thời gian hình Sau 60 phút nhiệt độ dầm có lớp bảo vệ đạt khoảng 419oC so với khoảng 925oC khơng có lớp bảo vệ Tiêu chuẩn EN 1993-1-2 đưa bước tính tốn nhiệt độ tới hạn dầm thép khơng có có lớp bảo vệ thứ tự sau: Khảo sát ảnh hưởng tiết diện dầm thép vật liệu bọc chống cháy tới nhiệt độ dầm thép có lớp bảo vệ 2.1 Ảnh hưởng hệ số tiết diện Hệ số tiết diện Ap/V tỉ số diện tích bề mặt tiếp xúc với lửa thể tích Cấu kiện có hệ số tiết diện lớn bị tăng nhiệt nhanh cấu kiện có hệ số tiết diện nhỏ Đơn vị hệ số tiết diện m-1 Một số tiết diện có hệ số tiết diện Ap/V khác khảo sát báo (Bảng 1) Hình Đồ thị quan hệ nhiệt độ-thời gian dầm thép sử dụng lớp bảo vệ chống cháy Trên Hình giới thiệu kết tính nhiệt độ cấu kiện thép khơng bọc chống cháy có tiết diện khác theo thời gian cháy Nhận xét: Hệ số tiết diện có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ tăng dầm thép chịu cháy Khi dầm khơng bọc vật liệu chống cháy sau 9,8 phút đến 25 phút chịu cháy, nhiệt độ dầm đạt nhiệt độ tới hạn θa,cr = 550°C, dầm thép phần lớn khả chịu lực Để dầm thép đảm bảo điều kiện an toàn cháy cần có lớp bọc bảo vệ bọc chống cháy Vật liệu chống cháy phổ biến Việt Nam vữa chống cháy, thạch cao chống cháy Hình Trình tự xác định nhiệt độ tới hạn cấu kiện thép khơng có lớp bảo vệ Dùng vữa chống cháy CAFCO 300 dày 15 mm có: khối lượng riêng ρ = 240 (kg/m3), độ dẫn nhiệt vữa λ = 0.078 (W/mK), nhiệt dung riêng cp = 700 (J/kgK); Dùng thạch cao chống cháy Gyproc chiều dày 12,5 mm 15 mm Khối lượng riêng riêng ρ = 160 (kg/m3), độ dẫn nhiệt vữa λ = 0.19 (W/mK), nhiệt dung riêng cp = 1000 (J/kgK) Nhận xét: Giới hạn chịu lửa dầm với tiết diện khác nhau, lớp bọc chống cháy nhau, có giới hạn chịu lửa khác Dầm thép đạt nhiệt độ tới hạn θa,cr = 550°C sau 29,8 phút tiết diện có Ap/V = 290,4 m-1 sau 55 phút tiết diện có Ap/V = 121.8 m-1) Cùng lớp bọc bảo vệ chống cháy, nhiệt độ dầm thép tăng đáng kể hệ số tiết diện Ap/V tăng Với lớp vữa CAFCO dày 15mm, thời gian cháy 60 phút, nhiệt độ Hình Trình tự xác định nhiệt độ tới hạn cấu kiện thép có lớp bảo vệ S¬ 44 - 2022 17 KHOA HC & CôNG NGHê Bng Loi tit din kho sát hệ số tiết diện Hình dạng Loại tiết diện HE 300M HE 200B HE 140A HE 100A HE 100AA D = 340 mm D = 200 mm D = 133 mm D = 96 mm D = 91 mm b = 310 mm b = 200 mm b = 140 mm b = 100 mm b = 100 mm T = 39 mm T = 15 mm T = 8.5 mm T = mm T = 5,5 mm t = 21 mm t = mm t = 5,5 mm t = mm t = 4,2 mm Hệ số tiết diện: Hệ số tiết diện: Hệ số tiết diện: Hệ số tiết diện: Hệ số tiết diện: Ap/V = 50,2 m-1 Ap/V = 121,8 m-1 Ap/V = 208,3 m-1 Ap/V = 217,5 m-1 Ap/V = 290,4 m-1 dầm thép 400°C tiết diện có Ap/V = 50.2 m-1 xấp xỉ 600°C tiết diện có Ap/V = 290.4 m-1) 2.2 Ảnh hưởng chiều dày vật liệu bọc chống cháy: thạch cao, vữa 2.2.1 Thạch cao chống cháy, chiều dày 12,5 mm, 15 mm, theo tổ hợp 2x12,5 mm, 12,5mm+15mm, 2x15 mm (Hình 10) Khảo sát tiết diện HE 300M có Ap/V = 50,2 m-1 với thạch cao chống cháy chiều dày thay đổi Dùng thạch cao chống cháy Gyproc chiều dày 12,5 mm 15 mm Khối lượng riêng riêng ρ = 160 (kg/m3), độ dẫn nhiệt vữa λ = 0.19 (W/mK), nhiệt dung riêng cp = 1000 (J/kgK) Nhận xét: Khả chống cháy thạch cao Gyproc, đơn 12,5 mm có khả cách nhiệt đáng ghi nhận, nhiệt độ dầm thép sau 60 phút cháy khoảng 420°C Khi dùng tổ hợp 12,5 mm nâng tổng chiều dày lên đến 25 mm, nhiệt độ dầm thép sau 60 phút cháy khoảng 235°C Chiều dày thạch cao tăng, nhiệt độ dầm giảm đáng kể Thiết kế dùng thạch cao Gyproc lớp 12,5mm +15mm làm lớp chống cháy dùng kết cấu hệ trần Dự án cấp đặc biệt – Đài truyền hình Việt Nam – trường quay nhỏ khối cao tầng, 73 Nguyễn Chí Thanh, Hà Nội, thi công năm 2015 Quy mô khoảng 2.000m2 trần Hình Biểu đồ gia tăng nhiệt độ dầm thép không bọc vật liệu chống cháy với hệ số tiết diện khác 2.2.2 Vữa chống cháy CAFCO, chiều dày mm, 10 mm, 12 mm, 14 mm, 15 mm (Hình 11) Nhận xét: Với tiết diện dầm HE300M, khả cách nhiệt vữa CAFCO tốt vượt trội so với thạch cao có chiều dày (ở tính tốn với chiều dày 15mm), sau 60 phút, nhiệt độ dầm thép bọc vữa đạt 187°C đạt 254°C với dầm bọc thạch cao Về khả cách nhiệt vữa CAFCO tốt đáng kể với thạch cao Tuy nhiên giá thành bọc lại cao bọc thạch cao Khảo sát chiều dày lớp vữa từ mm đến 15 mm, sau 60 phút, nhiệt độ dầm đạt giá trị từ 298°C đến 187°C 18 Hình Biểu đồ gia tăng nhiệt độ dầm thép bọc vữa CAFCO chống cháy dày 15 mm có hệ số tiết diện khác TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Kết luận kiến nghị - Dùng phương pháp nhiệt độ tới hạn tính gia tăng nhiệt độ kết cấu thép điều kiện cháy cho kết dễ sử dụng, áp dụng nhanh thực tế với mức độ tin cậy chấp nhận Các tính tốn dễ dàng lập thành bảng tính, phục vụ thuận tiện cơng tác thuyết minh - Dầm thép không bọc vật liệu chống cháy có giới hạn chịu lửa thấp nhiệt độ dầm tăng nhanh đạt đến 550°C sau đến 25 phút cháy Hình Biểu đồ gia tăng nhiệt độ dầm thép bọc thạch cao Gyproc chống cháy 15mm có hệ số tiết diện khác - Hệ số tiết diện ảnh hưởng đáng kể đến gia tăng nhiệt độ dầm thép, thiết kế chiều dày lớp vật liệu bọc chống cháy để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu tiết diện cần tính tốn đến; - Với thạch cao chống cháy Gyproc cho hiệu cách nhiệt tốt, sau 60 phút dầm bọc thạch cao 12,5mm đạt 301°C, dầm bọc thạch cao lớp 12,5mm + 15mm đạt 167°C, dầm bọc thạch cao lớp 15mm đạt 156°C Tùy theo yêu cầu sử dụng tham khảo cách bọc thạch cao Thạch cao Gyproc sản xuất nước - Với vữa chống cháy CAFCO, vữa nhập Australia phổ biến thị trường Việt Nam, có số cách nhiệt tốt, tùy theo yêu cầu sử dụng chiều dày bọc vữa tham khảo cách chọn chiều dày trên./ T¿i lièu tham khÀo Hình 10 Biểu đồ gia tăng nhiệt độ dầm thép bọc thạch cao Gyproc chống cháy với chiều dày tăng dần Chu Thị Bình, Mai Trọng Nghĩa, Phạm Thanh Hùng(2019) Tinh gia tăng nhiệt độ kết cấu thép đám cháy, sử dụng phần mềm SAFIR EN 1991-1-2 (2002): Eurocode 1- Actions on structures - Part 1.2: General actionsActions on structure exposed to fire, European committee for Standardization EN 1993-1-2 (2005): Eurocode 2- Design of steel structures - Part 1.2: General rulesStructural fire design, European committees for Standardization Hình 11 Biểu đồ gia tăng nhiệt độ dầm thép bọc vữa CAFCO chống cháy với chiều dày tăng dần S¬ 44 - 2022 19 ... kết khảo sát nhiệt độ dầm thép thay đổi chiều dày loại vật liệu bọc chống cháy thực để có nhận xét, kiến nghị cho việc thiết kế dầm thép có vật liệu bọc chống cháy 1.1 Sự tăng nhiệt độ dầm thép. .. nhiệt độ tăng dầm thép chịu cháy Khi dầm khơng bọc vật liệu chống cháy sau 9,8 phút đến 25 phút chịu cháy, nhiệt độ dầm đạt nhiệt độ tới hạn θa,cr = 550°C, dầm thép phần lớn khả chịu lực Để dầm. .. 1993-1-2 đưa bước tính tốn nhiệt độ tới hạn dầm thép khơng có có lớp bảo vệ thứ tự sau: Khảo sát ảnh hưởng tiết diện dầm thép vật liệu bọc chống cháy tới nhiệt độ dầm thép có lớp bảo vệ 2.1 Ảnh hưởng