Lựa chọn vật liệu chống cháy cho kết cấu thép

Kết cấu thép có nhược điểm là khả năng chịu cháy kém nên cần bọc các lớp chống cháy để đảm bảo điều kiện an toàn cháy. Bài viết này trình bày cách lựa chọn vật liệu bọc chống cháy cho kết cấu thép như sơn chống cháy, vữa chống cháy, tấm thạch cao cách nhiệt hoặc bọc bằng bê tông để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu.

KHOA HC & CôNG NGHê La chn vt liu chng cháy cho kết cấu thép Design considerations for fire protection materials for steel structures Chu Thị Bình Tóm tắt Kết cấu thép có nhược điểm khả chịu cháy nên cần bọc lớp chống cháy để đảm bảo điều kiện an tồn cháy Bài báo trình bày cách lựa chọn vật liệu bọc chống cháy cho kết cấu thép sơn chống cháy, vữa chống cháy, thạch cao cách nhiệt bọc bê tông để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu Từ khóa: Chống cháy, Giới hạn chịu lửa, Kết cấu thép Abstract Steel structures have low fire resistance so they need to be covered by fire resistance coatings This paper represents the method to choose the fire resistance coating layers made of intumescent paint, spray applied fireproofing, insulating board systems or concrete encasement for steel structures to ensure fire safety Keywords: Fire safety, Fire resistance, Steel structures TS Chu Thị Bình Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: chuthibinh.hau@gmail.com Giới thiệu Kết cấu thép với nhiều ưu điểm khả chịu lực nên ứng dụng rộng rãi cơng trình xây dựng Tuy nhiên, kết cấu thép có nhược điểm khả chịu cháy Nếu không bọc chống cháy, sau khoảng 15 phút chịu cháy, nhiệt độ kết cấu lên tới 550oC, kết cấu thép gần bị khả chịu lực Do để đảm bảo điều kiện an toàn cháy, kết cấu thép phải bao bọc vật liệu chống cháy Có biện pháp chống cháy kết cấu thép như: sơn sơn chống cháy, phun vữa chống cháy lên bề mặt, bọc kết cấu thép thạch cao cách nhiệt bê tông,… Câu hỏi đặt lựa chọn lớp chống cháy Hiện Việt Nam chưa có dẫn thiết kế kết cấu điều kiện cháy mà có quy định phòng cháy chống cháy cho kết cấu cơng trình tài liệu [1,2,3] Bài báo trình bày cách lựa chọn vật liệu chống cháy cho kết cấu thép đảm bảo điều kiện an toàn cháy theo quy định quy chuẩn tiêu chuẩn Việt Nam Do tiêu chuẩn Việt Nam chưa có đầy đủ bảng tra hướng dẫn tính tốn nên bảng tra ngun tắc tính tốn theo tiêu chuẩn châu Âu giới thiệu báo Các bước thiết kế kết cấu thép đảm bảo điều kiện an toàn cháy theo quy chuẩn tiêu chuẩn Việt Nam Hiện nay, Việt Nam có tài liệu liên quan đến thiết kế kết cấu theo điều kiện an toàn cháy sau: QCVN 03:2012/BXD Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia Ngun tắc phân loại, phân cấp cơng trình dân dụng, công nghiệp hạ tầng kỹ thuật đô thị [1]; QCVN 06:2010/BXD Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia an tồn cháy cho nhà cơng trình [2]; TCVN 2622:1995 Phòng cháy, chống cháy cho nhà cơng trình -Yêu cầu thiết kế [3] Dựa vào nội dung tài liệu nêu trên, nghiên cứu [4] cơng trình thiết kế cần tn theo quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế điều kiện nhiệt độ thường, đồng thời cần tuân theo yêu cầu an toàn cháy bước thiết kế kể đây: Bước 1: Xác định “bậc chịu lửa yêu cầu” cơng trình theo quy định quy chuẩn xây dựng QCVN 03:2012/BXD QCVN 06:2010/BXD dựa vào niên hạn sử dụng cơng trình, dạng nhà, chức năng, diện tích, chiều cao Có bậc chịu lửa I,II,III,IV V Yêu cầu cao bậc I Ví dụ cơng trình bán hàng (bách hóa, siêu thị) tầng có niên hạn sử dụng từ 20 năm đến 50 năm bậc chịu lửa yêu cầu bậc III [1,3] Bước 2: Xác định “giới hạn chịu lửa yêu cầu” phận kết cấu dựa vào bậc chịu lửa cơng trình xác định bước Mối quan hệ “bậc chịu lửa yêu cầu cơng trình” “giới hạn chịu lửa u cầu phận kết cấu” cho bảng [1,2,3] Ví dụ cơng trình có bậc chịu lửa yêu cầu bậc III phận chịu lực nhà có giới hạn chịu lửa yêu cầu R90 [2] Khái niệm “Giới hạn chịu lửa” cấu kiện xây dựng xác định khoảng thời gian (tính phút) kể từ bắt đầu thử điều kiện cháy theo chế độ nhiệt tiêu chuẩn xuất dấu hiệu nối tiếp trạng thái giới hạn quy định cấu kiện cho sau: khả chịu lực (khả chịu lực ký hiệu chữ R - Mechanical Resistance); tính tồn vẹn (tính tồn vẹn ký hiệu chữ E - Integrity); khả cách nhiệt (khả cách nhiệt ký hiệu chữ I - Insualation) Đối với cấu kiện kết cấu chịu lực, quy chuẩn tiêu chuẩn quy định giới hạn chịu lửa R Thường có giới hạn chịu lửa yêu cầu R30, R60, R90, , R240 Bước 3: Xác định “giới hạn chịu lửa” phận kết cấu thí nghiệm tính tốn Cần thiết kế cho cấu kiện có giới hạn chịu lửa không nhỏ giới hạn chịu lửa yêu cầu xác định bước Việt Nam chưa có tiêu chuẩn tính tốn mà có bảng tra giới hạn chịu lửa danh nghĩa số cấu kiện kết cấu Ví dụ dầm thép phun bọc vermiculite-xi măng dày 32mm có giới hạn chịu lửa R90 (phụ lục F- QCVN 06:2010/BXD) Phần sau trình bày phương pháp bọc chống cháy cho kết cấu thép cách lựa chọn vật liệu bọc để đảm bảo giới hạn chịu lửa (bước nêu trên) cho cấu kiện kết cấu thép 38 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Bảng Quy định chiều dày lớp bê tông bảo vệ dầm thép theo tiêu chuẩn Việt Nam (trích phụ lục F, QCVN 06-2010) TT Kết cấu vật liệu bọc bảo vệ Bê tơng cốt liệu tự nhiên có cấp phối khơng xi măng : : a) Bê tơng khơng tham gia chịu lực, có cốt thép(b) b) Bê tơng có tham gia chịu lực có cốt thép Phun bọc vermiculite – ximăng với chiều dày bằng: Chiều dày nhỏ (mm) lớp bảo vệ để đảm bảo giới hạn chịu lửa R 240 R 180 R 120 R 90 R 60 R 30 75 50 25 25 25 25 75 75 50 50 50 50 - - 38 32 19 12,5 Bảng Quy định chiều dày lớp bê tông bảo vệ kết cấu thép theo tiêu chuẩn châu Âu (trích mục 4.2 tiêu chuẩn châu Âu [7]) Cấp chịu lửa tiêu chuẩn Bê tông chống cháy Lớp bê tông bảo vệ c (mm) R30 R60 25 Các phương pháp bọc chống cháy cho kết cấu thép cách lựa chọn chiều dày vật liệu bọc Hiện nay, có nhiều cơng nghệ chống cháy cho kết cấu thép sử dụng vật liệu bao che, sử dụng sơn sử dụng lớp vật liệu hi sinh bên để xảy cháy lớp bị cháy trước bảo vệ cho kết cấu bên Trong phạm vi báo phương pháp chống cháy sau đề cập: + Sử dụng bê tông bọc (Concrete Encasement); + Sử dụng chống cháy chuyên dụng (Insulating Board Systems); + Sử dụng vữa chống cháy (Spray Applied Fireproofing); + Sử dụng loại sơn chống cháy (Intumescent Paints) 3.1 Sử dụng bê tông bọc Bê tông loại vật liệu cách nhiệt tốt lớp bê tơng bao phủ làm gián đoạn truyền nhiệt lên phần kết cấu bên Tăng chiều dày lớp bê tông tăng khả chống cháy cho kết cấu thép R90 30 R120 40 R180 50 3.2 Sử dụng vữa chống cháy Các loại vữa chống cháy có yêu cầu chung độ dẫn nhiệt thấp Trong hệ thống quy chuẩn Việt nam có bảng tra cho dầm thép bọc vermiculite – ximăng, ngồi khơng có bảng tra cho loại vữa khác Tiêu chuẩn châu Âu [6] có cơng thức tính nhiệt độ kết cấu thép có bọc vật liệu chống cháy có vữa chống cháy Đầu vào thời gian cháy, tiết diện thép, chiều dày lớp bọc, khối lượng riêng vữa bọc hệ số dẫn nhiệt vữa Đầu nhiệt độ kết cấu thép (coi toàn tiết diện) Kết cấu thép coi đảm bảo khả chịu tải nhiệt độ kết cấu không vượt nhiệt độ giới hạn (550oC với cột tiếp xúc lửa mặt, 620oC với dầm tiếp xúc lửa mặt) Sự tăng nhiệt độ cấu kiện sau khoảng thời gian cháy xác định công thức: λ p Ap (θ −θ ) φ V g ,t a,t ∆t − (e10 −1)∆θ QCVN 06:2010 TCVN 2622:1995 có bảng tra= chiều ∆θ a,t g ,t d p ca ρa (1 + φ ) dày tối thiểu lớp bê tông bọc để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu Ví dụ với dầm thép yêu cầu giới hạn chịu lửa từ R30 đến R90 bọc bê tơng khơng tham gia chịu lực có c p ρ p d p Ap cốt thép chiều dày lớp bê tông bảo vệ yêu cầu (a) không φ= ca ρa V nhỏ 25mm; với bê tơng có tham gia chịu lực có cốt thép (1) u cầu a khơng nhỏ 50mm (Bảng 1) Trong đó: Theo tiêu chuẩn châu Âu [7] bê tơng đóng vai trò Ap/v: Hệ số tiết diện cấu kiện có lớp cách nhiệt chống cháy, lớp bê tông bảo vệ tối thiểu cho tiết diện cột ca: Nhiệt dung riêng thép, thay đổi theo nhiệt độ dầm thép phụ thuộc vào cấp chịu lửa yêu cầu cho bảng Có thể tính bê tơng chịu lực thành kết cp: Nhiệt dung riêng vật liệu cách nhiệt, không phụ cấu liên hợp thép bê tơng quy định kích thước tối thiểu thuộc vào nhiệt độ tiết diện để đảm bảo yêu cầu chống cháy (xem mục 4.2 dp: Chiều dày lớp vật liệu cách nhiệt tiêu chuẩn [7]) So sánh bảng bảng thấy tiêu chuẩn Δt: Bước thời gian tính cấu kiện chịu cháy (s), giá trị châu Âu tiêu chuẩn Việt Nam yêu cầu chiều dày lớp bê không lớn 30s tơng bảo vệ khơng giống S¬ 27 - 2017 39 KHOA HC & CôNG NGHê Hỡnh Dầm thép phun vữa chống cháy Hình Dầm thép bọc chống cháy Bảng Bảng tra vật liệu chống cháy cho dầm thép ba mặt tiếp xúc lửa có giới hạn chịu lửa R60, nhiệt độ giới hạn 620C A/V 80 90 200 Vữa phun Bê tông ϒ (kg/m ) d (mm) 310 12.0 360 10.5 390 10.0 d (mm) 25 Tấm chống cháy λ (W/mK) d (mm) 0.120 12 0.183 12 0.191 15 732 8.0 0.200 20 310 17.0 0.120 12 360 14.5 0.183 15 390 14.0 0.191 15 732 12.0 0.200 20 310 17.0 0.120 12 360 14.5 0.183 15 390 14.0 0.191 15 732 12.0 0.200 20 25 25 θt: Nhiệt độ kết cấu thời điểm cháy tính tốn θgt: Nhiệt độ buồng cháy thời điểm cháy tính tốn, xác định theo đám cháy tiêu chuẩn ISO 384 Δθgt: thời gian Sự tăng nhiệt độ buồng cháy sau khoảng ρa: Khối lượng riêng thép ρp: Khối lượng riêng vật liệu cách nhiệt λp: Độ dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt 3.3 Sử dụng chống cháy chuyên dụng Tấm chống cháy chuyên dụng loại làm từ canxi silicat, thạch cao ép sợi khống với nhựa (hoặc thạch cao), có cốt liệu nhẹ khống (Hình 2) Tấm chống cháy đặt lên khung kim loại (hoặc gỗ) sau gắn trực tiếp lên kết cấu thép Phụ lục F, QCVN 06:2010 có bảng tra số loại tấm, chiều dày lớp trát bên để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu Tiêu chuẩn châu Âu [6] dùng cơng thức tính nhiệt độ kết cấu thép có bọc chống cháy chuyên dụng giống sử dụng phun vữa chống cháy (công thức (1) mục 3.2) hệ số tiết diện tính theo diện tích mặt bọc Chi tiết xem tiêu chuẩn [6] Màng sơn phồng nở gặp nhiệt độ cao bảo vệ cách nhiệt cho kết cấu thép bên lớp sơn (Hình 3) Trong thí nghiệm, sơn trương phồng tới chiều dày gấp 15 đến 30 lần chiều dày ban đầu Do chiều dày hệ số dẫn nhiệt sơn thay đổi theo nhiệt độ nên khó tính tốn chiều dày lớp sơn cần thiết Thường công ty sản xuất sơn dựa vào thí nghiệm để đưa bảng dẫn chiều dày lớp sơn để đạt giới hạn chịu lửa yêu cầu Trong hệ thống quy chuẩn Việt Nam khơng có bảng tra cho sơn chống cháy Tiêu chuẩn châu Âu khơng có cơng thức tính tốn với loại vật liệu sơn chống cháy, có bảng tra nhà cung cấp sơn tài liệu Bảng tra vật liệu chống cháy cho kết cấu thép [9] hiệp hội chống cháy Vương quốc Anh xuất Đề xuất bảng tra thực hành chọn vật liệu chống cháy cho cấu kiện kết cấu thép Công thức (1) mục 3.2 cho thấy độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng chiều dày lớp vật liệu bảo vệ thông số định đến giới hạn chịu lửa cấu kiện Riêng sơn trương phồng khơng có cơng thức tính tốn loại sơn cụ thể có tăng chiều dày theo nhiệt độ khác nên khả cách nhiệt khác 3.4 Sử dụng sơn chống cháy Các loại sơn chống cháy thường sơn trương phồng 40 Hình Cột thép sơn chống cháy sau chịu nhiệt độ cao [8] T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG (xem tiếp trang 44) ... kết cấu thép cách lựa chọn chiều dày vật liệu bọc Hiện nay, có nhiều cơng nghệ chống cháy cho kết cấu thép sử dụng vật liệu bao che, sử dụng sơn sử dụng lớp vật liệu hi sinh bên ngồi để xảy cháy. .. bảng tra cho sơn chống cháy Tiêu chuẩn châu Âu khơng có cơng thức tính tốn với loại vật liệu sơn chống cháy, có bảng tra nhà cung cấp sơn tài liệu Bảng tra vật liệu chống cháy cho kết cấu thép [9]... chống cháy Vương quốc Anh xuất Đề xuất bảng tra thực hành chọn vật liệu chống cháy cho cấu kiện kết cấu thép Công thức (1) mục 3.2 cho thấy độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng chiều dày lớp vật liệu