Trên thế giới, hầu hết các nước đều có hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn riêng về
thiết kế chống cháy cho các công trình nhà nói chung và kết cấu thép nói riêng, có thể kể ra một số hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn phổ biến như:
- Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASCE/SEI/SFPE 29-05 [29]; - Tiêu chuẩn Anh BS [30,31];
- Tiêu chuẩn Châu Âu EC [32,33,34,35];...
Việt Nam có các tiêu chuẩn, quy chuẩn liên quan đến thiết kế hệ kết cấu đáp ứng các yêu cầu phòng cháy chữa cháy như sau:
- TCVN 3991:2012 Tiêu chuẩn phòng cháy trong thiết kế xây dựng-Thuật ngữ -
Định nghĩa.
- TCVN 5305:1990 An toàn cháy. Thuật ngữ và định nghĩa.
- TCVN 2622:1995 Phòng cháy, chống cháy cho nhà và công trình. Yêu cầu thiết kế.
- TCVN 6160:1996 Phòng cháy và chữa cháy cho nhà cao tầng. Yêu cầu thiết kế. - TCVN 6161:1996 Phòng cháy chữa cháy cho chợ và trung tâm thương mại. Yêu cầu thiết kế.
- QCVN 06:2020/BXD Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn cháy cho nhà và công trình.
- TCVN 9311-1:2012 (ISO 834-1:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 1: Yêu cầu chung.
- TCVN 9311-3:2012 (ISO 834-3:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 3: Chỉ dẫn về phương pháp thử và áp dụng số liệu thử
- TCVN 9311-4:2012 (ISO 834-4:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 4: Các yêu cầu riêng đối với bộ phận ngăn cách đứng chịu tải.
- TCVN 9311-5:2012 (ISO 834-5:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 5: Các yêu cầu riêng đối với bộ phận ngăn cách nằm ngang chịu tải.
- TCVN 9311-6:2012 (ISO 834-6:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 6: Các yêu cầu riêng đối với dầm.
- TCVN 9311-7:2012 (ISO 834-7:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 7: Các yêu cầu riêng đối với cột.
- TCVN 9311-8:2012 (ISO 834-7:1999) Thử nghiệm chịu lửa - Các bộ phận công trình xây dựng - Phần 8: Các yêu cầu riêng đối với bộ phận ngăn cách đứng không chịu tải…
* Một số nhận xét chung về các kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới và ở Việt Nam:
1. Về các tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng:
- Các hệ thống tiêu chuẩn trên thế giới đã đề cập đến các khái niệm cơ bản trong tính toán kết cấu chịu lực trong điều kiện chịu lửa, cụ thể như các tiêu chuẩn về tính toàn vẹn, tính cách nhiệt, khả năng chịu lửa cần tuân theo; các điều kiện về thời gian chịu lửa tới hạn, về nhiệt độ tới hạn, về khả năng chịu lực trong điều kiện chịu lửa tới hạn cần thỏa mãn.
- Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chịu lực trong điều kiện chịu lửa (chịu cháy). Các khái niệm cơ bản hiện nay được đề cập
đến là bậc chịu lửa của nhà, cấp nguy hiểm cháy kết cấu của nhà, giới hạn chịu lửa danh định của các cấu kiện chịu lực (dầm cột sàn bê tông cốt thép; dầm cột thép; dầm cột nhôm, sàn gỗ)… [26]. Các khái niệm này được xác định dựa trên thời gian chịu lửa tới hạn, chưa đề cập đến nhiệt độ phát triển bên trong và trạng thái ứng xử
cơ-nhiệt của cấu kiện trong điều kiện chịu lửa.
- Các cấu kiện chịu lực cơ bản không bọc bảo vệ như dầm, cột thép: đây là đối tượng nghiên cứu được tập trung mạnh nhất. Các trạng thái làm việc điển hình như điều kiện bền, điều kiện ổn định tổng thể, điều kiện ổn định cục bộđều được đề cập
đến khi xem nhiệt độ như một tác động bên cạnh các trường hợp tải trọng thông thường.
- Các cấu kiện cơ bản được bọc bảo vệ: trong nhóm đối tượng này, chủ yếu là các cấu kiện liên hợp thép-bê tông. Bản chất của bê tông cách nhiệt khá tốt, vì vậy vừa có thể coi là vật liệu bọc bảo vệ kết cấu thép vừa tham gia chịu lực.
- Các nghiên cứu về các dạng vật liệu bọc bảo vệ khác như thạch cao chống cháy, sơn chống cháy, vữa chống cháy còn ít. Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng các vật liệu này có thể nói là nhiều hơn so với bê tông nhưng việc nghiên cứu chỉ dừng ở một số
cấu kiện đơn lẻ, chưa tổng quát hóa thành quy trình thiết kế chi tiết.
3. Về phương pháp nghiên cứu:
- Các hệ tiêu chuẩn trên thế giới trình bày chi tiết về phương pháp tính đơn giản hóa và phương pháp tra bảng, áp dụng cho các cấu kiện điển hình. Còn phương pháp tính toán hiện đại chỉ được đề cập đến thông qua việc giới thiệu các chương trình máy tính và các phần mềm mô phỏng số phổ biến. Độ tin cậy của kết quả tính lý thuyết được kiểm chứng bằng các thí nghiệm thực tế. Hệ tiêu chuẩn Hoa Kỳ, Anh cũng đề cập đến rất nhiều các yêu cầu và qui chuẩn cho thí nghiệm chịu lửa của các bộ phận (bao gồm các bộ phận chịu lực và không chịu lực) trong công trình nhà.
- Trong thời gian gần đây, phương pháp tính toán hiện đại được nghiên cứu ngày càng phổ biến, mở rộng phạm vi đối tượng nghiên cứu bao gồm hệ kết cấu trong một khoang cháy, trong một tầng nhà hay toàn bộ hệ kết cấu tổng thể. Điều này giúp cho các kết quả nghiên cứu có tính chính xác cao khi xét đến được nhiều yếu tốảnh hưởng đến trạng thái làm việc của từng cấu kiện trong hệ tổng thểđó.
- Phương pháp áp dụng trong hệ tiêu chuẩn Việt Nam có thểđược giải thích theo phương pháp tra bảng. Đi kèm thiết kế lý thuyết, tiêu chuẩn cũng đưa ra các yêu cầu trong quy trình thử nghiệm chịu lửa [21,22,23,24] để có đủ cơ sở vận dụng phương pháp thực nghiệm. Các nghiên cứu gần đây ở Việt Nam cũng dần theo hướng mô
phỏng số, ứng dụng các phần mềm mô phỏng như ABAQUS, SAFIR, ANSYS,…
đều có so sánh, kiểm chứng với các số liệu thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy.
NHẬN XÉT CHƯƠNG 1
- Kết cấu thép được xem là dạng vật liệu chịu nhiệt kém nên biện pháp cần thiết và đạt hiệu quả cao để nâng cao khả năng chịu nhiệt cho kết cấu thép là bọc các cấu kiện thép chịu lực bằng các vật liệu cách nhiệt, chống cháy. Hiện nay, ở Việt Nam, thạch cao chống cháy và vữa chống cháy đang được sử dụng phổ biến, đặc biệt là cho các công trình nhà vì các nguyên nhân: khả năng cách nhiệt tốt, ít làm tăng tải trọng tác dụng lên công trình, giá thành hợp lý,…
- Quy trình tính toán thiết kế cấu kiện chịu lực trong điều kiện chịu lửa (chịu cháy) là một quy trình phức tạp, được phân tích theo 3 bước cơ bản:
+ Phân tích đám cháy trong không gian cháy, gắn liền với mô hình cháy;
+ Phân tích sự lan truyền nhiệt từ bề mặt kết cấu đến các điểm bên trong kết cấu, gắn liền với mô hình kết cấu;
+ Phân tích ứng xửứng suất-biến dạng của kết cấu vừa chịu lực vừa chịu lửa. - Các nghiên cứu về trạng thái làm việc của các cấu kiện cột, dầm chịu lực trong
điều kiện chịu lửa chủ yếu tập trung vào các cấu kiện không được bọc bảo vệ và cấu kiện liên hợp thép-bê tông. Các kết quả thu được cấu kiện được bọc bảo vệ bằng các vật liệu chống cháy như thạch cao, vữa, …còn hạn chế về mặt số lượng.
- Trên thế giới, hệ thống tiêu chuẩn quy chuẩn về thiết kế kết cấu trong điều kiện chịu cháy đáp ứng được quy trình tính toán áp dụng cho các cấu kiện đơn giản với các kịch bản cháy tiêu chuẩn. Các nghiên cứu đề cập đến 3 bước trên còn chưa nhiều, thường chỉ tập trung cụ thể vào từng bước tính toán.
- Về thực tế thiết kế kết cấu thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa cho các công trình nhà ở Việt Nam:
+ Hệ thống tiêu chuẩn của Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chịu lực trong điều kiện chịu lửa (chịu cháy), các nghiên cứu về vấn đề này còn ít và chưa
được chú trọng phát triển.
+ Quy trình thiết kế kết cấu hiện nay thường chỉ dừng ở phương pháp tra bảng, phụ thuộc nhiều vào bảng tra trong catalog của các nhà sản xuất. Điều này sẽ gặp
nhiều khó khăn khi áp dụng thiết kế cho các cấu kiện hoặc hệ kết cấu chưa có trong bảng tra.
+ Các phương pháp đơn giản hóa và phương pháp tính toán hiện đại chưa được tập trung nghiên cứu. Trong thực tế, phương pháp đơn giản hóa rất phù hợp trong bài toán lựa chọn sơ bộ giải pháp chống cháy cho kết cấu, phương pháp tính hiện
đại cần thiết trong việc đánh giá tối ưu và phân tích sự làm việc tổng thể của cả hệ
kết cấu. Đây đều là những bước quan trọng trong quy trình thiết kế, tuy nhiên việc áp dụng một quy trình thiết kế kết cấu chịu lực trong điều kiện chịu lửa hoàn chỉnh là chưa được thực hiện ở bất kỳ công trình cụ thể nào.
Như vậy, việc xây dựng một quy trình thiết kế đầy đủ, áp dụng phương pháp nghiên cứu từ đơn giản, dễ thực hiện đến phức tạp, có quy mô lớn, ứng dụng cho các cấu kiện thép được bọc bảo vệ với các vật liệu bọc phổ biến trên thị trường Việt Nam như thạch cao chống cháy, vữa chống cháy là cần thiết, đặc biệt cho các công trình có nguy cơ chịu ảnh hưởng lớn từ các đám cháy.
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT TRONG CÁC CẤU KIỆN THÉP