Trong thành phần thạch cao có 21% khối lượng là nước và 79% khối lượng là thạch cao khan. Hợp chất này hoàn toàn không có phản ứng hóa học ở nhiệt độ dưới 1200oC. Khi đám cháy xảy ra, đầu tiên các phân tử nước kết tinh sẽ hấp thụ nhiệt rồi được giải phóng ra dưới dạng hơi nước. Đây là hiện tượng canxi hóa, chính quá trình hấp thụ nhiệt và giải phóng các phân tử nước này đã hạn chế sự truyền nhiệt từ
Quá trình này diễn ra dần dần từ mặt ngoài vào sâu bên trong của lõi tấm thạch cao. Khi toàn bộ lượng nước kết tinh này đã bị tách ra, phần thạch cao khan còn lại - là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp - sẽđóng vai trò là một vật liệu cách nhiệt, tiếp tục góp phần làm giảm quá trình lan truyền nhiệt. Sau khi tấm thạch cao không còn giữđược sự toàn vẹn, cả hệ thống bị phá hỏng và ngọn lửa mới có thể lan rộng,
ảnh hưởng trực tiếp đến kết cấu chịu lực bên trong.
Trong các tính toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của thạch cao chống cháy có thể
thay đổi từ 0,2-0,25 W/moC [10, 45].
1.1.2.3. Các hình thức cấu tạo bọc cấu kiện thép bằng tấm thạch cao chống cháy
Hiện nay có ba hình thức bảo vệ phổ biến, áp dụng chung cho cả cấu kiện chịu uốn và cấu kiện chịu kéo, nén:
Hình 1.2. Các hình thức bọc cấu kiện thép chịu lực bằng tấm thạch cao
- Bảo vệ một mặt, tấm thạch cao được cấu tạo ốp vào một mặt của tiết diện (hình 1.2a). Hình thức này rất thông dụng vì tấm thạch cao đóng luôn vai trò là hệ trần chống cháy cho dầm thép hoặc hệ tường, vách ngăn chống cháy cho cột thép. Khi
đó, tấm thạch cao vừa có nhiệm vụ bảo vệ cấu kiện chịu lực chính, vừa thực hiện việc phân vùng ngăn ngừa sự lan truyền cháy sang các khu vực lân cận, giảm mức
độ lan rộng của đám cháy. Sản phẩm thạch cao cốt sợi thích hợp cho hình thức bảo vệ này. Cấu tạo tấm thạch cao dạng vách, tường được thể hiện trên hình 1.3, chiều dày trung bình 90mm, bao gồm hai bề mặt là tấm thạch cao cốt sợi vải thủy tinh, ở
giữa là hệ khung xương liên kết và lớp bông thủy tinh cách nhiệt.
- Bảo vệ dạng hộp, tấm thạch cao chạy vòng quanh tiết diện theo một hình chữ
nhật ngoại tiếp (hình 1.2b, 1.4). Trong thực tế, người ta có thể cấu tạo thêm các lỗ
năng truyền nhiệt của thạch cao kém hơn so với thép nên phần nhiệt độở trong khu vực bao kín bởi hộp bảo vệ được xem là phân bố đều. Khi đó, chu vi đốt nóng là tổng các kích thước bên trong của hình chữ nhật ngoại tiếp còn diện tích tiết diện ngang chính là diện tích của cấu kiện thép.
Hình 1.3. Cấu tạo tấm thạch cao dạng vách, tường
Hình 1.4. Cấu tạo ốp tấm thạch cao dạng hình hộp
- Bảo vệ theo chu vi, tức là tấm thạch cao được ốp theo suốt chu vi của tiết diện (hình 1.2c). Đây là hình thức bảo vệ có lợi nhất cho kết cấu thép vì tận dụng tối đa khả năng cách nhiệt của thạch cao và không có bộ phận nào của cấu kiện tiếp xúc
trực tiếp với ngọn lửa hoặc luồng không khí nóng. Tuy nhiên giải pháp thi công lắp dựng dạng chu vi rất phức tạp, nhiều chi tiết nhỏ cần phải gia công nên hình thức bảo vệ này không được sử dụng phổ biến như hai hình thức trên. Người ta thường sử dụng sản phẩm thạch cao khí và thạch cao bọt cho hai hình thức cấu tạo này. Chiều dày tối thiểu tấm thạch cao cấu tạo bảo vệ dạng hộp và bảo vệ theo chu vi là 9mm. Các độ dày phổ biến là 9mm; 13mm; 16mm.
Hình 1.5. Bọc hệ giàn thép bằng tấm thạch cao chống cháy (Bảo tàng Hà Nội)
Trên thị trường Việt Nam có một số nhà cung cấp tấm thạch cao chống cháy, phổ biến như Vĩnh Tường với tấm thạch cao Gyproc, USG với tấm thạch cao Boral, Krauf với tấm thạch cao chống cháy Krauf FireShield,…khả năng chống cháy trung bình 1-2 giờ. Có thể kể ra một số công trình xây dựng ở Việt Nam đang sử dụng tấm thạch cao chống cháy:
- Dự án LG Display (Hải Phòng): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy, thời gian chịu lửa 60-120 phút.
- Tổ hợp công nghệ cao Samsung (Bắc Ninh): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy hình thành khoang cháy, thời gian chịu lửa 120 phút.
- Nhà máy Samsung Mobile (Thái Nguyên): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy, thời gian chịu lửa 60-120 phút.
- Trung tâm Hội nghị quốc gia (Hà Nội): sử dụng hệ vách thạch cao chống cháy,
ốp thạch cao chống cháy bảo vệ cấu kiện thép, thời gian chịu lửa 150 phút.
- Bảo tàng Hà Nội (Hà Nội): ốp bảo vệ thạch cao chống cháy bảo vệ cấu kiện thép, thời gian chịu lửa 120 phút.
- Tòa nhà Keangnam (Hà Nội): sử dụng tấm thạch cao chống cháy cho hệ thống vách ngăn và trần, thời gian chịu lửa 120 phút…
1.1.3. Vật liệu vữa chống cháy
Vữa chống cháy có thành phần hóa học chính là các chất khoáng tự nhiên, xi măng và các chất phụ gia hoạt tính, được thi công bằng phương pháp phun khô hoặc trát hoặc đổ ghép cốp pha. Các phương pháp này thi công tương đối nhanh, lại không gặp phải những vấn đề khó khăn khi cố định các tấm panel, tấm tường, tấm sàn cứng xung quanh các chi tiết liên kết phức tạp. Chúng thường được ứng dụng tại những vùng cấu kiện bị khuất, không quá đề cao vai trò của yếu tố thẩm mỹ.
(a) Thi công bằng phương pháp phun b) Thi công bằng phương pháp trát
c) Lắp lưới thép gia cường trước khi thi công vữa chống cháy Hình 1.6. Thi công vữa chống cháy
Sau khi thi công, vữa chống cháy tạo nên một lớp phủ rắn, có khả năng chịu
được sự tác động nhiệt của các đám cháy nhiên liệu có cường độ cao, đặc biệt là dạng lửa phun. Tuỳ theo yêu cầu điều kiện sử dụng có thể chọn lựa các mác vữa chống cháy thích ứng với bề mặt phức tạp khác nhau, các góc cạnh của kết cấu và có khả năng chống giãn nở rất tốt.
Khác so với thạch cao, vữa chống cháy chỉ có một hình thức bảo vệ duy nhất là bọc theo chu vi của cấu kiện. Về phương thức hình thành hệ vật liệu phủ chống cháy, vữa chống cháy có thể bám dính trực tiếp lên bề mặt kết cấu thép hoặc có thêm lưới thép gia cường. Độ dày tối thiểu của một lớp vữa bám dính trực tiếp là 14mm, của lớp vữa có lưới thép gia cường là 50mm. Trong các tính toán truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt của vữa chống cháy có thể thay đổi từ 0,15-0,25 W/mK [10]. So với thạch cao chống cháy, vữa chống cháy phù hợp cho các công trình công nghiệp có quy mô lớn, thời gian chịu lửa dài hơn. Các sản phẩm vữa chống cháy phổ biến trên thị trường Việt Nam là các thương hiệu vữa Cemgum, Vermiculite, Esscoat, Isolatek,....
Hình 1.7. Thi công bọc vữa chống cháy cho cột thép (Tổ hợp hóa dầu Long Sơn)
Có thể kể ra một số công trình xây dựng ở Việt Nam đang sử dụng vữa chống cháy:
- Dự án sản xuất polypropylene và kho chứa dầu khí mỏ hóa lỏng Hyosung (Bà Rịa Vũng Tàu): bọc vữa chống cháy bảo vệ kết cấu thép, thời gian chịu lửa 150 phút.
- Dự án tổ hợp hóa dầu Long Sơn (Bà Rịa Vũng Tàu): bọc vữa chống cháy bảo vệ kết cấu thép, thời gian chịu lửa 150 phút.
- Nhà máy Hyosung Financial System Vina (Bắc Ninh): bọc vữa chống cháy hệ ống gió nhà xưởng, thời gian chịu lửa 120 phút….
1.2. Tổng quan về quy trình tính toán kết cấu thép trong điều kiện chịu lửa
1.2.1. Bài toán tính toán kết cấu thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa
Quy trình tính toán, thiết kế các cấu kiện thép chịu lực trong điều kiện chịu lửa (điều kiện chịu cháy) cần thực hiện các bước sau:
- 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. Ảnh hưởng của hình thức bọc bảo vệ sẽ thể hiện rõ rệt trong bước này, với mục đích làm giảm tối đa nhiệt độ chạm đến kết cấu chịu lực chính.
- Phân tích ứng xử ứng suất-biến dạng, từ đó đưa ra nhận xét, kết luận về khả
năng chịu lực của kết cấu trong điều kiện chịu lửa tương ứng với các thời gian chịu lửa tiêu chuẩn.
Các bước thứ hai và thứ ba là nội dung cơ bản của luận án, sẽđược đề cập cụ thể
trong các chương sau. Tuy nhiên, về mặt tổng quan cả ba bước cần được nghiên cứu và phân tích dựa trên các yếu tố sau:
1.2.2. Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong mô hình cháy
Quá trình lan truyền nhiệt là đặc điểm cơ bản của một đám cháy, sự biến thiên của quá trình này (thể hiện ở quy luật phân bố và biến thiên nhiệt độ) sẽ quyết định trạng thái tồn tại của ngọn lửa từ khi bắt đầu bùng lên, duy trì rồi tàn đi. Nhiệt độ
trong đám cháy thường phụ thuộc vào nguyên nhân gây cháy, điều kiện thông gió và một số đặc tính như khả năng hấp thụ nhiệt, khả năng truyền nhiệt của các cấu kiện bao che (tường, mái, vách ngăn),....
Trong một không gian cháy nhỏ, nhiệt độ tại một thời điểm nhất định được xem là không đổi và phân bốđều lên toàn bộ không gian cháy. Giá trị này được xác định từ các phương trình cân bằng nhiệt lượng và khối lượng sau:
* Nhiệt lượng tăng lên trong không khí của không gian cháy = nhiệt lượng được tạo ra từ nhiên liệu gây cháy - nhiệt lượng thoát ra ngoài (thông qua tường, mái hoặc các ô mở).
* Khối lượng của phần không khí thoát ra khỏi không gian cháy (thông qua các ô mở) = khối lượng của phần không khí thu vào + khối lượng của phần nhiên liệu bị đốt cháy.
Còn khi đám cháy xảy ra trong một không gian lớn, nó không thể tác dụng đồng
đều và gây tác hại lên toàn bộ không gian đó. Người ta cũng áp dụng những phương trình cân bằng về nhiệt lượng và khối lượng tương tự như khi nghiên cứu các đám cháy trong không gian nhỏ nhưng có xét thêm đến tác động trao đổi không khí và nhiệt lượng giữa phần trực tiếp cháy và phần không gian còn lại.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình thay đổi nhiệt độ trong một không gian cháy, người ta có thể xây dựng ba dạng mô hình cháy khác nhau: mô hình cháy danh nghĩa, mô hình cháy tham biến, mô hình cháy thực tế.
1.2.2.1. Mô hình cháy danh nghĩa
Mô hình cháy danh nghĩa được thể hiện bằng cách biểu diễn mối liên hệ nhiệt độ
- thời gian trong quá trình cháy. Qua đó, ta xác định được nhiệt độ trung bình của quá trình cháy trong một không gian nhỏ. Đặc điểm của mô hình cháy danh nghĩa là các yếu tố đầu vào tác động đến đám cháy được giữ nguyên trong suốt quá trình cháy và không xét đến các yếu tố thêm vào có thể gây tác động tiêu cực (xu hướng thổi bùng đám cháy) hoặc tích cực (xu hướng dập tắt đám cháy). Vì vậy, mô hình này rất dễ thực hiện nhưng phản ánh không chính xác những hiện tượng xảy ra trong thực tế. Những mô hình cháy danh nghĩa trong ISO hiện nay chủ yếu được xây dựng dựa trên cơ sở các đám cháy của vật liệu hydrocarbon và cellulose (hình 1.8). Đường cong nhiệt độ-thời gian được mô tả theo công thức [34,56]:
20 ) 1 t 8 ( log 345 T = 10 + + (1.1)
Hình 1.8. Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian theo mô hình cháy danh nghĩa [56] 1.2.2.2. Mô hình cháy tham biến
Trong mô hình này, một số tham số biến thiên được đưa vào để mô tả sự phát triển nhiệt độ theo thời gian một cách thực tế hơn. Khi đó, mối quan hệ nhiệt độ - thời gian không còn là đường cong trơn mà có dạng như hình 1.9; phụ thuộc vào tác
động thay đổi của gió thông qua ô mở, lỗ thông hơi, tác động thay đổi của khối lượng vật liệu cháy, sự thay đổi của tải trọng cháy…. Mô hình này áp dụng cho những không gian cháy có kích thước nhỏ với giả thiết chấp nhận sự phân bố đều tải trọng hoả hoạn và nhiệt độ trong quá trình cháy.
70 60 50 40 30 20 10 0 200 400 600 800 1000 1200 t (phót) 0 Nhi Öt ® é ( C) 0 0 10 25 0 0 40 0 0 60 0 0
Hình 1.9. Mối quan hệ nhiệt độ-thời gian phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích nhận gió trên một mặt của không gian cháy theo mô hình cháy tham biến [6] trên một mặt của không gian cháy theo mô hình cháy tham biến [6]
1.2.2.3. Mô hình cháy thực tế
Mô hình cháy thực tế cho phép đánh giá sự vận động của đám cháy trong trường hợp ảnh hưởng của nó không phân bố đều trong không gian cháy, như trên hình 1.10. Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian được phân tích phụ thuộc vào vị trí phát sinh đám cháy, quy luật phát triển của đám cháy, quy luật phân vùng ảnh hưởng trong không gian cháy (phụ thuộc vào hình dạng, kích thước không gian cháy, vị trí ô mở, lỗ thông hơi, vị trí sắp xếp các đồ vật bắt cháy,…) và quy luật biến thiên tốc
độ gió tác động lên không gian cháy. Th«ng h¬i VÞ trÝ g©y ch¸y ¤ më Vïng khÝ nãng Vïng ch¸y Vïng Êm Vïng nãng
Hình 1.10. Ví dụ vềảnh hưởng không đều của đám cháy trong không gian cháy [6]
Hình 1.11. Các mô hình cháy được mô tả trong không gian mẫu của FDS [56]
Mô hình này được xem là phù hợp và gần sát nhất với các đám cháy tự nhiên, tuy nhiên các thông số đầu vào tương đối phức tạp. Ngày nay, mô hình cháy thực tế
đại, tiêu biểu nhất cần kể đến là FDS (Fire Dynamics Simulator). Phần mềm FDS [56] là một phần mềm mô hình riêng về lửa, nằm trong hệ thống phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamic) thuộc bản quyền của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mỹ (NIST), phiên bản đầu tiên được phát hành tháng 2 năm 2000. FDS áp dụng đường chia lưới không gian mẫu (có thể là một căn phòng, một khu vực chức năng hay cả một tòa nhà) thành các vùng nhỏ, rồi thực hiện giải hệ
phương trình vi phân Navier - Stokes phụ thuộc biến thời gian đối với mỗi vùng nhỏ. Thông tin đầu vào bao gồm: hình dáng chi tiết không gian mẫu, dạng kết cấu (tường, sàn, trần, kết cấu chịu lực chính,..), số lượng và kích thước lỗ thông hơi, đặc
điểm đồ đạc trong phòng, đặc điểm chất cháy, các tham số bức xạ, tham số đối lưu…Thông tin đầu ra là tốc độ hoặc chuyển động của dòng nhiệt và khói, độ cao tầng khói, nồng độ khí và sự biến thiên nhiệt độ bề mặt tại các vị trí cần nghiên cứu theo thời gian. Kết quả thu được từ FDS là điều kiện biên để xác định nhiệt độ
truyền vào bên trong kết cấu.
1.2.3. Sự biến thiên nhiệt độ bên trong cấu kiện thép theo mô hình kết cấu
Với điều kiện biên là nhiệt độ trên bề mặt cấu kiện thép không bọc hoặc được bọc bảo vệ, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để xác định sự biến thiên nhiệt độ bên trong cấu kiện thép trong mô hình kết cấu. Đây là mô hình tách riêng