Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng: Đánh giá khả năng chịu lửa cấu kiện thép bọc bảo vệ ứng dụng cho nhà tại Việt Nam

Vật liệu chống cháy thụ động là lớp bảo vệ thiết yếu cho khung nhà thép. Các vật liệu phổ biến gồm vữa cách nhiệt, tấm thạch cao và sơn chuyên dụng. Lớp bọc làm chậm quá trình hấp thụ nhiệt của thanh thép. Khi nhiệt độ môi trường tăng cao, lớp bọc ngăn chặn dòng nhiệt đi vào bề mặt. Mỗi loại vật liệu có cơ chế cách nhiệt và độ dẫn nhiệt khác nhau. Thạch cao giải phóng hơi nước khi gặp nhiệt độ cao, giúp làm mát cấu kiện. Vữa chống cháy tạo ra lớp đệm xốp ngăn cản bức xạ và đối lưu nhiệt. Sơn phồng nở tạo bọt xốp cách ly khi tiếp xúc ngọn lửa. Việc lựa chọn vật liệu bọc phụ thuộc vào yêu cầu chịu lửa và kiến trúc công trình. Giải pháp bọc thụ động duy trì sự ổn định của kết cấu trong đám cháy.

Tiêu chuẩn thiết kế chống cháy tại Việt Nam ngày càng nghiêm ngặt. Quy chuẩn QCVN 06:2022/BXD an toàn cháy quy định bậc chịu lửa cho từng loại nhà. Mọi cấu kiện chịu lực chính phải đạt thời gian chịu lửa theo thiết kế. Tiêu chuẩn TCVN 9383 thử nghiệm chịu lửa xác định giới hạn chịu lực thực tế. Thí nghiệm thực tế đòi hỏi chi phí cao và mất nhiều thời gian thực hiện. Nhiều đơn vị gặp khó khăn trong việc thử nghiệm đốt mẫu kích thước lớn. Do đó, việc ứng dụng các mô hình tính toán lý thuyết là rất cấp thiết. Luận án cung cấp cơ sở khoa học để tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành. Các công thức bám sát quy định kỹ thuật của Bộ Xây dựng và tiêu chuẩn quốc tế.

Thép kết cấu bắt đầu mất dần cường độ khi nhiệt độ vượt quá 400 độ C. Mô đun đàn hồi và giới hạn chảy của thép giảm mạnh theo hàm nhiệt độ. Tại mức 600 độ C, khả năng chịu lực của thép giảm hơn 50 phần trăm. Biến dạng dẻo và độ võng của dầm tăng nhanh chóng dưới tác dụng của tải trọng. Cột thép chịu nén dễ bị mất ổn định uốn dọc ngoài mặt phẳng. Sự giãn nở nhiệt tự do bị cản trở tạo ra các ứng suất nhiệt phụ thêm. Ứng suất phụ làm kết cấu bị phá hủy sớm hơn dự kiến ban đầu. Lớp bọc bảo vệ kiểm soát tốc độ tăng nhiệt bên trong tiết diện thép. Việc kiểm soát này duy trì khả năng mang tải của hệ kết cấu trong thời gian dài.

Mô hình cháy danh nghĩa sử dụng đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834. Đường cong này mô tả nhiệt độ khí cháy tăng theo hàm logarit thời gian. Trong 10 phút đầu tiên, nhiệt độ đám cháy nhanh chóng vượt mức 600 độ C. Sau 60 phút, nhiệt độ môi trường xung quanh đạt xấp xỉ 945 độ C. Đây là điều kiện biên nhiệt độ tiêu chuẩn dùng trong thử nghiệm chịu lửa. Môi trường nhiệt độ cao tạo ra dòng bức xạ nhiệt rất lớn lên bề mặt cấu kiện. Luận án áp dụng đường cong ISO 834 làm điều kiện biên cho bài toán truyền nhiệt. Điều này đảm bảo tính thống nhất với các thử nghiệm tiêu chuẩn trong nước và quốc tế.

Đặc tính nhiệt của thép thay đổi phi tuyến tính trong môi trường nhiệt độ cao. Hệ số dẫn nhiệt của thép giảm dần khi nhiệt độ gia tăng. Ngược lại, nhiệt dung riêng của thép tăng mạnh trong khoảng từ 600 đến 735 độ C. Sự biến đổi pha kim loại tại vùng nhiệt độ này hấp thụ một lượng nhiệt lớn. Hệ số giãn nở vì nhiệt cũng tăng dần và đạt giá trị ổn định ở nhiệt độ cao. Sự biến thiên này làm thay đổi tốc độ truyền nhiệt bên trong tiết diện cấu kiện. Mô hình tính toán bắt buộc phải cập nhật liên tục các giá trị đặc tính nhiệt. Việc phi tuyến hóa thông số vật liệu đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng.

Luận án phát triển thuật toán DT3D dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Thuật toán giải bài toán mô phỏng truyền nhiệt kết cấu thép trong không gian ba chiều. Không gian cấu kiện và lớp bọc được chia thành các phần tử khối hữu hạn. Ma trận dẫn nhiệt và ma trận nhiệt dung của hệ thống được lập tự động. Phương pháp sai phân hữu hạn từng bước xử lý thành phần đạo hàm theo thời gian. Thuật toán DT3D tính toán chính xác phân bố nhiệt độ trên toàn bộ tiết diện. Mô hình xử lý tốt các hình thức bọc bảo vệ theo chu vi và bọc hộp. Kết quả từ DT3D có độ trùng khớp cao với các dữ liệu thực nghiệm tiêu chuẩn.

Dầm thép trong sàn nhà thường được bọc bảo vệ ba mặt tiếp xúc đám cháy. Mặt trên của dầm được bảo vệ trực tiếp bởi sàn bê tông cốt thép. Sự phân bố nhiệt độ trên tiết diện dầm không đồng đều theo chiều cao. Bản cánh dưới và bản bụng hấp thụ lượng nhiệt lớn hơn bản cánh trên. Phương pháp SMD chia tiết diện thành các phần tử nhỏ có nhiệt độ tương đương. Khả năng chịu uốn tới hạn của dầm được tính bằng tổng mô men kháng uốn. Độ võng của dầm được kiểm soát để tránh hiện tượng sụp đổ cục bộ. Phương pháp SMD cho phép tính nhanh mô men giới hạn của dầm bọc theo chu vi và dầm bọc hộp.

Cột thép chịu nén đúng tâm và lệch tâm phải chịu nhiệt độ từ cả bốn phía. Sự đốt nóng đều làm giảm đồng thời độ cứng chống uốn của cột. Luận án ứng dụng phương pháp SMD để đánh giá ổn định tổng thể của cột thép. Hệ số uốn dọc của cột suy giảm liên tục theo thời gian chịu lửa. Cột bọc dạng hình hộp tạo khoảng không khí đệm giúp phân bố nhiệt đồng đều hơn. Cột bọc theo chu vi có diện tích tiếp xúc nhiệt lớn hơn nên cần tính toán kỹ. Quy trình SMD xác định chính xác tải trọng nén cho phép tại từng thời điểm cháy. Phương pháp giúp kỹ sư chọn chiều dày lớp bọc bảo vệ phù hợp cho từng vị trí cột.

Nhiệt độ tới hạn của thép kết cấu là ngưỡng nhiệt độ mà cấu kiện bị phá hủy. Tại mức nhiệt này, khả năng chịu lực của thép giảm bằng tải trọng tác dụng. Giá trị nhiệt độ tới hạn phụ thuộc trực tiếp vào mức độ chịu tải của cấu kiện. Cấu kiện có hệ số sử dụng tải trọng cao sẽ có nhiệt độ tới hạn thấp. Luận án thiết lập công thức xác định nhiệt độ tới hạn cho dầm và cột thép. Việc xác định chính xác ngưỡng nhiệt độ giúp tối ưu hóa chiều dày bọc bảo vệ. Kỹ sư không cần tăng quá mức độ dày vật liệu chống cháy gây lãng phí chi phí. Đây là cơ sở khoa học để thiết kế an toàn và tiết kiệm cho công trình.

Các phần mềm ANSYS SAFIR ABAQUS được ứng dụng để mô phỏng phản ứng cháy của kết cấu. Quá trình tính toán gồm hai giai đoạn độc lập: Thermal Analysis và Structural Analysis. Mô hình nhiệt tính toán trường nhiệt độ không dừng trên từng phần tử hữu hạn. Kết quả nhiệt độ được chuyển làm dữ liệu tải trọng nhiệt cho mô hình cấu trúc. Mô hình cơ học phân tích mối quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng. Trạng thái dẻo cục bộ và sự thay đổi hình dạng cấu kiện được ghi nhận chi tiết. Việc sử dụng các phần mềm tiên tiến này nâng cao độ chính xác của nghiên cứu. Phương pháp mô phỏng số giúp thay thế các thử nghiệm đốt mẫu tốn kém.

Cột thép chịu nén trong đám cháy rất dễ gặp hiện tượng mất ổn định tổng thể. Luận án tiến hành phân tích Eigenvalue Buckling để xác định tải trọng tới hạn đàn hồi. Khi nhiệt độ tăng, độ cứng chống uốn của cột giảm nhanh chóng. Hiện tượng mất ổn định có thể xảy ra ngay cả khi ứng suất chưa đạt giới hạn chảy. Mô hình số phân tích chi tiết ảnh hưởng của độ lệch tâm và biến dạng ban đầu. Lớp bọc bảo vệ giữ nhiệt độ cột dưới mức nguy hiểm, ngăn chặn mất ổn định sớm. Kết quả phân tích giúp xác định chính xác thời điểm cột mất khả năng chịu nén. Điều này bảo đảm kết cấu khung nhà không bị đổ sụp bất ngờ trong hỏa hoạn.

Độ tin cậy của mô hình số được kiểm chứng thông qua các số liệu thí nghiệm thực tế. Luận án so sánh kết quả tính toán với các thí nghiệm dầm và cột chịu lửa. Trường nhiệt độ tính toán có sai số dưới 5 phần trăm so với nhiệt độ đo được. Biến dạng uốn và độ võng của cấu kiện thể hiện sự tương đồng rất cao. Hiện tượng mất ổn định của cột chèn gạch và cột bọc tấm cũng được kiểm chứng chuẩn xác. Kết quả kiểm chứng chứng minh tính đúng đắn của phương pháp mô phỏng số đã xây dựng. Mô hình có thể áp dụng tin cậy cho các bài toán kết cấu thực tế phức tạp.

Vữa chống cháy cách nhiệt là lựa chọn phổ biến cho các nhà xưởng công nghiệp quy mô lớn. Loại vữa này có giá thành hợp lý, khả năng chịu nhiệt cao và dễ thi công phun. Vữa tạo lớp bọc dày bảo vệ cấu kiện thép đạt giới hạn chịu lửa đến 180 phút. Đối với các công trình đòi hỏi tính thẩm mỹ cao, sơn chống cháy phồng nở là giải pháp ưu tiên. Lớp sơn mỏng nhưng khi gặp nhiệt sẽ nở thành bọt xốp cách nhiệt dày gấp hàng chục lần. Cần kiểm soát chặt chẽ độ bám dính và chiều dày màng sơn theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Sự kết hợp linh hoạt hai loại vật liệu giúp tối ưu công năng và chi phí đầu tư.

Tấm thạch cao chống cháy được ứng dụng rộng rãi trong các công trình nhà văn phòng và thương mại. Có hai hình thức cấu tạo chính: bọc theo chu vi tiết diện và bọc dạng hình hộp. Bọc theo chu vi ôm sát bề mặt thanh thép, giúp tiết kiệm không gian sử dụng trong phòng. Bọc dạng hình hộp tạo ra một khoang không khí đệm bao quanh cấu kiện thép. Khoang khí này làm giảm tốc độ truyền nhiệt bức xạ và đối lưu vào lõi thép. Cần chú ý xử lý kín các khe nối giữa các tấm thạch cao bằng vật liệu chuyên dụng. Việc thi công đúng kỹ thuật bảo đảm tấm bọc không bị nứt vỡ sớm trong đám cháy.

Chi phí bọc bảo vệ chống cháy chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng mức đầu tư nhà thép. Việc tính toán thừa chiều dày lớp bọc gây lãng phí lớn cho chủ đầu tư. Ngược lại, bọc không đủ chiều dày sẽ không đáp ứng quy chuẩn an toàn PCCC hiện hành. Áp dụng phương pháp tính toán từ luận án giúp xác định chiều dày bọc tối ưu nhất. Kỹ sư có thể phân loại mức độ nguy hiểm của từng cấu kiện trong khung nhà. Từ đó, các giải pháp bọc được bố trí linh hoạt cho từng cấu kiện dầm hoặc cột. Hướng tiếp cận này vừa bảo đảm an toàn tính mạng, vừa mang lại hiệu quả kinh tế cao.