Tư vấn xây dựng Bốn IBST
Hoạt động trong lĩnh vực Thí nghiệm và Tư vấn thiết kế
Đăng ký nhận thông tin
ĐỊA CHỈ Trần Cung, Nghĩa Đô, Hà Nội
HOTTLINE0977 881 789 (Bốn IBST)
EMAILdoduybon@gmail.com
Thiết kế Kết cấu Thép chịu lửa
THUYẾT MINH THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP
CHỊU LỬA
1. CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU
1.1. Cơ sở pháp lý:
- Luật xây dựng – số 50/2014/QH13 của Quốc hội nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam.
- Nghị định số 15/2021/NĐ-CP ngày 06/03/2021 của Chính phủ về quản lý dự án đầu tư xây dựng;
- Nghị định số 06/2021/ ND –CP ngày 26/01/2021 của chính phủ qui định chi tiết một số nội dung về quản lý chất lượng, thi công xây dựng và bảo trì công trình;
- Thông tư số 10/2021/TT-BXD ngày 25/8/2021 của BXD hướng dẫn một số điều và biện pháp thi hành Nghị định số 06/2021 ngày 26 tháng 01 năm 2021 và nghị định số 44/2016/ND – CP ngày 15 tháng 5 năm 2016 của Chính phủ;
1.2. Các quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam:
- QCVN 02:2009 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng.
- QCVN 06:2022 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn cháy cho nhà và công trình.
- TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động. Tiêu chuẩn thiết kế.
- TCVN 5575:2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
- Các tài liệu, tiêu chuẩn chuyên ngành có liên quan.
1.3. Các tiêu chuẩn nước ngoài
- EN 1990 Cơ sở thiết kế kết cấu.
- EN 1991-1-2 Tác động lên kết cấu. Qui định chung – Tác động lên kết cấu lộ lửa.
- EN 1993-1-1 Thiết kế kết cấu thép. Qui định chung cho công trình.
- EN 1993-1-2 Thiết kế kết cấu thép. Qui định chung – Thiết kế kết cấu chịu lửa.
2. THIẾT KẾ CHỊU LỬA
2.1. Căn cứ tính toán
Tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép chịu lửa:
- Tiêu chuẩn châu Âu EN 1993-1-2 Design of steel structures – Part 1-2 General rules – Structural fire design.
2.2. Hệ số tiết diện
Trường hợp cách nhiệt bằng lớp bảo vệ dạng đặc. Hệ số tiết diện Hp/A được định nghĩa bằng tỉ số của chu vi bề mặt tiếp xúc với lửa cho diện tích tiết diện của cấu kiện.
Một mặt cắt thép với chu vi bề mặt lớn (Hp) sẽ nhận nhiều nhiệt lượng từ đám cháy hơn so với cấu kiện tương tự có chu vi bề mặt nhỏ hơn. Chính vì thế mà hệ số Hp/A là một thước đo cho khả năng một tiết diện chịu được tác động nhiệt từ đám cháy.
Giá trị Hp là chu vi bề mặt tiếp xúc lửa dựa trên phương thức bảo vệ được sử dụng. Khi một tiết diện đỡ một sàn hoặc dựa vào tường, bề mặt tiếp xúc giữa tiết diện và sàn (hoặc tường) sẽ được bỏ qua trong khi tính toán giá trị Hp.
2.3. Các đặc tính của vật liệu thép dưới tác động của nhiệt độ cao
Thép bắt đầu giảm độ bền và độ cứng ở nhiệt độ trên 300oC và giảm theo một tốc độ ổn định đến khoảng 800oC, ở nhiệt độ 550oC thép sẽ còn lại khoảng 60% cường độ so với khi ở nhiệt độ thường, thép hóa lỏng ở nhiệt độ 1500oC.
Suy giảm đặc tính cơ học của vật liệu thép ở nhiệt độ cao:
Ở nhiệt độ cao, các đặc trưng cơ học của thép bao gồm giới hạn chảy, mô đun đàn hồi sẽ bị suy giảm, phụ thuộc vào nhiệt độ. Việc suy giảm này phụ thuộc vào loại vật liệu kết cấu thép được sử dụng.
Đối với các vật liệu thép theo tiêu chuẩn Eurocode 3, hệ số suy giảm đặc trưng cơ học được quy định trong bảng 3.1 của EN 1993-1-2 cho các tiết diện loại 1, 2, 3:
Trong đó:
– Mô đun đàn hồi tuyến tính Ea
– Giới hạn tỉ lệ fp,θ
– Giới hạn chảy fy,θ
Đối với các tiết diện loại 4, các hệ số suy giảm vật liệu thép ở nhiệt độ cao xác định theo bảng E.1 của Tiêu chuẩn Eurocode 3 (EN 1993-1-2).
2.4. Đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn
Trong tính toán kết cấu công trình, hầu hết các tiêu chuẩn quy định sử dụng đường cong ISO 834. Đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834 hay đường cong cháy tiêu chuẩn danh nghĩa, được sử dụng để kiểm tra khả năng chịu lửa của vật liệu chịu một loại gây cháy tức là với những đánh giá nguy cơ hỏa hoạn dựa trên tỷ lệ đốt cháy vật liệu xây dựng dễ cháy nói chung. Đường cong ISO 834 đại diện cho một đám cháy phát triển đầy đủ trong một khoang và cho thấy rằng nhiệt độ tăng theo thời gian với một tốc độ không đổi. Sự phát triển của đường cong ISO 834 được mô tả bằng phương trình:
T = 20 + 345log(8t + 1)
Trong đó: T: nhiệt độ buồng cháy tại thời điểm t (0C)
t : thời gian cháy (phút)
3. ĐẶC TRƯNG DỰ ÁN:
Hạng mục: Kết cấu thép khu vực trục (C-E;24-28) thuộc Nhà 201
+ Kích thước mặt bằng: 45x40m
+ Chiều cao đỉnh kết cấu: 13.4m
+ Kết cấu: Sử dụng phương án kết cấu thép được cấu tạo bởi cột thép đỡ dầm thép.
Hạng mục: Kết cấu thép khu vực trục (C-E;6-11) thuộc Nhà 202
+ Kích thước mặt bằng: 45x50m
+ Chiều cao đỉnh kết cấu: 13.4m
+ Kết cấu: Sử dụng phương án kết cấu thép được cấu tạo bởi cột thép đỡ dầm thép.
4. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
Các giá trị đặc trưng của vật liệu lấy theo các cấu kiện có trong dự án:
+ Thép tổ hợp có giới hạn chảy: Fy = 34.5 KN/cm2
5. TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ Ở ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ THƯỜNG
+ TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế
+ TCVN 5575-2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế
6. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THEO NHIỆT ĐỘ GIỚI HẠN
Quy trình tính toán từng bước để xác định nhiệt độ tới hạn của một kết cấu thép có thể được tóm tắt như sau:
Bước 1: Xác định tải trọng thiết kế tác dụng lên cấu kiện thép trong trường hợp cháy Efi,d,t;
Bước 2: Phân loại tiết diện cấu kiện thép theo thiết kế chịu lửa
Bước 3: Tính toán khả năng chịu tải thiết kế của cấu kiện thép tại thời điểm 0 của đám cháy Rfi,d,0;
Bước 4: Xác định mức độ sử dụng cấu kiện thép μ0;
Bước 5: Tính nhiệt độ tới hạn của cấu kiện thép θcr.
6.1. Quy định về giới hạn chịu lửa yêu cầu.
Giới hạn chịu lửa của cấu kiện xây dựng là khoảng thời gian (tính bằng phút) kể từ khi bắt đầu thử trong điều kiện cháy theo chế độ nhiệt tiêu chuẩn cho đến khi xuất hiện một hoặc một số dấu hiệu nối tiếp nhau của các trạng thái giới hạn được quy định đối với cấu kiện. như sau: mất khả năng chịu lực (khả năng chịu lực được ký hiệu bằng chữ R – Mechanical Resistance); mất tính toàn vẹn (tính toàn vẹn được ký hiệu bằng chữ E – Integrity); mất khả năng cách nhiệt (khả năng cách nhiệt được ký hiệu bằng chữ I – Insualation)
Đối với cấu kiện kết cấu chịu lực, các quy chuẩn và tiêu chuẩn chỉ quy định giới hạn chịu lửa R. Thường có các giới hạn chịu lửa yêu cầu R30, R45, R60, R90, R120.
Nhà và các khoang cháy được phân theo bậc chịu lửa như quy định tại Bảng 4 QCVN 06:2022 như sau:
6.2. Xác định tải trọng thiết kế trong trường hợp cháy
6.2.1. Tĩnh tải (DL)
Các tĩnh tải của công trình lấy theo thiết kế tính toán ở nhiệt độ thường.
6.2.2. Hoạt tải (LL)
Các tải trọng tác dụng lên các khu vực sàn của công trình, phân loại công năng hoạt tải, cũng như hệ số Ψ2 tương ứng theo công năng như sau (EN 1990):
6.2.3. Tổ hợp tải trọng
Tổ hợp tải trọng tính toán để thiết kế và kiểm tra kết cấu theo các yêu cầu về khả năng chịu lực của cấu kiện trong điều kiện cháy. Khi tính kết cấu trong điều kiện cháy, chỉ xét đến tải trọng đứng tác dụng lên công trình và luôn được lấy nhỏ hơn khi tính toán công trình ở điều kiện nhiệt độ thường.
Tổ hợp tải trọng tính toán để thiết kế và kiểm tra kết cấu theo các yêu cầu về khả năng chịu lực của cấu kiện trong điều kiện cháy được xác định từ tổ hợp tải trọng trọng lực theo tiêu chuẩn EN 1990 như sau:
Efi,d,t (Combo1) = 1.0 DL + Ψ2 LL
Trong đó
DL: Tĩnh tải
LL: Hoạt tải
Ψ2: Hệ số tổ hợp.
6.3. Phân loại cấu kiện thép
Kết cấu thép cần tính toán ảnh hưởng của mất ổn định cục bộ của tiết diện kết cấu thép. Tiêu chuẩn EN 1993-1-1 chia ra bốn loại thể hiện các cấp độ mảnh của tiết diện.
Loại 1: Các tiết diện ngang tại đó có thể hình thành khớp dẻo với khả năng xoay nhất định để phân tích dẻo mà không làm giảm độ bền của tiết diện
Loại 2: Các tiết diện ngang tại đó có thể phát triển biến dạng dẻo nhưng khả năng xoay bị hạn chế bởi sự mất ổn định cục bộ
Loại 3: Các tiết diện ngang tại đó ứng suất thớ chịu nén ngoài cùng của cấu kiện thép khi phân bố ứng suất đàn hồi có thể đạt đến ứng suất chày, nhưng điều kiện oằn cục bộ lại ngăn cản sự phát triển mô men chảy dẻo.
Loại 4: Các tiết diện ngang tại đó oằn cục bộ xảy ra trước khi đạt đến giới hạn chảy, tại vùng này hoặc vùng khác của tiết diện.
Trong đó, để đơn giản hóa các nguyên tắc tính toán, các tiết diện được phân loại như thiết kế ở nhiệt độ thông thường với giá trị e được giảm cho bởi công thức:
Trong đó fy là giới hạn chảy tại nhiệt độ thường 20oC.
6.4. Tính toán khả năng chịu tải thiết kế của cấu kiện thép tại thời điểm 0 của đám cháy Rfi,d,0;
Tính toán “khả năng chịu tải” của cấu kiện thép trong tình huống hỏa hoạn, nhưng được thông qua chỉ ở thời điểm 0 tức thời, tức là ở nhiệt độ phòng Rfi,d,0.
6.5. Xác định mức độ sử dụng cấu kiện thép μ0;
Mức độ sử dụng μ0 là thông số liên quan giữa tải trọng thiết kế của cấu kiện thép trong trường hợp cháy với khả năng chịu tải thiết kế của nó tại thời điểm 0 của đám cháy Rfi,d,0. Các mức độ sử dụng này được tính toán như sau:
Dầm chịu uốn vênh ngang:
Trong đó: Mfi,d,t, Mpl,fi,0 và Mel,fi,0 lần lượt là mô men uốn thiết kế của dầm, mô men kháng dẻo của mặt cắt ngang và khả năng chống mô men đàn hồi của mặt cắt tương ứng tại thời điểm 0 của đám cháy. Trường hợp dầm lớp 4 được tính như các công thức trên tuy nhiên diện tích tiết diện được thay thế bằng các diện tích tiết diện hữu hiệu và mô đun tiết diện được thay bằng mô đun tiết diện hữu hiệu. Hệ số giảm giới hạn chảy của thép được lấy theo bảng E.1 của tiêu chuẩn EN 1993-1-2
Cột chịu nén và chịu uốn:
Trong đó: Nfi,d,t và Npl,fi,0 lần lượt là lực nén dọc trục thiết kế của cột và sức kháng dọc trục dẻo của mặt cắt ngang tại thời điểm 0 của đám cháy.
Trong trường hợp dầm đỡ sàn bê tông hoặc sàn deck hệ số sử dụng cho dầm được giảm xuống do sự phân bố nhiệt độ không đều theo mặt cắt ngang với hệ số k1 = 0.85 và sự phân bố nhiệt độ không đồng đều dọc theo dầm theo hệ số k2 =1.0.
6.6. Tính nhiệt độ tới hạn của cấu kiện thép θcr
Nhiệt độ tới hạn q được xác định phụ thuộc vào mức độ sử dụng , và phụ thuộc vào sự suy giảm giới hạn chảy theo nhiệt độ của loại vật liệu được sử dụng.
trong đó:
Trường hợp tiết diện thuộc lớp 4 thì nhiệt đô tới hạn được nội suy theo hệ số sử dụng m0 từ bảng E.1 của tiêu chuẩn EN 1993-1-2.
7. TÍNH TOÁN CHIỀU DÀY SƠN CHỐNG CHÁY:
Từ nhiệt độ giới hạn theo tính toán, giới hạn chịu lửa yêu cầu và chỉ số Hp/A của từng tiết diện, lựa chọn chiều dày lớp bọc bảo vệ chịu lửa dựa trên cơ sở dữ liệu của vật liệu bọc.
Đối với dự án này, theo yêu cầu của Chủ Đầu Tư, chiều dày sơn chống cháy sau khi khô (DFT) được tạm tính dựa trên dữ liệu thử nghiệm đốt cho thép hình chữ I và H của hãng sơn Chống cháy năm 2023 – Sơn Charfomax với giới hạn chịu lửa R90 (căn cứ Giấy chứng nhận kiểm định phương tiện phòng cháy và chữa cháy).
Trong trường hợp sử dụng loại vật liệu bọc bảo vệ khác thì dựa trên nhiệt độ tới hạn theo tính toán, giới hạn chịu lửa yêu cầu, chỉ số Hp/A để lựa chọn chiều dày bọc bảo vệ hợp lý theo tiêu chuẩn của vật liệu bọc bảo vệ. Nhiệt độ tới hạn của kết cấu là nhiệt độ lớn nhất mà cấu kiện có thể chịu được trong trường hợp chịu lửa.
8. KẾT LUẬN:
Tính toán nhiệt độ tới hạn cho phép khi chịu lửa của cấu kiện dầm, cột chịu lực chính cho các hạng mục thuộc dự án “LG Electronics Việt Nam Hải Phòng” áp dụng theo hệ tiêu chuẩn Eurocode được liệt kê ở Bảng danh mục cấu kiện và nhiệt độ tương ứng dưới đây.
Chi tiết Phụ lục tính toán.
MÔ HÌNH 3D THỂ HIỆN PHẦN KẾT CẤU THÉP TÍNH TOÁN
TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN BẰNG BẢNG TÍNH THEO EN 1993-1-2
BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ GIỚI HẠN VÀ TRA CHIỀU DÀY SƠN CHỐNG CHÁY
9. MỘT SỐ DỰ ÁN ĐÃ THỰC HIỆN
+ TRUNG TÂM ĐỔI MỚI SÁNG TẠO QUỐC GIA (KHỐI NHÀ LÀM VIỆC)
+ CÔNG NGHỆ TẾ BÀO QUANG ĐIỆN JA SOLAR PV VIỆT NAM
+ NHÀ MÁY MAY MINH ANH – ĐÔ LƯƠNG
+ LOTTE MALL HÀ NỘI + VIFON HẢI DƯƠNG
+ CÔNG TY TNHH TRINA SOLAR WAFER (VIETNAM)
+ CẢI TẠO NHÀ XƯỞNG 1; XÂY MỚI NHÀ XƯỞNG 2, NHÀ XƯỞNG 3
+ NHÀ MÁY MAY CÔNG NGHỆ CAO + DỰ ÁN 18 – CÔNG TY TNHH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP BW NAM ĐÌNH VŨ
+ NHÀ XƯỞNG 2, NHÀ KHO SỐ 1, NHÀ KHO SỐ 2, NHÀ XE CÔNG NHÂN, NHÀ ĐỂ MÁY PHÁT ĐIỆN – KHÍ NÉN SỐ 2, NHÀ BẢO VỆ SỐ 2, NHÀ CẦU NỐI THUỘC NHÀ MÁY SẢN XUẤT, GIA CÔNG GIÀY DÉP XUẤT KHẨU
+ NHÀ MÁY LG DISPLAY VIỆT NAM HẢI PHÒNG – GIAI ĐOẠN 3
+ VĂN PHÒNG (02 TẦNG: 12M X 36,25M) – NHÀ KHO LẠNH CHO (94M x 178,5M] THUÊ CHỨA THỰC PHẨM, DƯỢC PHẨM [(12M x 68M)
+ LG ELECTRONICS VIỆT NAM HẢI PHÒNG
+ DỰ ÁN BATI LOGISTIC HỒ CHÍ MINH GIAI ĐOẠN 2, 3
+ NHÀ MÁY TREND POWER TECHNOLOGY (VIỆT NAM)
+ NHÀ MÁY MỚI KANEFUSA VIỆT NAM- GÓI THẦU MỞ RỘNG LẦN 2
+ CẢI TẠO, NÂNG CẤP HỆ THỐNG PCCC TẠI TẦNG 5 NHÀ D NHÀ KHÁCH NGUYỄN QUYỀN
+ DỰ ÁN NHÀ MÁY SẢN XUẤT PHỤ KIỆN GIA ĐÌNH, PHÒNG TẮM, ĐÈN CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ, NGOÀI TRỜI VÀ ĐỒ NỘI, NGOẠI THẤT (BE BRIGHT)
+ DỰ ÁN CÔNG TY TNHH AUTOLIV VIỆT NAM
+ NHÀ MÁY BẮC HƯNG
+ NHÀ MÁY ITM V1
+ KHU LIÊN HỢP SẢN XUẤT, LẮP RÁP KIM LONG MOTORS HUẾ
+ TÒA NHÀ TRỤ SỞ CHÍNH DAIKIN VIỆT NAM
+ ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI CÔNG TY TNHH THK MANUFACTURING OF VIỆT NAM
+ DỰ ÁN XÂY DỰNG NHÀ MÁY GOODWAY VIỆT NAM
+ NHÀ MÁY SẢN XUẤT TÔN MÀ MÀU HÒA PHÁT
+ NHÀ ĐỂ XE 2 BÁNH 1 ĐIỀU CHỈNH
+ NIPPO SANGYO FACTORY
+ NHÀ MÁY SẢN XUẤT LẮP RÁP XE Ô TÔ HYUNDAI TÂN PHÚ
+ NHÀ MÁY CÔNG TY TNHH HẢI LONG BÌNH PHƯỚC
+ NHÀ XƯỞNG XÂY XẴN THẾ HỆ MỚI
+ CÔNG TY TNHH THK MANUFACTURING OF VIỆT NAM
+ KHU LOGISTICS SVI 1
+ NHÀ MÁY BIA HEINEKEN VIỆT NAM – VŨNG TÀU, GĐ 11 THUỘC DỰ ÁN NHÀ MÁY BIA CÔNG SUẤT 1100 TRIỆU LÍT/NĂM
+ NHÀ XƯỞNG SẢN XUẤT (GĐ 2) THUỘC DỰ ÁN CÔNG TY TNHH CÔNG NGHỆ BAO BÌ IBOX VINA
+ ĐẦU TƯ VÀ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC VĂN LANG KHỐI NHÀ GIAI ĐOẠN 4
+ NHÀ MÁY SẢN XUẤT THỰC PHẨM
+ DỰ ÁN B3CC1 (KHU PHỨC HỢP B3CC1 STARLAKE HÀ NỘI VIỆT NAM)
10. TẠI SAO CHỌN XÂY DỰNG BỐN IBST:
Tư vấn Xây dựng – Bốn IBST với đội ngũ Cán bộ gần 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực xây dựng, được nhiều nhà thầu và khách hàng tin tưởng hợp tác:
