Thiết kế kết cấu thép chịu lửa theo tiêu chuẩn EN 1993-1-2

Thiết kế kết cấu thép chịu lửa là quá trình tính toán khả năng chịu lực của dầm, cột và các cấu kiện thép khi chịu tác động của nhiệt độ cao trong điều kiện cháy. Kết quả thiết kế giúp xác định nhiệt độ tới hạn, thời gian chịu lửa và chiều dày lớp bảo vệ chống cháy phù hợp. Với kinh nghiệm tư vấn kết cấu cho nhiều công trình công nghiệp, Bốn IBST triển khai dịch vụ thiết kế kết cấu thép chịu lửa dựa trên hệ thống tiêu chuẩn Eurocode, đặc biệt là EN 1993-1-2, kết hợp các quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam liên quan.

Bảng hạng mục dịch vụ thiết kế kết cấu thép chịu lửa tại Bốn IBST

Hạng mục dịch vụ	Công việc Bốn IBST thực hiện	Kết quả
1. Rà soát hồ sơ kết cấu	Kiểm tra bản vẽ, thông số vật liệu, kích thước cấu kiện và yêu cầu chịu lửa của công trình.	Xác định phạm vi, cấu kiện và dữ liệu cần tính toán.
2. Tính toán tải trọng trong điều kiện cháy	Xác định tổ hợp tải trọng thiết kế trong tình huống cháy theo tiêu chuẩn áp dụng.	Bảng tính tải trọng tác dụng lên cấu kiện thép.
3. Phân loại tiết diện kết cấu thép	Phân loại tiết diện từ lớp 1 đến lớp 4, xác định hệ số tiết diện Hp/A và các mặt tiếp xúc với lửa.	Bảng phân loại tiết diện và hệ số Hp/A.
4. Kiểm tra khả năng chịu lực	Tính toán sức kháng thiết kế Rfi,d,0 và xác định mức độ sử dụng cấu kiện μ₀ đối với dầm, cột thép.	Kết quả đánh giá khả năng chịu lực của cấu kiện.
5. Xác định nhiệt độ tới hạn	Tính toán nhiệt độ tới hạn θcr dựa trên tải trọng, đặc điểm tiết diện và sự suy giảm đặc tính cơ học của thép.	Bảng tính nhiệt độ tới hạn cho từng cấu kiện hoặc nhóm cấu kiện.
6. Tính toán lớp bảo vệ chống cháy	Xác định chiều dày sơn hoặc vữa chống cháy dựa trên nhiệt độ tới hạn, thời gian chịu lửa yêu cầu và dữ liệu thử nghiệm vật liệu.	Bảng chiều dày lớp bảo vệ chống cháy tương ứng.
7. Tổng hợp hồ sơ tính toán	Tổng hợp kết quả kiểm tra kết cấu, nhiệt độ tới hạn và phương án bảo vệ chống cháy.	Thuyết minh và bảng tổng hợp kết quả tính toán phục vụ thiết kế.

Bốn IBST thực hiện tính toán thiết kế kết cấu thép chịu lửa theo EN 1993-1-2 và các tiêu chuẩn liên quan. Phạm vi công việc cụ thể được xác định dựa trên hồ sơ thiết kế, đặc điểm công trình và yêu cầu kỹ thuật của từng dự án.

Hotline tư vấn kỹ thuật: 0977 881 789.

Cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép chịu lửa

Thiết kế kết cấu thép chịu lửa cần tuân thủ các yêu cầu an toàn cháy của công trình và sử dụng phương pháp tính toán có cơ sở kỹ thuật. Bốn IBST kết hợp các tiêu chuẩn Việt Nam với hệ thống Eurocode để giải quyết bài toán chịu lực ở nhiệt độ cao.

Hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam

Quy chuẩn, tiêu chuẩn	Nội dung áp dụng
QCVN 06:2022/BXD và Sửa đổi 1:2023	An toàn cháy cho nhà và công trình
QCVN 02:2022/BXD	Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng
TCVN 2737:2023	Tải trọng và tác động
TCVN 5575:2024	Thiết kế kết cấu thép

Hệ thống tiêu chuẩn châu Âu (Eurocode)

Tiêu chuẩn	Nội dung áp dụng
EN 1990	Cơ sở thiết kế kết cấu
EN 1991-1-2	Tác động lên kết cấu trong điều kiện cháy
EN 1993-1-1	Các quy định chung về thiết kế kết cấu thép
EN 1993-1-2	Thiết kế kết cấu thép trong điều kiện cháy

Trong đó, EN 1993-1-2 là cơ sở quan trọng để tính toán kết cấu thép chịu lửa. Tiêu chuẩn cho phép đánh giá sự suy giảm cường độ và độ cứng của thép theo nhiệt độ, xác định sức kháng của cấu kiện và kiểm tra trạng thái giới hạn trong tình huống cháy.

Xem thêm: Cách xác định nhiệt độ cấu kiện thép trong một kịch bản cháy tiêu chuẩn

Nguyên lý thiết kế kết cấu thép chịu lửa tại Bốn IBST

Bốn IBST thực hiện bài toán thiết kế dựa trên đặc điểm tiết diện, tải trọng tác dụng và sự thay đổi tính chất cơ học của thép khi nhiệt độ tăng. Các thông số này được sử dụng để xác định nhiệt độ tới hạn và chiều dày lớp bảo vệ chống cháy.

Xác định tác động nhiệt thông qua hệ số tiết diện Hp/A và đường cong ISO 834

Tốc độ gia tăng nhiệt độ của cấu kiện thép phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc với lửa, khối lượng thép và điều kiện bảo vệ. Hai yếu tố quan trọng trong tính toán là hệ số tiết diện Hp/A và mô hình nhiệt độ đám cháy.

Hệ số tiết diện Hp/A

Đối với cấu kiện thép được bảo vệ bằng lớp cách nhiệt dạng đặc, hệ số tiết diện được xác định:

Hp/A = Chu vi bề mặt tiếp xúc với lửa / Diện tích tiết diện thép

Trong đó:

• Hp: Chu vi bề mặt tiết diện tiếp xúc với lửa, tính bằng mét (m).
• A: Diện tích tiết diện thép, tính bằng mét vuông (m²).
• Hp/A: Hệ số tiết diện, đơn vị m⁻¹.

Hệ số Hp/A càng lớn, cấu kiện thường có xu hướng gia tăng nhiệt độ nhanh hơn trong cùng điều kiện tiếp xúc với lửa.

Khi xác định Hp, kỹ sư cần xem xét số mặt tiếp xúc với lửa. Ví dụ, dầm thép nằm dưới sàn bê tông có thể có phần cánh trên không trực tiếp tiếp xúc với lửa. Phần bề mặt này chỉ được loại trừ khi điều kiện tiếp xúc và bảo vệ thực tế đáp ứng giả thiết tính toán.

Đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834

Bốn IBST sử dụng đường cong cháy tiêu chuẩn để mô tả sự gia tăng nhiệt độ môi trường cháy theo thời gian trong bài toán tương ứng.

Công thức:

T = 20 + 345 × log₁₀(8t + 1)

Trong đó:

• T: Nhiệt độ khí của môi trường cháy tại thời điểm khảo sát (°C).
• t: Thời gian cháy tính bằng phút.

Ví dụ, với đường cong tiêu chuẩn này, nhiệt độ môi trường cháy sau 30 phút đạt khoảng 842°C và sau 60 phút đạt khoảng 945°C.

Đánh giá sự suy giảm khả năng chịu lực và xác định nhiệt độ tới hạn

Ở nhiệt độ cao, thép bị suy giảm cường độ, độ cứng và khả năng chịu lực. Vì vậy, việc kiểm tra kết cấu trong điều kiện cháy không thể chỉ sử dụng các đặc tính cơ học tại nhiệt độ thông thường.

Theo phương pháp tính toán trong EN 1993-1-2, các đặc tính cơ học cần được xem xét gồm:

• Giới hạn chảy fy,θ: Thể hiện sự thay đổi cường độ chảy của thép theo nhiệt độ.
• Mô đun đàn hồi Ea,θ: Thể hiện sự suy giảm độ cứng của vật liệu khi nhiệt độ tăng.
• Giới hạn tỷ lệ fp,θ: Là thông số được sử dụng trong mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của thép ở nhiệt độ cao.

Các hệ số suy giảm được xác định từ dữ liệu của tiêu chuẩn, bao gồm bảng 3.1 và bảng E.1 đối với các trường hợp tiết diện tương ứng.

Ở khoảng 550°C, cường độ chảy của thép có thể giảm đáng kể, với mức còn lại xấp xỉ 60% trong mô hình vật liệu thông dụng của EN 1993-1-2.

Tuy nhiên, 550°C không phải nhiệt độ tới hạn mặc định của mọi kết cấu thép. Ngưỡng nhiệt độ này cần được tính toán riêng dựa trên sức kháng và mức độ sử dụng của cấu kiện.

Chẳng hạn, dầm thép đang chịu tải trọng gần mức giới hạn có thể đạt trạng thái mất khả năng chịu lực ở nhiệt độ thấp hơn so với cấu kiện có mức độ sử dụng nhỏ.

Do đó, Bốn IBST thực hiện tính toán nhiệt độ tới hạn cho từng cấu kiện hoặc nhóm cấu kiện có đặc điểm chịu lực tương đồng.

Quy trình 6 bước xác định nhiệt độ tới hạn và chiều dày lớp bảo vệ

Dựa trên các nguyên lý tính toán, Bốn IBST triển khai quy trình 6 bước để xác định nhiệt độ giới hạn của kết cấu thép và lựa chọn vật liệu bảo vệ chống cháy.

Bước 1: Xác định tải trọng thiết kế trong tình huống cháy

Kỹ sư xác định tác động thiết kế lên cấu kiện thép trong trường hợp cháy, ký hiệu Efi,d,t.

Một biểu thức tổ hợp tải trọng được sử dụng trong bài toán minh họa của Bốn IBST:

Efi,d,t = 1,0 DL + Ψ₂ LL

Trong đó:

• DL: Tĩnh tải tác dụng lên cấu kiện.
• LL: Hoạt tải tác dụng lên cấu kiện.
• Ψ₂: Hệ số tổ hợp hoạt tải.

Biểu thức trên là trường hợp tính toán minh họa. Tổ hợp tải trọng thực tế phải được xác định theo tiêu chuẩn áp dụng và điều kiện của công trình.

Bước 2: Phân loại tiết diện cấu kiện thép

Tiết diện được phân loại từ lớp 1 đến lớp 4 theo đặc điểm hình học và độ mảnh của các bộ phận chịu nén.

Trong phương pháp phân loại tiết diện khi cháy của EN 1993-1-2, hệ số điều chỉnh được xác định:

ε₀ = 0,85 × √(235/fy)

Với fy là giới hạn chảy danh nghĩa của thép, tính bằng MPa.

Phân loại tiết diện giúp lựa chọn phương pháp đánh giá khả năng chịu lực phù hợp, đặc biệt đối với các cấu kiện có nguy cơ mất ổn định cục bộ.

Bước 3: Xác định khả năng chịu tải tại thời điểm bắt đầu cháy

Kỹ sư tính toán sức kháng thiết kế của cấu kiện tại nhiệt độ ban đầu 20°C, ký hiệu Rfi,d,0.

Thông số này được xác định theo trạng thái chịu lực của từng cấu kiện, chẳng hạn:

• Dầm thép chịu uốn.
• Cột thép chịu nén.
• Cấu kiện chịu lực kết hợp.

Bước 4: Xác định mức độ sử dụng cấu kiện μ₀

Mức độ sử dụng phản ánh tương quan giữa tác động thiết kế trong tình huống cháy và sức kháng của cấu kiện ở thời điểm ban đầu.

Chỉ số μ₀ là đầu vào quan trọng để đánh giá nhiệt độ tới hạn. Cấu kiện có mức độ sử dụng cao thường có giới hạn nhiệt độ thấp hơn trong những điều kiện tính toán tương đương.

Bước 5: Tính toán nhiệt độ tới hạn θcr

Từ các thông số tải trọng, sức kháng và mức độ sử dụng, kỹ sư xác định nhiệt độ tới hạn của cấu kiện.

Nhiệt độ tới hạn θcr là mức nhiệt tại đó cấu kiện đạt đến trạng thái giới hạn chịu lực theo mô hình tính toán được lựa chọn.

Kết quả có thể khác nhau giữa dầm, cột hoặc các nhóm tiết diện, kể cả khi chúng thuộc cùng một công trình.

Xem thêm: Dịch vụ kiểm định chất lượng công trình xây dựng

Bước 6: Xác định chiều dày lớp bảo vệ chống cháy

Sau khi có nhiệt độ tới hạn, Bốn IBST kết hợp thời gian chịu lửa yêu cầu, hệ số Hp/A và dữ liệu thử nghiệm của sản phẩm bảo vệ để xác định chiều dày sơn hoặc vữa chống cháy phù hợp.

Đây là bước liên kết kết quả tính toán kết cấu với phương án sử dụng vật liệu bảo vệ trong thực tế.

Chiều dày được lựa chọn phải phù hợp với phạm vi áp dụng của kết quả thử nghiệm, cấu kiện và hệ thống sản phẩm chống cháy.

Kết quả thiết kế kết cấu thép chịu lửa được sử dụng như thế nào?

Kết quả tính toán không chỉ thể hiện khả năng chịu lực của cấu kiện khi cháy. Đây còn là cơ sở để lựa chọn giải pháp bảo vệ, xác định khối lượng vật liệu và phối hợp triển khai hồ sơ thiết kế.

Các kết quả quan trọng gồm:

Kết quả tính toán	Vai trò trong thiết kế
Hệ số Hp/A	Đánh giá đặc điểm gia nhiệt của tiết diện
Mức độ sử dụng μ₀	Xác định trạng thái chịu lực của cấu kiện
Nhiệt độ tới hạn θcr	Xác định ngưỡng nhiệt độ giới hạn theo tính toán
Chiều dày lớp bảo vệ	Lựa chọn sơn hoặc vữa chống cháy phù hợp
Bảng tổng hợp cấu kiện	Phục vụ triển khai và kiểm soát khối lượng vật liệu

Bốn IBST giới thiệu các bảng tính chi tiết thể hiện nhiệt độ tới hạn và chiều dày sơn chống cháy tương ứng của các cấu kiện kết cấu thép.

Bảng tổng hợp nhiệt độ và chiều dày sơn tương ứng của cấu kiện kết cấu thép

Năng lực tư vấn thiết kế kết cấu thép chịu lửa của Bốn IBST

Bốn IBST là đơn vị hoạt động trong lĩnh vực thí nghiệm và tư vấn thiết kế xây dựng, với đội ngũ cán bộ chủ chốt có hơn 15 năm kinh nghiệm chuyên môn trong ngành xây dựng và kết cấu thép.

Năng lực của đơn vị được thể hiện qua các hoạt động:

• Tính toán kết cấu thép chịu lửa: Sử dụng phương pháp phân tích khả năng chịu lực, xác định nhiệt độ tới hạn và lựa chọn chiều dày lớp bảo vệ theo đặc điểm cấu kiện.
• Ứng dụng tiêu chuẩn Eurocode: Vận dụng EN 1993-1-2 và các tài liệu kỹ thuật liên quan để đánh giá kết cấu trong điều kiện cháy.
• Tư vấn kỹ thuật cho công trình công nghiệp: Hỗ trợ các bài toán kết cấu và yêu cầu an toàn cháy đối với nhà máy, nhà xưởng, nhà kho và các công trình có kết cấu thép.
• Phối hợp các công việc chuyên môn: Cung cấp các dịch vụ liên quan như thẩm tra thiết kế, kiểm định chất lượng công trình và lập luận chứng kỹ thuật an toàn cháy.

Trong danh mục dự án đã công bố, Bốn IBST giới thiệu kinh nghiệm tư vấn thiết kế kết cấu, PCCC và kiểm định tại nhiều công trình quy mô lớn trên cả nước.

Các nhóm dự án tiêu biểu gồm:

• Công trình quốc gia và thương mại: Trung tâm Đổi mới Sáng tạo Quốc gia (NIC), Lotte Mall Hà Nội, tòa nhà trụ sở chính Daikin Việt Nam và khối nhà Giai đoạn 4 – Đại học Văn Lang.
• Hệ thống nhà máy LG tại Hải Phòng: LG Electronics Việt Nam và LG Display Việt Nam – Giai đoạn 3.
• Nhà máy công nghệ và công nghiệp năng lượng: Ja Solar PV Việt Nam, Trina Solar Wafer, BW Nam Đình Vũ, Goodway Việt Nam, Autoliv Việt Nam và Trend Power Technology.
• Nhà máy sản xuất và logistics: Heineken Việt Nam – Vũng Tàu Giai đoạn 11, Khu liên hợp sản xuất ô tô Kim Long Motors Huế, Tôn mạ màu Hòa Phát, Bati Logistic TP.HCM và Lotte Logistics SVI 1.
• Nhà máy may mặc, thực phẩm và bao bì: May Minh Anh (Đô Lương), Vifon Hải Dương và Bao bì Ibox Vina.

Với dịch vụ thiết kế kết cấu thép chịu lửa, Bốn IBST tập trung vào tính toán các thông số kỹ thuật quan trọng, từ tải trọng trong tình huống cháy đến nhiệt độ tới hạn và chiều dày lớp bảo vệ. Kết quả được thể hiện qua các bảng tính phục vụ công tác thiết kế và lựa chọn vật liệu.

Liên hệ Bốn IBST tư vấn thiết kế kết cấu thép chịu lửa

Thiết kế kết cấu thép chịu lửa cần được thực hiện dựa trên tải trọng, đặc điểm tiết diện, khả năng chịu lực và yêu cầu chịu lửa của công trình. Việc xác định đúng nhiệt độ tới hạn giúp lựa chọn chiều dày lớp bảo vệ có cơ sở kỹ thuật, đồng thời hỗ trợ kiểm soát chi phí vật liệu.

Bốn IBST cung cấp dịch vụ tư vấn thiết kế kết cấu thép chịu lửa theo EN 1993-1-2, hỗ trợ tính toán khả năng chịu lực khi cháy, xác định nhiệt độ tới hạn và lựa chọn phương án bảo vệ kết cấu thép.

Chủ đầu tư, ban quản lý dự án và nhà thầu có nhu cầu tính toán kết cấu thép chịu lửa cho nhà xưởng, nhà kho hoặc công trình công nghiệp có thể liên hệ Bốn IBST qua hotline 0977 881 789 để được tư vấn kỹ thuật.