Lựa chọn vật liệu chống cháy cho kết cấu thép

38 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª Lựa chọn vật liệu chống cháy cho kết cấu thép Design considerations for fire protection materials for steel structures Chu Thị Bình Tóm tắt Kết cấu thép có nhược điểm là khả năng chịu cháy kém nên cần bọc các lớp chống cháy để đảm bảo điều kiện an toàn cháy. Bài báo này trình bày cách lựa chọn vật liệu bọc chống cháy cho kết cấu thép như sơn chống cháy, vữa chống cháy, tấm thạch cao cách nhiệt hoặc bọc bằng bê tông để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu. Từ khóa: Chống cháy, Giới hạn chịu lửa, Kết cấu thép Abstract Steel structures have low fire resistance so they need to be covered by fire resistance coatings. This paper represents the method to choose the fire resistance coating layers made of intumescent paint, spray applied fireproofing, insulating board systems or concrete encasement for steel structures to ensure fire safety. Keywords: Fire safety, Fire resistance, Steel structures TS. Chu Thị Bình Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: chuthibinh.hau@gmail.com 1. Giới thiệu Kết cấu thép với nhiều ưu điểm về khả năng chịu lực nên được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng. Tuy nhiên, kết cấu thép có nhược điểm là khả năng chịu cháy kém. Nếu không được bọc chống cháy, chỉ sau khoảng 15 phút chịu cháy, nhiệt độ trong kết cấu lên tới 550oC, kết cấu thép gần như bị mất khả năng chịu lực. Do đó để đảm bảo điều kiện an toàn cháy, kết cấu thép phải được bao bọc bằng vật liệu chống cháy. Có các biện pháp chống cháy kết cấu thép như: sơn bằng sơn chống cháy, phun vữa chống cháy lên bề mặt, bọc kết cấu thép bằng tấm thạch cao cách nhiệt hoặc bê tông, Câu hỏi đặt ra là lựa chọn các lớp chống cháy như thế nào. Hiện nay Việt Nam chưa có chỉ dẫn thiết kế kết cấu trong điều kiện cháy mà chỉ có các quy định cơ bản về phòng cháy và chống cháy cho kết cấu công trình như tài liệu [1,2,3]. Bài báo trình bày cách lựa chọn vật liệu chống cháy cho kết cấu thép đảm bảo điều kiện an toàn cháy theo quy định trong quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam. Do tiêu chuẩn Việt Nam chưa có đầy đủ các bảng tra và hướng dẫn tính toán nên các bảng tra và nguyên tắc tính toán theo tiêu chuẩn châu Âu sẽ được giới thiệu trong bài báo này. 2. Các bước thiết kế kết cấu thép đảm bảo điều kiện an toàn cháy theo quy chuẩn và tiêu chuẩn Việt Nam Hiện nay, Việt Nam có các tài liệu liên quan đến thiết kế kết cấu theo điều kiện an toàn cháy như sau: QCVN 03:2012/BXD Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia Nguyên tắc phân loại, phân cấp công trình dân dụng, công nghiệp và hạ tầng kỹ thuật đô thị [1]; QCVN 06:2010/BXD Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về an toàn cháy cho nhà và công trình [2]; TCVN 2622:1995 Phòng cháy, chống cháy cho nhà và công trình -Yêu cầu thiết kế [3]. Dựa vào nội dung các tài liệu nêu trên, nghiên cứu [4] đã chỉ ra rằng các công trình được thiết kế cần tuân theo các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế ở điều kiện nhiệt độ thường, đồng thời cần tuân theo yêu cầu an toàn cháy như các bước thiết kế kể dưới đây: Bước 1: Xác định “bậc chịu lửa yêu cầu” của công trình theo các quy định trong quy chuẩn xây dựng QCVN 03:2012/BXD và QCVN 06:2010/BXD dựa vào niên hạn sử dụng công trình, dạng nhà, chức năng, diện tích, chiều cao. Có các bậc chịu lửa I,II,III,IV và V. Yêu cầu cao nhất là bậc I. Ví dụ công trình bán hàng (bách hóa, siêu thị) 3 tầng có niên hạn sử dụng từ 20 năm đến dưới 50 năm thì bậc chịu lửa yêu cầu là bậc III [1,3]. Bước 2: Xác định “giới hạn chịu lửa yêu cầu” của các bộ phận kết cấu dựa vào bậc chịu lửa của công trình đã xác định ở bước 1. Mối quan hệ giữa “bậc chịu lửa yêu cầu của công trình” và “giới hạn chịu lửa yêu cầu của các bộ phận kết cấu” được cho trong các bảng trong [1,2,3]. Ví dụ công trình có bậc chịu lửa yêu cầu là bậc III thì các bộ phận chịu lực của nhà có giới hạn chịu lửa yêu cầu là R90 [2]. Khái niệm “Giới hạn chịu lửa” của cấu kiện xây dựng được xác định bằng 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 đã cho 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, R60, R90,..., R240. Bước 3: Xác định “giới hạn chịu lửa” của các bộ phận kết cấu bằng thí nghiệm hoặc tính toán. Cần thiết kế sao cho các cấu kiện có giới hạn chịu lửa không nhỏ hơn giới hạn chịu lửa yêu cầu đã xác định ở bước 2. Việt Nam chưa có tiêu chuẩn tính toán mà chỉ có các bảng tra giới hạn chịu lửa danh nghĩa của một số cấu kiện kết cấu. Ví dụ dầm thép phun bọc bằng vermiculite-xi măng dày 32mm có giới hạn chịu lửa R90 (phụ lục F- QCVN 06:2010/BXD). Phần sau trình bày các phương pháp bọc chống cháy cho kết cấu thép và cách lựa chọn vật liệu bọc để đảm bảo giới hạn chịu lửa (bước 3 nêu trên) cho cấu kiện kết cấu thép. 39 S¬ 27 - 2017 3. Các phương pháp bọc chống cháy cho kết cấu thép và cách lựa chọn chiều dày vật liệu bọc Hiện nay, có nhiều công nghệ chống cháy cho kết cấu thép như sử dụng vật liệu bao che, sử dụng sơn và sử dụng lớp vật liệu hi sinh bên ngoài để khi xảy ra cháy thì lớp đó bị cháy trước bảo vệ cho kết cấu bên trong. Trong phạm vi bài báo này các phương pháp chống cháy sau được đề cập: + Sử dụng bê tông bọc (Concrete Encasement); + Sử dụng tấm chống cháy chuyên dụng (Insulating Board Systems); + Sử dụng vữa chống cháy (Spray Applied Fireproofing); + Sử dụng các loại sơn chống cháy (Intumescent Paints). 3.1. Sử dụng bê tông bọc Bê tông là một loại vật liệu cách nhiệt tốt do đó lớp bê tông bao phủ sẽ làm gián đoạn sự truyền nhiệt lên các phần kết cấu bên trong. Tăng chiều dày lớp bê tông sẽ tăng khả năng chống cháy cho kết cấu thép. QCVN 06:2010 và TCVN 2622:1995 có bảng tra chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bọc để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu. Ví dụ với dầm thép yêu cầu giới hạn chịu lửa từ R30 đến R90 nếu bọc bê tông không tham gia chịu lực có cốt thép thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ yêu cầu (a) không nhỏ hơn 25mm; với bê tông có tham gia chịu lực có cốt thép thì yêu cầu a không nhỏ hơn 50mm (Bảng 1). Theo tiêu chuẩn châu Âu [7] khi bê tông chỉ đóng vai trò chống cháy, lớp bê tông bảo vệ tối thiểu cho tiết diện cột hoặc dầm thép chỉ phụ thuộc vào cấp chịu lửa yêu cầu và được cho trong bảng 2. Có thể tính bê tông cùng chịu lực thành kết cấu liên hợp thép bê tông và quy định kích thước tối thiểu của tiết diện để đảm bảo yêu cầu chống cháy (xem mục 4.2 của tiêu chuẩn [7]). So sánh bảng 1 và bảng 2 thấy tiêu chuẩn châu Âu và tiêu chuẩn Việt Nam yêu cầu chiều dày lớp bê tông bảo vệ không giống nhau. 3.2. Sử dụng vữa chống cháy Các loại vữa chống cháy có yêu cầu chung là độ dẫn nhiệt thấp. Trong hệ thống quy chuẩn Việt nam chỉ có bảng tra cho dầm thép bọc bằng vermiculite – ximăng, ngoài ra không có bảng tra cho loại vữa nào khác. Tiêu chuẩn châu Âu [6] có công thức tính nhiệt độ của kết cấu thép có bọc vật liệu chống cháy trong đó có vữa chống cháy. Đầu vào là thời gian cháy, tiết diện thép, chiều dày lớp bọc, khối lượng riêng của vữa bọc và hệ số dẫn nhiệt của vữa. Đầu ra là nhiệt độ trong kết cấu thép (coi như đều trên toàn tiết diện). Kết cấu thép được coi là vẫn đảm bảo khả năng chịu tải khi nhiệt độ trong kết cấu không vượt quá nhiệt độ giới hạn (550oC với cột tiếp xúc lửa cả 4 mặt, 620oC với dầm tiếp xúc lửa ở 3 mặt). Sự tăng nhiệt độ trong cấu kiện sau một khoảng thời gian cháy được xác định bởi công thức: , , 10 , , ( ) . . ( 1) (1 )3 . φ λ θ θ θ θφρ ρ φ ρ − ∆ = ∆ − − ∆ + = p p g t a t a t g t p a a p p p p a a A V t e d c c d A c V (1) Trong đó: Ap/v: Hệ số tiết diện của cấu kiện có lớp cách nhiệt ca: Nhiệt dung riêng của thép, thay đổi theo nhiệt độ cp: Nhiệt dung riêng của vật liệu cách nhiệt, không phụ thuộc vào nhiệt độ dp: Chiều dày lớp vật liệu cách nhiệt Δt: Bước thời gian tính cấu kiện chịu cháy (s), giá trị của không lớn hơn 30s Bảng 1. Quy định về chiều dày lớp bê tông bảo vệ dầm thép theo tiêu chuẩn Việt Nam (trích phụ lục F, QCVN 06-2010) TT Kết cấu và vật liệu bọc bảo vệ Chiều dày nhỏ nhất (mm) của lớp bảo vệ để đảm bảo giới hạn chịu lửa R 240 R 180 R 120 R 90 R 60 R 30 1 Bê tông cốt liệu tự nhiên có cấp phối không ít xi măng hơn 1 : 2 : 4 a) Bê tông không tham gia chịu lực, có cốt thép(b) b) Bê tông có tham gia chịu lực có cốt thép 75 75 50 75 25 50 25 50 25 50 25 50 2 Phun bọc bằng vermiculite – ximăng với chiều dày bằng: - - 38 32 19 12,5 Bảng 2. Quy định về chiều dày lớp bê tông bảo vệ kết cấu thép theo tiêu chuẩn châu Âu (trích mục 4.2 tiêu chuẩn châu Âu [7]) R30 R60 R90 R120 R180 Lớp bê tông bảo vệ c (mm) 0 25 30 40 50 Cấp chịu lửa tiêu chuẩn Bê tông chống cháy 40 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG KHOA H“C & C«NG NGHª θt: Nhiệt độ trong kết cấu tại thời điểm cháy tính toán θgt: Nhiệt độ buồng cháy tại thời điểm cháy tính toán, xác định theo đám cháy tiêu chuẩn ISO 384 Δθgt: Sự tăng nhiệt độ trong buồng cháy sau khoảng thời gian ρa: Khối lượng riêng của thép ρp: Khối lượng riêng của vật liệu cách nhiệt λp: Độ dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt 3.3. Sử dụng tấm chống cháy chuyên dụng Tấm chống cháy chuyên dụng là loại tấm được làm từ canxi silicat, tấm thạch cao hoặc tấm ép sợi khoáng với nhựa (hoặc thạch cao), có thể có cốt liệu nhẹ và khoáng (Hình 2). Tấm chống cháy được đặt lên khung kim loại (hoặc gỗ) sau đó gắn trực tiếp lên kết cấu thép. Phụ lục F, QCVN 06:2010 có bảng tra một số loại tấm, chiều dày tấm và lớp trát bên ngoài để đảm bảo giới hạn chịu lửa yêu cầu. Tiêu chuẩn châu Âu [6] dùng công thức tính nhiệt độ của kết cấu thép có bọc tấm chống cháy chuyên dụng giống như sử dụng phun vữa chống cháy (công thức (1) mục 3.2) nhưng hệ số tiết diện tính theo diện tích của mặt tấm bọc. Chi tiết xem tiêu chuẩn [6]. 3.4. Sử dụng sơn chống cháy Các loại sơn chống cháy thường là sơn trương phồng. Màng sơn sẽ phồng nở khi gặp nhiệt độ cao bảo vệ cách nhiệt cho kết cấu thép bên trong lớp sơn (Hình 3). Trong các thí nghiệm, sơn có thể trương phồng tới chiều dày gấp 15 đến 30 lần chiều dày ban đầu. Do chiều dày và các hệ số dẫn nhiệt của sơn thay đổi theo nhiệt độ nên rất khó có thể tính toán chiều dày lớp sơn cần thiết. Thường các công ty sản xuất sơn dựa vào thí nghiệm để đưa ra bảng chỉ dẫn chiều dày lớp sơn để đạt giới hạn chịu lửa yêu cầu. Trong hệ thống quy chuẩn Việt Nam không có bảng tra cho sơn chống cháy. Tiêu chuẩn châu Âu cũng không có công thức tính toán với loại vật liệu sơn chống cháy, chỉ có các bảng tra của các nhà cung cấp sơn hoặc tài liệu Bảng tra vật liệu chống cháy cho kết cấu thép [9] do hiệp hội chống cháy Vương quốc Anh xuất bản. 4. Đề xuất bảng tra thực hành chọn vật liệu chống cháy cho cấu kiện kết cấu thép Công thức (1) ở mục 3.2 cho thấy độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng và chiều dày lớp vật liệu bảo vệ là thông số quyết định đến giới hạn chịu lửa của cấu kiện. Riêng sơn trương phồng không có công thức tính toán vì mỗi loại sơn cụ thể có sự tăng chiều dày theo nhiệt độ khác nhau nên khả năng cách nhiệt rất khác nhau. Hình 1. Dầm thép được phun vữa chống cháy. Hình 2. Dầm thép được bọc tấm chống cháy. Hình 3. Cột thép sơn chống cháy sau khi chịu nhiệt độ cao [8] Bảng 3. Bảng tra vật liệu chống cháy cho dầm thép ba mặt tiếp xúc lửa có giới hạn chịu lửa R60, nhiệt độ giới hạn 620C A/V Vữa phun Bê tông Tấm chống cháy ϒ (kg/m3) d (mm) d (mm) λ (W/mK) d (mm) 80 310 12.0 25 0.120 12 360 10.5 0.183 12 390 10.0 0.191 15 732 8.0 0.200 20 90 310 17.0 25 0.120 12 360 14.5 0.183 15 390 14.0 0.191 15 732 12.0 0.200 20 200 310 17.0 25 0.120 12 360 14.5 0.183 15 390 14.0 0.191 15 732 12.0 0.200 20 (xem tiếp trang 44)