Tuyn tp Hi ngh Khoa hc thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
214
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỬA CỦA TIẾT DIỆN
DẦM THÉP THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU
Nguyễn Văn Thắng1, Lê Văn Thập2, Lê Minh Hiếu1, Nguyễn Thanh Bình1
1Trường Đại hc Thy li, email: thangnv@tlu.edu.vn
2Công ty C phn Công nghip Fuji Vit Nam
1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP
CHỊU LỬA
Quy trình thiết kế kết cấu chịu lửa theo
tiêu chuẩn Châu Âu (TCCA) có thể được đơn
gin hóa thành ba thành phn bao gm đc
điểm của hình lửa, xem xét sự phân bố
nhiệt độ trong kết cấu đánh giá phản ứng
của kết cấu đối với hỏa hoạn. Thông tin về
các tác động nhiệt để phân tích nhiệt độ được
đưa ra trong EN 1991-1-2 phương pháp
được sử dụng để tính toán sự gia tăng nhiệt
độ của kết cấu thép (được bảo vệ hoặc không
được bảo vệ) được thể hiện trong EN 1993-1-
2. Các quy trình thiết kế để thiết lập khả năng
chịu lực của kết cấu được nêu trong EN 1993
nhưng các tác động (hoặc tải trọng) được sử
dụng để đánh giá được lấy từ các phần
liên quan của EN 1991.
Theo (TCCA), chức năng an toàn cháy nổ
của công trình được chia thành ba tiêu chí
dựa trên các mục tiêu an toàn khác nhau
một cấu kiện kết cấu thể cung cấp (Hình
1) và được định nghĩa như sau:
Tiêu chí "R" (load bearing capacity - khả
năng chịu tải) được giả định thỏa mãn khi
chức năng chịu tải của một cấu kiện hoặc một
bộ phận được duy trì trong thời gian cần thiết
tiếp xúc với lửa;
Tiêu chí "E" (integrity separating function
- chức năng ngăn cách) khi tiếp xúc với lửa ở
một phía, thể ngăn chặn ngọn lửa khí
nóng đi qua nó và ngăn chặn sự xuất hiện của
ngọn lửa ở phía không tiếp xúc với lửa;
Tiêu chí "I" (thermal insulation separating
function - chức năng ngăn cách nhiệt), được
giả định thỏa mãn khi nhiệt độ trung bình
tăng trên toàn bộ bề mặt không tiếp xúc bị
giới hạn ở một mức nhất định.
Khi đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu
thép chịu lửa thì nhiệt tính tính của vật
liệu thép nhiệt độ cao cần được quan tâm.
Độ dẫn nhiệt nhiệt dung riêng của thép
hàm của nhiệt độ được thể hiện Hình 2.
cho thấy độ dẫn nhiệt của thép khá cao, điều
này làm cho các cấu kiện thép thường khá
mảnh dễ bị tăng nhiệt nhanh khi có cháy.
Đ bn ca thép thay đi theo nhit đ và
mối quan hệ ứng suất-biến dạng của nó
nhiệt độ cao được minh họa Hình 3. thể
thấy rằng vật liệu thép bắt đầu mất đáng kể
độ bền độ cứng từ 400°C. 600°C, độ
cứng của thể giảm khoảng 70 % độ
bền của nó giảm khoảng 50 %.
Hình 1. Tiêu chí chu la theo tiêu chun Châu Âu
Tuyn tp Hi ngh Khoa hc thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
215
Hình 2. Độ dn nhit, nhit dung riêng
ca thép thay đổi theo nhit độ
Hình 3. Cơ tính ca kết cu thép
nhit độ cao
Đối với cấu kiện kết cấu thép chịu một
mức tải nhất định, nhiệt độ tại đó dự
kiến bị phá hoại được gọi nhiệt độ tới hạn
(θcr). Tác dụng nhiệt lên cấu kiện thép tải
trọng gián tiếp, dòng nhiệt truyền từ ngọn lửa
sang cấu kiện thép phụ thuộc vào hình dạng
tiết diện sự tiếp xúc không đồng đều của
cấu kiện với lửa. Đường cong gia tăng nhiệt
trong kết cấu thép với một số tham số tiết
diện mẫu được thể hiện ở Hình 4.
Hình 4. Quan h nhit độ phát trin
theo thi gian vi mt s tiết din thép
không bc bo v chu tác động ca la
theo ISO 834
Khi thiết kế cho phép đánh giá khả năng
chịu lửa của kết cấu thép được thực hiện với
một trong các phương pháp sau:
- Phương pháp nhiệt độ tới hạn: phương
pháp thiết kế đơn giản được sử dụng phổ biến
nhất để đánh giá khả năng chịu lửa của các
cấu kiện kết cấu thép;
- Các hình tính toán đơn giản: gồm tất
cả các hình học đơn giản được phát
triển để phân tích cấu kiện kết cấu thép;
- Các hình tính toán nâng cao: thể
được áp dụng cho mọi loại kết cấu nói
chung dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn
hoặc sai phân hữu hạn.
Nghiên cứu này giới thiệu các bước tính
toán khả năng chịu lửa của một dầm thép đơn
giản theo phương pháp nhiệt độ tới hạn.
2. CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG
CHỊU LỬA CỦA DẦM THÉP
Bước 1: Trong điều kiện cháy, tải trọng
thiết kế được xác định bởi;
, , , 2,1 ,1 2, ,fi d t k j k i k i
EGQ Q


[1]
trong đó: Gk,j tĩnh tải, Qk,1 hoạt tải thứ
nhất, Qk,i là hoạt ti kèm theo, ψ2,i là h số t
hợp (tra bảng Bảng A1.1 của EN 1990).
Bước 2: Tiết diện thép khi tính toán chịu
lửa vẫn cần phân loại như thông thường. Tuy
nhiên khi kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ nên
hệ số giới hạn được kể thêm 0,85:
0,85 235 / y
f
[2]
Bước 3: Khả năng chịu tải của tiết diện
nhiệt độ phòng (20°C) được tính toán như
thông thường được hướng dẫn ở EC3, Rfi,d,0;
Bước 4: Tính toán mức độ sử dụng của
cấu kiện, μ0, thường được tính là tỷ lệ giữa tải
thiết kế điều kiện cháy (Efi,d) khả năng
chịu tải của cấu kiện ở nhiệt độ thường Rfi,d,0;
Bước 5: Nhiệt độ tới hạn với cấu kiện
không xét đến điều kiện ổn định:
0
3,833
1
39,19ln 1 482( )
0,9674
cr C





[3]
Với cấu kiện xét đến điều kiện ổn định
phụ thuộc vào mức độ sử dụng (μ0) độ
mảnh quy đổi ,0
f
i
;
Tuyn tp Hi ngh Khoa hc thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
216
Bước 6: Tính hệ số tiết diện Am/V h s
hiệu chỉnh ksh;
Am/V tỉ số giữa chu vi của dầm tiếp xúc
với lửa và thể tích của tiết diện dầm;
ksh hệ số kể đến hiệu ứng bóng do quá
trình truyền nhiệt sang các cấu kiện thép
không bọc không đồng đều ở tất cả các mặt,
0,9. /
mm
sh
b
A
A
kVV


 [4]
với
/
mb
A
Vhệ số tiết diện chu vi chỉ
kể đến phần tiếp xúc với lửa của cấu kiện.
Bước 7: Thực hiện một bài toán lặp để xác
minh xem θfi,d = θcr tại thời điểm tiếp xúc với
lửa tfi,d. Với dầm không được bọc bảo vệ:


,,
/./..
at sh a a m netd
kc AVh t


[5]
trong đó: Δt bước thời gian, ρa: dung trọng
riêng của thép, ca: nhiệt dung riêng của thép,
hnet,d (thông lượng nhiệt) hai thành phần
(phần đối lưu hnet,c và phần bức xạ hnet,r).
3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN
Xác đnh kh năng chu la ca dm thép
là dầm đơn giản có nhịp 7,0 m; cách đều nhau
bước 3,0 m, dầm đỡ sàn văn phòng BTCT
dày 120 mm. Hoạt tải sử dụng 3 kN/m2 và
tải trọng các lớp hoàn thiện 3 kN/m2. Dầm
sử dụng thép mác S275.
3.1. Chọn tiết diện dầm
Tải trọng và nội lực dầm ở điều kiện thường:
37,8 0,798 38,598kN/m
d
F
22
,. / 8 38,598 7 / 8 236,412kNm
yEd d
MFL

. / 2 18,1542 7 / 2 135,093kN
Ed d
VFL
Tiết diện yêu cầu phải có mô đun bền dẻo:
33
,
W 236,412.10 .1,0 / 275 859,68
pl y cm
Từ bảng tra ta chọn được phần tử UB
45715282 Wpl,y = 1810 cm3. Ta


235 235 275 0,92
y
f

nên có có
thể phân loại tiết diện dầm loại 1 điều
kiện thường.
3.2. Kiểm tra khả năng chịu lửa của dầm
Bước 1: Tải trọng thiết kế chịu lửa:
, , , 2,1 ,1 2, ,
f
idt k j k i ki
EGQ Q


Nội lực lên dầm khi chịu lửa: Momen uốn
,, 129,554
fi d t
M
kNm
; lực cắt: ,, 74,031
fi d t
VkN
Bước 2: Ta

0,85 235 / 0,786
y
f

nên toàn bộ tiết diện dầm loại 1 khi
chịu lửa.
Bước 3: Từ tính toán phần trên với thiết
kế nhiệt độ bình thường:
,,
,,
497,75 ;
827,781
cRd plRd
cRd plRd
M
MkNm
VV kN

Bước 4: Hệ số mức độ sử dụng: Xét về mô
men uốn
0,m = 0,26; xét về lực cắt:
0, 0,098
v
00,0,
max( ; ) 0,26
mv

;
Bước 5: Nhiệt độ tới hạn
cr = 687C;
Bước 6: Am/V = 143 m-1,
(Am/V)b = 118 m-1, 0,743
sh
k
;
Bước 7: Đối với nhiệt độ tới hạn 687°C
(đối với dầm không được bảo vệ) ksh.Am/V
của 106,249 m-1, thời gian để đạt được nhiệt
độ đó khi tiếp xúc với lửa là tfi,d = 14 phút.
4. KẾT LUẬN
Bài báo này đã giới thiệu các bước tính
toán khả năng chịu lửa của dầm thép không
bọc bằng phương pháp nhiệt độ tới hạn theo
tiêu chuẩn châu Âu. Một ví dụ tính toán cũng
đưc đưa ra đ giúp kỹ d dàng thực hành
tính toán kiểm tra khả năng chịu lửa của
dầm thép.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] EN 1991-1-2 (2002). Eurocode 1: Actions
on structures - Part 1-2: General actions -
Actions on structures exposed to fire. CEN,
European Committee for Standardization,
Brussels, Belgium.
[2] EN 1993-1-2 (2005). Eurocode 3: Design of
steel Structures. Part 1.2: Structural fire
design. CEN, European Committee for
Standardization, Brussels, Belgium.
[3] Eurocodes: Background & Applications
Structural Fire Design/O.Vassart, B.Zhao,
L.G.Cajot, F.Robert, U.Meyer, A.Frangi:
Publications Office of the European Union,
2014.