Với các phương pháp ngày càng tiên tiến, chúng ta hiện có nhiều cách hơn để kiểm tra một thiết kế đề xuất trong các điều kiện khác với điều kiện bình thường, chẳng hạn như trong trường hợp hỏa hoạn. Không còn cần thiết phải sử dụng các phương pháp đơn giản hóa hoặc tra bảng vốn cho kết quả không chính xác và quá thiên về an toàn. Hiện nay có thể áp dụng phân tích nâng cao cho một thiết kế, bao gồm cả các chi tiết của nó. IDEA StatiCa Connection cung cấp cho bạn tính toán khả năng chịu lửa theo các tiêu chuẩn, bao gồm tính toán phòng cháy (EN/AISC). 

Hơn nữa, nó không quá phức tạp. Hãy cùng làm rõ chủ đề này.

Cách tiếp cận thiết kế phòng cháy

Khi nói đến thiết kế phòng cháy, chúng ta có một số phương pháp có thể sử dụng:

• Phương pháp tra bảng
• Thiết kế đơn giản hóa (kiểm tra từng cấu kiện riêng lẻ ở nhiệt độ bình thường)
• Thiết kế nâng cao (kiểm tra bao gồm tính toán số về khả năng chịu lửa cho các liên kết)

Cho đến nay, các phương pháp đơn giản hóa đã được sử dụng, hoặc là Phương pháp tra bảng hoặc Thiết kế đơn giản hóa với cách tiếp cận giải tích hoặc số, nhưng chỉ áp dụng cho các cấu kiện riêng lẻ chịu nhiệt độ tiêu chuẩn. Việc tính toán khả năng chịu lửa cho các liên kết thép hoàn toàn không được sử dụng. Thiết kế đơn giản hóa được áp dụng với giả thiết cơ bản rằng các liên kết có nhiều vật liệu hơn và nóng lên chậm hơn so với các cấu kiện khác. Điều này đã dẫn đến các khoảng trống về an toàn và cả sự kém hiệu quả về kinh tế.

Chúng ta giải quyết điều đó như thế nào? Có một giải pháp đơn giản – thực hiện kiểm tra đúng đắn. Thiết kế nâng cao ở nhiệt độ tăng cao có thể khắc phục những điểm yếu này. Điều đó đặc biệt quan trọng đối với các công trình có tầm quan trọng lớn hơn, chẳng hạn như sân bay, sân vận động, bệnh viện, v.v. Và hơn nữa, chúng ta có khả năng thực hiện tính toán số ở nhiệt độ tăng cao, không chỉ cho các cấu kiện mà còn cho cả các liên kết!

Hãy cùng xem xét nguyên lý tính toán được sử dụng trong IDEA StatiCa và quy trình thiết kế liên kết thép nói chung.

Cốt lõi của tính toán 

Tính toán khả năng chịu lửa dựa trên cấp chịu lửa (còn được gọi là mức chịu lửa) và đường cong nhiệt độ - thời gian.

Thông số đầu vào đầu tiên được biết từ hồ sơ dự án. Cấp chịu lửa là kết quả đầu ra thường là một phần của hồ sơ phòng cháy được cơ quan phòng cháy phê duyệt. Nó chỉ ra khoảng thời gian mà kết cấu phải chịu đựng để mọi người có thể thoát ra khỏi tòa nhà an toàn trước khi sụp đổ. Thời gian có thể dao động từ 15 đến 240 phút (R15 đến R240) và sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều thông số, chẳng hạn như chức năng và quy mô công trình, số tầng, vị trí lối thoát hiểm và nhiều yếu tố khác. Trong thực tế, điều này có nghĩa là bạn có thể thiết kế một tòa nhà khó thoát hiểm hơn nhưng phải tồn tại đến bốn giờ, hoặc kết cấu có thể sụp đổ sau 15 phút nếu có thể thoát ra đủ nhanh. Nhưng hãy nhớ rằng, đó không phải là quyết định của bạn, kỹ sư kết cấu, mà là của cơ quan quản lý xây dựng và phòng cháy.

Là thông số tiếp theo, bạn phải chọn một đường cong nhiệt độ - thời gian, thể hiện quá trình cháy. Nói cách khác, đó là sự tăng nhiệt độ của không khí theo thời gian. Trong thực tế, đường cong sẽ bắt đầu giảm ngay khi không còn gì để cháy. Nhưng cho mục đích thiết kế, một đường cong nhân tạo đã được tạo ra dựa trên các thử nghiệm và được phóng đại để cho kết quả thiên về an toàn. Trong IDEA StatiCa, bạn có thể chọn từ nhiều đường cong theo Eurocode (ISO 834/đám cháy tiêu chuẩn) hoặc AISC (ASTM E119) nhưng cũng có các đường cong đặc biệt cho đám cháy lan nhanh hơn, như hydrocarbon dùng cho giàn khoan dầu, tàu thuyền hoặc nhà máy công nghiệp.

Dựa trên loại đường cong nhiệt độ - thời gian và các thông số vật liệu cũng như kích thước khác, phần mềm tính toán nhiệt độ của từng cấu kiện (bản thép) tại một thời điểm cụ thể, theo cấp chịu lửa, sử dụng phương pháp gia tăng. Nhiệt độ của bu lông và mối hàn được lấy theo bản thép kết nối nóng hơn. Việc tính toán tự động cho bản thép được thực hiện theo các tiêu chuẩn hiện hành, và có thể chỉ định xem có sử dụng lớp bảo vệ chống cháy hay không. Đồng thời, khả năng nhập nhiệt độ của từng cấu kiện theo cách thủ công cũng được duy trì.

Theo nhiệt độ của các cấu kiện, sự suy giảm vật liệu và do đó hệ số giảm tính chất vật liệu được xác định. Các kiểm tra tiêu chuẩn của bản thép, bu lông và mối hàn sau đó giống như đối với phân tích ứng suất - biến dạng thông thường nhưng sử dụng các giá trị đã giảm.

Xem những gì bạn nhận được

Hãy xem bản trình diễn ngắn sau đây về kết quả phân tích khả năng chịu lửa trong IDEA StatiCa Connection để có ý tưởng về cách liên kết hoạt động trong các điều kiện khác nhau và cách lý thuyết được áp dụng.

Đầu tiên, tôi sẽ kiểm tra bằng phân tích ứng suất - biến dạng để xem nút liên kết có đạt yêu cầu không. 

Sau đó, tôi tạo một bản sao và thiết lập phân tích khả năng chịu lửa. Trong cài đặt, tôi chọn cấp chịu lửa thấp nhất, R15, và đường cong đám cháy tiêu chuẩn theo Eurocode. Tôi sẽ cố tình thiết lập một nút liên kết không có lớp bảo vệ chống cháy.

Trong các kết quả hiển thị, chúng ta có thể thấy cách các cấu kiện riêng lẻ sẽ nóng lên mà không có lớp bảo vệ chống cháy trong vòng 15 phút và điều này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến tính chất của vật liệu và do đó là khả năng chịu lực của nút liên kết được kiểm tra. Có thể thấy rằng chỉ trong 15 phút, một số cấu kiện đã đạt nhiệt độ trên 700 °C. 

Bằng cách thêm lớp bảo vệ chống cháy, chúng ta ngay lập tức đạt được các giá trị hoàn toàn khác, đặc biệt trong khoảng thời gian ngắn như vậy. Các bản thép không có đủ thời gian để nóng lên, và sự suy giảm vật liệu không còn là vấn đề.

Khi cấp được tăng lên R90, và do đó với việc kéo dài thời gian mà kết cấu phải chịu đựng hỏa hoạn, chúng ta lại đạt nhiệt độ khoảng 700 °C. Tuy nhiên, với lớp bảo vệ chống cháy, có đủ thời gian để sơ tán trong trường hợp đầu tiên.

Với sự trợ giúp của mô hình số, chúng ta có thể thực hiện so sánh đơn giản này giữa các trường hợp khác nhau trong vài phút. Cũng dễ dàng đọc từ kết quả xem cấu kiện nào có khả năng là điểm yếu nhất của thiết kế.

Kết luận

Như đã thấy ở trên, thiết kế cho tác động của hỏa hoạn không cần phải là một cuộc vật lộn như vậy. IDEA StatiCa sẽ giúp bạn thiết kế một kết cấu an toàn để sử dụng và đồng thời kinh tế. Không cần phải sử dụng các phương pháp bảo thủ lỗi thời hoặc hoàn toàn tránh né tính toán.

Ngoài khả năng chịu lửa trong IDEA StatiCa Connection, chúng tôi cũng cung cấp giải pháp để kiểm tra tất cả các cấu kiện trong IDEA StatiCa Member.

Để tìm hiểu thêm về lý thuyết, hãy đọc bài viết cơ sở kiến thức Thiết kế phòng cháy hoặc xem các trường hợp kiểm chứng được thực hiện bởi Giáo sư Wald từ CTU.