Làm thế nào để kết cấu thép chống cháy?

Kết cấu thép có một điểm yếu chí mạng: khả năng chống cháy kém. Để đảm bảo kết cấu thép duy trì độ bền và độ cứng trong thời gian dài khi xảy ra hỏa hoạn, bảo vệ tính mạng và tài sản, nhiều biện pháp phòng cháy chữa cháy thường được thực hiện trong các dự án kỹ thuật thực tế.

Bài viết này sẽ trình bày chi tiết các biện pháp phòng cháy chữa cháy khác nhau dựa trên các nguyên tắc cơ bản của chúng và so sánh ưu điểm và nhược điểm của chúng.

Các biện pháp phòng cháy chữa cháy kết cấu thép được chia thành hai loại dựa trên nguyên tắc: phương pháp cách nhiệt và phương pháp làm mát bằng nước. Mục tiêu chung của họ là đảm bảo rằng các bộ phận không vượt quá nhiệt độ tới hạn trong một khoảng thời gian nhất định. Sự khác biệt nằm ở cách tiếp cận: phương pháp cách nhiệt ngăn chặn sự truyền nhiệt đến các bộ phận, trong khi phương pháp làm mát bằng nước cho phép nhiệt tiếp cận các bộ phận và sau đó tản nhiệt để đạt được mục tiêu.

Xếp hạng khả năng chống cháy của kết cấu thép đề cập đến thời gian chống cháy trong quá trình thử lửa tiêu chuẩn, được đo từ thời điểm tiếp xúc với lửa cho đến khi mất tính ổn định, tính toàn vẹn hoặc cách nhiệt.

Điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù bản thân thép không bắt lửa hoặc cháy nhưng các đặc tính của nó bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ. Ở 250 độ, độ bền va đập của thép giảm; và vượt quá 300 độ, điểm năng suất và sức mạnh cuối cùng của nó giảm đáng kể. Trong các đám cháy thực tế, với điều kiện tải trọng không đổi, nhiệt độ tới hạn khiến kết cấu thép mất đi độ ổn định cân bằng tĩnh là khoảng 500 độ, trong khi nhiệt độ cháy thông thường lên tới 800–1000 độ. Hậu quả là, dưới nhiệt độ cháy cao, kết cấu thép nhanh chóng bị biến dạng dẻo, dẫn đến hư hỏng cục bộ và cuối cùng khiến toàn bộ kết cấu bị sụp đổ và hư hỏng.

Kết cấu thép phải kết hợp các biện pháp phòng cháy chữa cháy để đảm bảo đủ chỉ số chống cháy. Điều này ngăn chặn sự nóng lên nhanh chóng của các bộ phận thép đến nhiệt độ tới hạn trong khi cháy, tránh biến dạng quá mức dẫn đến sụp đổ kết cấu và do đó có được thời gian quý báu để chữa cháy và sơ tán an toàn, giảm thiểu tổn thất{1}}liên quan đến hỏa hoạn.

Phương pháp rào cản nhiệt
Các phương pháp ngăn nhiệt, được phân loại theo lớp phủ chống cháy và vật liệu đóng gói, bao gồm kỹ thuật phun và đóng gói. Phương pháp phun bảo vệ các bộ phận bằng cách phủ hoặc phun sơn chống cháy. Phương pháp đóng gói có thể được chia thành đóng gói rỗng và đóng gói rắn.

Phương pháp phun

Thông thường, lớp phủ chống cháy được phủ hoặc phun lên bề mặt thép để tạo thành lớp cách nhiệt chống cháy{0}}, nâng cao chỉ số chống cháy của kết cấu thép. Phương pháp này có kết cấu đơn giản, trọng lượng nhẹ, thời gian chống cháy kéo dài và không bị hạn chế bởi hình dạng hình học của các bộ phận thép. Nó mang lại hiệu quả chi phí-tốt và tính thực tiễn nên được áp dụng rộng rãi. Lớp phủ chống cháy kết cấu thép có nhiều loại khác nhau, được phân thành hai loại: lớp phủ màng mỏng-loại B (tức là lớp phủ chống cháy kết cấu thép) và lớp phủ màng dày-H.

Lớp phủ chống cháy loại B thường có độ dày lớp phủ là 2-7mm. Vật liệu cơ bản của chúng là nhựa hữu cơ, mang lại một số hiệu ứng trang trí đồng thời nở ra và dày lên ở nhiệt độ cao. Chỉ số chống cháy của chúng có thể đạt 0,5 đến 1,5 giờ. Lớp phủ chống cháy kết cấu thép dạng màng mỏng-có lớp phủ mỏng, trọng lượng nhẹ và khả năng chống rung tốt. Đối với các kết cấu thép lộ thiên trong nhà và kết cấu thép mái nhẹ có chỉ định khả năng chống cháy từ 1,5 giờ trở xuống, nên sử dụng lớp phủ chống cháy kết cấu thép màng mỏng. Lớp phủ chống cháy loại H{19}}thường có độ dày lớp phủ từ 8 đến 50 mm và có bề mặt dạng hạt. Chủ yếu bao gồm các vật liệu cách nhiệt vô cơ, chúng có mật độ và độ dẫn nhiệt thấp. Xếp hạng chống cháy có thể đạt 0,5 đến 3,0 giờ. Lớp phủ chống cháy có cấu trúc màng-dày thường không-cháy, có khả năng chống lão hóa và mang lại độ bền đáng tin cậy. Đối với các kết cấu thép trong nhà được che giấu, các kết cấu thép{24}}cao và các kết cấu thép nhà máy công nghiệp nhiều tầng yêu cầu chỉ số chống cháy từ 1,5 giờ trở lên, nên chọn lớp phủ chống cháy kết cấu màng dày.

Phương pháp đóng gói

1) Phương pháp đóng gói rỗng: Thường sử dụng các tấm chống cháy hoặc gạch chịu lửa để bọc các thành phần thép dọc theo chu vi bên ngoài của chúng. Hầu hết các kết cấu thép trong các nhà máy hóa dầu trong nước đều sử dụng gạch chịu lửa để bảo vệ các cấu kiện thép. Phương pháp này mang lại độ bền và khả năng chống va đập cao nhưng có nhược điểm bao gồm yêu cầu không gian đáng kể và kết cấu phức tạp. Sử dụng các tấm chịu lửa nhẹ như tấm xi măng-được gia cố bằng sợi, tấm thạch cao hoặc tấm vermiculite làm lớp ngoài chống cháy. Phương pháp đóng hộp-cho các bộ phận thép lớn mang lại các ưu điểm bao gồm bề mặt hoàn thiện mịn và phẳng, chi phí thấp, tổn thất vật liệu tối thiểu, không gây ô nhiễm môi trường và khả năng chống lão hóa, mang lại triển vọng đầy hứa hẹn cho việc áp dụng rộng rãi.

2) Phương pháp bao bọc kiên cố: Thông thường bao gồm việc bao bọc các cấu kiện thép bằng cách đổ bê tông để bao bọc hoàn toàn chúng. Phương pháp này được sử dụng cho các cột thép ở Trung tâm Tài chính Thế giới Phố Đông ở Thượng Hải. Ưu điểm của nó bao gồm cường độ cao và khả năng chống va đập, nhưng nhược điểm bao gồm không gian đáng kể bị chiếm bởi lớp bảo vệ bê tông và kết cấu tương đối phức tạp, đặc biệt là trên dầm thép và giằng thép.

Phương pháp làm mát bằng nước

Các phương pháp làm mát bằng nước bao gồm làm mát bằng phun nước và làm mát bằng nước-.

Làm mát phun nước
Làm mát phun nước liên quan đến việc lắp đặt hệ thống phun nước tự động hoặc thủ công phía trên kết cấu thép. Khi xảy ra hỏa hoạn, kích hoạt vòi phun nước sẽ tạo thành màng nước liên tục trên bề mặt thép. Khi ngọn lửa chạm tới bề mặt thép, nước bay hơi sẽ hấp thụ nhiệt, làm trì hoãn việc đạt được nhiệt độ giới hạn của kết cấu. Phương pháp này được thực hiện tại Tòa nhà Kỹ thuật Xây dựng tại Đại học Tongji.

Nước-Làm mát đầy

Làm mát bằng nước-liên quan đến việc đổ đầy nước vào các thành phần thép rỗng. Nước tuần hoàn trong kết cấu thép sẽ hấp thụ nhiệt do chính thép tạo ra, cho phép kết cấu duy trì nhiệt độ thấp hơn khi cháy và ngăn ngừa mất khả năng chịu tải-do nhiệt độ quá cao. Để chống ăn mòn và đóng băng, nước phải chứa chất ức chế rỉ sét và chất chống đông. Phương pháp này được áp dụng cho các cột thép trong Tòa nhà Thép US 64 tầng ở Pittsburgh, Hoa Kỳ.

Phương pháp cách nhiệt sử dụng vật liệu chặn nhiệt-để làm chậm quá trình truyền nhiệt sang các bộ phận kết cấu thép. Nhìn chung, vật liệu cách nhiệt mang lại khả năng kinh tế và tính thực tế tốt hơn, khiến nó được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế. Mặc dù làm mát bằng nước là một biện pháp phòng cháy chữa cháy hiệu quả nhưng các yêu cầu về thiết kế kết cấu chuyên dụng và chi phí cao hơn đã hạn chế việc áp dụng rộng rãi nó trong thực tế kỹ thuật.

Do cách nhiệt được sử dụng rộng rãi trong phòng cháy chữa cháy kết cấu thép nên phần sau tập trung vào việc so sánh ưu điểm và nhược điểm của phương pháp phun sơn và đóng gói trong các biện pháp cách nhiệt.

Chống cháy

Về khả năng chống cháy, phương pháp đóng gói vượt trội hơn phương pháp phun sơn. Các vật liệu đóng gói như bê tông và gạch chịu lửa có khả năng chống cháy vượt trội so với các lớp phủ chống cháy thông thường. Ngoài ra, khả năng chống cháy của tấm chống cháy mới vượt trội so với lớp phủ chống cháy. Giới hạn chịu lửa của chúng cao hơn đáng kể so với vật liệu cách nhiệt chống cháy có cùng độ dày cho kết cấu thép, thậm chí vượt xa giới hạn chống cháy của lớp phủ chống cháy.

Độ bền

Vật liệu đóng gói như bê tông thể hiện độ bền vượt trội, chống lại sự suy giảm hiệu suất theo thời gian. Độ bền vẫn là một thách thức chưa được giải quyết đối với lớp phủ chống cháy kết cấu thép. Lớp phủ chống cháy mỏng và siêu mỏng-dựa trên hữu cơ, dù được sử dụng trong nhà hay ngoài trời, đều có thể bị phân hủy, xuống cấp hoặc lão hóa các thành phần hữu cơ của chúng. Điều này dẫn đến lớp phủ bị bong tróc, tạo thành bột hoặc mất đặc tính chống cháy.

Khả năng làm việc

Việc phun sơn chống cháy cho thép rất đơn giản, không cần dụng cụ phức tạp. Tuy nhiên,-lớp phủ phun có khả năng kiểm soát chất lượng kém-việc loại bỏ rỉ sét, độ dày lớp phủ và độ ẩm môi trường rất khó quản lý. Các phương pháp đóng gói phức tạp hơn, đặc biệt đối với giằng và dầm, nhưng mang lại khả năng kiểm soát vượt trội và chất lượng ổn định. Giới hạn chống cháy có thể được kiểm soát chính xác bằng cách điều chỉnh độ dày vật liệu bao bọc.

Tác động môi trường

Việc phun xịt gây ô nhiễm môi trường trong quá trình thi công, đặc biệt là khi các khí độc hại có thể thoát ra dưới nhiệt độ cao. Các phương pháp đóng gói không tạo ra khí thải độc hại trong quá trình xây dựng, sử dụng bình thường hoặc trong điều kiện hỏa hoạn, mang lại lợi ích cho việc bảo vệ môi trường và an toàn nhân sự trong hỏa hoạn.

Kinh tế

Phương pháp phun có tính năng thi công đơn giản, thời gian thực hiện dự án ngắn và chi phí xây dựng thấp. Tuy nhiên, lớp phủ chống cháy đắt tiền và chi phí bảo trì cao do các vấn đề như lão hóa lớp phủ. Phương pháp bọc có chi phí xây dựng cao hơn nhưng sử dụng vật liệu rẻ tiền và chi phí bảo trì thấp. Nhìn chung, phương pháp quấn mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn.

Khả năng ứng dụng

Phương pháp phun không bị hạn chế bởi hình dạng thành phần và được sử dụng rộng rãi để bảo vệ dầm, cột, tấm sàn, kết cấu mái và các thành phần khác. Nó đặc biệt thích hợp để chống cháy trong các hệ thống kết cấu không gian như kết cấu thép nhẹ, kết cấu khung không gian và kết cấu thép không đều. Phương pháp bọc liên quan đến việc xây dựng phức tạp, đặc biệt đối với các bộ phận như dầm thép và giằng. Nó thường được sử dụng phổ biến hơn cho cột và có phạm vi ứng dụng ít hơn so với phương pháp phun.

Chiếm không gian

Lớp phủ chống cháy được sử dụng trong ứng dụng phun chiếm khối lượng tối thiểu, trong khi các vật liệu đóng gói như bê tông và gạch chống cháy sẽ tiêu tốn không gian, làm giảm diện tích sử dụng. Ngoài ra, vật liệu đóng gói nặng hơn đáng kể.

Dựa trên phân tích trên, có thể rút ra kết luận sau:

1) Việc lựa chọn biện pháp phòng cháy chữa cháy cho kết cấu thép phải xem xét nhiều yếu tố gồm loại cấu kiện, độ khó thi công, yêu cầu về chất lượng, độ bền và hiệu quả kinh tế;

2) So sánh phương pháp phun và phương pháp đóng gói, ứng dụng phun chủ yếu mang lại lợi thế về kỹ thuật xây dựng đơn giản hóa và sự thay đổi tối thiểu đối với hình thức sau{1}}của ứng dụng thành phần. Đóng gói chủ yếu mang lại lợi thế về chi phí thấp hơn, khả năng chống cháy vượt trội và độ bền;

3) Mỗi ​​biện pháp phòng cháy chữa cháy đều có những điểm mạnh và hạn chế riêng biệt. Trong các ứng dụng kỹ thuật, việc kết hợp nhiều biện pháp có thể phát huy những ưu điểm tương ứng và bù đắp những thiếu sót. Việc thực hiện các biện pháp khác nhau có thể thiết lập nhiều lớp phòng cháy chữa cháy.