Tùy theo mục đích tính toán, các đặc trưng cần xác định có thể khác nhau, từ tốc độ giải phóng nhiệt, lượng khói và sản phẩm cháy đến nhiệt lượng cháy, tải trọng cháy riêng và mật độ tải trọng cháy.
QCVN 06:2022/BXD và Sửa đổi 1:2023 đã cho phép áp dụng thiết kế theo tính năng, song do tải trọng cháy trong thực tế rất đa dạng nên quy chuẩn không thể quy định chi tiết toàn bộ số liệu và phương pháp tính cho từng trường hợp. Trong hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam cũng chưa có tài liệu riêng hướng dẫn xác định tải trọng cháy cho nhà và công trình. Trên cơ sở đó, TS. Phạm Anh Tuấn và các thành viên Viện Khoa học công nghệ xây dựng thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng Hướng dẫn xác định và phân loại tải trọng cháy” (Mã số: RD 36-24), nhằm hệ thống hóa cơ sở tính toán, phương pháp xác định và dữ liệu tra cứu cần thiết cho các bài toán an toàn cháy. Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở phân tích, đối chiếu các quy chuẩn, tiêu chuẩn, hướng dẫn và tài liệu kỹ thuật của Việt Nam và nước ngoài, qua đó hệ thống hóa cơ sở xác định, phân loại tải trọng cháy và lựa chọn các đại lượng đầu vào phù hợp với từng bài toán an toàn cháy.
Đặc trưng tài trọng cháy và sự phát triển của đám cháy
Theo hệ thống thuật ngữ được nghiên cứu, tài trọng cháy là tổng năng lượng nhiệt được giải phóng bởi sự cháy của tất cả vật liệu có thể cháy trong một không gian công trình. Mật độ tải trọng cháy thể hiện tải trọng cháy trên một đơn vị diện tích. Các đặc trưng liên quan còn gồm nhiệt lượng cháy thấp, tốc độ mất khối lượng, tốc độ lan truyền tuyến tính của ngọn lửa và tốc độ giải phóng nhiệt – HRR.
Quá trình phát triển của đám cháy thông thường được xem xét qua các giai đoạn phát triển, bùng cháy, phát triển hoàn toàn và suy tàn, mặc dù không phải mọi đám cháy đều trải qua đầy đủ các giai đoạn. Theo điều kiện cung cấp không khí, có thể phân biệt đám cháy phụ thuộc tải trọng cháy và đám cháy phụ thuộc thông gió. Với đám cháy phụ thuộc tải trọng cháy, oxy được cung cấp đủ và tốc độ giải phóng nhiệt phụ thuộc vào đặc điểm của tải trọng cháy. Với đám cháy phụ thuộc thông gió, lượng oxy cấp vào bị hạn chế nên tốc độ giải phóng nhiệt chịu sự chi phối của điều kiện thông gió. Trong thực tế có thể xảy ra sự chuyển đổi giữa hai dạng đám cháy này.
Để xác định tốc độ giải phóng nhiệt, nghiên cứu xem xét hai cách tiếp cận chính. Theo các tài liệu của Nga, HRR được xác định từ các tham số của chất cháy, chủ yếu gồm nhiệt lượng cháy thấp, tốc độ mất khối lượng và tốc độ cháy lan theo phương ngang; việc tính toán có thể thực hiện theo từng chất cháy cụ thể hoặc theo công năng của gian phòng, nhà.
Các tài liệu Âu – Mỹ thường mô tả giai đoạn phát triển của đám cháy bằng quan hệ tốc độ giải phóng nhiệt tăng theo bình phương thời gian. Theo thời gian để đám cháy đạt mức giải phóng nhiệt 1 MW, tốc độ phát triển được phân thành cực nhanh, nhanh, trung bình và chậm, tương ứng với các mốc 75 giây, 150 giây, 300 giây và 600 giây. Nghiên cứu đồng thời tổng hợp cách phân chia chi tiết hơn trong SITIS-SPN-1 để phục vụ tra cứu. Đây là các số liệu được thu thập từ tài liệu kỹ thuật nước ngoài, không phải kết quả thử nghiệm vật liệu trong khuôn khổ đề tài.
Sự phát triển của đám cháy còn chịu ảnh hưởng của hệ thống chữa cháy tự động và điều kiện thông gió. Sau thời điểm sprinkler kích hoạt, HRR có thể giảm, giữ nguyên hoặc tiếp tục tăng. Trong sơ đồ xác định đám cháy tính toán, khi sprinkler được xem là hoạt động hiệu quả, HRR được giữ không tăng từ thời điểm kích hoạt; nếu không có sprinkler hoặc hệ thống không hiệu quả, đám cháy tiếp tục phát triển theo đường cong đã xác định. Điều kiện thông gió được xem xét khi xác định tốc độ giải phóng nhiệt tối đa.
Độc tính sản phẩm cháy và tổ hợp tải trọng cháy
Bên cạnh năng lượng của đám cháy, nghiên cứu xem xét các yếu tố liên quan đến điều kiện an toàn cho người như tầm nhìn trong khói, nhiệt độ và sản phẩm cháy độc hại. Trong phương pháp tính toán rủi ro cháy riêng lẻ được tài liệu tham khảo, CO2, CO và HCl là các thành phần được sử dụng để đánh giá độc tính.
Trên cơ sở lượng sản phẩm sinh ra khi cháy và nồng độ tối đa cho phép của từng thành phần, nghiên cứu đề xuất hệ số độc tính tổng hợp K bằng tổng các hệ số độc tính của CO, CO2 và HCl. Theo phương án đề xuất, hỗn hợp vật liệu dễ cháy được chia thành ba mức: độc tính thấp khi K không lớn hơn 30; độc tính trung bình khi K lớn hơn 30 và không lớn hơn 80; độc tính cao khi K lớn hơn 80. Việc phân loại này được xây dựng trên cơ sở các dữ liệu và phương pháp được nghiên cứu, không phải kết quả của một chương trình thử nghiệm độc tính mới do đề tài thực hiện.
Khi trong một gian phòng hoặc nhà có nhiều tải cháy cùng tồn tại trên một khu vực và không thể xác định riêng từng vùng tải trọng cháy, các tải này được xem xét như một hỗn hợp vật liệu dễ cháy có các thông số tương đương. Mật độ tải trọng cháy của tổ hợp bằng tổng mật độ các tải cháy thành phần; các đặc tính của tổ hợp được xác định trên cơ sở đặc tính của từng thành phần và mật độ tải trọng cháy tương ứng.
Các đại lượng có thể xem xét trong tổ hợp gồm nhiệt lượng cháy thấp, tốc độ mất khối lượng, vận tốc cháy lan tuyến tính, lượng oxy tiêu thụ, khả năng sinh khói và lượng CO2, CO, HCl phát sinh. Cách xác định này cho phép xem xét trường hợp tải trọng cháy thực tế được hình thành từ nhiều loại vật liệu, vật dụng khác nhau.
Xác định mật độ tải trọng cháy trong thiết kế
Tải trọng cháy trong nhà bao gồm tải trọng cháy thay đổi và tải trọng cháy cố định. Tải trọng cháy thay đổi chủ yếu liên quan đến đồ nội thất, thiết bị, vật dụng và hàng hóa lưu trữ; tải trọng cháy cố định liên quan đến các bộ phận dễ cháy của kết cấu. Mật độ tải trọng cháy của khoang cháy chứa nhiều loại vật liệu được xác định trên cơ sở khối lượng, nhiệt lượng cháy của từng vật liệu và diện tích khoang cháy.
Đối với công trình hiện hữu, tải trọng cháy có thể được đánh giá bằng khảo sát tại chỗ. Các phương pháp được nghiên cứu gồm cân trực tiếp vật liệu cháy; kiểm kê, trong đó khối lượng được ước tính gián tiếp từ kích thước hoặc mật độ của vật thể; và sử dụng bảng câu hỏi kết hợp kiểm kê. Các phương pháp đều hướng tới xác định mật độ tải trọng cháy từ khối lượng vật liệu dễ cháy và nhiệt lượng cháy của chúng.
Mật độ tải trọng cháy có thể thay đổi theo không gian và thời gian. Đối với mô hình cháy cục bộ, sự phân bố tải trọng cháy trong không gian cần được xem xét; đối với mô hình cháy vùng, sự biến đổi này có thể được đơn giản hóa tùy mục đích phân tích. Trong thiết kế an toàn cháy, giá trị đặc trưng của tải trọng cháy được lựa chọn trên cơ sở phân bố của tải trọng cháy và yêu cầu an toàn tương ứng.
Giá trị thiết kế của mật độ tải trọng cháy được xác định từ mật độ tải trọng cháy đặc trưng, đồng thời xét đến hệ số cháy, nguy cơ xuất hiện cháy theo diện tích, loại công năng sử dụng và ảnh hưởng của các biện pháp chữa cháy tích cực. Các biện pháp được xem xét gồm chữa cháy tự động, nguồn cấp nước, phát hiện và báo cháy tự động, truyền tín hiệu tới lực lượng cứu hỏa, lực lượng chữa cháy tại công trình, đường thoát nạn, thiết bị phòng cháy, chữa cháy và hệ thống chống khói.
Nghiên cứu tổng hợp các giá trị mật độ tải trọng cháy theo một số loại công năng từ tài liệu tham khảo, gồm không gian sống, phòng bệnh, phòng khách sạn, thư viện, văn phòng, lớp học, trung tâm mua sắm, nhà hát và giao thông công cộng. Các bảng số liệu cung cấp giá trị trung bình và phân vị 80% của mật độ tải trọng cháy theo công năng để phục vụ tra cứu. Đây là dữ liệu được tổng hợp từ các nguồn tài liệu được viện dẫn, không phải số liệu khảo sát tại các công trình Việt Nam trong khuôn khổ đề tài.
Trường hợp không có loại công năng tương ứng trong bảng phân loại, mật độ tải trọng cháy có thể được xác định riêng cho dự án thông qua nghiên cứu tải trọng cháy của công năng đó. Việc đánh giá cần xét đến mục đích sử dụng, đồ đạc, cách lắp đặt và những thay đổi có thể xảy ra trong quá trình sử dụng. Đối với công trình mới, dữ liệu của công trình hiện hữu có quy mô và cách sử dụng tương tự có thể được sử dụng làm cơ sở tham khảo.
Thông số tải trọng cháy cho từng bài toán an toàn cháy
Từ các kết quả nghiên cứu, hệ thống phụ lục tra cứu được xây dựng với các nhóm dữ liệu về đặc trưng kỹ thuật của chất cháy, nhiệt lượng cháy thấp, đặc trưng phát triển đám cháy theo công năng, HRR của một số đồ đạc và vật dụng được công bố trong các nghiên cứu, khả năng sinh khói và tải trọng cháy phục vụ tính toán kết cấu.
Đối với mô phỏng cháy phục vụ tính toán thoát nạn, các đại lượng cần xác định gồm thời gian cháy tính toán, tốc độ giải phóng nhiệt, lượng khói và các sản phẩm cháy có hại. Nghiên cứu nêu thời gian tính toán đối với bài toán thoát nạn thông thường khoảng 10-20 phút kể từ khi bắt đầu cháy, song thời gian cụ thể phụ thuộc vào mục đích thiết kế. Đối với mô phỏng phục vụ thoát nạn hoặc thoát khói, thời gian tính toán được xem xét đến trước khi xảy ra bùng cháy hoặc trong điều kiện hệ thống chữa cháy tự động được kích hoạt và hoạt động hiệu quả để kiềm chế đám cháy.
Với thiết kế bảo vệ chống khói, các thông số chính gồm thời gian cháy tính toán, tốc độ giải phóng nhiệt và lượng khói sinh ra. Đối với phân hạng nguy hiểm cháy và cháy nổ, các đại lượng cần xác định gồm nhiệt lượng cháy thấp và tải trọng cháy riêng cùng các thông số có liên quan theo phương pháp phân hạng. Đối với thiết kế kết cấu chịu lửa sử dụng đường cong nhiệt tham số, cần xác định mật độ tải trọng cháy đặc trưng theo công năng và giá trị thiết kế của tải trọng cháy.
Trên cơ sở đó, nghiên cứu xây dựng các sơ đồ khối cho bốn nhóm bài toán gồm mô phỏng cháy theo công năng, tính toán bảo vệ chống khói, phân hạng nguy hiểm cháy và cháy nổ, thiết kế kết cấu chịu lửa theo đường cong nhiệt tham số. Mỗi sơ đồ xác định trình tự lựa chọn thông số và nguồn dữ liệu tương ứng với từng mục đích tính toán.
Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu trên, đề tài đã xây dựng dự thảo Hướng dẫn xác định và phân loại tải trọng cháy, hệ thống hóa phương pháp và dữ liệu phục vụ xác định các đại lượng của tải trọng cháy cho từng bài toán an toàn cháy.
Do các số liệu tra cứu hiện được thu thập từ các tài liệu nghiên cứu nước ngoài, nhóm nghiên cứu kiến nghị tiếp tục thực hiện thử nghiệm xác định tải trọng cháy đối với một số vật liệu, cấu kiện và sản phẩm thường được sử dụng tại Việt Nam để có cơ sở đối chứng. Trường hợp kết quả thử nghiệm tại Việt Nam có sự chênh lệch so với số liệu nước ngoài, nghiên cứu kiến nghị sử dụng giá trị thiên về an toàn trong thiết kế. Đồng thời, nhóm nghiên cứu kiến nghị thực hiện các thủ tục nghiệm thu và ban hành tài liệu Hướng dẫn xác định và phân loại tải trọng cháy.
T.V
