Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Nguyên tắc đảm bảo khả năng chịu lửa và khả năng bảo toàn sau cháy
Concrete and reinforced concrete structures – Rules for ensuring of fire resistance and post- fire capacity
1 Phạm vi áp dụng
Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép đảm bảo khả năng
chịu lửa khi thử nghiệm với chế độ nhiệt tiêu chuẩn (đám cháy tiêu chuẩn) và khả năng bảo toàn sau
cháy, áp dụng cho các nội dung phù hợp với văn bản quy định về an toàn cháy cho nhà và công trình
hiện hành [1].
Tiêu chuẩn này áp dụng cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép của nhà ở, công cộng và công nghiệp.
Tiêu chuẩn này không áp dụng cho:
− Kết cấu liên hợp thép – bê tông;
− Kết cấu bê tông chịu nhiệt;
− Kết cấu bê tông polime;
− Kết cấu làm từ bê tông lỗ rỗng lớn.
2 Tài liệu viện dẫn
Các tài liệu viện dẫn sau cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).
TCVN 1651-1:2008, Thép cốt cho bê tông – Phần 1: Thép thanh tròn trơn
TCVN 1651-2:2018, Thép cốt cho bê tông – Phần 2: Thép thanh vằn
TCVN 2737:202x, Tải trọng và tác động
TCVN 5574:2018, Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép
TCVN 6284-2:1997 (ISO 6394-2:1991), Thép cốt bê tông dự ứng lực – Phần 2: Dây kéo nguội
TCVN 6284-4:1997 (ISO 6934-4:1991), Thép cốt bê tông dự ứng lực – Phần 4: Dảnh
TCVN 6284-5:1997 (ISO 6934-5:1991), Thép cốt bê tông dự ứng lực – Phần 5: Thép thanh cán nóng có hoặc không xử lý tiếp
TCVN 6288:1997 (ISO 10544:1992), Dây thép vuốt nguội để làm cốt bê tông và sản xuất lưới thép hàn làm cốt
TCVN 9311-1:2012 (ISO 834-1:1999), Thử nghiệm chịu lửa – Các bộ phận công trình xây dựng – Phần 1: Yêu cầu chung
3 Thuật ngữ, định nghĩa và ký hiệu
3.1 Thuật ngữ và định nghĩa
Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:
3.1.1
Cấp cường độ chịu nén của bê tông, B (grade of compressive strength of concrete)
Giá trị được kiểm soát nhỏ nhất của cường độ chịu nén tức thời, tính bằng megapascan (MPa), với xác suất đảm bảo không dưới 95 %, được xác định trên các mẫu lập phương chuẩn đã được chế tạo, dưỡng hộ trong điều kiện tiêu chuẩn và thử nén ở tuổi 28 ngày.
CHÚ THÍCH: Mẫu lập phương chuẩn để xác định cường độ chịu nén có kích thước (150×150×150) mm.
[TCVN 5574:2018, 3.1.4].
3.1.2
Chiều cao làm việc của tiết diện (effective depth of cross section)
Khoảng cách từ biên chịu nén của tiết diện cấu kiện đến trọng tâm của cốt thép dọc chịu kéo hoặc chịu nén ít hơn.
[TCVN 5574:2018, 3.1.6].
3.1.3
Chế độ nhiệt tiêu chuẩn (standard time-temperature curve)
Quan hệ nhiệt độ – thời gian cháy tiêu chuẩn.
CHÚ THÍCH: Chế độ nhiệt tiêu chuẩn được biểu diễn bằng hàm logarit để tính nhiệt độ T = 20 +345lg(8t+1), trong đó t tính bằng phút, theo TCVN 9311-1:2012 (ISO 834-1:1999).
3.1.4
Cốt thép chịu lực (load-bearing reinforcement)
Cốt thép được bố trí theo tính toán.
[TCVN 5574:2018, 3.1.7].
3.1.5
Cốt thép cấu tạo (constructive reinforcement)
Cốt thép được bố trí theo các yêu cầu về cấu tạo mà không cần tính toán.
[TCVN 5574:2018, 3.1.8].
3.1.6
Cốt thép hạn chế biến dạng ngang (confinement reinforcement)
Cốt thép ngang dùng để gia cường các vị trí cần tăng độ bền, hạn chế biến dạng ngang của bê tông, tăng khả năng chống nứt.
[TCVN 5574:2018, 3.1.9].
3.1.7
Cốt thép ứng suất trước (prestressing steel)
Cốt thép được ứng suất trước trong quá trình chế tạo kết cấu trước khi ngoại lực tác dụng trong giai đoạn khai thác sử dụng.
[TCVN 5574:2018, 3.1.10].
3.1.8
Cường độ (strength)
Tính chất cơ học của vật liệu, chỉ khả năng chịu được các tác động, thường được tính bằng đơn vị của ứng suất.
[TCVN 5574:2018, 3.1.11].
3.1.9
Đám cháy (fire incident)
Sự cháy không được kiểm soát dẫn đến các thiệt hại về người và (hoặc) tài sản.
3.1.10
Đám cháy tiêu chuẩn (standard fire)
Đám cháy có quan hệ nhiệt độ – thời gian tuân theo chế độ nhiệt tiêu chuẩn.
3.1.11
Điều kiện sử dụng bình thường (serviceability)
Điều kiện sử dụng các công trình xây dựng phù hợp với các điều kiện đã quy định trong các tiêu chuẩn hoặc nhiệm vụ thiết kế, bao gồm cả bảo dưỡng (bảo trì), sửa chữa lớn và sửa chữa nhỏ.
[TCVN 5574:2018, 3.1.12].
3.1.12
Độ bền (resistance)
Khả năng của một cấu kiện hoặc của tiết diện ngang cấu kiện, chịu được các tác động mà không bị phá hoại về cơ học, ví dụ độ bền uốn (hoặc khả năng chịu uốn), độ bền kéo (hoặc khả năng chịu kéo), độ bền chống mất ổn định (hoặc khả năng chống mất ổn định), v.v…
[TCVN 5574:2018, 3.1.13].
3.1.13
Độ bền lâu (durability)
Khả năng của công trình xây dựng bảo toàn được các tính chất vật lý, độ bền và các tính chất khác đã được quy định trong thiết kế và đảm bảo cho công trình xây dựng sử dụng bình thường trong suốt thời hạn sử dụng theo thiết kế.
[TCVN 5574:2018, 3.1.14].
3.1.14
Đốt nóng nhiệt độ cao (high-temperature heating)
Đốt nóng kết cấu ở nhiệt độ trên 200 °C dưới tác động của lửa.
3.1.15
Đốt nóng nhiệt độ cao ngắn hạn (short-term high-temperature heating)
Tác động nhiệt độ cao một lần và liên tục lên kết cấu trong khoảng thời gian vài phút đến vài giờ.
3.1.16
Biện pháp cấu tạo để bảo vệ chống cháy (structural means for fire protection)
Sự bọc, phủ kết cấu để bảo vệ chống cháy bằng các vật liệu hoặc các giải pháp kết cấu khác.
3.1.17
Giới hạn chịu lửa của kết cấu (fire resistance limit of structures)
Thời gian (tính bằng giờ hoặc bằng phút) từ khi bắt đầu thử chịu lửa trên các mẫu thử theo chế độ nhiệt tiêu chuẩn cho tới khi xuất hiện một trong các trạng thái giới hạn của kết cấu và cấu kiện.
Văn bản quy định an toàn cháy cho nhà và công trình hiện hành [1].
3.1.18
Giới hạn chịu lửa bản thân của kết cấu bê tông cốt thép (self fire resistance limit of reinforced concrete structures)
Giới hạn chịu lửa mà được đảm bảo khi thiết kế bằng các thông số của tiết diện bê tông cốt thép của kết cấu (kích thước hình học của tiết diện, bố trí cốt thép, chiều dày lớp bê tông bảo vệ, cấp cường độ chịu nén của bê tông và cường độ của cốt thép, mà không sử dụng các phương tiện bảo vệ chống cháy).
3.1.19
Giới hạn chịu lửa yêu cầu của kết cấu bê tông cốt thép (required fire resistance limit of reinforced concrete structures)
Giá trị giới hạn chịu lửa của kết cấu bê tông cốt thép được quy định trong [1].
3.1.20
Giới hạn chịu lửa thực tế của kết cấu bê tông cốt thép (actual fire resistance limit of reinforced concrete structures)
Giới hạn chịu lửa mà kết cấu bê tông và bê tông cốt thép đang sử dụng có được, có kể đến tình trạng kỹ thuật của nó và sự có mặt của các lớp phủ bảo vệ chống cháy.
3.1.21
Giới hạn chịu lửa về mất khả năng chịu lực R (fire resistance limit on load bearing capacity R)
Thời điểm đạt tới trạng thái giới hạn của kết cấu chịu lực do nó bị sập đổ hoặc xuất hiện biến dạng giới hạn trong điều kiện thử nghiệm với chế độ nhiệt tiêu chuẩn (đám cháy tiêu chuẩn) hoặc theo kết quả tính toán – được xác định theo thời gian tính từ khi đám cháy bắt đầu, lấy đơn vị theo phút (min).
CHÚ THÍCH: Biến dạng giới hạn được xác định theo [4].
3.1.22
Giới hạn chịu lửa về mất tính toàn vẹn E (fire resistance limit on integrity E)
Thời điểm đạt tới trạng thái giới hạn của kết cấu xây dựng chịu lực và/hoặc bao che (ngăn che) do sự hình thành trong kết cấu các vết nứt hoặc lỗ xuyên mà thông qua chúng trên bề mặt không bị đốt nóng xuất hiện các sản phẩm cháy hoặc ngọn lửa khi thử nghiệm với chế độ nhiệt tiêu chuẩn (đám cháy tiêu chuẩn) hoặc theo kết quả tính toán – được xác định theo thời gian, min, tính từ khi đám cháy bắt đầu.
3.1.23
Giới hạn chịu lửa về mất tính cách nhiệt I (fire resistance limit on thermal insulation I)
Thời điểm đạt tới trạng thái giới hạn của kết cấu xây dựng chịu lực và/hoặc bao che (ngăn che) do sự gia tăng của nhiệt độ trung bình trên bề mặt chưa bị đốt nóng của kết cấu lớn hơn 140 K, hoặc sự gia tăng của nhiệt độ tại bất kỳ điểm nào của bề mặt này lớn hơn 180 K so với nhiệt độ kết cấu trước khi thử nghiệm với chế độ nhiệt tiêu chuẩn (đám cháy tiêu chuẩn) hoặc theo kết quả tính toán – được xác định theo thời gian, min, tính từ khi đám cháy bắt đầu.
3.1.24
Hàm lượng cốt thép (reinforcement percentage)
Tỉ số giữa diện tích tiết diện cốt thép và diện tích làm việc của tiết diện bê tông, tính bằng phần trăm.
[TCVN 5574:2018, 3.1.16].
3.1.25
Kết cấu bê tông (concrete structure)
Kết cấu được làm từ bê tông không cốt thép hoặc có cốt thép đặt theo cấu tạo và không được kể đến trong tính toán; nội lực gây bởi tất cả các tác động trong kết cấu bê tông đều do bê tông chịu.
[TCVN 5574:2018, 3.1.17].
3.1.26
Kết cấu bê tông cốt thép (reinforced concrete structure)
Kết cấu được làm từ bê tông với cốt thép chịu lực và cốt thép cấu tạo; nội lực gây bởi tất cả các tác động trong kết cấu bê tông cốt thép do bê tông và cốt thép chịu lực cùng chịu.
[TCVN 5574:2018, 3.1.18].
3.1.27
Khả năng chịu lực (load bearing capacity)
Hệ quả tác động lớn nhất xuất hiện trong công trình xây dựng mà không vượt quá các trạng thái giới hạn.
[TCVN 5574:2018, 3.1.20].
3.1.28
Khả năng chịu lửa của kết cấu xây dựng (fire resistance of building constructions)
Khả năng của kết cấu xây dựng bảo toàn chức năng chịu lực và/hoặc chức năng bao che (ngăn che) trong điều kiện cháy.
3.1.29
Khả năng bảo toàn sau cháy của kết cấu xây dựng (post-fire resistance of building constructions)
Khả năng của kết cấu xây dựng bảo toàn chức năng chịu lực và/hoặc chức năng bao che (ngăn che) sau cháy. Khả năng bảo toàn sau cháy đặc trưng cho tình trạng có thể sửa chữa được mà không phải gia cường sau cháy.
3.1.30
Lớp bê tông bảo vệ (concrete cover)
Lớp bê tông tính từ biên (mép) cấu kiện đến bề mặt gần nhất của thanh cốt thép.
[TCVN 5574:2018, 3.1.22].
3.1.31
Lớp bê tông bảo vệ hư hỏng (damaged concrete cover)
Lớp bê tông hư hỏng bị giảm yếu đến mức dễ đập bỏ khi gõ bề mặt kết cấu bê tông cốt thép bằng búa tay mà không sử dụng dụng cụ điện.
3.1.32
Neo cốt thép (reinforcement anchorage)
Sự đảm bảo cho cốt thép chịu được nội lực tác dụng lên nó bằng cách kéo dài nó thêm một đoạn tính từ tiết diện tính toán hoặc bằng cách bố trí chi tiết neo đặc biệt ở các đầu của nó.
[TCVN 5574:2018, 3.1.29].
3.1.33
Nhiệt độ đốt nóng tới hạn của bê tông (critical heating temperature of concrete)
Nhiệt độ đốt nóng bê tông mà trước khi đạt tới nó thì cường độ chịu nén được lấy không đổi và bằng cường độ chịu nén tiêu chuẩn.
3.1.34
Nhiệt độ đốt nóng tới hạn của cốt thép (critical heating temperature of reinforcement)
Nhiệt độ đốt nóng cốt thép chịu kéo mà tại đó xảy ra sự phá hoại kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn khi có cháy.
3.1.35
Nội lực giới hạn (ultimate internal force)
Nội lực lớn nhất mà cấu kiện, tiết diện của nó, với các đặc trưng đã chọn của vật liệu, có thể chịu được.
[TCVN 5574:2018, 3.1.30].
3.1.36
Phương tiện bảo vệ chống cháy (fire protection agents and material)
Chất chống cháy hoặc vật liệu bảo vệ hiệu quả dùng để bảo vệ chống cháy cho các đối tượng khác nhau.
3.1.37
Sơ đồ tính toán, mô hình tính toán (structural model)
Mô hình hệ kết cấu được sử dụng khi tính toán.
[TCVN 5574:2018, 3.1.31].
3.1.38
Tác động nhiệt độ cao của đám cháy (high temperature action of fire)
Tác động của nhiệt độ cao hơn 200 °C lên kết cấu xây dựng khi có cháy mà ở đó xuất hiện ứng suất nhiệt có thể làm thay đổi các tính chất cơ – lý và đàn dẻo của vật liệu kết cấu và làm giảm tiết diện làm việc của cấu kiện.
3.1.39
Tiết diện thẳng góc (normal cross section)
Tiết diện của cấu kiện mà mặt phẳng tiết diện vuông góc với trục dọc cấu kiện.
[TCVN 5574:2018, 3.1.33 ].
3.1.40
Tiết diện nghiêng (inclined cross section)
Tiết diện của cấu kiện mà mặt phẳng của tiết diện nằm nghiêng với trục dọc cấu kiện và vuông góc với mặt phẳng thẳng đứng chứa trục dọc cấu kiện.
[TCVN 5574:2018, 3.1.32 ].
3.1.41
Trạng thái giới hạn (limit state)
Trạng thái mà khi vượt quá các thông số đặc trưng của nó thì việc sử dụng kết cấu hoặc là không được phép, hoặc bị gây khó khăn hoặc không còn phù hợp.
[TCVN 5574:2018, 3.1.34].
3.1.42
Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lửa của kết cấu (fire resistance limit state of structures)
Trạng thái của kết cấu mà ở đó nó mất khả năng bảo toàn các chức năng chịu lực và/hoặc bao che
(ngăn che) trong điều kiện cháy.
Hình 1 : Nhiệt độ trung bình của bê tông vùng chịu nén (ở biên không bị đốt nóng) trong dầm khi bị đốt nóng ba phía trong khoảng thời gian chế độ nhiệt tiêu chuẩn từ 30 min đến 240 min
9 Đánh giá giới hạn chịu lửa về mất tính toàn vẹn
9.1 Đánh giá chung
9.1.1 Giới hạn chịu lửa về mất tính toàn vẹn E được đặc trưng bởi sự hình thành các lỗ xuyên hoặc các vết nứt xuyên trong bê tông của kết cấu bê tông cốt thép do sự phá hoại giòn của nó (dạng nổ) khi cháy hoặc do sự phá hỏng cấu trúc của bê tông trong kết cấu vì bê tông bị đốt nóng theo chiều dày cấu kiện đến nhiệt độ tới hạn.
Khả năng xảy ra giới hạn chịu lửa về mất tính toàn vẹn E được đánh giá bằng thực nghiệm hoặc giải
tích.
9.1.2 Trong các bản, tường, hoặc bụng các dầm chữ I khi bị đốt nóng hai phía thì giới hạn chịu lửa về mất tính toàn vẹn với sự hình thành các vết nứt xuyên sẽ xảy ra khi tiết diện bê tông bị đốt nóng theo chiều dày đến nhiệt độ đốt nóng tới hạn, khi cấu trúc bê tông hoàn toàn bị phá vỡ. Việc đánh giá khả năng mất tính toàn vẹn do xuất hiện bê tông bị nóng theo chiều dày quá nhiệt độ tới hạn khi cháy được tiến hành bằng cách phân tích nhiệt độ đốt nóng cấu kiện trên toàn bộ tiết diện (các phụ lục A và B). Nhiệt độ đốt nóng tới hạn của bê tông được nêu trong 8.1.7.
9.1.3 Sự phá hoại giòn dạng nổ khi cháy xuất hiện trong kết cấu bê tông và bê tông cốt thép làm từ bê tông nặng dùng cốt liệu gốc silicat có độ ẩm lớn hơn 3 % đến 5 %, cốt liệu gốc cacbonat có độ ẩm lớn hơn 4 %, bê tông keramzit nhẹ kết cấu có độ ẩm lớn hơn 5 % và khối lượng thể tích lớn hơn 1 200 kg/m3 , bê tông cường độ cao hơn B60, cũng như trong bản, tường và bụng dầm chữ I khi bê tông trong tiết diện tính toán bị đốt nóng hai phía cao hơn nhiệt độ đốt nóng tới hạn.
Sự phá hoại giòn dạng nổ bắt đầu, thông thường, sau 5 min đến 15 min từ lúc bất đầu tác động lửa, kéo dài trong vòng 20 min đến 45 min từ lúc bắt đầu tác động lửa, dưới dạng các mảnh vỡ từ bề mặt kết cấu bị đốt nóng với diện tích từ 1 cm2 đến (0,5 ÷ 1) m2 và chiều dày đến 15 mm, kèm theo tiếng lách tách mạnh hoặc ”nổ”. Sự giật vỡ ở ngay trong một vùng kết cấu có thể lặp lại nhiều lần với khoảng thời gian lặp từ 5 min đến 15 min, dẫn đến sự giảm chiều dày tiết diện kết cấu, sự đốt nóng mạnh cốt
thép, sự bong và cháy cốt thép hở ra khỏi mặt phẳng.
9.1.4 Sự phá hoại giòn dạng nổ khi cháy dẫn đến sự suy giảm giới hạn chịu lửa vì:
− Sự giảm kích thước tiết diện bê tông của kết cấu;
− Sự tăng ứng suất trong phần tiết diện bị hư hỏng;
− Sự giảm chiều dày hoặc phá hoại hoàn toàn lớp bê tông bảo vệ;
− Sự đốt nóng mạnh cốt thép hở cao hơn nhiệt độ tới hạn;
− Sự hình thành các vết nứt và các lỗ xuyên trong kết cấu thành mỏng có chiều dày 40 mm đến 100mm (bụng dầm chữ I, bản sàn và mái, sườn của các bản sàn sườn).
Nguyên nhân phá hoại giòn dạng nổ của bê tông khi cháy là sự hình thành các vết nứt trong cấu trúc bê tông và sự phát triển không cân bằng các vết nứt này dưới tác động của ngoại lực đốt nóng không đều và nội áp lực do hơi nước bị kìm hãm theo chiều dày tiết diện cấu kiện.
9.1.5 Sự phá hoại giòn dạng nổ của bê tông khi cháy phụ thuộc vào loại cốt liệu, độ rỗng, độ ẩm, tính chất vật lý của bê tông và tốc độ đốt nóng khi cháy.
9.1.6 Khi thiết kế cần đánh giá khả năng xuất hiện phá hoại giòn dạng nổ của bê tông khi cháy và ảnh hưởng của nó đến giới hạn chịu lửa của kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, có biện pháp ngăn ngừa sự phá hoại giòn của bê tông kết cấu về tổng thể.
Nguy cơ phá hoại giòn bê tông thực tế có thể giảm đến tối thiểu khi thực hiện các biện pháp thích hợp.
Đánh giá khả năng xuất hiện phá hoại giòn dạng nổ của bê tông trong kết cấu bê tông cốt thép khi cháy cho phép được tiến hành theo Hình 18 theo ứng suất nén không phụ thuộc vào loại bê tông.
Hình 18 : Quan hệ giữa sự phá hoại giòn của bê tông
với ứng suất nén trong bê tông và chiều dày cấu kiện
9.2 Đánh giá tổng thể khả năng phá hoại giòn của bê tông khi cháy
9.2.1 Đánh giá tổng thể khả năng phá hoại giòn của bê tông khi cháy có thể được tiến hành chỉ ở giai đoạn lựa chọn thành phần bê tông với các nguyên liệu đã biết.
Khả năng phá hoại giòn của bê tông khi cháy đối với bê tông đóng rắn tự nhiên được đánh giá theo giá trị tiêu chí phá hoại giòn F, được xác định theo công thức:
Xác định khả năng phá hoại giòn của bê tông khi cháy theo giá trị tiêu chí F như sau:
− Khi F ≤ 4 thì bê tông sẽ không bị phá hoại giòn dạng nổ khi cháy và không cần các biện pháp bổ sung về bảo vệ kết cấu tránh phá hoại giòn khi cháy.
− Khi 4 < F < 6 thì bê tông sẽ bị phá hoại giòn khi cháy trong các kết cấu có ứng suất nén do tải trọng dài hạn tiêu chuẩn tại thớ bê tông chịu nén ngoài cùng hoặc trong các cấu kiện có chiều dày nhỏ hơn 40 mm. Phải thực hiện việc kiểm tra tiếp theo về khả năng phá hoại giòn bê tông trong kết cấu theo 9.9.
− Khi F ≥ 6 thì phá hoại giòn bê tông khi cháy là khó tránh khỏi. Phải tiến hành các biện pháp theo 9.14 và 9.15.
Bảng 14 – Độ ẩm cân bằng của bê tông theo khối lượng Wb
9.3 Kiểm tra khả năng phá hoại giòn bê tông trong kết cấu khi cháy
9.3.1 Bê tông có giá trị tiêu chí 4 < F < 6 được kiểm tra về khả năng phá hoại giòn trong kết cấu khi cháy, nếu trong quá trình sử dụng mà trong kết cấu bê tông cốt thép có xuất hiện ứng suất nén (do tải trọng dài hạn tiêu chuẩn) tại thớ bê tông ngoài cùng từ phía tác động của đám cháy.
Khả năng phá hoại giòn của bê tông khi cháy được đánh giá như sau.
Từ tải trọng dài hạn tiêu chuẩn, xác định giá trị ứng suất nén tại thớ bê tông chịu nén ngoài cùng mà khi cháy nó có thể bị chịu tác động lửa.
Tính giá trị độ ẩm tới hạn theo khối lượng của bê tông Wb cr , theo công thức:
