Giới thiệu
Phân tích cháy không phải là nhiệm vụ thường quy đối với kỹ sư kết cấu. Bài viết này trình bày giải pháp đằng sau IDEA StatiCa, trong đó tự động tính toán nhiệt độ cho các bản thép trong mô hình liên kết khi chịu tác động của lửa.
Các thành phần mối hàn và bu lông lấy nhiệt độ của bản thép được liên kết có nhiệt độ cao nhất. Thêm thông tin về các giả thiết: https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background#Fire-design
Mô hình & giả thiết
Nhiệt độ của sườn tăng cứng tại điểm liên kết này sẽ được kiểm tra. Liên kết sẽ chịu tác động của lửa và phải chịu được ít nhất 15 phút R15. Đường cong lửa được sử dụng để mô phỏng là "Đường cong lửa ngoài nhà (EN 1993-1-2)." Cần lưu ý quan trọng rằng lớp bảo vệ chống cháy chưa được áp dụng.
Công thức tiêu chuẩn
Các giả thiết dựa trên EN 1993-1-2 đối với vật liệu thép không được bảo vệ. Do không có lớp cách nhiệt bảo vệ, vật liệu bị tác động trực tiếp bởi nhiệt từ đối lưu và bức xạ từ ngọn lửa, khiến nhiệt độ tăng nhanh hơn nhiều.
Eurocode định nghĩa một số đường cong nhiệt độ - thời gian danh nghĩa được sử dụng trong thiết kế kết cấu chịu lửa:
- Đường cong lửa tiêu chuẩn (ISO 834 / EN 1991-1-2, Eq. 3.1)
- Đại diện cho đám cháy trong ngăn phòng thông thường, nghiêm trọng.
- Sử dụng: Để phân loại khả năng chịu lửa tiêu chuẩn (R30, R60, R90, …). Thường được áp dụng trong thiết kế theo quy định và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
- Đường cong lửa hydrocarbon
- Nhiệt độ tăng nhanh, đạt ~1100 °C trong vòng 5 phút.
- Sử dụng: Đối với các đám cháy liên quan đến hydrocarbon (dầu, khí, kho nhiên liệu, công nghiệp hóa dầu, hầm có lưu lượng giao thông lớn).
- Đường cong lửa ngoài nhà
- Nhiệt độ tăng thấp hơn so với đường cong tiêu chuẩn, tối đa ~680 °C.
- Sử dụng: Đối với mặt ngoài công trình và tường ngoài chịu tác động của lửa.
- Đường cong lửa tham số (không có trong IDEA StatiCa)
- Dựa trên kích thước ngăn phòng, thông gió và mật độ tải trọng lửa.
- Thể hiện các giai đoạn gia nhiệt và làm nguội.
- Sử dụng: Để thiết kế theo hiệu năng cho các ngăn phòng thực tế trong công trình khi tải trọng lửa và thông gió đã biết.
Cách kỹ sư lựa chọn đường cong lửa
Yêu cầu tuân thủ tiêu chuẩn/xếp hạng khả năng chịu lửa: → Sử dụng Đường cong lửa tiêu chuẩn.
Hóa dầu, hầm, kho chứa chất lỏng dễ cháy: → Sử dụng Đường cong lửa hydrocarbon.
Mặt ngoài công trình, các cấu kiện ngoài nhà chịu tác động của lửa ngoài trời: → Sử dụng Đường cong lửa ngoài nhà.
Kịch bản cháy thực tế (thiết kế theo hiệu năng): → Sử dụng Đường cong lửa tham số (nếu có đủ dữ liệu đầu vào).
Hệ số tiết diện Am/V
Độ nhạy tổng quát
Hệ số tiết diện (Am/V) là một hằng số quan trọng đối với mỗi bản thép. Trong phương trình chủ đạo, nó xuất hiện ở tử số, cho thấy rằng việc tăng gia số nhiệt độ ảnh hưởng đến nhiệt độ tại thời điểm kết thúc mô phỏng. Hãy quan sát độ nhạy của hệ số trong khoảng [50, 300] sau khi tăng dần theo bước 25.
Cách tính giá trị cho sườn tăng cứng
Việc tính toán hệ số tiết diện cho các sườn tăng cứng tham chiếu cần làm rõ phương pháp tính toán cho các sườn tăng cứng. Nếu một mặt không nằm dọc theo cạnh của bản thép bị che phủ bởi một bản thép khác, diện tích bị che phủ phải được loại trừ khỏi tính toán hệ số tiết diện. Bỏ qua khía cạnh này có thể dẫn đến kết quả sai lệch so với kiểm tra thủ công.
Quy trình tính toán từng bước
Quy trình được trình bày mô tả luồng làm việc của sự tăng nhiệt độ theo thời gian đối với đường cong lửa ngoài nhà.
So sánh IDEA StatiCa với tính toán thủ công
Nhiệt độ được tính toán bởi IDEA StatiCa đạt 608 độ Celsius.
Sử dụng quy trình thủ công từng bước, nhiệt độ đạt 609 độ Celsius.
Kết luận
Mục tiêu là tăng tính minh bạch trong quy trình thiết kế chịu lửa và khuyến khích các kỹ sư kết cấu tự tin sử dụng IDEA StatiCa để thiết kế chịu lửa và kiểm tra tiêu chuẩn cho các liên kết thép và cấu kiện so với tính toán thủ công.
Trong thiết kế chịu lửa, nhiệt độ trở thành biến trạng thái quan trọng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng và cường độ của vật liệu thông qua các đặc tính phụ thuộc nhiệt độ được định nghĩa trong EN 1993-1-2.