Tổng quan nghiên cứu

Hỏa hoạn tại các công trình dân dụng và công nghiệp luôn là hiểm họa nghiêm trọng đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người và kết cấu xây dựng. Theo thống kê của Cục Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy và Cứu nạn cứu hộ, năm 2021 toàn quốc đã ghi nhận 1.154 vụ cháy làm 53 người thiệt mạng, 77 người bị thương và gây thiệt hại tài sản ước tính gần 300 tỷ đồng. Trong đó, tháng 5 năm 2021 diễn ra 450 sự cố cháy nổ với tổn thất vật chất khoảng 28,9 tỷ đồng. Khi hỏa hoạn bùng phát, sàn bê tông cốt thép là cấu kiện chịu uốn chủ lực tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa từ bề mặt đáy. Dưới tác động của nhiệt độ vượt ngưỡng 500°C, các đặc trưng cơ lý của vật liệu suy giảm đột ngột, dẫn đến nguy cơ võng lớn và sụp đổ toàn phần.

Nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu phân tích toàn diện ứng xử nhiệt và ứng xử cơ học của sàn bê tông cốt thép trong điều kiện cháy tiêu chuẩn ISO 834. Đề tài tập trung xác định quy luật phân bố trường nhiệt độ, cơ chế biến dạng độ võng theo thời gian và đánh giá định lượng ảnh hưởng của ba tham số thiết kế then chốt: chiều dày lớp bê tông bảo vệ (12,5 mm đến 20 mm), diện tích cốt thép chịu lực (141 mm² đến 452 mm²) và bề dày bản sàn (70 mm đến 90 mm). Luận văn được hoàn thành trong giai đoạn từ tháng 02/2023 đến tháng 06/2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp tối ưu hóa thiết kế kháng cháy, nâng cao giới hạn chịu lửa từ REI 30 lên đến REI 120 cho các công trình hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết tính toán kết cấu chịu lửa theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 (EN 1992-1-2) kết hợp Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 06:2021/BXD của Bộ Xây dựng. Khả năng kháng cháy của cấu kiện được đánh giá đồng thời qua ba tiêu chí: tính chịu lực (R), tính toàn vẹn (E) và khả năng cách nhiệt (I). Cơ sở phân tích trường nhiệt dựa trên phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier phi tuyến trong không gian hai chiều, thiết lập với điều kiện trao đổi nhiệt bề mặt qua đối lưu và bức xạ nhiệt. Hệ số đối lưu mặt nóng được xác định ở mức 25 W/m²K, mặt lạnh là 4 W/m²K và hệ số phát xạ bề mặt là 0,7.

Về ứng xử cơ học, mô hình vật liệu đàn dẻo phi tuyến theo tiêu chuẩn Eurocode 2 được ứng dụng để mô tả sự suy giảm mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của cốt thép khi nhiệt độ tăng từ 20°C lên hơn 1000°C. Lý thuyết biến dạng dẻo dựa trên điều kiện chảy von Mises cho vật liệu đẳng hướng. Đồng thời, nghiên cứu phân tích đối sánh giữa phương pháp đường đẳng nhiệt 500°C (loại bỏ vùng bê tông có nhiệt độ trên 500°C) và phương pháp phân lớp (chia tiết diện thành nhiều lớp nhỏ để tính toán cường độ suy giảm trung bình) nhằm xác định mức độ chính xác khi dự báo khả năng chịu uốn của bản sàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn phi tuyến thông qua phần mềm chuyên dụng SAFIR do Đại học Liège phát triển. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 12 kịch bản phân tích cấu hình sàn một phương có nhịp tính toán L = 2000 mm, bề rộng b = 400 mm, chịu tác động của đường gia nhiệt tiêu chuẩn ISO 834 với hàm nhiệt độ môi trường tăng theo thời gian từ nhiệt độ ban đầu 20°C. Tổ hợp tải trọng tác dụng khi cháy được xác định theo công thức 1,0G + 0,4Q với tổng tải trọng phân bố đều q = 1,8 kN/m (tĩnh tải bản thân 2,0 kN/m², tĩnh tải hoàn thiện 1,7 kN/m² và hoạt tải sử dụng 2,0 kN/m²).

Phương pháp chọn mẫu tham số được xây dựng dựa trên các ngưỡng giới hạn quy định trong TCVN 5574:2018 và Eurocode 2, bao gồm: 4 mức chiều dày lớp bảo vệ (12,5 mm, 15 mm, 17,5 mm, 20 mm), 4 mức diện tích cốt thép (141 mm², 201 mm², 314 mm², 452 mm² tương ứng hàm lượng cốt thép 0,54% đến 1,74%) và 3 mức chiều dày bản sàn (70 mm, 80 mm, 90 mm). Việc lựa chọn phương pháp phân tích số hai bước (phân tích truyền nhiệt không dừng trước khi chuyển kết quả trường nhiệt độ sang phân tích cơ học phi tuyến) giúp phản ánh chính xác hiệu ứng giãn nở nhiệt, gradient nhiệt độ theo chiều cao và sự thay đổi độ cứng uốn của sàn theo từng giây của đám cháy. Toàn bộ quá trình tính toán và phân tích dữ liệu được thực hiện liên tục trong thời gian 5 tháng của đề tài.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số trên phần mềm SAFIR đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng về ứng xử của sàn bê tông cốt thép khi chịu hỏa hoạn:

Thứ nhất, quan hệ giữa độ võng giữa nhịp và thời gian cháy diễn ra rõ nét qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 (từ 0 đến khoảng 15 phút) độ võng tăng gần như tuyến tính chủ yếu do giãn nở nhiệt không đều; Giai đoạn 2 là giai đoạn chuyển tiếp khi nhiệt độ cốt thép vượt 300°C làm độ cứng uốn suy giảm nhanh; Giai đoạn 3 là giai đoạn sụp đổ khi tốc độ võng tăng vọt không kiểm soát do cốt thép chảy dẻo hoàn toàn.

Thứ hai, diện tích cốt thép đóng vai trò quyết định lớn nhất đến thời gian chịu lửa. Khi tăng diện tích cốt thép từ 141 mm² lên 452 mm² (tăng 220,5%), thời gian sụp đổ của sàn tăng từ khoảng 42 phút lên hơn 90 phút, giúp nâng bậc chịu lửa của cấu kiện thêm hơn 114%.

Thứ ba, chiều dày lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò như một màng chắn nhiệt hiệu quả. Việc tăng chiều dày lớp bảo vệ từ 12,5 mm lên 20 mm (tăng 60%) giúp kìm hãm tốc độ gia nhiệt của cốt thép, kéo dài thời gian duy trì khả năng chịu lực thêm khoảng 25 đến 35 phút tùy từng cấu hình.

Thứ tư, chiều dày bản sàn giúp cải thiện khả năng cách nhiệt tổng thể và ổn định vùng nén. Sàn có chiều dày 90 mm duy trì độ võng thấp hơn 28% so với sàn dày 70 mm tại cùng thời điểm cháy 30 phút, đồng thời hạn chế đáng kể mức độ phát triển ứng suất nén cục bộ ở thớ trên.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phá hoại của sàn bê tông cốt thép trong đám cháy bắt nguồn từ sự suy giảm đồng thời mô đun đàn hồi và giới hạn chảy của thép. Ở mốc nhiệt độ 500°C, cường độ cốt thép chỉ còn khoảng 50% đến 78% so với điều kiện 20°C, khiến trục trung hòa bị đẩy dần lên phía trên và dẫn tới phá hoại dẻo tiết diện. Khi so sánh với các biểu đồ phân bố nhiệt độ trong tiêu chuẩn Eurocode 2 tại các thời điểm 30 phút (R30) và 60 phút (R60), kết quả tính toán nhiệt từ phần mềm SAFIR cho thấy độ tương đồng rất cao với sai số trung bình dưới 5%.

Dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa thông qua các biểu đồ phân bố nhiệt độ theo mặt cắt tiết diện và đường cong quan hệ độ võng - thời gian (Deflection-Time Curves). Biểu đồ độ cong chuyển vị thể hiện rõ điểm uốn đột ngột khi cấu kiện bước vào giai đoạn phá hoại, qua đó làm sáng tỏ sự khác biệt giữa phương pháp bảng tra tĩnh của QCVN 06:2021/BXD và phương pháp phân tích số động lực học nhiệt. Kết quả này củng cố các nhận định trong các nghiên cứu quốc tế trước đây về vai trò của hiệu ứng phát triển lực màng trong việc ngăn ngừa sụp đổ tức thời của bản sàn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao an toàn chịu lửa cho kết cấu sàn bê tông cốt thép trong công trình xây dựng, 4 nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

  1. Thiết lập chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 20 mm: Các đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu cần áp dụng lớp bảo vệ từ 20 mm trở lên cho các cấu kiện sàn yêu cầu giới hạn chịu lửa từ REI 60 đến REI 120, kết hợp sử dụng bê tông có độ ẩm kiểm soát dưới 4,8% để giảm thiểu nguy cơ nổ vỡ bề mặt khi nhiệt độ tăng nhanh trước quý 4 năm 2026.

  2. Tối ưu hóa diện tích bố trí cốt thép chịu uốn: Đơn vị thiết kế cần tính toán hàm lượng cốt thép trong khoảng 0,8% đến 1,2% thay vì chỉ tính theo tải trọng nhiệt độ thường, nhằm dự phòng tối thiểu 40% khả năng chịu lực dư khi cấu kiện bước vào vùng nhiệt độ 400°C đến 600°C.

  3. Ứng dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn chuyên dụng: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp tư vấn thẩm tra nên triển khai phần mềm SAFIR hoặc công cụ phân tích cơ - nhiệt tương đương trong quy trình đánh giá an toàn PCCC cho các dự án nhà cao tầng và trung tâm thương mại từ năm 2026.

  4. Cập nhật và hoàn thiện quy chuẩn thiết kế kháng cháy quốc gia: Bộ Xây dựng phối hợp cùng Cục Cảnh sát PCCC cần ban hành các hướng dẫn chi tiết về phương pháp tính toán nâng cao và phương pháp phân lớp theo EN 1992-1-2 thay thế cho việc chỉ dựa vào bảng tra đơn giản, với lộ trình hoàn thiện trong giai đoạn 2026 - 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm vững phương pháp tính toán chiều dày lớp bảo vệ và diện tích cốt thép tối ưu nhằm đáp ứng các bậc chịu lửa REI 30 đến REI 120 mà không làm phát sinh lãng phí vật tư.

  2. Chuyên gia thẩm duyệt và nghiệm thu PCCC: Sử dụng quy trình mô phỏng số làm công cụ kiểm chứng độc lập khả năng chịu lửa của cấu kiện sàn trong các công trình có kiến trúc phức tạp hoặc công năng đặc thù.

  3. Giảng viên và học viên sau đại học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Khai thác dữ liệu phân tích nhiệt - cơ phi tuyến, thông số đầu vào phần mềm SAFIR và phương pháp đối chuẩn với tiêu chuẩn châu Âu để phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.

  4. Chủ đầu tư và nhà thầu thi công xây dựng: Hiểu rõ mối liên hệ giữa chiều dày sàn (70 - 90 mm) và chi phí hoàn thiện, từ đó đưa ra quyết định lựa chọn giải pháp kết cấu vừa bảo đảm an toàn sinh mạng vừa tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

Phần mềm SAFIR có độ tin cậy như thế nào khi mô phỏng kết cấu chịu lửa?

Phần mềm SAFIR được phát triển chuyên sâu tại Đại học Liège và được cộng đồng khoa học quốc tế công nhận rộng rãi. Các mô phỏng trường nhiệt độ ở mốc 30 phút và 60 phút trong nghiên cứu có độ trùng khớp trên 95% so với dữ liệu thực nghiệm chuẩn của Eurocode 2.

Vì sao diện tích cốt thép lại quyết định lớn nhất đến thời gian sụp đổ của sàn?

Khi nhiệt độ đáy sàn vượt 500°C, bê tông vùng kéo nứt nẻ và mất khả năng chịu lực, toàn bộ mô men uốn do tải trọng 1,8 kN/m gây ra đều do cốt thép gánh chịu. Diện tích cốt thép càng lớn thì ứng suất làm việc thực tế càng nhỏ, giúp kéo dài thời gian trước khi thép đạt tới giới hạn chảy dẻo.

Tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ mang lại lợi ích gì trong điều kiện hỏa hoạn?

Bê tông có hệ số dẫn nhiệt thấp khoảng 0,8 đến 1,6 W/mK. Khi tăng lớp bảo vệ từ 12,5 mm lên 20 mm, quá trình truyền nhiệt từ đáy sàn vào vị trí đặt cốt thép bị chậm lại đáng kể, giúp nhiệt độ thanh thép duy trì dưới ngưỡng nguy hiểm 400°C thêm 25 đến 35 phút.

Ba giai đoạn võng của sàn bê tông cốt thép bị cháy diễn ra cụ thể ra sao?

Giai đoạn 1 diễn ra trong khoảng 15 phút đầu với độ võng tăng tuyến tính do uốn nhiệt. Giai đoạn 2 xuất hiện khi nhiệt độ cốt thép tăng từ 300°C đến 500°C làm biến dạng tăng nhanh. Giai đoạn 3 là pha sụp đổ khi độ võng tăng đột biến do cốt thép mất khả năng chịu lực uốn.

Sàn bê tông cốt thép sau khi bị cháy có khả năng phục hồi chịu tải không?

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sàn sau khi cháy và nguội hoàn toàn bị suy giảm khoảng 10,5% khả năng chịu tải. Tuy nhiên, việc gia cường bằng vật liệu composite sợi polymer (FRP) đúng kỹ thuật có thể giúp phục hồi và tăng khả năng chịu tải lên tới 65,4% so với sàn chưa gia cường.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá ứng xử cơ - nhiệt của sàn bê tông cốt thép khi chịu tác động của đám cháy tiêu chuẩn:

  • Làm sáng tỏ cơ chế truyền nhiệt và quy luật biến dạng độ võng 3 giai đoạn của bản sàn dưới ngọn lửa ISO 834.
  • Xác lập cơ sở định lượng chứng minh diện tích cốt thép (141 - 452 mm²) và lớp bê tông bảo vệ (12,5 - 20 mm) là hai thông số quyết định thời gian kháng lửa của kết cấu.
  • Kiểm chứng độ tin cậy vượt trội của mô hình phần tử hữu hạn SAFIR so với phương pháp phân tích nhiệt tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể giúp kỹ sư tối ưu hóa kích thước hình học và hàm lượng cốt thép cho sàn công trình.
  • Định hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo giai đoạn 2026 - 2027 trên các mô hình sàn liên tục nhiều nhịp có xét đến hiệu ứng dồn nén màng trong không gian 3 chiều.

Các kỹ sư và chuyên gia kết cấu hãy ứng dụng ngay phương pháp mô phỏng số phi tuyến để nâng cao chất lượng thiết kế kháng cháy, bảo vệ an toàn công trình và tính mạng con người.