Thiết kế chịu lửa cho các ứng dụng cốt thép khoan cấy (Post-installed rebar-PIR)
Các sự cố cháy nổ vẫn là mối nguy lớn đối với tính mạng và tài sản, có thể làm suy yếu kết cấu bê tông và gây sụp đổ. Vì vậy, an toàn cháy cho kết cấu là yêu cầu thiết yếu trong các tiêu chuẩn xây dựng như Eurocode. Bộ tiêu chuẩn này quy định thời gian chịu lửa tối thiểu cho các cấu kiện và liên kết kết cấu nhằm đảm bảo sơ tán an toàn, hỗ trợ cứu hộ hiệu quả và kiểm soát đám cháy.
Tầm quan trọng của an toàn kết cấu trong trường hợp tiếp xúc với lửa
1. Giới thiệu
Hỏa hoạn vẫn là một trong những mối đe dọa lớn đối với tính mạng và tài sản trong mọi loại công trình, với nguy cơ làm suy giảm ổn định của các cấu kiện bê tông và dẫn đến sập cục bộ hoặc toàn phần. Vì vậy, an toàn kết cấu khi cháy là yêu cầu bắt buộc trong tất cả các bộ tiêu chuẩn xây dựng lớn, bao gồm Eurocode.
Eurocode quy định thời gian chịu lửa tối thiểu cho các cấu kiện kết cấu và liên kết nhằm đảm bảo sơ tán an toàn, cứu hộ hiệu quả và kiểm soát cháy (xem Hình 1).
Hình 1. Yêu cầu về an toàn cháy nổ trong tất cả các loại kết cấu công trình.
Cốt thép khoan cấy được sử dụng rộng rãi để liên kết các cấu kiện bê tông được thi công ở các thời điểm khác nhau, tạo nên ứng xử nguyên khối giữa kết cấu cũ và mới. Đây là giải pháp đáng tin cậy, nhanh chóng và kinh tế cho cả các nhu cầu thi công có kế hoạch và phát sinh ngoài dự kiến.
Nhu cầu cấy thép thường phát sinh trong các tình huống không lường trước, chẳng hạn như thiếu thép chờ đổ sẵn hoặc khớp nối. Đồng thời, giải pháp này còn được sử dụng có chủ đích nhằm tối ưu tiến độ thi công và đặc biệt quan trọng trong gia cố, cải tạo kết cấu công trình và hạ tầng.
Trong khi các tiêu chuẩn xây dựng cung cấp hướng dẫn rõ ràng cho thiết kế chịu lửa của kết cấu bê tông cốt thép truyền thống (thường thông qua bảng tra hoặc phương pháp đơn giản), thì các phương pháp xây dựng thay thế như thép chờ cấy sau đòi hỏi cách tiếp cận thiết kế nâng cao hơn. Nguyên nhân là do đặc tính cơ nhiệt khác biệt của vữa cấy so với bê tông và thép. Việc đảm bảo đáp ứng các yêu cầu chịu lửa vẫn là trách nhiệm của kỹ sư kết cấu.
Hãy đi sâu vào quy trình thiết kế chịu lửa của các ứng dụng cốt thép khoan cấy sau.
2. Phân loại ứng dụng cốt thép khoan cấy
Phạm vi ứng dụng của các kết nối cốt thép khoan cấy sau có thể được chia thành các liên kết được sử dụng để mở rộng các cấu kiện như sàn, dầm, tường hoặc cột và neo đầu, kết nối các phần tử như sàn với tường hoặc cột với sàn, có hoặc không có mômen tác động (xem Hình 2)
Hình 2. Phân loại chung các ứng dụng cốt thép khoan cấy.
Các neo đầu được đỡ đơn giản chỉ truyền lực cắt hoặc lực dọc trục mà không phát sinh mô men, điển hình nhưtrường hợp sàn tựa trên tường. Tuy nhiên, trong thực tế, nhiều liên kết có ứng xử bán cứng hoặc cứng, phát sinh mô men do mức độ liên kết một phần hoặc toàn phần giữa các cấu kiện bê tông như cột, tường hoặc sàn. Các quy định thiết kế trong EN 1992‑1‑1 giới hạn các liên kết cứng này ở dạng mối nối chồng, vốn không phải lúc nào cũng khả thi trong các trường hợp cải tạo kết cấu hoặc thi công theo giai đoạn. Để giải quyết vấn đề này, Báo cáo kỹ thuật EOTA TR 069 đã đưa ra phương pháp thiết kế cho phép thực hiện các neo đầu cứng bằng cách sử dụng cốt thép cấy sau dạng thẳng, qua đó loại bỏ nhu cầu áp dụng cấu hình nối chồng trong các cấu kiện hiện hữu.
3. Sự khác biệt giữa cốt thép lắp đặt sẵn và cốt thép khoan cấy trong điều kiện chịu lửa
Ứng xử của cốt thép khoan cấy khi chịu lửa khác biệt đáng kể so với thép đổ sẵn, do đặc tính cơ học và nhiệt của vữa cấy (xem Hình 3). Khả năng bám dính của vữa hữu cơ suy giảm nhanh khi nhiệt độ tăng, và mức suy giảm phụ thuộc mạnh vào từng loại sản phẩm. Vì vữa hữu cơ (organic mortars) và vữa lai (hybrid mortars) bị mất khả năng chịu lực ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với thép và bê tông, việc hiểu rõ quy luật suy giảm lực bám dính theo thời gian–nhiệt độ là yếu tố then chốt trong thiết kế chịu lửa.
Vữa phun (hóa chất 02 thành phần) Hilti HIT‑FP 700‑R, dựa trên xi măng aluminat canxi vô cơ, được phát triển để duy trì khả năng bám dính vượt trội ngay cả ở nhiệt độ trên 500 °C...
Hình 3. Đường cong giảm hiệu suất của vữa phun, bê tông và thép khi tiếp xúc với lửa.
Phân bố nhiệt độ trong liên kết thép cấy sau phụ thuộc vào lớp bê tông bảo vệ, chiều sâu neo và thời gian cháy. Với nối chồng, phân bố nhiệt độ dọc chiều sâu thường gần như đồng đều. Với neo đầu, phân bố nhiệt độ thường không đồng đều theo chiều dài thanh thép neo trong bê tông (xem Hình 4.)
Hình 4. Phân bố nhiệt độ điển hình trong cốt thép sau khi lắp đặt.
4. Khung thiết kế và "mắt xích còn thiếu"
Thiết kế cốt thép khoan cấy không được đề cập trực tiếp trong EN 1992‑1‑1 (tĩnh) và EN 1992‑1‑2 (chịu lửa). Các phương pháp tiếp cận để xác minh thiết kế chống cháy đối với cốt thép đúc được đưa ra trong EN 1992-1-2 dưới dạng:
Các phương pháp thiết kế chịu lửa cho thép đổ sẵn theo Eurocode bao gồm:
Bảng tra: yêu cầu kích thước và lớp bảo vệ bê tông tối thiểu
Phương pháp tính đơn giản: phân tích tiết diện suy giảm
Phương pháp nâng cao: mô phỏng phần tử hữu hạn nhiệt–cơ học
Phương pháp bảng tra là cách tiếp cận được sử dụng phổ biến nhất trong thực tế dựa trên giả định rằng nhiệt độ thép không vượt quá 500 °C. Tuy nhiên, giả định này không áp dụng được cho thép cấy sau do vữa hữu cơ mất bám dính ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với 500 °C (xem Hình 3). Điều này thường dẫn đến yêu cầu tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ hoặc tăng chiều sâu neo — những giải pháp có thể không khả thi về mặt kỹ thuật hoặc kém hiệu quả về kinh tế đối với các cấu kiện hiện hữu. Hơn nữa, các quy định thiết kế hiện hành trong EN.
1992‑1‑1 chỉ cho phép áp dụng cốt thép cấy sau cho các mối nối chồng và các neo đầu không chịu mô men. Để khắc phục hạn chế này, EOTA TR 069 đã giới thiệu một phương pháp thiết kế cho các liên kết neo đầu có mô men tác dụng, dựa trên cơ chế bám dính–tách nứt được cải thiện. Trước đây, phương pháp này chỉ áp dụng cho các trường hợp tĩnh và động đất; tuy nhiên hiện nay EOTA TR 069 đã bổ sung phương pháp thiết kế chịu lửa, cho phép các kỹ sư thiết kế các ứng dụng cốt thép cấy sau chịu mô men với cấp chịu lửa lên đến 240 phút, qua đó lấp đầy một khoảng trống quan trọng trong thiết kế kết cấu (xem Bảng 1).
Bảng 1. Khung thiết kế của cốt thép khoan cấy khi lắp đặt các ứng dụng.
5. Thiết kế ngăn cháy lan của ứng dụng cốt thép khoan cấy
Trong thiết kế tĩnh, các hệ số an toàn một phần đối với tải trọng tác dụng và sức kháng vật liệu được lựa chọn nhằm duy trì biên độ an toàn bảo thủ cho các điều kiện làm việc bình thường trong suốt tuổi thọ công trình. Ví dụ, tải trọng thiết kế thường được tăng lên (γG = 1,35 đối với tải trọng thường xuyên; γQ = 1,5 đối với tải trọng thay đổi), trong khi cường độ thiết kế của vật liệu được giảm xuống (γM = 1,15 đối với thép; 1,5 đối với bê tông). Các giá trị này nhằm đảm bảo độ tin cậy cần thiết chống lại sự cố trong suốt vòng đời khai thác của kết cấu.
Tuy nhiên, khi kết cấu chịu tác động của hỏa hoạn, triết lý thiết kế chuyển từ mục tiêu ngăn ngừa mọi dạng phá hoại sang mục tiêu duy trì sự ổn định kết cấu trong khoảng thời gian chịu lửa yêu cầu (R). Do xác suất xảy ra đồng thời giữa cháy phát triển hoàn toàn và tải trọng tĩnh cực đại là tương đối thấp, EN 1992‑1‑2 cho phép sử dụng các hệ số an toàn giảm trong tình huống thiết kế chịu lửa, điển hình là γM,fi = 1,0 cho vật liệu, cùng với hệ số giảm tải ηfi ≈ 0,7 áp dụng cho hiệu ứng tải trọng thiết kế tĩnh Ed. Sự phân biệt này, thông qua việc giảm tải trọng thiết kế và hệ số vật liệu trong thiết kế chịu lửa, là cơ sở của phương pháp bảng tra được áp dụng trong EN 1992‑1‑2, trong đó quy định kích thước cấu kiện tối thiểu và chiều dày lớp bê tông bảo vệ tương ứng, giả định mức tải trọng giảm và cường độ vật liệu suy giảm. Cách tiếp cận này cho phép thực hiện thiết kế chịu lửa mà không cần phân tích bổ sung.
Thiết kế chiều dài mối nối chồng trong điều kiện chịu lửa
Chiều dài mối nối chồng có thể được tính toán dựa trên các quy định thiết kế tương tự như đối với trường hợp chịu tải tĩnh quy định tại Mục 8 của EN 1992‑1‑1. Tuy nhiên, trong thiết kế chịu lửa, cần sử dụng sức kháng bám dính đã được suy giảm theo đánh giá kỹ thuật (ETA) tương ứng cho điều kiện cháy thay cho giá trị .
Cường độ bám dính thiết kế trong điều kiện chịu lửa giảm dần khi nhiệt độ tăng. Đường cong suy giảm này sau đó được chuyển đổi thành hệ số giảm bằng cách xác định tỷ số giữa các giá trị cường độ bám dính theo nhiệt độ và giá trị tham chiếu của cốt thép đổ sẵn tương ứng với cấp bê tông xét đến (tham khảo Hình 5).
Hình 5. Thiết kế chiều dài mối nối chồng trong điều kiện chịu lửa.
Thiết kế neo đầu (không có mô men tác động) trong điều kiện chịu lửa theo Eurocode
Các nguyên tắc thiết kế trong điều kiện chịu lừa đối với neo đầu về cơ bản tương tự như thiết kế mối nối chồng, theo đó sử dụng cách tiếp cận suy giảm cường độ bám dính dựa trên các đánh giá kỹ thuật (ETA) liên quan cho trường hợp cháy. Tuy nhiên, đối với các liên kết neo đầu/mối giao, phân bố nhiệt độ thường thay đổi dọc theo chiều dài neo của thanh cốt thép (xem Hình 6).
Ứng suất bám dính thiết kế tại vị trí “x” dọc theo chiều dài neo, tính từ bề mặt tiếp xúc chịu lửa $f{bd,fi}$, được xác định và sức kháng bám dính trong điều kiện cháy (N{Rd,fi}) của cốt thép cấy sau, ứng với một chiều dài neo thiết kế giả định, được xác định bằng phương pháp tích phân. Giá trị sức kháng này phải không nhỏ hơn lực thiết kế trong điều kiện cháy (N{Rd,fi}) do đó quá trình thiết kế thường đòi hỏi thực hiện theo phương pháp lặp.
Các nguyên tắc thiết kế để tiếp xúc với lửa tương tự như thiết kế cho các mối nối đùi, sử dụng cách tiếp cận tương tự về giảm khả năng chịu độ bền liên kết từ ETA có liên quan. Tuy nhiên, đối với các kết nối neo cuối / giao nhau, sự phân bố nhiệt độ thường thay đổi dọc theo chiều dài nhúng của cốt thép (xem Hình 6). Ứng suất liên kết thiết kế tại vị trí 'x' dọc theo chiều dài neo từ giao diện bị cháy được tính toán và khả năng chống cháy đối với chiều dài neo thiết kế giả định là cốt thép sau lắp đặt được xác định bằng phương pháp tích hợp không nhỏ hơn , đòi hỏi một quy trình thiết kế lặp đi lặp lại.
Các điều khoản của Eurocode cho thiết kế cháy của neo cuối chỉ có hiệu lực đối với các neo được hỗ trợ đơn giản (không có mômen tác động) và không áp dụng cho các ứng dụng có mômen tác động. Đánh giá kỹ thuật là cần thiết để xem xét ảnh hưởng của độ cố định một phần trong các kết nối bê tông trên cốt thép trên cùng trong các ứng dụng neo cuối được hỗ trợ đơn giản như vậy.
Hình 6. Thiết kế neo đầu không có mô men tác dụng trong điều kiện chịu lửa theo Eurocode.
Thiết kế neo đầu có mô men tác dụng trong điều kiện chịu lửa theo EOTA TR 069
Để đánh giá khả năng chịu phá hoại hình nón bê tông của neo đầu cốt thép cấy sau trong điều kiện cháy, EOTA TR 069 áp dụng phương pháp thiết kế dựa trên nhiệt độ. Khác với phương pháp dựa trên thời gian, cách tiếp cận này không bị giới hạn bởi thời gian tiếp xúc với lửa và có thể áp dụng cho mọi khoảng thời gian cháy, bao gồm cả các trường hợp vượt quá 120 phút (lên đến 240 phút và thậm chí hơn nếu được đánh giá phù hợp).
Khả năng chịu lực thiết kế đối với phá hoại hình nón bê tông trong điều kiện chịu lửa, ứng với một kịch bản cháy xác định, được xác lập theo trình tự các bước quy định trong EOTA TR 069. Việc đánh giá sức kháng kéo bật và tách nứt của neo đầu được thực hiện thông qua các hệ số suy giảm theo nhiệt độ (là hàm của nhiệt độ) lấy từ các ETA tương ứng, từ đó xây dựng các đường cong suy giảm sức kháng phụ thuộc vào phân bố nhiệt độ của liên kết (xem Hình 7).
Chiều dài neo thiết kế đối với các cơ chế phá hoại kéo bật và tách nứt được xác định theo phương pháp tích phân, và khả năng chịu lực tổng thể của neo trong điều kiện cháy được xác định sao cho không nhỏ hơn nội lực thiết kế tác dụng trong tình huống chịu lửa. Phương pháp này cho phép thiết kế các liên kết neo đầu cốt thép cấy sau có mô men tác dụng, đáp ứng yêu cầu ổn định kết cấu trong điều kiện cháy theo EOTA TR 069.
Hình 7. Thiết kế neo đầu có mô men tác dụng trong điều kiện chịu lửa theo EOTA TR 069.
Các sản phẩm giải pháp của Hilti Việt Nam
Hilti cung cấp danh mục vữa phun được phê duyệt cho thiết kế chống cháy của các kết nối cốt thép sau lắp đặt là HIT-HY 200, HIT-RE 500 và HIT-FP 700R.
HIT-HY 200 và HIT-RE 500 V4 là các giải pháp ưu tiên cho thiết kế chống cháy của neo cuối, ngay cả đối với các ứng dụng có mômen tác động và yêu cầu cháy (R) thậm chí lên đến 240 phút.
6. Thiết kế bằng phần mềm PROFIS ENGINEERING
Để bắt đầu thiết kế các liên kết bê tông–bê tông hoàn toàn tuân thủ quy chuẩn và đảm bảo mức độ an toàn cao hơn, hãy sử dụng phần mềm độc quyền PROFIS ENGINEERING của Hilti nhằm đạt được các giải pháp nhanh chóng, hiệu quả và đáng tin cậy. Với mô‑đun cốt thép cấy sau tiên tiến, PROFIS hiện tích hợp các mô phỏng cháy mới nhất cùng nhiều thông số khác nhau, cho phép các kỹ sư thiết kế đánh giá thực tế hơn hiệu suất của cốt thép và vữa phun trong điều kiện nhiệt độ cao.
PROFIS cho phép lựa chọn thời gian tiếp xúc với lửa lên đến 240 phút cho mọi ứng dụng cốt thép cấy sau, đồng thời cho phép người dùng nhập thủ công nhiệt độ cốt thép khi cần thiết. Tùy chọn lựa chọn các mặt tiếp xúc với lửa cho các ứng dụng khác nhau cũng sẽ sớm được cung cấp trong PROFIS. Phần mềm cho phép so sánh nhanh các loại vữa phun đủ điều kiện dưới nhiều tác động tải khác nhau (tĩnh, địa chấn và cháy) và hiển thị ngay trường hợp chi phối, qua đó giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác.
Hình 8: Giao diện phần mềm PROFIS Engineering- Mô đun C2C.
7. GIẢI PHÁP SPEC2SITE™ Hilti
Vì Hilti cung cấp một loạt các giải pháp đã được chứng nhận cho các liên kết cốt thép cấy sau trong kết cấu chịu tác động của hỏa hoạn, chúng tôi mong muốn giúp người dùng dễ dàng tiếp cận, định hướng và lựa chọn giải pháp phù hợp nhất cho từng ứng dụng. Điều này được thực hiện thông qua hệ giải pháp SPEC2SITE™, giúp các ứng dụng dự án của bạn đạt hiệu quả cao hơn, an toàn hơn và bền vững hơn.
Các giải pháp SPEC2SITE™ mang đến một danh mục toàn diện nhằm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế chịu lửa cho các ứng dụng sau lắp đặt, kết hợp với các phương pháp thiết kế khác biệt, sản phẩm đã được chứng nhận, phần mềm thiết kế, dịch vụ kỹ thuật, tài liệu chuyên môn trong trung tâm kỹ thuật, cùng với đội ngũ bán hàng trực tiếp của Hilti (xem Hình 9).
Hình 9. Hệ giải pháp SPEC2SITE™ của Hilti cho các ứng dụng cốt thép khoan cấy trong điều kiện chịu lửa.