Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và thép

1. Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và thép Tiêu chuẩn NIST trong Thương mại (SIT) – Hội thảo của Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng (STAMEQ) An toàn phòng cháy của các toà nhà 9-11 tháng 9, 2009 Phần 6: Cải tiến Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và thép Long T. Phan, Ph.D., P.E. Phòng thí nghiệm nghiên cứu về xây dựng và hoả hoạn (BFRL) Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia(NIST) http://www.bfrl.nist.gov

2. Nội dung trình bày Kinh nghiệm thực hiện hiện nay tại Mỹ, các quy phạm và tiêu chuẩn hiện hành Hướng tiếp cận kiến trúc chống cháy dựa trên quy tắc so với hướng tiếp cận dựa trên hoạt động Các hướng dẫn thực hành tốt nhất Tổng kết Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

3. Kinh nghiệm thực hiện hiện nay tại Mỹ, các quy phạm và tiêu chuẩn hiện hành Kinh nghiệm thực hiện hiện nay trong phòng cháy: • Kết hợp các biện pháp phòng cháy chủ động và thụ động • Chủđộng: hệthống báo động và phát hiện cháy, bình chữa cháy, v.v… • Thụ động: gắn vào cấu kiện bằng cách sử dụng các loại vật liệu, kích thước của các bộ phận cấu thành, các gian nhà và chống cháy (thiết kế chống cháy) • Cả hai biện pháp chủ động và thụ động đều được mô tả trong quy phạm mẫu về xây dựng Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

4. Kinh nghiệm thực hiện hiện nay tại Mỹ, các quy phạm và tiêu chuẩn hiện hành Quy phạm mẫu về xây dựng: • Hai quy phạm mẫu về xây dựng • Quy phạm Quốc tế về xây dựng (IBC) 2000(Hội đồng Quy phạm Quốc tế(ICC), 2006) • Quy phạm về Xây dựng công trình và An toànNFPA 5000 (Hội Phòng cháy Quốc gia, 2006) • Có tính quy tắc. Nêu cụ thểMức độ chống cháy(FRR) theo yêu cầu đối với các thành phần và các thiết bị lắp ráp bằng: • Thử năng lựcdựa trên tiêu chuẩnASTM E 119 hoặc NFPA 251 • Các biện pháp phân tíchtheo tiêu chuẩnACI/TMS 216 hoặc ASCE/SFPE 29 • Dữ liệu dạng bảng hoặc các biện pháp khácdựa trên mức độ tiếp xúc với lửa tiêu chuẩn FRR: Thời gian (số giờ) chịu được thử cháy theo tiêu chuẩn, căn cứ vào tiêu chí điểm kết thúc Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

5. Kinh nghiệm thực hiện hiện nay tại Mỹ, các quy phạm và tiêu chuẩn hiện hành Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép Tiêu chuẩn: • Các phương pháp thử tiêu chuẩn: • ASTM E 119-07: Các phương pháp thử tiêu chuẩn đối với cấu kiện và vật liệu xây dựng • NFPA 251: Các phương pháp thử tiêu chuẩn độ chịu lửa của cấu kiện và vật liệu xây dựng • Các phương pháp phân tích tiêu chuẩn: • ACI/TMS 216.1-07: yêu cầu quy phạm đối với việc xác định độ chống cháy của bê tông và công trình xây dựng • ASCE/SFPE 29-05: Phương pháp tính toán tiêu chuẩn về phòng cháykết cấu

6. Hướng tiếp cận dựa trên quy tắc so với hướng tiếp cận dựa trên tính năng Cácquyphạmquytắcđốivớithiếtkếchịulửa: • Đơngiảntrongviệcápdụngvàthihành. Đápứngcácmụctiêuvề an toàntínhmạng con người • Chỉrõxâydựngcáctoànhànhưthếnào, khôngphảilàcáctoànhàsẽchịulửanhưthếnào • FRR đánhgiáhoạtđộngmangtínhtươngđốitrongđiềukiệnlửa ở mứcđộtiêuchuẩn,khôngphảilàhoạtđộngthực(vídụmứcchịutải)trongmộtvụhoảhoạnthực • Dựatrênbộphậncấuthành,bỏ quasựtươngtácvềkếtcấugiữacácbộphậncấuthành • Khôngphảilúcnàocũnglàhướngtiếpcận an toànnhấthoặcíttốnkémnhất • tuỳthuộcvàolượngnhiênliệuvàthờigiankéodàibaolâu,hoảhoạnthậtcóthểsẽnghiêmtrọnghơn • FRR củatoànhàđượcgiảđịnhlàtươngđươngvớimứcđộchốngcháycủathànhphầnvới FRR thấpnhất,nhưngmốiliênquanhiếmkhiđượcđánhgiá • Mứcđộpháttriểncủacácthànhphầnvậtliệucủatoànhàvàkhảnăngcủakếtcấukểcảviệcsửdụngcácvậtliệuđộcnhấtvônhịvàmứcđộổnđịnhcótínhtoàncầu, khôngđượcxemxét. Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

7. Biến dạng ra khỏi mặt phẳng do giãn nở nhiệt (BRE) Đập vỡ các đường ống (1996) Đập vụn các mẫu bê tông có sức bền cao(NIST) Hướng tiếp cận dựa trên quy tắc so với hướng tiếp cận dựa trên tính năng Các quy phạm quy tắc đối với thiết kế chịu lửa: Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

8. Hướng tiếp cận dựa trên quy tắc so với hướng tiếp cận dựa trên tính năng Hướngtiếpcậndựatrêntínhnăngđốivớithiếtkếchốngcháy: • Đểđạtđượccácmụctiêucụthểvềhoạtđộng: • An toàntínhmạngcủangườisửdụng (mụctiêuđầutiêncủacácquyphạmvềxâydựng) • Cácmụctiêuphụnhưbảovệtàisản, bảođảmtínhliêntụccủakinhdoanhhoặc an toàntínhmạngcủanhữngngườiứngphóđầutiên • Xemxétcáctìnhhuốnghỏahoạnthựctế, khôngphảilàtìnhhuốnghỏahoạntheotiêuchuẩn • Tínhđếnsựpháttriểncủathànhphầnvậtliệuxâydựngkhảnăngcủakếtcấu • Cóthểđemlạimứcđộphòngcháyổnđịnhhơn, vìvậyviệcphòngcháycóthểđỡtốnkémhơn Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

9. Thiết kế các tình huống hỏa hoạn Đầu vào: Mô tả kết cấu, thành phần Phản ứng nhiệt Đặc tính nhiệt T-t, các dòng nhiệt phản ứngkết cấu Các kiểu vật liệu cấu thành (-(T), E(T)) Hướng tiếp cận dựa trên quy tắc so với hướng tiếp cận dựa trên tính năng Bước 2 Bước 1 Các bước thiết kế tổng quát : Dự đoán môi trường nhiệt Tính toán phản ứng nhiệt Tính toán phản ứng kết cấu Bước 3 Có đạt tiêu chí về Phá huỷ không? Kết thúc Có Không Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép Các bước lớn trong xu hướng tiếp cận dựa trên hoạt động:

10. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Phan et al, 2009 http://wtc.nist.gov/media/NISTIR_7563_DRAFT_FEB2009.pdf Những nét chính: • Nỗ lực hợp tác (NIST + ngành công nghiệp xây dựng của Mỹ) • Một phần của Kế hoạch Phản ứng của NIST’s sau sự kiện Trung tâm Thương mại Thế giới (WTC) • Là văn bản đơn nhất, tổng hợp và không bắt buộc áp dụng • Kết hợp giữa kinh nghiệm thực tiễn hiện nay trong thiết kế chống cháy với kiến thức uyên bác nhất hiện nay về: • Đánh giá rủi ro hỏa hoạn và mô hình hỏa hoạn • Tính chất của vật liệu ở nhiệt độ cao • Các phương pháp tính toán phản ứng nhiệt và phản ứng kết cấu • Không nhằm để thay thế bất cứ tiêu chuẩn hiện hành nào, nhưng cho phép xây dựng quá trình thiết kế chống cháy cho các tòa nhà yêu cầu mục tiêu hoạt động lớn hơn mục tiêu an toàn con người Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

11. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Mục tiêu ban đầu của các quy phạm về xây dựng Các mục tiêu hoạt động khác do các bên liên quan hoặc các chủ công trình xác định Các mục tiêu và tiêu chí về hoạt động : • An toàn cho người sử dụng (Tiêu chí: đủ thời gian để sơ tán) • An toàn cho nhân viên cứu hỏa (không sụp đổ từng bộ phận hoặc toàn bộ) • Đảm bảo an toàn cho các bộ phận của tòa nhà(ngân hàng, thư viện, bảo tàng) • Bảo vệ tài sản (kể cả tòa nhà gần cạnh) • Mức độ gián đoạn hoạt động kinh doanh là tối thiểu • Bảo vệ cơ sở hạ tầng dân dụng (bảo vệ nguyên vẹn các đường ống dẫn khí) • Bảo vệ môi trường (không có tràn hóa chất) Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

12. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Dự đoán môi trường nhiệt • Mức độ nghiêm trọng của hỏa hoạn • Bố trí nhiên liệu • Khối lượng nhiên liệu • Các đặc tính về thông gió • Các đặc tính về nhiệt • Phác họa các vụ hỏa hoạn và các tình huống hỏa hoạn • Biểu đồ Thời gian-nhiệt độ, bị tác động bởi quy mô tòa nhà, nội thất và thành phần, đặc tính của nhiên liệu, các nguồn phát lửa, các điều kiện về tình trạng thông gió • Các nguồn tài liệu để xây dựng các tình huống hỏa hoạn: SFPE (2007) Hướng dẫn kỹ thuật Phòng cháy dựa trên hoạt động; ICC (2006) Quy phạm hoạt động đối với tòa nhà và trang thiết bị; NFPA (2006) Quy phạm về Công trình xây dựng và An toàn Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

13. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép Dự đoán môi trường nhiệt • Các phương pháp mô hình hóa hỏa hoạn mang tính dự đoán • Tương đương về thời gian • Các phương trình • Mô hình hóa hỏa hoạn bằng chương trình máy tính • Các phương pháp được ghi thành văn bản • Việc lựa chọn các phương pháp cần phải đảm bảo: • Các đường cong biểu thị độ bắt lửa phải ổn định (phải tính đến điều kiện về nhiệt độ trong khi hỏa hoạn hoặc thời gian hỏa hoạn) • Các tình huống hỏa hoạn phác họa phải phù hợp với các mục tiêu hoạt động của tòa nhà

14. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Tính toán phản ứng nhiệt • Các phương pháp phân tích truyền nhiệt • Một chiều (theo khối lượng) • Các phân tích yếu tố cụ thể hai và ba chiều • Phức tạp. Yêu cầu có những giải pháp mô hình hóa trên máy tính • Có thể tính đến luồng nhiệt truyền qua các cấu kiện với những đặc tính nhiệt khác nhau • Cũng tính đến các ảnh hưởng của các khoảng trống không khí và các kiểu truyền nhiệt khác nhau trong các dạng hình học phức tạp • Sử dụng các đặc tính nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

15. Volumetric Specific Heat, (Cp) (MJ m-3/K) Temperature (C) Thermal Conductivity, () (W/m.K) Nhiệt độ (C) Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Tính toán phản ứng nhiệt • Các đặc tính nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của bê tông cường độ bình thường, cường độ cao và cấp phối bê tông nhẹ Bê tông 1 & 2: Cấp phối bê tông cường độ trung bình Bê tông 3 & 4: Cấp phối bê tông nhẹ Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

16. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Tính toán phản ứng nhiệt • Các đặc tính nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của kết cấu thép Độ dẫn nhiệt của thép 12 hợp kim thấp Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

17. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Loại X Tấm thạch cao rỗng Loại X Tấm thạch cao rỗng Tính toán phản ứng nhiệt • Các đặc tính nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của các vật liệu phòng cháy thông thường Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

18. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Tính toán phản ứng kết cấu • Phân tích kết cấu phần tử hữu hạn dưới ảnh hưởng của tải trọng khai thác và quá trình thay đổi nhiệt độ để tính toán: • Biến dạng kết cấu cục bộ và toàn bộ • Ứng suất cấu kiện • Sử dụng các đặc tính vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ có tính đến: • Tác động của giãn nở nhiệt • Giảm độ cứng và sức bền vật liệu • Chất dẻo và biến dạng do từ biến • Có khả năng nứt vỡ (trong bê tông cường độ cao) Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

19. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Ứng suất nén tương đối Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông Nhiệt độ (oC) Tính toán phản ứng kết cấu • Các đặc tính cơ khí phụ thuộc nhiệt độ của bê tông: Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

20. Các hướng dẫn thực hành tốt nhất của NIST’s … Tính toán phản ứng kết cấu • Các đặc tính cơ khí phụ thuộc nhiệt độ của thép: Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

21. Tổng kết • Những kinh nghiệm thực tiễn về thiết kế an toàn phòng cháy: • Thoả đáng • Mang tính quy tắc. Dễ thực hiện và thi hành thông qua các quy định về xây dựng • Dựa trên thành phần chịu được lửa ở mức độ “tiêu chuẩn” trong một thời gian đánh giá bắt buộc • Không thể hiện hoạt động thực tế của toà nhà trong các trận hoả hoạn thực sự • Không tính đến • Độ thông gió của các phòng • Tác động của tải trọng kết cấu và giãn nở nhiệt • Các điều kiện về tính kiềm chế của kết cấu • Tính chất của các vật liệu xây dựng mới • Tác động của hoả hoạn đối với phản ứng toàn bộ kết cấu • Không phải lúc nào cũng là các giải pháp an toàn nhất và tiết kiệm nhất Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

22. Tổng kết • Xu hướng thiết kế an toàn phòng cháy dựa trên hoạt động: • Yêu cầu có một cách tiếp cận có hệ thống để xác định các mục tiêu hoạt động của toà nhà và các công cụ phân tích để làm rõ những mục tiêu đã đạt được • Hiện nay đã được cho phép thông qua các quy phạm xây dựng mẫu của Mỹ dưới hình thức “các cách thức và phương pháp thay thế” hoặc các điều khoản “tương đương”, nhưng do thiếu các phương pháp và số liệu kỹ thuật nên đã gây khó khăn cho việc thực hiện • Đòi hỏi phải rất tỉ mỉ. Những tiến bộ gần đây về các công cụ phân tích kết cấu và trong khoa học phòng cháy và kiến thức về tính chất của vật liệu đang làm cho kỹ thuật phòng cháy dựa trên hoạt động trở nên khả thi • Cho phép đánh giá sự phát triển về tính năng của vật liệu xây dựng và khả năng của kết cấu • Cho phép tỷ lệ phòng cháy thích hợp hơn đối với những phần khác nhau của toà nhà, vì thế ít tốn kém hơn • Các hướng dẫn Thực hành tốt nhất của NIST hướng dẫn một cách tỉ mỉ về số liệu kỹ thuật và các phương pháp để thực hiện thiết kế phòng chống cháy dựa trên hoạt động cho các toà nhà bê tông và cốt thép Hướng dẫn thực hành tốt nhất về Thiết kế Chống cháy cho các toà nhà bê tông và cốt thép

23. Xin cảm ơn! Long T. Phan, Ph.D., P.E. Phòng Nghiên cứu Vật liệu và Công trình Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Xây dựng và Hoả hoạn (BFRL) Học viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) 100 Bureau Drive, Stop 8611 Gaithersburg, MD 20899-8611 Tel: (301) 975-6077 Fax: (301) 869-6275 Email: Long.Phan@nist.gov http://www.bfrl.nist.gov