Nhiệt độ tới hạn của thép là bao nhiêu? 540°C và đường cong giảm cường độ

Nhiệt độ tới hạn của thép là bao nhiêu?

Nhiệt độ tới hạn của thép trong thiết kế chống cháy là 540°C (một số tiêu chuẩn dùng ngưỡng 500–550°C tùy hệ số sử dụng tải). Đây là nhiệt độ mà thép xây dựng (structural steel) mất khoảng 50–60% cường độ chảy dẻo ban đầu, không còn đủ khả năng chịu tải thiết kế và kết cấu có nguy cơ sụp đổ. Ngưỡng này được quy định trong EN 1993-1-2 (Eurocode 3 phần chống cháy) và TCVN 9386.

Đường cong giảm cường độ thép theo nhiệt độ

EN 1993-1-2 cung cấp hàm giảm cường độ (reduction factor) k_y,θ cho giới hạn chảy dẻo fy và hàm k_E,θ cho mô đun đàn hồi E theo nhiệt độ. Các giá trị tham khảo chính:

Lưu ý: ở nhiệt độ phòng (20–400°C) cường độ chảy dẻo fy thay đổi không đáng kể (k_y,θ = 1,0), nhưng mô đun đàn hồi E đã giảm dần, dẫn đến tăng biến dạng. Từ 500°C trở lên, cả fy và E đều giảm nhanh và không tuyến tính.

Tại sao thép không bảo vệ rất nguy hiểm trong đám cháy?

Thép dẫn nhiệt rất tốt (λ ≈ 50 W/mK) và có nhiệt dung riêng thấp, nên bề mặt thép tiếp xúc trực tiếp với đám cháy có thể đạt 600–700°C chỉ trong 10–15 phút theo đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn ISO 834. Tại 600°C, thép chỉ còn 47% cường độ ban đầu — hoàn toàn không đủ để chịu tải công trình bình thường (thường thiết kế với hệ số an toàn 1,5–2,0).

Thảm họa điển hình: vụ sập Tòa tháp đôi World Trade Center (2001), phân tích kỹ thuật cho thấy nhiệt độ đám cháy jet fuel tại khu vực tầng va chạm đạt 700–800°C, làm thép sàn mất cường độ và biến dạng dưới tải trọng, kéo theo sụp đổ dây chuyền từng tầng.

Xác định nhiệt độ tới hạn theo hệ số sử dụng tải

Nhiệt độ tới hạn thực tế θ_a,cr không phải lúc nào cũng là 540°C cố định, mà phụ thuộc vào hệ số sử dụng tải μ₀ (ratio of load in fire to design capacity at room temperature):

• μ₀ = 0,7 (tải cháy = 70% tải thiết kế): θ_a,cr ≈ 540°C
• μ₀ = 0,5: θ_a,cr ≈ 610°C (ít tải hơn → chịu nhiệt độ cao hơn)
• μ₀ = 0,3: θ_a,cr ≈ 690°C

Trong thực tế thiết kế đơn giản hóa, μ₀ = 0,65–0,70 là giá trị mặc định an toàn, dẫn đến ngưỡng 540°C.

Giải pháp duy trì thép dưới nhiệt độ tới hạn

Mục tiêu bảo vệ chống cháy cho kết cấu thép là duy trì nhiệt độ thép T < 540°C trong suốt thời gian REI yêu cầu (REI-30, REI-60, REI-90, REI-120):

• Sơn intumescent: lớp char phồng nở cách nhiệt, giữ thép mát bên trong. Phổ biến nhất cho kết cấu thép kiến trúc hiện đại.
• Bọc tấm thạch cao: 1–2 lớp thạch cao 15 mm đạt REI-30 đến REI-60. Nước kết tinh trong thạch cao bay hơi thu nhiệt, làm chậm tăng nhiệt độ thép.
• Bọc tấm rockwool mật độ cao: tấm 50–80 mm mật độ ≥ 80 kg/m³ đạt REI-60 đến REI-120. Không cháy và chịu nhiệt lên đến 1000°C.
• Bọc bê tông: lớp bê tông 50–100 mm xung quanh thép đạt REI-120 đến REI-240. Chi phí thấp nhất nhưng tăng kích thước và trọng lượng kết cấu.
• Bọc panel silicate calcium: tấm nhẹ, chịu nhiệt tốt, dễ thi công cho tiết diện phức tạp.

Kiểm tra nhiệt độ thép trong thiết kế theo Eurocode

EN 1993-1-2 cho phép hai phương pháp phân tích chống cháy cho kết cấu thép:

1. Phương pháp đơn giản (simple calculation model): dùng bảng tra DFT vs Hp/A từ dữ liệu thử nghiệm nhà sản xuất vật liệu bảo vệ. Phù hợp cấu kiện đơn lẻ REI ≤ 120.
2. Phương pháp nâng cao (advanced calculation model): phân tích nhiệt và cơ học phi tuyến bằng phần mềm FEA (ABAQUS, ANSYS, SAFIR). Dùng cho công trình phức tạp hoặc khi muốn tối ưu chi phí.

Câu hỏi thường gặp

Thép không gỉ (stainless steel) có cùng nhiệt độ tới hạn 540°C không?

Không. Thép không gỉ austenitic (304, 316) giữ cường độ tốt hơn thép carbon ở nhiệt độ cao, nhiệt độ tới hạn thường cao hơn 50–100°C. EN 1993-1-2 có phụ lục riêng cho stainless steel.

Tại sao nhà dân dụng bê tông ít cần lo về nhiệt độ tới hạn thép hơn nhà công nghiệp thép?

Bê tông là cách nhiệt tự nhiên cho cốt thép bên trong. Lớp bê tông bảo vệ 25–40 mm đủ để duy trì nhiệt độ cốt thép dưới 500°C trong 60–120 phút cháy tiêu chuẩn, trong khi thép hình trần không bảo vệ chỉ mất 10–15 phút.