PHÂN TÍCH MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ CẤU TẠO TRONG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP (TCVN 5574:2018) LÀM ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ THIẾT KẾ CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN
ANALYSIS OF SOME ISSUES ABOUT MATERIALS USED AND DETAILS IN STANDARDS OF DESIGN OF CONCRETE AND REINFORCED CONCRETE STRUCTURES (TCVN 5574: 2018) HAVE SIGNIFICANTLY AFFECTED THE DESIGN RESULTS OF FLEXIBLE STEEL REINFORCED CONCRETE
Ths. Đỗ Trường Giang*
* Khoa Xây dựng-ĐH Kiến trúc Hà Nội
Email: giangdt91@gmail.com
Tóm tắt: Bài viết trình bày một số vấn đề về vật liệu sử dụng bao gồm bê tông nặng, cốt thép sử dụng trong kết cấu bê tông cốt thép và các yêu cầu cấu tạo liên quan đến thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn như: lớp bê tông bảo vệ cốt thép chịu lực, chiều dài neo của cốt thép, yêu cầu neo cốt thép tại gối tựa, hàm lượng cốt thép tối thiểu được quy định trong TCVN 5574: 2018 - tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép đã làm ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn.
Từ khóa: Thép cốt bê tông, hệ số độ tin cậy của cốt thép, giới hạn chảy thép, lớp bê tông bảo vệ, neo cốt thép.
Abstract: This paper presents some issues about materials used including heavy concrete, reinforcement used in reinforced concrete structures and reinforcement detailings requirements related to the design of flexural reinforced concrete members. such as: concrete layer protecting load-bearing reinforcement, anchorage length of reinforcement, reinforcement anchoring requirements at supports, minimum reinforcement content specified in TCVN 5574: 2018 - national design standards Concrete and reinforced concrete structures have significantly affected the design results of flexural reinforced concrete structures.
Keywords: Steel for the reinforcement of concrete, partial factor of reinforcement,
yield strength of steel, concrete cover, reinforcement anchorage.
1. Đặt vấn đề
Tiêu chuẩn thiết kế Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép được ban hành năm 2018 [1] có khá nhiều những thay đổi so với tiêu chuẩn thiết kế được ban hành năm 2012 [2]. Trong đó có những thay đổi về vật liệu sử dụng (với bê tông: mở rộng phạm vi áp dụng cho bê tông nặng từ B70 đến B100, với cốt thép: sử dụng các loại thép cốt cho bê tông theo TCVN 1651:2018 [3] đó là các loại CB240T, CB300T, CB300V, CB400V, CB500V, CB600V đều được sử dụng một hệ số độ tin cậy duy nhất là s=1,15) và cấu tạo (lớp bê tông bảo vệ, chiều dài neo của cốt thép, diện tích cốt thép neo vào gối) và đã làm ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thiết kế các cấu kiện chịu uốn. Bài viết này đi vào phân tích, đánh giá những thay đổi trên của TCVN 5574: 2018 khi so sánh với TCVN 5574: 2012.
2. Các thay đổi về quy định vật liệu sử dụng và cấu tạo của TCVN 5574: 2018 so với TCVN 5574: 2012.
2.1. Vật liệu sử dụng.
2.1.1. Bê tông.
Bê tông nặng được sử dụng trong kết cấu bê tông cốt thép (KCBTCT) theo [1] bao gồm các loại cấp cường độ chịu nén không thấp hơn B15, đó là các loại bê tông có cấp cường độ chịu nén B15, B20, B25, B30, B35, B40, B45, B50, B55, B60, B70, B80, B90 và B100. Theo [2], các loại bê tông sử dụng trong kết cấu BTCT là B15, B20, B25, B30, B35, B40, B45, B50, B55, B60. So với TCVN 5574: 2012 thì TCVN 5574: 2018 đã căn cứ vào tình hình xây dựng thực tế để mở rộng phạm vi áp dụng cho bê tông nặng từ B70 đến B100, điều này sẽ thuận lợi hơn cho các kỹ sư khi thiết kế những công trình BTCT đòi hỏi phải sử dụng vật liệu có cường độ cao nhằm giảm nhẹ trọng lượng cho công trình và tiết kiệm vật liệu.
2.1.2. Cốt thép.
Cốt thép được sử dụng trong KCBTCT theo TCVN 5574: 2018 phù hợp với thép cốt cho bê tông đang được sản xuất theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 1651-1&2: 2018 – Thép cốt bê tông phần 1: Thép thanh tròn trơn và phần 2: Thép thanh vằn.
Theo TCVN 5574: 2012 cốt thép được sử dụng là loại thép cốt được sản xuất theo TCVN 1651: 1985 – Thép cốt bê tông thép cán nóng.
Cốt thép được sản xuất theo TCVN 1651: 1985 là thép cán nóng , còn thép được sản xuất theo TCVN 1651: 2018 có thể sản xuất theo công nghệ do nhà sản xuất quyết định, điều này phù hợp với sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện nay, các đơn vị sản xuất cốt thép được chủ động hơn, miễn là đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật. Các yêu cầu kỹ thuật chính của thép cốt bê tông theo hai tiêu chuẩn nêu trên được tập hợp trong bảng 1 và bảng 2.
Bảng 1. Các yêu cầu kỹ thuật của thép cốt bê tông theo TCVN 1651: 2018 [3]
Mác thép
Đường kính, mm
Giá trị đặc trưng của giới hạn chảy trên ReH Nhỏ nhất (MPa)
Giá trị đặc trưng của giới hạn bền kéo Rm Nhỏ nhất (MPa)
Giá trị đặc trưng quy định của độ dãn dài (%)
A5
Agt
CB240-T
6-40
240
380
20
2
CB300-T
300
440
16
CB400-T
400
500
8
CB300-V
6-50
450
CB400-V
570
14
CB500-V
650
CB600-V
600
710
10
Bảng 2. Các yêu cầu kỹ thuật của thép cốt bê tông theo TCVN 1651: 1985 [4]
Nhóm cốt thép
Giới hạn chảy, N/mm2
Độ bền đứt tức thời, N/mm2
Độ dãn dài tương đối %
Không nhỏ hơn
CI
25
CII
10-40
19
CIII
CIV
10-32
900
6
Nhận xét: Qua các chỉ tiêu kỹ thuật của thép cốt bê tông như hai bảng trên có thể nhận thấy sự tương đương của các cốt thép như sau CI tương đương CB240-T; CII tương đương CB300-V; CIII tương đương CB400-V và CIV tương đương CB600-V.
2.1.3. Hệ số độ tin cậy của cốt thép.[1],[2]
Hệ số độ tin cậy của cốt thép s liên quan đến việc xác định cường độ tính toán của cốt thép khi tính toán các cấu kiện BTCT theo trạng thái giới hạn thứ nhất. Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574: 2018 quy định hệ số s=1,15 chung cho các loại thép, TCVN 5574: 2012 quy định hệ số s=1,05-1,07 cho các loại thép CI (CB240-T), CII (CB300-T,V), CIII (CB400-V), còn các loại thép còn lại hệ số s cũng lấy như quy định của TCVN 5574: 2018.
Trong thực tế xây dựng hiện nay, cốt thép sử dụng khá phổ biến là các loại thép CB240,300-T; CB300,400-V, do đó việc quy định hệ số s=1,15 của TCVN 5574:2018 đã làm giảm cường độ tính toán của cốt thép khi tính toán theo TCVN 5574: 2012, giá trị giảm cường độ này từ 7,5% đến 9,5%, đồng nghĩa với đó là lượng cốt thép sử dụng trong thiết kế sẽ tăng lên tương ứng. Thực tế sản xuất trong giai đoạn vừa qua cho thấy: chất lượng thép cốt bê tông đều tăng vượt trội so với yêu cầu (xem bảng 3), vì vậy TCVN 5574: 2018 đưa ra hệ số s=1,15 là khá lớn, chưa phù hợp với thực tế sản xuất, gây lãng phí cốt thép trong thiết kế xây dựng.
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm thép cốt bê tông từ 04 phòng thí nghiệm LAS-XD (LAS-XD640; 674; 834 và 1061)
STT
ĐK (D)
Yêu cầu về giới hạn chảy, giới hạn bền
Lực chảy
Giới hạn chảy ReH
Lực bền
Giới hạn bền Rm
Biến dạng dài khi đứt
Nhận xét kết quả so với yêu cầu (Tăng:+, Giảm: -)
mm
≥ (N/mm2)
Fy
(N/mm2)
Fm
A5(%)
BD dài A5
(kN)
1
ReH≥240
Rm≥380
8.5
301
13.5
477
25.6
25%
26%
28%
8.3
294
13.2
467
26.7
22%
23%
34%
3
8.4
297
12.7
449
26.5
24%
18%
33%
14.8
23.3
464
15.1
23.5
468
15.2
302
23.6
470
24.6
ReH≥300
Rm≥450
73.6
366
109.3
544
21.3
21%
74.5
371
111.2
553
20.8
30%
76.3
379
110.6
550
21.2
18
92.5
364
138.9
546
19.8
93.7
368
140.6
20.6
29%
91.5
360
143.3
563
21.8
20%
36%
22
140.3
369
208.9
142.1
374
210.3
20.9
31%
145.3
382
205.6
541
20.4
27%
ReH≥400
Rm≥570
96.8
481
135.5
674
19.5
39%
99.6
495
138.6
689
18.7
95.9
698
17.9
19%
121.3
172.6
678
18.9
35%
125.6
494
176.5
694
18.6
126.8
498
180.3
709
182.6
480
258.6
680
186.4
490
265.6
699
189.3
272.4
717
19.0
ReH≥500
Rm≥650
194
618
241.6
769
18.1
190.6
607
243.6
775
17.3
198.3
631
240.8
766
18.3
240.9
634
300.5
791
17.6
237.5
625
295.6
778
229.6
604
289.7
762
17%
302.5
616
385.6
786
307.3
626
378.9
772
299.7
611
374.6
763
28
370.6
602
487.5
792
365.6
594
470.6
764
18.2
360.8
586
481.3
782
Kết quả thí nghiệm trên đây được tập hợp từ số liệu trung bình của 10 tổ mẫu từ các nhà sản xuất thép cán nóng trong nước. Với mỗi loại đường kính bao gồm ba nhà sản xuất: 1. Tập đoàn Hòa Phát; 2. Thép Việt Đức; 3. Công ty cổ phần thép Việt Ý. Trong đó các chỉ tiêu về sai số trọng lượng, độ dãn dài và uốn đều đạt yêu cầu theo TCVN 1651-2018. Bảng kết quả chỉ đề cập đến 02 chỉ tiêu quan trọng là giới hạn chảy và giới hạn bền của các mẫu thép thí nghiệm.
Nhận xét: Giới hạn chảy của các loại thép sau thí nghiệm đều tăng từ 17% đến 27% so với yêu cầu của các mác thép. Giới hạn bền: so với yêu cầu tăng từ 17% đến 26%. Biến dạng dài sau khi đứt A5 tăng từ 23% đến 39%. Có thể thấy rằng: chất lượng chế tạo các loại thép cốt bê tông ở giai đoạn hiện nay là rất tốt nhờ sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ sản xuất, do vậy cần quy định hệ số độ tin cậy giảm bớt so với quy định của TCVN 5574: 2018 để tránh lãng phí lượng thép sử dụng trong xây dựng.
2.2. Các quy định về cấu tạo.
Các quy định về cấu tạo có thay đổi giữa TCVN 5574: 2012 và TCVN 5574: 2018 liên quan đến cấu kiện chịu uốn được trình bày trong bảng 4.
Bảng 4. Các quy định có thay đổi về cấu tạo trong cấu kiện chịu uốn [1], [2]
Các quy định có thay đổi về cấu tạo trong cấu kiện chịu uốn của 02 tiêu chuẩn thiết kế
TCVN 5574: 2012
TCVN 5574: 2018
Lớp bê tông bảo vệ cốt thép chịu lực trong điều kiện thông thường
1. Bản có chiều dày ≤100mm
2. Bản có chiều dày >100mm
15
3. Dầm có chiều cao <250mm
4. Dầm có chiều cao ≥250mm
Diện tích cốt thép neo tại gối so với diện tích tính toán lớn nhất (As)
Bản sàn
1/3 As
Dầm với bề rộng b<150mm
Không quy định
1/2 As
Dầm với bề rộng b≥150mm
Hàm lượng cốt thép tối thiểu
Bản và dầm
0,05%
0,1%
Nhận xét: Với cấu kiện chịu uốn trong điều kiện môi trường thông thường lớp bê tông bảo vệ của cốt thép bản theo tiêu chuẩn hiện hành được lấy nhiều hơn 10mm so với TCVN 5574: 2012, điều này làm cho chiều dày tối thiểu của bản tăng thêm 20mm và gây bất lợi cho sự làm việc của bản khi chịu momen uốn đó là làm giảm đáng kể chiều cao làm việc của bản (h0), với bản có chiều dày≤100mm thì chiều cao h0 bị giảm hơn 10%, với bản có chiều dày ≤150mm thì h0 bị giảm từ 4% đến 5%. Điều đó sẽ làm cho lượng cốt thép sử dụng trong bản tăng lên tương ứng. Với cấu kiện chịu uốn là dầm: do chiều cao của dầm khá lớn nên việc tăng thêm lớp bê tông bảo vệ của cốt thép chịu lực làm giảm chiều cao làm việc h0 của dầm không đáng kể.
Diện tích cốt thép neo vào gối của dầm theo quy định của TCVN 5574: 2018 cũng tăng khá nhiều so với quy định của TCVN 5574: 2012.
3. Kết quả thiết kế cốt thép chịu mô men.
Để thấy rõ ảnh hưởng của việc thay đổi vật liệu thép và các quy định cấu tạo đến kết quả thiết kế cấu kiện chịu uốn, ví dụ được cho trong bảng tính cốt thép chịu mô men của cấu kiện chịu uốn sau đây sẽ chỉ ra chênh lệch về diện tích cốt thép khi thiết kế theo TCVN5574: 2018 và TCVN 5574: 2012.
Bảng 5. So sánh cốt thép chịu Momen khi thiêt kế theo 02 tiêu chuẩn
Cấu kiện
Momen
Tiết diện
Loại bê tông sử dụng
Loại thép sử dụng
Chênh lệch As2 và As1 (%)
(kNm)
b (mm)
h (mm)
B (MPa)
Rb (MPa)
h0
Rs (MPa)
As1 (mm2)
As2 (mm2)
Bản
4.00
1000
80
CB240T
65
225
291
55
210
378
6.00
90
11.5
B300T
75
280
260
7.00
100
14.5
CB400V
85
365
234
350
279
8.00
110
386
9.00
120
315
95
16.00
130
399
105
460
15%
18.00
140
412
115
14%
20.00
150
423
125
479
13%
Dầm
100.00
220
CB300V
941
1047
11%
130.00
930
1002
8%
200.00
30
17
CB600V
510
1033
520
1%
150.00
1156
540
1279
190.00
1107
1185
7%
250.00
1020
1026
Nhận xét: So với TCVN 5574: 2012, tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN 5574: 2018 đã quy định hệ số độ tin cậy của cốt thép và cấu tạo lớp bê tông bảo vệ cốt thép chịu lực được tăng thêm những điều này đã làm cho kết quả thiết kế cốt thép chịu Momen trong bản tăng lên rất đáng kể, cụ thể là: với bản có chiều dày ≤100mm, diện tích cốt thép chịu lực tăng lên từ 20% đến 30%, với bản có chiều dày ≤150mm thì diện tích cốt thép chịu lực tăng thêm từ 10% đến 20%, với dầm khi sử dụng cốt thép có giới hạn chảy ≤400MPa thì lượng cốt thép chịu lực tăng thêm gần 10%.
4. Kết luận, kiến nghị.
Các quy định về vật liệu thép và cấu tạo của TCVN 5574: 2018 đã làm thay đổi đáng kể kết quả thiết kế cấu kiện chịu uốn khi tính toán với Momen. Trong bản sàn, lượng cốt thép sử dụng tăng đến 30%, trong dầm lượng cốt thép sử dụng tăng đến 10% khi so sánh với việc thiết kế theo TCVN 5574: 2012.
Kiến nghị: Điều chỉnh hệ số độ tin cậy của cốt thép giảm xuống cho phù hợp với thực tế sản xuất, giá trị này nên lấy là 1,05 với thép cán nóng có giới hạn chảy không quá 500MPa (tương ứng với mác thép CB240,300,400).
Giảm bớt chiều dày lớp bê tông bảo vệ cho thép bản (nên giảm 5-10mm)
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. TCVN 5574: 2012, Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
2. TCVN 5574: 2018, Tiêu chuẩn quốc gia. Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép.
3. TCVN 1651-1: 2018, Thép cốt bê tông (Phần 1: Thép thanh tròn trơn)
4. TCVN 1651-2: 2018, Thép cốt bê tông ( Phần 2: Thép thanh vằn).
5. TCVN 1651:1985, Thép cốt bê tông cán nóng.
6. TCVN 6284:1997, Thép cốt bê tông dự ứng lực (Phần 1–5).
7. TCVN 197-1:2014, Vật liệu kim loại - thử kéo - phần 1: Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng.
8. Lê Minh Long (2017), “Một số điểm mới trong dự thảo TCVN 5574:2017” Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, 2, trang 55-61.
9. Phan Quang Minh, Ngô Thế Phong, Nguyễn Đình Cống (2011), Kết cấu BTCT - Phần cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.