QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN TẠP CHÍ KHCN XÂY DỰNG - SỐ 32023 63 MỘT SỐ TIÊU CHUẨN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐÃ VÀ ĐANG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM NATIONAL AND INTERNATIONAL STANDARDS USED FOR DESIGN OF RC STRUCTURES IN VIETNAM

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (964 KB, 11 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

MỘT SỐ TIÊU CHUẨN TRONG VÀ NGỒI NƯỚC VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP ĐÃ VÀ ĐANG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM

NATIONAL AND INTERNATIONAL STANDARDS USED FOR DESIGN OF RC STRUCTURES IN VIETNAM

NGUYỄN ĐẠI MINHa,*

aViện KHCN Xây dựng - Bộ Xây dựng

*Tác giả đại diện: Email:

Ngày nhận 28/9/2023, Ngày sửa 24/10/2023, Chấp nhận 29/10/2023

Tóm tắt: Trong 65 năm qua, ngành Xây dựng đã

đạt được những thành tựu to lớn và sự phát triển vượt bậc. Nhiều cơng trình cao tầng, nhiều cơng trình quy mô lớn đã được xây dựng, đưa vào sử dụng, phục vụ tốt các yêu cầu của xã hội và người dân. Các cơng trình phần lớn đều làm bằng bê tông cốt thép, được thiết kế theo các tiêu chuẩn Việt Nam hoặc các tiêu chuẩn nước ngoài (như Mỹ, châu Âu và Trung Quốc...). Việc tìm hiểu và so sánh các tiêu chuẩn có thể giúp hiểu rõ hơn về tính pháp lý, cơ sở khoa học và tính thực tiễn của các tiêu chuẩn, đặc biệt là các tiêu chuẩn nước ngoài vì phần lớn cịn chưa quen thuộc với các kỹ sư Việt Nam. Ngồi ra, có thể giúp việc lựa chọn và áp dụng các tiêu chuẩn này một cách hiệu quả khi cần phải sử dụng. Đây cũng là một kinh nghiệm tốt khi biên soạn các tiêu chuẩn Việt Nam sau này.

Từ khóa: Kết cấu BTCT, tiêu chuẩn thiết kế,

TCVN 5574, ACI 318, EN 1992, GB 50010.

Abstract: In recent 65 years, Vietnamese construction industry have had great achievements and outstanding developments. Many high-rise buildings and super structures have been built and put into operations, serving well the demands of people and society. Most of buildings were made by concrete, and designed based on the Vietnamese or the foreign standards (e.g. the US, the European or the Chinese codes etc.). Studying and comparing of these standards can possibly provide good understanding for the designers regarding to the legality, the scientific basis and the practicality of the codes (especially for those international codes, due to not being familiar to the Vietnamese engineers). In addition, it may help the engineers to choose the standard in the design when needed. This can also be good experiences for the revision or preparations of the Vietnam design standards later in the future.

Key words: RC structures, design standards, TCVN 5574, ACI 318, EN 1992, GB 50010.

1. Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT sử dụng ở Việt Nam trong những thập niên gần đây

Quy định pháp luật cho phép sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài nhưng phải đáp ứng các yêu cầu của các quy chuẩn Việt Nam. Phần lớn các cơng trình xây dựng ở Việt Nam do Tư vấn trong nước thiết kế sử dụng các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Khi thiết kế các cơng trình bê tơng cốt thép (BTCT) sử dụng TCVN 5574 [1] để tính tốn kết cấu, TCVN 2737 [2] để xác định các tải trọng tác dụng lên cơng trình và TCVN 9386 [3] để tính tốn động đất. Do đó, TCVN 5574 có thể là tiêu chuẩn cốt lõi để thiết kế kết cấu BTCT, còn TCVN 2737 và 9386 là các tiêu chuẩn quan trọng để thiết kế cơng trình an tồn, hợp lý, kể cả khi xảy ra gió bão lớn hay động đất.

Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT kể từ năm 1990 trở lại đây, bao gồm:

- TCVN 5574:1991 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế (do Trường Đại học

Xây dựng Hà Nội biên soạn);

- TCXD 198:1997 Nhà cao tầng - thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối [4] (do Viện Khoa

học công nghệ xây dựng (IBST) biên soạn);

- TCXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế (do IBST biên soạn),

năm 2012 được chuyển đổi thành TCVN 5574:2012;

- TCVN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (do IBST biên soạn);

- TCVN 11823:2017 Thiết kế cầu đường bộ

(gồm 14 phần, trong đó phần 5 là Kết cấu bê tông) [5], do Bộ Giao thông Vận tải tổ chức biên soạn.

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

TCVN 5574:1991 và 2012 được biên soạn dựa trên tiêu chuẩn SNiP 2.03.01-84* [6], TCVN 5574:2018 dựa theo tiêu chuẩn Nga SP 63.13330 [7]. Tiêu chuẩn TCXD 197:1998 được biên soạn tham khảo tiêu chuẩn Trung Quốc, phục vụ thiết kế kết cấu BTCT cao tầng có chiều cao thấp hơn 75 m (25 tầng), chứa một số nội dung cần thiết như: tính tốn động đất, quy định về cấu tạo lõi-vách, ổn định chống lật, giới hạn về chuyển vị ngang và gia tốc

đỉnh nhà. TCVN 11823-5:2017 Thiết kế cầu đường bộ - kết cấu bê tông được biên soạn dựa theo tiêu

chuẩn Mỹ AASHTO-LRFD.

Dựa vào các tiêu chuẩn trên, rất nhiều cơng trình xây dựng đã được thiết kế, xây dựng và phục vụ tốt cho sự phát triển đất nước. Các kỹ sư Việt Nam đã rất sáng tạo trong áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế, như: tham khảo, sử dụng hợp lý các tiêu chuẩn nước ngoài để giải quyết các vấn đề mà các tiêu chuẩn nước ta chưa đề cập. Trong giai đoạn 1990-1995, việc thiết kế cơng trình sử dụng TCVN 2737:1990, TCVN 5574:1991 và SNiP II-7-81* [8] hoặc UBC 1997 (để tính tốn động đất); giai đoạn 1995-2005 sử dụng TCVN 2737:1995, TCVN 5574:1991, TCXD 197:1998; giai đoạn 2005-2006, sử dụng TCVN 2737:1995, TCXDVN 356:2005, TCXD 198:1997; giai đoạn 2006-2012, sử dụng TCVN 2737:1995, TCXDVN 356:2005, TCXDVN 375:2006 (để tính tốn động đất); giai đoạn 2012-2018, sử dụng TCVN 2737:1995, TCVN 5574:2012, TCVN 9386:2012; giai đoạn 2018-2023, sử dụng TCVN 2737:1995, TCVN 5574:2018, TCVN 9386:2012; giai đoạn 2023 đến nay, sử dụng TCVN 2737:2023, TCVN 5574:2018, TCVN 9386:2012. Có thể nói rằng, các giai đoạn 1995-2005 (10 năm) và 2006-2018 (12 năm) là các giai đoạn sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế rất ổn định vì các tiêu chuẩn ít thay đổi, các kỹ sư có thể đã hiểu rõ và áp dụng tốt các tiêu chuẩn do đã được giảng dạy trong các trường đại học và có các tài liệu hướng dẫn ban hành đi kèm, kể cả vấn đề phức tạp như tính tốn động đất.

Trong giai đoạn 1990-2023, nhiều cơng trình có vốn đầu tư nước ngồi hoặc các cơng trình có Tư vấn nước ngồi tham gia thiết kế đã sử dụng các tiêu chuẩn nước ngoài như: ACI 318 [9] của Mỹ (ví dụ: tổ hợp Hanoi Keang Nam Lanmark Tower, Hanoi Lotte Complex, tòa nhà Vietcombank

Saigon,...), BS 8110 [10] của Anh (tòa nhà Hanoi Tower, nhà máy xi măng Hoàng Thạch, xi măng Tam Điệp, xi măng Hải Phòng mới,...), EN 1992 [11] của châu Âu (Nhà Quốc hội và Hội trường Ba Đình (mới), tịa nhà Lanmark 81 - TP. Hồ Chí Minh, nhà máy lọc dầu Nghi Sơn,...), GB 50010 [12] của Trung Quốc (Sân vận động quốc gia Mỹ Đình, nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, nhiệt điện Vĩnh Tân, nhà máy xi măng Tây Ninh,…)… Việc sử dụng các tiêu chuẩn này là cần thiết và tuân thủ quy định pháp luật.

Ngoài ra, khi thiết kế các cơng trình cao tầng và các cơng trình quy mô lớn, một số dạng kết cấu chịu lực quan trọng như hệ lõi-vách BTCT, cột lệch tâm xiên, hệ sàn-dầm bê tông ứng suất trước, hệ dầm bẹt, hệ dầm chuyển, hệ tầng chuyển, các si-lô, bể chứa lớn thường sử dụng các tiêu chuẩn Mỹ, Anh và châu Âu để tính toán thiết kế do các tiêu chuẩn Việt Nam chưa bao quát hết các dạng kết cấu này (ví dụ: sử dụng BS EN 1992 trong thiết kế hệ lõi-vách tòa nhà 40 tầng Masteri Thảo Điền – TP. Hồ Chí Minh, BS 8110 trong thiết kế hệ sàn-dầm chuyển ứng suất trước tòa nhà trụ sở VPCP – Hà Nội,...).

Các tiêu chuẩn nước ngoài sử dụng nhiều trong thiết kế ở nước ta là ACI 318, BS EN 1992 (trước là BS 8110) và GB 50010. Đây là 3 tiêu chuẩn từ 3 khu vực có các nền kinh tế phát triển hàng đầu thế giới: Mỹ, châu Âu và Trung Quốc. Việc tìm hiểu và so sánh các tiêu chuẩn có thể giúp hiểu rõ hơn về tính pháp lý, cơ sở khoa học và tính thực tiễn của các tiêu chuẩn (phần lớn còn chưa quen thuộc với các kỹ sư Việt Nam). Ngoài ra, có thể giúp việc lựa chọn và áp dụng các tiêu chuẩn này một cách hiệu quả khi cần phải sử dụng. Đây cũng là các kinh nghiệm tốt khi biên soạn các TCVN sau này.

2. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318

ACI 318 [9] do Viện Bê tông Mỹ phát triển và ban hành với sự tham gia của nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực bê tông và kết cấu bê tông trên khắp nước Mỹ. Phiên bản cập nhật của ACI 318 là phiên bản 2019 với tên đầy đủ là An ACI Standard -

Building Code Requirements for Structural Concrete (Tiêu chuẩn ACI – Các yêu cầu về quy chuẩn xây dựng đối với kết cấu bê tơng). ACI 318 có phiên bản

ACI 318 (M) dùng các đơn vị đo lường theo hệ SI

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

(mm, N…) để sử dụng ngoài nước Mỹ. Thơng thường khoảng 3-5 năm thì ACI 318 được cập nhật. Từ năm 2000 đến nay đã có ACI 318-02, ACI 318-05, ACI 318-08, ACI 318-11, ACI 318-14 và ACI-19. Sử dụng nhiều ở Việt Nam có thể là ACI-05 và 08. Năm 2011, GS. David Darwin đã đến Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh trình bày các bài giảng về ACI 318-08 theo lời mời của IBST. Năm 2018, các chuyên gia của ACI cũng đã đến Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh giới thiệu ACI 318-14 trong thiết kế kết cấu. ACI 318 có thể là tiêu chuẩn được công nhận rộng rãi nhất, áp dụng cho nhiều dự án trên thế giới. Nhiều quốc gia biên soạn tiêu chuẩn kết cấu bê tơng của nước mình dựa theo ACI 318. Ở khu vực ASEAN, các tiêu chuẩn của Thái Lan, Indonesia và Phillipines dựa theo ACI.

Ở Mỹ, tiêu chuẩn này khơng có giá trị pháp lý trừ khi được thông qua bởi các cơ quan chính phủ có thẩm quyền ở các tiểu bang về xây dựng cơng trình. Tiêu chuẩn này khơng sử dụng để giải quyết các tranh chấp trong xây dựng giữa chủ đầu tư, tư vấn, nhà thầu, nhà cung cấp vật liệu, nhà thí nghiệm, kiểm định.

ACI 318 quy định thiết kế kết cấu theo trạng thái giới hạn (trạng thái giới hạn cực hạn ULS và trạng thái giới hạn sử dụng SLS), các nguyên tắc và các công thức trong ACI được thiết lập từ các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, các tiến bộ khoa học và công nghệ, các kinh nghiệm và thực tiễn xây dựng phong phú của Mỹ. Do các nội dung rất rộng lớn của ACI, bài báo này chỉ điểm qua về cường độ bê tơng, tính tốn chịu uốn và chịu cắt của kết cấu.

ACI 318 sử dụng f’c là cường độ chịu nén quy

định của bê tông, f’cr - cường độ chịu nén trung bình yêu cầu của bê tông sử dụng để thiết kế cấp phối.

Các cường độ f’c và f’cr đều xác định trên mẫu trụ 150*300 mm. Tất cả các cơng thức tính tốn về khả năng chịu uốn, cắt,... của tiết diện và của kết cấu

đều dựa trên f’c. ACI 318 cho phép áp dụng bê tơng có cường độ đến 140 MPa. Thơng thường, sử dụng bê tơng có cường độ 30 hoặc 35 MPa, đối với cột hoặc lõi-vách cứng có thể sử dụng bê tông cường độ cao hơn. Bê tông được thiết kế cấp phối dựa

trên cường độ f’cr. Quan hệ giữa f’cr và f’cđược xác định trong Bảng 1.

Bảng 1. Quan hệ giữa f’cr và f’c, trường hợp có số liệu để lập độ lệch chuẩn s (ACI 318)

Sử dụng giá trị lớn hơn từ phương trình (1) và (2)

f’c 35 f’cr = f’c + 1.34s (1) f’cr = f’c + 2.33s – 3.5 (2)

Sử dụng giá trị lớn hơn từ phương trình (1) và (3)

f’c > 35 f’cr = f’c + 1.34s (1) f’cr = 0.9f’c + 2.33s (3)

Phương trình (1) dựa trên xác xuất 1% (1 trên 100) giá trị trung bình cường độ của một tổ mẫu thử (gồm 3 mẫu thử liên tiếp) trong tất cả các tổ mẫu thử < f’c. Phương trình (2) dựa trên xác xuất 1% mẫu thử độc lập trong tất cả các mẫu thử có cường

độ < (f’c–3.5)MPa (với f’c35MPa). Phương trình (3)

đảm bảo xác xuất 1% mẫu thử độc lập trong tất cả các mẫu thử có cường độ < 0.9f’c (với f’c>35MPa).

Trường hợp không có các số liệu các mẫu thử

để tính tốn độ lệch chuẩn s, ACI 318 cho phép xác định f’cr như sau (Bảng 2):

Bảng 2. Giá trị f’cr trong trường hợp khơng có độ lệch chuẩn s (ACI 318)

Cường độ chịu nén quy định, f’c , MPa Cường độ chịu nén trung bình yêu cầu, f’cr , MPa

Về quan hệ ứng suất – biến dạng (ƯS-BD), khối ứng suất chữ nhật và các giả thiết sử dụng trong

tính tốn tiết diện: Quan hệ ƯS-BD của bê tông khi chịu nén rất quan trọng, đặc biệt là khối ứng suất chữ nhật tương đương để thiết lập các cơng thức tính tốn chiu uốn, cắt và nén,... cũng như khi mô phỏng kết cấu BTCT bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Hình 1 thể hiện quan hệ ƯS-BD của bê

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

tông với các giá trị f’c khác nhau. Hình 2 trình bày quan hệ ƯS-BD của bê tông chịu nén đúng tâm với các gia tải nhanh (1 phút), chậm (1 h, 1 ngày) và rất chậm (100 ngày). Hình 3 thể hiện quan hệ ƯS-BD dưới dạng đường cong parabol mô phỏng sự làm việc của bê tông trong phần mềm ANSYS. Năm 1937, Withney đã đề xuất sử dụng khối chữ nhật

tương đương với cạnh là 0.85f’c để dễ sử dụng trong tính tốn thay thế cho đường parabol phức tạp. Khối ứng suất chữ nhật này được chấp nhận trong ACI 318 (Hình 4). Bê tông vùng nén được xem như bị phá hoại (nén vỡ) tại biến dạng cực hạn εc=0.003. Bê tông được giả thiết không tham gia chịu lực khi chịu kéo. Quan hệ ƯS-BD của cốt thép được giả thiết là đàn dẻo lý tưởng với cường độ chảy fy. Bám dính giữa bê tông và cốt thép được xem là lý tưởng. Giả thiết tiết diện phẳng của tiết diện được đảm bảo trước, trong và sau khi chịu tải.

ACI 318 quy định kiểm tra khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn cực hạn, như sau:

Φ*(Mn, Nn, Vn) ≥ U (hay Mu, Pu, Vu) (7)

trong đó: U (hay Mu, Pu, Vu) – khả năng chịu lực yêu cầu (hay hệ quả của các tổ hợp tải trọng đã nhân với hệ số vượt tải); Φ*(Mn, Nn, Vn) – khả năng chịu lực thiết kế (bằng hệ số giảm cường độ Φ nhân với khả năng chịu uốn, chịu nén và chịu cắt danh định Mn, Nn và Vn của tiết diện, kết cấu); Φ=0.9 khi kết cấu phá hoại dẻo (do kéo) với 5000 < εt < εtmax (εt - biến dạng của cốt thép), Φ=0.65 khi phá hoại giòn (do nén) với εt < 2000, Φ lấy giá trị tuyến tính giữa 2 giá trị trên khi 2000< εt<5000, Φ = 0.75 khi tính tốn chịu cắt. U được xác định theo các tổ hợp sau: 1.4D (8)

Hình 3. Đường cong mơ phỏng sự làm việc

ối ứng suất chữ nhật Withney tương đương

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

Khả năng chịu uốn danh định của tiết diện dầm chữ nhật được xác định và kiểm tra như sau:

𝑀𝑛= 𝐴𝑠𝑓𝑦(𝑑 −𝑎

2) (12) 𝑎 = 𝐴𝑠𝑓𝑦

0.85𝑓𝑐′𝑏 (13) 0.9Mn ≥ Mu (14)

trong đó: As, fy – tiết diện và cường độ chảy của cốt

thép; a, b, d – chiều cao vùng nén, bề rộng và chiều

cao hiệu quả của tiết diện (Hình 4).

Khả năng chịu cắt danh định của tiết diện dầm được tính tốn theo các biểu thức sau:

𝑉𝑛= 𝑉𝑐+ 𝑉𝑠 (15) 𝑉𝑐 = 0.17√𝑓𝑐′𝑏𝑤𝑑 (16) 𝑉𝑠=𝐴𝑣𝑓𝑦𝑑

𝑠 (17) Vc – sức kháng cắt của bê tông, Vs – sức kháng cắt của cốt đai, bw– bề rộng dầm (chịu cắt), s –

khoảng cách giữa các cốt đai (bước đai), với điều kiện √𝑓𝑐′≤ 8.3𝑀𝑃𝑎.

Điều kiện kiểm tra:

𝑉𝑢≤ 𝑉𝑛= 𝛷 (0.17√𝑓𝑐′𝑏𝑤𝑑 +𝐴𝑣𝑓𝑦𝑑

𝑠 ) (18) ACI 318-19 có 29 chương và 3 phụ lục, bao quát nhiều lĩnh vực kết cấu BTCT kể cả bê tông nhẹ, bê tông lắp ghép, neo trong bê tông và đánh giá kết cấu. Tuy nhiên, ACI 318 không bao gồm thiết kế cầu, thiết kế silo, bể chứa chất lỏng và thiết kế chịu lửa.

3. Tiêu chuẩn châu Âu EN 1992

Tiêu chuẩn Eurocodes gồm 10 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu (từ EN 1990-1999), bắt đầu phát triển từ năm 1975 và được gọi là thế hệ thứ nhất (1G). Eurocodes được đánh giá là một trong những bộ tiêu chuẩn kết cấu tiên tiến nhất trên thế giới. Đặc tính mẫu (model) của tiêu chuẩn này không những cho phép chấp nhận ở các nước châu Âu mà còn ở một số nước trên thế giới. Ở Anh, từ năm 2010 đã thay BS 8110 bằng BS EN 1992. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông BS EN 1992 [11] bao gồm: BS EN 1992-1-1 (nhà), BS EN 1992-1-2 (chịu lửa), BS EN 1992-2 (cầu), BS EN 1992-3 (silo và bể chứa), BS EN 1992-4 (neo trong bê tông).

Do EN 1992 là tiêu chuẩn mẫu nên không có tính pháp lý nếu khơng được cơ quan chức năng về tiêu chuẩn hóa của quốc gia sử dụng tiêu chuẩn chấp nhận và chuyển thành tiêu chuẩn của nước mình. Sau khi được chấp nhận và cấp mã hiệu như BS EN 1992 (Anh), DIN EN 1992 (Đức), NF EN 1992 (Pháp),... hay SS EN 1992 (Singapore), MS EN 1992 (Malaysia)… thì tiêu chuẩn này có tính pháp lý áp dụng trong thiết kế xây dựng ở những nước này.

EN 1992 được nhiều nhà khoa học ở châu Âu tham gia phát triển, nên có các cơ sở khoa học vững chắc và kinh nghiệm thực tiễn phong phú. Nhiều quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Australia, Ấn Độ đều nghiên cứu, tham khảo Eurocodes để xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế của nước mình. Nhiều cơng ty tư vấn hàng đầu trên thế giới sử dụng Eurocodes trong các dự án lớn. Eurocodes chỉ bao gồm những nguyên tắc (Principles) và các quy định (Rules), trong đó các nguyên tắc (P) là bắt buộc. EN 1992 quy định thiết kế theo trạng thái giới hạn. Kết cấu phải được thiết kế để đáp ứng đủ: khả năng chịu lực, khả năng sử dụng và độ bền lâu. Do tính học thuật và các nội dung lớn của EN 1992, ở đây chỉ giới thiệu về cường độ bê tơng, tính tốn chịu uốn và chịu cắt (do là các vấn đề hay gặp trong thiết kế).

Trong EN 1992, bê tông được phân theo các cấp cường độ fck (fck - cường độ đặc trưng chịu nén mẫu trụ 150*300mm) như trong Bảng 3 dưới đây.

Ngoài fck, trong EN 1992 cịn có fck cube (cường độ đặc trưng chịu nén mẫu lập phương

150*150*150mm) và fcm (cường độ chịu nén trung bình mẫu trụ 150*300mm). Để dễ so sánh trong tính

tốn, fck có thể tương đương với f’c và fcm tương

ứng với f’cr trong ACI 318. Cấp bê tông trong EN 1992 được ký hiệu là C, ví dụ C50/60 (C – Concrete, 50 – fck= 50 MPa, 60 – fck cube= 60 MPa). Ý

nghĩa của cường độ đặc trưng là chỉ có dưới 5%

trong tất cả các mẫu thử thấp hơn giá trị fck, phép thử thực hiện theo EN 206.

Bảng 3. Cấp cường độ bê tông theo EN 1992

fck cube 15 20 25 30 37 45 50 55 60 67 75 85 95 105

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

EN 1992 quy định thiết kế kết cấu theo phương pháp hệ số riêng. Cường độ chịu nén thiết kế của

bê tông fcd được xác định theo biểu thức sau:

f

cd



cc

f

ck

/

C (19)

trong đó: γc là hệ số riêng của bê tông lấy bằng 1.5 (đối với các tình huống thiết kế tạm thời và dài hạn); αcc là hệ số kể đến ảnh hưởng dài hạn lên cường độ và ảnh hưởng bất lợi từ phương pháp đặt tải, nằm trong khoảng từ 0.8 đến 1 có kể đến ảnh hưởng dài hạn của tải trọng. Phụ lục quốc gia của Anh chọn αcc=1 do cường độ bê tông xác định ở 28 ngày tuổi và tuổi càng lâu thì cường độ càng tăng bù trừ cho hiệu ứng ảnh hưởng dài hạn của tải trọng. Như vậy: fcd = 0.67fck (20)

Quan hệ ƯS – BD của bê tơng khi chịu nén có dạng parabol – đoạn thẳng (Hình 6a) hoặc dạng 2 đoạn thẳng (Hình 6b). Với bê tông thấp hơn C50, εcu2= εcu3 = 0.0035. Để đơn giản hóa trong tính tốn, khối ứng suất chữ nhật tương đương với các hệ số λ và η được chấp nhận trong EN 1992 (Hình 7). Với bê tông từ C50 trở xuống, λ=0.8 và η=1. a) Dạng parabol-đoạn thẳng b) Dạng 2 đoạn thẳng Hình 6. Quan hệ ƯS – BD của bê tơng khi chịu nén (EN 1992) Hình 7. Khối ứng suất chữ nhật tương đương và phân bố ứng suất, biến dạng trong tiết diện khi chịu uốn trong BS EN 1992 Cốt thép được giả thiết là đàn dẻo lý tưởng với cường độ chảy đặc trưng là fyk(tương đương fytrong ACI 318). Cường độ chảy thiết kế của cốt thép là fyd = fyk/γs, trong đó γs =1.15 là hệ số riêng của cốt thép (đối với các tình huống thiết kế tạm thời và dài hạn). Bám dính giữa bê tơng và cốt thép được xem là lý tưởng. Giả thiết tiết diện phẳng của tiết diện được đảm bảo trước và sau khi biến dạng. Tổ hợp tác động theo nhóm B (STR/GEO) trong EN như sau: 1.35D + 1.5L (21)

1.35D + 1.5W + 0.7L (22)

1.35D + 1.5L + 0.6W (23)

1.0D + 1.6W (24) Khả năng chịu uốn của dầm tiết diện chữ nhật được xác định và kiểm tra như sau:

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

𝑀𝑅𝑑= 0.87𝐴𝑠𝑓𝑦(𝑑 −𝑎

2) (25) 𝑎 = 𝐴𝑠𝑓𝑦

0.77𝑓𝑐′𝑏 (26)

M  MRd (27)

trong đó: As – tiết diện cốt thép; a, b, d – chiều

cao vùng nén, bề rộng và chiều cao hiệu quả của tiết diện (Hình 7); M – mơ men thiết kế do ngoại lực gây ra (hệ quả của các tổ hợp tác động theo nhóm

B (STR/GEO)); MRd – mô men kháng thiết kế của tiết diện.

Tính tốn chịu cắt ln là vấn đề phức tạp. Các công thức chịu cắt trong EN 1992 chủ yếu được thiết lập dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm. Khả năng chịu cắt thiết kế của dầm khơng có cốt đai

VRd,c được xác định như sau:

𝑉𝑅𝑑,𝑐= (𝐶𝑅𝑑,𝑐𝑘(100𝜌1𝑓𝑐𝑘)1/3+ 𝑘1𝜎𝑐𝑝)𝑏𝑤𝑑 (tính bằng N) (28) với giá trị nhỏ nhất là 𝑉𝑅𝑑,𝑐= (v𝑚𝑖𝑛+ 𝑘1𝜎𝑐𝑝)𝑏𝑤𝑑 (29)

Khi VRd,c < V, trong đó V là lực cắt thiết kế do

ngoại lực gây ra, thì phải tính tốn cốt đai. Khi đó,

khả năng chịu cắt thiết kế VRd,s và VRd, max (N) của dầm được xác định như sau (Hình 8):

𝑉𝑅𝑑,𝑠=𝐴𝑠𝑤

𝑠 𝑧𝑓𝑦𝑤𝑑𝑐𝑜𝑡𝜃 (trường hợp cốt đai bị chảy dẻo) (30) 𝑉𝑅𝑑,𝑚𝑎𝑥= 𝑏𝑤𝑧v𝑓𝑐𝑑 1

𝑐𝑜𝑡𝜃+𝑡𝑎𝑛𝜃 (thanh chéo bê tông bị nén vỡ) (31)

trong đó: z=0.9d; Asw - diện tích cốt đai; s – bước đai; fywd = fyw/1.15, fyw là cường độ chảy của cốt đai; θ - góc giả định của thanh bê tơng chịu nén với trục dầm, nằm trong khoảng (21.80, 450) hay 1≤ cotθ ≤2.5; v - hệ số kể đến sự suy giảm do nứt v = 0.6 (1 −𝑓𝑐𝑘

250) (32)

Hình 8. Khả năng chịu cắt của dầm khi cốt đai chảy dẻo hoặc khi thanh chéo bê tông bị nén vỡ [15]

Với cốt đai vng góc với trục dầm, bỏ qua ảnh hưởng của lực dọc, chọn θ = 450, quy trình tính cốt đai được thực hiện như sau:

(a) từ điều kiện VRd,s = V suy ra 𝐴𝑠𝑤𝑠 = 𝑉

𝑧𝑓𝑦𝑤𝑑 (33);(b) kiểm tra điều kiện VRd,max ≥ V, trong đó VRd,max xác định theo biểu thức (31). So với ACI 318, cơng thức tính cốt đai trong EN

1992 có thể thiên về an tồn vì lực cắt chỉ do cốt đai chịu khi khả năng chịu cắt của bê tông nhỏ hơn lực cắt do ngoại lực gây ra.

EN 1992 thế hệ 1G bao quát nhiều lĩnh vực, như: nhà, cầu, silo, bể chứa, neo trong bê tông và thiết kế chịu lửa. Đến nay, Eurocodes đã bắt đầu thế hệ 2G. Eurocodes khi ấy sẽ thêm kết cấu kính (glass), kết cấu FRP (Fibre Reinforced Polymer), kết

cấu màng (membrane), đánh giá kết cấu và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Ngồi việc áp dụng trong thiết kế, Eurocodes còn được xem như là một bộ tiêu chuẩn mẫu về thiết kế kết cấu có thể tham khảo để biên soạn các tiêu chuẩn quốc gia.

4. Tiêu chuẩn GB 50010

Tiêu chuẩn GB 50010 Code for design of concrete structures (Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông) [11] do Bộ Xây dựng (nay là Bộ Nhà ở và kiến

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

thiết thành thị, nông thôn) Trung Quốc biên soạn và ban hành. Phiên bản cập nhật là GB 50010-2010 (sửa đổi năm 2015), áp dụng cho thiết kế kết cấu bê tông ở Trung Quốc, đảm bảo an toàn, kinh tế và phát triển bền vững. Về tính pháp lý thì đây là tiêu chuẩn quốc gia, áp dụng ở Trung Quốc.

Cấp bê tông trong GB 50010 ký hiệu là C, ví dụ bê tơng C50 (C – concrete, 50 - fcu = 50 MPa (fcu là cường độ chịu nén đặc trưng mẫu lập phương 150*150*150mm của bê tông). Tuy nhiên, cường độ chịu nén đặc trưng fck trong GB 50010 dựa trên mẫu lăng trụ 150*150*300mm với xác suất các mẫu thử

đạt và vượt fck là 95%. Cường độ thiết kế của bê tông khi chịu nén là 𝑓𝑐≈ 𝑓𝑐𝑘/1.4 (hay γc=1.4) xấp xỉ 0.6f’c (f’c – cường độ mẫu trụ theo ACI 318). Cấp bê tông và các giá trị fck, fc, ft (cường độ chịu kéo thiết kế dọc trục), fcu và f’c cho trong Bảng 4. GB 50010 cho phép thiết kế kết cấu bê tông đến C80. Tiêu

chuẩn này quy định thiết kế theo trạng thái giới hạn (gồm trạng thái giới hạn cực hạn ULS và trạng thái giới hạn sử dụng SLS).

Quan hệ ƯS – BD của bê tông khi chịu nén có dạng hàm mũ (gần giống parabol) và đoạn thẳng. Khối ứng suất chữ nhật tương đương như trong Hình 9. Với bê tơng từ C50 trở xuống, α1=1, β1=0.8, biến dạng cực hạn εcu= 0.0033. Có 3 loại cốt thép sử dụng trong GB 50010 (HRB335, HRB400 và HRB500, tương ứng với cường độ chảy đặc trưng

fyk=335, 400 và 500 MPa (tương đương fy của ACI) và cường độ chảy thiết kế fyd=300, 360 và 435 MPa (γs=1.12, 1.11 và 1.15). Khi tính tốn tiết diện, giả thiết tiết diện phẳng được đảm bảo, bám dính giữa bê tơng và cốt thép được xem là tuyệt đối, bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông. Các ký hiệu trong GB 50010 giống như EN 1992 và ACI 318.

𝑀𝑅𝑑= 𝐴𝑠𝑓𝑦𝛾𝑠(𝑑 −𝑎2) (37)

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Tính tốn chịu cắt trong GB 50010 dựa theo các cơng thức thực nghiệm, đối với dầm tiết diện chữ nhật, kiểm tra theo công thức sau:

𝑉 ≤ 0.7𝑓𝑡𝑏𝑑 + 1.25𝑓𝑦𝑣𝐴𝑠𝑣

𝑠 𝑑 (39)

trong đó: V – lực cắt do ngoại lực gây ra, ft - cường độ chịu kéo dọc trục thiết kế của bê tơng (lấy theo Bảng 4), Asv – diện tích cốt đai, fyv – cường độ thiết kế của cốt đai, s – bước đai.

Trung Quốc là nền kinh tế lớn thứ hai thế giới với sự phát triển vượt bậc về xây dựng. Tiêu chuẩn GB 50010 do Trung Quốc tự phát triển có tham khảo các tiêu chuẩn SNiP, BS 8110, EN 1992, ACI 318 và Nhật Bản. Tiêu chuẩn GB 50010 không những được đưa vào trong các phần mềm thiết kế của Trung Quốc như PKPM, TAT mà cịn được tích hợp trong SAP 2000, ETABS và SAFE, rất thuận tiện trong thực hành thiết kế.

5. Tiêu chuẩn TCVN 5574

Tiêu chuẩn TCVN 5574 là tiêu chuẩn quốc gia dùng để thiết kế kết cấu BTCT ở Việt Nam. TCVN 5574 quy định thiết kế theo trạng thái giới hạn. Cấp bê tông (theo độ bền hay cường độ) ký hiệu là B (ví dụ B30, B – bê tông, 30 – cường độ chịu nén là 30 MPa với xác suất đảm bảo ít nhất 95 % cường độ chịu nén của các mẫu thử hình khối lập phương 150*150*150mm 28 ngày tuổi lớn hơn hoặc bằng 30 MPa) được sử dụng trong TCVN 5574:2012 và

2018. Mác bê tông ký hiệu là M (ví dụ M300, M – mác, 300 – cường độ bê tông 300 daN/cm2, lấy bằng giá trị trung bình thống kê của cường độ chịu nén tức thời, tính bằng đơn vị daN/cm2, xác định trên các mẫu lập phương 150*150*150mm) được sử dụng trong TCVN 5574:1991 và 2012. Trong TCVN 5574:2018, đã chấp nhận giả thiết tiết diện phẳng và đã đưa đường 2 và 3 đoạn thẳng (về quan hệ ƯS - BD của bê tông khi chịu nén) khi tính tốn tiết diện, hệ số riêng của thép lấy bằng 1.15, đã có những thay đổi về tính tốn chịu cắt,... Các nội dung chi tiết có thể tìm trong TCVN 5574:2018 (bản in giấy hoặc điện tử).

Cường độ nén tiêu chuẩn của bê tông ký hiệu là

Rbn dựa trên mẫu lăng trụ 150*150*600mm, Rbn ≈

0.7B. Cường độ nén tính tốn của bê tơng ký hiệu là Rb, Rb=Rbn/1.3 (1.3 - hệ số độ tin cậy của bê tông)

hay Rb=0.54B. Do f’c=0.8fcu (hay B=1.25f’c) nên

Rb=0.675f’c– đây cũng là cạnh của khối ứng suất chữ nhật tương đương (Hình 10). Cường độ tính tốn của cốt thép Rs = fy/1.15 (1.15 - hệ số độ tin cậy của thép).

Tổ hợp tải trọng như sau:

1.1D + 1.2L (40) 1.1D + 1.2W (41) 1.1D + 1.08L + 1.08W (42)

Hình 10. Khối ứng suất chữ nhật và phân bố ứng suất, biến dạng trong tiết diện khi chịu uốn trong TCVN 5574:2018

Tính toán chịu uốn của dầm tiết diện chữ nhật được thực hiện dựa vào điều kiện cân bằng lực dọc và tính mơ men uốn tại điểm đặt lực nén C:

𝑥 = 𝐴𝑠𝑅𝑠

𝛾𝑠𝑅𝑏𝑏= 𝐴𝑠𝑓𝑦

0.78𝑓𝑐′𝑏 (43) 𝑀𝑅𝑑= 0.87𝐴𝑠𝑓𝑦(𝑑 −𝑥

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

TCVN 5574 về cơ bản đã phục vụ tốt công tác thiết kế kết cấu BTCT ở nước ta trong nhiều năm vừa qua.

6. Ví dụ so sánh

Việc đơn giản nhất để so sánh giữa các tiêu chuẩn với nhau là so sánh hàm lượng cốt thép xác định theo các tiêu chuẩn. Lý do là các tiêu chuẩn được xây dựng theo một triết lý và phương pháp riêng của từng quốc gia. Sau đây là ví dụ tính tốn

chịu uốn và chịu cắt của các dầm BTCT (vượt nhịp 8.0 m (nhịp đơn giản), sàn dày 100 mm (tĩnh tải tính thêm cả các lớp hoàn thiện tương đương sàn dày 120 mm) bản kê một phương, bước dầm 5 m (nhịp sàn 5 m), hoạt tải sàn 200 daN/m2), bê tông f’c = 30 MPa (C30), cốt thép fy = 500 MPa theo các tiêu chuẩn ACI 318, BS EN 1992, GB 50010 và TCVN 5574. Trong ví dụ này, chỉ xét các tiết diện chữ nhật với bề rộng b, chiều cao h. Kết quả tính tốn cho trong Bảng 5.

Bảng 5. Kết quả tính tốn cốt thép dọc As và cốt đai Asv (bước đai s) theo các tiêu chuẩn ACI 318, BS EN 1992, GB 50010 và TCVN 5574

Dầm chữ nhật (mm)

Tĩnh tải D hoạt tải L, kN/m2,

nhịp 8m

ACI 318, As(mm2), Asv/s(mm)

BS EN 1992, As(mm2), Asv/s(mm)

GB 50010, As(mm2), Asv/s(mm)

TCVN 5574:2018

Kết quả tính toán chịu uốn cho thấy hàm lượng cốt thép As tính theo các tiêu chuẩn có sự khác nhau, nhưng khơng nhiều. Cụ thể, nếu lấy ACI làm chuẩn thì: cốt thép tính theo TCVN thấp hơn khoảng 12%, tính theo BS EN cao hơn khoảng 10%, cịn tính theo GB xấp xỉ ACI. So sánh với BS EN 1992 thì cốt thép tính theo TCVN 5574:2018 thấp hơn khoảng 20%. Sự chênh lệch này có thể do các hệ số vượt tải khác nhau (các hệ số này của TCVN thấp hơn so với các tiêu chuẩn khác). Ngoài ra, do sự phá hoại được kiểm soát bởi thép bị chảy dẻo nên còn phụ thuộc hệ số Φ: Φ=0.9 (γs = 1.11) lấy theo ACI nhỏ hơn γs = 1.15 (theo EN, GB và TCVN).

Kết quả tính tốn chịu cắt có sự khác nhau tương đối lớn. Trong đó, BS EN 1992 có thể xem là an tồn nhất, sau đó là ACI 318, tiếp theo là GB 50010. Đây có thể là việc áp dụng các quan điểm thiết kế chịu cắt khác nhau (ví dụ: theo EN 1992, khi tính cốt đai khơng có sự tham gia của bê tông) và phụ thuộc vào các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của từng nước.

7. Kết luận

ACI 318, EN 1992, GB 50010 và TCVN 5574 đều quy định thiết kế theo trạng thái giới hạn.

ACI 318 chỉ có tính pháp lý ở các tiểu bang (của Mỹ) khi được cơ quan về xây dựng của tiểu bang phê duyệt. EN 1992 cũng chỉ có tính pháp lý khi được chấp nhận làm tiêu chuẩn quốc gia của nước ban hành, sử dụng. GB 50010 và TCVN 5574 áp dụng ở quốc gia ban hành.

ACI 318 và EN 1992 có thể là một trong những tiêu chuẩn tiên tiến nhất trên thế giới, được công nhận và tham khảo ở nhiều nước. GB 50010 cũng là tiêu chuẩn tiên tiến trên thế giới nhưng mức độ tham khảo và áp dụng quốc tế chưa được như các tiêu chuẩn ACI và EN.

Các tiêu chuẩn ACI 318, BS EN 1992 và GB 50010 đều được tích hợp trong các phần mềm kết cấu thương mại phổ biến ở nước ta như SAP 2000, ETABS và SAFE.

Về cường độ bê tông: ACI 318 sử dụng mẫu trụ; EN 1992 sử dụng mẫu trụ và mẫu lập phương; GB 50010 và TCVN 5574 sử dụng mẫu lập phương; GB 50010 sử dụng mẫu lăng trụ 150*150*300 (gần giống như mẫu trụ 150*300) còn TCVN 5574 sử dụng mẫu lăng trụ 150*150*600 để xác định cường độ chịu nén đặc trưng (tiêu chuẩn) của bê tông.

</div>