Đang tải... (xem toàn văn)
Kỹ Thuật - Công Nghệ - Khoa học xã hội - Kiến trúc - Xây dựng 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 NGUYỄN ĐẠI MINHa, aViện KHCN Xây dựng - Bộ Xây dựng Tác giả đại diện: Email: dmnguyen2001gmail.com Ngày nhận 2892023, Ngày sửa 24102023, Chấp nhận 29102023 https:doi.org10.59382j-ibst.2023.vi.vol3-9 Tóm tắt: Trong 65 năm qua, ngành Xây dựng đã đạt được những thành tựu to lớn và sự phát triển vượt bậc. Nhiều công trình cao tầng, nhiều công 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 công 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 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 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 công 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 công trình bê tông cốt thép (BTCT) sử dụng TCVN 5574 1 để tính toán kết cấu, TCVN 2737 2 để xác định các tải trọng tác dụng lên công trình và TCVN 9386 3 để tính toán 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 công trình an toàn, 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. QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN 64 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 32023 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 toán 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 công 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 công trình sử dụng TCVN 2737:1990, TCVN 5574:1991 và SNiP II-7-81 8 hoặc UBC 1997 (để tính toán 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 toán 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 toán động đất. Trong giai đoạn 1990-2023, nhiều công trình có vốn đầu tư nước ngoài hoặc các công trình có Tư vấn nước ngoài 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), tòa 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 công trình cao tầng và các công 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 tông). ACI 318 có phiên bản ACI 318 (M) dùng các đơn vị đo lường theo hệ SI QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Tạp chí KHCN Xây dựng - số 32023 65 (mm, N…) để sử dụng ngoài nước Mỹ. Thông 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 tông 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 không 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 công trình. Tiêu chuẩn này không 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 tông, tính toán 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 150300 mm. Tất cả các công thức tính toán 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 tông có cường độ đến 140 MPa. Thông thường, sử dụng bê tông 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’c được 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) Cường độ f’c , MPa Cường độ f’cr ,MPa 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’c35MPa). 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 toán 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 không 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 f’c < 21 f’cr = f’c + 7.0 (4) 21 f’c 35 f’cr = f’c + 8.3 (5) f’c > 35 f’cr = 1.10 f’c + 5.0 (6) Có thể xem f’c và f’cr tương tự như cấp cường độ (độ bền) B và mác bê tông M của Việt Nam, chỉ khác nhau là mẫu thử là mẫu trụ hay mẫu lập phương và xác suất của các kết quả thử. Về quan hệ ứng suất – biến dạng (ƯS-BD), khối ứng suất chữ nhật và các giả thiết sử dụng trong tính toán 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 công thức tính toán 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 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN 66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 32023 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 toán 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