Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo yêu cầu về hình thành và mở rộng vết nứt theo TCVN 5574-2012 và SP 63.13330-2012

Bài báo giới thiệu việc tính toán độ mở rộng vết nứt thẳng góc của cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn theo TCVN 5574-2012 và tiêu chuẩn Nga SP 63.13330-2012. Kết quả tính toán so sánh độ mở rộng vết nứt thẳng góc giữa 2 tiêu chuẩn cho cấu kiện dầm, sàn chỉ ra rằng giá trị mô men hình thành vết nứt của SP 63.13330-2012 nhỏ hơn so với TCVN 5574-2012, tức vết nứt hình thành sớm hơn khi tính toán bằng tiêu chuẩn Nga và bề rộng vết nứt của dầm, sàn tính với tiêu chuẩn SP 63.13330-2012 là lớn hơn so với TCVN 5574-2012.

QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP THEO U CẦU VỀ HÌNH THÀNH VÀ MỞ RỘNG VẾT NỨT THEO TCVN 5574-2012 VÀ SP 63.13330-2012 TS NGUYỄN VĂN NGHỊ, TS NGUYỄN NGỌC BÁ Công ty TNHH THAM & WONG (Việt Nam) Tóm tắt: Bài báo giới thiệu việc tính tốn độ mở rộng vết nứt thẳng góc cấu kiện bê tơng cốt thép chịu uốn theo TCVN 5574-2012[1] tiêu chuẩn Nga SP 63.13330-2012[2] Kết tính tốn so sánh độ mở rộng vết nứt thẳng góc tiêu chuẩn cho cấu kiện dầm, sàn giá trị mơ men hình thành vết nứt SP 63.13330-2012 nhỏ so với TCVN 5574-2012, tức vết nứt hình thành sớm tính tốn tiêu chuẩn Nga bề rộng vết nứt dầm, sàn tính với tiêu chuẩn SP 63.13330-2012 lớn so với TCVN 5574-2012 Bài báo yêu cầu hành bề rộng vết nứt kết cấu BTCT môi trường vùng ven biển tiêu chuẩn Việt Nam khắt khe so với tiêu chuẩn số nước tác động lớn tới hàm lượng thép kết cấu BTCT vùng ven biển Abstract: This paper deals with the design of reinforced concrete structures for the crack formation and crack width estimation in accordance with Vietnamese Standard TCVN 5574-2012 and Russian standard SP 63.13330-2012 Estimations of flexural crack widths for beam and slab based on both standards have shown that the cracking moment estimated based on SP 63.13330-2012 is smaller than that based on TCVN 5574-2012, i.e the cracks would appear earlier when estimated based on the Russian standard, and the crack widths of beam and slab estimated based on SP 63.133302012 are also bigger than estimated based on TCVN 5574-2012 This paper also shows that the current requirements on the allowable crack width of reinforced concrete structures in marine environment stipulated in Vietnamese standards are more stringent than required by some developed countries and it has big impact on the steel content of RC structures in marine area designed based on Vietnamese standards Mở đầu Tính tốn hình thành mở rộng vết nứt u cầu tính tốn cấu kiện bê 50 tông cốt thép (BTCT) theo trạng thái giới hạn thứ Theo TCVN 5574:2012 [1] kết cấu BTCT thông thường thiết kế với khả chống nứt cấp 3, giới hạn vết nứt dài hạn [acrc2]=0.3mm, ngắn hạn [acrc1]=0.4mm nhằm bảo vệ an toàn cho cốt thép Các giá trị giới hạn vết nứt tương đối lớn thông thường thỏa mãn điều kiện chịu lực thỏa mãn, tính tốn thường bỏ qua việc kiểm tra điều kiện vết nứt Tuy nhiên với kết cấu BTCT có yêu cầu chống nứt đặc biệt, ví dụ bể nước ([acrc,2] =0.2mm, [acrc,1]=0.3mm) cơng trình xây dựng mơi trường biển có [acrc]=0.05mm tới 0.15mm[3], bắt buộc phải tính tốn độ mở rộng vết nứt tác động lớn tới hàm lượng cốt thép kết cấu Với trường hợp giới hạn vết nứt nhỏ tới 0.1mm 0.15mm lượng cốt thép để đảm bảo bề rộng vết nứt giới hạn lớn gấp lần so với lượng thép để đảm bảo điều kiện chịu lực cấu kiện Hiện TCVN 5574-2012 tương đối cũ, Bộ xây dựng xem xét cập nhật tiêu chuẩn tiêu chuẩn Nga SP 63.13330-2012[2], báo giới thiệu so sánh kết tính tốn hình thành mở rộng vết nứt thẳng góc cấu kiện chịu uốn theo tiêu chuẩn này, đồng thời kiến nghị điều chỉnh yêu cầu chống nứt kết cấu bê tông cốt thép tiêu chuẩn Việt Nam môi trường vùng ven biển để làm sở cho việc sốt xét tiêu chuẩn hành có liên quan Tính tốn hình thành mở rộng vết nứt theo TCVN 5574-2012 2.1 Tính tốn hình thành vết nứt Tính tốn kiểm tra vết nứt thẳng góc theo TCVN 5574-2012 tóm tắt sơ đồ Tùy theo cấp chống nứt cơng trình, việc tính tốn kiểm tra hình thành vết nứt tính với hệ số độ tin cậy tải trọng f>1 f =1 Theo tiêu chuẩn [1] kết cấu BTCT kiểm tra với hình thành vết nứt xiên vết nứt thẳng góc, báo tập trung vào việc tính tốn kiểm tra Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN vết nứt thẳng góc Điều kiện khơng hình thành vết nứt sau: Hình Sơ đồ tính tốn, kiểm tra vết nứt theo TCVN 5574-2012 M r  M crc  Rbt ,serWpl  M rp (1) - (3) ys, ys’ khoảng cách từ trọng tâm tiết diện quy Trong đó: - M rp   s As y s   s' As' ys' Rbt,ser cường độ chịu kéo bê tông trạng thái giới hạn thứ 2; Wpl mô men kháng uốn tiết diện quy đổi với thớ chịu kéo (có kể đến biến dạng khơng đàn hồi vùng bê tông chịu kéo) xác định Wpl   Wred ,với W red mô men kháng uốn với biên chịu kéo tiết diện quy đổi,  hệ số quy đổi phụ thuộc hình dạng tiết diện; Mr mô men ngoại lực nằm phía tiết diện xét trục song song với trục trung hòa qua điểm lõi cách xa vùng chịu kéo tiết diện Đối với cấu kiện chịu tác dụng mơ men uốn M, ta có: Mr  M nén Thay giá trị vào cơng thức (1), có: M  M crc   Rbt , serWred  ( s  As ys   s' As' ys'(4) Đối với tiết diện chữ nhật chữ T có cánh nằm vùng nén, theo [4], [5] giá trị =1.75 2.2 Tính tốn mở rộng vết nứt thẳng góc Bề rộng vết nứt thẳng góc với trục cấu kiện acrc (mm) xác định theo công thức: acrc   l (2) Mrp mô men ứng lực P trục dùng để xác định Mr Đối với cấu kiện không ứng lực trước, Mrp mô men ngoại lực P trục dùng để xác định Mr, xác định sau: Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 đổi đến trọng tâm tiết diện cốt thép chịu kéo chịu s 20  3.5  100  d Es (5) Trong đó: - δ = với cấu kiện chịu uốn; - φl= tính tốn với tác dụng ngắn hạn tải trọng; 51 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN - - φl = 1.6 - 15 tính tốn bề rộng vết nứt dài hạn tác dụng tải trọng thường xuyên tạm thời dài hạn với bê tông nặng điều kiện độ ẩm tự nhiên;  hệ số phụ thuộc vào loại thép, với thép có gờ 1.3 với thép tròn trơn;  hàm lượng cốt thép chịu kéo lấy không 0.02; d đường kính cốt thép (mm); s ứng suất cốt thép chịu kéo tiết diện thẳng góc có vết nứt ngoại lực tương ứng Theo mục 7.2.2.1 TCVN 5574-2012, cấu kiện có yêu cầu chống nứt cấp 3, bề rộng vết nứt dài hạn xác định với tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn với hệ số l>1 Bề rộng vết nứt ngắn hạn xác định tổng bề rộng vết nứt dài hạn số gia bề rộng vết nứt tải trọng tạm thời ngắn hạn với hệ số l =1 Như bề rộng vết nứt ngắn hạn xác định sau: Trong đó: - acrc2 bề rộng vết nứt dài hạn xác định theo công thức (5) với tải trọng thường xuyên tải trọng tạm thời dài hạn - ∆acrc1 số gia bề rộng vết nứt xác định theo công thức (5) với tải trọng tạm thời ngắn hạn Bề rộng vết nứt điều chỉnh lại rơi vào trường hợp hàm lượng thép 0 Đây điểm chưa phù hợp công thức xác định bề rộng vết nứt, điều điều chỉnh lại tiêu chuẩn SP 63.133302012 Tính tốn vết nứt theo tiêu chuẩn Nga SP 63.13330-2012 3.1 Kiểm tra hình thành vết nứt Cũng TCVN 5574-2012, hình thành vết nứt cấu kiện chịu uốn xác định M  Mcrc Tuy nhiên có khác biệt, theo SP 63.133302012, tính tốn hình thành vết nứt xác 52 (6) acrc1  acrc  Δacrc1 (7) định với hệ số độ tin cậy tải trọng f>1 hệ số tính tốn độ bền, tính tốn mở rộng vết nứt lấy hệ số tin cậy tải trọng f =1 Đối với TCVN 5574-2012, tính tốn hình thành vết nứt, lấy với f =1 cho cấu kiện chống nứt cấp 3, f>1 cho cấu kiện chống nứt cấp 2; tính tốn mở rộng vết nứt f =1 với tất cấp chống nứt Giá trị mơ men uốn thời điểm hình thành vết nứt Mcrc xác định sau: M crc  W pl Rbt , ser  Nex (8) Đối với cấu kiện chịu uốn túy, N=0, Wpl xác định thông qua Wred giống TCVN 5574 nhiên khác hệ số , (8) trở thành: M crc   Wred Rbt , ser (9) Với tiết diện chữ nhật chữ T có cánh nằm vùng chịu nén, =1.3 Do giá trị  s As ys   s' As' ys' nhỏ nên từ công thức xác định mơ men hình thành vết nứt (4), ta thấy rằng, tiết diện chữ nhật chữ T có cánh vùng nén Mcrc theo SP 63.13330 nhỏ Mcrc theo TCVN 5574-2012, hay vết nứt tính tốn theo tiêu chuẩn Nga SP 63.13330 hình thành sớm so với TCVN 5574-2012 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN 3.2 Tính tốn mở rộng vết nứt Bề rộng vết nứt dài hạn xác định theo công thức: acrc  acrc,1 (10) Bề rộng vết nứt ngắn hạn xác định theo công thức: acrc  acrc,1  acrc,2  acrc ,3 (11) Trong đó: - acrc,1 bề rộng vết nứt tác dụng dài hạn tải trọng thường xuyên tạm thời dài hạn; - acrc,2 bề rộng vết nứt tác dụng ngắn hạn tải trọng thường xuyên tạm thời (dài hạn ngắn hạn); - acrc,3 bề rộng vết nứt tác dụng ngắn hạn tải trọng thường xuyên tạm thời dài hạn Bề rộng vết nứt thẳng góc xác định sau: acrc,i  1 23 s s Ls Es (12) Với i=1,2,3 vết nứt cần xác định và: - - - φ1 hệ số kể đến thời hạn tác dụng tải trọng: φ1=1 với tải trọng ngắn hạn, φ1=1.4 với tải trọng dài hạn; φ2 hệ số kể đến hình dạng bề mặt cốt thép dọc: φ2 = 0.5 với cốt thép có gân cáp, φ2 = 0.8 với cốt thép trơn; φ3 =1 với cấu kiện chịu uốn φ3 =1.2 với cấu kiện chịu kéo; s giá trị ứng suất cốt thép chịu kéo, Ls khoảng cách sở vết nứt thẳng góc kề nhau, xác định sau: Ls  0.5 Abt ds As Theo cơng thức, bề rộng vết nứt tính theo SP 63.13330 tỉ lệ thuận với hàm bậc đường kính cốt thép d, TCVN 5574, tỉ lệ thuận với d1/3 Theo cách tính tốn vết nứt Eurocode 2[6] bề rộng vết nứt tỷ lệ thuận với đường kính thép d Ví dụ tính tốn kiểm tra vết nứt 4.1 So sánh lượng thép theo điều kiện bền theo giới hạn bề rộng vết nứt TCVN 5574 Ví dụ 1: Xem xét cấu kiện dầm có kích thước bxh = 300x500, sử dụng B30 có Rb,ser = 22 MPa, Rbt,ser = 1.8 MPa, thép chịu lực CIII, khoảng cách lớp bê tông bảo vệ đến trọng tâm cốt thép a=5cm, khả chịu uốn tối đa tiết diện đặt cốt đơn Mu = 407kNm Kiểm tra tính tốn vết nứt dầm trường hợp sau: - Trường hợp 1: mơi trường ngồi trời, điều kiện bình thường có yêu cầu chống nứt cấp 3; - Trường hợp 2: môi trường kết cấu nhà, cách bờ biển từ 0-1km; - Trường hợp 3: môi trường kết cấu trời, cách bờ biển 0-1km Với trường hợp 1, cấu kiện có yêu cầu chống nứt cấp 3, theo bảng TCVN 5574, ta có yêu cầu (8) Ls lấy không nhỏ 10ds 100mm khơng lớn 40ds 400mm Abt diện tích bê tơng chịu kéo, As diện tích thép chịu kéo, ds đường kính danh nghĩa cốt thép Hệ số sau: Như theo SP 63.13330 giá trị giới hạn hình thành vết nứt Mcrc kể đến cơng thức tính độ mở rộng vết nứt Bề rộng vết nứt tính tốn với f = hay giá trị tải trọng tiêu chuẩn Mtc, kiểm tra hình thành vết nứt tính tốn với f> hay tải trọng tính tốn Mtt Như bắt đầu hình thành vết nứt Mtt=Mcrc, ta có Mtc  Mtt /1.25, thay vào biểu thức, ta được s  hay acrc  Đây khác biệt lớn so với cơng thức tính tốn vết nứt theo TCVN 5574-2012  s với cấu kiện chịu uốn xác định giới hạn bề rộng vết nứt dài hạn với trường hợp [acrc2]=0.3mm [acrc1]=0.4mm cho bề rộng vết nứt ngắn hạn Với cấu kiện môi trường biển cách bờ biển từ 0-1km, theo bảng TCVN 9346 [3], yêu cầu giới hạn vết nứt toàn tải trọng ngắn hạn dài hạn [acrc1]=0.15mm trường hợp cho M  s   0.8 crc M Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 kết cấu nằm nhà [acrc1]=0.1mm (9) trường hợp cho kết cấu trời 53 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Hình So sánh thép theo giới hạn bề rộng vết nứt thép theo yêu cầu độ bền Tính tốn với giả thiết giá trị mơ men tính toán tải trọng thường xuyên tạm thời dài hạn Mtt=1.2 Mtc (tải trọng tiêu chuẩn), tải trọng thường xuyên chiếm 80% tổng tải trọng, sử dụng thép CIII, đường kính ø=20mm Hình so sánh lượng thép theo yêu cầu để thỏa mãn bề rộng vết nứt As0 lượng thép yêu cầu theo độ bền As Trục hồnh thể tỉ lệ mơ men tính tốn Mtt khả chịu uốn tối đa tiết diện đặt cốt đơn Mu Như với điều kiện [acrc]=0.4mm, lượng thép yêu cầu nứt As0 nhỏ so với As (thép yêu cầu độ bền), As0 /As 3Mcrc sau: k0  acrc ,1 ( SP) acrc ,2 (TCVN ) 123 s  s L Es s  l s 20  3.5  100  d Es M  M crc  , 400, 40d )  k 20(1.6  15 )(3.5  100  ) d 0.513  min(0.25 Hình thể giá trị k theo hàm lượng thép  đường kính thép d Với thép d16 hàm lượng thép 1%2.5% k0≥k>1, tức bề rộng vết nứt dầm tính theo SP 63.13330 lớn so với bề rộng vết nứt tính theo TCVN 5574-2012 Hình So sánh tỉ lệ bề rộng vết nứt cấu kiện dầm TCVN 5574 SP 63.13330 theo thay đổi đường kính d hàm lượng cốt thép  Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 55 QUY CHUẨN – TIÊU CHUẨN Tham khảo quy định giới hạn bề rộng vết nứt cho phép kết cấu BTCT tiêu chuẩn nước kết cấu vùng ven biển Bảng thể giới hạn bề rộng vết nứt cho phép kết cấu BTCT vùng ven biển quy định tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9346:2012 quy định Singapore, Pháp, Vương quốc Anh nêu phụ lục quốc gia nước tiêu chuẩn Eurocode Bảng Giới hạn bề rộng vết nứt cho phép kết cấu BTCT vùng ven biển, mm a) Môi trường Việt Nam Singapore Pháp Vương quốc Anh Vùng ngập nước 0.1 0.3 0.2 0.3 Nước lên xuống 0.05 0.3 0.2 0.3 0.1 0.3 0.2 0.3 0.1 / 0.15 0.3 0.2 0.3 Trên mặt nước Gần bờ b) Ghi chú: a) Vùng ngập nước tương ứng với cấp XS2, vùng nước lên xuống tương ứng với cấp XS3, môi trường mặt nước gần bờ tương ứng với cấp XS1 Eurocode b) Theo tiêu chuẩn Việt Nam, bề rộng vết nứt cho phép kết cấu gần bờ 0.1mm kết cấu trời, 0.15mm kết cấu nhà Đối với tiêu chuẩn Việt Nam, bề rộng vết nứt nêu kiểm tra ứng với tác dụng toàn tải trọng, kể dài hạn ngắn hạn, tiêu chuẩn Eurocode kiểm tra bề rộng vết nứt với tác dụng tổ hợp tải trọng dài hạn (quasipermanent load combination) Từ bảng thấy yêu cầu giới hạn bề rộng vết nứt cho phép kết cấu BTCT vùng ven biển quy định tiêu chuẩn Việt Nam khắt khe, hệ kết cấu thiết kế theo tiêu chuẩn có hàm lượng thép lớn nghiêm túc theo quy định tiêu chuẩn TCVN 9346:2012 Vì tác giả đề xuất cần thiết phải xem xét lại quy định bề rộng vết nứt tiêu chuẩn TCVN 9346:2012 cho hài hòa với yêu cầu nước tiên tiến giới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] thép, Tiêu Chuẩn Quốc Gia [2] 56 SP 63.13330.2012 Concrete and Reinforced Concrete Structures General, Russian Federation Kết luận kiến nghị Nội dung báo giới thiệu việc tính tốn vết nứt theo TCVN 5574-2012 SP 63.13330-2012 Nhìn chung với cấu kiện dầm chịu uốn bề rộng vết nứt theo TCVN nhỏ so với bề rộng vết nứt theo SP 63.13330-2012 Theo TCVN 5574-2012 kết cấu mơi trường khơng có yêu cầu đặc biệt chống nứt, thiết kế theo yêu cầu độ bền thỏa mãn yêu cầu bề rộng vết nứt cho phép Tuy nhiên kết cấu vùng ven biển quy định bề rộng vết nứt cho phép nêu TCVN 9346:2012 nhỏ so với quy định nước tiên tiến giới, điều dẫn tới hàm lượng thép bố trí để thỏa mãn yêu cầu chống nứt lớn so với hàm lượng thép cần thiết để đáp ứng yêu cầu độ bền, làm tăng chi phí xây dựng cho kết cấu BTCT vùng ven biển nhiều thực TCVN 5574-2012: Kết cấu bê tông bê tông cốt Ministry Of Regional Development, 2012 [3] TCVN 9346-2012: Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn mơi trường biển, Tiêu Chuẩn Quốc Gia [4] N Đ Cống, "Tính tốn thực hành cấu kiện bê tông cốt thép theo TCXDVN 356-2005," NXB Xây Dựng, 2008 [5] Tập san KHCN, "Hướng dẫn thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép theo TCXDVN 356:2005," Hà Nội, Nhà xuất xây dựng, 2009 [6] Eurocode 2: Design of Concrete Structures - Part 11: General Rules and Rules for Buildings, EUROPEAN STANDARD Ngày nhận bài: 18/10/2017 Ngày nhận sửa lần cuối: 24/11/2017 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 3/2017 ... tính tốn vết nứt theo TCVN 5574-2012 SP 63.13330-2012 Nhìn chung với cấu kiện dầm chịu uốn bề rộng vết nứt theo TCVN nhỏ so với bề rộng vết nứt theo SP 63.13330-2012 Theo TCVN 5574-2012 kết cấu mơi... bề rộng vết nứt, điều điều chỉnh lại tiêu chuẩn SP 63.133302012 Tính toán vết nứt theo tiêu chuẩn Nga SP 63.13330-2012 3.1 Kiểm tra hình thành vết nứt Cũng TCVN 5574-2012, hình thành vết nứt cấu. .. trường khơng có u cầu đặc biệt chống nứt, thiết kế theo yêu cầu độ bền thỏa mãn yêu cầu bề rộng vết nứt cho phép Tuy nhiên kết cấu vùng ven biển quy định bề rộng vết nứt cho phép nêu TCVN 9346:2012