Nghiên cứu các yêu cầu về cường độ thép kết cấu của EN 1993-1-1 và sự phù hợp của mác thép SS400 tại Việt Nam

Bài viết đề cập đến một số kết quả nghiên cứu về giới hạn chảy fy, giới hạn bền fu, tỉ lệ fu/fy đối với thép kết cấu của EN 1993-1-1 và các tiêu chuẩn sản phẩm EN được viện dẫn; Các yêu cầu đối với mác thép SS400 của Tiêu chuẩn Nhật JIS G3101-2010; Đánh giá giới hạn chảy và giới hạn bền thực tế của SS400 trên cơ sở xử lý thống kê 2590 mẫu thử thực hiện tại LAS-XD01 thuộc Viện KHCN Xây dựng, từ đó xem xét sự phù hợp của SS400 đối với các yêu cầu của EN.

QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN NGHIÊN CỨU CÁC YÊU CẦU VỀ CƯỜNG ĐỘ THÉP KẾT CẤU CỦA EN 1993-1-1 VÀ SỰ PHÙ HỢP CỦA MÁC THÉP SS400 TẠI VIỆT NAM REQUIREMENTS OF EN 1993-1-1 FOR STELL STRENGTH AND THE CONFORMITY OF STELL GRADE SS400 IN VIETNAM TS CAO DUY KHÔI, ThS PHAN ANH TUẤN Viện KHCN Xây dựng Tóm tắt: Bài báo đề cập đến số kết nghiên cứu giới hạn chảy fy, giới hạn bền fu, tỉ lệ fu/fy thép kết cấu EN 1993-1-1 tiêu chuẩn sản phẩm EN viện dẫn; yêu cầu mác thép SS400 Tiêu chuẩn Nhật JIS G3101-2010; đánh giá giới hạn chảy giới hạn bền thực tế SS400 sở xử lý thống kê 2590 mẫu thử thực LAS-XD01 thuộc Viện KHCN Xây dựng, từ xem xét phù hợp SS400 yêu cầu EN 1993-1-1 đưa số đề xuất việc xây dựng phụ lục quốc gia mác thép cho Việt Nam biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép theo định hướng Aabstract: The paper mentions some research results about tensile strength fy, ultimate strength fu, ratio fy/fu for structural steel according to EN 1993-11 and reference product standards EN; requirements for steel grade SS400 according to JIS G3101-2010; assessment of testing tensile strength and ultimate strength of SS400 based on statistics of 2590 samples tested at LAS-XD01 under IBST, thereby considering the conformity of SS400 to EN 1993-1-1, and making some proposals about development of National Annex “Steel Grade” for Vietnam when compiling new standard “Design of steel structures” Đặt vấn đề Theo đề án 198 Thủ tướng Chính phủ, Bộ Xây dựng giao Viện KHCN Xây dựng nhiệm vụ biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Việt Nam dựa Tiêu chuẩn châu Âu EN 1993 Để Tiêu chuẩn có tính ứng dụng thực tiễn, bắt buộc phải có nghiên cứu, đánh giá phù hợp loại thép kết cấu phổ biến Việt Nam so với yêu cầu EN 1993, từ mở khả áp dụng ngun lý, cơng thức tính tốn EN 1993 với thông số vật liệu đầu vào hệ số an toàn riêng phù hợp loại thép Việt Nam Đây công việc đồ sộ, vô phức tạp, địi hỏi phải có tập hợp số liệu lớn thơng số thực tế Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2021 vật liệu thép kết cấu sản xuất Việt Nam, xử lý thống kê đối chiếu với tiêu chí thép kết cấu theo hệ thống Tiêu chuẩn châu Âu Trong báo này, nhóm tác giả nghiên cứu thông số quan trọng thép kết cấu theo EN 1993-1-1 [2] cường độ (giới hạn chảy fy, giới hạn bền fu, tỉ lệ fu/fy), có đối chiếu, so sánh với thông số thực tế (trên sở thống kê kết thử nghiệm 2590 mẫu thép SS400 thực LAS-XD01 Viện KHCN Xây dựng [8]) mác thép phổ biến sử dụng cơng trình xây dựng Việt Nam SS400 theo JIS G3101 (Tiêu chuẩn sản phẩm thép Nhật Bản) [5] Sở dĩ lựa chọn mác thép SS400 tiêu chuẩn sản phẩm JIS G3101, mà không đề cập đến TCVN thép kết cấu SS400 chiếm tỷ trọng lớn tổng số mẫu thí nghiệm thép thực LAS-XD01 vài năm qua, người yêu cầu thí nghiệm đề nghị đánh giá theo JIS G3101, mà đánh giá theo TCVN hành (ví dụ: TCVN 9986 – 04 phần, TCVN 7571 – phần 1, 2, 11, 15, 16, 21 TCVN 11228-1:2015) Từ đó, nhóm tác giả có số kiến nghị thông số cường độ áp dụng cho thép SS400 thiết kế theo EN 1993-1-1, nêu số vấn đề cần lưu ý xây dựng phụ lục quốc gia mác thép cho Việt Nam Các yêu cầu cường độ thép kết cấu EN 1993-1-1 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép EN 1993-1-1 Tiêu chuẩn sản phẩm viện dẫn EN 1993-1-1 có yêu cầu kỹ thuật đánh giá tương đối chặt chẽ so với Tiêu chuẩn sản phẩm thép kết cấu nước khác Đối với cường độ thép kết cấu, EN 1993-1-1 [2] có u cầu cụ thể sau (trong khn khổ báo, trích dẫn yêu cầu mác thép S235 đủ để phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu Các mác thép khác khơng cần trích dẫn khác biệt 69 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN xa cường độ so với mác thép so sánh Các yêu cầu tiêu cường độ thép mác SS400) S235 thể theo bảng (trích dẫn 2.1 Các yêu cầu cường độ mác thép S235 từ bảng 3.1, EN 1993-1-1 [2]) Bảng Giá trị danh định giới hạn chảy fy giới hạn bền fu thép kết cấu cán nóng S235 Chiều dày danh định thép t, mm Tiêu chuẩn mác thép t ≤ 40 fy, N/mm S235 235 40 < t ≤ 80 fu, N/mm EN 1993-1-1 [2] 360 EN 10025-2 [3] 225 Với 16< t ≤40 mm 235 225 S235J0* Với t ≤16 mm Với 16< t ≤40 mm 235 225 S235J2* Với t ≤16 mm Với 16< t ≤40 mm * Ghi chú: Các ký hiệu JR, J0, J2 yêu cầu độ dai xem xét nghiên cứu khác S235JR* 235 Với t ≤16 mm 215 360÷510 360÷510 215 360÷510 360÷510 215 360÷510 va đập thép điều kiện nhiệt độ thử khác nhau, fy - giới hạn chảy tối thiểu quy định;  Độ giãn dài tương đối sau đứt A, đo chiều dài Lo = √ ; đó: S0 - diện tích tiết diện ngang ban đầu  360÷510  Đối với phân tích dẻo tổng thể (không áp dụng cho thiết kế cầu):  ;  Độ giãn dài đứt không nhỏ 15 %; fu fy ; đó: fu - giới hạn bền tối thiểu quy định; fu, N/mm 360 Đối với thép, độ dẻo tối thiểu yêu cầu cần biểu diễn giới hạn: Tỉ số 215 2.2 Yêu cầu độ dẻo tối thiểu thép kết cấu (điều 3.2.2, EN 1993-1-1 [2])  fy, N/mm  2.3 Về hệ số riêng (partial factor) γM cho vật liệu Trước hết, cần làm rõ γM Theo EN 1990 γM hệ số riêng cho vật liệu, kể đến không chuẩn xác mơ hình biến thiên kích thước Theo cơng thức (6.6b) EN 1990 γM,i mẫu thử; = γRd γm,i, đó: γRd - hệ số riêng xét đến Biến dạng cực hạn  u ; khơng chuẩn xác mơ hình độ bền, γm,i - hệ số đó:  u - biến dạng vật liệu ứng với giới hạn bền fu Các giá trị quy định Phụ lục quốc gia Các giá trị sau khuyến nghị riêng xét đến không chuẩn xác tính chất vật liệu [1] Điều 6.1, EN 1993-1-1 quy định hệ số riêng sau: EN 1993-1-1 [2]:  Độ bền tiết diện ngang:  M ;  fu fy  1,10 ;  Độ bền cấu kiện tính tốn ổn định:  Độ giãn dài đứt không nhỏ 15 %;  Độ bền tiết diện ngang chống đứt kéo:   u  15 y , đó: y - biến dạng vật liệu ứng với giới hạn chảy ( y  fy E ) Phụ lục quốc gia BS EN 1993-1-1 (NA.2.5) [4] có khuyến nghị khác sau:  Đối với phân tích đàn hồi tổng thể: Lấy giống khuyến nghị EN 1993-1-1; 70 Các hệ số riêng  M1 ;  M2 ;  Mi cho nhà quy định Phụ lục quốc gia EN 1993-1-1 khuyến nghị sau: γM0 = 1,00; γM1 = 1,00; γM2 = 1,25 Riêng giá trị  M , Phụ lục quốc gia BS EN 1993-1-1 khuyến nghị lấy 1,1 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2021 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN Các giá trị riêng khác khuyến nghị phần EN 1993 khác, không xét tới phẩm, thép kết cấu S235 có chiều dày 16< t ≤40 mm EN 1993-1-1 cho phép lấy giá trị giới hạn chảy cao so với Tiêu chuẩn 2.4 Nhận xét - Theo điều 3.2.2 EN 1993-1-1, mác thép quy định tiêu chuẩn sản phẩm thép châu Âu viện dẫn EN 1993-1-1 sản phẩm (thiên thiếu an toàn) Vấn đề cần lưu ý có điều chỉnh hợp lý biên soạn phụ lục quốc gia vật liệu thép cho Việt Nam; (trong có S235 theo Tiêu chuẩn EN 10025-2) + Về giới hạn bền danh định: Theo EN 10025-2 đáp ứng đầy đủ u cầu tính chất lý với chiều dày t ≤ 100 mm, giới hạn bền của EN 1993-1-1 Các loại mác thép kết cấu khác mác thép S235 phải nằm khoảng 360÷510 khơng sản xuất theo tiêu chuẩn sản phẩm châu N/mm Tuy nhiên, EN 1993-1-1 sử dụng giới Âu cần có nghiên cứu, kiểm tra tính đáp ứng hạn bền tối thiểu (360 N/mm ) để thiết kế Đây lại yêu cầu EN 1993-1-1 Ở Việt Nam, theo thống yêu cầu thiên an toàn, dễ hiểu hợp lý; 2 kê số lượng thí nghiệm thép 05 năm gần + Về độ dẻo tối thiểu: Theo EN 1993-1-1 mác phịng thí nghiệm LAS-XD01 thuộc Viện KHCN thép S235 đáp ứng Tiêu chuẩn EN 10025-2 Xây dựng, khơng có thép sản xuất theo coi đáp ứng yêu cầu độ dẻo tối thiểu Tiêu chuẩn châu Âu, mà phổ biến mác nêu EN 1993-1-1 (mục 2.2 báo này) thép sản xuất theo Tiêu chuẩn Nhật (ví dụ SS400), Các yêu cầu tỉ số Trung Quốc (ví dụ Q345B); (elongationafter fracture) dễ dàng xác định thí - EN 1993-1-1 quy định giá trị giới hạn chảy giới hạn bền danh định mác thép theo Tiêu chuẩn sản phẩm viện dẫn (bảng 3.1 EN 1993-1-1) Các giá trị giới hạn xác định với xác suất đảm bảo thơng thường 95% (5% thí nghiệm cho kết nhỏ giá trị danh định) [5] fu fy độ giãn dài đứt nghiệm theo EN 10025-2, Việt Nam thí nghiệm phổ biến Tuy nhiên yêu cầu biến dạng cực hạn  u ứng với giá trị giới hạn bền f u (EN 19931-1 khuyến nghị  u  15 y ) không dễ xác định (ở Việt Nam không thí nghiệm tiêu này), lý thuyết khái niệm biến dạng cực hạn  u khác với khái niệm độ giãn dài sau đứt Đây vấn đề không nhỏ xây dựng phụ lục Đối chiếu với bảng báo này, ta rút số nhận xét sau: quốc gia mác thép kết cấu, thơng thường + Về chiều dày vật liệu: EN 1993-1-1 áp dụng Âu) không yêu cầu xác định giá trị biến dạng cho thép kết cấu với chiều dày vật liệu t  mm cực hạn  u , khơng có phương pháp thử (điều 1.1, EN 1993-1-1) Ngồi ra, thơng số cường độ thép kết cấu yêu cầu EN 1993-1-1 tiêu chuẩn sản phẩm thép kết cấu (kể châu tương ứng Vấn đề nghiên cứu trình bày khuôn khổ báo khác; đến t ≤80 mm Đối với thép kết cấu có chiều dày + Về hệ số riêng (partial factor) t > 80 mm, phải xác định thông số cường độ thép  Mi : kết cấu theo tiêu chuẩn sản phẩm tương ứng Tuy EN 1993-1-1 không diễn giải rõ hệ số γRd , nhiên, kết cấu thép nhà cơng trình Việt γm,i có giá trị bao nhiêu, hay cách xác định Nam, khoảng giá trị 3≤ t ≤80 mm đủ bao trùm nào, mà khuyến nghị giá trị γ M,i = γRd hầu hết loại hình cấu kiện Đối với cấu kiện γm,i thành mỏng tạo hình nguội có tiêu chuẩn thiết kế riêng (EN 1993-1-3); Các giá trị γM0 = 1,00; γM1 = 1,00 theo khuyến nghị EN 1993-1-1 (và Phụ lục quốc gia + Về giới hạn chảy danh định: Quy định EN BS EN 1993-1-1) thường với giá trị giới hạn chảy 1993-1-1 có sai khác so với EN 10025-2, cụ thể: danh định fy (tức EN 1993-1-1 cho phép dùng Theo EN 10025-2 giới hạn chảy mác thép giá trị giới hạn chảy danh định tính S235, fy = 235 N/mm tương ứng với chiều dày t tốn) Cịn γM2 dùng tính tốn phá hoại giịn ≤16 mm; với 16< t ≤40 mm fy = 225 N/mm , tức (fracture) với giới hạn bền danh định f u Có thể thấp so với EN 1993-1-1 Thông thường, vật thấy, khuyến nghị EN 1993-1-1 γM2 = 1,25 liệu thép kết cấu phải đánh giá theo Tiêu chuẩn sản thiên an tồn, thân giá trị f u đưa vào EN Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2021 71 QUY CHUẨN - TIÊU CHUẨN 1993-1-1 giá trị giới hạn bền tối thiểu thép Cần lưu ý rằng, theo TCVN 5575:2012, điều (ví dụ, S235 yêu cầu giới hạn bền 6.1.3, 6.1.4 γM = 1,05 thép cán thép khoảng 360-510 N/mm , EN 1993-1-1 lấy giá trị tối thiểu 360 N/mm ), vấn đề liên quan đến chất lượng, độ ổn định thép ống; 1,1 thép cacbon thép hợp kim thấp, tức giá trị tính tốn giới hạn chảy giới hạn sản xuất quốc gia, điều kiện nhiệt độ, môi bền nhỏ giá trị danh định (tiêu chuẩn) [7] γM trường cụ thể quốc gia Phụ lục quốc gia theo TCVN 5575:2012 hệ số độ tin cậy vật Anh BS EN 1993-1-1 khuyến nghị γM2 = 1,1 liệu, tức kể đến biến động cường độ vật Phần báo có bình luận cụ thể  M xem xét khoảng gần 3000 số liệu thí nghiệm thống kê mác thép SS400 thực phịng thí nghiệm LAS-XD01 liệu Các yêu cầu giới hạn chảy, giới hạn bền mác thép SS400 theo tiêu chuẩn sản phẩm JIS G3101 Bảng Giới hạn chảy, giới hạn bền mác thép SS400 theo tiêu chuẩn sản phẩm JIS G3101 Vật liệu SS400 Chiều dày vật liệu, t (mm) Giới hạn chảy (Mpa) Giới hạn bền (Mpa) t≤5 ≥ 245 400 ÷ 510