EN
Cách Xác định Kích thước Thép Cốt Thép: Các Tiêu chuẩn, Ký hiệu và Kích thước Chính
Giải mã Hệ thống Ký hiệu #X và Các Tương đương Đơn vị Mét (6 mm–57 mm)
Kích thước thép cốt thép tuân theo các quy ước đánh số tiêu chuẩn, trong đó ký hiệu #X tương ứng với đường kính tính bằng phần tám inch. Ví dụ, thép cốt thép #3 có đường kính 3/8 inch (9,5 mm), trong khi #8 tương đương 1 inch (25,4 mm). Hệ thống này bao quát từ #3 (6 mm) đến #18 (57 mm), với các giá trị tương đương đơn vị mét giúp phối hợp dự án trên toàn cầu. Một số phép quy đổi chính giữa đơn vị inch và mét bao gồm:
- #4: 12,7 mm
- #5: 15,9 mm
- #9: 28,7 mm
- #11: 35,8 mm
Độ đồng nhất về đường kính đảm bảo việc phân bố tải trọng đều trên các kết cấu bê tông. Các kỹ sư dựa vào những kích thước tiêu chuẩn này—lần đầu tiên được quy định trong tiêu chuẩn ASTM A615—để bố trí cốt thép phù hợp với các mã xây dựng quốc tế như ACI 318 và ISO 6935.
Các cấp độ theo tiêu chuẩn ASTM A615/A706 và lý do vì sao chỉ riêng đường kính không quyết định độ bền
ASTM thiết lập các quy định về độ bền yêu cầu đối với cốt thép, chủ yếu thông qua các tiêu chuẩn của họ như A615 dành cho thép carbon thông thường và A706 dành cho các loại thép hợp kim thấp có khả năng hàn. Khi xem xét khả năng chịu lực của một thanh cốt thép, đường kính đương nhiên có vai trò nhất định, nhưng thực tế thì cấp độ cường độ chảy mới là yếu tố quyết định. Chẳng hạn, cấp độ 60 có khả năng chịu lực khoảng 60.000 pound trên inch vuông (psi) hoặc tương đương khoảng 414 megapascal (MPa). Cấp độ 80 còn cao hơn nữa, đạt khoảng 80.000 psi hoặc 552 MPa. Thú vị ở chỗ, hai thanh cốt thép có cùng độ dày chính xác như nhau nhưng thuộc hai cấp độ khác nhau có thể chênh lệch tới gần một phần ba về khả năng chịu kéo. Vật liệu thực tế sử dụng cũng tạo ra sự khác biệt lớn. Với thép A706, thành phần hóa học được kiểm soát đặc biệt nhằm cải thiện đáng kể khả năng uốn cong trước khi gãy và hiệu suất chịu động đất, đồng thời vẫn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kích thước chính xác. Đối với bất kỳ ai tham gia vào công tác thiết kế kết cấu, việc kiểm tra cả kích thước vật lý lẫn đặc tính kim loại đều trở nên thiết yếu. Và đừng quên luôn yêu cầu Báo cáo thử nghiệm tại nhà máy (mill test reports) theo Điều 11 của tiêu chuẩn ASTM A615 khi xác minh các thông số kỹ thuật.
Phù hợp kích thước cốt thép với các ứng dụng kết cấu
Việc lựa chọn kích thước cốt thép tối ưu giúp ngăn ngừa các sự cố tốn kém đồng thời đáp ứng các quy chuẩn xây dựng và tiêu chí hiệu năng kỹ thuật. Các đường kính nhỏ hơn phù hợp với tải trọng nhẹ hơn và các tiết diện mỏng hơn; trong khi các cấu kiện nặng hơn đòi hỏi cốt thép có độ bền cao để truyền lực kéo một cách hiệu quả và duy trì khả năng sử dụng dưới tải trọng kéo dài.
Móng và bản sàn: Tối ưu kiểm soát nứt bằng cốt thép #2–#4 (6–13 mm)
Đối với các cấu kiện xây dựng nằm ngang như bản sàn đặt trực tiếp trên nền đất và các hệ thống móng nông, các nhà thầu thường sử dụng cốt thép có kích thước từ #2 đến #4 (đường kính khoảng 6–13 mm), chủ yếu nhằm kiểm soát các vết nứt co ngót và các vấn đề liên quan đến nhiệt độ. Khi thi công các tiết diện bê tông mỏng hơn, những thanh cốt thép có đường kính nhỏ hơn này được bố trí cách nhau khoảng 12–18 inch (30–45 cm) để gia cố toàn bộ khối bê tông mà không tạo ra các điểm tập trung ứng suất có thể dẫn đến sự cố về sau. Theo điều 7.12 của tiêu chuẩn ACI 318 mới nhất, việc sử dụng cốt thép #4 (đường kính khoảng 12,7 mm) đặt cách nhau 12 inch (30 cm) giúp giảm hơn một nửa chiều rộng các vết nứt trong các ứng dụng bản sàn dân dụng điển hình, so với các bản sàn không được gia cố hoặc có hàm lượng thép không đủ. Việc chọn cốt thép quá lớn sẽ làm tăng chi phí, gây khó khăn hơn trong quá trình đổ bê tông và làm tăng nguy cơ cốt thép không được bám dính đầy đủ vào hỗn hợp bê tông. Ngược lại, nếu chọn cốt thép quá nhỏ thì khả năng chống lại các vết nứt ban đầu hình thành trong quá trình bảo dưỡng sẽ bị suy giảm, từ đó ảnh hưởng cả đến tuổi thọ lẫn tính thẩm mỹ của công trình.
Cột, dầm và các cấu kiện chịu lực: Khi thanh cốt thép #5–#11 (16–36 mm) đảm bảo độ bền cấu trúc
Các cấu kiện đứng và chịu uốn như cột, dầm và dầm chuyển cần sử dụng cốt thép có đường kính từ #5 đến #11 (khoảng 16–36 mm) để chịu được toàn bộ các loại ứng suất khác nhau tác động đồng thời lên chúng—bao gồm nén, kéo và cắt. Khi xét đến các thanh cốt thép có đường kính lớn hơn, khả năng chịu lực của chúng tăng lên đáng kể. Chẳng hạn, một thanh #8 (đường kính 25,4 mm) thực tế có thể chịu tải trọng cao hơn khoảng 50% so với thanh #5 nhỏ hơn (cùng cấp thép), theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD xuất bản lần thứ 10. Các yêu cầu còn trở nên cụ thể hơn nữa khi xem xét yếu tố động đất. Tại những khu vực có nguy cơ động đất cao, quy chuẩn xây dựng yêu cầu sử dụng ít nhất thanh cốt thép #7 (khoảng 22,2 mm) trong các vùng khớp dẻo của cột nhằm đảm bảo cột có khả năng uốn cong mà không bị gãy. Dầm chuyển thường sử dụng nhiều thanh cốt thép #11 (mỗi thanh đường kính 35,8 mm) được bó lại với nhau để chịu đồng thời cả tải trọng thẳng đứng và lực ngang. Về cơ bản, kỹ sư sẽ tính toán lượng cốt thép cần bố trí trong bê tông dựa trên tỷ lệ diện tích. Hầu hết các hướng dẫn đều khuyến nghị duy trì hàm lượng cốt thép ở mức trên 1% tại các tiết diện quan trọng, như được quy định tại Chương 10 của tiêu chuẩn ACI 318-19.
Các Yếu Tố Kỹ Thuật Quan Trọng Quy Định Việc Lựa Chọn Kích Thước Cốt Thép
Yêu Cầu Về Tải Trọng, Độ Bền Của Bê Tông Và Tỷ Lệ Diện Tích Giữa Thép Và Bê Tông
Lượng tải trọng cấu trúc quyết định mức độ lực kéo mà cốt thép cần chịu đựng. Khi có các tải trọng tĩnh lớn hơn, chẳng hạn như các hệ thống cơ khí cồng kềnh hoặc vật liệu sàn dày, cộng thêm các tải trọng động (tải trọng hoạt tải) từ những nơi như bãi đậu xe hoặc khu vực tập trung đông người, kỹ sư thường quy định sử dụng các thanh cốt thép có đường kính lớn hơn. Ví dụ, các tòa nhà cao tầng thường yêu cầu dùng thanh cốt thép #11 (khoảng 35,8 mm) trong các cột lõi, trong khi các móng đơn giản có thể chỉ cần thanh cốt thép #3 (khoảng 9,5 mm). Điều thú vị là bê tông có cường độ cao hơn thực tế lại cho phép giảm lượng thép sử dụng. Bê tông cường độ cao khoảng 5.000 psi (tương đương 35 MPa) giúp các nhà thiết kế giảm nhu cầu về thép tới gần 20% so với các hỗn hợp bê tông thông thường có cường độ 3.000 psi (21 MPa), miễn là trước tiên phải kiểm tra độ bám dính và chiều dài neo cốt thép. Tỷ số diện tích thép trên diện tích bê tông (rho) đóng vai trò then chốt nhằm đảm bảo công trình vừa an toàn vừa hiệu quả về chi phí. Công thức tính như sau: rho = As / (b × d), trong đó As biểu thị tổng diện tích cốt thép chịu kéo, b là chiều rộng của cấu kiện, còn d là chiều cao làm việc (chiều sâu hữu hiệu). Nếu tỷ số này vượt quá giá trị tối đa cho phép, bê tông có thể bị nén vỡ trước khi cốt thép bắt đầu chảy. Ngược lại, nếu tỷ số thấp hơn yêu cầu tối thiểu, cấu kiện có thể gặp sự cố bất ngờ dưới tác dụng của lực kéo. Phần lớn các dự án hướng tới mức tỷ lệ dao động từ 1% đối với các công trình cơ bản không có yêu cầu đặc biệt, lên đến 3–4% đối với các tòa nhà nằm trong vùng động đất hoặc khu vực có nguy cơ ăn mòn nghiêm trọng, theo Bảng 10.3.1 trong tiêu chuẩn ACI 318-19.
Các ràng buộc về khoảng cách, tiêu chuẩn chống động đất và các yếu tố cân nhắc về kích thước chống ăn mòn
Khi làm việc trong các điều kiện hạn chế về mặt vật lý như không gian ván khuôn chật hẹp, bố trí các thanh neo dày đặc hoặc nhiều lỗ xuyên (MEP) chạy xuyên qua kết cấu, việc lựa chọn đường kính cốt thép thường bị chi phối bởi những ràng buộc này hơn là chỉ dựa trên yêu cầu chịu lực thuần túy. Vì lý do đó, nhiều kỹ sư thường chọn dùng các thanh có đường kính nhỏ hơn, thông thường là loại #4 hoặc #5, được đặt sát nhau thay vì sử dụng các thanh có đường kính lớn hơn — vốn có thể cản trở quá trình đầm chặt bê tông đạt yêu cầu trong quá trình đổ. Đối với các yêu cầu chống động đất, các quy định còn cụ thể hơn nữa. Theo Chương 18 của tiêu chuẩn ACI 318-19, các mối nối dầm–cột phải sử dụng ít nhất các thanh #6 khi khoảng cách giữa các thanh đai không vượt quá bốn inch. Ngoài ra, các vùng khớp dẻo — nơi kết cấu uốn cong dưới tác dụng của tải trọng — phải được bố trí cốt thép có khả năng chịu lực cao hơn 1,25 lần so với yêu cầu chịu lực thông thường nhằm đảm bảo khả năng chịu biến dạng mà không bị phá hoại. Trong môi trường biển hoặc những khu vực có đường thường rắc muối vào mùa đông, việc sử dụng các thanh có đường kính lớn hơn cũng là cần thiết. Các nhà thầu thường yêu cầu dùng thanh #8 (có đường kính 25,4 mm) thay vì thanh tiêu chuẩn #6 (19,1 mm), bởi họ biết rằng lớp thép sẽ bị ăn mòn mất khoảng nửa milimet mỗi năm trong suốt tuổi thọ công trình. Mặc dù cốt thép tráng epoxy hoặc cốt thép không gỉ giữ nguyên kích thước ban đầu, nhưng độ bám dính của chúng với bê tông lại kém hơn so với cốt thép cacbon thông thường. Do đó, các yêu cầu kỹ thuật cần được điều chỉnh cả về khoảng cách giữa các thanh và chiều dài neo vào các gối tựa, tuân thủ các hướng dẫn trong Chương 25 của tiêu chuẩn ACI 318-19 và các tiêu chuẩn ASTM A775/A934.