EN
Cấu trúc chống động đất: Vì sao thanh thép biến dạng vượt trội dưới tác động của ứng suất
Vai trò của độ bền liên kết và biến dạng bề mặt trong khả năng chống chịu động đất
Thép thanh có cấu trúc biến dạng thực sự giúp các công trình xây dựng chịu được động đất tốt hơn nhờ những đường gờ và mấu lồi đặc biệt trên bề mặt, giúp bám chắc vào bê tông xung quanh. Những điểm không đều này làm tăng khả năng bám dính của thép vào bê tông lên khoảng 40 đến 60% so với thép thanh trơn, điều này có nghĩa là lực rung lắc được truyền tải đúng cách thay vì làm các bộ phận bị tách rời. Điều thực sự quan trọng ở đây là những biến dạng này phân tán năng lượng của trận động đất khắp toàn bộ cấu trúc bê tông thay vì để toàn bộ lực tích tụ tại một điểm, nơi có thể bắt đầu xuất hiện các vết nứt. Một lợi ích khác ít được nhắc đến là cách các thanh thép có cấu trúc này xử lý sự giãn nở khác nhau của thép và bê tông khi nhiệt độ thay đổi trong các thảm họa. Và có lẽ tốt nhất là, chúng cho phép các công trình xây dựng uốn cong và lắc lư mà không bị vỡ hoàn toàn. Tính linh hoạt này đã trở thành tiêu chuẩn thực hành ở các khu vực dễ xảy ra động đất hiện nay.
Hiệu suất thực tế: Nghiên cứu điển hình từ các khu vực dễ xảy ra động đất (Nepal và Chile)
Nepal và Chile có các quy định xây dựng yêu cầu sử dụng thanh thép biến dạng sau khi kiểm tra kỹ lưỡng sau động đất. Khi trận động đất Gorkha năm 2015 xảy ra ở Kathmandu với cường độ 7,8 độ richter, các tòa nhà sử dụng thanh thép biến dạng đã giảm khoảng 70% số vụ sụp đổ so với các tòa nhà sử dụng cốt thép thẳng thông thường. Điều tương tự cũng xảy ra ở Chile trong trận động đất Maule mạnh 8,8 độ richter năm 2010. Các tòa nhà chọc trời ở đó sử dụng thanh thép biến dạng Fe500D vẫn đứng vững bất chấp sự rung lắc dữ dội. Sau khi xem xét những gì đã xảy ra, các chuyên gia nhận thấy rằng các cột có thanh thép biến dạng có thể chịu được nhiều sự dịch chuyển mà không bị sụp đổ, giúp mọi người có những phút quý giá để thoát ra an toàn. Các cấu trúc cốt thép thông thường có xu hướng sụp đổ hoàn toàn ngay khi mặt đất bắt đầu rung chuyển mạnh. Điều này cho thấy khá rõ ràng. Khả năng uốn cong và kéo giãn của vật liệu, xuất phát từ những biến dạng trên bề mặt thép, tạo nên sự khác biệt giữa việc cứu sống và mất mạng trong các thảm họa.
Cân bằng giữa độ dẻo và khả năng thi công với thanh thép biến dạng chất lượng cao
Thiết kế kết cấu chống động đất ngày nay đòi hỏi vật liệu cốt thép có khả năng giãn nở đáng kể trước khi gãy, đồng thời vẫn dễ dàng thao tác tại công trường. Ví dụ, thép Fe500D có thể giãn nở từ 18 đến 25% trước khi gãy, vượt trội so với yêu cầu của hầu hết các tiêu chuẩn xây dựng quốc tế, nhưng vẫn đủ linh hoạt để tạo thành các khung cốt thép phức tạp cần thiết trong các công trình chống động đất. Tốt hơn nữa là các loại thép cao cấp hơn như Fe550D, cho độ bền cao hơn khoảng 15% mà không làm cho các thanh thép quá cứng, khó uốn cong quanh các góc hoặc qua những không gian chật hẹp. Các kỹ sư giỏi biết tầm quan trọng của việc lựa chọn kiểu gân trên các thanh thép này sao cho phù hợp với loại hỗn hợp bê tông đang sử dụng. Gân sâu hơn phù hợp với bê tông loãng hơn, trong khi các gân nhỏ hơn xử lý tốt hơn với hỗn hợp bê tông đặc hơn. Nếu làm đúng điều này, các thanh thép biến dạng không chỉ chịu được ứng suất đáng kể trong động đất mà còn giúp quá trình xây dựng diễn ra suôn sẻ vì công nhân có thể uốn cong, buộc và định vị chúng theo các tiêu chuẩn thông thường trong các dự án cơ sở hạ tầng lớn.
Các cấu kiện bê tông cốt thép: Dầm, sàn và cột
Tăng cường khả năng truyền tải trọng và khả năng chống nứt trong các cấu kiện chịu uốn bằng cách sử dụng thanh thép biến dạng.
Khi được sử dụng trong dầm và sàn, những thanh thép xoắn mà chúng ta gọi là thép cốt biến dạng thực sự giúp tăng cường khả năng chịu uốn của kết cấu dưới tải trọng. Các gờ nhỏ trên bề mặt của chúng tạo ra sự bám dính tốt hơn giữa thép và bê tông xung quanh. Điều này có nghĩa là ứng suất được phân bố đều hơn trên vật liệu, và các vết nứt sẽ mất nhiều thời gian hơn để hình thành. Thép cốt trơn thông thường không làm tốt nhiệm vụ này vì nó cho phép các bộ phận trượt qua nhau cho đến khi có gì đó bị gãy đột ngột. Tuy nhiên, thép cốt biến dạng hoạt động khác biệt, chúng hấp thụ lực kéo giãn từng chút một, ngăn chặn các vết nứt trở nên tồi tệ hơn một khi chúng xuất hiện. Hầu hết các quy chuẩn xây dựng hiện nay đều yêu cầu sử dụng thép cốt có gờ ở bất cứ nơi nào có nhiều lực căng, đặc biệt là xung quanh các mối nối cột và các điểm giữa dọc theo nhịp, nơi mọi thứ có thể bị hỏng nhanh chóng nếu không được gia cố đúng cách. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã phát hiện ra rằng khi được lắp đặt đúng cách, các thanh thép biến dạng này có thể giảm khoảng 40% các vấn đề nứt nẻ trong kết cấu dầm. Điều đó tạo nên sự khác biệt lớn đối với các công trình cần tồn tại hàng chục năm mà không cần sửa chữa liên tục.
Thép cốt biến dạng so với thép cốt trơn: Hiệu suất trong hệ dầm-sàn liên tục
Đối với hệ khung dầm-sàn tích hợp, thép thanh biến dạng hoạt động tốt hơn thép thanh trơn thông thường trong điều kiện vận hành bình thường cũng như khi chịu tải vượt quá giới hạn. Cách chúng liên kết cơ học với nhau giúp ngăn ngừa sự trượt tại các điểm nối giữa sàn và dầm, tạo ra hiệu ứng liên kết tổng thể và làm cho toàn bộ hệ thống cứng vững hơn. Các hệ thống được xây dựng liên tục bằng thép thanh biến dạng cho thấy độ uốn cong giảm khoảng 30% và giữ cho các vết nứt hẹp hơn khi chịu tải trọng tương tự. Về cơ bản có hai lý do chính cho sự cải thiện này. Thứ nhất, lực cắt được truyền tải tốt hơn qua các mối nối. Thứ hai, đó là khả năng tương thích biến dạng bền vững. Với thép thanh trơn, ứng suất có xu hướng tập trung cục bộ và điều này làm tăng tốc quá trình hư hỏng theo thời gian. Do tất cả những lợi ích này, hầu hết các kỹ sư kết cấu đều lựa chọn thép thanh biến dạng cấp Fe500D khi thiết kế các hệ thống loại này. Họ biết rằng loại thép này cung cấp sự kết hợp phù hợp giữa độ bền khi đạt đến giới hạn chảy và độ giãn nở đủ để xử lý các ứng suất bất ngờ.
Các dự án cơ sở hạ tầng: Cầu, đường cao tốc và cầu vượt
Thép thanh biến dạng có khả năng chống mỏi vượt trội dưới tải trọng giao thông chu kỳ.
Thép thanh biến dạng đóng vai trò quan trọng trong các công trình chịu tải trọng nặng lặp đi lặp lại trong nhiều năm, đặc biệt là các công trình như mặt cầu, khe co giãn đường cao tốc và các mối nối trên cầu vượt. Các gân trên các thanh thép này tạo thành liên kết cơ học chắc chắn với bê tông xung quanh. Điều này giúp phân tán ứng suất từ chu kỳ tải trọng liên tục và ngăn chặn các vết nứt nhỏ phát triển theo thời gian, một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng vật liệu do mỏi. Trên thực tế, điều này có nghĩa là cấu trúc sẽ giữ nguyên vẹn lâu hơn ngay cả sau khi trải qua hàng nghìn chu kỳ tải trọng. Khi các kỹ sư thực hiện cải tạo chống động đất, họ dựa vào đặc tính tương tự giúp các tòa nhà an toàn hơn trong các trận động đất. Các thanh thép cho phép các cây cầu cũ biến dạng một cách có kiểm soát mà không làm mất khả năng chịu tải sau khi chúng bắt đầu đạt đến điểm chảy dẻo. Đó là lý do tại sao các chuyên gia hầu như luôn chỉ định sử dụng thép thanh biến dạng bất cứ khi nào họ cần vật liệu có khả năng chống mỏi trong nhiều thập kỷ và vẫn hoạt động đáng tin cậy sau khi đạt đến điểm chảy dẻo.
Lựa chọn thanh thép biến dạng phù hợp cho dự án của bạn
So sánh các mác thép: Fe415, Fe500D và Fe550D theo tiêu chuẩn Ấn Độ và ASTM.
Việc lựa chọn mác thép phù hợp thực sự phụ thuộc vào việc tìm ra điểm cân bằng giữa độ bền khi chịu lực (giới hạn chảy) và độ giãn dài trước khi gãy (độ dẻo), đồng thời phải xem xét các rủi ro mà công trình có thể gặp phải. Ví dụ, thép Fe415 theo tiêu chuẩn IS 1786 có giới hạn chảy khoảng 415 MPa và độ giãn dài ít nhất 14,5%. Loại thép này hoạt động tốt đối với các công trình dân dụng nhỏ nằm ở những khu vực không quá nguy hiểm do động đất. Tiếp theo là thép Fe500D với giới hạn chảy 500 MPa và độ giãn dài tối thiểu 16%. Các nhà xây dựng trên khắp Ấn Độ thường chọn loại thép này cho các công trình cao tầng nằm trong vùng địa chấn từ III đến V vì nó chịu được rung lắc tốt hơn trong các trận động đất. Đối với những trường hợp cần độ bền cao hơn trên mỗi inch vuông, có thể do tải trọng nặng hoặc không gian hạn chế, thép Fe550D là lựa chọn phù hợp. Nó đáp ứng tiêu chuẩn ASTM A615 với giới hạn chảy 550 MPa và khả năng giãn dài tương tự. Các quốc gia đối mặt với mối đe dọa động đất nghiêm trọng như Nhật Bản và California vẫn coi Fe500D là tiêu chuẩn vàng khi thiết kế các công trình cần chịu được lực ngang từ các trận động đất.
Lựa chọn kích thước và mác thép phù hợp với yêu cầu kết cấu và điều kiện môi trường.
Việc lựa chọn đường kính thanh thép và mác thép phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào loại tải trọng cần chịu và vị trí lắp đặt cụ thể. Khu vực ven biển thường cần thanh thép có đường kính từ 16 đến 32 mm, làm bằng thép Fe500D với lớp phủ bảo vệ như epoxy hoặc mạ kẽm để chống lại tác hại của nước mặn. Khi xây dựng các công trình chịu tải trọng giao thông lớn, chẳng hạn như cầu vượt và cầu đường cao tốc, các kỹ sư thường chọn thanh thép lớn hơn, có đường kính từ 25 đến 40 mm, sử dụng thép chất lượng cao. Kích thước lớn hơn này giúp chịu được ứng suất liên tục tốt hơn và giảm thiểu chi phí sửa chữa sau này. Ngược lại, các tấm bê tông trong nhà ở vùng khô hạn với các yếu tố rủi ro tối thiểu có thể sử dụng thanh thép Fe415 nhỏ hơn, có đường kính khoảng 8 đến 12 mm, vì chúng không phải chịu điều kiện khắc nghiệt. Trước khi mua bất kỳ loại thép gia cường nào, việc kiểm tra các tem chứng nhận theo các tiêu chuẩn như IS 1786 hoặc ASTM A615 là rất cần thiết. Bước đơn giản này giúp theo dõi nguồn gốc vật liệu, xác nhận đáp ứng các quy định an toàn và đảm bảo hiệu suất ổn định trong các dự án khác nhau.