Độ bền cắt là gì?
Độ bền cắt (shear strength) là khả năng chống lại sự trượt tương đối giữa hai phần của vật liệu dọc theo mặt phẳng cắt. Khi ứng suất tiếp τ vượt quá độ bền cắt, vật liệu bị phá hủy theo kiểu trượt hoặc tách. Đơn vị đo là MPa (N/mm²).
Trong kết cấu xây dựng, cắt xuất hiện chủ yếu tại gối tựa của dầm, trong mối nối và tại vùng có tải tập trung. Cắt thường kết hợp với uốn và gây ra ứng suất chính xiên góc 45°.
Công thức tính ứng suất cắt
Ứng suất cắt trung bình trên tiết diện:
τ = V / A
- V: lực cắt (N)
- A: diện tích mặt cắt chịu cắt (mm²)
Ứng suất cắt theo lý thuyết Jourawski (phân bố trên tiết diện chữ nhật):
τ = V·S / (I·b)
- S: mô men tĩnh của phần diện tích trên điểm cần tính (mm³)
- I: mô men quán tính tiết diện (mm⁴)
- b: chiều rộng tiết diện tại điểm cần tính (mm)
Ứng suất cắt lớn nhất tại thớ trung hòa của tiết diện chữ nhật: τmax = 1,5 × V/A.
Độ bền cắt của vật liệu xây dựng
| Vật liệu | Độ bền cắt (MPa) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Thép CT3 (S235) | 135–145 | ≈ 0,58 × fy |
| Thép CT5 (S355) | 200–210 | ≈ 0,58 × fy |
| Bê tông M200 | 1,0–1,5 | Không có cốt đai |
| Bê tông M300 | 1,5–2,0 | Không có cốt đai |
| Gỗ (vuông góc thớ) | 3–8 | Yếu nhất của gỗ |
| Gỗ (dọc thớ) | 5–15 | Trượt giữa các thớ |
| Bu lông M16 (8.8) | 58–65 kN/bu lông | Cắt đơn |
| Đất sét (tiêu chuẩn) | 0,02–0,1 | Mohr-Coulomb |
Tiêu chuẩn phá hủy do cắt
Tiêu chuẩn Von Mises (thép và kim loại)
Với vật liệu dẻo như thép, phá hủy cắt xảy ra khi ứng suất tiếp đạt:
τy = fy / √3 ≈ 0,577 × fy
Đây là cơ sở để thiết kế liên kết bulông và hàn theo TCVN 5575.
Tiêu chuẩn Mohr-Coulomb (đất và đá)
Với đất và đá, độ bền cắt phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến σ:
τf = c + σ × tan(φ)
- c: lực dính (cohesion) của đất (kPa)
- φ: góc ma sát trong của đất (độ)
Cốt đai trong dầm bê tông chịu cắt
Bê tông có độ bền cắt thấp (1–2 MPa), không đủ cho các dầm chịu tải lớn. Cốt đai (stirrup) được bố trí để chịu thêm lực cắt. Khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép bao gồm hai thành phần:
- Vc: khả năng chịu cắt của bê tông (phụ thuộc f’c và b×d)
- Vs: khả năng chịu cắt của cốt đai (Asv×fyv×d/s)
Tổng sức chịu cắt: VRd = Vc + Vs theo TCVN 5574:2018.
Phá hủy do cắt trong thực tế
Phá hủy do cắt thường xảy ra đột ngột, không có dấu hiệu cảnh báo trước, nguy hiểm hơn phá hủy do uốn. Các dạng phá hủy cắt phổ biến trong kết cấu bê tông gồm: nứt chéo xiên từ gối, nứt trượt ngang và đâm thủng (punching shear) tại vị trí cột đỡ sàn.
Câu hỏi thường gặp
- Độ bền cắt của thép bằng bao nhiêu phần trăm độ bền kéo?
- Theo tiêu chuẩn Von Mises, độ bền cắt của thép bằng khoảng 57,7% (1/√3) độ bền kéo chảy fy. Ví dụ thép CT3 có fy = 235 MPa thì độ bền cắt τy ≈ 136 MPa. Trong thiết kế thực tế thường lấy khoảng 0,5–0,6 × fy để an toàn.
- Tại sao dầm bê tông bị nứt chéo?
- Lực cắt gây ra ứng suất kéo chính theo hướng xiên 45° so với trục dầm. Bê tông yếu về kéo nên vết nứt hình thành theo hướng vuông góc với ứng suất kéo chính, tạo ra các vết nứt chéo 45° đặc trưng gần gối tựa.
- Cốt đai cần bố trí mật độ bao nhiêu?
- Mật độ cốt đai phụ thuộc vào lực cắt tính toán. Vùng gần gối tựa (lực cắt lớn) cần cốt đai dày hơn vùng giữa nhịp. TCVN 5574:2018 quy định khoảng cách cốt đai tối đa không vượt quá 0,75d (d là chiều cao làm việc của dầm) và không quá 500 mm.