Tầm quan trọng của tính chất cơ học thép trong thiết kế
Thép xây dựng có một đặc điểm đặc biệt quý giá: các tính chất đàn hồi (E, G, ν) và vật lý (ρ, α) gần như không phụ thuộc vào mác thép — chúng là hằng số của vật liệu thép nói chung. Điều này giúp kỹ sư dùng cùng một bộ hằng số vật liệu cho mọi phân tích kết cấu, bất kể dùng CB300T hay CB500V.
Chỉ có tính chất cường độ (fy, fu) và tính dẻo (A5) mới thay đổi theo mác thép. Bài viết tổng hợp đầy đủ các tính chất cơ học và giải thích ý nghĩa thiết kế của từng thông số.
Mô đun đàn hồi — E (Young’s modulus)
Mô đun đàn hồi E (Young’s modulus) là hệ số tỷ lệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng đàn hồi tuyến tính: E = σ/ε. E của thép xây dựng là 200–210 GPa (thường lấy 200 GPa hay 2×10⁵ MPa trong thiết kế theo TCVN và EC2).
E là thông số nền tảng cho tính toán độ võng (deflection), dao động (vibration) và ổn định (buckling) của kết cấu. Kết cấu cứng (stiff) có E×I lớn; kết cấu mềm (flexible) có E×I nhỏ. Đặc biệt quan trọng: E của thép gấp khoảng 7–10 lần E của bê tông (Ec = 20–35 GPa), giải thích tại sao mô đun đàn hồi tương đương (n = Es/Ec = 6–10) được dùng khi tính toán tiết diện BTCT làm việc đàn hồi.
Mô đun cắt — G (Shear modulus)
Mô đun cắt G liên hệ ứng suất cắt τ với biến dạng góc γ: G = τ/γ. G của thép ≈ 77–81 GPa, thường lấy G = 79 GPa. G và E liên hệ qua hệ số Poisson: G = E / [2(1+ν)] = 200 / [2×1,3] ≈ 77 GPa.
G quan trọng trong phân tích xoắn (torsion), cắt thuần (pure shear) và kết cấu thép hình chịu xoắn. Trong BTCT, G thép ít dùng trực tiếp nhưng cần thiết trong phân tích phần tử hữu hạn (FEM) mô hình hóa cốt thép dạng 3D.
Hệ số Poisson — ν
Hệ số Poisson ν biểu thị tỷ số giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc khi chịu kéo/nén đơn trục: ν = -ε_lateral/ε_axial. Thép xây dựng có ν ≈ 0,3 (không đổi theo mác thép, nhiệt độ thay đổi nhỏ).
Trong thiết kế thực hành, ν = 0,3 được dùng để tính ứng suất phức tạp (biaxial stress), phân tích tấm phẳng và mô hình FEM 3D. Với ν = 0,3, thép trong vùng đàn hồi thu nhỏ ngang 0,3% khi kéo giãn 1% theo chiều dọc.
Khối lượng riêng — ρ
Thép xây dựng có khối lượng riêng ρ = 7850 kg/m³ (7,85 g/cm³), đôi khi làm tròn 7800 kg/m³. Giá trị này được dùng để tính:
- Tải trọng bản thân kết cấu thép và cốt thép trong BTCT.
- Khối lượng thép cần mua (m = ρ × V = ρ × A × L, trong đó A là diện tích tiết diện, L là chiều dài).
- Ví dụ: thép Ø16 mm, As = π×0,016²/4 = 201 mm² = 2,01 cm²; trọng lượng 1 m = 7850 × 2,01×10⁻⁴ m² × 1 m ≈ 1,58 kg/m.
Hệ số giãn nở nhiệt — α
Hệ số giãn nở nhiệt dài α = 12×10⁻⁶/K (hay 12 με/°C) — một trong những lý do thép và bê tông phối hợp xuất sắc trong BTCT: bê tông có α = 10–14×10⁻⁶/K (trung bình ~12×10⁻⁶/K), gần bằng thép. Nếu hai vật liệu giãn nở nhiệt khác nhau nhiều, khi nhiệt độ thay đổi sẽ sinh ứng suất nhiệt tại mặt tiếp xúc, phá vỡ liên kết.
Ví dụ: trong kết cấu dài 100 m, nếu nhiệt độ thay đổi 40°C: ΔL = α × L × ΔT = 12×10⁻⁶ × 100 × 40 = 48 mm — đây là lý do cầu cần khe nhiệt (expansion joint) và BTCT cần khe co giãn khi dài hơn 60–80 m.
Độ giãn dài sau đứt — A5
A5 là độ giãn dài tương đối (%) của mẫu thử sau khi đứt, đo trên chiều dài chuẩn L₀ = 5d (d = đường kính mẫu): A5 = (Lf – L₀)/L₀ × 100%. A5 là chỉ số đánh giá tính dẻo (ductility) của thép — càng cao, thép càng dẻo và dễ uốn, ít nguy cơ phá hoại giòn.
| Mác thép | A5 min (%) | Đặc điểm ductility |
|---|---|---|
| CB240T | 25 | Rất dẻo; dễ uốn cong, neo móc |
| CB300T | 20 | Dẻo tốt |
| CB400V | 14 | Dẻo trung bình; đủ cho hầu hết kết cấu |
| CB500V | 10 | Dẻo thấp hơn; cần kiểm soát uốn và hàn chặt chẽ |
Tóm tắt bảng tính chất vật lý và đàn hồi thép xây dựng
| Tính chất | Ký hiệu | Giá trị thiết kế | Đơn vị |
|---|---|---|---|
| Mô đun đàn hồi | E (Es) | 200–210 (lấy 200) | GPa |
| Mô đun cắt | G | 77–81 (lấy 79) | GPa |
| Hệ số Poisson | ν | 0,30 | — |
| Khối lượng riêng | ρ | 7850 | kg/m³ |
| Hệ số giãn nở nhiệt | α | 12×10⁻⁶ | /K (hay /°C) |
Tại sao α của thép và bê tông tương đương — ý nghĩa kết cấu
Sự tương đồng về α giữa thép và bê tông (~12×10⁻⁶/K) là một trong những lý do vật lý giúp BTCT làm việc tốt. Khi nhiệt độ thay đổi theo mùa (VD: ΔT = 30°C), cả thép và bê tông giãn/co gần như bằng nhau, không sinh ra ứng suất nhiệt đáng kể tại mặt tiếp xúc. Đây là điều hiếm thấy trong các vật liệu kết hợp — và là nền tảng vật lý của bê tông cốt thép như một vật liệu composite lý tưởng.
Câu hỏi thường gặp
- E của thép có thay đổi theo mác thép không?
- Không — E = 200 GPa là hằng số của thép cacbon và thép hợp kim thấp, không phụ thuộc mác. Chỉ fy, fu và A5 thay đổi theo mác.
- Tại sao sách giáo khoa có khi ghi E = 200 GPa, có khi 210 GPa?
- EC2 và EN 1993 lấy E = 210 GPa; TCVN và nhiều sách Mỹ lấy 200 GPa. Sự khác biệt 5% này ảnh hưởng không đáng kể trong thiết kế thực tế; quan trọng là nhất quán trong một tính toán.