Độ bền uốn là gì?
Độ bền uốn (flexural strength), còn gọi là Modulus of Rupture (MOR), là ứng suất kéo tối đa xuất hiện tại mặt đáy của dầm tại thời điểm gãy khi chịu tải uốn. Đây là chỉ tiêu phản ánh khả năng chịu tải trọng ngang và mô men uốn của vật liệu. Đơn vị đo là MPa (N/mm²).
Độ bền uốn luôn cao hơn độ bền kéo thuần túy vì trong thử nghiệm uốn, chỉ một phần nhỏ tiết diện chịu ứng suất tối đa, trong khi ở thử nghiệm kéo toàn bộ tiết diện chịu ứng suất đồng đều.
Công thức tính độ bền uốn
Với thử nghiệm 3 điểm (tải tập trung giữa nhịp):
σf = 3FL / (2bh²)
- F: lực tập trung tại giữa nhịp khi mẫu gãy (N)
- L: khoảng cách giữa hai gối đỡ (mm)
- b: chiều rộng mẫu (mm)
- h: chiều cao mẫu (mm)
Với thử nghiệm 4 điểm (hai tải đặt đối xứng tại L/3):
σf = FL / (bh²)
Thử nghiệm 4 điểm cho vùng mô men uốn thuần túy ở giữa dầm, phản ánh chính xác hơn cường độ uốn thực tế của vật liệu.
Giá trị độ bền uốn của vật liệu xây dựng
| Vật liệu | Độ bền uốn (MPa) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Bê tông thường | 3–6 | ≈ 1/6 cường độ nén |
| Bê tông M300 | 3,5–4,5 | Theo TCVN 3119 |
| Bê tông cường độ cao | 6–10 | Có phụ gia |
| Gỗ thông | 40–60 | Dọc thớ |
| Gỗ cứng (lim, sến) | 70–100 | Nhóm I–II |
| Gỗ ván ép (plywood) | 20–50 | Tùy chiều ván |
| Thép kết cấu | 250–400 | Bằng fy khi chảy |
| Gạch ceramic | 25–35 | Tiêu chuẩn ISO |
Phương pháp thử theo TCVN 3119
TCVN 3119:1993 quy định phương pháp xác định cường độ uốn của bê tông nặng. Mẫu thử là dầm hình lăng trụ, kích thước chuẩn 150×150×600 mm hoặc 100×100×400 mm.
Quy trình thử nghiệm 3 điểm
- Đúc mẫu dầm, bảo dưỡng trong 28 ngày theo điều kiện chuẩn
- Đặt mẫu lên hai gối đỡ, khoảng cách gối L = 4h (600 mm với mẫu 150×150)
- Đặt tải tập trung tại giữa nhịp qua đầu tải tròn
- Gia tải đều với tốc độ 0,04–0,06 MPa/s đến khi mẫu gãy
- Ghi lực F và vị trí gãy, tính σf = 3FL/(2bh²)
- Nếu mẫu gãy ngoài vùng L/3 giữa nhịp, kết quả bị loại
Mối quan hệ giữa độ bền uốn và nén của bê tông
Theo kinh nghiệm và nghiên cứu thực nghiệm, độ bền uốn của bê tông thường bằng khoảng 1/6 đến 1/10 độ bền nén. Công thức ước tính phổ biến:
fr ≈ 0,62 × √f’c (theo ACI 318, đơn vị MPa)
Ví dụ: bê tông M300 (f’c = 30 MPa) có fr ≈ 0,62 × √30 ≈ 3,4 MPa. Giá trị này thường dùng để tính toán nứt và biến dạng của cấu kiện bê tông.
Ứng dụng trong thiết kế kết cấu
Độ bền uốn là chỉ tiêu thiết kế quan trọng cho các cấu kiện dầm, sàn và tấm bê tông mặt đường. Trong thiết kế đường bê tông (TCVN 8819), cường độ uốn là thông số cơ bản để tính chiều dày tấm bê tông.
Với gỗ kết cấu, độ bền uốn dọc thớ xác định tiết diện dầm gỗ cầu thang, sàn gỗ và các kết cấu chịu uốn. Theo TCVN 1072, gỗ nhóm I có cường độ uốn tiêu chuẩn từ 145 kG/cm² (14,5 MPa) trở lên.
Câu hỏi thường gặp
- MOR là gì trong vật liệu xây dựng?
- MOR (Modulus of Rupture) là tên gọi khác của độ bền uốn, là ứng suất tối đa tại mặt ngoài của dầm ngay trước khi gãy. MOR không phải là mô đun đàn hồi mà là ứng suất phá hủy, thường được đo bằng MPa.
- Thử uốn 3 điểm và 4 điểm khác nhau thế nào?
- Thử 3 điểm dùng một tải tập trung ở giữa nhịp, đơn giản hơn nhưng vùng mô men thuần túy rất nhỏ. Thử 4 điểm dùng hai tải đặt cách nhau L/3, tạo vùng mô men thuần túy ở giữa dầm, cho kết quả đặc trưng hơn cho vật liệu. Hầu hết tiêu chuẩn gỗ dùng thử 4 điểm.
- Tại sao sàn bê tông bị nứt mặc dù thiết kế đủ cường độ nén?
- Bê tông có độ bền uốn (kéo) chỉ bằng 1/10 độ bền nén. Sàn chịu tải uốn, mặt dưới bị kéo — nếu thiếu cốt thép hoặc bảo dưỡng không đủ, vết nứt sẽ hình thành sớm. Đây là lý do sàn bê tông luôn cần cốt thép chịu kéo ở mặt dưới.