1. Giới thiệu về TCVN 5575:2024

TCVN 5575:2024 là phiên bản mới nhất của tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép, được ban hành vào ngày 24/12/2024, thay thế cho TCVN 5575:2012. Phiên bản này được biên soạn dựa trên tiêu chuẩn Liên bang Nga SP 16.13330.2017 và bổ sung từ SP 294.1325800.2017 nhằm hài hòa với các tiêu chuẩn quốc tế. Việc cập nhật giúp nâng cao tính an toàn, tối ưu hóa thiết kế và cải thiện khả năng thi công.

Trong các bài giảng, tôi đã chỉ ra những bất cập của tiêu chuẩn TCVN 5575-2012, bao gồm: giới hạn độ võng và chuyển vị quá nhỏ, chưa xét đến biến dạng dẻo của tiết diện, chưa tính toán được tiết diện vát, cũng như chưa đề cập đầy đủ đến các vấn đề mất ổn định xoắn. Những hạn chế này khiến việc tính toán theo tiêu chuẩn cũ dẫn đến khối lượng kết cấu lớn, kém hiệu quả kinh tế cho chủ đầu tư. Do đó, hầu hết công trình nhà thép hiện nay chuyển sang thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ AISC để tối ưu hóa. Tuy nhiên, việc thiết kế kết cấu thép theo tiêu chuẩn thiết kế (Mỹ) nhưng tiêu chuẩn nghiệm thu, giám sát, quản lý chất lượng thì dùng hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam, dẫn đến khó đảm bảo an toàn kết cấu.

Bộ tiêu chuẩn mới TCVN 5575-2024 và TCVN 2737-2023 giúp tối ưu hóa thiết kế kết cấu thép theo TCVN, khắc phục những hạn chế của tiêu chuẩn cũ. TCVN 5575-2024 có nhiều điểm tương đồng với các tiêu chuẩn quốc tế, thậm chí chi tiết và chặt chẽ hơn. Tuy nhiên, điều này cũng có thể khiến quá trình tính toán trở nên phức tạp hơn.

Bài viết này tôi tập trung nhấn mạnh các điểm quan trọng lưu ý dành cho kĩ sư thiết kế kết cấu thép, các vấn đề cập nhật mới liên quan cấu tạo, các vấn đề cập nhật các tiêu chuẩn quốc gia về thép kết cấu, vật liệu hàn, thi công và nghiệm thu sẽ không đề cập đến trong bài viết này.

2. Những thay đổi đáng chú ý trong TCVN 5575:2024

 Phạm vi áp dụng tiêu chuẩn TCVN 5575-2024

Mở rộng phạm vị áp dụng cho công trình đăt thù như: ăng ten viễn thông, cột đường dây tải điện trên không, kết cấu gia cường...

2.1. Chuyển vị ngang và độ võng cho phép của kết cấu thép

Lấy theo điều 16, 17 của tiêu chuẩn TCVN 2737-2023 Tải trọng và tác động.

2.2. Phân cấp cấu kiện và nhóm kết cấu

Việc phân cấp cấu kiện và nhóm kết cấu là điểm khác biệt nổi bật trong tiêu chuẩn mới so với tiêu chuẩn cũ TCVN 5575-2012. Kĩ sư thiết kế cần phân loại cấu kiện và nhóm kết cấu cần thiết kế để sử dụng công thức tính toán phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 5575-2024.

a. Phân cấp cấu kiện - Mục 4.2.7

• Điều 4.2.7 phân chia cấu kiện thành ba cấp dựa trên trạng thái ứng suất – biến dạng của tiết diện:

  • Cấp 1: Trạng thái đàn hồi.

  • Cấp 2: Trạng thái đàn dẻo.

  • Cấp 3: Trạng thái dẻo (khớp dẻo quy ước).

Đây là điểm mới rất quan trọng, TCVN 5575-2012 không có. Cập nhất này giúp thiết kế kết cấu thép theo TCVN 5575-2024 phù hợp và tiết kiệm hơn so với tiêu chuẩn cũ.

Ví dụ khi tính toán cấu kiện chịu uốn (Điều 8.1):

• Tùy thuộc vào công năng và điều kiện sử dụng, việc tính toán dầm chịu uốn được thực hiện:
  • Dầm cấp 1: Dành cho tất cả tải trọng, tính toán trong giới hạn biến dạng đàn hồi.
  • Dầm cấp 2 và 3: Dùng cho tải trọng tĩnh, tính toán có kể đến biến dạng dẻo.
  • Dầm đỡ cầu trục: Xếp vào cấp 1 theo nhóm A1 đến A8 (TCVN 8590-1:2010).
  • Dầm hai loại thép: Xếp vào cấp 2, tính toán có kể đến biến dạng dẻo hạn chế trong bản bụng.

So sánh với tiêu chuẩn quốc tế: 

• Eurocode 3 (EN 1993-1-1): Cũng phân loại tiết diện theo trạng thái ứng suất với các cấp Class 1 đến Class 4 (4 cấp).
• AISC 360-16 (Mỹ): Phân thành Compact, Non-Compact, Slender (3 cấp) dựa vào tỷ lệ b/t.
• TCVN 5575-2024 kế thừa các nguyên tắc này, giúp thiết kế thép phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế.

Xem thêm bài viết giải thích tại sao phân loại cấu kiện heo trạng thái ứng suất – biến dạng của tiết diện tính toán?

b. Phân nhóm kết cấu -Phụ Lục A

Tùy thuộc vào: 

• Theo công năng sử dụng.
• Điều kiện làm việc.
• Sự có mặt của liên kết hàn.

Kêt cấu được phân thành 4 nhóm - tra theo bảng Phụ lục A TCVN 5575-2024. Việc phân loại kết cấu giúp đảm bảo thiết kế hợp lý, tiết kiệm chi phí nhưng vẫn an toàn, phù hợp với yêu cầu của từng loại công trình. Đây là điểm mới quan trọng cần lưu ý trong thiết kế khi sử dụng tiêu chuẩn mới.

Xem thêm bài viết giải thích tại sao phân loại nhóm kết cấu?

2.3. Hệ số độ tin cậy trong thiết kế

Điều 4.3.2. khi tính toán kết cấu và liên kết, cần kể đến ba hệ số tin cậy:

- Hệ số tin cậy về tầm quan trọng lấy theo TCVN 2737-2023 (bổ sung mới), áp dụng trong tổ hợp tải trọng khi tính toán.

- Hệ số tin cậy đối với cấu kiện tính toán theo giới hạn bền (bổ sung mới).

- Hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện và liên kết (tương tự tiêu chuẩn TCVN 5575-2012).

2.4. Cường độ tính toán của vật liệu và liên kết

Xem bài viết chi tiết so sánh cường độ thép và liên kết theo TCVN 5575-2024 và TCVN 5575-2012: Tại đây

a. Cường độ tính toán của thép cán, thép uốn định hình và thép ống 

• Công thức tính cường độ tính toán: Không thay đổi so với tiêu chuẩn cũ.

• Hệ số tin cậy γ_m:
  • Bổ sung γ_m = 1.0 cho kết cấu thép công trình cấp C1 (công trình tạm).
• Bổ sung vật liêu thép nước ngoài: xem phụ lục M tiêu chuẩn TCVN 5575-2024
• Tiêu chuẩn cũ ký hiệu cường độ tính toán là f, tiêu chuẩn mới ký hiệu là f_yd

• Bổ sung cường độ tính toán thép tính theo cường độ kéo đứt: ký hiệu là f_ud (áp dụng tính toán cho thép có f_y > 440 MPa, tính phá hoại ép mặt bulông, độ bền thanh chịu kéo cột điện...)

b. Cường độ tính toán của liên kết hàn

• Cường độ tính toán của liên kết hàn (hàn góc và hàn đối đầu) 2 tiêu chuẩn giống nhau.

c. Cường độ tính toán của liên kết bulông

• Tiêu  chuẩn mới TCVN 5575-2024 tính cường độ tính toán bulông cao hơn so với tiêu chuẩn cũ.
• Bổ sung cấp độ bền bulông 12.9, bỏ cấp độ bền bulông 4.6, 4.8, 6.6

c. Cường độ tính toán của liên kết bulông móng và bulông neo

• Tiêu chuẩn mới TCVN 5575-2024 lấy f_ba = 0.8f_y (lấy theo cường độ chảy)
• Tiêu chuẩn cũ TCVN 5575-2012 lấy f_ba = 0.4f_u (lấy theo cường độ kéo đứt)
• TCVN 5575-2024 bổ sung tính cường độ chiu kéo bu lông neo chữ U lấy f_bu = 0.85f_y

2.5. Tính toán cấu kiện chịu nén, kéo đúng tâm

Bản chất công thức tính toán không có sự thay đổi, thay đổi lớn nhất là tính toán hệ số uốn dọc chi tiết cụ thể hơn khi phân loại theo tiết diện a,b,c tra bảng 7.

a. Bài toán kiểm tra bền - mục 7.1.1

• Thay kí hiệu cường độ chịu kéo tính toán f = f_yd
• Trường hợp thép có cường độ chảy lớn hơn 440MPa thì tính toán thông qua cường độ kéo đứt (thay f_yd =f_ud/γ_m)

b. Bài toán kiểm tra mất ổn định - mục 7.1.2

2.6. Tính toán cấu kiện chịu uốn - Mục 8

2.6.1 Kiểm tra bền cấu kiện chịu uốn - mục 8.2

Phần này tiêu chuẩn mới có nhiều thay đổi so với tiêu chuẩn chuẩn cũ như:

1. Cần phân loại dầm tính toán theo cấp 1, cấp 2, cấp 3 mục 4.2.7 để áp dụng công thức tính toán kiểm tra tiết diện chịu uốn phù hợp. Cấp1 : theo lý thuyết đàn hồi, Cấp 2 và Cấp 3: kể đến biến dạng dẻo.

2. Có xét đến momen xoắn kiềm chế (Bimoment) cho dầm chịu uốn 2 phương - Dâm cấp 1

Xem thêm bài viết về Bimoment

3. Tính toán dầm chịu uốn - Dầm cấp 2, 3 kể đến biến dạng dẻo và momen xoắn kiềm

4. Dầm liên tục - Cấp 2 có kể dến biến dạng dẻo thì phân phối lại momen theo mục 8.2.4 đến 8.2.7

2.6.2 Kiểm tra mất ổn định tổng thể cấu kiện chịu uốn - mục 8.4

Điều 8.4.1 Tính toán ổn định tổng thể của dầm cấp 1 có tiết diện chữ I, cũng như dầm cấp 2 hai loại thép thỏa mãn các yêu cầu trong 8.2.1 và 8.2.8 khi uốn trong hai mặt phẳng chính (và có bi mô men) cần được thực hiện theo các công (69), tức là xuất hiện nội lực bi mô men (B).

3. Ảnh hưởng của TCVN 5575:2024 đến thực tế thiết kế

Việc áp dụng tiêu chuẩn mới mang lại nhiều lợi ích quan trọng:

• Tăng cường độ an toàn: Các hệ số tin cậy và phân cấp cấu kiện giúp đảm bảo kết cấu thép đạt độ bền cao hơn.

• Tối ưu hóa thiết kế: Giảm thiểu sự dư thừa vật liệu, giúp tiết kiệm chi phí.

• Nâng cao hiệu quả thi công: Quy định về vật liệu và liên kết giúp cải thiện chất lượng thi công và kiểm soát tốt hơn trong quá trình nghiệm thu.

4. Kết luận

Tiêu chuẩn TCVN 5575:2024 mang đến nhiều cải tiến quan trọng trong thiết kế kết cấu thép. Việc nắm rõ và áp dụng đúng các quy định mới sẽ giúp kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả công trình. Các doanh nghiệp và kỹ sư cần nhanh chóng cập nhật để áp dụng tiêu chuẩn này một cách hiệu quả nhất.