Trong thiết kế kết cấu nhà xưởng tiền chế, cao ốc văn phòng hay các công trình hạ tầng hạng nặng, vật liệu thép đóng vai trò là khung xương gánh vác toàn bộ tải trọng. Nhờ sự đa dạng về biên dạng và khả năng chịu lực vượt trội, thép hình đã trở thành vật liệu không thể thay thế, giúp tối ưu hóa kết cấu và giảm thiểu chi phí nền móng. Bài viết dưới đây sẽ cung cấp cho các kỹ sư bức tranh toàn cảnh về phân loại, thông số hình học, tiêu chuẩn quốc tế và bảng tra sức chịu tải chi tiết của các cấu kiện thép.
Khái Niệm Thép Định Hình Và Ưu Điểm So Với Thép Thường
Thép hình (hay còn gọi là thép định hình) là loại thép cán nóng (Hot Rolled Steel) được đúc và tạo hình theo các tiết diện mặt cắt ngang mô phỏng hình dáng của các chữ cái như H, I, U, V, C…
So với các thanh thép đặc (thép vuông đặc, thép tròn trơn), thép định hình sở hữu ưu thế cơ học vượt trội. Bí quyết nằm ở nguyên lý phân bổ vật liệu: Khối lượng thép được đẩy ra xa trục trung hòa (Neutral axis). Thiết kế này làm tăng mạnh Momen quán tính (I) và Momen chống uốn (W). Kết quả là, chúng ta có một cấu kiện tiết kiệm vật liệu, nhẹ hơn rất nhiều nhưng lại sở hữu độ cứng vững, khả năng chống uốn, chống xoắn và chịu lực cắt ngang tốt hơn gấp nhiều lần so với một thanh thép đặc cùng trọng lượng.
Phân loại mặt cắt thép hình H, I, U và V theo biên dạng kết cấu
Các Loại Thép Hình Phổ Biến & Quy Cách Tiêu Chuẩn
Mỗi hình dáng mặt cắt sẽ được kỹ sư chỉ định cho một vị trí chịu tải đặc thù. Việc nhận biết đặc tính cơ học của các loại thép hình là bài học vỡ lòng của mọi kỹ sư xây dựng.
Thép hình H (H-Beam)
Cấu tạo với hai phần cánh (Flanges) rộng bằng hoặc gần bằng với chiều cao của phần bụng (Web). Cả cánh và bụng đều có độ dày lớn, tạo ra tiết diện chữ H vô cùng cân bằng. Nhờ sự đối xứng này, thép hình H có Momen quán tính lớn theo cả hai phương (trục X và trục Y), mang lại khả năng chống vặn xoắn và chịu lực nén lệch tâm dọc trục cực kỳ xuất sắc. Nó là vật liệu số 1 để làm cột trụ chính chịu tải nặng.
Thép hình I (I-Beam)
Nhìn lướt qua khá giống thép H, nhưng thép I có phần cánh (Flanges) hẹp hơn đáng kể và hơi dốc dốc vào phía trong, trong khi phần bụng (Web) lại được thiết kế rất cao. Sự phân bổ này giúp thép hình I tối ưu hóa Momen quán tính theo phương thẳng đứng. Do đó, nó là lựa chọn hoàn hảo và tiết kiệm nhất để làm các dầm chịu uốn theo phương đứng (như dầm sàn nhà, dầm chạy cầu trục).
Thép hình H và I được dùng làm cột, dầm chính trong kết cấu nhà xưởng tiền chế
Thép hình U (U-Channel)
Tiết diện mặt cắt hở hình chữ U, bao gồm một phần lưng thẳng và hai cánh vươn ra cùng một phía. Trong thi công, thép hình U thường được ứng dụng làm các khung dầm phụ, xà gồ đỡ mái tôn, hoặc ghép đôi lại (quay lưng vào nhau) để tăng khả năng chịu lực. Ngoài dạng đúc nguyên khối, các nhà thầu cơ điện hiện nay rất ưa chuộng sử dụng thanh thép hình U đột lỗ (Unistrut) để làm hệ treo giá đỡ đa năng vô cùng tiện lợi.
Thép hình V (Angle Steel)
Đây là loại thép góc có mặt cắt vuông góc 90 độ, được chia làm V đều cạnh và V lệch cạnh. Đặc tính của thép hình V là khả năng chịu lực kéo và nén tốt, rất dễ hàn ghép góc. Nó được ứng dụng rộng rãi làm thanh giằng (Bracing) khung nhà xưởng, vì kèo mái, hoặc thanh chống gia cố cột điện. Trong mảng lắp ráp kệ kho hàng hoặc giá đỡ khay cáp, các kỹ sư thường chỉ định loại thép hình V đột lỗ (Slotted Angle) để dễ dàng bắt bulong mà không cần hàn.
Thép U đột lỗ và V đột lỗ dùng làm hệ treo đỡ ống, thang máng cáp trong công trình M&E
Tiêu Chuẩn Kỹ Thuật Quốc Tế Của Thép Hình
Để được nghiệm thu đưa vào công trình, chất lượng phôi thép phải đáp ứng các tiêu chuẩn thép hình khắt khe nhất thế giới:
- Tiêu chuẩn Nhật Bản (JIS): Phổ biến nhất là mác thép JIS G3101 SS400. Thép có giới hạn chảy (Yield Strength) tối thiểu là 245 MPa và giới hạn bền kéo (Tensile Strength) dao động từ 400 – 510 MPa.
- Tiêu chuẩn Mỹ (ASTM): Mác thép ASTM A36. Yêu cầu giới hạn chảy đạt 250 MPa và giới hạn bền kéo từ 400 – 550 MPa.
- Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 7571 (Thép hình cán nóng).
- Lớp phủ bề mặt bảo vệ: Để chống ăn mòn, cấu kiện sau khi gia công sẽ được sơn chống rỉ Epoxy hoặc mạ kẽm nhúng nóng đạt chuẩn ASTM A123 / ISO 1461. Theo tiêu chuẩn này, với thép có độ dày từ 6mm trở lên, lớp mạ kẽm bảo vệ phải đạt độ dày tối thiểu là 85 micron.
Kỹ sư đo chiều cao dầm, bề rộng cánh và độ dày thép hình để tra thông số chịu lực
Bảng Tra Sức Chịu Tải Của Thép Hình & Đặc Trưng Hình Học
Để tính toán kết cấu an toàn, kỹ sư không thể thiếu cuốn sổ tay bảng tra thép hình. Các thông số hình học cốt lõi bao gồm:
- H: Chiều cao dầm.
- B: Độ rộng cánh (Flange width).
- t1: Độ dày bụng (Web thickness).
- t2: Độ dày cánh (Flange thickness).
- Ix, Iy: Momen quán tính đối với trục X, Y (Đơn vị tính: cm⁴) – Đặc trưng cho khả năng chống võng.
- Wx, Wy: Momen chống uốn (Đơn vị tính: cm³) – Đặc trưng cho khả năng chống gãy đứt khi chịu tải uốn.
Dưới đây là một phần bảng tra sức chịu tải của thép hình chữ I cơ bản (Mác SS400) để các bạn tham khảo:
| Ký hiệu Dầm (H x B) | Trọng lượng (kg/m) | t1 (mm) | t2 (mm) | Momen quán tính Ix (cm⁴) | Momen chống uốn Wx (cm³) |
| I 150 x 75 | 14.0 | 5.0 | 7.0 | 716 | 95.5 |
| I 200 x 100 | 21.3 | 5.5 | 8.0 | 2140 | 214 |
| I 300 x 150 | 36.7 | 6.5 | 9.0 | 7210 | 481 |
| I 400 x 200 | 56.6 | 8.0 | 13.0 | 23500 | 1170 |
Công thức tính khả năng chịu uốn giới hạn của dầm đơn giản:
Mmax = sigma x Wx
Trong đó:
-
Mmax: Là momen uốn lớn nhất cho phép tác dụng lên dầm trước khi vật liệu bị biến dạng vĩnh viễn (đơn vị: kg.cm).
-
sigma (Xic-ma): Là ứng suất cho phép của mác thép. (Ví dụ: Thép SS400 thường lấy ứng suất cho phép an toàn trong tính toán khoảng 140 – 160 MPa, tương đương 1400 – 1600 kg/cm2).
-
Wx: Là Momen chống uốn tra theo bảng thông số kỹ thuật (đơn vị: cm3).
Ứng Dụng Trong Hệ Thống Vật Tư Cơ Điện M&E
Không chỉ giới hạn ở kết cấu xây dựng nặng, các biến thể của thép hình mang lại giá trị vô cùng to lớn cho khối cơ điện.
Nhà thầu thường kết hợp thép hình U đột lỗ (Thanh Unistrut) và V đột lỗ để chế tạo hệ thống treo đỡ ống Chiller tải trọng nặng, các đường ống chữa cháy (Fire fighting) hay hệ thống thang máng cáp treo lơ lửng trên trần nhà.
Lợi ích lớn nhất của kết cấu đột lỗ này trong hệ thống vật tư cơ điện M&E là khả năng bắt bu-long lắp ráp linh hoạt. Nó loại bỏ hoàn toàn việc phải mang máy hàn lên trần nhà, giúp đẩy nhanh tiến độ, tránh nguy cơ cháy nổ do tia lửa hàn và đặc biệt là không làm phá vỡ lớp mạ kẽm gây rỉ sét tại công trình.
