Định nghĩa và phân loại thép hình trong xây dựng
Thép hình (tiếng Anh: Structural Steel Sections hay Steel Profiles) là nhóm cấu kiện kim loại kết cấu chịu lực bằng thép hợp kim thấp hoặc thép carbon, được sản xuất với các dạng tiết diện mặt cắt hình học chuẩn hóa. Nhờ đặc tính cường độ chịu lực cao, độ dẻo dai vượt trội và khả năng thi công lắp ghép công nghiệp hóa nhanh chóng, thép hình là vật liệu nền tảng cấu thành nên khung chịu lực của các tòa nhà chọc trời, cầu vượt nhịp lớn, nhà xưởng công nghiệp tiền chế và các giàn khoan ngoài khơi.
Dựa trên hình dáng tiết diện hình học, thép hình được phân loại thành các nhóm cơ bản:
| Dạng hình học | Ký hiệu quy ước | Đặc tính chịu lực và ứng dụng chính |
|---|---|---|
| Thép hình chữ I / H | I-beam, H-beam, W-shape | Mômen quán tính quanh trục chính rất lớn; chuyên dùng làm dầm chịu uốn chính và cột chịu nén uốn trong khung nhà |
| Thép hình chữ U / C | Channel (U-section) | Tiết diện hở một trục đối xứng; thích hợp làm dầm phụ, xà gồ mái, sườn tường hoặc ghép đôi tạo tiết diện hộp |
| Thép góc chữ L / V | Angle (L-section) | Hai cánh đều hoặc không đều; sử dụng phổ biến trong hệ giằng chịu kéo/nén, tháp truyền tải điện và kết cấu dàn phẳng |
| Thép ống và thép hộp rỗng | Hollow Structural Sections (HSS) | Tiết diện tròn, vuông hoặc chữ nhật kín; khả năng chịu xoắn và nén đồng đều theo mọi phương cực tốt |
Quy trình sản xuất và chế tạo
Thép hình được chế tạo chủ yếu thông qua hai quy trình công nghệ cốt lõi:
- Cán nóng (Hot-rolling): Phôi thép bán thành phẩm (blooms hoặc billets) được nung nóng đồng đều đến nhiệt độ tái kết tinh trên một nghìn một trăm độ C trong lò nung, sau đó cho đi qua chuỗi các trục cán định hình liên tục để tạo ra hình dạng tiết diện mong muốn. Phương pháp này tạo ra sản phẩm đồng nhất về mặt cơ lý và triệt tiêu ứng suất dư cục bộ.
- Hàn tổ hợp (Welded sections): Sử dụng các tấm thép phẳng cắt theo kích thước yêu cầu, sau đó hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW) để tạo thành các tiết diện chữ I hoặc H có kích thước phi tiêu chuẩn vượt quá khả năng của máy cán nóng.
Cơ tính và trạng thái ứng suất giới hạn
Theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép AISC (Duncan, 2005), khả năng chịu lực của thép hình được kiểm soát bởi các thông số cơ tính vật liệu tiêu chuẩn. Đối với mác thép kết cấu carbon thông dụng như ASTM A36:
- Giới hạn chảy tối thiểu (): Đạt 250 MPa (tương đương khoảng 36 ksi). Đây là ngưỡng ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo vĩnh viễn mà không cần tăng thêm tải trọng.
- Giới hạn bền kéo đứt (): Dao động trong khoảng từ 400 đến 550 MPa.
- Mô đun đàn hồi danh định (): Bằng 200 GPa (200000 MPa), thể hiện độ cứng chống biến dạng đàn hồi của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực.
Hiện tượng mất ổn định và nguyên lý thiết kế dầm cột
Khi chịu tác dụng của tải trọng lớn, sự phá hủy của cấu kiện thép hình thường không bắt nguồn từ việc vượt quá cường độ vật liệu mà xuất phát từ các hiện tượng mất ổn định đàn hồi hoặc đàn dẻo hình học:
1. Mất ổn định cục bộ (Local Buckling): Hiện tượng bản cánh hoặc bản bụng mỏng của thép hình bị oằn sóng cục bộ trước khi toàn bộ tiết diện đạt tới giới hạn chảy dẻo. Tiêu chuẩn thiết kế phân loại tiết diện thành các nhóm đặc chắc (compact), không đặc chắc (non-compact) hoặc mảnh (slender) dựa trên tỷ số độ rộng trên chiều dày bản thép.
2. Mất ổn định uốn-xoắn ngoài mặt phẳng (Lateral-Torsional Buckling - LTB): Đối với dầm thép hình chữ I chịu uốn quanh trục khỏe, vùng bản cánh chịu nén có xu hướng mất ổn định và uốn vồng ra ngoài mặt phẳng uốn kết hợp với chuyển động xoắn quanh trục dầm khi chiều dài giằng tự do vượt quá giới hạn cho phép.
Tiêu chuẩn thiết kế và độ mảnh giới hạn
Việc tính toán và thiết kế kết cấu thép hình tuân thủ theo phương pháp trạng thái giới hạn (Limit State Design / LRFD) quy định trong tiêu chuẩn AISC 360 và các chuẩn mực quốc tế tương đương. Phương pháp này phân định rõ trạng thái giới hạn về độ bền chịu tải (ngăn ngừa phá hủy uốn, cắt, nén) và trạng thái giới hạn về khả năng sử dụng (khống chế độ võng và dao động động lực học).
Để ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định tổng thể Euler khi thanh chịu nén dọc trục, các tiêu chuẩn thiết kế quy định độ mảnh giới hạn của các thanh nén chính trong hệ khung kết cấu không vượt quá từ 120 đến 150, bảo đảm tính ổn định đàn dẻo và an toàn chịu lực lâu dài cho công trình xây dựng.