Thép hình là gì?
Thép hình là sản phẩm cán nóng hoặc cán nguội từ phôi thép, có tiết diện ngang được tạo hình sẵn theo biên dạng hình học xác định (chữ H, I, U, L, T, hộp, ống…) nhằm tối ưu hoá khả năng chịu lực trong kết cấu thép. Khác với thép thanh tròn hay thép dây, thép hình được thiết kế để phân bố vật liệu hiệu quả nhất theo hướng chịu mô-men uốn hoặc lực nén. Tiết diện định hình sẵn giúp bỏ qua bước gia công hình dạng tại công trường, rút ngắn đáng kể tiến độ lắp dựng.
Nguyên lý cấu tạo tiết diện
Tiết diện thép hình gồm hai phần chính: bản cánh (flanges) chịu kéo và nén khi dầm uốn, và bản bụng (web) chịu lực cắt. Với thép chữ H hoặc I, vật liệu được phân bố xa trục trung hoà nhất có thể, tăng mô-men quán tính mà không tăng khối lượng. Nguyên lý này tương tự dầm chữ I trong kết cấu bê tông cốt thép nhưng được thực hiện bằng kim loại đồng nhất với độ chính xác cao hơn nhiều.
Với thép hộp vuông (SHS) và hộp chữ nhật (RHS), thành kín tạo mô-men quán tính gần đều hai phương, phù hợp cho cột chịu nén đúng tâm hoặc nén lệch tâm nhỏ. Với thép góc chữ L, tiết diện không đối xứng qua một trục, thường dùng kết hợp thành bộ đôi hoặc bộ tứ để tạo tiết diện tổ hợp đối xứng.
Quá trình sản xuất
Thép hình được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp cán nóng (hot rolling): phôi thép được nung đến 1100–1250°C rồi ép qua hệ trục cán định hình liên tục. Quá trình này tạo ra tiết diện ổn định với cơ tính đồng đều, hạt tinh thể mịn sau làm nguội tự nhiên. Thép hộp mỏng thường được sản xuất bằng cán nguội (cold forming) từ thép tấm, sau đó hàn kín — gọi là thép hộp tạo hình nguội (cold-formed hollow section) theo EN10219.
Một số tiết diện đặc biệt (dầm tổ hợp, dầm hàn) được chế tạo bằng cách hàn ba bản thép lại với nhau, cho phép linh hoạt điều chỉnh kích thước theo yêu cầu kết cấu mà không bị ràng buộc bởi catalogue cán tiêu chuẩn. Phương pháp này phổ biến khi chiều cao dầm vượt quá 1.000 mm hoặc khi cần tối ưu tiết diện từng đoạn theo biểu đồ mô-men.
Vai trò trong kết cấu thép
Thép hình là vật liệu xương sống của công trình kết cấu thép: cột, dầm, xà gồ, giằng, sàn liên hợp đều phụ thuộc vào các loại tiết diện định hình. Trong nhà công nghiệp, thép H làm cột và dầm chính; xà gồ C hoặc Z đỡ tôn mái; thép L làm giằng chéo chống gió. Trong cầu thép, dầm I hoặc dầm hộp làm kết cấu chịu lực chính.
Đặc biệt trong xây dựng hiện đại, thép hình kết hợp với bê tông tạo thành kết cấu liên hợp thép – bê tông (composite structure): cột thép bọc bê tông, dầm thép liên hợp bản sàn bê tông, tăng độ cứng và chịu lực vượt trội so với từng vật liệu đơn lẻ. Xu hướng nhà cao tầng hiện đại tại Việt Nam ngày càng sử dụng nhiều kết cấu liên hợp này.
Phân biệt thép hình với thép thanh tròn và thép tấm
Thép thanh tròn (rebar, round bar) có tiết diện tròn đặc, được dùng chủ yếu làm cốt thép bê tông hoặc bu-lông, trục. Thép tấm là vật liệu phẳng chiều rộng lớn (>600 mm theo EN), dùng để gia công, hàn ghép hoặc làm vỏ bao che. Thép hình có tiết diện định hình tối ưu cho chịu lực, là lựa chọn hiệu quả nhất khi cần dầm, cột chịu tải lớn trong khung kết cấu.
Tiêu chuẩn và ký hiệu
Mỗi hệ tiêu chuẩn có quy tắc ký hiệu riêng: theo JIS G3192, thép H ký hiệu H-200×200×8×12 (chiều cao × bề rộng cánh × chiều dày bụng × chiều dày cánh, đơn vị mm). Theo ASTM, W8×31 nghĩa là wide-flange, chiều cao danh nghĩa 8 inch, trọng lượng 31 lb/ft. Theo EN 10034, HEA 200, HEB 200, HEM 200 là ba series nặng dần của thép H châu Âu. Tại Việt Nam, TCVN 7571 quy định kích thước và dung sai thép hình cán nóng.
Câu hỏi thường gặp
- Thép hình và thép cấu trúc có phải là một không?
- Thép cấu trúc (structural steel) là khái niệm rộng hơn chỉ thép dùng trong kết cấu xây dựng, bao gồm cả thép tấm, thép thanh. Thép hình là một dạng sản phẩm cụ thể của thép cấu trúc với tiết diện định hình sẵn.
- Thép hình có dùng được ngoài trời không?
- Được, nhưng cần bảo vệ chống ăn mòn bằng sơn chống gỉ, mạ kẽm nhúng nóng hoặc dùng thép chịu thời tiết (weathering steel – Cor-Ten) cho môi trường ngoài trời thông thường.
- Thép hình có thể tái sử dụng không?
- Có. Kết cấu thép hình sau tháo dỡ có thể tái chế nấu lại hoặc dùng lại trực tiếp nếu còn đủ phẩm chất kết cấu, giảm đáng kể lãng phí vật liệu so với bê tông phá dỡ.