Thép chữ I là gì?
Thép chữ I (I-beam, I-section) là cấu kiện thép cán nóng có tiết diện ngang hình chữ I với hai bản cánh thon côn (tapered flanges) và một bản bụng đứng. Khác với thép chữ H có bản cánh song song, mặt trong bản cánh của thép I nghiêng ra ngoài theo góc côn khoảng 6–14%, tạo hình tiết diện hẹp dần từ bụng ra mép cánh. Đây là profil thép hình cổ điển, được phát triển từ thế kỷ 19 và từng là loại thép hình phổ biến nhất trong kết cấu thép.
Đặc điểm bản cánh thon côn
Bản cánh thon côn (tapered flange) là đặc trưng nhận dạng chính của thép I. Mặt trong của bản cánh nghiêng một góc côn tiêu chuẩn: đối với IPN (I-beam Normal Profile theo DIN 1025) góc côn là 14%, còn IPE (I-beam European Profile theo EN 10034) cũng có cánh nhỏ hơn nhưng góc côn giảm xuống còn khoảng 6%. Hệ quả là khi bắt bulông vào cánh thép I cần dùng vòng đệm vát (taper washer) để đảm bảo tiếp xúc đều, không như thép H có thể dùng vòng đệm phẳng thông thường.
Bề rộng bản cánh thép I nhỏ hơn đáng kể so với thép H cùng chiều cao. Với I200 (chiều cao 200 mm), bề rộng cánh chỉ 80–100 mm trong khi H200×200 có cánh rộng 200 mm. Điều này làm giảm momen quán tính quanh trục yếu (trục y) và khả năng chịu nén hai trục.
Phân loại IPN và IPE
IPN (I-Profil Normal, DIN 1025-1): dòng thép I kiểu Đức truyền thống, có bản cánh thon côn 14%, bề rộng cánh nhỏ, bụng dày hơn tương đối. IPN 80 đến IPN 600 là dải kích thước chuẩn. Hiện nay IPN ít dùng trong kết cấu mới vì hiệu quả thấp hơn IPE và H.
IPE (I-Profil European, EN 10034): phiên bản châu Âu hiện đại hơn, cải tiến từ IPN. Bản cánh có góc côn nhỏ hơn (~6%), tỷ lệ bụng/cánh tối ưu hóa cho chịu uốn. IPE 80 đến IPE 600 là kích thước tiêu chuẩn phổ biến. IPE có mô-đun mặt cắt (section modulus) lớn hơn IPN cùng chiều cao nhờ bản cánh cứng hơn và tỷ lệ hình học tốt hơn.
Tiêu chuẩn áp dụng
Thép chữ I được quy định bởi các tiêu chuẩn: DIN 1025 (Đức, gốc của IPN và IPB); EN 10034 (châu Âu hiện hành, kích thước và dung sai IPE, HE, HL); JIS G3192 (Nhật, I-section và H-section cùng tiêu chuẩn); IS 808 (Ấn Độ, ISMB — Indian Standard Medium Weight Beam); TCVN 7571 (Việt Nam, áp dụng cho thép hình cán nóng). Tại thị trường Việt Nam thép I nhập khẩu chủ yếu từ Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc theo JIS hoặc GB/T standards.
Thông số kỹ thuật tiêu biểu
Một số thông số kỹ thuật của IPE phổ biến: IPE 100: h=100 mm, b=55 mm, W=4,92 cm³ (trục x), 5,79 kg/m; IPE 160: h=160 mm, b=82 mm, W=123 cm³, 15,8 kg/m; IPE 200: h=200 mm, b=100 mm, W=194 cm³, 22,4 kg/m; IPE 240: h=240 mm, b=120 mm, W=307 cm³, 30,7 kg/m; IPE 300: h=300 mm, b=150 mm, W=557 cm³, 42,2 kg/m; IPE 400: h=400 mm, b=180 mm, W=1307 cm³, 66,3 kg/m; IPE 500: h=500 mm, b=200 mm, W=2194 cm³, 90,7 kg/m. Mô-đun mặt cắt Wx là thông số quan trọng nhất khi tính dầm chịu uốn.
Đặc tính chịu lực
Thép I tập trung phần lớn vật liệu ở hai bản cánh xa trục trung hòa, giúp tối đa hóa momen quán tính (Ix) và mô-đun mặt cắt (Wx) theo trục mạnh x-x. Đây là lý do thép I rất phù hợp làm dầm chịu uốn theo một phương. Tuy nhiên, momen quán tính quanh trục yếu y-y (Iy) của thép I nhỏ hơn nhiều so với thép H cùng chiều cao, hạn chế khả năng chịu uốn hai phương và chịu nén dài.
Khả năng chống mất ổn định ngang (lateral torsional buckling — LTB) của thép I kém hơn thép H do bản cánh hẹp hơn. Khi dùng dầm I khẩu độ dài cần kiểm tra LTB theo AISC hoặc EN 1993-1-1 và bổ sung giằng ngang tại các điểm giữa nhịp nếu cần thiết.
So sánh vật liệu với thép H
Thép I và thép H đều được chế tạo từ thép carbon thấp: SS400 (JIS), S235–S355 (EN), A36–A572 (ASTM). Không có sự khác biệt về grade thép giữa hai loại profil này; sự khác biệt hoàn toàn nằm ở hình dạng tiết diện. Vì vậy, cùng một grade thép, tính chất cơ lý (Re, Rm, độ giãn dài, độ dai va đập) là như nhau — chỉ có hiệu quả hình học tiết diện tạo ra sự khác biệt về khả năng chịu lực.
Xu hướng thay thế bằng thép H
Trong kết cấu thép hiện đại, thép chữ H đang dần thay thế thép I ở nhiều ứng dụng. Lý do chính: bản cánh song song của thép H giúp lắp dựng và liên kết đơn giản hơn; khả năng chịu lực hai trục tốt hơn; hiệu quả vật liệu cao hơn khi so sánh cùng trọng lượng. Tuy nhiên, thép I vẫn còn nhu cầu trong các ứng dụng đặc thù như dầm cầu chạy (crane girder) chịu tải trọng động, cầu thép và một số tiêu chuẩn thiết kế truyền thống. Tại Việt Nam, thép I vẫn phổ biến trong xây dựng dân dụng nhỏ do giá thành và nguồn cung sẵn có.
Câu hỏi thường gặp
- Thép I có mấy loại chính?
- Hai loại phổ biến nhất là IPN (tiêu chuẩn Đức/cũ, cánh thon côn 14%) và IPE (tiêu chuẩn châu Âu hiện đại, cánh thon côn ~6%). Ngoài ra còn có ISMB (Ấn Độ), I-beam theo JIS (Nhật), và thép I theo GB/T (Trung Quốc).
- Thép I có thể dùng làm cột không?
- Được, nhưng kém hiệu quả hơn thép H khi chịu nén vì bản cánh hẹp, momen quán tính trục yếu nhỏ. Nếu dùng thép I làm cột cần kiểm tra độ mảnh hai trục và thường phải ghép đôi hoặc tăng cường.
- Thép I IPE 200 nặng bao nhiêu kg/m?
- IPE 200 nặng 22,4 kg/m, chiều cao 200 mm, bề rộng cánh 100 mm, chiều dày bụng 5,6 mm, chiều dày cánh 8,5 mm.
- Thép I nhập khẩu từ đâu về Việt Nam?
- Chủ yếu từ Nhật Bản (JIS G3192), Hàn Quốc và Trung Quốc (GB/T 706). Một phần từ châu Âu cho các dự án yêu cầu EN 10034.
- Khi nào dùng IPN thay vì IPE?
- IPN hầu như không còn được chỉ định trong thiết kế mới. Chỉ gặp IPN khi sửa chữa, gia cường công trình cũ đã dùng IPN hoặc khi tiêu chuẩn dự án yêu cầu cụ thể.