Ứng dụng thép chữ I trong xây dựng
Thép chữ I được ứng dụng chủ yếu trong các cấu kiện chịu uốn theo một phương — dầm sàn, xà gồ và dầm cầu đường nội địa. Tiết diện I tối ưu hóa momen quán tính quanh trục mạnh (Ix) để tối đa khả năng chịu uốn với trọng lượng thấp nhất, phù hợp cho dầm đơn giản không yêu cầu chịu lực hai trục mạnh.
1. Dầm sàn dân dụng và công nghiệp
Dầm thép I (chủ yếu IPE và I theo JIS) được dùng rộng rãi làm dầm sàn trong nhà dân dụng nhỏ đến trung bình, kho bãi và nhà công nghiệp nhẹ. Nhịp điển hình 4–8 m, tiết diện từ IPE 160 đến IPE 360. Dầm I đặt cách nhau 1,2–2,4 m theo phương ngang, bên trên là tấm sàn bê tông, tấm thép grating hoặc tấm composite. Ưu điểm: dễ mua, sẵn kho, chi phí thấp hơn thép H khoảng 5–15% cho cùng ứng dụng dầm đơn.
Đối với sàn công nghiệp chịu tải lớn (forklift, kho hàng nặng), dầm I IPE 400–IPE 550 hoặc dầm I hàn được thiết kế với nhịp 8–12 m. Cần kiểm tra độ võng (deflection) theo tiêu chuẩn: L/250 cho sàn công nghiệp và L/350 cho sàn văn phòng theo EN 1993-1-1.
2. Xà gồ mái và tường
Thép I nhẹ kích thước nhỏ (I100–I200) từng được dùng phổ biến làm xà gồ mái nhà xưởng và nhà kho tại Việt Nam trước khi xà gồ C và Z chuyên dụng ra đời. Hiện nay xà gồ C/Z thép mỏng đã thay thế gần như hoàn toàn thép I trong ứng dụng xà gồ nhờ trọng lượng nhẹ hơn, giá rẻ hơn và kết nối mái tôn tiện lợi hơn. Tuy nhiên, tại một số công trình cũ và sửa chữa, thép I vẫn còn được dùng làm xà gồ hoặc thanh chạy dọc giằng mái.
3. Dầm cầu nội địa và cầu nông thôn
Cầu thép dầm I khẩu độ nhỏ (15–30 m) phổ biến ở cầu nông thôn, cầu đường tỉnh tại Việt Nam. Các dầm I thép cán hoặc hàn song song theo chiều nhịp, liên kết với bản mặt cầu bê tông cốt thép. Thiết kế theo TCVN 11823 (tiêu chuẩn cầu đường Việt Nam) hoặc AASHTO LRFD. Dầm I hàn (welded plate girder) với chiều cao 800–1200 mm dùng cho nhịp 20–40 m trong các dự án quốc lộ và đường tỉnh.
Thép cánh dầm cầu thường dùng A572 Gr.50 (Fy=345 MPa) hoặc SM490 (JIS) để giảm trọng lượng dầm, qua đó giảm tải trọng mố trụ và chi phí nền móng. Bụng dầm có thể dùng thép A36 hoặc SS400 tiết kiệm hơn vì không chịu ứng suất uốn lớn bằng cánh.
4. Dầm cầu trục tải nhẹ
Cầu trục tải nhỏ (0,5–5 tấn) treo trần nhà xưởng đôi khi dùng dầm I IPE 240–IPE 360 làm rail beam (dầm ray) cho monorail hoist. Đây là ứng dụng phù hợp vì tải nhẹ, chiều rộng cánh không cần lớn và chi phí thấp. Tuy nhiên, với tải > 5 tấn hoặc nhịp > 6 m, chuyển sang thép H hoặc dầm H hàn là an toàn hơn.
5. Thanh giằng và khung phụ
Thép I kích thước nhỏ (I100–I160) được dùng làm thanh giằng ngang, khung cửa thép, khung cầu thang thoát hiểm và các cấu kiện thứ cấp trong công trình thép. Chi phí thấp, dễ cắt và hàn nối làm cho thép I phổ biến trong các kết cấu phụ không đòi hỏi chịu lực hai trục. Tại công trường nhỏ và trung bình, thép I thường sẵn kho địa phương hơn thép H kích thước nhỏ.
6. Kết cấu tạm và giàn giáo
Thép I cũ và thanh thép I hạng B được tái sử dụng làm kết cấu tạm: sàn thi công, đà giáo, cổng công trường và hệ chống tạm vách đất. Khả năng chịu uốn tốt của thép I kết hợp với giá thép cũ thấp tạo ra giải pháp kinh tế cho kết cấu tạm. Cần kiểm tra tình trạng gỉ và biến dạng trước khi tái sử dụng trong các kết cấu có người làm việc bên dưới.
7. Dầm tường chắn (lintel) và lanh tô thép
Thép I tiết diện nhỏ (I80–I120) được dùng làm lanh tô thép (steel lintel) bắc qua lỗ cửa rộng trong tường xây gạch. Giải pháp này đơn giản, thi công nhanh và phù hợp với lỗ cửa rộng 1,5–3,0 m mà không cần đà bê tông cốt thép. Thép I nằm trong tường và được trát che lại sau khi hoàn thiện.
Lưu ý về mất ổn định (LTB)
Do bản cánh hẹp, thép I dễ bị mất ổn định ngang (lateral torsional buckling) hơn thép H khi chịu uốn với nhịp dài và tải lớn. Cần giằng ngang hoặc kiểm tra LTB khi: nhịp dầm > 6 m, không có sàn bê tông giữ cánh trên, hoặc tải tập trung lớn tại giữa nhịp. Thiết kế theo EN 1993-1-1 hoặc AISC 360 cần tính hệ số chiết giảm moment Cb và kiểm tra LTB ở trạng thái giới hạn cường độ.
Câu hỏi thường gặp
- Dầm I IPE 200 chịu được bao nhiêu tải phân bố đều nhịp 5 m?
- Sơ bộ: với Wx = 194 cm³ và f = 235 MPa (S235), momen chịu được Mmax = 194×235/1000 = 45,6 kNm. Quy đổi tải phân bố: w ≤ 8×45,6/5² ≈ 14,6 kN/m (chưa tính hệ số an toàn). Cần kiểm tra thêm độ võng và ổn định ngang.
- Có thể dùng thép I IPE thay thế xà gồ C không?
- Kỹ thuật cho phép nhưng không kinh tế. Xà gồ C/Z nhẹ hơn, giá thấp hơn và có phụ kiện kết nối mái tôn chuyên dụng. Dùng IPE làm xà gồ tốn vật liệu hơn và nặng hơn không cần thiết.
- Thép I bao nhiêu mét được bán theo cây?
- Thông thường 6 m và 12 m theo chiều dài thương phẩm. Một số nhà cung cấp có 9 m hoặc cắt theo yêu cầu. Đặt hàng theo chiều dài đặc biệt có thể cần tối thiểu theo đơn vị tấn.
- Thép I và thép H cùng cỡ, cái nào cứng hơn khi uốn?
- Cần so sánh theo Wx. H200×200 có Wx lớn hơn IPE 200 nhiều vì cánh rộng 200 mm so với 100 mm. Nhưng H200×200 nặng 49,9 kg/m còn IPE 200 chỉ 22,4 kg/m — nặng hơn gần gấp đôi.
- Dầm I cầu đường có bọc sơn như cầu H không?
- Có. Cầu thép dầm I cần hệ thống sơn bảo vệ tương tự thép H: thổi cát Sa 2.5, sơn giàu kẽm, epoxy trung gian, phủ polyurethane. Dự án có yêu cầu chống ăn mòn cao dùng thêm thép weathering (thép chịu khí hậu Cor-Ten) hoặc phủ galvanize.