Thép hình trong kết cấu xây dựng: Vai trò cột, dầm, giằng và tải trọng
Thép hình — bao gồm các profil H, I, U (chữ C), L (góc), T và hộp SHS/RHS — là vật liệu kết cấu chính trong nhà xưởng, cầu, nhà cao tầng và mọi công trình kết cấu thép hiện đại. Mỗi loại tiết diện được thiết kế tối ưu cho một dạng lực tác dụng cụ thể, giúp phân phối vật liệu hiệu quả nhất.
1. Phân loại vai trò kết cấu của thép hình
| Vai trò kết cấu | Dạng lực chủ đạo | Thép hình phù hợp | Ví dụ công trình |
|---|---|---|---|
| Cột chịu nén đúng tâm | Nén dọc trục | Hộp SHS, H vuông (H250×250) | Cột nhà xưởng nhịp đều |
| Cột chịu nén lệch tâm + uốn | Nén + Moment 2 trục | H rộng cánh (H300×300, H400×400) | Cột khung nhà cao tầng |
| Dầm chịu uốn 1 phương | Uốn mặt phẳng đứng | H hẹp cánh (H300×150), I200, I300 | Dầm sàn, dầm cầu trục |
| Dầm chịu uốn + xoắn | Uốn + xoắn tổng hợp | Hộp RHS, hộp hàn tổ hợp | Dầm mái vòm, dầm đỡ ban công |
| Thanh giằng chịu kéo | Kéo dọc trục | Thép góc L, thanh tròn, dây kéo | Giằng chéo, dây văng |
| Thanh giằng chịu kéo-nén | Kéo hoặc nén đổi chiều | H hẹp, hộp, hoặc đôi L ghép | Hệ giằng X-bracing |
| Thanh dàn cánh trên (nén) | Nén dọc trục trong mặt phẳng dàn | H, hộp vuông, đôi T ghép | Dàn mái nhà xưởng |
| Thanh dàn cánh dưới (kéo) | Kéo dọc trục | Thép góc đôi, hộp, H nhỏ | Dàn mái nhà xưởng, cầu dàn |
2. Tại sao thép hình H hiệu quả hơn thép I truyền thống?
Thép hình H (Wide Flange hoặc HEA/HEB/HW theo EN) có cánh rộng, đối xứng, phân phối vật liệu xa trục trung hòa theo cả hai phương. Điều này mang lại:
- Mômen quán tính lớn hơn so với I cùng trọng lượng → chịu uốn hiệu quả hơn
- Bán kính quán tính iy lớn → mất ổn định tổng thể khó xảy ra hơn khi làm cột
- Kết nối dễ dàng hơn từ hai phía do cánh phẳng rộng
- Mặt bích hàn đủ chiều rộng để bố trí bu-lông theo hàng
Thép I cổ điển (IPN/IPE) có bụng cao, phù hợp hơn khi chịu uốn một phương thuần túy như dầm sàn hoặc dầm cần tránh chiều cao tiết diện lớn.
3. Vai trò thép hình trong hệ thống kết cấu hoàn chỉnh
Một kết cấu thép hoàn chỉnh gồm nhiều lớp, mỗi lớp dùng loại thép hình khác nhau theo vai trò:
| Lớp kết cấu | Thép hình điển hình | Chức năng |
|---|---|---|
| Cột chính (primary column) | H300×300 đến H400×400 | Chịu toàn bộ tải trọng đứng và lực ngang xuống móng |
| Dầm chính (primary beam/rafter) | H300×150 đến H500×200 | Nhịp lớn, chịu tải trọng từ mái và sàn |
| Dầm phụ (secondary beam) | H200×100, I200 | Đỡ tấm sàn hoặc tôn lợp mái, nhịp ngắn |
| Xà gồ mái/tường (purlins/girts) | Xà gồ C100–C250, Z150–Z250 | Đỡ tôn lợp, truyền tải gió vào dầm chính |
| Giằng dọc (longitudinal bracing) | Thép góc L75×75, hộp 100×100 | Chống lực gió dọc nhà, ổn định khung ngang |
| Giằng ngang (cross bracing) | Thanh tròn φ20–φ36, L 65×65 | Chống lực gió đầu hồi, giữ ổn định ngang |
| Hệ giằng mái (roof bracing) | Thép góc đôi, ống tròn | Phân phối lực gió ngang qua mái xuống cột |
4. Tải trọng tác dụng lên hệ thống kết cấu thép
Kết cấu thép hình phải chịu các loại tải trọng sau theo TCVN 2737:1995 và TCVN 9386:2012:
- Tĩnh tải (Dead Load): Trọng lượng bản thân kết cấu thép, tôn mái, sàn bê tông, tường bao che
- Hoạt tải (Live Load): Tải trọng sử dụng sàn (250–500 kG/m² tùy loại), tải trọng cầu trục (đến hàng trăm tấn)
- Tải trọng gió (Wind Load): Gió ngang và gió hút mái; quyết định thiết kế giằng chéo và neo mái tôn
- Tải trọng động đất (Seismic): Quan trọng với công trình tại vùng có Pg > 0.08g theo TCVN 9386
- Tải trọng nhiệt (Thermal): Giãn nở nhiệt; cần khe co giãn mỗi 60–100 m chiều dài nhà
- Tải trọng cầu trục (Crane Load): Tải đứng và lực hãm ngang; thiết kế riêng cho dầm cầu trục
5. Tiêu chí lựa chọn tiết diện thép hình theo vai trò kết cấu
Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, kỹ sư thường áp dụng các quy tắc nhanh sau để chọn tiết diện:
- Dầm chịu uốn: Chiều cao tiết diện d ≈ L/15 đến L/20 (L = nhịp dầm); ví dụ dầm 6 m chọn H300–H400
- Cột chịu nén: Chiều cao tiết diện ≥ H/20 (H = chiều cao tầng hoặc cột); ví dụ cột cao 6 m chọn H300 tối thiểu
- Thanh dàn: Độ mảnh λ = l/i ≤ 150 (thanh nén); λ ≤ 350–400 (thanh kéo)
- Xà gồ: Chiều cao xà gồ C/Z ≥ nhịp/35; xà gồ C150 cho nhịp ≤ 5 m; C200–C250 cho nhịp đến 7 m
6. Tầm quan trọng của hệ giằng trong kết cấu thép
Hệ giằng là thành phần thường bị đánh giá thấp nhưng có vai trò quyết định đến ổn định tổng thể của công trình. Nếu thiếu giằng, kết cấu có thể bị mất ổn định tổng thể (sway mode buckling) với tải trọng thấp hơn nhiều so với khả năng chịu lực lý thuyết của từng cấu kiện riêng lẻ. Mọi kết cấu thép nhà xưởng phải có đủ hệ giằng dọc, giằng ngang và giằng mái — không thể bỏ qua để tiết kiệm chi phí.