Nhôm định hình có nhiều hạn chế kỹ thuật quan trọng khi dùng làm kết cấu chịu lực chính, đó là lý do thép vẫn thống trị trong kết cấu cột, dầm, khung nhà xưởng và cầu. Hiểu rõ nhược điểm của nhôm giúp kỹ sư tránh sử dụng sai ứng dụng và tối ưu chi phí công trình.
Mô đun đàn hồi thấp — độ võng lớn
Nhôm có mô đun đàn hồi E = 70 GPa, chỉ bằng 1/3 thép (E = 200 GPa). Điều này có nghĩa là với cùng tải trọng và tiết diện, cấu kiện nhôm võng gấp 3 lần so với thép. Để đạt cùng giới hạn độ võng (thường L/300 đến L/500 theo TCVN), kết cấu nhôm cần tiết diện lớn hơn đáng kể hoặc nhịp ngắn hơn.
Trong thực tế, dầm nhôm nhịp dài (>4m) sẽ có khối lượng tổng không nhỏ hơn dầm thép nhiều, đồng thời giá vật liệu cao hơn 3–5 lần, làm mất đi lợi thế kinh tế.
Giá vật liệu cao hơn thép 3–5 lần
Giá nhôm định hình 6063 cao hơn thép hình SS400 khoảng 3–5 lần tính theo khối lượng (tham khảo). Khi tính theo thể tích, chênh lệch giảm xuống do nhôm nhẹ hơn, nhưng về chi phí vật liệu trên đơn vị tải trọng chịu được, thép vẫn kinh tế hơn nhiều cho kết cấu chịu lực lớn.
Với một nhà xưởng diện tích 1000 m², chi phí khung thép có thể tiết kiệm được hàng trăm triệu đồng so với khung nhôm cùng khả năng chịu lực.
Hệ số giãn nở nhiệt lớn — phức tạp chi tiết kết cấu
Nhôm có hệ số giãn nở nhiệt α = 23 × 10⁻⁶/K, gần gấp đôi thép (α = 12 × 10⁻⁶/K). Kết cấu nhôm chịu biến thiên nhiệt độ lớn phải bố trí nhiều khe nhiệt (expansion joint) hơn kết cấu thép để tránh ứng suất nhiệt tích lũy gây nứt, biến dạng hoặc phá hủy liên kết.
Một dầm nhôm dài 10m sẽ giãn dài khoảng 13,8 mm khi nhiệt độ tăng 60°C, so với 7,2 mm cho dầm thép cùng chiều dài. Chi tiết đầu dầm và mối nối phải thiết kế hấp thụ chuyển vị này, tăng độ phức tạp và chi phí thi công.
Khó hàn tại hiện trường
Hàn nhôm đòi hỏi phương pháp TIG (GTAW) hoặc MIG (GMAW) với khí bảo vệ argon nguyên chất, thiết bị chuyên dụng và thợ hàn có tay nghề cao hơn hàn thép thông thường. Nhôm có nhiệt độ nóng chảy thấp (660°C) nhưng dẫn nhiệt rất tốt, dễ bị biến dạng nhiệt cục bộ và không đổi màu khi đạt nhiệt độ hàn nên khó kiểm soát bằng mắt.
Mối hàn nhôm tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị giảm cơ tính đáng kể (fy giảm 30–50% tùy hợp kim), đây là điểm yếu nghiêm trọng trong kết cấu chịu lực. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu nhôm (EN 1999 Eurocode 9) quy định hệ số giảm cơ tính HAZ khi tính toán.
Không phù hợp kết cấu nhịp lớn và tải trọng nặng
Với kết cấu cầu, nhà cao tầng và nhà xưởng tải trọng nặng, thép vẫn là lựa chọn duy nhất thực tế. E thấp của nhôm đồng nghĩa với dầm nhịp 12m bằng nhôm sẽ có tiết diện rất lớn, nặng và đắt, trong khi dầm thép H-beam tương đương gọn nhẹ và kinh tế hơn nhiều.
Tuy nhiên, trong ứng dụng đặc biệt như sàn helipad trực thăng, cầu bộ hành tạm, kết cấu offshore, nhôm cao cấp (series 7xxx) được dùng nhờ cường độ riêng cao và chống ăn mòn tốt.
Creep ở nhiệt độ cao
Nhôm bắt đầu có hiện tượng creep (biến dạng từ biến) ở nhiệt độ >100°C, thấp hơn nhiều so với thép (>400°C). Trong điều kiện hỏa hoạn hoặc môi trường nhiệt độ cao (nhà máy, xưởng đúc), kết cấu nhôm chịu lực mất khả năng mang tải rất nhanh. Tiêu chuẩn phòng cháy thường không cho phép nhôm làm kết cấu chịu lực chính mà không có bảo vệ chống cháy.
Tóm tắt nhược điểm nhôm trong kết cấu chịu lực
- E = 70 GPa (1/3 thép) → độ võng lớn hơn, cần tiết diện lớn hơn
- Giá 3–5 lần thép → không kinh tế cho kết cấu lớn
- α = 23×10⁻⁶/K (gần 2× thép) → nhiều khe nhiệt hơn
- Hàn khó → HAZ giảm cơ tính 30–50%, cần thợ chuyên
- Không phù hợp nhịp lớn, tải trọng nặng
- Creep ở >100°C → nguy hiểm trong hỏa hoạn
- Tại sao không dùng nhôm làm cột dầm nhà cao tầng?
- Vì E nhôm chỉ bằng 1/3 thép nên cần tiết diện lớn hơn để đảm bảo độ cứng, đồng thời giá cao hơn 3–5 lần và khó hàn tại hiện trường, làm cho nhôm không cạnh tranh được với thép trong kết cấu chịu lực lớn.
- Nhôm có bị biến dạng dưới tải trọng dài hạn không?
- Nhôm bắt đầu creep ở nhiệt độ >100°C. Ở nhiệt độ bình thường (<60°C) nhôm không creep đáng kể trong điều kiện ứng suất cho phép.
- Mối hàn nhôm yếu hơn bao nhiêu so với vật liệu gốc?
- Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn nhôm thường bị giảm fy khoảng 30–50% tùy hợp kim, theo quy định của EN 1999-1-1 (Eurocode 9).