Khả năng chịu lực của thép chữ I theo tiêu chuẩn TCVN

Thép chữ I là một loại thép hình phổ biến, sở hữu mặt cắt chữ I đặc trưng. Trong bài viết hôm nay sẽ đi sâu vào cách tính toán khả năng chịu lực của thép chữ I theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012 bao gồm hướng dẫn chi tiết về khả năng chịu nén, uốn, cắt, kiểm tra ổn định cục bộ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng và cung cấp bảng tra thông số kỹ thuật cần thiết.

Các yếu tố then chốt quyết định khả năng chịu lực của thép chữ I

Khả năng chịu lực của một thanh thép chữ I không phải là một giá trị cố định. Thực tế, sức bền của cấu kiện này là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa nhiều yếu tố kỹ thuật khác nhau. Trong quá trình thiết kế kết cấu thép, việc xem xét và đánh giá đầy đủ các yếu tố này là điều bắt buộc để đảm bảo lựa chọn và tính toán chính xác, từ đó tối ưu hóa hiệu quả sử dụng vật liệu và đảm bảo an toàn cho công trình.

Các yếu tố chính bao gồm đặc tính hình học của tiết diện, thuộc tính cơ lý của vật liệu thép, điều kiện liên kết và chiều dài làm việc của cấu kiện, cũng như các điều kiện làm việc cụ thể.

Đặc tính hình học tiết diện

Hình dạng và kích thước của tiết diện thép chữ I đóng vai trò quyết định đến khả năng làm việc của cấu kiện dưới tác động của tải trọng. Các thông số hình học này không chỉ ảnh hưởng đến độ cứng, độ bền mà còn liên quan trực tiếp đến ổn định của cấu kiện. Các thông số hình học quan trọng nhất bao gồm:

• h: Chiều cao tiết diện (chiều cao dầm)
• b: Chiều rộng cánh
• tw: Chiều dày bản bụng (web thickness)
• tf: Chiều dày bản cánh (flange thickness)
• A: Diện tích tiết diện (cross-sectional area) – Ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực dọc trục (kéo hoặc nén).
• Ix, Iy: Mô men quán tính(moment of inertia) đối với trục x-x và y-y – Đại diện cho độ cứng chống uốn của tiết diện quanh các trục tương ứng. Ix lớn giúp tăng khả năng chịu uốn quanh trục x (trục khỏe).
• Wx, Wy: Mô men kháng uốn (section modulus) đối với trục x-x và y-y – Liên quan trực tiếp đến khả năng chịu ứng suất uốn tối đa. Wx lớn cho phép tiết diện chịu được mô men uốn lớn hơn quanh trục x.
• ix, iy: Bán kính quán tính (radius of gyration) đối với trục x-x và y-y – Liên quan đến độ mảnh(slenderness ratio) của cấu kiện (λ = Leff / i), yếu tố then chốt ảnh hưởng đến khả năng chịu nén và ổn định chống mất ổn định (buckling).

Các giá trị này thường được tiêu chuẩn hóa và cung cấp sẵn trong các bảng tra quy cách thép hình, giúp kỹ sư dễ dàng tra cứu và sử dụng trong quá trình tính toán, lựa chọn tiết diện phù hợp cho yêu cầu thiết kế.

Mác thép (thuộc tính vật liệu)

Mác thép là yếu tố cốt lõi quyết định các thuộc tính vật liệu cơ bản của thép chữ I, trong đó quan trọng nhất là cường độ – khả năng chống lại biến dạng và phá hủy dưới tác dụng của lực.

Hai chỉ tiêu cường độ chính cần quan tâm là giới hạn chảy (fy) (yield strength – ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo không phục hồi) và giới hạn bền (fu) (ultimate tensile strength – ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu được trước khi bị phá hủy). Các giá trị cường độ này là cơ sở để xác định cường độ tính toán (f) sử dụng trong các công thức kiểm tra khả năng chịu lực theo tiêu chuẩn thiết kế.

Tại Việt Nam, thép chữ I được sản xuất và nhập khẩu theo nhiều tiêu chuẩn thép khác nhau, dẫn đến sự đa dạng về mác thép. Một số mác thép phổ biến bao gồm:

• Theo TCVN (Việt Nam): CT34, CT38, CT42, CT51 (ví dụ: CT38 có fy ≈ 235 MPa, fu ≈ 380 MPa). Hiện nay các tiêu chuẩn mới như TCVN 7571 có thể có các ký hiệu tương đương các tiêu chuẩn quốc tế.
• Theo JIS (Nhật Bản): SS400 (fy ≈ 245 MPa, fu ≈ 400-510 MPa), SM490 (fy ≈ 325 MPa, fu ≈ 490-610 MPa).
• Theo ASTM (Hoa Kỳ): A36 (fy ≈ 250 MPa, fu ≈ 400-550 MPa), A572 Gr.50 (fy ≈ 345 MPa, fu ≈ 450 MPa), A992 (fy ≈ 345-450 MPa, fu ≈ 450 MPa).
• Theo GB (Trung Quốc): Q235B (fy ≈ 235 MPa, fu ≈ 370-500 MPa), Q345B (fy ≈ 345 MPa, fu ≈ 470-630 MPa).

Ngoài cường độ, một thuộc tính quan trọng khác là mô đun đàn hồi E (modulus of elasticity), đại diện cho độ cứng của vật liệu. Đối với hầu hết các loại thép kết cấu, giá trị E được coi là hằng số, xấp xỉ E ≈ 200,000 – 210,000 MPa (hoặc 2×10^5 – 2.1×10^5 N/mm²).

Việc lựa chọn đúng mác thép phù hợp với yêu cầu chịu lực và điều kiện làm việc của công trình là vô cùng quan trọng. Mác thép cao hơn thường đồng nghĩa với cường độ lớn hơn, cho phép thiết kế tiết diện nhỏ gọn hơn, nhưng cũng đi kèm với chi phí cao hơn và có thể yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp hơn.

Chiều dài tính toán và điều kiện liên kết đầu thanh

Khác với chiều dài hình học thực tế (L) của cấu kiện thép chữ I, chiều dài tính toán (Leff) là một tham số lý thuyết dùng trong các công thức kiểm tra ổn định, đặc biệt là khi cấu kiện chịu nén. Chiều dài tính toán thể hiện chiều dài của một cấu kiện tương đương có hai đầu liên kết khớp, mà khả năng chống mất ổn định (buckling) của cấu kiện tương đương này bằng với khả năng chống mất ổn định của cấu kiện thực tế đang xét.

Giá trị Leff phụ thuộc không chỉ vào chiều dài thực L mà còn vào điều kiện liên kết ở hai đầu thanh (ví dụ: liên kết ngàm, liên kết khớp, liên kết tự do).

Thông thường, Leff được xác định bằng công thức Leff = µ * L, trong đó µ là hệ số chiều dài tính toán, phụ thuộc vào sơ đồ liên kết hai đầu (ví dụ: µ=1.0 cho hai đầu khớp, µ=0.5 cho hai đầu ngàm, µ=0.7 cho một đầu ngàm một đầu khớp, µ=2.0 cho một đầu ngàm một đầu tự do).

Chiều dài tính toán Leff được sử dụng để xác định độ mảnh (λ) của cấu kiện, một thông số quan trọng đánh giá nguy cơ mất ổn định. Công thức tính độ mảnh là: λ = Leff / i

Trong đó:

• Leff là chiều dài tính toán của cấu kiện.
• i là bán kính quán tính của tiết diện đối với trục mà cấu kiện có thể bị mất ổn định quanh trục đó (ix hoặc iy).

Độ mảnh λ là một chỉ số quan trọng: giá trị λ càng lớn, cấu kiện càng được xem là “mảnh” và càng có xu hướng bị mất ổn định(oằn, cong vênh đột ngột) dưới tác dụng của lực nén hoặc mô men uốn, ngay cả khi ứng suất trong vật liệu còn thấp hơn giới hạn chảy. Hiện tượng mất ổn định này làm giảm đáng kể khả năng chịu lực thực tế của cấu kiện so với khả năng chịu lực chỉ dựa trên độ bền vật liệu.

Đặc biệt đối với khả năng chịu nén, ảnh hưởng của độ mảnh được thể hiện qua việc sử dụng hệ số uốn dọc (φ) trong công thức kiểm tra ổn định. Hệ số φ luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1 và giá trị của φ giảm khi độ mảnh λ tăng lên. Điều này có nghĩa là, với cùng một tiết diện và mác thép, cấu kiện có độ mảnh lớn hơn sẽ có khả năng chịu nén thực tế thấp hơn do nguy cơ mất ổn định cao hơn.

Điều kiện làm việc và hệ số

Trong quá trình thiết kế kết cấu thép theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), cụ thể là TCVN 5575:2012, khả năng chịu lực lý thuyết của vật liệu thường được điều chỉnh thông qua các hệ số để phản ánh chính xác hơn điều kiện làm việc thực tế và đảm bảo an toàn.

Một trong những hệ số quan trọng là hệ số điều kiện làm việc γc. Hệ số này (thường có giá trị nhỏ hơn hoặc bằng 1.0) được đưa vào các công thức tính toán để xét đến ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi có thể làm giảm khả năng làm việc của thép so với điều kiện tiêu chuẩn, chẳng hạn như: tính chất của tải trọng (tải trọng động, tải trọng lặp có thể gây mỏi), môi trường làm việc (nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn), tầm quan trọng của kết cấu (cấp công trình), và mức độ tin cậy của các giả thiết tính toán. Giá trị cụ thể của γc được quy định trong TCVN dựa trên các yếu tố này.

Bên cạnh γc, các hệ số an toàn khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy của thiết kế. Ví dụ như hệ số uốn dọc φ (dùng cho cấu kiện chịu nén) và hệ số ổn định khi uốn φb (dùng cho cấu kiện chịu uốn), các hệ số này (cũng nhỏ hơn hoặc bằng 1.0) dùng để xét đến sự suy giảm khả năng chịu lực do nguy cơ mất ổn định tổng thể của cấu kiện.

Việc áp dụng các hệ số này trong tính toán giúp giảm khả năng chịu lực danh nghĩa (tính theo lý thuyết) xuống một mức an toàn cho phép, tạo ra một biên độ dự phòng cần thiết để đối phó với các yếu tố không chắc chắn trong quá trình thi công và sử dụng công trình. Tuân thủ việc sử dụng các hệ số này theo đúng quy định của TCVN là điều kiện bắt buộc để đảm bảo an toàn và độ bền cho kết cấu thép.

Tính toán khả năng chịu lực thép I theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012

Tại Việt Nam, Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012 – Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế, là văn bản pháp lý kỹ thuật quan trọng và hiện hành, đóng vai trò kim chỉ nam cho mọi hoạt động thiết kế kết cấu thép, bao gồm cả việc tính toán và kiểm tra khả năng chịu lực của thép hình chữ I.

Việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy định, công thức và hệ số được nêu trong tiêu chuẩn này không chỉ là yêu cầu kỹ thuật mà còn là điều kiện bắt buộc để đảm bảo an toàn công trình, độ bền và sự ổn định lâu dài của kết cấu thép.

Các phần tiếp theo của bài viết sẽ đi sâu vào việc trình bày và giải thích các công thức tính toán cơ bản được quy định trong TCVN 5575:2012 để kiểm tra khả năng chịu lực của thép chữ I dưới các trường hợp chịu tải trọng điển hình: chịu nén đúng tâm (lực dọc trục), chịu uốn phẳng (mô men uốn), chịu cắt (lực cắt), cũng như kiểm tra các điều kiện về ổn định cục bộ. Việc nắm vững các công thức này là nền tảng để kỹ sư đưa ra các quyết định thiết kế chính xác và hiệu quả.

Kiểm tra khả năng chịu nén (lực dọc trục)

Đối với các cấu kiện chịu lực dọc trục nén, như cột thép chữ I, việc kiểm tra khả năng chịu nén là bắt buộc và bao gồm hai điều kiện chính theo TCVN 5575:2012: kiểm tra điều kiện bền (giới hạn ứng suất) và kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể (chống mất ổn định do uốn dọc – buckling).

1. Kiểm tra điều kiện bền (Ứng suất): Điều kiện này đảm bảo rằng ứng suất nén lớn nhất trong tiết diện không vượt quá cường độ chịu nén tính toán của vật liệu. Công thức kiểm tra như sau:

σ = N / A ≤ f * γc

Trong đó:

1. • N: Lực dọc trục nén tính toán tác dụng lên cấu kiện (kN hoặc N).
   • A: Diện tích tiết diện nguyên của thép chữ I (cm² hoặc mm²). Giá trị này được tra trong bảng quy cách thép.
   • f: Cường độ tính toán chịu nén của thép (MPa hoặc N/mm²), được xác định dựa trên mác thép sử dụng và các quy định trong TCVN.
   • γc: Hệ số điều kiện làm việc(≤ 1.0), xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc thực tế của kết cấu.
2. Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể: Điều kiện này quan trọng hơn đối với các cấu kiện chịu nén có độ mảnh (λ) đáng kể, nhằm đảm bảo cấu kiện không bị mất ổn định (uốn dọc) dưới tác dụng của lực nén trước khi vật liệu đạt tới giới hạn chảy. Công thức tính toán kiểm tra như sau:

N / (φ * A) ≤ f * γc

Trong đó:

• • N, A, f, γc: Có ý nghĩa tương tự như trong công thức kiểm tra bền.
  • φ: Hệ số uốn dọc (buckling factor), là hệ số xét đến sự suy giảm khả năng chịu nén do ảnh hưởng của uốn dọc (mất ổn định). Giá trị φ luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1.0 (φ ≤ 1.0) và phụ thuộc chủ yếu vào độ mảnh (λ) của cấu kiện (λ = Leff / i) và loại tiết diện. Độ mảnh càng lớn, nguy cơ mất ổn định càng cao và giá trị φ càng nhỏ, dẫn đến khả năng chịu nén cho phép của cấu kiện càng giảm. Giá trị φ được tra theo bảng hoặc tính toán theo công thức quy định trong TCVN 5575:2012 dựa trên độ mảnh tương đối quy ước.

Trong thực tế thiết kế cột thép, đặc biệt là các cột có chiều dài tương đối lớn so với kích thước tiết diện, điều kiện kiểm tra ổn định tổng thể (công thức thứ hai) thường mang tính quyết định (điều kiện khống chế). Nghĩa là, khả năng chịu tải thực tế của cột bị giới hạn bởi nguy cơ mất ổn định chứ không phải bởi cường độ bền của vật liệu.

Kiểm tra khả năng chịu uốn (mô men uốn)

Đối với các cấu kiện chịu uốn phẳng, điển hình là dầm thép chữ I, việc kiểm tra khả năng chịu uốn nhằm đảm bảo cấu kiện đủ khả năng chịu được mô men uốn tác dụng mà không bị phá hủy do ứng suất quá lớn hoặc bị mất ổn định tổng thể. Theo TCVN 5575:2012, cần thực hiện các kiểm tra sau:

1. Kiểm tra điều kiện bền (Ứng suất uốn): Điều kiện này đảm bảo rằng ứng suất uốn (σ) lớn nhất tại các thớ biên của tiết diện không vượt quá cường độ chịu uốn tính toán của vật liệu. Công thức tínhkiểm tra như sau: σ_max = |Mx| / Wx ≤ f * γc
   Trong đó:
   • Mx: Mô men uốn tính toán lớn nhất tác dụng lên tiết diện quanh trục x-x (trục khỏe) (kN.m hoặc N.mm).
   • Wx: Mô men kháng uốn của tiết diện đối với trục x-x (cm³ hoặc mm³). Đây là đặc trưng hình học quan trọng thể hiện khả năng chống lại ứng suất uốn của tiết diện. Giá trị Wx càng lớn, tiết diện càng chịu được mô men uốn cao hơn. Wx được tra trong bảng quy cách thép hoặc tính toán dựa trên kích thước hình học (ví dụ, đối với tiết diện chữ I đối xứng, Wx ≈ Ix / (h/2)).
   • f: Cường độ tính toán của thép (MPa hoặc N/mm²).
   • γc: Hệ số điều kiện làm việc(≤ 1.0).
2. Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể khi uốn: Đối với các dầm thép dài, đặc biệt là khi cánh chịu nén không được giằng giữ đầy đủ chống lại chuyển vị ngang, dầm có thể bị mất ổn định dưới dạng uốn-xoắn trước khi đạt tới giới hạn bền. Điều kiện kiểm tra ổn định tổng thể khi uốn như sau: |Mx| / (φb * Wx) ≤ f * γc
   Trong đó:
   • Mx, Wx, f, γc: Có ý nghĩa tương tự như trong công thức kiểm tra bền.
   • φb: Hệ số ổn định khi uốn (lateral-torsional buckling coefficient), là hệ số xét đến sự suy giảm khả năng chịu uốn do nguy cơ mất ổn định uốn-xoắn. Giá trị φb luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1.0 (φb ≤ 1.0). Hệ số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hình dạng tiết diện, chiều dài tính toán của đoạn dầm không được giằng cánh chịu nén, vị trí đặt tải trọng, và điều kiện liên kết. Giá trị φb được xác định theo các công thức và bảng biểu phức tạp hơn trong TCVN 5575:2012 (Phụ lục E). Khi φb < 1.0, khả năng chịu uốn thực tế của dầm bị giảm đi so với khả năng chịu uốn theo điều kiện bền.

Việc kiểm tra cả hai điều kiện bền và ổn định là rất quan trọng đối với dầm thép chữ I. Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là với các dầm dài và mảnh, điều kiện ổn định (công thức thứ hai) sẽ quyết định khả năng chịu uốn cho phép của dầm.

Kiểm tra khả năng chịu cắt (lực cắt)

Bên cạnh mô men uốn và lực dọc, cấu kiện thép chữ I, đặc biệt là dầm, còn phải chịu tác động của lực cắt (V), là lực có phương vuông góc với trục dọc của cấu kiện. Khả năng chịu cắt của tiết diện cần được kiểm tra để đảm bảo ứng suất tiếp (τ) (shear stress) lớn nhất không vượt quá giới hạn cho phép, tránh phá hoại do cắt. Theo TCVN 5575:2012, công thức tính toán kiểm tra điều kiện bền chịu cắt như sau:

τ_max = (V * Sx) / (Ix * tw) ≤ fv * γc

Trong đó:

• τ_max: Ứng suất tiếp lớn nhất tại tiết diện kiểm tra (MPa hoặc N/mm²). Đối với tiết diện chữ I, ứng suất này thường đạt giá trị lớn nhất tại trục trung hòa (đi qua trọng tâm tiết diện).
• V: Lực cắt tính toán lớn nhất tại tiết diện đang xét (kN hoặc N).
• Sx: Mô men tĩnh (static moment of area) của nửa phần tiết diện phía trên (hoặc phía dưới) trục trung hòa, đối với trục trung hòa đó (cm³ hoặc mm³). Đại lượng này thể hiện sự phân bố diện tích tiết diện và ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất cắt. Giá trị Sx được tra cứu hoặc tính toán.
• Ix: Mô men quán tính của toàn bộ tiết diện đối với trục trung hòa x-x (cm⁴ hoặc mm⁴).
• tw: Chiều dày bản bụng(web thickness) của thép chữ I tại vị trí tính ứng suất (cm hoặc mm).
• fv: Cường độ chịu cắttính toán của thép (MPa hoặc N/mm²), thường được lấy bằng khoảng 0.58 lần cường độ chịu kéo tính toán (fv ≈ 0.58*f), nhưng cần tuân theo quy định cụ thể trong TCVN.
• γc: Hệ số điều kiện làm việc(≤ 1.0).

Phân tích công thức cho thấy ứng suất tiếp τ phụ thuộc lớn vào lực cắt V và các đặc trưng hình học Sx, Ix, tw. Điều quan trọng cần lưu ý là trong tiết diện thép chữ I, bản bụng là bộ phận chủ yếu chịu lực cắt.

Điều này được phản ánh qua sự xuất hiện của chiều dày bản bụng twở mẫu số và giá trị Sx/Ix (lớn nhất tại trục trung hòa nằm trong bản bụng).

Bản cánh chịu rất ít lực cắt. Do đó, khi kiểm tra khả năng chịu cắt, các thông số liên quan đến bản bụng là rất quan trọng. Nếu điều kiện trên không thỏa mãn, cần xem xét tăng kích thước tiết diện (đặc biệt là chiều dày hoặc chiều cao bản bụng) hoặc sử dụng thép có cường độ cao hơn.

Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng

Ngoài nguy cơ mất ổn định tổng thể của toàn bộ cấu kiện (uốn dọc hoặc uốn-xoắn), các bộ phận cấu thành tiết diện thép chữ I, cụ thể là bản cánh và bản bụng, cũng có thể bị mất ổn định cục bộ (local buckling) khi chịu ứng suất nén cao.

Hiện tượng này xảy ra khi một phần của bản cánh hoặc bản bụng bị oằn, nhăn hoặc vênh cục bộ, ngay cả khi ứng suất trung bình trong cấu kiện chưa đạt đến giới hạn chảy và cấu kiện chưa mất ổn định tổng thể. Ổn định cục bộ có thể làm giảm khả năng chịu lực và độ cứng thực tế của tiết diện.

Để ngăn ngừa hiện tượng này, TCVN 5575:2012 yêu cầu phải kiểm tra các tỷ số kích thước giới hạn của bản cánh và bản bụng. Các tỷ số kiểm tra chính bao gồm:

1. Đối với bản cánh chịu nén: Kiểm tra tỷ số giữa phần nhô ra của bản cánh (bo) và chiều dày của nó (tf), tức là bo/tf. Phần nhô ra bo thường được tính là (b – tw)/2.
2. Đối với bản bụng chịu nén hoặc uốn: Kiểm tra tỷ số giữa chiều cao tính toán của bản bụng (hw) và chiều dày của nó (tw), tức là hw/tw. Chiều cao tính toán hw thường được lấy là khoảng cách giữa các mép trong của hai bản cánh (hw ≈ h – 2*tf).

Các giá trị tỷ số tính toán này phải được so sánh với các giá trị giới hạn tương ứng quy định trong TCVN 5575:2012 (ví dụ như trong Bảng 34 và các mục liên quan đến ổn định cục bộ). Các giá trị giới hạn này phụ thuộc vào loại ứng suất tác dụng (nén đều, uốn, hoặc kết hợp), mác thép, và mức độ yêu cầu về biến dạng dẻo của tiết diện.

Nếu các tỷ số bo/tf hoặc hw/tw vượt quá giới hạn cho phép theo TCVN 5575:2012, điều đó cho thấy nguy cơ mất ổn định cục bộ là cao. Trong trường hợp này, có thể cần phải giảm khả năng chịu lực tính toán của tiết diện hoặc, đối với bản bụng, phải bố trí thêm các sườn gia cường ngang hoặc dọc để tăng cường độ cứng và ngăn chặn hiện tượng oằn, nhăn cục bộ.

Việc kiểm tra ổn định cục bộ là đặc biệt quan trọng đối với các tiết diện thép chữ I có các bản cấu thành tương đối mảnh (tỷ số rộng/dày hoặc cao/dày lớn).

Bảng tra quy cách và thông số kỹ thuật thép chữ I phổ biến

Để thuận tiện cho quá trình tính toán thiết kế và lựa chọn tiết diện, việc tra cứu nhanh các thông số kỹ thuật và đặc trưng hình học của thép chữ I là rất cần thiết.

Dưới đây là bảng tra quy cách một số loại thép hình chữ I theo TCVN 7571-15: 2019 bao gồm các kích thước tiết diện, khối lượng đơn vị, diện tích mặt cắt ngang và các đặc trưng hình học quan trọng như mô men quán tính (Ix, Iy), mô men kháng uốn (Zx, Zy) và bán kính quán tính (ix, iy). Các thông số này là dữ liệu đầu vào không thể thiếu cho việc áp dụng các công thức tính toán khả năng chịu lực đã trình bày ở phần trước:

Ký hiệu trong bảng:

• H: Chiều cao tiết diện (mm).
• B: Chiều rộng cánh (mm).
• t1: Chiều dày bụng (tw trong bài viết) (mm).
• t2: Chiều dày cánh (tf trong bài viết) (mm).
• r1, r2: Bán kính lượn ở góc trong và ngoài (mm).
• A: Diện tích tiết diện (cm²).
• Ix, Iy: Mô men quán tính đối với trục x-x và y-y (cm⁴).
• Zx, Zy: Mô men kháng uốn đối với trục x-x và y-y (cm³).
• ix, iy: Bán kính quán tính đối với trục x-x và y-y (cm).

Hướng dẫn lựa chọn thép chữ I đảm bảo khả năng chịu lực

Việc lựa chọn thép chữ I phù hợp là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực, độ an toàn và chi phí của công trình. Quá trình này đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng dựa trên các yêu cầu kỹ thuật và tính toán cụ thể. Dưới đây là quy trình các bước cơ bản giúp lựa chọn thép chữ I một cách hiệu quả:

1. Xác định tải trọng và sơ đồ kết cấu: Phân tích các loại tải trọng tác dụng lên cấu kiện (tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió, tải trọng động đất…) và xác định sơ đồ làm việc của cấu kiện (dầm đơn giản, dầm liên tục, cột, thanh giằng…) cùng các điều kiện liên kết.
2. Tính toán nội lực: Dựa trên tải trọng và sơ đồ kết cấu, sử dụng các phương pháp phân tích kết cấu (phần mềm chuyên dụng hoặc tính toán thủ công) để xác định các giá trị nội lực lớn nhất (mô men uốn M, lực cắt V, lực dọc N) tại các tiết diện nguy hiểm của cấu kiện.
3. Chọn mác thép sơ bộ: Dựa trên yêu cầu về cường độ, điều kiện môi trường làm việc và ngân sách dự án, lựa chọn mác thép phù hợp (ví dụ: SS400, A36, Q345B…). Việc chọn mác thép sẽ xác định cường độ tính toán (f, fv) sử dụng cho các bước kiểm tra sau.
4. Chọn kích thước tiết diện sơ bộ: Dựa trên nội lực tính toán và mác thép đã chọn, ước tính sơ bộ kích thước tiết diện thép chữ I cần thiết. Có thể dựa vào kinh nghiệm thiết kế, các công thức tính toán nhanh hoặc tra bảng chọn sơ bộ dựa trên yêu cầu về mô men kháng uốn (Wx ≈ M/f) hoặc diện tích (A ≈ N/f).
5. Kiểm tra tiết diện theo TCVN 5575:2012: Sử dụng các công thức và quy định trong tiêu chuẩn để kiểm tra bền(chịu nén, uốn, cắt) và kiểm tra ổn định (ổn định tổng thể, ổn định cục bộ) cho tiết diện đã chọn sơ bộ với các giá trị nội lực tính toán.
6. Đánh giá và tối ưu hóa:
   • Nếu tiết diện đã chọn thỏa mãn tất cả các điều kiện kiểm tra và có hệ số an toàn hợp lý (không quá dư thừa), có thể giữ nguyên lựa chọn.
   • Nếu tiết diện không thỏa mãn một hoặc nhiều điều kiện, cần quay lại bước 4 để chọn tiết diện lớn hơn hoặc chọn mác thép có cường độ cao hơn và lặp lại bước 5.
   • Nếu tiết diện quá dư thừa (hệ số an toàn quá lớn), có thể xem xét chọn tiết diện nhỏ hơn hoặc mác thép thấp hơn để tối ưu chi phí, sau đó kiểm tra lại.

Bên cạnh các yếu tố kỹ thuật thuần túy như an toàn kết cấu, khả năng chịu lực và các giới hạn về biến dạng (ví dụ: độ võng cho phép của dầm), việc lựa chọn thép chữ I còn cần cân nhắc đến các yếu tố kinh tế và thực tiễn.

Giá thành vật liệu giữa các kích thước và mác thép khác nhau có thể chênh lệch đáng kể. Đồng thời, khả năng cung ứng của thị trường đối với một số loại thép I đặc biệt hoặc kích thước lớn cũng là một yếu tố cần xem xét để đảm bảo tiến độ thi công.

Do đó, người kỹ sư cần có cái nhìn tổng thể, cân bằng giữa việc đảm bảo yêu cầu kỹ thuật một cách chặt chẽ và việc tối ưu hóa chi phí, lựa chọn giải pháp khả thi nhất về mặt cung ứng. Đôi khi, việc lựa chọn một tiết diện hơi lớn hơn nhưng phổ biến và dễ tìm mua có thể hiệu quả hơn về tổng thể so với việc cố gắng tối ưu đến mức sử dụng một tiết diện đặc biệt, khó kiếm và giá cao.

Đảm bảo chất lượng thép chữ I – yếu tố quyết định khả năng chịu lực thực tế

Mọi tính toán lý thuyết về khả năng chịu lực của thép chữ I, dù chính xác đến đâu, cũng sẽ trở nên vô nghĩa nếu chất lượng vật liệu thép sử dụng trong thực tế không đáp ứng được các tiêu chuẩn yêu cầu. Có một mối liên hệ không thể tách rời giữa các con số trên bản vẽ thiết kế và đặc tính cơ lý thực tế của sản phẩm thép.

Sử dụng thép không đạt chuẩn– dù là sai lệch về thành phần hóa học, không đủ cường độ (mác thép), sai khác về kích thước (quy cách) so với công bố, hay tồn tại các khuyết tật tiềm ẩn – đều sẽ dẫn đến sự suy giảm nghiêm trọng khả năng chịu lực thực tế của kết cấu so với dự tính ban đầu, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn và phá hủy công trình.

Do đó, việc kiểm soát và đảm bảo chất lượng thép chữ I đầu vào là một công đoạn tối quan trọng, không thể xem nhẹ. Điều này đòi hỏi sự cẩn trọng trong việc lựa chọn nguồn cung cấp, ưu tiên các sản phẩm có nguồn gốc rõ ràng, thương hiệu uy tín. Yêu cầu và kiểm tra đầy đủ Chứng chỉ xuất xứ (CO – Certificate of Origin) và Chứng chỉ chất lượng (CQ – Certificate of Quality) đi kèm theo từng lô hàng là bắt buộc.

Các chứng chỉ này cung cấp bằng chứng về nguồn gốc, mác thép, các chỉ tiêu cơ lý tính (như giới hạn chảy, giới hạn bền, độ dãn dài) và thành phần hóa học, giúp xác nhận vật liệu đáp ứng đúng quy cáchvà tiêu chuẩn kỹ thuật đã được phê duyệt trong thiết kế.

Các câu hỏi thường gặp về khả năng chịu lực của thép I

Thép chữ I và thép chữ H khác nhau thế nào về khả năng chịu lực?

Cả thép chữ I và thép chữ H đều có khả năng chịu lực tốt, đặc biệt là chịu uốn quanh trục khỏe (trục x-x). Tuy nhiên, thép chữ H thường có phần cánh rộng và dày hơn so với thép chữ I cùng chiều cao danh nghĩa, giúp tăng đáng kể mô men quán tính Iy và mô men kháng uốn Wy quanh trục yếu (trục y-y).

Do đó, thép H có khả năng chịu uốn và chịu nén theo phương trục yếu tốt hơn, đồng thời cũng có độ ổn định chống xoắn tốt hơn. Thép I thường được ưu tiên cho các cấu kiện chịu uốn chủ yếu theo một phương (như dầm phụ), trong khi thép H phù hợp hơn cho các cấu kiện chịu nén (cột) hoặc chịu uốn phức tạp.

Làm thế nào để biết thép chữ I có đủ khả năng chịu lực cho công trình của tôi?

Để xác định thép chữ I có đủ khả năng chịu lực hay không, cần phải thực hiện tính toán và kiểm tra tiết diện theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như TCVN 5575:2012. Quy trình bao gồm việc xác định tải trọng tác dụng, tính toán nội lực (mô men, lực cắt, lực dọc), lựa chọn tiết diện và mác thép sơ bộ, sau đó kiểm tra các điều kiện về bền (ứng suất) và ổn định (tổng thể, cục bộ) theo công thức quy định.

Nếu tất cả các điều kiện đều thỏa mãn với hệ số an toàn hợp lý, tiết diện thép I đó được xem là đủ khả năng chịu lực cho công trình. Việc này nên được thực hiện bởi kỹ sư kết cấu có chuyên môn.

Mác thép ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của thép I như thế nào?

Mác thép quyết định trực tiếp đến cường độ của vật liệu, bao gồm giới hạn chảy (fy) và giới hạn bền (fu). Đây là các thông số đầu vào quan trọng trong các công thức tính toán khả năng chịu lực.

Mác thép cao hơn (ví dụ Q345B so với SS400) có cường độ lớn hơn, nghĩa là với cùng một kích thước tiết diện, thép I mác cao hơn có thể chịu được tải trọng lớn hơn hoặc cho phép thiết kế tiết diện nhỏ gọn hơn để chịu cùng một mức tải trọng. Tuy nhiên, việc lựa chọn mác thép cần cân nhắc cả yếu tố chi phí và yêu cầu kỹ thuật cụ thể của dự án.

Môi trường làm việc (ẩm ướt, hóa chất) ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của thép I không?

Môi trường làm việc có thể ảnh hưởng gián tiếp đến khả năng chịu lực của thép I về lâu dài, chủ yếu thông qua hiện tượng ăn mòn. Trong môi trường ẩm ướt, tiếp xúc hóa chất hoặc khu vực gần biển, thép dễ bị ăn mòn, làm giảm tiết diện chịu lực hiệu quả và có thể tạo ra các điểm tập trung ứng suất, dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực theo thời gian.

Do đó, trong những môi trường khắc nghiệt, cần có các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn phù hợp (sơn phủ, mạ kẽm…) và có thể cần xem xét sử dụng hệ số điều kiện làm việc (γc) bất lợi hơn trong tính toán.

Có cần kiểm tra khả năng chịu lực của thép I định kỳ sau khi thi công không?

Thông thường, không cần thiết phải kiểm tra lại khả năng chịu lực của thép I bằng tính toán định kỳ sau khi công trình đã hoàn thành và đưa vào sử dụng, nếu công trình được thiết kế, thi công đúng tiêu chuẩn và không có sự thay đổi về tải trọng hoặc điều kiện làm việc so với thiết kế ban đầu.

Tuy nhiên, việc kiểm tra trực quan tình trạng kết cấu thép định kỳ (ví dụ: kiểm tra biến dạng, tình trạng các liên kết, dấu hiệu ăn mòn…) là cần thiết để phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn và có kế hoạch bảo trì, sửa chữa kịp thời, đảm bảo an toàn và tuổi thọ công trình. Trong trường hợp có sự cố, cải tạo hoặc thay đổi công năng làm tăng tải trọng, việc đánh giá lại khả năng chịu lực là bắt buộc.

Trung Dũng Steel – Nhà cung cấp thép giá tốt, chất lượng hiện nay

Với nhiều năm kinh nghiệm, chúng tôi tự hào mang đến cho khách hàng các sản phẩm thép như thép cây, thép cuộn,… chúng tôi tin rằng giá trị mang đến cho khách hàng không chỉ nằm ở chất lượng sản phẩm thép. Đó còn là sự tận tâm trong từng khâu dịch vụ, từ tư vấn chuyên nghiệp đến chính sách giá cả cạnh tranh, nhằm mang lại giải pháp tối ưu và hiệu quả kinh tế cao nhất cho đối tác.

Liên hệ với chúng tôi ngay để được hỗ trợ:

Xem thêm:

• Đừng mua thép khi bạn chưa biết những điều này
• Giải đáp 1 bó thép bao nhiêu cây chi tiết và chính xác
• Bảng tra khối lượng thép hình L chi tiết và thông dụng

Tóm lại, việc xác định chính xác khả năng chịu lực của thép chữ I là yếu tố then chốt cho an toàn và hiệu quả kết cấu thép. Sức bền này phụ thuộc vào hình học tiết diện, mác thép, chiều dài và liên kết, đòi hỏi tính toán cẩn thận theo TCVN 5575:2012. Mong bài viết sẽ giúp ích cho bạn, hẹn gặp lại bạn trong những chủ đề tiếp theo.