Cách tính khả năng chịu lực của thép chữ i chuẩn xác

Trong các công trình xây dựng hiện đại, thép hình chữ I là một trong những loại vật liệu không thể thiếu nhờ vào khả năng chịu lực vượt trội. Tuy nhiên, để đảm bảo tính an toàn và chất lượng cho công trình, việc hiểu rõ khả năng chịu lực của thép chữ I là điều vô cùng quan trọng. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn nắm rõ các chỉ số kỹ thuật, yếu tố ảnh hưởng cũng như cách tính toán chính xác để lựa chọn thép I phù hợp cho từng hạng mục.

Khả năng chịu lực của thép chữ I

Khả năng chịu lực của thép hình chữ I chính là mức độ mà thanh thép có thể chống đỡ các tác động từ bên ngoài mà không bị gãy hoặc biến dạng. Trong lĩnh vực xây dựng, việc lựa chọn thép chữ I có khả năng chịu tải tốt không chỉ giúp tăng tính an toàn cho công trình mà còn nâng cao hiệu quả thi công và sử dụng lâu dài.

Nắm vững kiến thức về khả năng chịu lực sẽ hỗ trợ kỹ sư đưa ra phương án thiết kế tối ưu, đảm bảo công trình có độ bền cao, tiết kiệm nguyên vật liệu và vận hành an toàn theo thời gian.

Tổng quan về khả năng chịu lực của thép hình I
Tổng quan về khả năng chịu lực của thép hình I

Dưới đây là một số tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng trong hệ thống TCVN liên quan đến khả năng chịu lực của thép hình chữ I:

TCVN 5575:2012 – Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế

Đây là một trong những tiêu chuẩn chủ chốt hướng dẫn thiết kế kết cấu thép, bao gồm các quy định và phương pháp tính toán khả năng chịu lực của thép hình trong nhiều trạng thái làm việc, chẳng hạn như chịu nén, chịu uốn và kiểm tra độ ổn định tổng thể.

Các mục nổi bật trong tiêu chuẩn này:

  • Mục 7.4.2.4: Hướng dẫn kiểm tra độ ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn.
  • Mục 7.4.2.5: Đưa ra hệ số c dùng trong tính toán điều kiện ổn định.
  • Mục 7.3.2.1: Giới thiệu hệ số φy để xác định khả năng chịu nén của thép hình.
  • Ngoài ra còn có nhiều phần khác liên quan đến khả năng chịu lực khi uốn, cắt và độ ổn định của các bộ phận cấu kiện thép.

TCVN 2737:1995 – Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế

Tiêu chuẩn này đóng vai trò định hướng trong việc tính toán tải trọng và điều kiện làm việc của thép trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Nó đặc biệt nhấn mạnh đến cách đánh giá khả năng chịu lực của vật liệu thép khi làm việc trong môi trường có tải trọng thay đổi. Cụ  thể:

  • Phương pháp xác định mô-men uốn, mô-men kháng uốn, lực nén và các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền.
  • Quy định về các loại tải trọng như lực kéo, lực nén, lực cắt và khả năng chống uốn.
  • Yêu cầu về hệ số an toàn và các hệ số điều chỉnh theo điều kiện môi trường, nhiệt độ và đặc tính vật liệu.

Nhìn chung, các tiêu chuẩn như TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:1995 là nền tảng quan trọng giúp đảm bảo kết cấu thép hình chữ I có đủ độ bền, ổn định và an toàn trong suốt quá trình sử dụng. Đồng thời, chúng cũng giúp kỹ sư đưa ra những phương án thiết kế hiệu quả, tiết kiệm vật tư và phù hợp với điều kiện thi công thực tế.

Công thức tính toán dầm thép hình (tiết diện đặc chữ H, I) theo tiêu chuẩn Việt Nam

Việc tính toán khả năng chịu lực của thép hình chữ I phụ thuộc vào nhiều thông số kỹ thuật như độ dày, chiều cao tiết diện và cách bố trí cấu kiện trong hệ kết cấu. Một trong những công thức phổ biến thường được áp dụng trong thiết kế kết cấu là:

– Kí hiệu : Mô men (M), Lực dọc (N), Lực cắt (V)

Các thông số đầu vào

  • Vật liệu sử dụng (mác thép)
  • Nội lực tính toán (M, N, V)
  • Các hệ số
  • Kích thước tiết diện Dầm (h x bf x tw x tf)
  • Chiều dài tính toán của dầm.

Xác định đặc trưng hình học tiết diện

  • Diện tích tiết diện A, diện tích bản cánh AW, diện tích bản bụng Af
  • Mô men quán tính IXIY
  • Mô men kháng uốn WX
  • Mô men tĩnh SfSX
  • Bán kính quán tính iXiY
  • Độ mảnh λXλY, …

Kiểm tra độ bền tiết diện

+ Kiểm tra khả năng chịu nén uốn

Công thức kiểm tra:  σ = N/A + M/Wx ≤ f.γc

trong đó:

  • f: cường độ tính toán của thép
  • γc: hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc của kết cấu thép

+ Kiểm tra khả năng chịu cắt

Công thức kiểm tra:     τmax = (V.SX) / (IX.tw) ≤ fv.γc

trong đó:

  • fv: cường độ tính toán chịu cắt của thép

+ Kiểm tra khả năng chịu uốn cắt đồng thời

Công thức kiểm tra:

Với:    σ1 = hw.σ / h

          τ1 = (V.Sf) / (IX.tw)

trong đó:

  • hw : là chiều cao tính toán của bản bụng. hw = h – 2.tf

Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể

a. Xác định các thông số:

+ Độ lệch tâm tương đối: mx = (M.A)/(Wx.N)

+ Độ lệch tâm tính đổi: me = η.mx

Trong đó:

  • η: hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện. Tiết diện đặc (chữ H, I) lấy theo Sơ đồ 5, Bảng D.9, Phụ lục D, TCVN 5575:2012

Khả năng chịu lực của thép chữ i

Với:

  • Af: diện tích một bản cánh
  • Aw: diện tích bản bụng

Chú ý: Khi dầm chịu kéo (N+) hoặc khi chịu nén (N-) có (me > 20, mx > 20) thì kiểm tra ổn định tổng thể của dầm theo công thức sau: M/(φb.Wx) ≤ f.γc

b. Điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn

Công thức kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn theo mục 7.4.2.4 – TCVN 5575:2012 : N/(c.φy.A) ≤ f.γc

  • φy : là hệ số lấy theo mục 7.3.2.1, xem thêm mục 4, bài viết Tính toán cột thép chịu nén đúng tâm theo TCVN để xác định hệ số φy
  • c: là hệ số lấy theo mục 7.4.2.5

+ Khi mx ≤ 5: c = β/(1 + α.mx), các hệ số a và b lấy theo bảng 16 – TCVN 5575:2012

Khả năng chịu lực của thép chữ i

+ Khi mx ≥ 10: c = 1/(1+mx.φy/φb), với φb là hệ số lấy theo mục 7.2.2.1, xác định theo phụ lục E – TCVN 5575:2012

+ Khi 5 < mx < 10: c = c5.(2 – 0,2.mx) + c10.(0,2.mx – 1)

  • c5: được tính theo các công thức của trường hợp mx ≤ 5 với mx = 5
  • c10 : được tính theo các công thức của trường hợp mx ≥ 10 với mx = 10

b. Trong mặt phẳng uốn

Công thức kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn theo mục 7.4.2.2 – TCVN 5575:2012 : N/(φe.A) ≤ f.γc

Đối với tiết diện dầm đặc (chữ H, I), hệ số φe được lấy theo Bảng D.10, Phụ lục D,
TCVN 5575:2012.

Kiểm tra điều kiện độ mảnh

a. Khi dầm chịu nén

Độ mảnh giới hạn của dầm theo Bảng 25 – TCVN 5575-2012:

λmax ≤ [λ] = 180 – 60.α           , với α = N / (φ.A.f.γc)

trong đó:

  • λmax = (λx, λy)
  • φ: là hệ số uốn dọc đã xác định ở mục 4. Giá trị của φ lấy không nhỏ hơn 0,5.

Khả năng chịu lực của thép chữ i

b. Khi dầm chịu kéo

Độ mảnh giới hạn của dầm theo Bảng 26 – TCVN 5575-2012:

λmax ≤ [λ] = 400

Khả năng chịu lực của thép chữ i

Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ

Điều kiện ổn định cục bộ bản cánh

Công thức kiểm tra theo mục 7.6.3 – TCVN 5575:2012bo / tf  ≤  [bo / tf]

Khả năng chịu lực của thép chữ i

trong đó:

  • bo : là chiều rộng tính toán của bản cánh, bằng khoảng cách từ biên của bản bụng đến mép của bản cánh. bo = (b – tw)/2
  • Tỉ số bo/tf không được lớn hơn các giá trị xác định theo các công thức trong Bảng 34:

Điều kiện ổn định cục bộ bản bụng

Công thức kiểm tra theo mục 7.6.1 – TCVN 5575:2012:  hw / tw  ≤  [hw / tw]

trong đó:

  • hw : là chiều cao tính toán của bản bụng. hw = h – 2.tf

Khả năng chịu lực của thép chữ i

Điều kiện bố trí gia cường sườn ngang khi không thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ bản bụng

Theo mục 7.6.1.1 – TCVN 5575:2012, khi bản bụng của dầm có hw/tw > 3,2√(E/f) thì phải gia cường bằng các sườn cứng ngang đặt cách nhau một khoảng từ 2,0.hw.

Kích thước của các sườn cứng ngang lấy theo mục 7.6.1.1:

  • khi bố trí cặp sườn đối xứng, chiều rộng của sườn bs ≥ hw/30 + 40mm
  • khi bố trí sườn một bên, chiều rộng của sườn bs ≥ hw/24 + 50mm
  • chiều dày của sườn ts ≥ 2.bs.√(f/E)

Ngoài công thức trên, định lý Euler cũng là một công cụ toán học quan trọng được ứng dụng trong tính toán độ ổn định của cấu kiện chịu nén. Công thức này do nhà toán học Leonhard Euler phát triển, giúp các kỹ sư xác định chính xác điểm mất ổn định của thanh thép trong điều kiện chịu tải.

Trên thực tế, các kỹ sư kết cấu thường kết hợp giữa lý thuyết tính toán, phần mềm mô phỏng và kinh nghiệm thi công để đưa ra đánh giá chính xác nhất về khả năng chịu lực của thép chữ I trong từng công trình cụ thể.

Bảng quy cách và tiêu chuẩn thép chữ I

Dưới đây là bảng mẫu với các kích thước phổ biến của thép hình I, cùng với các thông số kỹ thuật liên quan:

Kích thước chuẩn (MM) Diện tích mặt cắt ngang (CM²) Đơn trọng (KG/M) Mo-men quán tính (CM4) Bán kính quán tính (CM) Modun kháng uốn mặt cắt (CM³)
HXB T1 T2 R A W LX LY IX IY ZX ZY
150×75 5 7 8 17.85 14 666 49.5 6.11 1.66 88.8 13.2
148×100 6 9 11 26.84 21.1 1020 151 6.17 2.37 138 30.1
175×175 8 11 12 51.2 40.4 2880 984 7.5 4.4 330 112
198×99 4.5 7 11 23.18 18.2 1580 114 8.26 2.21 160 23
200×100 5.5 8 11 27.16 21.3 1840 134 8.24 2.22 184 26.8
194×150 6 9 13 39.01 30.6 2690 507 8.3 3.61 277 67.6
200×204 12 12 13 71.5 56.2 4980 1700 8.35 4.88 498 167
208×202 10 16 13 83.69 65.7 6530 2200 8.83 5.13 628 218
248×124 5 8 12 32.68 25.7 3540 255 10.4 2.79 285 41.1
250×125 6 9 12 37.66 29.6 4050 294 10.4 2.79 324 47
244×175 7 11 16 56.2 44.1 6120 984 10.4 4.18 502 113
244×252 11 11 16 82.06 64.4 8790 2940 10.3 5.98 720 233
248X249 8 13 16 84.7 66.5 9930 3350 10.8 6.29 801 269
250×255 14 14 16 104.7 82.2 11500 3880 10.5 6.09 919 304
298×149 6 8 13 40.8 32 6320 442 12.4 3.29 424 59.3
300×150 7 9 13 46.78 36.7 7210 508 12.4 3.29 481 67.7
294X200 8 12 18 72.38 56.8 11300 1600 12.5 4.71 771 160
298X201 9 14 18 83.36 65.4 13300 1900 12.6 4.77 893 189
294X302 12 12 18 107.7 84.5 16900 5520 12.5 7.16 1150 365
298X299 9 14 18 110.8 87 18800 6240 13 7.5 1270 417
300×305 15 15 18 134.8 106 21500 7100 12.6 7.26 1440 466
304X301 11 17 18 134.8 106 23400 7730 13.2 7.57 1540 514
310×305 15 20 18 165.3 130 28150 9460 13.2 7.6 1810 620
310×310 20 20 18 180.8 142 29390 9940 12.8 7.5 1890 642
346×174 6 9 14 52.68 41.4 11100 792 14.5 3.88 641 91
350×175 7 11 14 63.14 49.6 13600 984 14.7 3.95 775 112
354×176 8 13 14 73.68 57.8 16100 1180 14.8 4.01 909 134
336×249 8 12 20 88.15 69.2 18500 3090 14.5 5.92 1100 248
340×250 9 14 20 101.5 79.7 21700 3650 14.6 6 1280 292
338×351 13 13 20 135.3 106 28200 9380 14.4 8.33 1670 534
344×348 10 16 20 146 115 33300 11200 15.1 8.78 1940 646
344×354 16 16 20 166.6 131 35300 11800 14.6 8.43 2050 669
350×357 19 19 20 191.4 156 42800 14400 14.7 8.53 2450 809
396×199 7 11 16 72.16 56.6 20000 1450 16.7 4.48 1010 145
400×200 8 13 16 84.12 66 23700 1740 16.8 4.54 1190 174
404×201 9 15 16 96.16 75.5 27500 2030 16.9 4.6 1360 202
386×299 9 14 22 120.1 94.3 33700 6240 16.7 7.81 1740 418
390×300 10 16 22 136 107 38700 7210 16.9 7.28 1980 481
388×402 15 15 22 178.5 140 49000 16300 16.6 9.54 2520 809
394×398 11 18 22 186.8 147 56100 18900 17.3 10.1 2850 951
394×405 18 18 22 214.4 168 59700 20000 16.7 9.7 3030 985
400×408 21 21 22 250.7 197 70900 23800 16.8 9.75 3540 1170
406×403 16 24 22 254.9 200 78000 26200 17.5 10.1 3840 1300
414×405 18 28 22 295.4 232 92800 31000 17.7 10.2 4480 1530
428×407 20 35 22 360.7 283 119000 39400 18.2 10.4 5570 1930
458×417 30 50 22 528.6 415 187000 60500 18.8 10.7 8170 2900
498×432 45 70 22 770.1 605 298000 94000 19.7 11.1 12000 4370
446×199 8 12 18 84.3 66.2 28700 1580 18.5 4.33 1290 159
450×200 9 14 18 96.76 76 33500 1870 18.6 4.4 1490 187
434×299 10 15 24 135 106 46800 6690 18.6 7.04 2160 448
440×300 11 18 24 157.4 124 56100 8110 18.9 7.18 2550 541
496×199 9 14 20 101.3 79.5 41900 1840 20.3 4.27 1690 185
500×200 10 16 20 114.2 89.6 47800 2140 20.5 4.33 1910 214
506×201 11 19 20 131.3 103 56500 2580 20.7 4.443 2230 254
482×300 11 15 26 145.5 114 60400 6760 20.4 6.82 2500 451
488×300 11 18 26 163.5 128 71000 8110 20.8 7.04 2910 541
596×199 10 15 22 120.5 94.6 68700 1980 23.9 4.05 2310 199
600×200 11 17 22 134.4 106 77600 2280 24 4.12 2590 228
606×201 12 20 22 152.5 120 90400 2720 24.3 4.22 2980 271
612×202 13 23 22 170.7 134 103000 3180 24.6 4.31 3380 314
582×300 12 17 28 174.5 137 103000 7670 24.3 6.63 3530 511
588×300 12 20 28 192.5 151 118000 9020 24.8 6.85 4020 601
594×302 14 23 28 222.4 175 137000 10600 24.9 6.9 4620 701
692×300 13 20 28 211.5 166 172000 9020 28.6 6.53 4980 602
700×300 13 24 28 235.5 185 201000 10800 29.3 6.78 5760 722
708×302 15 28 28 273.6 215 237000 12900 29.4 6.86 6700 853
792×300 14 22 28 243.4 191 254000 9930 32.3 6.39 6410 662
800×300 14 26 28 267.4 210 292000 11700 33 6.62 7290 782
808×302 16 30 28 307.6 241 339000 13800 33.2 6.7 8400 915
890×299 15 23 28 270.9 213 345000 10300 35.7 6.16 7760 688
900×300 16 28 28 309.8 243 411000 12600 36.4 6.39 9140 843
912×302 18 34 28 364 286 498000 15700 37 6.56 10900 1040
918×303 19 37 28 391.3 307 542178 17222 37.2 6.63 11800 1140

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của thép hình chữ I

Khả năng chịu lực của thép hình chữ I phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó nổi bật nhất là đặc điểm hình học, chất lượng vật liệu, điều kiện môi trường và thông số kết cấu. Việc đánh giá đúng các yếu tố này sẽ giúp lựa chọn loại thép phù hợp với từng mục đích sử dụng và điều kiện thi công cụ thể.

  • Hình dạng và kích thước: Thiết kế hình học của thép chữ I, bao gồm chiều cao, độ dày cánh và thân thép, đóng vai trò quyết định đến độ cứng và khả năng chịu tải. Diện tích mặt cắt ngang càng lớn thì khả năng chống biến dạng và chịu lực càng cao.
  • Chất lượng vật liệu: Độ bền và độ cứng của thép là những yếu tố kỹ thuật quan trọng. Loại thép có cường độ cao sẽ chống chịu lực tác động tốt hơn, giúp kết cấu vững chắc và bền bỉ theo thời gian.
  • Điều kiện môi trường: Môi trường làm việc có ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ và độ ổn định của thép. Trong môi trường ẩm thấp, ăn mòn hoặc có rung động mạnh, vật liệu thép có thể bị suy giảm khả năng chịu lực nếu không được xử lý hoặc bảo vệ đúng cách.
  • Thông số kết cấu: Chiều dài thanh thép, tải trọng tác dụng và các dạng lực như lực kéo, lực nén, lực xoắn cần được tính toán chính xác trong thiết kế. Điều này nhằm đảm bảo rằng kết cấu thép có thể hoạt động ổn định và an toàn trong điều kiện làm việc thực tế.
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của thép hình chữ I
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của thép hình chữ I

Khả năng chịu lực của thép chữ I ảnh hưởng đến chất lượng công trình như thế nào?

Khả năng chịu lực của thép hình chữ I là yếu tố then chốt quyết định độ bền và mức độ an toàn của công trình xây dựng. Nếu thép không đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật về chịu lực, công trình có thể đối mặt với nhiều rủi ro nghiêm trọng, cụ thể:

  • Sự cố kỹ thuật: Khi sử dụng thép chữ I có khả năng chịu lực kém, kết cấu có thể bị suy yếu dưới tác động của tải trọng lớn, dễ dẫn đến nứt gãy hoặc sập đổ, gây hư hại tài sản và đe dọa an toàn lao động.
  • Thiếu ổn định kết cấu: Thép không đáp ứng yêu cầu về chịu lực sẽ làm giảm độ ổn định tổng thể của công trình. Điều này làm tăng nguy cơ xảy ra các tai nạn không mong muốn trong quá trình sử dụng, đặc biệt ở những khu vực chịu lực chính.
  • Chi phí bảo trì, sửa chữa gia tăng: Khi kết cấu bị hư hỏng do sử dụng thép không đạt chuẩn, các công trình buộc phải sửa chữa hoặc gia cố thường xuyên. Điều này không chỉ gây tốn kém chi phí mà còn ảnh hưởng đến tiến độ và tuổi thọ công trình. Vì vậy, việc lựa chọn thép chữ I đạt tiêu chuẩn là điều cần thiết để đảm bảo hiệu quả đầu tư và an toàn sử dụng lâu dài.
Khả năng chịu lực của thép chữ I ảnh hưởng đến chất lượng công trình như thế nào?
Khả năng chịu lực của thép chữ I ảnh hưởng đến chất lượng công trình như thế nào?

Giải pháp tăng cường khả năng chịu lực cho thép chữ I

Để nâng cao hiệu quả chịu lực của thép hình chữ I trong thi công, có thể áp dụng một số biện pháp kỹ thuật như sau:

Gia cố bằng nẹp cứng: Việc lắp đặt thêm các nẹp cứng ở phần bản bụng và bản cánh có thể mang lại nhiều lợi ích:

  • Hạn chế hiện tượng mất ổn định cục bộ.
  • Tăng khả năng chịu lực cắt.
  • Cải thiện khả năng chịu tải trọng tập trung tại các điểm giao kết cấu.

Tăng độ liên kết giữa các bộ phận: Tăng cường khả năng truyền lực trong kết cấu thông qua:

  • Gắn thêm các tấm nối, tấm đệm tại các vị trí kết nối.
  • Thực hiện mối hàn chắc chắn ở những khu vực chịu tải lớn.
  • Sử dụng bu lông có cường độ cao để đảm bảo liên kết an toàn và bền vững.

Kết hợp thép chữ I với vật liệu khác: Phối hợp sử dụng thép hình I cùng các vật liệu khác giúp tăng cường hiệu suất kết cấu:

  • Liên kết với bê tông để tạo thành dầm liên hợp, gia tăng khả năng chịu uốn.
  • Kết hợp với thép tấm để hình thành dầm hộp, cải thiện độ cứng và phân bố tải.
  • Sử dụng dây cáp dự ứng lực để nâng cao sức chịu lực tổng thể của kết cấu.
Giải pháp tăng cường khả năng chịu lực cho thép chữ I
Giải pháp tăng cường khả năng chịu lực cho thép chữ I

Khả năng chịu lực của thép chữ I là một yếu tố cực kỳ quan trọng trong thiết kế và thi công công trình. Việc hiểu rõ các tiêu chuẩn, áp dụng công thức tính đúng và lựa chọn loại thép phù hợp sẽ giúp tối ưu hiệu quả kỹ thuật, giảm thiểu rủi ro và nâng cao chất lượng toàn bộ kết cấu. Hãy luôn đồng hành cùng những nhà cung cấp uy tín để đảm bảo chất lượng thép từ đầu đến cuối dự án nhé!

Tôn Thép Sáng Chinh tự hào là đơn vị uy tín chuyên cung cấp các loại thép hình H chất lượng cao, bao gồm thép H440 với đa dạng quy cách, đầy đủ chứng chỉ CO/CQ và chính sách giá cạnh tranh. Chúng tôi cam kết đồng hành cùng bạn trong từng giai đoạn của dự án – từ tư vấn, báo giá đến giao hàng và hỗ trợ kỹ thuật.

Trả lời