Kết cấu thép là hệ chịu lực của công trình được tạo từ các cấu kiện thép như thép hình, thép tấm tổ hợp, thép ống, liên kết với nhau bằng hàn hoặc bu lông. Nhà xưởng, nhà kho, nhà thép tiền chế, mái sân vận động, nhà khung thép nhiều tầng hay các giàn không gian đều dùng giải pháp này. Bài viết giải thích kết cấu thép gồm những bộ phận nào, vật liệu thường dùng, tiêu chuẩn thiết kế mới TCVN 5575:2024, quy trình từ thiết kế đến lắp dựng, so sánh với bê tông cốt thép và những điểm chủ đầu tư cần kiểm soát.
Kết cấu thép là gì?
Kết cấu thép là phần khung chịu lực của công trình làm bằng thép, có nhiệm vụ nhận tải trọng (trọng lượng bản thân, mái, sàn, thiết bị, gió, động đất…) và truyền xuống móng. Phần móng thường vẫn là bê tông cốt thép; kết cấu thép bắt đầu từ bu lông neo chân cột trở lên.
Điểm khác cơ bản so với kết cấu bê tông cốt thép là cấu kiện thép được gia công sẵn trong xưởng (cắt, khoan, hàn, sơn), sau đó chở ra công trường và lắp dựng bằng cẩu, liên kết bằng bu lông hoặc hàn. Vì vậy chất lượng phụ thuộc nhiều vào bản vẽ chế tạo, tay nghề xưởng và kiểm soát lắp dựng.
Các bộ phận chính của một hệ kết cấu thép
| Bộ phận | Vai trò | Vật liệu thường dùng |
|---|---|---|
| Bu lông neo, bản đế chân cột | Liên kết cột thép với móng bê tông | Bu lông neo, thép tấm |
| Cột | Đỡ toàn bộ tải phía trên, truyền xuống móng | Thép H cán nóng, I tổ hợp, thép ống, hộp |
| Kèo, dầm mái, dầm sàn | Đỡ mái, sàn và truyền tải về cột | Thép I, H, tiết diện tổ hợp thay đổi |
| Xà gồ mái, xà gồ vách | Đỡ tôn lợp và tôn vách | Thép C, Z cán nguội mạ kẽm |
| Hệ giằng | Giữ ổn định khung theo phương dọc, chống gió | Thép góc, thép tròn, thép ống |
| Dầm cầu trục | Đỡ ray cầu trục trong nhà xưởng | Thép H, I cỡ lớn hoặc tổ hợp |
| Bản mã, bu lông liên kết, đường hàn | Nối các cấu kiện, truyền lực | Thép tấm, bu lông cường độ cao |
Chi tiết liên kết nhỏ nhưng quyết định độ an toàn của cả hệ. Vai trò và quy cách bản mã được trình bày trong bài bản mã thép trong liên kết kết cấu.
Các loại kết cấu thép phổ biến
- Nhà thép tiền chế (khung zamil): khung chính tiết diện chữ I tổ hợp hàn từ thép tấm, có thể thay đổi chiều cao theo nội lực để tiết kiệm thép; xà gồ C, Z; tôn lợp và vách. Phổ biến cho nhà xưởng, kho, siêu thị, showroom.
- Khung thép hình cán nóng: cột, dầm dùng thép H, I tiêu chuẩn; tiện cho công trình vừa và nhỏ, nhà xưởng có cầu trục, sàn thao tác.
- Nhà khung thép nhiều tầng: khung cột, dầm thép kết hợp sàn liên hợp (tôn sàn và bê tông), hoặc kết hợp lõi bê tông.
- Giàn và kết cấu không gian: giàn mái nhịp lớn, mái sân vận động, nhà ga, nhà triển lãm, làm từ thép ống hoặc thép góc.
- Kết cấu thép nhẹ dân dụng: khung thép hộp, thép cán nguội cho nhà ở thấp tầng, gác lửng, mái che.
Ứng dụng cụ thể của từng loại thép H, I, U, V trong các hạng mục này có trong bài thép hình được dùng ở đâu trong xây dựng.
Vật liệu thép dùng cho kết cấu
Kết cấu thép dùng thép cacbon và thép hợp kim thấp có khả năng hàn tốt. Các mác hay gặp trên bản vẽ ở Việt Nam:
| Mác | Tiêu chuẩn | Giới hạn chảy tối thiểu (mỏng nhất) | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| SS400 | JIS G3101 | 245 MPa | Mác thông dụng nhất, thép tấm và thép hình |
| A36 | ASTM | 250 MPa | Tương đương SS400 về cường độ |
| Q235B | GB/T 700 (Trung Quốc) | 235 MPa | Hàng nhập từ Trung Quốc |
| Q355B | GB/T 1591-2018 | 355 MPa | Thay cho Q345 từ phiên bản 2018 |
| SM490 | JIS G3106 | 325 MPa | Thép kết cấu hàn, cường độ cao hơn SS400 |
| A572 Grade 50 | ASTM | 345 MPa | Thép hợp kim thấp cường độ cao |
Giới hạn chảy của các mác giảm dần khi thép dày lên, nên khi đối chiếu chứng chỉ phải xem đúng nhóm chiều dày. Thông tin chi tiết về hai mác thông dụng có trong bài thép SS400 là gì và bài thép Q355. Bu lông liên kết thường dùng cấp bền 8.8 hoặc 10.9 cho liên kết chịu lực chính.
Tiêu chuẩn thiết kế và thi công kết cấu thép
- TCVN 5575:2024 Thiết kế kết cấu thép: ban hành ngày 24/12/2024, thay thế TCVN 5575:2012. Tiêu chuẩn áp dụng cho kết cấu thép của nhà và công trình làm việc ở nhiệt độ từ -60 °C đến 100 °C, không áp dụng cho cầu, hầm giao thông và đường ống chôn ngầm. Nội dung được biên soạn chủ yếu trên cơ sở tiêu chuẩn Nga SP 16.13330.2017, có hài hòa một phần với tiêu chuẩn châu Âu.
- Tải trọng và tác động: theo TCVN 2737 (tải trọng) và tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn khi công trình nằm trong vùng có động đất.
- Tiêu chuẩn nước ngoài: nhiều dự án FDI dùng AISC 360 (Mỹ) hoặc Eurocode 3 (châu Âu); nhà thép tiền chế của các hãng lớn thường thiết kế theo hệ tiêu chuẩn Mỹ.
- Hàn: quy trình hàn, chứng chỉ thợ hàn và kiểm tra mối hàn theo tiêu chuẩn chỉ định trong hồ sơ (ví dụ AWS D1.1 hoặc tiêu chuẩn TCVN tương ứng).
- Chống ăn mòn: hệ sơn chọn theo cấp độ ăn mòn của môi trường (ISO 12944), mạ kẽm nhúng nóng theo ISO 1461 với cấu kiện ngoài trời.
Quy trình thực hiện kết cấu thép
- Thiết kế kết cấu: xác định tải trọng, tính toán khung, chọn tiết diện, thiết kế liên kết. Kết quả là bản vẽ thiết kế.
- Bản vẽ chế tạo (shop drawing): triển khai từng cấu kiện với kích thước, lỗ bu lông, đường hàn, ký hiệu lắp dựng. Đây là khâu hay phát sinh sai sót nếu làm vội.
- Mua vật liệu: thép tấm, thép hình, bu lông, que hàn đúng mác, có chứng chỉ theo lô.
- Gia công trong xưởng: cắt (CNC, plasma, oxy-gas), khoan, tổ hợp, hàn, nắn, làm sạch bề mặt, sơn lót và sơn phủ hoặc mạ kẽm.
- Kiểm tra trong xưởng: kích thước cấu kiện, chất lượng mối hàn (quan sát, siêu âm, thẩm thấu theo yêu cầu), chiều dày sơn.
- Vận chuyển: cấu kiện được đánh số, chằng buộc để không cong vênh, bong sơn.
- Lắp dựng: kiểm tra cao độ và vị trí bu lông neo, dựng cột, dầm, kèo, giằng, xà gồ; căn chỉnh độ thẳng đứng; siết bu lông đúng lực.
- Hoàn thiện và nghiệm thu: sơn dặm vết trầy, kiểm tra tổng thể, lập hồ sơ hoàn công.
So sánh kết cấu thép và bê tông cốt thép
| Tiêu chí | Kết cấu thép | Bê tông cốt thép |
|---|---|---|
| Khối lượng riêng vật liệu | Khoảng 7.850 kg/m³ nhưng tiết diện nhỏ, kết cấu tổng thể nhẹ | Khoảng 2.500 kg/m³ nhưng tiết diện lớn, kết cấu nặng |
| Nhịp vượt được | Lớn, ít cột | Hạn chế hơn nếu không dùng dự ứng lực |
| Tiến độ | Nhanh: gia công song song với làm móng, lắp dựng nhanh | Chậm hơn: cốp pha, đổ bê tông, chờ bê tông đạt cường độ |
| Chống cháy | Cần sơn hoặc bọc chống cháy | Tự có khả năng chịu lửa nhờ lớp bê tông |
| Ăn mòn | Cần sơn, mạ và bảo trì | Bền trong môi trường thông thường |
| Cải tạo, mở rộng | Dễ tháo, nối thêm, tái sử dụng | Khó, phải đục phá |
| Cách âm, chống rung | Kém hơn nếu không xử lý | Tốt hơn |
Không có giải pháp nào tốt nhất cho mọi công trình. Nhà xưởng, kho, nhà nhịp lớn thường lợi về tiến độ và chi phí khi dùng thép; nhà ở nhiều tầng, công trình cần cách âm, chịu lửa cao thường hợp với bê tông cốt thép hoặc kết cấu kết hợp.
Chi phí kết cấu thép phụ thuộc vào đâu?
- Khối lượng thép (kg thép trên m² sàn hoặc mái), phụ thuộc nhịp, tải trọng, cầu trục, chiều cao.
- Giá vật liệu: thép tấm, thép hình, xà gồ, tôn, bu lông. Xem mặt bằng giá ở các trang giá thép hình và giá thép tấm.
- Gia công: độ phức tạp của liên kết, khối lượng đường hàn, yêu cầu kiểm tra mối hàn.
- Bảo vệ bề mặt: hệ sơn thường, sơn chống cháy hay mạ kẽm nhúng nóng.
- Lắp dựng: cẩu, giàn giáo, điều kiện mặt bằng, độ cao.
Trong khâu mua vật liệu, nên so giá theo kg kèm khối lượng mỗi mét của từng quy cách, như hướng dẫn trong bài những yếu tố làm giá thép hình chênh lệch.
Những điểm chủ đầu tư nên kiểm soát
- Hồ sơ thiết kế đủ: có thuyết minh tính toán, bản vẽ liên kết, chỉ định mác thép, bu lông, que hàn, hệ sơn.
- Vật liệu đúng mác, có chứng chỉ theo lô, kiểm khối lượng thép hình khi nhận. Cách kiểm cụ thể có trong bài cách chọn thép hình đạt chuẩn.
- Kiểm bu lông neo trước khi lắp: sai vị trí bu lông neo là lỗi phổ biến và tốn kém khi sửa.
- Mối hàn: thợ hàn có chứng chỉ phù hợp, kiểm tra không phá hủy theo tỷ lệ quy định.
- Độ dày sơn: đo bằng máy đo chiều dày lớp phủ, đúng hệ sơn thiết kế.
- Siết bu lông đúng lực với liên kết bu lông cường độ cao.
- Kế hoạch bảo trì: kiểm tra gỉ, sơn dặm định kỳ, nhất là ở chân cột, máng xối và vùng ẩm.
Các tiêu chuẩn thiết kế, gia công và nghiệm thu kết cấu thép, cùng tiêu chuẩn nào đã bị thay, có ở bài tiêu chuẩn thép hiện hành.
Sàn của nhà khung thép hay làm bằng tôn deck đổ bê tông. Cấu tạo, thông số tôn và khi nào phải có cây chống lúc đổ bê tông có ở bài sàn deck là gì và cách thi công.
Dầm cầu, sàn phẳng nhà cao tầng nhịp lớn thường dùng bê tông dự ứng lực thay cho kết cấu thép. Thép căng loại gì, căng trước hay căng sau có ở bài thép dự ứng lực là gì.
Mối hàn kết cấu chịu lực thường dùng que hydro thấp E7016, E7018 thay vì que E6013 dùng cho đồ sắt dân dụng. Cách đọc ký hiệu và chọn cỡ que có ở bài các loại que hàn và ký hiệu E6013, E7018.
Câu hỏi thường gặp
Kết cấu thép là gì?
Là hệ khung chịu lực của công trình làm bằng các cấu kiện thép liên kết bằng hàn hoặc bu lông, đặt trên móng bê tông.
Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện hành là gì?
TCVN 5575:2024 Thiết kế kết cấu thép, ban hành ngày 24/12/2024, thay thế TCVN 5575:2012.
Nhà thép tiền chế khác khung thép hình thế nào?
Nhà tiền chế thường dùng tiết diện I tổ hợp hàn từ thép tấm, có thể thay đổi chiều cao; khung thép hình dùng thép H, I cán nóng tiết diện không đổi.
Kết cấu thép có bền không?
Bền nếu được thiết kế đúng, bảo vệ chống ăn mòn phù hợp môi trường và bảo trì định kỳ.
Kết luận
Kết cấu thép là giải pháp khung chịu lực nhẹ, vượt nhịp lớn và thi công nhanh, đặc biệt hợp với nhà xưởng, kho và công trình nhịp lớn. Chất lượng của nó được quyết định bởi thiết kế theo tiêu chuẩn hiện hành, vật liệu đúng mác, gia công và lắp dựng được kiểm soát, cùng hệ bảo vệ chống ăn mòn và chống cháy phù hợp. Cần báo giá thép hình, thép tấm cho công trình kết cấu thép, hãy liên hệ Giá Thép Hôm Nay.