Trong thiết kế kết cấu thép, việc lựa chọn vật liệu không chỉ dừng lại ở việc chọn kích thước to hay nhỏ, dày hay mỏng. Yếu tố cốt lõi quyết định sự sống còn của công trình chính là ứng suất cho phép của thép hộp. Việc nắm vững thông số này giúp đảm bảo công trình bền vững dưới mọi tác động của ngoại lực, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư. Vậy ứng suất cho phép là gì? Làm thế nào để tra cứu và tính toán chính xác? Hãy cùng Mỹ Việt tìm hiểu chi tiết về ứng suất cho phép của thép hộp trong bài viết dưới đây.

1. Ứng suất cho phép của thép hộp là gì?

Để hiểu về ứng suất cho phép (σ), trước tiên hãy để Mỹ Việt nhắc lại khái niệm ứng suất. Trong vật lý và kỹ thuật, ứng suất là đại lượng biểu thị cường độ nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác động của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ, …

Ứng suất cho phép của thép hộp được định nghĩa là giá trị ứng suất cao nhất mà vật liệu thép được phép chịu đựng trong điều kiện làm việc bình thường để đảm bảo an toàn, không xảy ra biến dạng dư hay phá hủy kết cấu.

Thông thường, giá trị này sẽ nhỏ hơn giới hạn chảy (gh) và nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn bền (b) của thép. Khoảng chênh lệch này được gọi là hệ số an toàn.

Trong đó:

• σ: Ứng suất cho phép
• σgh: Ứng suất giới hạn (thường lấy theo giới hạn chảy fy)
• k: Hệ số an toàn (thường > 1, phụ thuộc vào tầm quan trọng của công trình).

Ứng suất cho phép của thép hộp là giá trị ứng suất cao nhất mà vật liệu thép được phép chịu đựng

2. Tại sao cần quan tâm đến ứng suất cho phép khi sử dụng thép hộp?

Thép hộp (bao gồm thép hộp vuông và thép hộp chữ nhật) là vật liệu chịu lực chủ đạo trong rất nhiều hạng mục từ dân dụng đến công nghiệp. Việc xác định ứng suất cho phép không chỉ là thủ tục kỹ thuật mà còn mang lại 3 lợi ích thực tế:

• Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình: Nếu ứng suất thực tế phát sinh lớn hơn ứng suất cho phép, thanh thép hộp sẽ bị uốn cong, xoắn hoặc nghiêm trọng hơn là đứt gãy. Điều này dẫn đến sự cố sập đổ dây chuyền, gây thiệt hại lớn về người và tài sản.
• Tối ưu hóa chi phí vật tư: Nhiều chủ thầu vì lo sợ không an toàn nên thường chọn thép quá dày so với yêu cầu. Tuy nhiên, nếu bạn nắm rõ ứng suất cho phép, bạn có thể tính toán chính xác loại thép hộp có độ dày vừa đủ, giúp giảm trọng lượng kết cấu và tiết kiệm hàng chục triệu đồng tiền vật tư cho mỗi dự án.
• Tăng tuổi thọ và độ bền mỏi: Khi làm việc trong giới hạn ứng suất cho phép, vật liệu thép luôn ở trong trạng thái biến dạng đàn hồi. Khi ngừng tác động lực, thép trở về hình dáng ban đầu, giúp cấu trúc bền bỉ hơn qua hàng chục năm sử dụng, giảm thiểu hiện tượng mỏi vật liệu.

Khi chọn thép hộp đúng ứng suất sẽ giúp công trình tăng tuổi thọ

3. Bảng tra cứu ứng suất cho phép của các loại thép hộp phổ biến

Mỗi mác thép sẽ có đặc tính cơ lý khác nhau. Dưới đây là bảng tổng hợp ứng suất cho phép và các thông số liên quan của các loại thép hộp thông dụng nhất hiện nay tại thị trường Việt Nam (dựa trên TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn quốc tế).

Ghi chú: 1 MPa = 10.197 kgf/cm². Giá trị trong bảng mang tính chất tham khảo cho tính toán sơ bộ. Đối với các công trình trọng điểm, cần tuân thủ bảng tra của đơn vị thiết kế dựa trên hệ số tin cậy của tải trọng.

>>> Ngoài tìm hiểu về ứng suất cho phép của thép hộp, cường độ chịu kéo cũng là yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn thép hộp, hãy tham khảo thêm: Bảng tra cường độ chịu kéo của thép hộp chi tiết nhất

4. Công thức tính ứng suất cho thép hộp (Cơ bản)

Trong thực tế, thép hộp thường chịu hai dạng tác động chính là lực nén/kéo dọc trục và mômen uốn.

Công thức tính ứng suất kéo/nén đúng tâm

Khi bạn dùng thép hộp làm cột chống hoặc thanh giằng chịu kéo:

• N: Lực kéo hoặc nén dọc trục (N)
• A: Diện tích tiết diện ngang của thép hộp (mm^2)
• σ: Ứng suất cho phép (MPa)

Công thức tính ứng suất khi chịu uốn

Đây là trường hợp phổ biến nhất khi dùng thép hộp làm xà gồ mái hoặc dầm sàn:

• Mmax: Momen uốn lớn nhất phát sinh (N.mm)
• W: Momen kháng uốn của tiết diện thép hộp (mm^3)

Đối với thép hộp chữ nhật, W được tính bằng:

• B, H là kích thước ngoài
• b, h là kích thước lòng trong của hộp

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất cho phép

Ứng suất cho phép không phải là một con số cố định mà nó thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thực tế:

• Chất lượng phôi thép: Thép được sản xuất từ phôi thép tinh khiết, ít tạp chất (như Thép Vitek, Thép Ecotole) luôn có ứng suất ổn định hơn thép tái chế.

Thép Vitek - Lựa chọn an toàn, bền vững cho mọi công trình

Thép Ecotole - Quy cách đa dạng, khả năng vô hạn

• Nhiệt độ môi trường: Khi nhiệt độ tăng cao (trên 500°C), ứng suất cho phép của thép giảm mạnh, thép trở nên dẻo và mất khả năng chịu lực. Đây là lý do cần sơn chống cháy cho kết cấu thép.
• Tác động của ăn mòn: Thép hộp đen nếu không được mạ kẽm sẽ bị oxy hóa, làm giảm độ dày thành hộp. Khi tiết diện A giảm, ứng suất thực tế sẽ tăng lên, vi phạm ngưỡng cho phép.
• Tải trọng động: Nếu công trình chịu rung lắc thường xuyên (như sàn nhà xưởng đặt máy móc), hệ số an toàn không phải tăng lên, đồng nghĩa với việc ứng suất cho phép phải giảm xuống để dự phòng.

Hiểu và áp dụng đúng ứng suất cho phép của thép hộp là chìa khóa để kiến tạo nên những công trình vừa an toàn, vừa kinh tế. Hy vọng bảng tra cứu và các công thức trên đã cung cấp cho bạn cái nhìn rõ nét nhất để phục vụ công việc thiết kế và thi công.