Các thanh thép cán nóng tạo thành khung kết cấu nền tảng của ngành công nghiệp hiện đại. Từ khung của một tòa nhà cao tầng đến kết cấu đỡ của tuabin gió, những hình dạng đa năng này hiện diện khắp nơi trong môi trường xây dựng do con người tạo ra. Việc hiểu rõ vị trí và cách thức sử dụng từng loại thanh thép cán nóng có thể quyết định sự khác biệt giữa một dự án hiệu quả về chi phí và một dự án bị thiết kế dư thừa hoặc, tệ hơn nữa, gặp sự cố về mặt kết cấu. Bài viết này phân tích các ứng dụng thực tiễn của năm loại thanh thép cán nóng phổ biến nhất — thanh góc, thanh chữ C, dầm, thanh chữ T và thanh chữ Z — đồng thời giải thích cách các cấp độ vật liệu Q235B và Q345B ảnh hưởng đến việc lựa chọn thanh thép trong các dự án thực tế.

Thanh thép cán nóng là gì?

Các thanh thép cán nóng là các sản phẩm thép dài đã được xử lý ở nhiệt độ cao (trên 927°C / 1.700°F), sau đó được đưa qua một loạt trục cán để đạt được hình dạng mặt cắt ngang cụ thể. Quá trình cán nóng làm tinh chỉnh cấu trúc hạt của thép, giúp thanh thành phẩm có tính chất cơ học đồng đều dọc theo chiều dài. Khác với các thanh được tạo hình nguội, các thanh cán nóng có bán kính cong ở các góc và bề mặt có lớp vảy (oxit) — thường được loại bỏ trước khi sơn hoặc mạ kẽm. Các loại thanh được sử dụng phổ biến nhất trong mua sắm công nghiệp gồm: thanh góc (cạnh đều và cạnh không đều), thanh chữ C và chữ U, dầm chữ H và chữ I, thanh chữ T, và thanh chữ Z. Mỗi hình dạng được thiết kế nhằm chịu đựng các loại ứng suất cụ thể: dầm chịu uốn, thanh góc chịu lực kéo và nén trong các hệ giàn, thanh chữ C đảm bảo ổn định theo phương ngang, còn thanh chữ Z đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng vượt nhịp liên tục như xà gồ.

Xây dựng và kết cấu công trình

Trong xây dựng công trình, các thanh thép cán nóng được sử dụng làm cột, dầm và các cấu kiện giằng. Thanh chữ H (còn gọi là thanh tiết diện chữ I rộng) là lựa chọn chủ yếu cho ứng dụng làm cột vì cánh rộng hơn của nó mang lại khả năng chống mất ổn định tốt hơn. Trong nhiều tòa nhà thương mại có độ cao trung bình, khung điển hình thường sử dụng các cột chữ H đặt cách nhau từ 6 đến 8 mét, với các dầm chữ I nối giữa chúng để chịu tải bản sàn. Thép góc được sử dụng rộng rãi trong giàn mái và làm cấu kiện giằng trong khung thép. Tại các khu vực có nguy cơ động đất, tính dẻo dai của các thanh cán nóng khiến chúng được ưu tiên hơn so với các sản phẩm tạo hình nguội; quá trình cán nóng tạo ra vật liệu bền hơn, có khả năng hấp thụ năng lượng trong suốt trận động đất. Đối với khung công trình tại Trung Quốc và Đông Nam Á, mác thép Q235B là tiêu chuẩn phổ biến nhất vì nó đáp ứng đủ cường độ chảy (235 MPa) cho phần lớn các công trình không cao tầng, đồng thời kiểm soát được chi phí vật liệu. Khi công trình vượt quá 15 tầng hoặc phải chịu tải trọng sàn đặc biệt lớn, mác thép Q345B (cường độ chảy 345 MPa) sẽ được yêu cầu nhằm giảm kích thước tiết diện cần thiết và làm giảm tải trọng tĩnh tác động lên nền móng.

Cơ sở hạ tầng và Kỹ thuật dân dụng

Các dự án cơ sở hạ tầng yêu cầu các thanh định hình có khả năng chịu đựng hàng chục năm phơi nhiễm môi trường và tải trọng chu kỳ. Các thanh định hình thép cán nóng được sử dụng trong xây dựng cầu, hệ thống chống đỡ hầm và khung rào chắn tiếng ồn dọc theo các tuyến đường cao tốc. Trong kỹ thuật cầu, các thanh chữ H và thanh chữ I tạo thành hệ dầm chính. Chiều sâu của dầm càng lớn thì khả năng chịu tải của nó càng cao đối với một nhịp nhất định. Đối với các nhịp ngắn (dưới 20 mét), các thanh dầm cán thường đủ đáp ứng yêu cầu mà không cần đến các dầm bản ghép. Các thanh chữ C thường được sử dụng làm dầm biên dọc theo mặt cầu và làm các thanh khung cho lối đi bảo trì. Trong thi công hầm, các vòm thép được chế tạo từ các thanh chữ C hoặc thanh chữ H cán nóng được lắp đặt làm hệ chống đỡ chính trước khi phun bê tông phun (shotcrete). Các hệ chống đỡ tạm thời này phải có khả năng chịu toàn bộ trọng lượng của lớp đất hoặc đá nằm phía trên. Các thanh chữ Z và thanh giằng chéo cũng được sử dụng trong các hệ ván khuôn cho cầu bê tông, nơi chúng cung cấp độ cứng cần thiết để giữ bê tông tươi ở vị trí cố định cho đến khi bê tông đạt cường độ.

Khung Máy móc và Thiết bị Công nghiệp

Máy móc hạng nặng đòi hỏi các kết cấu khung chắc chắn có khả năng chịu tải thiết bị vận hành đồng thời giảm rung động. Các profile cán nóng là lựa chọn mặc định cho bệ máy, đường ray cầu trục và khung công nghiệp. Trong các nhà máy sản xuất, các thanh chữ U (channel sections) thường được sử dụng làm dầm ray cho cầu trục treo. Hình dạng chữ C của thanh chữ U tạo bề mặt tự nhiên để bánh xe cầu trục đặt lên và thuận tiện cho việc bảo trì. Thanh chữ I (H-beams) được dùng làm cột chống cho các tầng lửng công nghiệp nhiều tầng, trong đó mỗi tầng có thể chịu tải tập trung từ vật liệu lưu kho hoặc thiết bị sản xuất. Các thanh chữ T (T-sections – profile chữ T) thường được sử dụng làm thanh gia cường trong khung máy và làm mối nối bản cánh trong các liên kết kết cấu bulông. Một yếu tố quan trọng cần xem xét trong ứng dụng máy móc là khả năng chịu mỏi của thép. Thép Q345B nói chung được ưu tiên hơn thép Q235B trong điều kiện tải động vì độ bền cao hơn giúp sử dụng tiết diện nhỏ hơn, từ đó tạo ra lực quán tính thấp hơn dưới tải chu kỳ. Tuy nhiên, quy trình hàn đối với thép Q345B phải được kiểm soát cẩn thận nhằm tránh nứt do hydro trong vùng ảnh hưởng nhiệt.

Các trụ truyền tải và cơ sở hạ tầng điện

Các cột truyền tải điện đại diện cho một trong những ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất đối với các thanh thép cán nóng. Những kết cấu giàn này phải chịu được tải gió, tải băng và lực căng của chính các dây dẫn. Thép góc là loại hình tiết diện chiếm ưu thế trong xây dựng cột truyền tải điện. Thép góc đều (hai cạnh bằng nhau) được sử dụng làm các thanh chân chính và các thanh giằng xuyên suốt toàn bộ cột. Tiết diện thép góc rất phù hợp cho ứng dụng này vì có thể bắt bu-lông trực tiếp vào cả hai cạnh, tạo ra liên kết chắc chắn nhờ các mối nối chồng đơn giản. Trong một cột truyền tải điện điển hình 132 kV, thép góc có kích thước từ 50x50x5 mm đến 200x200x20 mm có thể được sử dụng tùy theo vị trí trên cột. Thép góc không đều (hai cạnh khác nhau) đôi khi được dùng trong các cụm thanh ngang (cross-arm), nơi một cánh cần rộng hơn để lắp đặt các thiết bị cách điện. Thép chữ U được sử dụng hạn chế trong các kết cấu truyền tải, chủ yếu làm bản đế hoặc làm thanh trong các kết cấu đỡ trạm biến áp. Quy trình mạ kẽm nhúng nóng là yếu tố then chốt đối với các ứng dụng truyền tải điện vì các cột luôn tiếp xúc với khí quyển trong khoảng thời gian từ 30 đến 50 năm. Q235B là mác thép tiêu chuẩn dành cho thép góc dùng trong cột truyền tải điện ở hầu hết các thị trường, bởi thành phần hóa học của nó rất phù hợp với quy trình mạ kẽm nhúng nóng, giúp tạo lớp phủ kẽm bám dính đồng đều.

Hệ thống kệ kho và lưu trữ

Hệ thống hậu cần hiện đại phụ thuộc vào các hệ thống kệ chứa hàng có mật độ cao nhằm tối đa hóa dung tích lưu trữ theo chiều dọc. Các thanh định hình thép cán nóng là các thành phần kết cấu chính trong hệ thống kệ chứa pallet, kệ đẩy lùi (push-back) và kệ đi vào (drive-in). Khung đứng trong hệ thống kệ chứa pallet thường được làm từ thép tạo hình nguội trong các ứng dụng nhẹ hơn; tuy nhiên, đối với các hệ thống chịu tải nặng (tải trọng vượt quá 3.000 kg trên mỗi mức thanh đỡ), các thanh chữ U hoặc chữ H cán nóng được sử dụng làm khung đứng. Các tiết diện cán nóng cung cấp khả năng chống biến dạng cần thiết khi xe nâng vô tình va chạm vào kệ. Các thanh đỡ trong hệ thống kệ thường là các thanh chữ I cán nóng hoặc các tiết diện tạo hình cuộn chuyên biệt có tích hợp gờ để lắp khớp nối thanh đỡ. Tiết diện chữ Z được sử dụng rộng rãi làm thanh giằng ngang liên kết các hàng kệ với nhau cũng như làm thanh đỡ kệ trong các hệ thống kệ nhịp dài. Khả năng vượt nhịp liên tục của tiết diện chữ Z giúp chúng tiết kiệm vật liệu hơn so với thanh chữ U trong các ứng dụng này. Cấp thép Q235B là loại phổ biến nhất cho hệ thống kệ vì cường độ chảy của nó đủ đáp ứng các giới hạn võng chi phối thiết kế kệ, đồng thời loại vật liệu này dễ dàng có sẵn ở các kích thước tiết diện thường dùng nhất trong hệ thống kệ (ví dụ như thanh chữ U 100x50x5 mm và 150x75x6,5 mm).

Lựa chọn cấp độ vật liệu: Q235B so với Q345B

Việc lựa chọn cấp độ vật liệu phù hợp quan trọng ngang bằng với việc chọn hình dạng tiết diện đúng. Q235B là một loại thép kết cấu cacbon có giới hạn chảy tối thiểu là 235 MPa và giới hạn bền kéo trong khoảng từ 370–500 MPa. Ký hiệu 'B' cho biết vật liệu đã vượt qua thử nghiệm va đập ở nhiệt độ phòng (20°C), do đó thích hợp cho hầu hết các ứng dụng kết cấu trong điều kiện nhiệt độ môi trường. Q235B dễ hàn bằng các phương pháp hàn thông thường và là lựa chọn mặc định cho xây dựng chung, hệ thống giá kệ và khung máy móc không yêu cầu độ an toàn cao. Q345B là một loại thép kết cấu cường độ cao, hợp kim thấp, có giới hạn chảy tối thiểu là 345 MPa. Độ bền chảy của Q345B cao hơn khoảng 30% so với Q235B, nhờ đó cho phép sử dụng tiết diện nhỏ hơn và giảm tổng trọng lượng thép trong kết cấu. Tuy nhiên, Q345B đòi hỏi quy trình hàn được kiểm soát chặt chẽ hơn, đặc biệt đối với các tiết diện dày. Trên thực tế, nhiều đội mua hàng quy định sử dụng Q235B cho các kết cấu liên kết bằng bulông và Q345B cho các kết cấu hàn, nơi việc giảm trọng lượng đủ để biện minh cho chi phí vật liệu và hàn tăng thêm. Cả hai cấp độ này đều được các trung tâm dịch vụ thép tại Thiên Tân, Hà Bắc và Sơn Đông dự trữ với số lượng lớn, do đó thời gian giao hàng thường ngắn hơn so với các cấp độ thép chuyên dụng.