Kiểm tra Khả năng Chịu lực Cột Thép hình theo TCVN 5575:2024: Cách tra hệ số uốn dọc theo 3 nhóm tiết diện | Blue Note

Thiết kế cột thép chịu lực là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất khi tính toán nhà xưởng công nghiệp hoặc khung thép nhiều tầng. Cuối năm 2024, TCVN 5575:2024 (Thiết kế kết cấu thép) chính thức có hiệu lực thay thế cho TCVN 5575:2012, mang lại nhiều thay đổi lớn tiệm cận với tiêu chuẩn SP 16 của Nga. Trong đó, bài toán kiểm tra độ ổn định dọc và cường độ của cột thép hình cán nóng hoặc tổ hợp hàn có nhiều điểm cập nhật đáng chú ý.

Bài viết này sẽ hướng dẫn chi tiết quy trình kiểm tra cột thép theo TCVN 5575:2024, nhấn mạnh cách phân loại 3 nhóm tiết diện để tra hệ số uốn dọc φ.

1. Các trạng thái giới hạn cần kiểm tra đối với cột thép

Theo quy định tại Mục 9 của TCVN 5575:2024, cột chịu nén uốn cần được kiểm tra các điều kiện an toàn sau:

Kiểm tra Cường độ (Độ bền) - Mục 9.1.2: Áp dụng khi cột chịu lực nén uốn phức tạp hoặc tại vị trí liên kết có lỗ bu lông giảm yếu.
Kiểm tra Ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn (Mục 9.2.2) và ngoài mặt phẳng uốn (Mục 9.2.4).
Kiểm tra Ổn định cục bộ (Mục 9.4): Bảo đảm các bản cánh (flanges) và bản bụng (web) không bị oằn cục bộ dưới ứng suất nén lớn.

2. Kiểm tra Cường độ tiết diện cột (Mục 9.1.2)

Kiểm tra khả năng chịu lực mặt cắt ngang chịu lực phức tạp (Lực dọc + Uốn 2 phương + Xoắn kiềm chế) theo công thức (104) của TCVN 5575:2024:

( N / [A_n × f_yd] )ⁿ + M_x / [c_x × W_xn × f_yd] + M_y / [c_y × W_yn × f_yd] + B × ω / [c_w × I_wn × f_yd] ≤ 1

Trong đó:

N, M_x, M_y: Các thành phần lực dọc và mô-men uốn tính toán.
B × ω: Bimoment và tọa độ cung của tiết diện (đặc trưng cho xoắn vênh kiềm chế).
f_yd: Cường độ tính toán chảy của thép (ký hiệu mới thay cho f cũ).
n: Hệ số mũ. Đối với cấu kiện cấp 2 (trạng thái đàn dẻo): n = 1.5. Cấu kiện cấp 1 (đàn hồi): n = 1.0.
c_x, c_y, c_w: Các hệ số xét đến sự làm việc dẻo của tiết diện (với cột tiết diện chữ I cấp 2: c_y = 1.47, c_x dao động từ 1.07 đến 1.12 tùy thuộc α_f).

3. Công thức kiểm tra ổn định cột chịu nén đúng tâm

Đối với cột chịu nén đúng tâm, điều kiện ổn định tổng thể được xác định bằng công thức (8):

σ = N / (φ × A_n) ≤ f_yd × γ_c

Trong đó φ là hệ số uốn dọc (buckling coefficient), luôn nhỏ hơn 1.0.

Xác định Hệ số uốn dọc φ theo 3 nhóm đường cong ổn định dọc (Mục D.1.2)

Trong TCVN 5575:2024, hệ số uốn dọc φ được chia thành 3 nhóm đường cong ổn định dọc (Nhóm a, b, c) tùy thuộc vào hình dạng mặt cắt và quy trình chế tạo:

Nhóm a (Đường cong ổn định cao nhất): Áp dụng cho các hộp thép ống đúc thành dày, hoặc thép góc cán nóng uốn dọc phương đối xứng.
Nhóm b (Đường cong trung bình): Áp dụng cho tiết diện chữ I cán nóng uốn quanh trục mạnh x-x.
Nhóm c (Đường cong thấp nhất): Áp dụng cho các tiết diện chữ I tổ hợp hàn uốn quanh trục yếu y-y.

4. Kiểm tra ổn định cột chịu nén uốn (Nén lệch tâm)

Khi cột đồng thời chịu lực nén dọc N và mô-men uốn M_x, điều kiện ổn định trong mặt phẳng uốn là công thức (109):

σ = N / (φ_e × A) ≤ f_yd × γ_c

Trong đó:

φ_e: Hệ số uốn dọc lệch tâm. Xác định theo Bảng D.4 dựa trên độ mảnh quy ước λ̄_x = λ_x √(f_yd/E) và độ lệch tâm tương đối quy đổi m_ef = η × m_x.
η: Hệ số ảnh hưởng hình dáng tiết diện tra theo Bảng D.5.

Ngoài ra, khi kiểm tra độ ổn định ngoài mặt phẳng uốn (Trục Y), áp dụng công thức (112):

N / (c × φ_y × A × f_yd) ≤ 1

với c là hệ số kể đến mô-men uốn phân bố dọc trục và φ_y là hệ số uốn dọc theo phương yếu y-y.

5. Ví dụ tính toán: kiểm tra sơ bộ cột thép chịu nén đúng tâm

Dữ liệu đầu vào

Xét cột thép cao hình học L = 4.0 m, hai đầu khớp theo cả hai phương nên lấy chiều dài tính toán l_0x = l_0y = 4.0 m. Tiết diện H300 × 300 × 10 × 15 có các đặc trưng gần đúng: A = 119.8 cm², i_x = 13.1 cm, i_y = 7.5 cm. Thép có cường độ tính toán f = 235 MPa. Lực nén thiết kế N = 1600 kN.

Bước 1: tính độ mảnh theo hai phương

λ_x = l_0x/i_x = 400/13.1 = 30.5

λ_y = l_0y/i_y = 400/7.5 = 53.3

Phương y là phương yếu và sẽ chi phối ổn định tổng thể.

Bước 2: kiểm tra sức chịu nén ổn định

Giả sử từ đường cong ổn định phù hợp tra được hệ số uốn dọc φ = 0.78 cho độ mảnh quy đổi theo phương yếu. Sức chịu nén ổn định:

N_b,Rd = φ × A × f = 0.78 × 11980 × 235 = 2195 kN

Hệ số sử dụng:

η = N/N_b,Rd = 1600/2195 = 0.73

Cột đạt kiểm tra sơ bộ nén đúng tâm. Tuy nhiên, nếu tồn tại mô-men lệch tâm hoặc tải gió gây uốn, cần kiểm tra tương tác N-M theo mục nén uốn; không được dùng kết quả nén đúng tâm để kết luận cuối cùng.

6. Bàn luận khoa học về ổn định cột

Sự phá hoại của cột thép thường không bắt đầu bằng chảy đều toàn tiết diện mà bằng mất ổn định hình học. Công thức Euler cho thấy lực tới hạn tỷ lệ với EI/l₀², nên tăng chiều dài không giằng làm giảm sức chịu tải theo bình phương. Đây là lý do cùng một tiết diện có thể an toàn khi cao 3 m nhưng không an toàn khi cao 6 m.

Các đường cong ổn định trong tiêu chuẩn là kết quả của việc đưa vào sai lệch hình học ban đầu, ứng suất dư do cán/hàn và phi tuyến vật liệu. Vì vậy, hệ số φ không phải “hệ số kinh nghiệm mơ hồ”, mà là cách tiêu chuẩn hóa các bất định không thể mô hình đầy đủ trong tính tay hằng ngày.

7. Tài liệu tham khảo

[1] TCVN 5575:2024, Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
[2] EN 1993-1-1, Eurocode 3, phần ổn định cấu kiện chịu nén.
[3] Galambos, T. V., Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures.
[4] AISC 360-22, Chapter E, Design of Members for Compression.

Công cụ liên quan

Nếu muốn kiểm tra nhanh phần tính toán trong bài, bạn có thể dùng Kiểm tra Cột Thép TCVN 5575.