Thiết kế và Kiểm tra Dầm Thép theo TCVN 5575:2024: Quy định phân cấp tiết diện Cấp 1, 2, 3 và ứng dụng | Blue Note

Dầm thép chịu uốn là cấu kiện phổ biến bậc nhất trong kết cấu xây dựng, từ dầm sàn nhà văn phòng, dầm đỡ máy nhà xưởng cho đến hệ xà gồ mái. Để thiết kế dầm thép an toàn và kinh tế, kỹ sư cần nắm vững các điều kiện kiểm tra về độ bền, độ võng và đặc biệt là độ ổn định tổng thể chống lật dầm. Tiêu chuẩn mới TCVN 5575:2024 mang lại sự đổi mới mang tính đột phá thông qua quy định Phân cấp tiết diện chịu uốn (Cấp 1, 2, 3), mở ra cơ hội tối ưu hóa khối lượng thép cực lớn cho công trình.

Bài viết này sẽ hướng dẫn chi tiết quy trình kiểm tra dầm thép theo tiêu chuẩn mới và cách ứng dụng phân cấp tiết diện vào thực tế.

1. Các điều kiện kiểm tra cường độ dầm thép (Mục 9.1)

Theo quy định của TCVN 5575:2024, độ bền (cường độ) của dầm thép chịu uốn và uốn xoắn phức tạp được kiểm tra thông qua các điều kiện:

A. Độ bền uốn (Dầm cấp 1 & 2):

Khi dầm chịu đồng thời lực dọc N, mô-men uốn hai phương M_x, M_y và Bimoment B gây xoắn vênh, công thức kiểm tra bền tổng quát là:

N / (A_n × f_yd) + M_x / (c_x × β × W_nx × f_yd) + M_y / (c_y × W_ny × f_yd) + B × ω / (c_w × I_wn × f_yd) ≤ 1

Trong đó:

c_x, c_y, c_w: Hệ số làm việc dẻo (với cấu kiện Cấp 1, các hệ số này lấy bằng 1.0).
β: Hệ số giảm khả năng chịu uốn khi lực cắt lớn.

B. Độ bền cắt (Mục 9.1.1):

Ứng suất tiếp cắt lớn nhất tại bụng dầm kiểm tra theo công thức Joury:

τ_max = V_y × S_x / (I_x × t_w) ≤ f_v

với f_v là cường độ chịu cắt của thép (f_v = 0.58 × f_yd).

C. Ứng suất tương đương (Von Mises - Công thức 43a):

Tại mép liên kết giữa bản bụng và bản cánh dầm nơi chịu đồng thời uốn và cắt lớn, ứng suất tương đương được kiểm tra:

σ_td = √( σ_x² - σ_xσ_y + σ_y² + 3τ_xy² ) ≤ 1.15 f_yd

2. Kiểm tra ổn định tổng thể dầm chống lật dọc (Mục 9.2.1)

Khi chịu uốn quanh trục mạnh x-x, nếu cánh nén không được liên kết cứng liên tục chống mất ổn định bên, dầm có thể bị lật uốn xoắn ngang. Công thức kiểm tra ổn định là:

M_x / (φ_b × W_cx × f_yd) ≤ 1

Trong đó φ_b là hệ số ổn định khi uốn của dầm, xác định theo Phụ lục D.3 dựa vào khoảng cách các điểm giằng bên của cánh nén L₀.

Sơ đồ hiện tượng mất ổn định uốn xoắn dầm thép

Lưu ý: Nếu cánh nén được liên kết cứng liên tục vào tấm sàn (ví dụ sàn liên hợp đinh hàn), hệ số φ_b mặc định bằng 1.0 (bỏ qua kiểm tra ổn định).

3. Trạng thái giới hạn sử dụng - Độ võng dầm (Mục 10.2)

Độ võng tương đối của dầm dưới tải trọng tiêu chuẩn phải thỏa mãn giới hạn quy định tại Phụ lục M:

Δ / L ≤ [ Δ / L ]

Ví dụ, đối với dầm chính sàn nhà công nghiệp, giới hạn [ Δ / L ] thường lấy bằng 1/250, dầm phụ hoặc xà gồ lấy bằng 1/200.

4. Ví dụ tính toán: kiểm tra dầm thép chịu uốn và độ võng

Dữ liệu đầu vào

Xét dầm đơn giản nhịp L = 6.0 m, chịu tải phân bố đều thiết kế q_u = 18 kN/m và tải sử dụng q_s = 12 kN/m. Chọn tiết diện có W_x = 500 cm³, I_x = 7500 cm⁴. Thép có cường độ tính toán f = 235 MPa, mô-đun đàn hồi E = 200000 MPa. Giả sử dầm được giằng chống lật đầy đủ theo phương nén cánh trên.

Bước 1: nội lực uốn và cắt lớn nhất

M_max = q_uL²/8 = 18 × 6²/8 = 81 kNm

V_max = q_uL/2 = 18 × 6/2 = 54 kN

Bước 2: kiểm tra ứng suất uốn đàn hồi

Đổi W_x = 500 cm³ = 500000 mm³, M = 81 × 10⁶ Nmm:

σ = M/W_x = 81 × 10⁶/500000 = 162 MPa < 235 MPa

Bước 3: kiểm tra độ võng sử dụng

Đổi I_x = 7500 cm⁴ = 75 × 10⁶ mm⁴, q_s = 12 N/mm, L = 6000 mm:

f_max = 5qL⁴/(384EI) = 5 × 12 × 6000⁴/(384 × 200000 × 75 × 10⁶) = 13.5 mm

Nếu giới hạn độ võng là L/250 = 24 mm, dầm đạt điều kiện sử dụng. Nếu công trình yêu cầu L/400 = 15 mm, dầm vẫn đạt nhưng biên an toàn nhỏ hơn; khi có tải treo hoặc trần hoàn thiện dễ nứt, nên xét tăng tiết diện.

5. Bàn luận về cường độ, ổn định và sử dụng

Thiết kế dầm thép không chỉ là so sánh M/W với f. Nếu cánh nén không được giằng, dầm có thể mất ổn định uốn xoắn trước khi ứng suất biên đạt cường độ chảy. Nếu bản bụng mảnh, cắt lớn gần gối có thể gây mất ổn định bản bụng. Nếu nhịp dài, độ võng và dao động sử dụng có thể chi phối dù cường độ còn dư.

Do đó, một bài kiểm tra dầm đầy đủ phải đi theo chuỗi: phân loại tiết diện, bền uốn, bền cắt, tương tác uốn-cắt nếu cần, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ và độ võng. Cách tiếp cận này phù hợp với triết lý trạng thái giới hạn trong các tiêu chuẩn thép hiện đại.

6. Tài liệu tham khảo

[1] TCVN 5575:2024, Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
[2] EN 1993-1-1, Eurocode 3, phần thiết kế dầm chịu uốn và ổn định uốn xoắn.
[3] AISC 360-22, Chapters F and G, flexural and shear members.
[4] Salmon, C. G., Johnson, J. E. and Malhas, F. A., Steel Structures: Design and Behavior.

Công cụ liên quan

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