Kết cấu thép là gì? Kiến thức và ứng dụng trong xây dựng

Kết cấu thép là một giải pháp xây dựng không còn xa lạ trong ngành công nghiệp xây dựng hiện đại. Với nhiều ưu điểm nổi bật như tính bền vững, linh hoạt và khả năng chịu lực cao, kết cấu thép ngày càng được ưa chuộng và ứng dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp. 

Bài viết này BMB Steel sẽ cung cấp thông tin chi tiết về kết cấu thép, cấu tạo, ưu nhược điểm, cũng như ứng dụng thực tế của nó trong xây dựng.

1. Kết cấu thép là gì?

Kết cấu thép là một hệ thống chịu lực được lắp ghép từ các cấu kiện thép như cột, kèo, dầm, giằng, và các liên kết bằng bu-lông hoặc hàn. Các cấu kiện này được gia công sẵn tại nhà máy, sau đó lắp ráp tại công trường. Kết cấu thép nổi bật với khả năng chịu lực cao, linh hoạt trong việc lắp đặt và tháo dỡ, đồng thời có thể tái sử dụng khi cần thiết

So với các loại kết cấu khác như bê tông cốt thép, kết cấu thép có trọng lượng nhẹ hơn, thi công nhanh chóng hơn và dễ dàng kiểm soát chất lượng. Kết cấu thép đặc biệt phù hợp cho các công trình quy mô lớn như nhà xưởng, cầu cảng, nhà cao tầng, hạ tầng giao thông và công nghiệp.

2. Các loại kết cấu thép chính, phổ biến

Kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong nhiều công trình xây dựng nhờ sự linh hoạt và độ bền cao. Có nhiều loại kết cấu thép khác nhau, mỗi loại phù hợp với từng mục đích sử dụng và đặc thù của công trình. 

Dưới đây là những loại kết cấu thép phổ biến thường được sử dụng trong các dự án xây dựng hiện nay.

• Cấu trúc khung: Bao gồm các thành phần dầm, cột, kèo, giằng, xà gồ. Đây là dạng kết cấu phổ biến trong các công trình như nhà xưởng, nhà cao tầng, dễ thiết kế và thi công, chịu lực tốt và linh hoạt.
• Cấu trúc lưới: Là kết cấu dạng lưới hoặc mái vòm, thường dùng cho các công trình có nhịp lớn và yêu cầu độ bền chắc cao, như nhà thi đấu, trung tâm triển lãm.
• Kết cấu dự ứng lực: Kết cấu được gia tăng sức chịu lực bằng cách tạo ra ứng suất trước khi chịu tải trọng, thường áp dụng cho bê tông và thép, giúp tăng khả năng chịu lực và giảm chiều dày kết cấu.
• Cầu dầm: Kết cấu cầu dạng dầm chịu lực chính, là dạng cầu phổ biến với các dầm thép hoặc bê tông chịu lực chính truyền tải trọng lên trụ.
• Cầu cáp văng: Cầu có hệ thống cáp chịu lực căng từ trụ chính đến mặt cầu, thích hợp cho nhịp cầu dài và có tính thẩm mỹ cao.
• Cấu trúc giàn: Dạng kết cấu gồm các thanh thép hoặc giàn khung liên kết theo mô hình tam giác hoặc đa giác, tạo độ cứng và chịu lực tối ưu.
• Cầu vòm: Cầu sử dụng vòm làm thành phần chịu lực chính, thích hợp cho khoảng cách dài, chịu lực tốt dưới tải trọng nén.
• Kiến trúc vòm: Dạng kiến trúc dùng hình vòm để phân phối lực hiệu quả, thường thấy trong các công trình kiến trúc có tính thẩm mỹ và kỹ thuật cao.
• Cầu treo: Cầu treo có dây cáp treo chịu tải toàn bộ trọng lượng cầu, phù hợp với nhịp dài và địa hình đặc thù như sông lớn, vịnh.
• Cầu giàn: Cầu có kết cấu giàn thép làm phần chịu lực chính, dùng các thanh thép kết nối theo cấu trúc tam giác để tạo ra sự vững chắc và ổn định.

3. Đặc điểm của kết cấu thép

3.1 Đặc tính cơ học và mác thép

Cơ tính của thép kết cấu được xác định thông qua các mác thép tiêu chuẩn, trong đó hai loại phổ biến là SS400 và Q345. Thép SS400 thuộc nhóm cường độ thấp với giới hạn chảy khoảng 245 MPa, phù hợp cho các công trình có tải trọng nhẹ như nhà xưởng nhỏ, khung nhà dân dụng. Ngược lại, thép Q345 có cường độ cao hơn với giới hạn chảy 345 MPa, được ứng dụng trong các công trình chịu tải trọng lớn như cao ốc, cầu đường, dầm cẩu công nghiệp.

3.2 Công nghệ bảo vệ bề mặt và tuổi thọ

Khả năng chống ăn mòn là yếu tố then chốt quyết định tuổi thọ kết cấu thép. Hai phương pháp mạ kẽm chính được áp dụng rộng rãi là mạ kẽm điện phân và mạ kẽm nhúng nóng. Mạ kẽm điện phân tạo lớp mạ mỏng đồng đều thông qua quá trình điện phân, phù hợp cho các chi tiết nhỏ có yêu cầu thẩm mỹ cao và độ chính xác kích thước.

Mạ kẽm nhúng nóng sử dụng phương pháp nhúng thép vào bể kẽm nóng chảy ở nhiệt độ 450-460°C, tạo lớp mạ dày hơn với khả năng chống ăn mòn vượt trội. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả cho các kết cấu ngoài trời như lan can cầu thang, khung thép công nghiệp, cấu kiện cầu đường, đảm bảo độ bền lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.

3.3 Đa dạng hình dạng kết cấu thếp

Kết cấu thép được sản xuất với nhiều tiết diện khác nhau để phù hợp với từng mục đích sử dụng cụ thể:

Kết cấu thép chữ Z (Z-Shaped): Là một loại dầm tiêu chuẩn trong kết cấu thép Mỹ, có tiết diện cuộn, hai mặt bích song song và được nối bằng thanh nối.

Kết cấu thép chữ L (L-Shaped): Được hình thành từ hai chân thép kết hợp ở một góc 90°. Hai chân này có thể bằng nhau hoặc không bằng nhau, và thường được sử dụng trong hệ thống sàn của các công trình vì giúp giảm độ sâu của kết cấu, từ đó tiết kiệm vật liệu và tạo không gian thông thoáng hơn.

Kết cấu cọc chịu lực chữ H: Cọc chịu lực chữ H là loại kết cấu thép có khả năng chuyển tải trọng hiệu quả xuống mặt đất, giúp gia tăng sức chịu lực cho công trình.  Cọc chữ H thường được sử dụng trong các công trình móng, chịu được trọng lượng lên đến hàng nghìn tấn, đảm bảo tính ổn định và bền vững cho công trình.

Kết cấu thép chữ C: Kết cấu thép chữ C là giải pháp tiết kiệm chi phí cho các cấu trúc nhịp ngắn và trung bình. Nó thường được sử dụng trong thiết kế cầu và các ứng dụng xây dựng khác, nơi yêu cầu sự linh hoạt và khả năng chịu lực tốt ở mức chi phí thấp.

Kết cấu thép rỗng HHS: Kết cấu thép rỗng HHS có mặt cắt ngang dạng ống rỗng, có thể là hình tròn, vuông hoặc chữ nhật. Loại kết cấu này thường được các kỹ sư sử dụng trong khung thép hàn.

Kết cấu thép mặt bích rộng (chữ I): Kết cấu thép chữ I, còn gọi là chùm phổ, có hiệu quả cao trong việc mang tải cắt và tải uốn trong mặt phẳng của thanh nối. Loại kết cấu này có nhiều kích thước khác nhau và thường được sử dụng trong các công trình yêu cầu tính bền vững và độ chính xác cao.

Kết cấu ống thép: Kết cấu ống thép là loại kết cấu quan trọng trong các ứng dụng xây dựng liên quan đến hệ thống dẫn nước, dầu và khí đốt. Và cũng được sử dụng trong các khung chịu lực cho các dự án công nghiệp và kỹ thuật dân dụng.

Kết cấu thép chữ T: Kết cấu thép chữ T có khả năng chịu tải trọng lớn, thường được sử dụng trong các hệ thống chịu lực chính. Tuy nhiên, loại kết cấu này có nhược điểm là thiếu mặt bích dưới, khiến cho tính ổn định của nó có thể thấp hơn so với các loại kết cấu khác.

Kết cấu thép tấm: Kết cấu thép tấm là loại thép dạng mỏng, có kích thước lớn, thường được sử dụng trong các công trình nhà xưởng, nhà máy và những công trình công nghiệp có quy mô lớn.

Kết cấu thép theo hình dạng tùy chỉnh: Đối với những dự án đặc thù hoặc có yêu cầu thiết kế riêng, kết cấu thép có thể được tạo hình theo các dạng tùy chỉnh. Loại kết cấu này giúp tối ưu hóa theo yêu cầu cụ thể của từng công trình, đảm bảo sự chính xác và phù hợp với nhu cầu của khách hàng. Đồng thời tạo tính thẩm mỹ, điểm nhấn cho công trình.

4. Quy trình thi công kết cấu thép

Quy trình thi công một dự án kết cấu thép thường được bao quát bằng 1 quy trình từ A-Z như sau:

1. Lập kế hoạch và khảo sát hiện trường: Bước đầu tiên, cần xác định yêu cầu kỹ thuật, điều kiện thi công và lập kế hoạch chi tiết.
2. Gia công cấu kiện thép tại nhà máy: Sau khi lập kế hoạch chi tiết và có bảng yêu cầu thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế. Nhà máy sẽ bắt đầu tiền hành gia công cấu kiện thép tại nhà máy bao gồm các công đoạn cắt, gá, hàn, nắn chỉnh, hàn bản mã và sườn gia cường. Phần này đảm bảo độ chính xác cao và chất lượng từng cấu kiện. (Để hiểu rõ hơn về quy trình gia công kết cấu thép, quý khách hàng có thể xem thêm tại bài viết: Gia công kết cấu thép là gì? Quy trình sản xuất và chi tiết tiêu chuẩn)
3. Vận chuyển cấu kiện đến công trường: Các cấu kiện gia công sẵn sau đó được vận chuyển đến vị trí thi công.
4. Lắp dựng kết cấu thép: Sau khi các cấu kiện đã được vận chuyển đầy đủ đến địa điểm thi công, đội ngũ thi công của chúng tôi sẽ tiến hành lắp dựng các cấu kiện theo bản vẽ thiết kế, sử dụng bu-lông hoặc hàn nối để liên kết các phần lại với nhau. Chi tiết xem tại: Quy trình lắp dựng và thi công kết cấu thép
5. Kiểm tra chất lượng thi công: Kiểm tra sự chắc chắn, độ thẳng, các mối hàn và kết nối để đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn.
6. Hoàn thiện và bảo dưỡng: Cuối cùng, đội ngũ thi công sẽ thực hiện các công tác để hoàn thiện công trình như sơn chống gỉ, kiểm tra tổng thể và bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo độ bền của kết cấu thép. 

5. Ưu điểm của kết cấu thép trong xây dựng

Kết cấu thép mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu xây dựng truyền thống như bê tông. Dưới đây là một số lợi thế nổi bật của kết cấu thép. 

5.1. Tính bền vững và chịu lực cao

Kết cấu thép có khả năng chịu được lực tác động lớn, bao gồm cả tải trọng đứng và tải trọng ngang, giúp công trình vững chắc và an toàn trước các yếu tố môi trường như gió, động đất.

5.2. Dễ dàng thi công và lắp ráp, tiến độ nhanh

Các cấu kiện thép thường được gia công trước tại nhà máy, sau đó vận chuyển đến công trường để lắp ráp. Quá trình thi công diễn ra nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và chi phí xây dựng.

5.3. Trọng lượng nhẹ và dễ vận chuyển

Kết cấu thép có trọng lượng tương đối nhẹ so với bê tông cốt thép, giúp giảm tải trọng cho móng và dễ dàng vận chuyển, lắp đặt. Điều này cũng giúp giảm chi phí nhân công và vận chuyển.

5.4. Linh hoạt trong thiết kế

Kết cấu thép có thể dễ dàng thay đổi và điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu của các công trình khác nhau. Khả năng này đặc biệt hữu ích khi mở rộng hoặc sửa đổi công trình sau khi hoàn thành.

5.5. Chi phí hợp lý

Kết cấu thép có chi phí sản xuất và thi công tương đối thấp so với các phương pháp xây dựng truyền thống như bê tông cốt thép. Ngoài ra, thép còn có thể tái sử dụng, giúp tiết kiệm chi phí trong dài hạn.

6. Ứng dụng của kết cấu thép trong xây dựng

Kết cấu thép có ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại công trình khác nhau, từ công trình dân dụng đến công trình công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của kết cấu thép. 

6.1. Khung nhà xưởng, nhà máy

Kết cấu thép là lựa chọn lý tưởng cho các nhà xưởng, nhà tiền chế và nhà máy, nhờ vào khả năng chịu lực tốt và thi công nhanh chóng. Khung thép giúp tạo ra không gian rộng rãi, thoáng mát, phù hợp cho sản xuất và lưu trữ.

6.2. Xây dựng cầu đường bộ, cầu treo

Kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu đường bộ, cầu treo nhờ vào khả năng chịu tải trọng lớn và tính bền vững trước các yếu tố thời tiết khắc nghiệt.

6.3. Các công trình nhà thi đấu, khán phòng, mái che sân bay

Kết cấu thép cho phép xây dựng các công trình có nhịp lớn như nhà thi đấu, khán phòng, mái che sân bay mà không cần quá nhiều cột chống đỡ, tạo không gian thoáng rộng và linh hoạt.

6.4. Chung cư cao tầng, nhà tháp

Các công trình chung cư cao tầng, nhà tháp cũng sử dụng kết cấu thép để giảm tải trọng, đồng thời đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền cho công trình.

7. Lý do vì sao nên lựa chọn kết cấu thép

Việc lựa chọn kết cấu thép cho các công trình xây dựng mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Dưới đây là 5 lý do chính để lựa chọn kết cấu thép. 

7.1. Tiết kiệm chi phí

Kết cấu thép có chi phí thiết kế và xây dựng thấp hơn so với nhiều vật liệu khác, đồng thời giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa.

7.2. Khả năng sáng tạo trong thiết kế

Thép mang lại tính thẩm mỹ cao và sự linh hoạt trong thiết kế, giúp các kiến trúc sư dễ dàng tạo ra những công trình độc đáo và ấn tượng.

7.3. Kiểm soát và quản lý dễ dàng

Kết cấu thép được chế tạo sẵn tại nhà máy và lắp dựng tại công trường, giúp quá trình xây dựng được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo an toàn và chất lượng.

7.4. Linh hoạt trong sửa đổi

Kết cấu thép có thể dễ dàng sửa đổi hoặc mở rộng khi cần thiết, đáp ứng nhanh chóng các thay đổi trong quá trình sử dụng công trình.

7.5. Bền vững trước điều kiện môi trường

Kết cấu thép có khả năng chịu lực cao và bền vững trước các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như gió lớn, động đất, và mối mọt.

Kết cấu thép là một giải pháp xây dựng hiện đại và bền vững, mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho các công trình xây dựng. Từ tính linh hoạt, khả năng chịu lực cao đến tiết kiệm chi phí, kết cấu thép đang trở thành lựa chọn hàng đầu của các nhà thầu và kiến trúc sư. 

Nếu bạn đang tìm kiếm một giải pháp xây dựng hiệu quả, bền vững và tiết kiệm chi phí, kết cấu thép chính là sự lựa chọn lý tưởng cho công trình của bạn.

Để tìm hiểu thêm về kết cấu thép và nhận báo giá chi tiết, hãy truy cập BMB Steel – đơn vị chuyên thiết kế, gia công, thi công và cung cấp các giải pháp kết cấu thép hàng đầu tại Việt Nam.