Đặc điểm sử dụng của các loại xà gồ khác nhau là gì?

Một đội công nhân kho ở vùng Đồng bằng Canada từng dành ba ngày để bắt bu-lông cố định một mái dầm chữ C trông hoàn toàn hợp lý. Các nhịp dài, tải trọng tuyết nặng, và độ võng tại điểm giữa nhịp đã xuất hiện ngay cả trước khi các tấm mái nối đứng được lắp đặt đầy đủ. Việc chuyển sang dùng dầm chữ Z chồng lấp tại cùng khoảng cách cho phép kỹ sư giảm độ dày thép mà vẫn đạt được kết quả tốt hơn về độ võng. Công trình đó chưa từng gây tiếng vang trên báo chí, nhưng lại khái quát trọn vẹn quyết định chọn dầm purlin: hình dạng bạn chọn thầm lặng xác định giới hạn trên cho toàn bộ hành vi của hệ khung phụ.

Các dầm purlin tạo hình nguội xuất hiện chủ yếu dưới hai dạng hình học nổi bật và một lựa chọn thứ ba ít được chú ý. Những khác biệt này không chỉ mang tính thẩm mỹ. Tính đối xứng mặt cắt, khả năng chồng lấp, cũng như cách thành phần tương tác với hệ giằng và lớp bao che sẽ quyết định liệu mái nhà có dễ dàng chịu đựng được sự kiện tuyết rơi hay phát sinh hiện tượng mái gợn sóng – điều mà việc siết chặt thêm bulông cũng không thể khắc phục.

Dầm mặt cắt chữ C là loại làm việc hiệu quả trên nhịp đơn, chứ không phải thành phần mái đa dụng

Thanh xà gồ dạng chữ C là một thanh hình máng. Phần bụng nằm ở giữa, các cánh hướng cùng một chiều và mặt cắt đối xứng qua trục đứng của nó. Sự đối xứng này khiến việc phân tích trở nên cực kỳ dễ dàng, việc bắt bu-lông xuyên qua phần bụng cũng thuận tiện, đồng thời rất dễ dung nạp đối với đội thi công còn đang làm quen với nhịp độ lắp dựng hệ khung phụ.

Điểm hạn chế nằm ở tính liên tục. Một thanh tiết diện chữ C không thể ghép nối liền mạch với thanh kế tiếp như thanh chữ Z. Các thanh xà gồ có thể được bắt bu-lông đầu nối đầu, nhưng mối nối đó không tạo thành một dầm chồng lấn thực sự. Mỗi nhịp chịu lực chủ yếu độc lập với nhau, dẫn đến mô-men dương tại giữa nhịp cao hơn và độ võng lớn hơn khi chịu cùng một tải so với phương án bố trí liên tục. Đối với thanh giằng tường, mái có nhịp ngắn và các xưởng nhỏ mà nhịp không vượt quá khoảng 6–7,3 m, hạn chế này hầu như không gây ảnh hưởng. Ngoài ra, tiết diện chữ C cũng linh hoạt hơn khi đi qua các ô cửa. Việc thiết kế chi tiết khung cửa sổ và cửa ra vào trở nên dễ dàng hơn khi các cánh đã hướng theo một chiều nhất quán.

Một quy tắc thực tiễn áp dụng hiệu quả trong hầu hết các công trình công nghiệp một tầng thấp: nếu nhịp mái ngắn và tải trọng tương đối nhẹ, thì thanh C không phải là giải pháp thỏa hiệp — mà chính là lựa chọn kinh tế nhất. Tuy nhiên, nếu dùng cùng loại thanh này cho nhịp 30 feet kèm tải trọng tuyết thiết kế đáng kể, thì các kiểm tra độ võng sẽ cho kết quả hoàn toàn khác.

Thanh Z thay đổi phương trình tính toán nhờ cách nối chồng, nhưng đồng thời đòi hỏi người lắp đặt phải thực hiện kỹ lưỡng hơn.

Thanh Z có tính đối xứng điểm: xoay thanh quanh tâm của nó 180 độ sẽ thu được hình dạng trùng khớp với chính nó. Hình học này cho phép các đoạn thanh liền kề chồng lấn và nối chồng lên nhau tại các gối tựa, biến một dãy thanh purlin rời rạc thành cấu kiện gần giống dầm liên tục.

Lợi ích về mặt kết cấu không phải là ngôn ngữ tiếp thị. Xà gồ Z chồng lấp phân phối mô-men hiệu quả hơn, làm giảm mô-men dương cực đại tại giữa nhịp và kéo giảm độ võng mà không cần tăng chiều cao tiết diện. Các so sánh trong ngành cho thấy lợi thế tải trọng khoảng 20–30% so với xà gồ C tương đương, tùy thuộc vào chiều dài phần chồng lấp, độ dày vật liệu và hệ giằng. Bảng nhịp tương ứng cũng thay đổi: xà gồ C thường đạt tối đa khoảng 24 feet, trong khi xà gồ Z chồng lấp dễ dàng đạt nhịp 30–40 feet ở cùng nhóm chiều cao tiết diện.

Dung lượng bổ sung này đi kèm chi phí tại công trường. Hướng lắp đặt rất quan trọng. Hướng cánh phải phù hợp với độ dốc mái; trên mái dốc lớn, việc lắp ngược xà gồ Z không phải là sai sót nhỏ. Các mối nối chồng lấp yêu cầu bố trí bulông đúng quy cách và siết chặt đúng lực, còn đội thi công vội vàng trong khâu chồng lấp có thể tạo ra điểm cứng—một vị trí hoạt động hoàn toàn khác với mô hình thiết kế.

Một dự án cải tạo nhà máy hóa chất tại vùng Trung Tây Hoa Kỳ là một ví dụ minh họa hữu ích. Hệ khung mái hiện hữu sử dụng tấm lợp gắn xuyên qua trên xà gồ chữ Z cách nhau 5 feet (khoảng 1,5 mét) theo khoảng cách tâm. Hệ thống mái seam đứng mới được lắp đặt thêm phụ kiện kẹp và thay đổi đường truyền chuyển động nhiệt. Các đoạn xà gồ chữ Z có đủ độ bền thô, nhưng các bu-lông nối chồng tại các nhịp đầu mút chưa từng được thiết kế để chịu các lực nâng ngược chiều mà phụ kiện mái seam đứng truyền vào mép trên của xà gồ. Giải pháp khắc phục không phải là tăng độ dày vật liệu, mà là điều chỉnh lại mẫu nối chồng và sử dụng phụ kiện trượt tại đường khung, cho phép mái di chuyển mà không kéo mép xà gồ xoay theo.

Các xà gồ tiết diện mũ giải quyết một vấn đề khác, thường khi vật liệu ốp cần mặt sau phẳng

Các thanh định hình dạng mũ là loại tiết diện thứ ba ít khi được ưu tiên hàng đầu nhưng lại xuất hiện trong rất nhiều gói nhà thép tiền chế. Tiết diện này hở ở phía dưới, với hai cánh tựa lên kết cấu chịu lực chính và một mặt trên phẳng để đặt tấm lợp. Chính mặt trên phẳng này là điểm nổi bật. Các tấm lợp seam đứng có tiết diện rộng, hệ khung phụ cải tạo, cũng như các trường hợp lớp bao che yêu cầu bề mặt tựa phẳng liên tục thường ưa chuộng sử dụng tiết diện dạng mũ thay vì tiết diện C hoặc Z hở.

Thanh xà gồ dạng mũ không phải lựa chọn phù hợp cho nhịp thông thủy dài 35 feet. Khả năng chịu uốn quanh trục mạnh của chúng thấp hơn so với tiết diện Z có cùng chiều sâu, đồng thời chúng cũng không đảm bảo tính liên tục khi chồng lấp như tiết diện Z. Tuy nhiên, đối với các nhịp ngắn hơn, phần trần mái (soffit) và kết cấu phụ thứ cấp—nơi hình học của lớp bao che quy định hình dạng tiết diện—thì tiết diện dạng mũ có thể loại bỏ hiện tượng biến dạng tấm lợp khó chịu do các cánh hở gây ra.

Bảng so sánh thường chấm dứt cuộc tranh luận

Các con số bên dưới phản ánh thực tiễn phổ biến về thép hình nguội ở Bắc Mỹ. Chúng không phải là hằng số phổ quát, nhưng chúng mô tả trung thực sự đánh đổi giữa các yếu tố.

Các quyết định về gia cố và phủ lớp thường quan trọng hơn nhãn hồ sơ tiết diện

Một thanh xà gồ không có thanh giằng ngang là một dầm chưa được gia cố, chỉ chờ lý do để xoay. Hướng dẫn của Hiệp hội Các Nhà Sản xuất Nhà Khung Thép đặt giới hạn khoảng cách giữa các thanh giằng ngang ở mức tối đa bằng 60 lần chiều sâu của xà gồ, mặc dù ở những khu vực có gió mạnh, giới hạn này thường được thu hẹp xuống còn 40 lần chiều sâu. Cơ chế phá hoại không hề tinh tế. Các mép trong chưa được gia cố theo phương ngang sẽ bị mất ổn định trước tiên, và một khi xà gồ xoay quá vài độ, khả năng chịu tải trọng thẳng đứng của nó sẽ giảm mạnh. Một công trình trông có vẻ an toàn trên bản vẽ có thể mất toàn bộ một nhịp dưới tải trọng nhẹ hơn tải trọng tuyết thiết kế.

Lớp phủ là yếu tố biến đổi âm thầm khác. Tiêu chuẩn ASTM A653 đặt nền tảng cho thép cán nguội được mạ kẽm. Lớp phủ G90 phổ biến trong các công trình công nghiệp nội địa, nhưng một vị trí nằm trong bán kính 10 dặm tính từ bờ biển hoặc bên trong khu vực xử lý hóa chất thường đòi hỏi nâng cấp lên lớp phủ G115 hoặc G140. Chênh lệch chi phí rất nhỏ so với chi phí nhân công tháo dỡ toàn bộ mái để thay thế các thanh xà gồ bị gỉ đỏ sau một thập kỷ sử dụng. Không có lựa chọn nào về hình dạng mặt cắt ngang nào bù đắp được việc bảo vệ chống ăn mòn không đủ yêu cầu.

Nơi Lựa Chọn Hình Dạng Mặt Cắt Gặp Thực Tế Chế Tạo

Mọi quyết định liên quan đến thanh xà gồ cuối cùng đều phụ thuộc vào máy cán định hình. Một tiết diện dạng chữ C và một tiết diện dạng chữ Z không thể thay thế cho nhau như các sản phẩm đầu ra từ cùng một cấu hình máy mà không thay đổi khuôn, đồng thời chất lượng mối nối chồng, độ đồng đều của góc mép và độ thẳng đều phụ thuộc vào mức độ kiểm soát chặt chẽ dây chuyền. Một tiết diện lệch vài độ so với góc vuông có thể biến một dãy thanh Z lý thuyết liên tục thành một hàng các thanh không xếp khít vào nhau một cách chính xác, dẫn đến tải trọng phân bố không đều trên các bu-lông nối chồng và hệ thanh giằng phải chống đỡ một hệ thống bị cong vênh.

Shenyang Zhongwei Heavy Industry vận hành thiết bị tạo hình nguội có khả năng chuyển đổi giữa các mặt cắt dạng C và Z với thời gian ngừng máy để thay đổi giới hạn, nhờ đó việc lựa chọn mặt cắt phù hợp với nhịp và trường hợp tải trở nên thực tế hơn thay vì ép buộc sử dụng mặt cắt tiêu chuẩn vào bố trí không phù hợp. Cùng một dây chuyền sản xuất cung cấp cả công đoạn cắt theo chiều dài và đục lỗ trước khi lắp đặt, do đó mẫu chồng mí và các lỗ bắt thanh giằng đến hiện trường đã được căn chỉnh sẵn theo trình tự lắp dựng. Mức độ kỷ luật sản xuất như vậy không làm thay đổi các phép tính kỹ thuật, nhưng giúp đảm bảo các phép tính ấy không bị ảnh hưởng bởi các vấn đề lắp ghép tại hiện trường.