Khi nói đến khả năng chịu lực, ống vuông phân bổ lực đều trên cả bốn cạnh, nhờ đó có khả năng chống lại khá tốt các lực uốn và xoắn. Các góc vuông tạo thêm độ cứng tự nhiên cho kết cấu. Lấy ví dụ ống thép vuông ASTM A500 Grade B, chúng có thể chịu được khoảng 46.000 pound trên inch vuông trước khi bắt đầu biến dạng dẻo. So với ống tròn có kích thước tương tự, các tiết diện vuông này có mô men quán tính lớn hơn khoảng 1,7 lần. Nhờ hình dạng hiệu quả này, các kỹ sư thường lựa chọn ống vuông cho các cột nhà, giàn cầu và khung kết cấu nơi mà tải trọng xuất hiện từ nhiều hướng khác nhau trong suốt cả ngày.
Các ống vuông kết cấu tiêu chuẩn được làm từ thép cacbon với các mác thép phù hợp với nhu cầu hiệu suất cụ thể:
| Bất động sản | ASTM A500 Grade B | ASTM A513 Type 5 |
|---|---|---|
| Độ bền kéo (psi) | 46,000 | 50,000 |
| Cường độ chịu kéo (psi) | 58,000 | 70,000 |
| Sử dụng chính | Khung chịu lực | Các bộ phận máy móc |
Tiết diện rỗng giảm trọng lượng tới 40% so với thanh đặc trong khi vẫn giữ được 85–92% khả năng chịu tải nhờ phân bố ứng suất hiệu quả dọc theo chu vi.
Ống vuông có khả năng chống uốn lớn hơn 1,3 lần so với ống tròn và độ cứng xoắn cao hơn 22% so với ống chữ nhật nhờ vào hình học đối xứng giúp loại bỏ điểm yếu theo từng trục. Một ống vuông 4 inch có thể chịu được tải nén 15.000 lbs mà không bị cong vênh, trong khi ống tròn tương đương chỉ chịu được 11.200 lbs.
Các ống thép vuông làm từ thép mềm cán nóng cho thấy các dạng phá hủy có thể dự đoán được khi quá tải, với giới hạn chảy dao động từ 36.000 psi (cấp A) đến 50.000 psi (cấp C). Với mô men quán tính điển hình (I") là 8,22 in₄ trên mỗi foot dài, chúng cho phép các nhịp đỡ dài hơn tới 30% so với các loại dầm I tương đương trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao.
Hình dạng vuông của ống thép mang lại độ cứng xoắn tuyệt vời vì các góc vuông này phân bố lực tốt hơn. Điều này khiến những ống này đặc biệt hiệu quả trong việc chịu tải trọng đứng từ phía trên và các lực ngang tác động vào chúng, đó là lý do vì sao chúng rất phổ biến trong xây dựng nhà nhiều tầng. Về thông số kỹ thuật thực tế, ống ASTM A500 cấp B đã trở thành tiêu chuẩn trong nhiều công trình chống động đất. Những ống này cần đạt yêu cầu tối thiểu về cường độ chịu kéo khoảng 46 ksi (kilogam lực trên inch vuông). Cách mà vật liệu này xử lý ứng suất trên toàn bộ diện tích bề mặt giúp ngăn ngừa sự hình thành các điểm yếu trong quá trình xảy ra động đất. Việc phân bố đều này ngăn chặn hiện tượng cong vênh cục bộ và nói chung làm cho các tòa nhà trở nên bền vững hơn khi đối mặt với hoạt động địa chấn.
Kích thước tiêu chuẩn của ống vuông giúp tối ưu hóa sản xuất hàng loạt trong xây dựng module. Các dự án sử dụng ống vuông mạ kẽm 4"x4" với mối hàn MIG báo cáo thời gian lắp ráp nhanh hơn 20–30% so với phương pháp truyền thống. Độ chính xác về kích thước này giảm thiểu lao động tại công trường và hỗ trợ dung sai chặt chẽ trong các thành phần dự chế như cầu thang, giàn mái và tấm tường.
Ống vuông đã trở thành vật liệu được ưa chuộng đối với các kiến trúc sư khi cần một thứ vừa có độ bền kết cấu tốt, vừa có tính thẩm mỹ cao. Hãy lấy ví dụ những ống thép không gỉ kích thước 2 inch nhân 2 inch được phủ lớp sơn tĩnh điện – chúng có thể tồn tại tới nửa thế kỷ mà không bị rỉ sét, ngay cả khi được lắp đặt trên các tòa nhà gần biển, điều này thật ấn tượng khi xét đến việc không khí mặn ăn mòn vật liệu thông thường rất nhanh. Các thành phố khắp nơi đang bắt đầu sử dụng những ống vuông dày dặn hơn, từ độ dày 8 đến 12 gauge, tại các khu vực như chỗ đậu xe đạp và điểm dừng phương tiện giao thông công cộng. Loại vật liệu này chống chịu được hành vi phá hoại tốt hơn hầu hết các lựa chọn thay thế, đồng thời vẫn mang lại vẻ ngoài hiện đại, thanh lịch mà nhiều chính quyền địa phương mong muốn cho các dự án cơ sở hạ tầng hiện nay.
Một tòa nhà mới cao 15 tầng kết hợp không gian ở và thương mại gần đây đã đạt được chứng nhận LEED Gold nhờ việc sử dụng sáng tạo các ống thép tái chế, chiếm một nửa khung xương ngoại lực. Các kiến trúc sư đã giảm được khoảng 18 phần trăm lượng thép sử dụng tổng thể mà vẫn đảm bảo đầy đủ các yêu cầu về độ bền cấu trúc cần thiết. Sau khi hoàn thành xây dựng, việc giám sát năng lượng cho thấy tiết kiệm khoảng 12 phần trăm chi phí sưởi ấm trong suốt cả năm. Một phần của hiệu quả này đến từ việc các ống thép rỗng này hoạt động tốt hơn về mặt nhiệt so với ống đặc, làm giảm thất thoát nhiệt qua các phần khác nhau của vỏ bao che công trình.
Hình dạng ống vuông với các cạnh bằng nhau mang lại độ cứng xoắn vượt trội, làm cho nó lý tưởng cho các máy móc chính xác như tay robot và hệ thống băng tải. Trong các đế máy CNC, nó phân bổ rung động hoạt động đều hơn so với dầm chữ I, giảm thiểu méo hài lên đến 40% (ASM International 2023).
Ống thép mạ vuông thực sự bền bỉ khi trải qua các chu kỳ ứng suất lặp đi lặp lại, đặc biệt là trong những nơi sử dụng cùng với máy dập hoặc bên trong hệ thống thủy lực. Các cạnh của những ống này có thể được hàn kín toàn bộ, điều này cho phép chúng ta gia cố những vị trí chịu tác động ứng suất mạnh nhất. Hơn nữa, thành ống của chúng giữ độ dày tương đối đồng đều trên toàn chiều dài, do đó chúng không bị phá hủy đột ngột ngay cả khi chịu áp lực trên 700 MPa. Khi kỹ sư tiến hành các bài kiểm tra mỏi, khung ống vuông kéo dài thời gian sử dụng khoảng 25 phần trăm trước khi hư hỏng so với các ống hình chữ nhật tương tự dùng trong các thiết bị xử lý vật liệu. Điều này tạo nên sự khác biệt đáng kể trong môi trường công nghiệp, nơi thời gian ngừng hoạt động đồng nghĩa với chi phí.
Các kích thước ống vuông tiêu chuẩn dao động từ 25 trên 25 milimét đến tận 150 trên 150 milimét thực sự giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất trong các lĩnh vực như thiết bị nông nghiệp và máy móc đóng gói. Khi các nhà sản xuất lựa chọn ống thép carbon đã được chứng nhận ASTM A500, họ sẽ đạt được chất lượng ổn định từ lô này sang lô khác. Sự nhất quán này thực tế giúp tiết kiệm thời gian trong các thao tác lắp ráp bằng robot, với một số nhà máy báo cáo giảm khoảng 18 phần trăm thời gian thiết lập so với việc sử dụng các thanh định hình theo đơn đặt hàng. Đối với những ứng dụng cần thêm lớp bảo vệ chống rỉ sét và nhiễm bẩn, các phiên bản đã mạ kẽm sẵn mang lại hiệu quả đặc biệt tốt tại các nhà máy chế biến thực phẩm và cơ sở dược phẩm, nơi việc giữ bề mặt sạch sẽ và ngăn ngừa ăn mòn là yếu tố hoàn toàn thiết yếu để tuân thủ quy định và đảm bảo an toàn.
Các ống vuông hiệu quả trong các cây cầu dành cho người đi bộ và phương tiện giao thông nhẹ nhờ phân bố tải trọng cân bằng và độ ổn định xoắn tốt. Hình dạng đối xứng của chúng làm giảm tập trung ứng suất tại các mối nối. Phân tích kết cấu cho thấy các nhịp lên đến 18 mét trong cầu đi bộ chỉ gây ra độ võng 8% so với dầm I tương đương (Bridge Design International 2023).
Tiết diện kín của ống vuông cung cấp khả năng giảm chấn tốt hơn 22% so với các tiết diện dạng máng hở. Đặc tính này rất quan trọng đối với cơ sở hạ tầng chịu tác động của gió hoặc tải trọng giao thông lặp lại. Các thử nghiệm xác nhận rằng những ống này duy trì độ bền sau 1,2 triệu chu kỳ tải ở mức ứng suất 85 MPa (Báo cáo Hiệu suất Vật liệu 2023).
Một dự án cải tạo năm 2022 tại bờ Vịnh Florida đã thay thế các trụ bê tông cũ bằng ống thép vuông mạ kẽm nhúng nóng. Giải pháp phủ kẽm này mang lại:
Ống vuông hoạt động khá tốt trong các ứng dụng chịu tải thông thường nhưng bắt đầu bộc lộ hạn chế khi dự án yêu cầu vật liệu có giới hạn chảy vượt quá 650 MPa. Khi xây dựng những cây cầu lớn với nhịp vượt trên 300 mét, phần lớn kỹ sư kết cấu ngày nay chọn giải pháp lai. Họ kết hợp ống vuông với lõi bê tông cốt thép bên trong, mang lại độ ổn định tổng thể tốt hơn. Phiên bản mới nhất của Bộ quy chuẩn Cầu ASCE thực tế đã đặt ra giới hạn về khoảng cách mà ống vuông có thể sử dụng mà không cần điểm tựa trong các khu vực thường xuyên di chuyển hàng hóa nặng. Theo bản sửa đổi năm 2023, các nhịp không được hỗ trợ tối đa chỉ ở mức khoảng 45 mét trước khi cần gia cố thêm vì lý do an toàn.
Các loại ống vuông khác nhau như thép mềm, thép không gỉ và thép mạ kẽm đều có những vị trí riêng biệt tùy thuộc vào yêu cầu công việc, ngân sách sẵn có và vị trí lắp đặt. Thép mềm khá tiết kiệm chi phí và đủ độ bền cho hầu hết các công trình trong nhà vì có thể chịu được lực kéo đứt khoảng 370 đến 500 MPa. Tuy nhiên, khi điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn, đặc biệt gần nước biển hoặc hóa chất, thép không gỉ trở thành lựa chọn hàng đầu. Các mác 304 và 316 chứa ít nhất 10,5% crôm tạo nên lớp màng thụ động giúp chống gỉ rất tốt. Đó là lý do tại sao chúng ta thấy các vật liệu này được sử dụng phổ biến trong các xưởng đóng tàu và nhà máy xử lý các chất ăn mòn hàng ngày. Thép mạ kẽm có mức giá nằm ở giữa nhưng vẫn hoạt động hiệu quả ngoài trời nhờ lớp phủ kẽm. Hầu hết các chuyên gia cho rằng lớp bảo vệ này có thể kéo dài từ 20 đến khoảng 30 năm trước khi cần bảo trì lại.
| Bất động sản | Thép mềm | Thép không gỉ | Thép Mạ Kẽm |
|---|---|---|---|
| Khả năng chống ăn mòn | Thấp | Cao | Trung bình |
| Chi phí (mỗi mét) | $18–$25 | $45–$120 | $28–$40 |
| Tuổi thọ (Năm) | 10–15 | 30–50+ | 20–40 |
| Ứng dụng tốt nhất | Khung kết cấu trong nhà | Môi trường khắc nghiệt | Ngoài trời |
Bảng 1: Các chỉ số hiệu suất được rút ra từ việc so sánh vật liệu theo tiêu chuẩn ngành
Các bài kiểm tra đã cho thấy ống mạ kẽm chống gỉ tốt hơn khoảng 5 đến 7 lần so với thép cacbon thông thường khi được thử nghiệm phun muối theo tiêu chuẩn ASTM B117. Thép không gỉ, mặt khác, thực sự nổi bật trong các điều kiện khắc nghiệt nơi có nhiều độ ẩm hoặc tiếp xúc với hóa chất. Ngay cả sau khi bị phơi nhiễm liên tục trong 1000 giờ, nó gần như không xuất hiện dấu hiệu ăn mòn nào với mức hao mòn dưới 0,1 mm mỗi năm. Một nghiên cứu gần đây của NACE năm 2023 cũng phát hiện ra điều thú vị. Khi nhiệt độ vượt quá 60 độ C, lớp phủ kẽm bắt đầu phân hủy khá nhanh. Nhưng thép không gỉ? Loại vật liệu này vẫn giữ được độ bền vững chắc cho tới khoảng 870 độ C trước khi xuất hiện bất kỳ vấn đề thực sự nào. Điều này lý giải vì sao nhiều ngành công nghiệp ưa chuộng nó trong các ứng dụng nhiệt độ cao.
Đối với các ứng dụng trong nhà, khô ráo, thép mềm mang lại giải pháp tiết kiệm chi phí nhất. Thép mạ kẽm cân bằng giữa độ bền và chi phí ban đầu cho các lắp đặt ngoài trời, với tuổi thọ từ 35–50 năm. Thép không gỉ được ưu tiên trong các môi trường ven biển hoặc công nghiệp, nơi mà khoản đầu tư ban đầu cao hơn sẽ ngăn ngừa chi phí thay thế dài hạn vượt quá 180 đô la Mỹ mỗi mét dài trong hai thập kỷ.
Ống vuông cung cấp độ cứng xoắn tuyệt vời và phân bố tải trọng cân bằng, làm cho nó lý tưởng cho các cấu trúc chịu lực, giàn và khung.
Ống vuông có khả năng chống uốn tốt hơn so với ống tròn và độ cứng xoắn cao hơn so với ống chữ nhật, làm cho nó hiệu quả hơn về độ bền kết cấu.
Thép không gỉ cung cấp khả năng chống ăn mòn cao, đặc biệt trong môi trường có độ ẩm hoặc tiếp xúc hóa chất, làm cho nó phù hợp với các khu vực ven biển hoặc công nghiệp.
Các yếu tố cần xem xét bao gồm chi phí, độ bền, khả năng chống ăn mòn và điều kiện môi trường cụ thể nơi ống sẽ được lắp đặt.
EN
