Hướng dẫn chọn quy cách inox hộp vuông, chữ nhật cho khung kết cấu

Inox hộp vuông/chữ nhật là vật liệu “xương sống” cho nhiều hạng mục khung sườn và kết cấu: mái che, giàn biển bảng, lan can, kệ kho, khung máy… Bài viết này cung cấp hướng dẫn chọn quy cách tối ưu (mác thép, kích thước, độ dày, hoàn thiện, tiêu chuẩn) kèm phương pháp tính nhanh độ bền/độ võng để bạn ra quyết định chính xác, tiết kiệm và an toàn. Chủ đề này là một mảnh ghép quan trọng trong bức tranh tổng thể về ống và hộp inox trong công nghiệp.

1) Inox hộp vuông/chữ nhật: Khái niệm, tiêu chuẩn và quy cách thị trường

– Định nghĩa và sản xuất: Hộp inox (square/rectangular hollow sections) thường là ống hàn dọc (ERW/TIG) từ dải inox cuộn, hiệu chỉnh và nắn thẳng; mối hàn có thể được xử lý (bead rolled, pickling & passivation) tùy cấp chất lượng.
– Tiêu chuẩn tham chiếu:
– ASTM A554: Ống inox hàn cho mục đích cơ khí/trang trí, áp dụng phổ biến cho hộp vuông/chữ nhật dùng khung sườn, lan can, mái che (non‑pressure) tại VN.
– GB/T 12770 (Trung Quốc): Ống inox hàn cho kết cấu cơ khí, có hạng mục hộp vuông/chữ nhật, dùng rộng rãi ở nguồn cung Châu Á.
– Thành phần mác thép theo ASTM A240/EN 10088 (304/304L, 316/316L, 201, 430…).
– Quy cách phổ biến tại VN:
– Kích thước mặt cắt: 20×20, 25×25, 30×30, 40×40, 50×50, 60×60, 80×80; rectangular: 20×40, 30×60, 40×80, 50×100 (mm).
– Độ dày: 0.6–3.0 mm cho hạng mục kiến trúc/trang trí; 3.0–6.0 mm cho kết cấu nặng, đặc biệt hoặc theo đặt hàng.
– Chiều dài: 6 m/thanh (chuẩn thị trường).
– Hoàn thiện bề mặt: 2B, No.4/HL (hairline), BA (gương), kèm màng PE bảo vệ.

2) Chọn mác inox theo môi trường ăn mòn

– Trong nhà khô ráo: 201/430 có thể đủ (kinh tế), 304 bền hơn với vệ sinh/ẩm nhẹ.
– Ngoài trời nội đô (xa biển >10–20 km): 304/304L là lựa chọn cân bằng. 201 chỉ nên dùng cho hạng mục thứ yếu, ít ứ đọng nước; cần bảo trì.
– Ven biển/công nghiệp hóa chất (ẩm mặn, SOx/NOx): 316/316L kháng pitting/crevice tốt hơn nhờ Mo; bắt buộc ở sơn hải, cầu cảng, khu mạn gió biển.
– Môi trường rất khắc nghiệt (C5/Marine, bể điện phân, chlorine): cân nhắc 316L bề mặt tốt, hoặc duplex 2205 nếu vừa cần kháng ăn mòn vừa chịu lực cao.
Ghi chú: 201 (Mn-Ni thấp) rẻ nhưng kém bền mặn; 430 là ferritic (hút nam châm), kháng gỉ trung bình, hàn/kéo uốn hạn chế hơn austenitic (304/316).

3) Xác định kích thước và độ dày: nguyên tắc cơ học thực dụng

3.1 Các tham số thiết kế nhanh

– Nhịp L (m) và tải trọng tác dụng w (kN/m) hoặc tải tập trung P (kN).
– Mô đun đàn hồi E ≈ 193 GPa (austenitic), giới hạn chảy Fy điển hình: 304/316 ≈ 205 MPa; 201 ≈ 275 MPa (thay đổi theo nhà sản xuất, độ cứng sau cán).
– Yêu cầu độ võng: kết cấu nhẹ ngoài trời thường lấy L/200 đến L/300 (nghiêm ngặt hơn cho mặt kính/ốp: L/300–L/360).

3.2 Công thức cơ bản (dầm giản đơn)

– Mô men quán tính của hộp chữ nhật (b×h, dày t; bề dày đều, đơn vị m):
I = [b·h^3 − (b−2t)·(h−2t)^3] / 12
– Mô đun chống uốn theo trục mạnh: W = I / (h/2)
– Ứng suất uốn: σ = M / W ≤ σ_allow (thực hành có thể lấy σ_allow ≈ 0.6·Fy)
– Với tải đều: M_max = w·L^2 / 8; Độ võng max: δ = 5·w·L^4 / (384·E·I)
– Cột chịu nén (xấp xỉ): P_cr = π^2·E·I / (K·L)^2 (Euler), cần xét ổn định tổng thể và dẹt cục bộ.

3.3 Tỷ số mảnh b/t để tránh dẹt cục bộ

– Quy tắc thực dụng cho hộp inox lạnh mỏng:
– Bending chủ đạo: h/t và b/t ≤ 60.
– Nén/ép kết hợp: h/t và b/t ≤ 40–50.
Chọn t đủ dày giúp mối hàn chắc, hạn chế biến dạng khi gia công/thi công.

4) Ví dụ tính nhanh: khung dầm mái che nhịp 2.5 m

Bài toán: Dầm thép hộp chữ nhật 40×80×2.0 (mm), inox 304, nhịp L = 2.5 m, tải đều w (kể cả tự trọng). Kiểm tra sức kháng và võng.
– Tham số hình học (m): b=0.04; h=0.08; t=0.002
– I ≈ 3.90×10^−7 m^4; W ≈ 9.74×10^−6 m^3
– Lấy σ_allow ≈ 0.6·Fy ≈ 0.6·205 ≈ 123 MPa
– M_max_allow = σ_allow·W ≈ 1.17 kN·m
– w_allow = 8·M / L^2 ≈ 1.5 kN/m → tổng tải cho 1 dầm ≈ 3.75 kN (≈ 375 kgf) trên nhịp 2.5 m
– Kiểm tra võng với w = 1.5 kN/m: δ ≈ 10 mm → L/δ ≈ 250 (đạt L/200, tiệm cận L/240)
Kết luận: 40×80×2.0 (304) phù hợp cho mái che nhẹ nhịp 2.5 m ở mức độ võng L/200–L/240. Nếu yêu cầu L/300 hoặc tải nặng hơn, tăng bề dày lên 2.5–3.0 mm, hoặc tăng chiều cao tiết diện (ví dụ 50×100).

Lưu ý: Đây là tính nhanh bảo thủ cho dầm đơn giản; các hệ khung phức tạp, liên kết thực tế, tải gió/động, tác động điểm neo… cần kỹ sư kết cấu thẩm tra theo tiêu chuẩn thiết kế (ví dụ EN 1993‑1‑4 cho inox).

5) Gợi ý quy cách theo ứng dụng thực tế

– Lan can, tay vịn, khung cửa nhẹ (trong nhà):
– 201/430 hoặc 304; hộp 20×20–40×40; t = 0.8–1.2 mm; hoàn thiện HL/BA tùy thẩm mỹ.
– Mái che, giàn biển bảng ngoài trời nội đô:
– 304 (ưu tiên); dầm chính 40×80, 50×100; t = 1.5–3.0 mm; giằng 30×60; liên kết hàn + bulông inox A2.
– Cổng, hàng rào, kiosk:
– 304; khung 40×40–60×60; t = 1.2–2.0 mm; bản lề và ốc inox đồng bộ để tránh ăn mòn điện hóa.
– Kệ/khuôn, bệ máy trong xưởng thực phẩm/dược:
– 304/316; 30×60–50×100; t = 1.5–3.0 mm; bề mặt No.4/2B dễ vệ sinh.
– Ven biển, công trình tiếp xúc sương muối:
– 316/316L bắt buộc; hạn chế tiết diện quá mảnh (b/t ≤ 50); ưu tiên bề mặt mịn, vệ sinh định kỳ.
– Kết cấu/môi trường rất nặng, cần độ cứng cao và chống gỉ:
– Duplex 2205 (theo đặt hàng): tiết diện có thể nhỏ hơn nhờ cường độ cao, nhưng cần thợ hàn chuyên inox duplex.

6) Tối ưu độ dày và khối lượng: công thức nhanh

– Diện tích tiết diện xấp xỉ (mm²): A ≈ 2·t·(b + h − 2t)
– Khối lượng lý thuyết (kg/m): m ≈ 0.008 × A = 0.016·t·(b + h − 2t)
Ví dụ: Hộp 40×80×2.0 → A ≈ 2×2×(40+80−4)= 4×116 = 464 mm² → m ≈ 0.008×464 ≈ 3.71 kg/m.
Gợi ý: Tăng chiều cao h hiệu quả hơn tăng độ dày t khi cần giảm võng, giúp tiết kiệm trọng lượng và chi phí.

7) Hoàn thiện bề mặt và thi công

– Lựa chọn bề mặt:
– 2B: kinh tế, trong nhà/khuất; No.4/HL: thẩm mỹ, che xước tốt; BA: sáng gương, yêu cầu bảo vệ/bao bọc kỹ khi thi công.
– Hàn: TIG/MIG với dây tương thích (308L cho 304; 316L cho 316). Tránh để xỉ/oxy hóa; pickling & passivation sau hàn để phục hồi màng thụ động chống gỉ.
– Cắt khoan: dùng lưỡi cắt hợp kim/CBN, tốc độ và làm mát phù hợp để tránh cháy xanh mép cắt (tạo điểm ăn mòn).
– Lắp dựng: tách ly inox với thép cacbon/đồng bằng đệm nhựa/EPDM để giảm ăn mòn điện hóa; trám kín khe hở đọng muối.
– Bảo vệ: màng PE trong vận chuyển; lưu kho khô ráo; tránh tiếp xúc vữa xi măng/axit rửa không trung hòa.

8) Kiểm tra chất lượng và dung sai

– Tham chiếu dung sai ASTM A554/GB‑T 12770: kích thước ngoài, độ dày, độ vuông góc, độ thẳng, nhám bề mặt, điều kiện mối hàn. Thị trường VN thường: chiều dài 6 m, dung sai chiều dài khoảng ±10 mm; dung sai độ dày và kích thước ngoài theo cấp nhà máy (yêu cầu CO/CQ rõ ràng).
– Hạng mục cần kiểm:
– Phân tích mác (PMI) hoặc test Ni/Cr định tính khi cần.
– Đo độ dày thực tế; kiểm mối hàn (độ đều, không rỗ/cháy); kiểm độ thẳng/vuông.
– Với hạng mục ngoài trời: yêu cầu passivation sau hàn; thử phun muối (ISO 9227) khi cần chứng minh khả năng kháng gỉ bề mặt.

9) Quy trình chọn quy cách 5 bước

1) Xác định công năng, nhịp, tải, mức võng yêu cầu và môi trường (nội đô, ven biển, hóa chất).
2) Chọn mác: 201/430 (trong nhà kinh tế), 304 (đa dụng), 316 (biển/hóa chất), 2205 (đặc biệt).
3) Chọn sơ bộ tiết diện: ưu tiên tăng h (chiều cao) trước khi tăng t nếu cần chống võng; kiểm tra tỷ số b/t.
4) Tính nhanh sức kháng/độ võng theo công thức ở mục 3; với hạng mục quan trọng, nhờ kỹ sư kết cấu thẩm tra theo tiêu chuẩn inox.
5) Xác nhận tiêu chuẩn, dung sai, bề mặt, yêu cầu passivation; lấy mẫu/CO‑CQ; chốt tiến độ và giá.

10) Lợi ích vòng đời và chi phí

– 201 rẻ hơn 304 khoảng 20–40% nhưng rủi ro gỉ ngoại thất cao → chi phí bảo trì/đổi mới lớn.
– 316 cao hơn 304 khoảng 30–60% nhưng bền mặn vượt trội → tiết kiệm vòng đời ở ven biển.
– Tối ưu thiết kế (tăng h, kiểm soát b/t, chọn bề mặt đúng) giúp giảm 5–15% vật liệu mà vẫn đạt độ cứng.

Nguồn tham khảo

– ASTM A554 – Standard Specification for Welded Stainless Steel Mechanical Tubing: https://www.astm.org/a0554-21.html
– GB/T 12770 – Welded Stainless Steel Tubes for Mechanical Structures (CN)
– Euro Inox – The Selection of Stainless Steels for Building Exterior Applications: https://www.euro-inox.org
– IMOA – Stainless Steel Selection for Coastal and Marine Environments: https://www.imoa.info
– Outokumpu Corrosion Handbook (tư liệu chọn mác theo môi trường)

Kết luận

– Chọn đúng mác inox theo môi trường (304 cho nội đô, 316 cho ven biển) quyết định độ bền gỉ.
– Về cơ học, ưu tiên tăng chiều cao tiết diện, kiểm soát b/t, và chọn độ dày đủ cho hàn/ổn định; kiểm tra sức kháng và võng bằng công thức đơn giản trước khi chốt quy cách.
– Xác nhận tiêu chuẩn (ASTM A554/GB‑T 12770), dung sai, bề mặt và xử lý passivation để bảo đảm tuổi thọ.
– Với cách tiếp cận trên, inox hộp vuông/chữ nhật sẽ cho khung sườn, kết cấu vừa chắc, vừa đẹp, tối ưu chi phí vòng đời.

Cần tư vấn chi tiết bản vẽ và tối ưu chi phí vật liệu? Liên hệ Inox Cuong Thinh để được kỹ sư hỗ trợ và báo giá tốt nhất. Hotline: 0343.417.281. Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com