Cách chọn thép cho kết cấu thép?

Việc lựa chọn thép cho các ứng dụng kết cấu không phải là vấn đề duy nhất, sự lựa chọn đơn giản chỉ dựa trên việc giảm thiểu chi phí hoặc tối đa hóa sức mạnh; nó là một phức hợp, quyết định kỹ thuật đa chiều nằm ở giao điểm của cơ học ứng dụng, khoa học vật liệu, kinh tế, và tính khả thi xây dựng. Để chọn đúng mác thép tối ưu, một kỹ sư phải thực hiện đánh giá tổng thể nhằm cân bằng các yêu cầu khắt khe của môi trường dịch vụ, chức năng cấu trúc cuối cùng, các quy trình sản xuất cụ thể cần thiết, và những hạn chế không thể tránh khỏi của việc tuân thủ ngân sách và quy định. Quá trình toàn diện này biến hành động lựa chọn vật liệu thành một giai đoạn quan trọng của chính thiết kế, ảnh hưởng sâu sắc đến kiểu chữ cấu trúc, chi tiết kết nối, tiến độ thi công, và hồ sơ bảo trì và khả năng phục hồi lâu dài của tài sản đã hoàn thành. Một phân tích kỹ thuật sâu sắc cho thấy rằng quá trình ra quyết định này là một quá trình có tính phân cấp., hành trình lặp đi lặp lại, bắt đầu với các yêu cầu chức năng ở cấp độ vĩ mô và giảm dần xuống các hạn chế ở cấp độ vi mô do hóa học và luyện kim áp đặt, đảm bảo rằng thép được chọn không chỉ đủ bền, nhưng là loại mạnh mẽ phù hợp cho công việc.

Tiêu chí kỹ thuật cơ bản: Xác định các yêu cầu cấu trúc

Bước đầu tiên trong việc lựa chọn thép là phân tích nghiêm ngặt các yêu cầu về kết cấu và môi trường cơ bản, đóng vai trò là bộ lọc không thể thương lượng cho việc lựa chọn vật liệu. Một cấu trúc, dù là một tòa nhà chọc trời, một cây cầu, tháp truyền tải, hoặc bình áp lực, áp đặt một tập hợp các điều kiện tải trọng và mức độ phơi nhiễm môi trường duy nhất phải được đáp ứng bởi vật liệu đã chọn.

1. Tải trọng lớn và chức năng kết cấu

Độ lớn của tải trọng tác dụng - tải trọng tĩnh, tải trực tiếp, gió, địa chấn, và tải trọng động/độ mỏi—chỉ ra trực tiếp Cường độ năng suất yêu cầu tối thiểu ($\text{R}_{\text{e}}$ hoặc $\text{F}_{\text{y}}$) và độ bền kéo ($\text{R}_{\text{m}}$ hoặc $\text{F}_{\text{u}}$) của thép. Đối với hầu hết các kết cấu xây dựng thông thường và các cơ sở công nghiệp không quan trọng, các loại thép nhẹ tiêu chuẩn, chẳng hạn như $\text{ASTM A36}$ ($\text{F}_{\text{y}} \approx 250 \text{ MPa}$), $\text{EN S235}$, hoặc $\text{S275}$, là đủ. Những lớp này cung cấp một sự cân bằng tuyệt vời về sức mạnh, trị giá, và dễ chế tạo. Tuy nhiên, cho các kết cấu nơi sức bền chi phối thiết kế, như những cây cầu nhịp dài, những tòa tháp cao nơi độ mảnh mai phải được giảm thiểu, hoặc các cột quan trọng trong nhà cao tầng chịu lực nén rất lớn, Thép cường độ cao ($\text{HSS}$), giống $\text{ASTM A572}$ Cấp 50 ($\text{F}_{\text{y}} \approx 345 \text{ MPa}$) or European equivalents like $\text{S355}$ hoặc $\text{S460}$, trở nên cần thiết. Việc sử dụng $\text{HSS}$ trong các ứng dụng này cho phép giảm đáng kể diện tích mặt cắt ngang và trọng lượng của các bộ phận, từ đó làm giảm tải trọng chết trên nền móng và dẫn đến tiết kiệm vật liệu đáng kể, động lực kinh tế chính trong việc tối ưu hóa cơ cấu. The engineer must constantly assess the $\text{L/r}$ tỷ lệ (sự mảnh khảnh) cho các thành viên nén; Thỉnh thoảng, ngay cả khi thép cường độ thấp hơn có thể chịu được tải trọng, thép có độ bền cao hơn có thể được chọn để đạt được kích thước nhỏ hơn, mặt cắt ngang đẹp hơn về mặt thẩm mỹ hoặc kiến ​​trúc, nhưng sự thay đổi này ngay lập tức gây ra sự phức tạp trong việc quản lý sự ổn định (oằn) ràng buộc về sức mạnh ràng buộc, một sự chuyển đổi quan trọng trong triết lý thiết kế phải được giải quyết bằng các đặc tính của vật liệu.

2. Nhiệt độ và độ bền gãy xương

Phạm vi nhiệt độ hoạt động của cấu trúc có lẽ là bộ lọc môi trường quan trọng nhất, xác định cụ thể độ bền gãy xương cần thiết. Tất cả các loại thép, là vật liệu kết tinh, thể hiện sự chuyển đổi từ dẻo (khó) hành vi ở nhiệt độ cao hơn để giòn (dễ bị gãy xương) hành vi ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này được định lượng bằng Nhiệt độ chuyển tiếp dẻo sang giòn ($\text{DBTT}$). Đối với các công trình ở vùng khí hậu lạnh, chẳng hạn như Alaska, Siberi, hoặc vùng có độ cao, hoặc cho các ứng dụng chuyên dụng như khí tự nhiên hóa lỏng ($\text{LNG}$) tanks operating well below $\text{0}^\circ \text{C}$, thép được chọn phải thể hiện đủ độ bền dưới nhiệt độ sử dụng tối thiểu dự kiến. Tiêu chuẩn công nghiệp để đo độ bền này là Thử nghiệm va đập Charpy V-Notch, đo năng lượng được vật liệu hấp thụ trước khi đứt ở nhiệt độ thấp xác định. Steels are classified based on their guaranteed minimum absorbed energy at temperatures like $-20^\circ \text{C}$, $-40^\circ \text{C}$, hoặc thậm chí $-60^\circ \text{C}$. Ví dụ, a steel specified as $\text{S355 J2}$ được đảm bảo hấp thụ tối thiểu $27 \text{ Joules}$ Tại $-20^\circ \text{C}$, whereas $\text{S355 K2}$ offers that same guarantee at $-30^\circ \text{C}$. Độ bền này đạt được thông qua việc kiểm soát luyện kim cẩn thận—giảm hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho và sử dụng các vi hợp kim tinh chế ngũ cốc—và việc kiểm soát hóa học nghiêm ngặt này làm tăng thêm chi phí. Lựa chọn loại thép đáp ứng yêu cầu về độ bền tối thiểu là một hành động thận trọng về mặt kỹ thuật, giảm thiểu nguy cơ gãy xương giòn thảm khốc, đặc biệt là trong các bộ phận chịu tải động hoặc bị hạn chế cao như kết nối giàn trong cầu.

3. Mệt mỏi và tải động

Cấu trúc chịu hàng triệu chu kỳ tải lặp đi lặp lại, chẳng hạn như cầu đường sắt và đường cao tốc, cần cẩu, hoặc các kết cấu đỡ cho máy rung (giống như căn cứ tuabin), yêu cầu thép có khả năng chống mỏi vượt trội. Phá hủy do mỏi bắt nguồn từ các vết nứt nhỏ bắt đầu tại các điểm tập trung ứng suất (ví dụ., ngón chân hàn, lỗ bu lông, hoặc sự gián đoạn về cấu trúc) và lan truyền dưới tác dụng của ứng suất theo chu kỳ cho đến khi tiết diện còn lại không còn chịu tải được nữa. Hiệu suất mỏi có liên quan phức tạp đến độ bền kéo cuối cùng của thép và bị ảnh hưởng nặng nề bởi chất lượng chế tạo, đặc biệt là chất lượng mối hàn và loại bỏ các khuyết tật bề mặt. Đối với các kết cấu tới hạn về mỏi, việc lựa chọn thép phải đi kèm với các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt để kiểm tra siêu âm hoặc hạt từ tính của tất cả các mối hàn và mối hàn quan trọng., thường, yêu cầu đối với thép có hàm lượng tạp chất phi kim loại giảm, vì chúng có thể đóng vai trò là nơi tạo mầm cho các vết nứt mỏi. Việc lựa chọn loại thép thường thiên về chất lượng cao, quá trình chuẩn hóa hoặc kiểm soát cơ nhiệt ($\text{TMCP}$) thép mang lại sự đồng nhất và sạch sẽ, đảm bảo rằng vật liệu cơ bản không chứa các khuyết tật có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi của kết cấu cuối cùng.

Những hạn chế về luyện kim và chế tạo: Hóa học xây dựng

Sau khi các yêu cầu chức năng cơ bản đã xác định được nhóm các loại thép được chấp nhận, kỹ sư phải tinh chỉnh việc lựa chọn dựa trên thực tế thực tế của việc chế tạo—chủ yếu, nhu cầu hàn và bắt vít an toàn và tiết kiệm. Điều này liên quan đến việc đi sâu vào thành phần hóa học của thép và các đặc tính vật lý của nó..

1. Khả năng hàn và tương đương carbon ($\text{C}_{\text{eq}}$)

Đối với hầu hết các kết cấu thép, khả năng được nối một cách đáng tin cậy thông qua hàn là một yêu cầu không thể thương lượng. Khả năng hàn chủ yếu được điều chỉnh bởi Tương đương Carbon của thép ($\text{C}_{\text{eq}}$), một biện pháp thực nghiệm tổng hợp tác dụng làm cứng của Carbon và các nguyên tố hợp kim phổ biến khác (Mangan, Crom, Molypden, Vanadi, và đồng). Các $\text{C}_{\text{eq}}$ được tính bằng công thức như sau, mặc dù có sự khác biệt tùy thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể:

A higher $\text{C}_{\text{eq}}$ cho thấy độ cứng cao hơn và nguy cơ hình thành các cấu trúc vi mô giòn cao hơn, như mactenxit chưa được tôi luyện, trong $\text{Heat-Affected Zone}$ ($\text{HAZ}$) liền kề với mối hàn. This brittle $\text{HAZ}$ dễ bị nứt lạnh (còn được gọi là vết nứt do hydro gây ra), xảy ra sau khi mối hàn nguội, được điều khiển bởi ứng suất dư, cấu trúc vi mô giòn, và sự hiện diện của hydro được đưa vào trong quá trình hàn. Đối với kết cấu thép thông thường, codes typically prefer a $\text{C}_{\text{eq}}$ dưới $0.40\%$. Khi cường độ của thép tăng lên (ví dụ., moving to $\text{HSS}$ giống $\text{S460}$), các $\text{C}_{\text{eq}}$ nhất thiết phải tăng, đôi khi đến gần $0.50\%$. Khi chọn những cấp độ cao hơn này, the steel must be chosen from a manufacturer utilizing the $\text{TMCP}$ quá trình, đạt được cường độ cao thông qua cấu trúc hạt mịn và hợp kim vi mô thay vì hàm lượng carbon cao, thus maximizing strength while keeping the $\text{C}_{\text{eq}}$ thấp. Selecting high-strength steel with a higher $\text{C}_{\text{eq}}$ buộc người chế tạo phải sử dụng phức tạp hơn, thủ tục hàn đắt tiền, including pre-heating the steel to slow the cooling rate, using low-hydrogen consumables, and strict interpass temperature control. The engineer’s choice of steel thus directly impacts the complexity, time, and cost of fabrication, making a low $\text{C}_{\text{eq}}$ for a given strength a highly desirable, and sometimes specified, characteristic.

2. Plate Thickness and Through-Thickness Properties

The thickness of the steel plate or section is a crucial selection parameter because it affects everything from weldability to potential failure modes. Thicker sections cool more slowly after rolling and quenching, making it harder to maintain a fine-grained, tough microstructure in the core. More critically, thicker plates are susceptible to Lamellar Tearing in welded connections, particularly where high through-thickness strain is imposed (ví dụ., trong các khớp chữ T hoặc các kết nối góc). Rách lớp là một cơ chế phá hủy giòn gây ra bởi sự tách lớp của thép dọc theo các mặt phẳng chứa các tạp chất phi kim loại kéo dài (chủ yếu là mangan sunfua), được làm phẳng trong quá trình cán.

Đối với sự kiềm chế cao độ, kết nối tấm dày (Thường $25 \text{ mm}$ hoặc cao hơn), kỹ sư phải chỉ định thép có đặc tính xuyên suốt được đảm bảo ($\text{Z}$-điểm), chẳng hạn như $\text{S355 Z25}$ hoặc $\text{Z35}$. Các loại này được sản xuất bằng cách xử lý bằng muôi đặc biệt và kiểm soát hình dạng bao gồm canxi để giảm đáng kể hàm lượng lưu huỳnh (thường ở dưới $0.005\%$) và giảm thiểu sự hiện diện của lớn, tạp chất kéo dài. Quá trình này làm cho thép có tính đẳng hướng hơn (có tính chất đồng nhất theo mọi hướng), giảm thiểu đáng kể nguy cơ rách lớp. The choice of a $\text{Z}$-thép loại là phản ứng trực tiếp đối với hình dạng chi tiết cụ thể liên quan đến biến dạng xuyên dày cao, đại diện cho một ví dụ hoàn hảo về cách liên kết nội tại giữa chi tiết kết cấu và lựa chọn vật liệu.

Thuộc kinh tế, Sự bền vững, và cân nhắc về độ bền

Tính khả thi về mặt kỹ thuật của việc lựa chọn thép phải luôn được kiểm duyệt theo tiêu chí hiệu suất lâu dài và thương mại, hoàn thành giai đoạn cuối cùng của quá trình lựa chọn.

1. Tiêu chuẩn hóa, khả dụng, và chi phí

Bộ lọc thực tế nhất trong việc lựa chọn thép là Ràng buộc kinh tế và sẵn có. Sử dụng tiêu chuẩn, các loại thường được sản xuất (giống $\text{S275}$ hoặc $\text{S355}$) hầu như luôn mang lại chi phí thấp hơn và thời gian thực hiện tốt hơn vì chúng được sản xuất với số lượng lớn và được lưu trữ trong kho trên toàn cầu. Chỉ định một kỳ lạ, hợp kim cao, hoặc lớp không chuẩn hóa (ví dụ., a proprietary weathering steel or a specific $\text{TMCP}$ tấm có độ dày chuyên dụng) giới thiệu phí bảo hiểm đáng kể, sự chậm trễ, và rủi ro chuỗi cung ứng. Người kỹ sư phải, Vì vậy, xác nhận rằng hiệu suất kỹ thuật nâng cao được cung cấp bởi loại chuyên dụng thực sự biện minh cho chi phí tăng thêm. Việc tối ưu hóa hiếm khi liên quan đến việc tìm ra loại thép chắc chắn nhất, mà còn về việc tìm kiếm loại thép tiết kiệm chi phí nhất, đáp ứng tất cả các yêu cầu về chức năng và chế tạo.

2. Độ bền và chống ăn mòn

Môi trường mà cấu trúc hoạt động quyết định Chiến lược bảo vệ độ bền và chống ăn mòn cần thiết, có thể ảnh hưởng đến sự lựa chọn thép. Phần lớn kết cấu thép được bảo vệ bằng lớp phủ, điển hình là mạ kẽm nhúng nóng (cho các phần nhẹ hơn như tháp lưới) hoặc Hệ thống sơn hiệu suất cao (cho những cây cầu, các tòa nhà). Tuy nhiên, trong các ứng dụng cụ thể, bản thân thép được chọn để chống ăn mòn:

• Thép phong hóa (Cor-Ten): Grades like $\text{ASTM A588}$ hoặc $\text{EN S355 J2W}$ được hợp kim với một lượng nhỏ Đồng, Phốt pho, Crom, và Niken. Khi tiếp xúc với chu kỳ ướt và khô xen kẽ, những yếu tố này làm cho thép tạo thành một khối dày đặc, lớp gỉ bảo vệ bám chặt (lớp rỉ sét) điều đó làm chậm sự ăn mòn hơn nữa. Điều này thường được chọn cho các cây cầu hoặc mặt tiền kiến ​​trúc nơi khó bảo trì hoặc yêu cầu tính thẩm mỹ của rỉ sét, giải quyết hiệu quả nhu cầu về lớp phủ bảo vệ cho chính vật liệu. Tuy nhiên, thép phong hóa không phù hợp trong môi trường ẩm ướt liên tục (ví dụ., nền móng ngập nước), phơi nhiễm clorua cao (ví dụ., vùng ven biển không có quy trình rửa nghiêm ngặt), hoặc ô nhiễm công nghiệp nghiêm trọng, nơi lớp gỉ bảo vệ có thể không hình thành chính xác, đẩy nhanh quá trình ăn mòn.

• Thép không gỉ: Dành cho các ứng dụng trong môi trường hóa học cực kỳ tích cực (ví dụ., chế biến thực phẩm, nhà máy hóa chất, đặc điểm kiến ​​trúc chuyên biệt) hoặc nơi yêu cầu sự sạch sẽ tuyệt đối và bảo trì tối thiểu, Thép không gỉ (ví dụ., Austenit $\text{304}$ hoặc $\text{316}$ điểm) được chọn. Đây là giải pháp có chi phí rất cao, chỉ được chứng minh bằng yêu cầu không thể thương lượng về khả năng chống ăn mòn cao mà không cần lớp phủ bên ngoài.

3. Tính bền vững và hàm lượng carbon

Một sự phát triển, và ngày càng bắt buộc, tiêu chí lựa chọn là xem xét tính bền vững và lượng carbon thể hiện ($\text{eCO}_2$). Sản xuất thép tiêu tốn nhiều năng lượng. Sự lựa chọn của kỹ sư về loại thép có độ bền cao hơn cho phép giảm trọng lượng $20\%$ có thể dịch trực tiếp sang một từ tương ứng $20\%$ giảm tổng lượng carbon thể hiện của cấu trúc, do khối lượng thép được sản xuất và vận chuyển thấp hơn. Hơn nữa, nguồn gốc của vấn đề thép; thép được sản xuất thông qua lò hồ quang điện ($\text{EAF}$), sử dụng thép phế liệu tái chế, typically has a significantly lower $\text{eCO}_2$ footprint than steel produced via the traditional Basic Oxygen Furnace ($\text{BOF}$) tuyến đường. Future steel selection will increasingly incorporate a $\text{Life Cycle Assessment}$ ($\text{LCA}$), nơi mà loại thép được chọn không chỉ vì độ bền của nó, nhưng đối với bản tuyên bố về môi trường đã được ghi thành văn bản.

Ma trận lựa chọn theo cấp bậc: Tóm tắt

Quá trình lựa chọn loại thép phù hợp được tóm tắt tốt nhất dưới dạng một loạt các bộ lọc xếp tầng giúp thu hẹp phạm vi vật liệu có thể chấp nhận được. Lựa chọn cuối cùng là loại thép vượt qua tất cả các yêu cầu kỹ thuật, sự bịa đặt, và trắc nghiệm kinh tế.

Lần lặp cuối cùng: Thông số kỹ thuật chi tiết và xác minh

Sự lựa chọn được hoàn thiện bằng cách tạo ra một đặc điểm kỹ thuật chính xác không chỉ quy định cấp độ chung (ví dụ., $\text{S355}$), nhưng lớp phụ và điều kiện cụ thể (ví dụ., $\text{S355 J2+N}$), trong đó hậu tố chỉ độ bền bắt buộc và phương pháp sản xuất (Chuẩn hóa, trong trường hợp này). Thông số kỹ thuật chi tiết này sau đó được xác nhận bởi nhà chế tạo, ai phải cấp Giấy chứng nhận Nhà máy cho thép được giao, chứng minh thành phần hóa học và kết quả thử nghiệm cơ học (sức mạnh năng suất, sức căng, và giá trị tác động Charpy) đáp ứng mọi yêu cầu do kỹ sư quy định. Hành động lựa chọn thép là, ở dạng cao nhất của nó, một hành động quản lý rủi ro nghiêm ngặt, đảm bảo rằng toàn bộ hệ thống kết cấu được củng cố bởi vật liệu có đặc tính đã được xác minh, tài liệu, và được chứng minh là phù hợp cho trường hợp xấu nhất, kết cấu được thiết kế để chịu đựng. Hiệu suất lâu dài và sự an toàn của môi trường xây dựng hoàn toàn phụ thuộc vào năng lực kỹ thuật và tính kỹ lưỡng được áp dụng trong quá trình lựa chọn vật liệu nền tảng này..