Kết cấu thép là gì? Thành phần và ứng dụng

Khám phá kết cấu thép

Từ những tòa nhà mà mọi người đến thăm, đến những ngôi nhà họ đang ở, đến những con đường họ đi lại, kết cấu thép tấm là một loại vật liệu xây dựng đa năng cung cấp tính linh hoạt trong sản xuất và độ bền của cấu trúc mà không có trọng lượng quá lớn. Bài viết này đi sâu vào kết cấu thép, thành phần, đặc điểm, công dụng của nó và nhiều hơn nữa.

Kết cấu thép là gì?

Thép kết cấu là một loại thép được quy định phải đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp về dung sai kích thước và thành phần. Tại Hoa Kỳ, các loại thép được quy định và quy định bởi ASTM International. Ngoài ra, Châu Âu và Canada có các cơ quan quản lý và tiêu chuẩn riêng của họ. Mặc dù Leeco Steel cung cấp thép tấm tiêu chuẩn EN và thép tấm tiêu chuẩn CSA G40.21, bài viết này sẽ tập trung vào các tiêu chuẩn ASTM.

Có nhiều loại thép kết cấu, trong đó phổ biến nhất là ASTM A572 và ASTM A36. Các loại thép này, cùng với các loại thép kết cấu khác, chủ yếu được sử dụng để xây dựng các khung cho cầu và các tòa nhà.

Chúng cũng được sử dụng trong việc xây dựng:

ô tô chở hàng

Thiết bị xây dựng

phụ tùng xe tải

Máy móc

cần trục thanh

tháp truyền tải

giá để xe tải

Nghiên cứu được công bố bởi Viện Xây dựng Thép Hoa Kỳ cho thấy thép kết cấu chứa 47% tổng số vật liệu xây dựng, vì vậy rất có thể thép kết cấu chịu trách nhiệm về một phần thiết kế trong các cấu trúc, tòa nhà hoặc cầu, nơi mọi người gặp gỡ.

Sản xuất và thử nghiệm thép kết cấu

Để hiểu đầy đủ về thép kết cấu khác nhau như thế nào so với thép phi kết cấu, chẳng hạn như thép được sử dụng trong giường xe tải, tàu thủy hoặc xe tăng quân sự, điều quan trọng là phải kiểm tra thành phần của thép kết cấu.

Thép có thể được làm từ nguyên liệu thô hoặc từ việc tái chế thép cũ. Trong quá trình chuyển đổi thép tái chế thành thép mới, thép hiện tại được nấu chảy và tinh chế để đáp ứng các thông số kỹ thuật nhất định. Làm thép từ nguyên liệu thô là một quá trình lâu hơn nhiều.

Thép là hợp kim chứa cacbon và sắt, cả hai đều có sẵn rất nhiều nhưng hiếm khi được tìm thấy ở dạng nguyên chất. Để sản xuất thép từ nguyên liệu thô, người ta lấy sắt từ quặng sắt, chứa nhiều oxit sắt. Hầu hết quặng sắt ở Hoa Kỳ được khai thác để lấy taconit, được tìm thấy rất nhiều ở Minnesota. Trong quá trình khai thác, taconit được nghiền thành một thành phần sạn, và nam châm được sử dụng để tách quặng sắt (ở dạng đá tảng) khỏi các chất và khoáng chất khác.

Mặc dù sắt thường được cho là cứng và chắc, nhưng quặng sắt thô rất mềm nên có thể cắt bằng dao và một số cơ. Các hợp kim làm từ sắt có được sức mạnh từ việc bổ sung carbon.

Hợp kim của sắt và cacbon thường được sản xuất bằng cách kết hợp than cốc với quặng sắt và đun nóng cho đến khi than cốc bốc cháy. Than cốc là một dạng than giàu cacbon. Kết quả của sự gia nhiệt mạnh này, than cốc giải phóng cácbon và gắn vào oxy của các oxit sắt, để lại sự kết hợp giữa cacbon và sắt. Quá trình này được gọi là quá trình giảm.

Sau khi khử, vật liệu còn khoảng 4% carbon, trải qua các quá trình gia nhiệt và làm mát tiếp theo để giảm lượng carbon, làm cho vật liệu cứng hơn và cứng hơn. Ngay khi hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2,1% trọng lượng của vật liệu, nó sẽ biến thành thép. Để chế tạo thép kết cấu, cacbon phải được giảm thêm cho đến khi thành phần của nó chỉ còn 0, 0 5 phần trăm đến 0,25 phần trăm.

Kết quả cuối cùng là thép kết cấu có giá thành kinh tế, có thể tái chế 100% và có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao. Có nhiều loại thép kết cấu khác nhau, chúng khác nhau ở một mức độ nào đó trong thành phần của chúng. Các chế phẩm này giúp thiết lập đáng kể tài liệu cần thiết cho bất kỳ dự án cụ thể nào.

Ngoài ra, thép có thể được gia công thêm - bằng cách gia nhiệt và làm mát thêm và / hoặc bổ sung các hợp kim, ví dụ như titan, molypden và crom - để tăng độ cứng. Các quá trình này ảnh hưởng đến độ giòn tổng thể, trong hầu hết các trường hợp, làm cho vật liệu tạo thành không thích hợp cho các ứng dụng kết cấu.

Thành phần của thép kết cấu

Dưới đây là thành phần của hai mác thép kết cấu nổi tiếng: ASTM 572 và ASTM A36. Mặc dù các loại thép kết cấu khác có thành phần tương tự, chúng cũng có thể có hợp kim bổ sung hoặc đã trải qua quá trình xử lý bổ sung.

A514 cũng chứa 0. 2 phần trăm molypden, 0. 48 phần trăm crom, 0, 0 5 phần trăm vanadi, 0. 02 phần trăm titan và 0,003 phần trăm boron.

Sự hiện diện của các hợp kim bổ sung làm tăng cả độ cứng và độ giòn là sự khác biệt về thành phần chính giữa thép phi cấu trúc và thép kết cấu. Trong một số trường hợp, các hợp kim bổ sung có khả năng tạo ra thép chất lượng kết cấu; tuy nhiên, trong các trường hợp khác, thép được sản xuất quá giòn để sử dụng trong các công trình kết cấu.

Năng suất và độ bền kéo

Ngoài thành phần hóa học, giới hạn ứng suất và chảy giúp thiết lập mác thép cũng như ứng dụng chung.

Điểm cao nhất của ứng suất là giới hạn đàn hồi, tại đó vật liệu sẽ vĩnh viễn thay đổi hình dạng. Ví dụ, khi một người nhảy khỏi tấm bạt lò xo, tấm bạt lò xo sẽ ​​uốn cong một cách tự nhiên để hấp thụ năng lượng và trọng lượng, nhưng sau khi người đó nhảy ra khỏi tấm bạt lò xo, tấm bạt lò xo sẽ ​​trở lại hình dạng ban đầu. Giới hạn đàn hồi của bàn đạp sẽ là điểm mà nó bị uốn cong dưới tác dụng của năng lượng và trọng lượng, và vẫn bị uốn cong vĩnh viễn ngay cả sau khi người thợ lặn phóng đi.

Một đặc tính quan trọng của kết cấu thép, điểm chảy phải có một số năng suất để hấp thụ trọng lượng. Ví dụ, cường độ chảy trong cầu là trọng lượng tối đa mà cầu có thể chịu được trước khi bị hư hỏng vĩnh viễn.

Độ bền kéo đề cập đến điểm mà tại đó vật liệu gấp sẽ bị gãy. Trong ví dụ về tấm bạt lò xo ở trên, đây là năng lượng và trọng lượng cần thiết để phá vỡ tấm bạt lò xo.

Dưới đây là biểu đồ cho thấy điểm kéo và độ chảy của ba loại thép kết cấu phổ biến. Những điểm này được tính bằng kiloinches trên inch vuông ("ksi") hoặc pound trên inch vuông ("psi"), như sau. Đôi khi chúng cũng được biểu thị bằng megapascal.

Độ che phủ phụ thuộc vào độ dày, nhưng loại phổ biến nhất là 50 ksi.

Hai thông số này rất quan trọng đối với các kỹ sư khi lập kế hoạch vật liệu cần thiết cho một dự án cụ thể.