ลักษณะและข้อกำหนดด้านวัสดุของโครงสร้างเหล็ก

ก่อนอื่น มาดูคุณลักษณะของโครงสร้างเหล็กกันก่อน:
1. มีความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา เหล็กมีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสความยืดหยุ่นสูง เมื่อเทียบกับคอนกรีตและไม้ อัตราส่วนความหนาแน่นต่อความแข็งแรงของเหล็กค่อนข้างต่ำ ดังนั้น ภายใต้สภาวะความเค้นเดียวกัน โครงสร้างเหล็กจึงมีหน้าตัดเล็ก น้ำหนักเบา ขนส่งและติดตั้งง่าย และเหมาะสำหรับโครงสร้างที่มีช่วงกว้าง ความสูง และน้ำหนักบรรทุกมาก
2. เหล็กมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในด้านความเหนียว ความยืดหยุ่น เนื้อวัสดุสม่ำเสมอ และความน่าเชื่อถือทางโครงสร้างสูง เหมาะสำหรับรับแรงกระแทกและแรงกระทำแบบไดนามิก และมีความต้านทานต่อแผ่นดินไหวได้ดี โครงสร้างภายในของเหล็กมีความสม่ำเสมอและใกล้เคียงกับเนื้อวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันแบบไอโซโทรปิก ประสิทธิภาพการทำงานจริงของโครงสร้างเหล็กจึงสอดคล้องกับทฤษฎีการคำนวณมากกว่า ดังนั้นโครงสร้างเหล็กจึงมีความน่าเชื่อถือสูง
3. ระดับการใช้เครื่องจักรในการผลิตและติดตั้งโครงสร้างเหล็กนั้นสูงมาก ชิ้นส่วนโครงสร้างเหล็กผลิตได้ง่ายในโรงงานและประกอบในสถานที่ก่อสร้าง ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปของชิ้นส่วนโครงสร้างเหล็กที่ผลิตด้วยเครื่องจักรในโรงงานมีความแม่นยำสูง ประสิทธิภาพการผลิตสูง ความเร็วในการประกอบในสถานที่ก่อสร้างรวดเร็ว และระยะเวลาก่อสร้างสั้น โครงสร้างเหล็กเป็นโครงสร้างที่มีระดับการใช้เครื่องจักรในระดับสูงสุด
4. โครงสร้างเหล็กมีประสิทธิภาพในการปิดผนึกที่ดี เนื่องจากโครงสร้างแบบเชื่อมสามารถปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์ จึงสามารถนำไปผลิตเป็นภาชนะรับแรงดันสูง บ่อเก็บน้ำมันขนาดใหญ่ ท่อแรงดัน ฯลฯ ที่มีคุณสมบัติกันอากาศและกันน้ำได้ดี
5. โครงสร้างเหล็กทนความร้อนแต่ไม่ทนไฟ เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 150°C คุณสมบัติของเหล็กจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย ดังนั้นโครงสร้างเหล็กจึงเหมาะสำหรับโรงงานที่มีอุณหภูมิสูง แต่เมื่อพื้นผิวของโครงสร้างได้รับความร้อนสูงถึงประมาณ 150°C จะต้องป้องกันด้วยแผ่นฉนวนกันความร้อน เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 300-400°C ความแข็งแรงและโมดูลัสความยืดหยุ่นของเหล็กจะลดลงอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 600°C ความแข็งแรงของเหล็กจะลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ ในอาคารที่มีข้อกำหนดด้านการป้องกันอัคคีภัยเป็นพิเศษ โครงสร้างเหล็กจะต้องได้รับการป้องกันด้วยวัสดุทนไฟเพื่อเพิ่มระดับความทนไฟ
6. โครงสร้างเหล็กมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนต่ำ โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นและมีฤทธิ์กัดกร่อน และมีแนวโน้มที่จะเกิดสนิมได้ง่าย โดยทั่วไปแล้ว โครงสร้างเหล็กจำเป็นต้องได้รับการเคลือบสารกันสนิม ชุบสังกะสี หรือทาสี และบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ สำหรับโครงสร้างแท่นขุดเจาะนอกชายฝั่งในน้ำทะเล จำเป็นต้องใช้มาตรการพิเศษ เช่น “การป้องกันด้วยขั้วบวกสังกะสี” เพื่อป้องกันการกัดกร่อน
7. ปล่อยคาร์บอนต่ำ ประหยัดพลังงาน เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ การรื้อถอนอาคารโครงสร้างเหล็กแทบจะไม่ก่อให้เกิดขยะจากการก่อสร้าง และเหล็กสามารถนำไปรีไซเคิลและนำกลับมาใช้ใหม่ได้

ประการที่สอง ข้อกำหนดด้านวัสดุสำหรับโครงสร้างเหล็ก:
1. ความแข็งแรง: ดัชนีความแข็งแรงของเหล็กประกอบด้วยขีดจำกัดความยืดหยุ่น σe ขีดจำกัดความเค้นคราก σy และขีดจำกัดแรงดึง σu การออกแบบจะอิงตามความแข็งแรงครากของเหล็ก ความแข็งแรงครากสูงสามารถลดน้ำหนักของโครงสร้าง ประหยัดเหล็ก และลดต้นทุนการก่อสร้างได้ ความแข็งแรงแรงดึง σu คือความเค้นสูงสุดที่เหล็กสามารถทนได้ก่อนที่จะเกิดความเสียหาย ในขณะนี้ โครงสร้างจะสูญเสียความสามารถในการใช้งานเนื่องจากการเสียรูปพลาสติกขนาดใหญ่ แต่โครงสร้างจะเสียรูปอย่างมากโดยไม่พังทลาย และควรจะสามารถตอบสนองความต้องการของโครงสร้างในการต้านทานแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นไม่บ่อยได้
2. ความเป็นพลาสติก: โดยทั่วไปแล้ว ความเป็นพลาสติกของเหล็กหมายถึงคุณสมบัติในการเปลี่ยนรูปพลาสติกอย่างมีนัยสำคัญโดยไม่แตกหักหลังจากที่ความเค้นเกินจุดคราก ตัวชี้วัดหลักในการวัดความสามารถในการเปลี่ยนรูปพลาสติกของเหล็กคือ การยืดตัว δ และการหดตัวตามขวาง ψ
3. สมรรถนะการดัดเย็น: สมรรถนะการดัดเย็นของเหล็กคือการวัดความต้านทานของเหล็กต่อการแตกร้าวเมื่อเกิดการเสียรูปพลาสติกจากการดัดที่อุณหภูมิห้อง สมรรถนะการดัดเย็นของเหล็กคือการใช้การทดสอบการดัดเย็นเพื่อทดสอบสมรรถนะการเสียรูปดัดของเหล็กภายใต้ระดับการดัดที่กำหนด
4. ความทนทานต่อแรงกระแทก: ความทนทานต่อแรงกระแทกของเหล็กหมายถึงความสามารถของเหล็กในการดูดซับพลังงานจลน์เชิงกลระหว่างกระบวนการแตกหักภายใต้แรงกระแทก เป็นคุณสมบัติทางกลที่วัดความต้านทานของเหล็กต่อแรงกระแทก และอาจทำให้เกิดการแตกหักแบบเปราะเนื่องจากอุณหภูมิต่ำและการกระจุกตัวของความเค้น โดยทั่วไปแล้วค่าดัชนีความทนทานต่อแรงกระแทกของเหล็กจะได้รับจากการทดสอบแรงกระแทกบนชิ้นงานมาตรฐาน
5. ประสิทธิภาพการเชื่อม: ประสิทธิภาพการเชื่อมของเหล็กหมายถึงความสามารถในการได้รอยเชื่อมที่มีประสิทธิภาพดีภายใต้เงื่อนไขกระบวนการเชื่อมที่กำหนด ประสิทธิภาพการเชื่อมสามารถแบ่งออกเป็นประสิทธิภาพการเชื่อมระหว่างการเชื่อมและประสิทธิภาพการเชื่อมในแง่ของการใช้งาน ประสิทธิภาพการเชื่อมระหว่างการเชื่อมหมายถึงความไวของรอยเชื่อมและโลหะบริเวณใกล้เคียงรอยเชื่อมต่อการไม่เกิดรอยแตกร้าวจากความร้อนหรือรอยแตกร้าวจากการหดตัวขณะเย็นตัวลง ประสิทธิภาพการเชื่อมที่ดีหมายความว่าภายใต้เงื่อนไขกระบวนการเชื่อมที่กำหนด จะไม่มีรอยแตกร้าวเกิดขึ้นในโลหะเชื่อมและวัสดุหลักที่อยู่ใกล้เคียง ประสิทธิภาพการเชื่อมในแง่ของการใช้งานหมายถึงความเหนียวของรอยเชื่อมและความยืดหยุ่นในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน จำเป็นต้องมีคุณสมบัติทางกลของเหล็กในรอยเชื่อมและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนไม่ต่ำกว่าของวัสดุหลัก ประเทศของฉันใช้วิธีการทดสอบประสิทธิภาพการเชื่อมทั้งในแง่ของกระบวนการเชื่อมและในแง่ของการใช้งาน
6. ความทนทาน: ปัจจัยหลายอย่างส่งผลต่อความทนทานของเหล็ก ประการแรก ความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กนั้นต่ำ และต้องมีมาตรการป้องกันเพื่อป้องกันไม่ให้เหล็กเกิดการกัดกร่อนและสนิม มาตรการป้องกันได้แก่ การบำรุงรักษาการทาสีเหล็กอย่างสม่ำเสมอ การใช้เหล็กชุบสังกะสี และมาตรการป้องกันพิเศษภายใต้สภาวะที่มีสารกัดกร่อนรุนแรง เช่น กรด ด่าง และเกลือ ตัวอย่างเช่น โครงสร้างแท่นขุดเจาะนอกชายฝั่งใช้มาตรการ “การป้องกันแบบแอโนด” เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของโครงสร้างเหล็ก โดยการยึดแท่งสังกะสีไว้บนโครงสร้างเหล็ก และอิเล็กโทรไลต์ในน้ำทะเลจะกัดกร่อนแท่งสังกะสีก่อนโดยอัตโนมัติ ซึ่งจะช่วยปกป้องโครงสร้างเหล็กได้ ประการที่สอง เนื่องจากความแข็งแรงในการรับแรงดึงของเหล็กนั้นต่ำกว่าความแข็งแรงในระยะสั้นภายใต้อุณหภูมิสูงและภาระระยะยาวมาก จึงควรวัดความแข็งแรงที่ยั่งยืนของเหล็กภายใต้อุณหภูมิสูงในระยะยาว เหล็กจะแข็งและเปราะขึ้นเองตามเวลา ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ “การเสื่อมสภาพ” จึงควรทดสอบความเหนียวของเหล็กภายใต้ภาระที่อุณหภูมิต่ำ