Materiale

323

Oțeluri inovatoare destinate structurilor metalice grele

autor

infoCONSTRUCT.ro

distribuie

Privind la ultimii 150 de ani, multe structuri notabile, inovatoare și elegante din oțel au fost construite, în special în ultimele câteva decenii. Aceste structuri de oțel emblematice pentru multe țări au fost realizate ca urmare a contribuțiilor semnificative ale materialelor din oțel. Inovațiile în materialele din oțel au permis progresul în structurile din oțel să facă un salt înainte și, la rândul lor, noile structuri din oțel provocatoare au dat naștere la noi progrese în materialele din oțel. Iată mai jos o trecere în revistă a ultimelor noutățiîn acest domeniu, așa cum au fost ele consemnate în lucrarea cu titlul ”Advances in Steel Materials for Innovative and Elegant Steel Structures in Japan”, semantă de Ryoichi Kanno de la Nippon Steel and Sumitomo Metal Corporation, R&D Laboratories, Chiba, Japan)Materiale inovatoare din oțel În ultimele decenii au fost dezvoltate diverse materiale și elemente din oțel inovatoare. Aceste materiale pot fi caracterizate pe baza versatilității rezistenței de la rezistențe mari la cele scăzute, versatilitate funcțională, cum ar fi sudabilitate, tenacitate la rupere și capacitatea de deformare și versatilitatea secțiunilor pentru o varietate de dimensiuni în secțiuni. Aceste versatilități sunt mult mai avansate în Japonia în comparație cu restul lumii. Se poate observa că aplicarea oțelurilor de înaltă rezistență a avansat în concordanță cu nevoia tot mai mare de poduri cu deschidere lungă, iar apoi a fost extins pentru a fi utilizat în clădiri. Oțelurile de înaltă rezistență pentru poduri au fost produse folosind tehnici tradiționale precum călirea și tratarea călirii. Ca atare, oțelul conținea un conținut relativ ridicat de carbon și aliaje de întărire (Ni, Mn, Cr etc.). Pe de o parte, aplicarea oțelurilor de înaltă rezistență pentru clădiri a rămas în urmă față de cea pentru poduri, din cauza îngrijorării cu privire la cutremure mari care au loc frecvent. Ca urmare, cerințele pentru oțel de structură pentru clădiri au fost studiate pe larg și, în cele din urmă, au stipulat o creștere a capacității de deformare inelastică a elementelor și cadrelor. În consecință, s-au înregistrat progrese în aplicarea oțelurilor de înaltă rezistență cu TS de până la până la 800 N/mm2. Dar a fost nevoie de aproximativ 30 de ani pentru ca oțelurile de înaltă rezistență să fie utilizate pe scară largă în clădiri, deoarece oțelul pentru clădiri are proprietăți diferite față de cele folosite la poduri. În mod interesant, rezistența maximă a oțelului utilizat în clădiri a depășit-o pe cea a podurilor la 1 000 N/mm2 la începutul anilor 2010, odată ce un nou sistem structural cu amortizoare de absorbție a energiei a devenit comun. Cu acest sistem, oțelul pentru grinzi și stâlpi nu necesită performanță inelastică ridicată deoarece amortizoarele au absorbit cea mai mare parte a energiei seismice. Trebuie remarcat faptul că TS-urile maxime ale oțelurilor permise pentru utilizare în structurile din oțel sunt 550 N/mm2 în EN (S450J0) și 620 N/mm2 în ASTM (A913 Grad 70). Astfel, utilizarea oțelurilor de înaltă rezistență pentru structurile din oțel în Japonia este destul de excepțională în comparație cu alte țări din întreaga lume. Cablurile de înaltă rezistență O creștere semnificativă a rezistenței sârmei a făcut posibil ca podul Akashi Kaikyo să devină cel mai lung pod suspendat din lume în 1998. În comparație cu podul Humber, cel mai lung pod înainte de acel moment, o creștere a rezistenței sârmei de aproximativ 200 N/mm2 a permis o creștere de aproximativ 200 N/mm2. În general, rezistența ridicată poate fi obținută pentru fire prin transformarea microstructurii într-o structură de perlită cu un conținut de carbon de aproximativ 0,8%. În această stare, oțelul are microstructură laminară cu faze alternative stratificate moi și dure. Intervalul dintre straturi se numește distanță lamelară. Cheia pentru rezistența ridicată este formarea unei structuri lamelare clare și reducerea distanței dintre strat prin utilizarea atât a tratamentului termic, cât și a prelucrării la rece. Cu toate acestea, fenomenul de prăbușire a lamelelor a apărut datorită efectului de căldură în timpul procesului de acoperire cu zinc pentru a crește durabilitatea firului. Acesta a fost un obstacol serios în calea creșterii rezistenței firului pentru o perioadă lungă de timp. Adăugarea de Si și Cr la oțel ajută la menținerea structurii lamelelor, care a fost descoperită prin activități de cercetare extinse și a condus în cele din urmă la o creștere cu aproximativ 200 N/mm2 a TS, ceea ce fusese de nerealizat până atunci. De asemenea, prin observațiile din microstructura la nivel atomic, acum este bine înțeles că Si și Cr au un efect inhibitor asupra difuziei carbonului din faza stratificată de cementită. Acest fir cu o microstructură stratificată clar poate fi considerat ca un material compozit format natural. Șuruburile de înaltă tensiune Șuruburile de înaltă tensiune au fost aplicate pentru prima dată în anul 1954 pe un pod feroviar, ca alternativă la nituri. În 1964, șuruburile de înaltă tensiune cu TS de până la 1 300 N/mm2 au fost stipulate ca standard industrial în Japonia. Cu toate acestea, la scurt timp după aceea, fragilizarea cu hidrogen (denumită adesea fractură întârziată) a avut loc în șurubul din clasa 1 300 N/mm2 și, ulterior, în șurubul din clasa 1 100 N/mm2 și, ca urmare, șurubul din clasa 1 000 N/mm2 a devenit practic. standardul pentru șuruburi de înaltă tensiune. Datorită acestei fragilizări, rezistența șuruburilor a rămas statică pentru o perioadă lungă de timp. În aceste circumstanțe, un nou șurub denumit șurub de tensiune super înaltă (SHTB) a fost dezvoltat pentru utilizare în clădiri și aplicat pentru prima dată la o clădire înaltă în 2001. Acesta nu suferă de fragilizarea hidrogenului în mediu și a obținut o creștere dramatică a rezistenței de 400 N/mm2 pentru a realiza un TS de 1 400 N/mm2. Se presupune că fragilizarea hidrogenului este cauzată de un mecanism prin care hidrogenul produs în timpul coroziunii pătrunde mai întâi în șuruburile tensionate, apoi migrează în interiorul șurubului către concentrațiile de tensiuni și face astfel de zone fragile pe măsură ce se acumulează. Prin urmare, fragilizarea este legată în primul rând atât de cantitatea de hidrogen difuzibil, cât și de gradul de concentrare a tensiunii. Având în vedere acești factori, SHTB a fost dezvoltat prin atenuarea concentrațiilor de tensiuni prin optimizarea formei șurubului, cum ar fi filetul șurubului și, ulterior, prin adăugarea de elemente chimice, cum ar fi Mo și V, pentru a forma carburi de aliaj care captează materiale difuzibile. Hidrogenul împiedică migrarea acestuia la concentrațiile de stres. SHTB a fost folosit de mai bine de 10 ani în clădirile din Japonia și acum este studiat pentru poduri expuse la medii mai corozive. Valoarea maximă a șuruburilor de înaltă tensiune pentru structurile din oțel rămâne la 1 040 N/mm2 atât în Eurocod 3, cât și în ASTM. Oțel de înaltă performanță pentru poduri Deși aplicarea oțelurilor de înaltă rezistență a progresat rapid în anii 1960, problemele de sudabilitate, cum ar fi fisurarea la rece, încă existau. Deoarece oțelurile de înaltă rezistență erau produse la acea vreme prin adăugarea de cantități relativ mai mari de C și aliaje precum B și Ni, oțelul trebuia preîncălzit la mai mult de 100 C, înainte de sudare. Acest lucru a dus la o productivitate scăzută de fabricație. Având în vedere această problemă, producătorii de oțel japonezi au dezvoltat un tip de oțel cu preîncălzire scăzută cu un TS de 800 N/mm2, de exemplu, adăugând Cu sau alte aliaje care nu măresc echivalentul carbonului. Prin contribuțiile aduse de progresele în metalurgie și tehnologia de rafinare a oțelului, Ceq a scăzut rapid în timp. Oțelul folosit în poduri a fost avansat atât din punct de vedere al rezistenței, cât și al sudabilității; cu toate acestea, existau și o varietate de alte cerințe. Inspirat de un proiect de cercetare privind oțelurile de înaltă performanță pentru poduri din SUA, o activitate de cercetare intensivă similară a fost inițiată în Japonia. Cerințele au inclus nu numai YS și TS, ci și tenacitatea la rupere, sudabilitatea, proprietățile mecanice după formare la rece și rezistența la intemperii (rezistența la coroziune). Pentru a îndeplini aceste cerințe, noi oțeluri au fost dezvoltate pentru poduri (SBHS400, SBHS500 și SBHS700 (rețineți că numerele indică YS minime, cu TS corespunzătoare de 490, 570 și 780 N/mm2 și specificația oțelului JIS G3140). - SBHS). Aceste oțeluri au fost produse prin rafinarea microstructurii prin utilizarea tehnologiei procesului de control termomecanic (TMCP), prezentată mai târziu în această lucrare. Materiale similare din oțel au fost folosite și într-un turn numit Tokyo Skytree. În ceea ce privește duritatea la rupere, cerința din SBHS este dată pentru direcția transversală, care este mai severă (oferă o duritate mai mică) decât direcția longitudinală (de rulare). Oțel rezistent la seism pentru clădiri Designul seismic al clădirilor din Japonia a suferit o schimbare semnificativă în 1981, de la un design elastic la unul neelastic. Ca răspuns la această schimbare, au fost dezvoltate noi materiale din oțel pentru clădiri, cum ar fi oțelurile SN (TS = 400 N/mm2 (YS = 235) oțel și TS = 490 N/mm2 (YS = 325) oțel) și oțel SA440 (YS = 440 N/mm2 și TS = 590). Aceste oțeluri au contribuit efectiv la creșterea capacității de deformare inelastică a elementelor și cadrelor. Cerințe speciale, cum ar fi limita superioară a raportului de curgere (YR) (raportul dintre YS și TS) și limitarea intervalului de variație (ambele superioare), și limitele inferioare ale YS, au fost introduse în aceste oțeluri, unde YR este un indice direct legat de capacitatea de deformare inelastică a elementelor din oțel. După cum se cunoaște, într-o grindă cantilever simplă sub un gradient de moment, care este un model parțial într-un cadru supus forței seismice, curgerea răspândindu-se lungimea (Lp) definită aproximativ între momentul plastic Mp și rezistența finală Mu la capătul grinzii este strâns legată de YR al oțelului. Se știe că cu cât YR este mai mic, cu atât lungimea de împrăștiere inelastică Lp este mai mare și, prin urmare, capacitatea de deformare inelastică este mai mare. Pe baza acestei considerații, o limită superioară a YR a fost reglementată de obicei ca 80% pentru oțelurile cu un interval TS de 400-600 N/mm2. Aceste oțeluri sunt produse prin utilizarea controlului microstructurii astfel încât rezistența și YR necesare să fie obținute printr-o microstructură în două faze (faze mai dure și mai moi) și printr-un control adecvat al fracției de volum, mărimii granulelor și raportului de rezistență al fiecărei faze. Intervalul de variație (între valorile superioare și inferioare) al lui YS este un alt indice important pentru determinarea capacității de deformare a unui întreg cadru. Mecanismul de prăbușire de tip 3 are cea mai mare capacitate de deformare și este denumit în general ”mecanism slab/stâlp puternic”, în care grinzile cedează înainte de stâlpi. Pentru a asigura acest mecanism, a trebuit controlată o variație inevitabilă a YS a oțelului. Astfel, intervalul dintre valorile superioare și inferioare a fost limitat la mai puțin de 120 sau 100 N/mm2 pentru oțelurile cu un interval TS de 400–600 N/mm2. Această limitare a gamei a fost realizată în principal prin controlul precis al procesului de producție. Limitările privind YR și gama de variație a YS în scopul proiectării seismice au fost introduse pentru prima dată în Japonia și ulterior adoptate în întreaga lume. Tabelul 3 arată o comparație între specificațiile majore ale oțelurilor pentru oțeluri cu YS comparabil. Oțeluri cu rezistență redusă la curgere Un nou tip de sistem structural rezistent la seism, numit sistem de control al daunelor a fost propus la sfârșitul anilor 1980. Acest nou sistem a fost dezvoltat pe baza sistemelor tradiționale de cadru contravântuit, dar a avut o îmbunătățire dramatică a capacității lor de absorbție a energiei. Tehnologia-cheie pentru acest sistem a fost determinat de flambajele reținute (BRB), care au capacitatea de a rezista atât forțelor de compresie, cât și de tensiune fără flambaj și alte defecțiuni bruște. BRB-urile posedă un comportament histerezis stabil împotriva încărcării axiale ciclice; astfel, este posibil să se realizeze un design al clădirii astfel încât BRB-urile să poată absorbi cea mai mare parte a energiei seismice în timp ce grinzile și stâlpii majore rămân intacte. Un BRB obișnuit constă dintr-un element de prindere, un tub de reținere a flambajului și materiale de umplere (cum ar fi mortar de ciment), între suport și tub. Odată cu apariția BRB, au fost dezvoltate și, în general, diferite dispozitive, inclusiv tip perete de forfecare. numit amortizor de absorbție a energiei. În ceea ce privește materialele din oțel, pentru amortizoare au fost dezvoltate oțeluri cu YS scăzut (100 și 225 N/mm2) cunoscute sub denumirea de oțeluri cu punct de curgere scăzut (LY), ca răspuns la nevoile mai mari de realizare mari și stabile. absorbția de energie. Oțelurile LY au o alungire mare și o rezistență excelentă la oboseală la ciclu scăzut.32 Au fost produse în principal prin scăderea conținutului de carbon și a altor impurități din oțel. Pe partea opusă a spectrului, cu o utilizare mai largă a sistemului de control al daunelor, oțelurile de înaltă rezistență cu TS de 800 N/mm2 (YS = 630) și ulterior 1000 N/mm2 (YS = 880), care este cel mai rezistent oțel de până acum. pentru a fi utilizate într-o clădire, au fost date în folosință în jurul anului 2010. Aceste oțeluri de înaltă rezistență nu îndeplinesc cerințele s (cum ar fi pe YR) ale clădirilor construite mai devreme în Japonia, dar pot fi utilizate deoarece siguranța seismică a unei clădiri este asigurată în principal de amortizoare. După cum sa văzut în cazurile de mai sus, apariția unui nou sistem structural a atras dezvoltarea de noi materiale din oțel, cum ar fi oțelurile cu YS scăzut și oțelurile cu rezistență foarte mare. Oțelurile rezistente la intemperii Acesta este un caz interesant în care inovația structurală a determinat dezvoltarea de noi materiale. Oțeluri rezistente la intemperii pentru poduri bazate în principal pe oțelul COR-TEN dezvoltat în anii 1930 în SUA, are cantități mici de Cu, Ni și Cr, ceea ce face ca suprafața oțelului să formeze un strat etanș și rigid, rezistent la coroziune. Deoarece acest strat oferă protecție împotriva coroziunii, oțelul rezistent la intemperii are o rezistență puternică la coroziune. Cu toate acestea, s-a constatat că, în anumite medii, stratul de protecție împotriva coroziunii nu a fost format corespunzător. Problema s-a datorat sării din aer (mai exact, ionii de sodiu) din oceanul din apropiere, care a împiedicat formarea stratului. Astfel, oțelul SMA a fost permis pentru construcție numai în zone aflate la o anumită distanță de coastă. Reflectând asupra acestei limitări, producătorii japonezi de oțel au lucrat la îmbunătățirea rezistenței la coroziune. Sa constatat că, într-un mediu de atac de clorură, adăugarea de Ni a crescut în mod eficient rezistența la coroziune, în timp ce adăugarea de Cr a avut un efect oarecum nociv. Efectul Ni poate fi explicat astfel încât în timpul formării stratului de coroziune, Ni se concentrează mai întâi în interiorul stratului de coroziune interior, contribuind la densitatea stratului; ulterior, stratul conținut de Ni absoarbe ionii de sodiu din sărurile din aer datorită selectivității sale ionice care separă ionii de sodiu nocivi de metalul de bază. Atât stratul de coroziune interior dens, cât și selectivitatea sa ionică de sodiu au contribuit la îmbunătățirea rezistenței generale la coroziune a oțelului. Pe baza acestor constatări, au fost dezvoltate oțeluri pentru intemperii pe bază de Ni (1%–3% oțeluri cu Ni adăugat în funcție de mediu) pentru medii bogate în sare în aer, definite ca sare de peste 0,05 mdd (mg/dm2/zi). Cu o atenție sporită acordată proiectelor LCC, aplicarea oțelurilor rezistente la intemperii a crescut la sfârșitul anilor 1990 și acum formează aproximativ 25% din podurile din oțel nou construite. Un model de predicție pentru estimarea pierderilor de coroziune pe termen lung (adică durata de viață), care a avut loc în oțelurile de intemperii, a fost dezvoltat și implementat prin intermediul unui software ușor de utilizat, care include o bază de date meteorologică, un simulator de sare în aer, un simulator de oxizi de sulf și așadar. on. Oțel rezistent la foc pentru clădiri Materialele din oțel dintr-o clădire sunt în general acoperite și protejate cu materiale ignifuge, cum ar fi fibrele de vată de rocă pulverizate. Acest lucru se datorează faptului că oțelurile obișnuite tind să-și piardă rapid rezistența atunci când temperatura crește în timpul unui incendiu. Specificatiile de securitate la incendiu (tipul materialului și grosimea) sunt în general furnizate în funcție de timpul necesar evacuării în caz de incendiu. Schimbarea în mediile de proiectare a motivat puternic dezvoltarea unui oțel special numit oțel rezistent la foc. Acest oțel rezistent la foc este primul oțel din lume care garantează că YS va avea două treimi sau mai mult din rezistența originală la temperaturi ambientale până la o temperatură de 600 C. Oțelurile rezistente la căldură existau deja pentru procesele industriale, cum ar fi precum cele pentru cazane, a căror origine se crede a fi 1913. Oțelul rezistent la căldură conține o cantitate mare de Cr și Ni și prezintă nu numai rezistență statică, ci și rezistență la fluaj dependentă de timp, precum și rezistență la coroziune. Ca urmare, oțelul a fost destul de scump pentru a fi folosit ca material de construcție. Oțelul rezistent la foc a fost în cele din urmă dezvoltat prin adăugarea de cantități relativ mici de aliaje, cum ar fi Mo și Nb. Aceste aliaje au fost predispuse să formeze carbonitruri în oțel și au crescut rezistența la temperatură ridicată fără o creștere mare a costurilor. Cu oțelul rezistent la foc, protecția la foc poate fi eliminată, rezultând astfel o creștere a competitivității clădirilor din oțel. Cu toate acestea, acest oțel rezistent la foc tinde să se deterioreze în rezistență rapid peste 600 C.

aflat

anterior
urmator

read

newsletter1

newsletter2