Әртүрлі типтегі болат құрылымдар жобалары үшін болат материалдарын таңдау бағытнамасы

Темір құрылымдары үшін темірдің маркаларын түсіну

Көміртекті, қорытпалы және коррозияға төзімді болаттар: Механикалық қасиеттері мен құрылымдық қолданысқа лайықтылығы

Көміртегілі болат құрылымдық элементтердің (мысалы, аркалар, бағандар және фермалар) негізгі материал ретінде қолданылуына себепші болатын, беріктік пен құны арасындағы өте жақсы қатынасқа ие. Бұл қасиет оны коррозия қаупі төмен немесе мүлдем жоқ жағдайларда немесе қорғаныс қажеттілігін бояулар мен қаптаулар қанағаттандыра алатын кезде қолдануға мүмкіндік береді. Қоспалы болаттарда хром, никель және молибден сияқты элементтер қосылады, бұл олардың қаттылығын, төзімділігін және циклдық (қайталанатын) кернеуге төзімділігін арттырады. Осы қасиеттер қоспалы болаттарды құрылымдық бөліктердің қосылу орындары, крандық рельстер немесе өндірістік орындарда жиі соққылар болатын аймақтар сияқты кернеу көп болатын орындарда қолдануға ыңғайлы етеді. Тот баспайтын болаттар, атап айтқанда ASTM 304 стандартына сай аустенитті түрлері, зақымданған кезде өзін-өзі қалпына келтіретін хром оксиді қабаты арқылы өте жоғары коррозияға төзімділікке ие. Алайда, бұл болаттың құны көміртегілі болатқа қарағанда үштен бес есе қымбат. Қандай болаттың ең тиімді екендігі оның қолданылатын орнына өте көп байланысты. Тұзды су немесе қатты химиялық заттардан алыс орналасқан әдеттегі ғимараттар үшін көміртегілі болат толықтай жеткілікті. Алайда, егер құрылым теңіз жағалауына, өндірістік өңдеу қондырғысының ішіне немесе химиялық заттардың маңына орналасатын болса, онда тот баспайтын болат міндетті түрде қажет. Бұл материалдарды біріктіру үшін дәстүрлі піспеу әдістерін қолдануға болады, бірақ қоспалардың мөлшері артқан сайын піспеу процесі күрделенеді. Көміртегілі болат дәстүрлі піспеу әдістерімен жақсы үйлеседі, ал тот баспайтын болатты піспету үшін аргонмен қорғау, жылу режимін дәл реттеу және коррозияға төзімділікті сақтау мен сынбай иілу қабілетін қамтамасыз ету үшін кейде піспеуден кейінгі өңдеулер қажет.

ASTM A36, AISI 1018 және ASTM 304 стандарттары — кеңінен қолданылатын болат құрылымдық жобалар үшін өнімділік көрсеткіштері

ASTM A36 әлі де негізгі құрылыс жұмыстары үшін негізгі материал ретінде кеңінен қолданылады, себебі оның ағу шегі шамамен 250 МПа, жақсы дәрежеде дәнекерленеді және сынбай иіледі. Бұл оны офистер мен кіші өндірістік цехтарда рамаларды жасау үшін өте тиімді етеді. Содан кейін AISI 1018 болаты келеді, ол өңдеу кезінде жақсырақ жұмыс істейді, себебі оның ағу шегі 310 МПа-ға дейін жоғары керілу күшін көтеруге қабілетті. Алайда, бұл қосымша шығындармен байланысты. Бұл материал A36-ға қарағанда беріктігі төмен және соққыларға төзімділігі нашарлау, сондықтан ол негізінен арнайы кронштейндер, анкерлік тақталар және ауыр жүктемелерді ұстауға арналмаған басқа бөлшектер үшін қолданылады. Тұздың әсері маңызды болатын орталар үшін ASTM 304 коррозияға төзімді болат ерекшеленеді. Ол хлоридтің зиянына 200 ppm концентрациясына дейін төзімді. Алайда, инженерлерге ескертіледі: коррозияға төзімділігі жақсы болса да, ағу шегі 215 МПа-ға дейін төмендейді және жер сілкінісі немесе қатты соққы кезінде өз қызметін нашар орындайды.

Сейсмикалық белдеулерде A36 болатының пластикалық деформацияға төзімділігі циклдық жүктеме кезінде энергияны шашыратуға ықпал етеді — бұл 304 маркалы болаттың қаттырақ, бірақ созылмайтын жауабынан тиімдірек. Керісінше, су аймағындағы немесе химиялық тұрғыдан агрессивті аймақтарда 304 маркалы болаттың коррозияға төзімділігі қымбат тұратыны мен өңдеу күрделілігіне қарамастан талап етіледі.

Болат қаңқалы құрылыстардың әртүрлі түрлеріндегі жүктемені ұстау талаптары

Бекітілу күшінің шектері: жеңіл (автокөліктер үшін көлеңке), орташа (қойма үшін) және ауыр жағдайларға арналған (өнеркәсіптік жабыны үшін) болат қаңқалы құрылыстар

Құрылымдық жобалауда нақты жүктемелерге сәйкес келетін материалдарды таңдау – мүлдем маңызды. Автокөліктердің қорғанысы мен козырькілер сияқты жеңіл жағдайлар үшін құрылысшылар жиі 30–50 МПа шамасындағы беріктікке ие жұқа қабатты көміртекті болатты қолданады. Бұл құрылымдар негізінен артық материал қалыңдығын қосуға емес, әрі қызықты, әрі тиімді рамалық шешімдерге сүйенеді. Ауыл шаруашылығы қызметі үшін қоймалар немесе сақтау құрылыстары сияқты орташа жүктемелерге арналған жағдайларда болат 50–70 МПа шамасындағы жүктемелерді қауіпсіз тасымалдауы керек: ауыл шаруашылығы техникасын көтеру, малдың салмағына шыдай алу, жыл мезгіліне байланысты қар жиналуына немесе күшті желге төзімділік. Жоғары жүктемелерді қажет ететін өнеркәсіптік ғимараттар – мысалы, жоғарыда орналасқан крандар, ірі ЖЖЖ (жылыту, желдету және кондиционерлеу) жүйелері немесе қалың изоляция қабаттарын ұстап тұру үшін – әлдеқайда берік болатты талап етеді, әдетте оның беріктігі ең аз дегенде 70 МПа-дан асады. Көптеген инженерлер өзінің ақыл-ойында 345 МПа аққыштық шегі бар ASTM A572 50-дік маркалы болатты көрсетеді. Бұл қар жиналуы 1 кН/м²-ден асқан аймақтарда немесе шатыр бетіндегі жанама жүктемелер 5 кН/м²-ден асқан жағдайларда ерекше маңызға ие болады.

Темір-бетон құрылымдарда вертикаль бағандар мен горизонталь рамалар үшін сейсмикалық және желдік жүктемелерді ескеру

Вертикальдық бағандар сілкініс кезіндегі бүкіл жанама күштерді ескере отырып, осьтік сығылуға және потенциалдық иілу мәселелеріне төзуге тиіс. ASCE 7-22 стандарттарына сәйкес, қатты сілкініс белгілері бар аймақтардағы ғимараттар кемінде 0,3g жанама кедергіге есептелуі тиіс. Ал шатыр арқылы құрылған горизонтальдық рамалық элементтер – мысалы, шатыр арқылы өтетін арқалықтар мен пурлиндер – жел күштерінен туындайтын иілу, кесілу кернеуі және тіпті бұралу әсеріне қатты қиындықтарға ұшырайды. Қатты желді аймақтарда (ASCE 7 III категориясы және одан жоғары) немесе ураган зоналарында орналасқан ғимараттар үшін шатыр арқылы өтетін арқалықтардың моменттік көтергіштігі әдетте шамамен 0,5 кН/м болуы тиіс. Өз кезегінде қосылыстар да бұралу қаттылығына және авариялық жағдайларда қолданылатын бірнеше күштік траекторияларға қосымша назар аударуды талап етеді. Су айдынына жақын орналасқан ғимараттарда жел күшінің әсерінен туындайтын жүктеме қабілеті ішкі аймақтардағы ұқсас ғимараттарға қарағанда шамамен 20–30 пайызға артық болуы тиіс, себебі теңізден келетін қатты желді тоқтататын ештеңе жоқ, сонымен қатар кенеттен пайда болатын жел жағдайлары ғимаратқа әсер ететін күштерді әлдеқайда күшейтеді.

Темір құрылымдарындағы қоршаған орта әсері мен коррозияға төзімділік

Су айдыны, ылғалды және жоғары температуралы аймақтар: Коррозия қаупі түрлі болат маркалары бойынша және қорғаныс стратегиясы бойынша

Қорғанбаған көміртегілі болат құрылымдарында тұзды ауа мен хлоридті шөгінділердің әсерінен теңіз жағалауларында болаттың коррозиясы ішкі аймақтарға қарағанда 5–10 есе тезірек жүреді. Сутегі диоксиді мен азот оксидтері сияқты қышқылды ластанған ауа мен ылғалдың араласуына байланысты ылғалды өнеркәсіптік аймақтарда жағдай тағы да нашарлайды. Бұл химиялық реакциялар металл беттерін зақымдайтын коррозиялық жағдайларды туғызады. Жоғары температуралы аймақтарда қосымша қиындық туғызады, себебі қайталанатын қызу мен суыту циклдары кеңею мен сығылуға әкеледі. Сонымен қатар, су буланып, концентрацияланған тұз шөгінділерін қалдырады, олар коррозияны одан әрі жеделдетеді. Темір құрылымдары үшін қорғаныс әдістерін таңдаған кезде қоршаған ортаның әсерінің нақты дәрежесін ескеру маңызды.

• Ыстық мырыштау көміртекті болаттың қызмет көрсету мерзімін C3 (орташа) орталықтарда 50+ жылға дейін ұзартады (ISO 12944)
• Эпоксид-полиуретан гибридті қаптаулар мұнай өңдеу орындары мен өндірістік қондырғылар компоненттері үшін химиялық төзімділік қамтамасыз етеді
• Материалдық аймақтау — шашырау аймағында A36 рамалар мен ASTM 304 бекітпе элементтерін немесе қаптау материалдарын қолдану — толық қорытпалы шығындарсыз тұрақтылықты оптималды етеді

Орта деңгейдегі қауіптілікке ие қолданбалар үшін ASTM A588 ауа-райына төзімді болат тұрақты, жақсы тұтылуға ие патинаны қалыптастырады, бұл боялған альтернативалармен салыстырғанда ұзақ мерзімді жөндеу шығындарын шамамен 30% азайтады. Жобалау кезінде коррозияны карталау өте маңызды: агрессивті орталарда жоспарланбаған жөндеу бір оқиғаға орташа есеппен 740 мың доллар тұрады (Ponemon Institute, 2023).

Болат құрылымдардың салынуы үшін дайындау ерекшеліктері мен нормативті талаптарға сайлық

Дәлелдеу және пішіндеу мүмкіндіктеріндегі компромисс: өрістегі болат құрылымдарды жинау кезінде көміртекті болат пен штайнс болаттары

ASTM A36 стандарты бойынша көміртекті болат материалдары өзіндік жақсы дәрежеде жерде дәнекерленуі мен суық кезінде пішінделуімен ерекшеленеді, сондықтан олар көптеген құрылыс алаңдарында қол жетімді құралдар мен әдістерді пайдаланып тез және қаржылық тұрғыдан тиімді жинауға идеалды болып табылады. Бұл болаттар басқа түрлерге қарағанда жылу өткізгіштігі төмен болғандықтан, дәнекерлеу процесі жалпы алғанда көбірек сұлады. Сонымен қатар, оларды иілу де оңайырақ, сондықтан жұмысшылар қосымша арнайы жабдықтарды қажет етпей-ақ құрылыс алаңында өзінде қосылыстарды жасай алады. Алайда, ASTM 304 стандарты бойынша шымыр болаттарды өңдеу кезінде көбірек назар аудару қажет. Оларды дәнекерлеу кезінде, әдетте аргон газы арқылы ауадан қорғау, өткелдер арасындағы температураны мұқият бақылау және кейде түйіршек шекарасындағы коррозия сияқты проблемаларды болдырмау үшін дәнекерлеуден кейін жылумен өңдеу қажет. Бұл материалдармен жұмыс істеген кезде деформациялық қаттылану пішіндеу үшін қажетті күшті шамамен 35%-ден 40%-ға дейін арттырады. Жалғасуларды дәл орындау мен дұрыс толтырғыш материалды таңдау болмаған жағдайда, уақыт өте келе трещиналар пайда болуы мүмкін.

Барлық конструкциялық дәнекерлеу AWS D1.1 және AISC 360 сейсмикалық талаптарына сай болуы керек. Коррозияны бақылауға болатын жағдайларда негізгі каркас үшін көбінесе көміртекті болат қолданылады; циклдық өмір шығыны бастапқы инвестицияны оправданатын жағдайларда — жағалаулық қосылыстар, химиялық өндірістегі тірек элементтері немесе суға батырылған бекітпе элементтері сияқты ылғалдылығы жоғары аймақтарда — бекітпе элементтері мен басқа компоненттер үшін коррозияға төзімді болат қолданылады.

Стратегиялық аймақтау және құрылымдық болаттың дизайнында құны мен тұрақтылығын оптимизациялау

Материалдарды аймақтау: тепе-теңдік қамтамасыз ету үшін A36 конструкциялық элементтерін коррозияға төзімді болаттан жасалған бекітпе элементтері немесе қабырға қаптамасымен қосу

Зоналық материалдарды қолдану дегеніміз — арқалықтар, бағаналар және негізгі каркас құрылымдары сияқты элементтер үшін ASTM A36 көміртекті болатты қолдану, ал коррозияға бейім аймақтарда (мысалы, тұтқыштар, қосылу пластиналары немесе қаптау материалдары ретінде) ASTM 304 маркалы шойын болат бөлшектерін арнайы қолдану. Бұл әдіс A36 болаттың құрылымдық тұрғыдан жоғары сапасы мен төмен құнын пайдаланады, бірақ сонымен қатар материалдарға ең қатал әсер ететін жағдайларда (мысалы, теңіз жағалауындағы қосылыстар, ылғалдылығы өте жоғары аймақтар немесе химиялық заттар шашырауы мүмкін орындар) маңызды байланыстарды сақтайды. Инженерлер жобада қолданылатын жалпы болат көлемінің 15%-дан аз бөлігін қымбат шойын болаттан жасаған кезде, материалдық шығындар әдетте барлық конструкцияны толығымен шойын болаттан жасағанға қарағанда 15%-дан 30%-ға дейін төмендейді, бірақ әлі де қорғаныс қасиеттері қанағаттанарлық деңгейде сақталады. ASME B31.3 және AISC DG29 стандарттары металдардың бір-бірімен «соғысуын» болдырмау үшін электрлік контактіні блоктауға арналған ток өтпейтін прокладкалар, изоляциялық шайбалар немесе арнайы қаптаулар сияқты шараларды ұсынады. Осы әдістердің тиімділігін практика да растайды: 2023 жылғы NACE зерттеуіне сәйкес, қиын жағдайларда ғимараттардың қызмет ету мерзімі шамамен 40% ұзақырақ болады. Сондықтан бұл тәсіл сақтау қорғауын сақтай отырып, шығындарды азайтуды қалайтын қоймалар иелері, ауыл шаруашылығы кәсіпорындары мен өнеркәсіптік ғимараттар үшін танымал болып келеді.

Сұрақтар мен жауаптар бөлімі

Көміртекті болат, қоспалы болат және шаңғы болат арасындағы негізгі айырмашылықтар қандай?

Көміртекті болат құнына қатысты жоғары беріктікке ие болады және коррозия қаупі төмен ортада қолдануға қолайлы. Қоспалы болатта беріктікті және кернеуге төзімділікті арттыру үшін хром немесе никель сияқты қосымша элементтер қосылған, ол бұл болатты жоғары соққы әсерін тигізетін аймақтарда қолдануға өте қолайлы етеді. Шаңғы болат, әсіресе ASTM 304 түрлері, коррозияға төзімді, бірақ құны жоғары және оны дәстүрлі емес пісіру әдістерімен пісіру керек.

Нақты жоба үшін қай түрлі болатты таңдау керек?

Орта және оған әсер ететін қауп факторлары негізгі анықтаушылар болып табылады. Көміртекті болат коррозиялық элементтерден алыс орналасқан әдеттегі ғимараттар үшін жарамды, ал шаңғы болат теңіз жағалауларында немесе химиялық заттарға бай орталарда міндетті түрде қолданылуы керек.

Көміртекті болат пен шаңғы болаттың пісірілу қасиеттерінде айырмашылықтар бар ма?

Иә, көміртекті болатты дәстүрлі пісіру әдістерімен жеңіл пісіруге болады. Шаңғы болатты коррозияға төзімділігін сақтау үшін аргон қорғанысын қолдану және пісіру кезінде жылу режимін бақылау қажет.

Балқытқыш және желдік жүктемелерді ескере отырып болат құрылымдардың жобасын құрғанда нені ескеру керек?

Вертикаль бағандар сейсмикалық аймақтарда әсіресе сығылу мен иілу күштерін қабылдауға тиіс. Горизонталь рамалар, әсіресе құйынды аймақтарда, жел күштерін басқаруға тиіс.

Болат құрылымдарда материалды аймақтау қандай құндық артықшылықтарға ие?

Материалды аймақтау негізгі құрылымдар үшін арзан A36 көміртекті болатты қолдануға, ал коррозияға ұшырайтын жоғары қауп-қатерлі аймақтар үшін қымбат тұратын шойын болатты сақтауға мүмкіндік береді, ол құны мен тұрақтылығын оптималды түрде қамтамасыз етеді.