เหล็กโครงสร้างคืออะไร? องค์ประกอบและการใช้งาน

สำรวจโครงสร้างเหล็ก

ตั้งแต่อาคารที่ผู้คนไปเยี่ยมชม บ้านที่พวกเขาอาศัยอยู่ ไปจนถึงถนนที่พวกเขาเดินทาง เหล็กแผ่นโครงสร้างเป็นวัสดุก่อสร้างอเนกประสงค์ที่ให้ความเก่งกาจในการผลิตและความแข็งแรงของโครงสร้างโดยไม่รับน้ำหนักมาก บทความนี้จะกล่าวถึงเหล็กโครงสร้าง องค์ประกอบ ลักษณะ การใช้งาน และอื่นๆ อีกมากมาย

เหล็กโครงสร้างคืออะไร?

เหล็กโครงสร้างเป็นเหล็กประเภทควบคุมที่ต้องเป็นไปตามมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับความคลาดเคลื่อนของมิติและองค์ประกอบ ในสหรัฐอเมริกา เกรดเหล็กได้รับการกำหนดและควบคุมโดย ASTM International นอกจากนี้ ยุโรปและแคนาดายังมีหน่วยงานกำกับดูแลและมาตรฐานของตนเอง แม้ว่า Leeco Steel จะนำเสนอแผ่นเหล็กมาตรฐาน EN และแผ่นเหล็กมาตรฐาน CSA G40.21 แต่บทความนี้จะเน้นที่มาตรฐาน ASTM

เกรดเหล็กโครงสร้างมีหลากหลายเกรด โดยที่นิยมมากที่สุดคือ ASTM A572 และ ASTM A36 เหล็กเกรดเหล่านี้ร่วมกับเหล็กโครงสร้างเกรดอื่นๆ ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการก่อสร้างโครงสำหรับสะพานและอาคาร

พวกเขายังใช้ในการสร้าง:

รถบรรทุกสินค้า

อุปกรณ์ก่อสร้าง

อะไหล่รถบรรทุก

เครื่องจักร

บาร์เครน

หอส่งสัญญาณ

ชั้นวางรถบรรทุก

งานวิจัยที่ตีพิมพ์โดย American Institute of Steel Construction แสดงให้เห็นว่าเหล็กโครงสร้างประกอบด้วย 47 เปอร์เซ็นต์ของวัสดุก่อสร้างทั้งหมด ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้สูงที่เหล็กโครงสร้างจะรับผิดชอบส่วนหนึ่งของการออกแบบในโครงสร้าง อาคาร หรือสะพาน ที่ซึ่งผู้คนมาพบกัน

การผลิตและทดสอบเหล็กโครงสร้าง

เพื่อให้เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าเหล็กโครงสร้างแตกต่างจากเหล็กที่ไม่มีโครงสร้างอย่างไร เช่น ที่ใช้ในรถบรรทุก เรือ หรือถังทหาร การตรวจสอบองค์ประกอบของเหล็กโครงสร้างเป็นสิ่งสำคัญ

เหล็กสามารถทำจากวัตถุดิบหรือจากการรีไซเคิลเหล็กเก่า ในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนเหล็กรีไซเคิลเป็นเหล็กใหม่ เหล็กที่มีอยู่จะถูกหลอมและกลั่นให้ตรงตามข้อกำหนดบางประการ การทำเหล็กจากวัตถุดิบเป็นกระบวนการที่ยาวนานกว่ามาก

เหล็กเป็นโลหะผสมที่ประกอบด้วยคาร์บอนและเหล็ก ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีอยู่มากมาย แต่ไม่ค่อยพบในรูปแบบบริสุทธิ์ ในการทำเหล็กจากวัตถุดิบ เหล็กได้มาจากแร่เหล็กซึ่งมีเหล็กออกไซด์อยู่มาก แร่เหล็กส่วนใหญ่ในสหรัฐอเมริกามีการขุดเพื่อทาโคไนต์ ซึ่งพบมากในมินนิโซตา ในระหว่างขั้นตอนการขุด ทาโคไนต์จะถูกบดให้เป็นองค์ประกอบที่มีทราย และใช้แม่เหล็กเพื่อแยกแร่เหล็ก (ในรูปของหินก้อนกรวด) ออกจากสารและแร่ธาตุอื่นๆ

แม้ว่าเหล็กมักจะคิดว่าแข็งแรงและแข็ง แต่แร่เหล็กดิบนั้นอ่อนมากจนสามารถตัดด้วยมีดและกล้ามเนื้อบางส่วนได้ โลหะผสมที่มีธาตุเหล็กมีความแข็งแรงจากการเติมคาร์บอน

โลหะผสมของเหล็กและคาร์บอนมักเกิดจากการรวมโค้กกับแร่เหล็กและให้ความร้อนจนโค้กจุดไฟ โค้กเป็นถ่านหินที่อุดมด้วยคาร์บอน ผลของความร้อนที่รุนแรงนี้ โค้กจะปล่อยคาร์บอนและเกาะติดกับออกซิเจนของเหล็กออกไซด์ ทำให้เหลือคาร์บอนและเหล็กรวมกัน กระบวนการนี้เรียกว่าการลด

หลังจากการลดลง วัสดุจะมีคาร์บอนประมาณ 4 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งผ่านกระบวนการให้ความร้อนและความเย็นเพิ่มเติมเพื่อลดปริมาณคาร์บอน ทำให้วัสดุแข็งแรงขึ้นและแข็งขึ้น ทันทีที่ปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 2.1 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักของวัสดุ ก็จะกลายเป็นเหล็ก ในการผลิตเหล็กโครงสร้าง คาร์บอนจะต้องลดลงอีกจนกว่าองค์ประกอบของมันจะมีเพียง 0,05 เปอร์เซ็นต์ ถึง 0.25 เปอร์เซ็นต์

ผลลัพธ์ที่ได้คือเหล็กโครงสร้างที่มีราคาประหยัด รีไซเคิลได้ 100 เปอร์เซ็นต์ และมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง เหล็กโครงสร้างมีเกรดต่างกันซึ่งแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบ องค์ประกอบเหล่านี้ช่วยสร้างวัสดุที่จำเป็นสำหรับโครงการใดโครงการหนึ่งโดยเฉพาะ

อีกทางหนึ่ง เหล็กสามารถนำไปแปรรูปต่อได้ - โดยการให้ความร้อนและความเย็นเพิ่มเติม และ/หรือการเพิ่มโลหะผสม เช่น ไททาเนียม โมลิบดีนัม และโครเมียม เพื่อเพิ่มความแข็ง กระบวนการเหล่านี้ส่งผลต่อความเปราะบางโดยรวม ในกรณีส่วนใหญ่ ทำให้วัสดุที่ได้ไม่เหมาะกับงานโครงสร้าง

องค์ประกอบของเหล็กโครงสร้าง

ด้านล่างเป็นองค์ประกอบของเกรดเหล็กโครงสร้างที่รู้จักกันดีสองเกรด: ASTM 572 และ ASTM A36 แม้ว่าเกรดเหล็กโครงสร้างอื่นๆ จะมีองค์ประกอบที่คล้ายคลึงกัน แต่ก็อาจมีโลหะผสมเพิ่มเติมหรือผ่านกระบวนการแปรรูปเพิ่มเติม

A514 ยังประกอบด้วยโมลิบดีนัม 0.2 เปอร์เซ็นต์ โครเมียม 0.48 เปอร์เซ็นต์ 0 0วาเนเดียม 5 เปอร์เซ็นต์ 0.02 เปอร์เซ็นต์ของไททาเนียม และ 0.003 เปอร์เซ็นต์ของโบรอน

การปรากฏตัวของโลหะผสมเพิ่มเติมที่เพิ่มทั้งความแข็งและความเปราะเป็นความแตกต่างขององค์ประกอบหลักระหว่างเหล็กที่ไม่มีโครงสร้างและโครงสร้าง ในบางกรณี โลหะผสมเพิ่มเติมสามารถสร้างเหล็กคุณภาพโครงสร้างได้ อย่างไรก็ตาม ในกรณีอื่น เหล็กที่ผลิตได้นั้นเปราะเกินไปสำหรับใช้ในความสามารถเชิงโครงสร้าง

ผลผลิตและความต้านทานแรงดึง

นอกเหนือจากองค์ประกอบทางเคมี ขีดจำกัดความเค้นและผลผลิตยังช่วยสร้างเกรดเหล็กตลอดจนการใช้งานทั่วไป

จุดสูงสุดของความเครียดคือขีดจำกัดความยืดหยุ่น ซึ่งวัสดุจะเปลี่ยนรูปร่างอย่างถาวร ตัวอย่างเช่น เมื่อมีคนกระโดดจากแทรมโพลีน แทรมโพลีนจะโค้งงอตามธรรมชาติเพื่อดูดซับพลังงานและน้ำหนัก แต่หลังจากที่บุคคลนั้นกระโดดลงจากแทรมโพลีน แทรมโพลีนจะกลับเป็นรูปร่างเดิม ขีดจำกัดความยืดหยุ่นของกระดานกระโดดน้ำจะเป็นจุดที่โค้งงอภายใต้พลังงานและน้ำหนัก และยังคงโค้งงออย่างถาวรแม้หลังจากที่นักประดาน้ำเปิดตัว

ลักษณะสำคัญของโครงสร้างเหล็ก จุดครากต้องมีอัตราครากบางส่วนเพื่อดูดซับน้ำหนัก ตัวอย่างเช่น ความแข็งแรงครากในสะพานคือน้ำหนักสูงสุดที่สะพานจะรับได้ก่อนที่จะประสบกับความเสียหายถาวร

ความต้านแรงดึงหมายถึงจุดที่วัสดุที่พับแล้วจะแตกหัก ในตัวอย่างแทรมโพลีนด้านบน นี่คือพลังงานและน้ำหนักที่จำเป็นในการทำให้แทรมโพลีนแตก

ด้านล่างเป็นแผนภูมิแสดงจุดรับแรงดึงและจุดครากของเหล็กโครงสร้างทั่วไปสามประเภท คะแนนเหล่านี้คำนวณเป็นกิโลนิ้วต่อตารางนิ้ว ("ksi") หรือปอนด์ต่อตารางนิ้ว ("psi") ดังนี้ บางครั้งก็ระบุเป็นเมกะปาสคาลด้วย

ความครอบคลุมขึ้นอยู่กับความหนา แต่เกรดทั่วไปคือ 50 ksi

พารามิเตอร์ทั้งสองนี้มีความสำคัญมากสำหรับวิศวกรในการวางแผนวัสดุที่จำเป็นสำหรับโครงการเฉพาะ