S235 กลายเป็นเรื่องของอดีตไปแล้วหรือ?

ตัว S ของเหล็ก

เหล็กที่ใช้กันมากที่สุดในการก่อสร้างคือ S235, S275, S355 และ S460 เหล็กเหล่านี้เป็นเหล็กรีดด้วยกระบวนการเทอร์โมแมคคานิคัล โดยตัว "S" ย่อมาจาก "Structural steel" (เหล็กโครงสร้าง) และตัวเลขระบุค่าความเค้นครากในหน่วย MPa ตัวอย่างเช่น S355 มีความเค้นครากที่ 355 MPa ซึ่งสูงกว่า S235 ถึง 50% แม้ว่าความแข็งแรงจะแตกต่างกัน แต่องค์ประกอบทางเคมีของ S235 และ S355 นั้นเกือบจะเหมือนกัน ความแตกต่างอยู่ที่เทคนิคการรีดและการทำให้เย็นตัว ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลศาสตร์ เช่น ความเค้นครากและความเค้นดึง

S355 บางครั้งถูกมองว่าเป็นเหล็กความแข็งแรงสูง เนื่องจาก S235 เป็นมาตรฐานมาเป็นเวลานาน อย่างไรก็ตาม นี่เป็นการเรียกที่ไม่ถูกต้อง เหล็กจะถูกจัดว่าเป็น เหล็กความแข็งแรงสูง ตั้งแต่ S690 ขึ้นไป ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรม เช่น การก่อสร้างเครน และงานนอกชายฝั่ง เหล็กเหล่านี้ได้รับความแข็งแรงสูงจากปริมาณคาร์บอนที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้มีองค์ประกอบของวัสดุ วิธีการผลิต และข้อกำหนดการเชื่อมที่เข้มงวดกว่า ในบทความนี้ เราจะไม่กล่าวถึงเหล็กประเภทอื่นเพิ่มเติม และมุ่งเน้นการเปรียบเทียบระหว่าง S235 กับ S355 หรือ S460 รูปที่ 1 แสดงแผนภาพความเค้น-ความเครียดและคุณสมบัติทางกลศาสตร์ของเหล็กเกรดต่างๆ แบบแผนผัง เราจะเห็นว่า เมื่อเกรดเหล็กสูงขึ้น ความเค้นดึงจะเพิ่มขึ้นในขณะที่การยืดตัวก่อนขาดจะลดลง ความแข็งเกร็งจากโมดูลัสความยืดหยุ่นยังคงเท่าเดิม

รูปที่ 1: แผนภาพความเค้น-ความเครียดและคุณสมบัติทางกลศาสตร์ของเหล็กเกรดต่างๆ

S235 ในฐานะมาตรฐานการก่อสร้างล้าสมัยแล้ว

ศักยภาพของ S355 หรือ S460 ถูกจำกัดโดยการใช้ S235 เป็นมาตรฐานในการก่อสร้าง ที่น่าสังเกตคือ ต้นทุนและการใช้พลังงานต่อกิโลกรัมสำหรับเหล็ก S235, S275, S355 และ S460 นั้นเกือบจะเท่ากัน ในขณะที่ S355 และ S460 สามารถให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าอย่างมีนัยสำคัญ

การนำ S355 มาใช้เป็นมาตรฐานจะช่วยให้สามารถสร้างโครงสร้างที่ยั่งยืนมากขึ้น นี่จึงเป็นขั้นตอนที่สมเหตุสมผล คล้ายกับวิวัฒนาการในเหล็กเสริม ที่ในอดีตใช้ QR/FeB 220 แต่ปัจจุบัน FeB 500 คือมาตรฐาน ไม่มีใครใช้ FeB 220 ในโครงสร้างคอนกรีตใหม่อีกต่อไป

"โลกของคอนกรีตมีนวัตกรรมมากกว่าโลกของเหล็กหรือไม่?"

ข้อดีและข้อกังวล

ข้อได้เปรียบหลักของการใช้เหล็กเกรดสูงกว่าคือเราสามารถปรับปรุงการใช้วัสดุให้เหมาะสมสำหรับความแข็งแรงเท่ากัน โดยการลดขนาดหน้าตัดและลดความหนาของแผ่น การใช้วัสดุน้อยลงหมายถึงเหล็กน้อยลงและต้นทุนทางเศรษฐกิจที่ต่ำลง นอกจากนี้ยังนำไปสู่การประหยัดต้นทุนไม่เพียงแต่ในแง่ของเงินยูโร แต่ยังลดการปล่อย CO2 ซึ่งส่งผลดีต่อเป้าหมายด้านสภาพภูมิอากาศ เนื่องจากการผลิตเหล็กมีบทบาทสำคัญในการปล่อยมลพิษ

ประโยชน์นี้ไม่ได้ปรากฏเฉพาะในโครงสร้างเหล็กเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการขนส่ง, การประกอบ และการออกแบบฐานรากที่เบาลงได้ ซึ่งส่งผลให้ประหยัดวัสดุ ต้นทุน และพลังงานด้วย นอกจากนี้ หน้าตัดที่เพรียวบางขึ้นยังช่วยให้การออกแบบการเชื่อมต่อง่ายขึ้น ซึ่งอาจส่งผลให้ปริมาณการเชื่อมลดลง

ในทางกลับกัน แน่นอนว่ามีข้อกังวลบางประการที่ต้องพิจารณาเมื่อใช้เหล็กเกรดสูงขึ้น เมื่อใช้หน้าตัดเหล็กที่เพรียวบางขึ้นหรือแผ่นที่บางลง โอกาสเกิดการโก่งเดาะเฉพาะที่ (การพับ) จะมากขึ้น นอกจากนี้ การใช้เหล็กที่แข็งแรงกว่าไม่ได้ส่งผลโดยตรงต่อความแข็งเกร็ง ซึ่งอาจนำไปสู่การโก่งตัวที่มากขึ้น เช่น เมื่อลดขนาดหน้าตัดคาน สุดท้าย ยังมีข้อกำหนดเฉพาะเพิ่มเติมสำหรับการเชื่อมเหล็กความแข็งแรงสูง แต่สิ่งนี้ใช้กับเหล็กตั้งแต่ S460 ขึ้นไปเป็นหลัก

การใช้เหล็กที่แข็งแรงกว่ายังส่งผลต่อความหนาขั้นต่ำของรอยเชื่อมในการตรวจสอบรายละเอียดใน IDEA ตาม FprEN 1993-1-8:2023 ข้อ 6.9(4) ดูตารางด้านล่างที่แสดงให้เห็นว่าความหนาขั้นต่ำของรอยเชื่อมเพิ่มขึ้นอย่างไรเมื่อความแข็งแรงของเหล็กสูงขึ้น

บางครั้งสิ่งนี้จำเป็นต้องใช้รอยเชื่อมที่หนาขึ้น อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ได้รับการชดเชยด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าปริมาณการเชื่อมสามารถลดลงได้โดยการใช้หน้าตัดชิ้นส่วนที่เบาลงหรือแผ่นที่บางลง

คำนวณข้อได้เปรียบของคุณ - S235 เทียบกับ S355 ใน IDEA StatiCa Connection

ในตัวอย่างต่อไปนี้ เราทำการเปรียบเทียบระหว่างการเชื่อมต่อที่ทำด้วย S235 และ S355 โดยเราตรวจสอบว่าการใช้ S355 สามารถช่วยประหยัดวัสดุได้หรือไม่

เราวิเคราะห์การเชื่อมต่อเสา-คานหลักด้วยแผ่นปลาย ซึ่งการเชื่อมต่อสามารถถือว่าเป็นแบบกึ่งแข็ง (ยืดหยุ่น) การวิเคราะห์ความแข็งเกร็งได้ดำเนินการสำหรับสถานการณ์ต่างๆ โดยใช้ IDEA StatiCa เพื่อตรวจสอบอิทธิพลต่อแผนภาพโมเมนต์-การหมุน ความต้านทานโมเมนต์ และกลไกการวิบัติ การเชื่อมต่อเดิมทำด้วย S235 ทั้งหมด และประกอบด้วยสลักเกลียว M16 8.8 จำนวนหกตัว แผ่นปลายหนา 10 มม. และรอยเชื่อมมุมคู่หนา 5 มม. สำหรับปีกและ 3 มม. สำหรับแผ่นเอว เสาเป็นหน้าตัด HEA200 และคานเป็นหน้าตัด IPE220 รูปที่ 2 แสดงการเชื่อมต่อและผลลัพธ์สำหรับสถานการณ์ต่างๆ

รูปที่ 2: ภาพรวมของการเชื่อมต่อและผลลัพธ์

สำหรับแต่ละสถานการณ์ ได้ดำเนินการวิเคราะห์ความแข็งเกร็งด้วย IDEA StatiCa Connection และผลลัพธ์ถูกนำมาซ้อนทับในแผนภาพโมเมนต์-การหมุนในรูปที่ 3 ต่อไป แต่ละสถานการณ์จะได้รับการอธิบายอย่างละเอียดมากขึ้น เราเริ่มต้นด้วยการเชื่อมต่อที่ทำด้วย S235 และ S355 จากนั้นเราสำรวจว่าเราสามารถปรับเปลี่ยนการเชื่อมต่อเพื่อลดปริมาณวัสดุและรอยเชื่อมเพื่อประหยัดต้นทุนได้หรือไม่

รูปที่ 3: แผนภาพโมเมนต์-การหมุนสำหรับสถานการณ์ที่คำนวณต่างๆ

• S235:

จุดต่อที่ทำด้วย S235 บรรลุความต้านทานโมเมนต์ประมาณ Mj,Rd = 45 kNm จุดต่อแสดงความสามารถในการเสียรูปที่เหมาะสม เนื่องจากกลไกการวิบัติถูกกำหนดโดยความเครียดพลาสติกในแผ่นเอวของเสา

• S355

สำหรับจุดต่อเดียวกันที่ทำด้วย S355 ความแข็งเกร็งในการหมุนเริ่มต้นยังคงไม่เปลี่ยนแปลง (ดูรูปที่ 3) เนื่องจากโมดูลัสความยืดหยุ่นและรูปทรงเรขาคณิตยังคงเดิม ความแข็งเกร็งจึงไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ความต้านทานโมเมนต์ของจุดต่อเพิ่มขึ้น โดย Mj,Rd สำหรับ S355 สูงกว่า S235 ประมาณ 30% แม้ว่าความแข็งแรงจะเพิ่มขึ้น แต่ความสามารถในการเสียรูปลดลงเนื่องจากกลไกการวิบัติเปลี่ยนไป ที่ S235 แผ่นเอวของเสาถึงความเครียดพลาสติก 5% ในขณะที่ที่ S355 รอยเชื่อมบนแผ่นปลายถึงความเค้นสูงสุดที่อนุญาต ส่งผลให้กลไกการวิบัติมีความเหนียวน้อยลง

เพื่อให้ได้ความต้านทานโมเมนต์เท่ากันที่ S355 เหมือนกับที่ S235 จุดต่อสามารถปรับให้เหมาะสมเพื่อประหยัดวัสดุ ซึ่งสามารถทำได้โดยการทำให้แผ่นปลายบางลง โดยการใช้สลักเกลียวขนาดเล็กลง หรือโดยการลดขนาดหน้าตัดของเสาและคาน

• S355 สลักเกลียวขนาดเล็กลง

เมื่อใช้สลักเกลียว M14 หรือ M12 8.8 แทน M16 Mj,Rd จะลดลง แต่ความสามารถในการเสียรูปก็ลดลงอย่างมีนัยสำคัญด้วยดังที่แสดงในรูปที่ 3 เมื่อลดขนาดสลักเกลียว คุณยังคงความแข็งเกร็งเริ่มต้นของการเชื่อมต่อ แต่สูญเสียความสามารถในการเสียรูปและความแข็งแรง เนื่องจากกลไกการวิบัติเปลี่ยนไปที่สลักเกลียว จากการสังเกตนี้และเนื่องจากปริมาณวัสดุที่ประหยัดได้นั้นน้อยมาก จึงไม่เป็นประโยชน์ที่จะทำให้สลักเกลียวเบาลง ซึ่งเป็นสิ่งที่คาดหวังได้เนื่องจากคุณภาพของสลักเกลียวเองไม่ได้เพิ่มขึ้น

• S355 แผ่นปลายบางลง

เมื่อลดความหนาของแผ่นปลาย คุณจะสูญเสียความแข็งแรงและความแข็งเกร็ง แต่ยังคงความสามารถในการเสียรูปไว้ได้เนื่องจากแผ่นปลายจะเกิดการไหลตัว ที่ความหนาแผ่นปลาย t = 6 มม. ความแข็งเกร็งและความต้านทานโมเมนต์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ที่ t = 8 มม. จะได้ Mj,Rd ใกล้เคียงกับ S235 แต่ด้วยความหนาแผ่นที่ลดลง ซึ่งช่วยประหยัดวัสดุโดยไม่ส่งผลเสียอย่างมีนัยสำคัญต่อความแข็งเกร็งและความแข็งแรงของจุดต่อ

• S355 หน้าตัดเพรียวบางลง

เมื่อความหนาของแผ่นปลายยังคงอยู่ที่ 10 มม. แต่หน้าตัดของเสาและคานถูกลดลงจนถึงจุดที่ Mj,Rd อยู่ที่ประมาณ 45 kNm ผลลัพธ์คือความต้านทานโมเมนต์เท่ากันและความสามารถในการเสียรูปที่เหมาะสม แต่ใช้วัสดุน้อยลง ในกรณีนี้ หน้าตัดถูกลดลงจาก HEA200 และ IPE220 เป็น HEA160 และ IPE200 ตามลำดับ

บทสรุป

การเพิ่มความแข็งแรงของเหล็กช่วยให้สามารถประหยัดวัสดุได้โดยการปรับเปลี่ยนแผ่นการเชื่อมต่อหรือหน้าตัดของชิ้นส่วน การลดขนาดหน้าตัดมีประสิทธิภาพและประหยัดที่สุด เนื่องจากให้การลดน้ำหนัก ต้นทุน และการปล่อย CO₂ ได้มากที่สุด ในขณะเดียวกัน ความแข็งแรงและความแข็งเกร็งของจุดต่อยังคงได้รับการรักษาไว้ ซึ่งเป็นแนวทางแก้ปัญหาที่ยั่งยืน

อย่างไรก็ตาม ควรระลึกไว้ว่าการลดพื้นที่หน้าตัดส่งผลโดยตรงต่อการโก่งตัวของชิ้นส่วน ซึ่งต้องได้รับการวิเคราะห์ในบริบทของการออกแบบที่กว้างขึ้น นอกจากนี้ การเพิ่มความแข็งแรงของเหล็กอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงกลไกการวิบัติ โดยมีความเสี่ยงเพิ่มขึ้นของการแตกหักแบบเปราะ เช่น การวิบัติของสลักเกลียวหรือความเค้นที่สูงขึ้นในรอยเชื่อม ซึ่งไม่เป็นที่ต้องการเสมอไปเนื่องจากจะลดความสามารถในการเสียรูปของจุดต่อ

อย่างไรก็ตาม หากนำสิ่งนี้มาพิจารณาในการออกแบบรายละเอียดของจุดต่อ และความหนาของรอยเชื่อมเป็นไปตามการตรวจสอบรายละเอียดใน IDEA StatiCa Connection ซึ่งคำนึงถึงหลักการที่ว่าแผ่นต้องเกิดการไหลตัวก่อนที่รอยเชื่อมจะแตกหักแบบเปราะ การเพิ่มเกรดเหล็กและการปรับจุดต่อให้เหมาะสมก็เป็นทางเลือกที่มีเหตุผลและมีประสิทธิภาพ

สุดท้าย ขอเน้นย้ำว่าการเปรียบเทียบนี้ดำเนินการเฉพาะสำหรับจุดต่อนี้ และข้อสรุปและพารามิเตอร์จะแตกต่างกันไปในแต่ละจุดต่อ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ภาพรวมที่ครบถ้วน เราต้องรวมโครงสร้างทั้งหมดไว้ในการตรวจสอบของเรา เมื่อนั้นเท่านั้นเราจึงจะสามารถประเมินอิทธิพลที่แท้จริงของความแข็งเกร็งและความแข็งแรงทั้งในจุดต่อและชิ้นส่วนได้อย่างครบถ้วน บางทีสิ่งนี้อาจได้รับการสำรวจเพิ่มเติมในบทความติดตามผล

แหล่งอ้างอิง

• Li, Y., Lee, C.-C., & Cai, Y. (2023). Recent research advances in high-performance steel tubular members: Material properties, stub columns, and beams. Buildings, 13(11), 2713. https://doi.org/10.3390/buildings13112713
• Greven, S. X. (2013, October). Why S235 is obsolete. Building with Steel, 235. https://www.duurzaaminstaal.nl/upload/File/BMS_235_S235.pdf
• Romeijn, E., & Luijendijk, T. (2009). Construction high-strength steel makes different demands on welding. Metal magazine, 9, 30-32.