S235 có còn là chuyện của quá khứ không?

Chữ S trong Thép

Các loại thép được sử dụng phổ biến nhất trong thi công là S235, S275, S355 và S460. Đây là các loại thép cán nhiệt cơ, trong đó chữ "S" là viết tắt của "Structural steel" (thép kết cấu) và con số chỉ giới hạn chảy tính bằng MPa. Ví dụ, S355 có giới hạn chảy là 355 MPa, cao hơn 50% so với S235. Mặc dù độ bền khác nhau, thành phần hóa học của S235 và S355 gần như giống hệt nhau. Sự khác biệt chủ yếu nằm ở kỹ thuật cán và làm nguội, ảnh hưởng đến các tính chất cơ học như giới hạn chảy và giới hạn bền kéo.

S355 đôi khi được coi là thép cường độ cao vì S235 đã là tiêu chuẩn trong một thời gian dài. Tuy nhiên, đây là cách gọi không chính xác. Thép chỉ được coi là thép cường độ cao từ S690 trở lên, chủ yếu được sử dụng trong các ngành như chế tạo cần cẩu và công trình ngoài khơi. Các loại thép này đạt được cường độ cao nhờ hàm lượng carbon tăng, dẫn đến thành phần vật liệu, phương pháp sản xuất và yêu cầu hàn khắt khe hơn. Trong bài viết này, chúng ta sẽ không thảo luận thêm về các loại thép khác mà tập trung vào so sánh giữa S235 và S355 hoặc S460. Hình 1 thể hiện sơ đồ biểu đồ ứng suất - biến dạng và các tính chất cơ học của các mác thép khác nhau. Chúng ta có thể thấy rằng ở các mác thép cao hơn, giới hạn bền kéo tăng trong khi độ giãn dài khi đứt giảm. Độ cứng do mô đun đàn hồi vẫn không thay đổi.

Hình 1: Biểu đồ ứng suất - biến dạng và các tính chất cơ học của các mác thép khác nhau.

S235 là tiêu chuẩn trong thi công đã lỗi thời

Tiềm năng của S355 hoặc S460 bị hạn chế bởi việc sử dụng S235 làm tiêu chuẩn trong thi công. Đáng chú ý là chi phí và mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kilogram đối với các loại thép S235, S275, S355 và S460 gần như giống nhau, trong khi S355 và S460 có thể mang lại hiệu suất tốt hơn đáng kể.

Bằng cách đưa S355 làm tiêu chuẩn, có thể đạt được các công trình bền vững hơn. Đây là một bước đi hợp lý, tương tự như sự phát triển trong lĩnh vực cốt thép. Trước đây QR/FeB 220 được sử dụng, ngày nay FeB 500 là tiêu chuẩn. Không ai hiện nay sử dụng FeB 220 trong các kết cấu bê tông mới.

"Liệu thế giới bê tông có đổi mới hơn thế giới thép không?"

Lợi ích và những lo ngại

Ưu điểm chính của việc sử dụng các mác thép cao hơn là chúng ta có thể tối ưu hóa mức tiêu thụ vật liệu cho cùng một độ bền, bằng cách thu gọn tiết diện và giảm chiều dày bản sàn. Tiêu thụ vật liệu ít hơn đồng nghĩa với ít thép hơn và do đó giảm chi phí kinh tế. Ngoài ra, điều này không chỉ dẫn đến tiết kiệm chi phí bằng tiền, mà còn giảm lượng phát thải CO2, đóng góp tích cực cho các mục tiêu khí hậu, vì sản xuất thép đóng vai trò lớn trong lượng phát thải.

Lợi ích này không chỉ thể hiện trong bản thân kết cấu thép, mà còn trong vận chuyển, lắp dựng và thiết kế nhẹ hơn có thể có của móng, cũng dẫn đến tiết kiệm vật liệu, chi phí và năng lượng. Ngoài ra, các tiết diện mảnh hơn cho phép thiết kế liên kết dễ dàng hơn, có thể dẫn đến thể tích mối hàn nhỏ hơn.

Mặt khác, tất nhiên có một số lo ngại cần xem xét khi sử dụng thép có cường độ cao hơn. Khi sử dụng các tiết diện thép mảnh hơn hoặc bản mỏng hơn, khả năng oằn cục bộ (gấp nếp) sẽ lớn hơn. Hơn nữa, việc sử dụng thép cường độ cao hơn không ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, điều này có thể dẫn đến, ví dụ, độ võng lớn hơn khi làm mảnh tiết diện dầm. Cuối cùng, cũng có các yêu cầu cụ thể hơn đối với việc hàn thép cường độ cao hơn, nhưng điều này chủ yếu áp dụng cho thép từ S460 trở lên.

Việc sử dụng thép cường độ cao hơn cũng ảnh hưởng đến chiều dày mối hàn tối thiểu trong kiểm tra chi tiết trong IDEA theo FprEN 1993-1-8:2023 Điều 6.9(4). Xem bảng dưới đây cho thấy chiều dày mối hàn tối thiểu tăng như thế nào ở cường độ thép cao hơn.

Điều này đôi khi đòi hỏi phải sử dụng mối hàn dày hơn. Tuy nhiên, điều này được bù đắp bởi thực tế là thể tích mối hàn có thể được giảm bằng cách sử dụng tiết diện cấu kiện nhẹ hơn hoặc bản mỏng hơn.

Tính toán lợi thế của bạn - S235 so với S355 trong IDEA StatiCa Connection

Trong ví dụ sau, chúng ta thực hiện so sánh giữa một liên kết được thực hiện bằng S235 và S355. Khi đó, chúng ta xem xét liệu việc sử dụng S355 có thể đóng góp vào việc tiết kiệm vật liệu hay không.

Chúng ta phân tích một liên kết cột-dầm chính với bản mã đầu dầm, trong đó liên kết có thể được coi là bán cứng (linh hoạt). Một phân tích độ cứng đã được thực hiện cho các tình huống khác nhau bằng IDEA StatiCa để điều tra ảnh hưởng đến biểu đồ mô men - góc xoay, khả năng chịu mô men và cơ chế phá hoại. Liên kết ban đầu được làm hoàn toàn bằng S235 và bao gồm sáu bu lông M16 8.8, một bản mã đầu dầm dày 10 mm và mối hàn góc kép dày 5 mm cho cánh và 3 mm cho bụng. Cột là tiết diện HEA200 và dầm là tiết diện IPE220. Hình 2 thể hiện liên kết và kết quả cho các tình huống khác nhau.

Hình 2: Tổng quan về liên kết và kết quả.

Đối với mỗi tình huống, phân tích độ cứng được thực hiện với IDEA StatiCa Connection, và các kết quả được chồng lên nhau trong biểu đồ mô men - góc xoay ở Hình 3. Tiếp theo, mỗi tình huống được giải thích chi tiết hơn. Chúng ta bắt đầu với liên kết được thực hiện bằng S235 và S355. Sau đó chúng ta khám phá xem liệu chúng ta có thể sửa đổi liên kết để giảm vật liệu và thể tích mối hàn nhằm tiết kiệm chi phí hay không.

Hình 3: Biểu đồ mô men - góc xoay cho các tình huống tính toán khác nhau.

• S235:

Nút liên kết thực hiện bằng S235 đạt khả năng chịu mô men khoảng Mj,Rd = 45 kNm. Nút liên kết thể hiện khả năng biến dạng hợp lý vì cơ chế phá hoại được xác định bởi biến dạng dẻo trong bụng cột.

• S355

Đối với cùng một nút liên kết thực hiện bằng S355, độ cứng xoay ban đầu không thay đổi (xem Hình 3). Vì mô đun đàn hồi E và hình học vẫn như cũ, độ cứng không thay đổi. Tuy nhiên, khả năng chịu mô men của nút liên kết tăng lên, với Mj,Rd của S355 cao hơn khoảng 30% so với S235. Mặc dù độ bền tăng, khả năng biến dạng giảm khi cơ chế phá hoại thay đổi. Ở S235, bụng cột đạt 5% biến dạng dẻo, trong khi ở S355, các mối hàn trên bản mã đầu dầm đạt ứng suất cho phép tối đa, dẫn đến cơ chế phá hoại kém dẻo hơn.

Để đạt được khả năng chịu mô men tương tự ở S355 như ở S235, nút liên kết có thể được tối ưu hóa để tiết kiệm vật liệu. Điều này có thể đạt được bằng cách làm mỏng bản mã đầu dầm, sử dụng bu lông nhỏ hơn, hoặc giảm tiết diện cấu kiện của cột và dầm.

• S355 bu lông nhỏ hơn

Khi sử dụng bu lông M14 hoặc M12 8.8 thay vì M16, Mj,Rd giảm, nhưng khả năng biến dạng cũng giảm đáng kể như thể hiện trong Hình 3. Với việc giảm kích thước bu lông, bạn duy trì độ cứng ban đầu của liên kết, nhưng hy sinh khả năng biến dạng và độ bền vì cơ chế phá hoại chuyển sang bu lông. Dựa trên quan sát này và vì lượng vật liệu tiết kiệm được là không đáng kể, việc làm nhẹ bu lông không có lợi. Điều này là điều có thể dự đoán được vì bản thân chất lượng bu lông không được tăng lên.

• S355 bản mã đầu dầm mỏng hơn

Với việc giảm chiều dày của bản mã đầu dầm, bạn hy sinh độ bền và độ cứng, nhưng vẫn giữ được khả năng biến dạng vì bản mã đầu dầm sẽ chảy dẻo. Ở bản mã đầu dầm t = 6 mm, độ cứng và khả năng chịu mô men giảm đáng kể. Tuy nhiên, ở t = 8 mm, Mj,Rd xấp xỉ đạt được như với S235, nhưng với chiều dày bản giảm. Điều này tiết kiệm vật liệu mà không ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến độ cứng và độ bền của nút liên kết.

• S355 tiết diện mảnh hơn

Khi chiều dày bản mã đầu dầm vẫn giữ ở 10 mm, nhưng tiết diện của cột và dầm được giảm đến mức Mj,Rd khoảng 45 kNm, điều này dẫn đến khả năng chịu mô men tương đương và khả năng biến dạng hợp lý, nhưng với lượng vật liệu sử dụng ít hơn. Trong trường hợp này, các tiết diện được giảm từ HEA200 và IPE220 xuống lần lượt là HEA160 và IPE200.

Kết luận

Bằng cách tăng cường độ thép, vật liệu có thể được tiết kiệm thông qua các điều chỉnh đối với các bản liên kết hoặc tiết diện cấu kiện. Giảm tiết diện là hiệu quả và kinh tế nhất, vì nó mang lại mức giảm lớn nhất về trọng lượng, chi phí và lượng phát thải CO₂. Đồng thời, độ bền và độ cứng của nút liên kết được duy trì, mang lại một giải pháp bền vững.

Tuy nhiên, cần nhớ rằng việc giảm diện tích tiết diện ảnh hưởng trực tiếp đến độ võng của các thanh, điều này phải được phân tích trong thiết kế tổng thể. Ngoài ra, việc tăng cường độ thép có thể dẫn đến thay đổi cơ chế phá hoại, với nguy cơ phá hoại giòn tăng lên, chẳng hạn như phá hoại bu lông hoặc ứng suất cao hơn trong các mối hàn. Điều này không phải lúc nào cũng mong muốn vì nó làm giảm khả năng biến dạng của nút liên kết.

Tuy nhiên, nếu điều này được tính đến trong chi tiết hóa nút liên kết và chiều dày mối hàn tuân thủ kiểm tra chi tiết trong IDEA StatiCa Connection, có tính đến nguyên tắc rằng các bản phải chảy dẻo trước khi mối hàn bị phá hoại giòn, thì việc tăng mác thép và tối ưu hóa nút liên kết là một lựa chọn có chủ đích và hiệu quả.

Cuối cùng, cần nhấn mạnh rằng so sánh này được thực hiện đặc biệt cho nút liên kết này và các kết luận cũng như thông số sẽ thay đổi từ nút liên kết này sang nút liên kết khác. Tuy nhiên, để có được bức tranh tổng thể, chúng ta phải đưa toàn bộ kết cấu vào điều tra. Chỉ khi đó chúng ta mới có thể đánh giá đầy đủ ảnh hưởng thực tế của độ cứng và độ bền trong cả nút liên kết lẫn các thanh. Có lẽ điều này sẽ được khám phá thêm trong một bài viết tiếp theo.

Tài liệu tham khảo

• 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.