Proiectarea structurilor din oțel inoxidabil
Oțelul inoxidabil este utilizat din ce în ce mai mult în construcții, nu numai ca placare sau detalii arhitecturale, ci și ca material portant deplin. Avantajul său este rezistența ridicată la coroziune combinată cu o bună rezistență și plasticitate, ceea ce se traduce prin cerințe de întreținere mai reduse, o perioadă mai lungă fără reparații și un aspect stabil al elementelor în timp. În structurile exterioare, instalațiile de infrastructură, clădirile cu umiditate ridicată sau arhitectura expusă, acesta este un argument la fel de important ca și capacitatea portantă în sine.
Baza „inoxidabilității” este formarea spontană a unui strat subțire, impermeabil, de oxizi bogați în crom pe suprafața oțelului. Acest strat este stabil, neporos și impermeabil. Când este zgâriat, se reconstruiește în prezența oxigenului, motiv pentru care, în multe medii, oțelul nu necesită acoperiri protectoare clasice. Cu toate acestea, trebuie reținut faptul că stabilitatea stratului pasiv depinde de compoziția oțelului, finisajul suprafeței și agresivitatea mediului. În practica de proiectare, acest lucru înseamnă că selecția materialului și a detaliilor trebuie să țină seama nu numai de „dacă oțelul va rugini”, ci și de faptul dacă acesta își va păstra aspectul așteptat și dacă va apărea coroziune locală în zonele supuse unor condiții de mediu deosebit de dure.
Acest articol se bazează pe cartea „Podręcznik projektowania konstrukcji ze stali nierdzewnych, wydanie czwarte” publicată de Universitatea Tehnică din Rzeszów, care este o traducere fidelă a „Manualului de proiectare pentru oțel inoxidabil structural, ediția a 4-a, SCI 2017”. Conținutul următor este doar o prezentare generală a subiectului. Pentru cei interesați de acest subiect, recomandăm să aprofundați literatura de specialitate.
Selectarea calității și identificarea mediului coroziv
În proiectarea structurilor din oțel inoxidabil, decizia privind selectarea calității este la fel de importantă ca și selectarea secțiunii transversale. Diferitele tipuri de oțel inoxidabil oferă combinații diferite de rezistență, sudabilitate și rezistență la medii corozive, astfel încât obiectivul nu este acela de a alege „cel mai bun” oțel, ci oțelul adecvat pentru expunere. Alegerea corectă evită atât problemele de coroziune prematură, cât și depășirile inutile de costuri rezultate din utilizarea unui tip de oțel cu un conținut prea ridicat de aliaj.
Trei familii domină în practica construcțiilor: oțelurile austenitice, feritice și duplex (feritico-austenitice). Clasele austenitice sunt cele mai frecvent utilizate în construcții: prezintă ductilitate ridicată, ușurință de formare la rece și sudabilitate bună. Rezistența lor la coroziune poate fi sporită prin creșterea conținutului de crom și adăugarea de molibden și azot, ceea ce poate fi crucial în medii clorurate. Oțelurile feritice au de obicei un conținut mai scăzut de nichel și, prin urmare, adesea o volatilitate mai mică a prețurilor; ele fac față bine coroziunii sub tensiune, dar oferă în general o plasticitate mai scăzută și o sensibilitate tehnologică și de sudare mai mare. Oțelurile duplex combină caracteristicile ambelor grupuri și se caracterizează printr-o rezistență semnificativ mai mare decât oțelurile austenitice, ceea ce poate reduce grosimea componentelor și compensa parțial costul materialului.
Indicele PREN = %Cr + 3,3%Mo + 16%N ajută la evaluarea rezistenței la coroziune punctiformă. Acesta facilitează compararea calităților, dar trebuie tratat ca un indicator preliminar și nu ca o „garanție de durabilitate cu o singură cifră”. Riscul de coroziune este influențat și de temperatură, tipul de contaminare, ciclurile de umezire și uscare și disponibilitatea oxigenului, care determină menținerea stratului pasiv. În medii bogate în cloruri, cum ar fi zonele de coastă, zonele cu săruri de dezghețare, instalațiile expuse la spray cu sare sau anumite instalații industriale, probabilitatea de coroziune punctiformă și interstițială crește. În astfel de condiții, pe lângă selectarea unui grad cu un PREN mai mare, finisajul suprafeței, geometria pieselor și menținerea curățeniei devin importante.
Alegerea materialului trebuie să țină seama și de mecanismele de coroziune asociate cu detaliile și tehnologia. Coroziunea interstițială se dezvoltă în fisuri înguste, parțial închise, în care apa și clorurile pot pătrunde, dar oxigenul are dificultăți de acces, împiedicând reînnoirea eficientă a stratului pasiv. Coroziunea sub tensiune necesită prezența simultană a tensiunilor de tracțiune și a factorilor de mediu specifici; este puțin probabilă într-o atmosferă tipică de clădire, dar în medii bogate în cloruri (de exemplu, piscine interioare, zone costiere) și sub tensiuni interne ridicate, poate deveni un factor de proiectare. În cele din urmă, în cazul îmbinărilor sudate, trebuie acordată atenție coroziunii intergranulare în zona afectată termic, asociată cu precipitarea carburilor de crom în intervalul 450-850 °C; acest risc este atenuat prin selectarea calităților adecvate (de exemplu, cu conținut redus de carbon sau stabilizate) și a unei proceduri de sudare alese cu atenție.
În practică, multe dezamăgiri legate de durabilitate nu se datorează unui „defect al oțelului inoxidabil”, ci erorilor din procesul de proiectare și fabricație. Cauzele frecvent citate includ: clase insuficient de rezistente selectate pentru un anumit mediu, detalii prost proiectate care favorizează retenția apei sau formarea de crăpături, calitate insuficientă a fabricației și tratamentului de suprafață, precum și curățarea și funcționarea necorespunzătoare. De asemenea, trebuie remarcat faptul că, dacă apare o problemă gravă de coroziune, aceasta se manifestă de obicei în primii ani de funcționare. Acest lucru întărește argumentul în favoarea verificării mediului și a detaliilor înainte de implementare, mai degrabă decât „a conta pe oțelul inoxidabil pentru a ierta totul”.
Proiectarea având în vedere coroziunea
Chiar și un tip de oțel bine ales poate să nu îndeplinească așteptările dacă proiectarea și manopera favorizează acumularea de umiditate sau contaminanți. Din perspectiva proiectantului, este esențial să combinați selectarea calității cu detaliile potrivite: asigurarea drenării apei, limitarea „buzunarelor” pentru depozite și minimizarea spațiilor în care poate apărea dezoxigenarea locală și slăbirea stratului pasiv. În structurile din oțel inoxidabil, durabilitatea „începe” adesea în desenul detaliat al îmbinării, mai degrabă decât în tabelul de rezistență.
Detaliile care favorizează durabilitatea încep cu geometria elementelor. Foile nominal orizontale trebuie proiectate cu o pantă, astfel încât apa să nu rămână pe suprafață. În cazul în care acumularea de umiditate nu poate fi evitată, se proiectează orificii de scurgere cu un diametru care reduce riscul de înfundare. În secțiunile deschise, orientarea profilului este importantă; același unghi sau canal poate acționa ca o „jgheab” pentru a reține apa sau ca un element care facilitează scurgerea, în funcție de configurație. În cazul elementelor tubulare, merită să se decidă dacă profilul va fi închis și etanșat sau dacă se prevede ventilarea și drenarea; soluțiile intermediare care permit pătrunderea apei, dar împiedică drenarea acesteia sunt deosebit de riscante.
Spațiile libere sunt periculoase atunci când permit pătrunderea apei și a clorurilor, blocând în același timp fluxul de oxigen. În astfel de condiții, coroziunea în fisuri poate progresa rapid, chiar dacă oțelul arată bine „pe suprafața deschisă”. Prin urmare, soluțiile care limitează numărul de îmbinări neînchise sunt preferate în detaliu, iar dacă un spațiu liber este inevitabil, se utilizează suduri de închidere sau garnituri de înaltă calitate. Acest lucru se aplică în special zonelor în care apa rămâne pentru perioade mai lungi de timp, de exemplu, la suporturi, în depresiuni, sub straturi de acoperire sau în apropierea elementelor care obstrucționează drenajul liber.
Durabilitatea este, de asemenea, legată de calitatea suprafeței. O finisare excesiv de aspră poate favoriza reținerea contaminanților, iar direcția de șlefuire este importantă pentru scurgerea apei. Procedurile de fabricație sunt, de asemenea, importante: ciclul termic al sudării, depunerea de particule de fier „străine” sau îndepărtarea insuficientă a decolorării și a stropilor pot afecta rezistența la coroziune. Prin urmare, merită să anticipați cerințele de curățare, tratare a suprafeței și control al calității în zonele critice încă din faza de proiectare, mai ales dacă structura va funcționa într-un mediu dur sau va fi expusă vizual.
În locurile în care alte metale intră în contact, trebuie luat în considerare riscul de coroziune galvanică, în special în prezența electroliților. În conexiunile mecanice, se recomandă ca șuruburile să fie fabricate dintr-un metal mai rezistent la coroziune. Atunci când se combină oțelul inoxidabil cu oțelul carbon, este adesea eficientă izolarea metalelor sau proiectarea acoperirilor pentru a limita conducția electrolitului. Un raport de suprafață nefavorabil este deosebit de periculos în condiții de imersie: o suprafață mare de oțel inoxidabil combinată cu o suprafață mică de oțel carbon poate accelera coroziunea acestuia din urmă. În proiectele hibride, merită așadar să se ia în considerare dispunerea materialelor, mai degrabă decât doar un „singur” detaliu.
Proprietățile mecanice ale oțelurilor inoxidabile și implicațiile lor în proiectare
Proiectarea pentru capacitatea de încărcare necesită înțelegerea faptului că oțelul inoxidabil nu se comportă în același mod ca oțelul carbon obișnuit. Cea mai importantă diferență se referă la forma curbei tensiune-deformație: în loc de un punct de curgere clar și o „plafonare” plastică, oțelul inoxidabil prezintă o curbă mai rotunjită și neliniaritate chiar și într-un interval care este aproape perfect elastic pentru oțelul carbon. În practică, acest lucru înseamnă că, chiar și la tensiuni relativ scăzute, pot apărea deformări mai mari decât cele rezultate din elasticitatea liniară, ceea ce este important pentru evaluarea deflecțiilor, vibrațiilor și etanșeității conexiunilor.
Din acest motiv, în proiectare se utilizează o rezistență la curgere convențională Rp0,2, adică tensiunea care provoacă o deformare permanentă de 0,2%. În același timp, limita de proporționalitate este uneori semnificativ mai mică și poate fi de numai aproximativ 40-70% din valoarea Rp0,2. Acest lucru este important în contextul stării limită de utilizare: în elementele subțiri cu deschideri mari sau care necesită o rigiditate ridicată, nu este suficient să se „verifice capacitatea de încărcare” – este, de asemenea, necesar să se evalueze în mod fiabil deformările și, dacă este necesar, să se utilizeze modele de materiale care iau în considerare neliniaritatea.
Proprietățile mecanice ale oțelului inoxidabil se pot modifica semnificativ ca urmare a prelucrării plastice la rece, care crește parametrii de rezistență, în special în cazul oțelurilor austenitice. La proiectarea componentelor cu pereți subțiri sau formate la rece, acest lucru înseamnă că starea de livrare, procesul de formare și orice sudură în apropierea zonelor deformate trebuie considerate parte a „modelului materialului”. În testele de tracțiune, se recomandă, prin urmare, ca sarcina să fie aplicată în așa fel încât să se asigure axialitatea și să se obțină curba reală de tensiune-deformație, fără perturbări cauzate de excentricitate sau pre-tensiuni. Această abordare este deosebit de importantă atunci când proiectarea exploatează proprietățile rezultate din întărirea prin deformare sau când elementele sunt sensibile la deformare.
Stări limită, coeficienți și proceduri de calcul conform Eurocod
În practica europeană de proiectare, structurile din oțel inoxidabil sunt calculate conform logicii Eurocod, iar punctul de plecare cheie este lucrul cu stări limită. Se face distincție între starea limită ultimă (ULS), starea limită de utilizare (SLS) și starea limită de durabilitate (DLS). Acesta din urmă este deosebit de natural pentru oțelul inoxidabil, deoarece durabilitatea înseamnă adesea nu numai menținerea capacității de încărcare, ci și menținerea esteticii necesare și limitarea punctelor locale de coroziune în timp.
Condiția de verificare în LBC se reduce la compararea efectelor calculate ale interacțiunilor cu capacitatea de încărcare calculată a elementului. Capacitatea de încărcare proiectată este determinată pe baza capacității caracteristice de încărcare împărțită la un factor de siguranță parțial, ale cărui valori sunt adoptate în conformitate cu partea din Eurocod 3 referitoare la oțelul inoxidabil și cu normele de proiectare a îmbinărilor. Coerența este importantă, deoarece un singur proiect combină adesea norme din diferite părți ale Eurocodului 3: norme pentru elemente de bare, norme de conectare și cerințe suplimentare rezultate din tehnologia de fabricație.
În practică, procesul de calcul ar trebui să fie legat de ipotezele de fabricație. Oțelul inoxidabil este sensibil la detaliile tehnologice, iar caracteristicile sale diferite ale materialului pot afecta îndeplinirea SGU. Prin urmare, este o bună practică să se convină asupra detaliilor, toleranțelor și metodelor de protecție și curățare a suprafețelor cu antreprenorul într-o etapă timpurie, înainte ca secțiunea transversală și îmbinările să fie „înghețate” în documentație.
Mai jos este un webinar despre proiectarea structurilor din oțel inoxidabil (elemente și conexiuni) cu referiri la standardele de tip Eurocod (material în limba engleză).
Secțiuni
În proiectarea elementelor din oțel inoxidabil, multe decizii se reduc la modul în care secțiunea se va comporta în contextul instabilității locale. Din acest motiv, secțiunile sunt clasificate în clase de la 1 la 4, iar clasa determină atât modul în care se verifică capacitatea portantă, cât și dacă se pot utiliza calcule plastice. Chiar dacă capacitatea globală de încărcare a unei bare este ridicată, pierderea locală a stabilității pereților subțiri poate limita utilizarea materialului.
În secțiunile transversale din clasa 4, unde pereții subțiri pot pierde stabilitatea locală înainte de a atinge capacitatea maximă de încărcare a materialului, capacitatea de încărcare este determinată utilizând lățimi efective, adică o reducere a contribuției fragmentelor comprimate la transferul de tensiune. O nuanță suplimentară este faptul că clasificarea secțiunii transversale poate varia de-a lungul lungimii barei dacă se modifică raportul dintre momentul de încovoiere și forța axială. Acest lucru înseamnă că proiectantul trebuie să evalueze secțiunea transversală în cele mai nefavorabile condiții, și nu doar într-o singură locație „reprezentativă”.
Criteriile de clasificare sunt legate de raporturile maxime între lățime și grosime ale pereților individuali. De asemenea, merită să ne amintim despre utilizabilitate: cu o mai mare zvelțime, pot apărea deformări și ondulații, care nu înseamnă neapărat o pierdere a capacității de încărcare, dar pot fi inacceptabile din punct de vedere vizual sau operațional, în special în elementele cu funcție arhitecturală. Prin urmare, selectarea unei secțiuni transversale este adesea un compromis între economia materialului și controlul deformărilor locale.
Proiectarea barelor
Odată ce clasa secțiunii transversale și capacitatea sa portantă transversală au fost determinate, barele sunt verificate. În elementele tensionate, secțiunea transversală netă din zona găurilor este de obicei punctul critic, motiv pentru care se verifică capacitatea de încărcare brută și netă a secțiunii transversale și posibila rupere a blocului în conexiunile cu șuruburi. Pentru oțelurile inoxidabile, procedura este similară cu cea pentru oțelurile carbon, dar necesită aplicarea consecventă a parametrilor adecvați ai materialului și a factorilor parțiali pentru clasa dată, în special atunci când în proiect apar elemente formate la rece.
Pătrunzarea este crucială în elementele comprimate. Recomandările de proiectare pentru oțelurile inoxidabile includ curbe de pătrunzare, care în unele situații pot fi mai conservatoare decât cele date în standard, deoarece testele au arătat estimări excesiv de optimiste pentru unele secțiuni formate la rece. De asemenea, se atrage atenția asupra diferențelor de comportament la pătrunzare între coloanele RHS/SHS din oțel feritic și coloanele din oțel austenitic și duplex. În practică, acest lucru duce la o selecție prudentă a curbei de flambaj și, în cazul secțiunilor transversale neobișnuite sau al soluțiilor tehnologice, la utilizarea datelor de testare sau a instrucțiunilor producătorului.
În elementele îndoite, problema flambajului este importantă, în special atunci când flanșa comprimată nu este fixată lateral. În astfel de cazuri, capacitatea de încărcare la flambaj a secțiunii nefixate este verificată pe baza subțirimii la flambaj și a momentului critic. În același timp, se verifică posibilitatea instabilității locale a pereților sub acțiunea unei forțe transversale, deoarece nervurile subțiri pot necesita o reducere a capacității de încărcare. Dacă forța de forfecare este semnificativă, există și o interacțiune între forfecare și îndoire, care trebuie luată în considerare în conformitate cu procedura corespunzătoare, mai degrabă decât să se presupună că „deoarece secțiunea transversală este rezistentă la îndoire, forfecarea este irelevantă”.
Îmbinări, conexiuni și manoperă
Conexiunile determină siguranța, durabilitatea și costurile de instalare, astfel încât, în cazul oțelurilor inoxidabile, merită să le tratăm ca pe un element de proiectare „de primă clasă”. În cazul conexiunilor cu șuruburi, se face distincție între conexiunile din tablă groasă și cele din tablă subțire, deoarece în pereții subțiri, deformările pot limita capacitatea de încărcare. În recomandările de proiectare pentru oțelurile inoxidabile, grosimea peretelui de 4 mm este adesea considerată linia de demarcație. Este o bună practică să se utilizeze șaibe sub cap și sub piuliță și să se considere capacitatea de încărcare a conexiunii ca fiind cea mai mică dintre capacitatea de încărcare a pieselor conectate și capacitatea de încărcare a elementelor de fixare. La fel de importante sunt distanțele de margine și distanța dintre șuruburi, care afectează capacitatea de încărcare pentru compresie, forfecare, ruperea blocului și comportamentul peretelui în apropierea găurilor.
În cazul oțelurilor inoxidabile, există un aspect operațional suplimentar: unele tipuri sunt susceptibile la blocarea și uzura filetelor sub sarcină și mișcare relativă. Dacă se anticipează demontarea în viitor, specificațiile de proiectare și instalare trebuie să includă măsuri pentru reducerea blocării. În practică, acest lucru înseamnă controlul vitezei de strângere și evitarea „strângerii forțate”, selectarea lubrifianților anti-blocare adecvați și, uneori, combinarea diferitelor tipuri de șuruburi și piulițe pentru a reduce riscul de blocare. Astfel de recomandări au o dimensiune de proiectare: o conexiune blocată nu mai este „funcțională”, ceea ce reprezintă o problemă operațională reală în structurile cu durată lungă de viață.
Conexiunile sudate necesită controlul procedurilor, deoarece ciclul termic al sudării afectează microstructura tuturor oțelurilor inoxidabile, iar acest lucru este deosebit de important în cazul oțelurilor duplex. Proceduri calificate, materiale de umplere adecvate și modelarea conștientă a sudurii sunt necesare pentru a obține rezistența și geometria necesare și pentru a menține rezistența la coroziune în zona afectată de căldură. În componentele formate la rece, este important să rețineți că sudarea poate „anula” local efectul de întărire prin deformare, iar în oțelurile austenitice pot apărea deformări mai mari la sudare decât în oțelurile carbonice, ceea ce afectează potrivirea și estetica.
Dacă structura va fi expusă la sarcini repetitive semnificative, trebuie luată în considerare oboseala materialului. Îmbinările sudate sunt deosebit de sensibile din cauza concentrațiilor de tensiune și a discontinuităților, de aceea se recomandă aplicarea unor reguli de evaluare a oboselii similare cu cele pentru oțelurile carbonice în cazul oțelurilor austenitice și duplex. Cel mai mare efect se obține luând în considerare oboseala materialului încă din faza de proiectare, când dispunerea structurală și detaliile pot fi modelate pentru a reduce crestăturile și excentricitățile. În practică, acest lucru înseamnă evitarea schimbărilor bruște ale secțiunii transversale, limitarea aliniamentului incorect, acordarea atenției calității marginilor și suprafețelor și evitarea sudării inutile a elementelor secundare în zonele sensibile, deoarece chiar și un suport de montare „mic” poate iniția fisurarea prin oboseală.
Îmbinările trebuie, de asemenea, proiectate ținând seama de manopera și inspecția. Sunt importante jocurile de asamblare, accesul la șuruburi și suduri, toleranțele și cerințele tehnologiei de sudare. Documentația trebuie să includă dispoziții privind inspectarea stării componentelor, curățarea și eventualele lucrări de întreținere. Deciziile care pot părea „nestructurale”, cum ar fi accesul la suduri sau posibilitatea de a spăla și usca zonele greu accesibile, determină în practică durabilitatea și costurile de exploatare.
Proiectarea în condiții de incendiu
Impactul incendiului în Eurocoduri este tratat ca o situație excepțională, iar proiectarea trebuie să asigure că structura își păstrează funcția de susținere a sarcinii pentru timpul de expunere necesar. Cerințele generale sunt similare cu cele pentru oțelurile carbon, dar oțelul inoxidabil prezintă anumite avantaje în ceea ce privește materialul. Recomandările pentru oțelurile inoxidabile indică faptul că oțelul austenitic la temperaturi de peste aproximativ 550 °C își păstrează o proporție mai mare din rezistența sa în comparație cu temperatura camerei decât oțelul carbon, iar toate clasele de oțel inoxidabil își păstrează o rigiditate mai mare pe întreaga gamă de efecte termice.
Calculele privind incendiile utilizează factori de reducere a rezistenței și rigidității în funcție de grupa de clasă, deoarece proprietățile materialului pot varia semnificativ la temperaturi ridicate, în funcție de compoziția sa chimică. În practică, acest lucru înseamnă că este necesar să se atribuie în mod clar clasa grupului corespunzător și să se utilizeze factorii corespunzători pentru verificarea rezistenței la foc. Chiar și atunci când oțelul inoxidabil se comportă favorabil „din natură”, cerințele de rezistență la foc ale unei structuri pot necesita utilizarea unor măsuri pasive de protecție împotriva incendiilor; selectarea acestora trebuie coordonată cu cerințele de durabilitate (de exemplu, rezistența la umiditate) și estetica, dacă elementul este expus.
Proiectarea structurilor din oțel inoxidabil – rezumat
Proiectarea structurilor din oțel inoxidabil nu înseamnă pur și simplu înlocuirea oțelului carbon cu un material „mai durabil”. Este esențială o abordare consecventă, în care selectarea clasei se bazează pe o evaluare a mediului și este apoi susținută de detalii care limitează acumularea de umiditate și formarea de goluri. Consecințele mecanice sunt la fel de importante: lipsa unui punct de curgere clar și tendința de întărire prin deformare influențează cursul calculelor și evaluarea funcționalității.
Din punct de vedere strict structural, oțelul inoxidabil urmează aceeași logică ca Eurocodurile, dar necesită o atenție mai mare în zonele de instabilitate locală, clasificarea secțiunilor transversale și stabilitatea barelor. Îmbinările și conexiunile trebuie proiectate având în vedere durabilitatea și funcționalitatea, iar manopera trebuie să protejeze rezistența la coroziune a materialului. Când aceste elemente „funcționează împreună”, oțelul inoxidabil permite realizarea de structuri cu fiabilitate ridicată, estetică atractivă și costuri de întreținere reduse pe tot parcursul ciclului de viață.
