Kết cấu thép trong môi trường khắc nghiệt

Hiện nay, kết cấu thép được ứng dụng trong xây dựng nhiều công trình khác nhau. Tuy nhiên, trong các môi trường khắc nghiệt như môi trường có nhiệt độ cao, chất ăn mòn mạnh, gió lớn,... kết cấu thép phải đối mặt với những thách thức đáng kể. Bài viết dưới đây sẽ tìm hiểu thêm về một số yếu tố cần cân nhắc trong thiết kế và xây dựng kết cấu thép trong các môi trường khắc nghiệt.

1. Tổng quan về các kết cấu thép

Kết cấu thép là các công trình được xây dựng với khung bằng thép nhằm tạo nên sức chống chịu cho tòa nhà. Ngày nay, nhờ có nhiều ưu điểm (sức mạnh, độ bền, tính linh hoạt,v.v.) mà kết cấu thép đang ngày càng trở nên phổ biến trong xây dựng. 

2. Kết cấu thép trong môi trường khắc nghiệt

Kết cấu thép có thể được thiết kế để chịu được các môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn và hoạt động địa chấn. Phần dưới đây sẽ liệt kê một số cách kết cấu thép chịu đựng các môi trường khắc nghiệt.

2.1 Nhiệt độ cao

Môi trường nhiệt độ cao có thể gây ra khó khăn cho các công trình xây dựng, đặc biệt là những môi trường có nhiệt độ vượt quá phạm vi nhiệt độ thông thường. Các vật liệu sử dụng trong xây dựng dưới sự thay đổi của nhiệt độ môi trường có thể co giãn bất thường, gây ra thay đổi ứng suất và biến dạng kết cấu. Nhiệt độ cao cũng có thể khiến cho vật liệu bị khô nhanh, dẫn đến nứt gãy và giảm độ bền.

Kết cấu thép có thể được thiết kế để chịu nhiệt cao bằng cách kết hợp các vật liệu chống cháy, chẳng hạn như sơn chống cháy intumescent hay tấm chống cháy để bảo vệ thép khỏi nhiệt độ cao. Ngoài ra, kết cấu thép có thể được sản xuất với điểm nóng chảy cao để có thể duy trì độ bền dưới điều kiện nhiệt độ cao. Khe co giãn cũng có thể được sử dụng trong các kết cấu thép để giúp kết cấu thích ứng tốt hơn với các co giãn nhiệt và giảm khả năng hư hỏng.

2.2 Môi trường ăn mòn

Môi trường ăn mòn là các môi trường gây ra sự phá hủy vật liệu dưới tác dụng của các phản ứng hóa học. Môi trường ăn mòn bao gồm môi trường nước mặn (nước mặn, không khí có muối); nhà máy hóa chất (hóa chất sử dụng trong các quy trình sản xuất); nhà máy xử lý nước thải; môi trường ven biển; môi trường axit (có nồng độ axit cao),.... 

Để chống lại các môi trường ăn mòn, kết cấu thép có thể được thiết kế bằng cách thêm lớp bảo vệ như lớp phủ hoặc lớp vật liệu có khả năng chống ăn mòn. Các lớp phủ bảo vệ như mạ kẽm hoặc epoxy có thể được sử dụng để phủ lên thép nhằm chống ăn mòn. Các lớp phủ này có thể tạo thành một lớp rào cản bảo vệ thép khỏi tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Ngoài ra, quá trình xây dựng có thể sử dụng thép không gỉ - một loại thép có chứa crom và có khả năng chống ăn mòn cao.  

2.3 Hoạt động địa chấn

Hoạt động địa chấn là sự chuyển động của lớp vỏ trái đất do sự giải phóng năng lượng từ các mảng kiến tạo. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng sóng địa chấn, có thể gây rung chuyển trong lòng đất, gây ra động đất, sóng thần và một loạt hoạt động địa chấn khác. Ở những khu vực có mức độ hoạt động địa chấn gay gắt, các tòa nhà và công trình kiến trúc cần được thiết kế đúng cách để có thể chịu được các lực địa chấn và rung động trong lòng đất.

Thép là vật liệu dẻo, có thể biến dạng mà không bị gãy. Do đó, các kết cấu thép có thể được sử dụng để chịu các lực và biến dạng do các hoạt động địa chấn gây ra nhằm bảo vệ kết cấu khỏi hư hỏng, sụp đổ. 

Các kết cấu thép có thể được thiết kế nhằm chống lại lực địa chấn bằng cách kết hợp các nguyên tắc chống động đất, chẳng hạn như khung chống mô men, khung giằng, hoặc hệ thống cách ly cơ sở. Các hệ thống này có thể được thiết kế để hấp thụ và tiêu tán năng lượng từ các trận địa chấn, làm giảm sức ảnh hưởng của sức địa chấn đến công trình. 

Các liên kết giữa các cấu kiện thép phải được thiết kế đúng cách để có thể thích ứng với các lực và biến dạng do địa chấn. Một số liên kết chuyên dụng được sử dụng để đảm bảo công trình ổn định dưới điều kiện địa chấn là kết nối mô men hoặc kết nối bắt vít.

2.4 Thời tiết khắc nghiệt

Thời tiết khắc nghiệt được xem là một khó khăn thách thức lớn đối với ngành xây dựng. Các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt như bão, lốc xoáy, lũ lụt, cháy rừng, nhiệt độ cực đoan có thể gây ảnh hưởng lớn đến các công trình. 

Do đó, việc xây dựng công trình trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt đòi hỏi các xây dựng các kế hoạch kỹ lưỡng và tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc thiết kế. Kết cấu thép có thể được thiết kế để chịu tải trọng gió bằng cách kết hợp các nguyên tắc chống gió như khung giằng, khung chịu mô men, kết cấu dây văng,... Các hệ thống này sẽ giúp công trình hấp thụ và tiêu tán năng lượng từ gió, giảm tải trọng lên cấu trúc. 

Các kết cấu thép cũng có thể được bảo vệ khỏi sự ăn mòn của nước bằng cách sử dụng các lớp phủ hoặc chất phủ chống nước. Lớp phủ này sẽ giúp ngăn nước xâm nhập vào bề mặt thép gây ra ăn mòn hoặc hư hỏng.

2.5 Hiện tượng vật liệu mỏi

Sự cố mỏi trong xây dựng nghĩa là công trình suy yếu và cuối cùng là hỏng hóc vật liệu do tải trọng tuần hoàn lặp đi lặp lại theo thời gian. Sự cố mỏi xảy ra khi vật liệu chịu tải tuần hoàn dưới cường độ giới hạn nhưng trên giới hạn bền. Theo thời gian, tải trọng này lặp đi lặp lại gây ra các vết nứt nhỏ trong vật liệu, các vết nứt nhỏ này phát triển dần cuối cùng khiến cho vật liệu hư hỏng. Hiện tượng mỏi cần được đặc biệt chú ý trong các kết cấu chịu tải lặp đi lặp lại như cầu, cần cẩu, máy bay,... 

Trong môi trường chịu tải tuần hoàn, kết cấu thép có thể được thiết kế để chống hiện tượng mỏi bằng cách sử dụng vật liệu có độ bền cao, tăng cường tuổi thọ mỏi của vật liệu, hoặc sử dụng hệ thống giám sát để phát hiện các vết nứt do hiện tượng mỏi gây ra và ngăn chặn trước trước khi chúng gây ra thiệt hại nghiêm trọng hơn.

Trên đây là một số chú ý trong thiết kế của các kết cấu thép trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Hy vọng bài viết đã cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích. Truy cập trang web của BMB Steel để đọc thêm về nhà thép tiền chế và kết cấu thép. Bạn cũng có thể liên hệ với chúng tôi khi có nhu cầu tư vấn thiết kế và xây dựng nhà thép.