MỞ ĐẦU: Tính cấp thiết của đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT 1.1 KH I QU T VỀ THÉP CHỊU THỜI TIẾT 1. Khái niệm về WTS Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp có chứa hàm lƣợng cacbon dƣới 0,2% và một hàm lƣợng nhỏ khoảng 2% các nguyên tố chống ăn mòn nhƣ đồng (Cu), niken (Ni), crom (Cr), Mangan (Mn), Silic (Si).1: Các thành phần thép chịu thời tiết Dƣới điều kiẹn không khí thông thƣờng thép chịu thời tiết có khả năng chống gỉ rất cao so với thép cacbon thông thƣờng. Thép chịu thời tiết có khả năng tự bảo vệ gỉ bằng cách tạo ra lớp ôxit trên bề mặt kết cấu thép, lớp ôxit này sau đó làm nhiệm vụ chống gỉ cho thép.
Trong thời gian khai thác cấu kiện thép sẽ có một lớp gỉ mỏng bám dính tốt trên bề mặt thép xuất hiện dần dần, lớp gỉ này sẽ có tác dụng kháng ăn mòn, ngăn chặn sự tiến triển tiếp theo vào sâu hơn của quá trình gỉ và đƣợc gọi là lớp gỉ bảo vệ. Vì vậy, các kết cấu làm bằng vật liệu thép chịu thời tiết có ƣu điểm vƣợt trội là hạn chế ăn mòn. Do đó, khi dùng loại thép này chúng ta không cần sơn hoặc các biện pháp chống gỉ khác, tiết kiệm đƣợc kinh phí bảo dƣỡng khi sử dụng kết cấu. Thép có thể đƣợc khai thác trong một thời gian dài mà hầu nhƣ không tốn phí chi phí bảo dƣỡng.
Thép chịu thời tiết đƣợc áp dụng tƣơng đối nhiều ở các nƣớc có nền công nghiệp sản xuất thép tiên tiến. Với khả năng tự bảo vệ gỉ, tính bền và màu sắc đặc 4 trƣng thì thép chịu thời tiết là lựa chọn tốt đối với các kết cấu ngoài trời nhƣ các tác phẩm nghệ thuật điêu khắc, kết cấu cầu đƣờng, kết cấu xây dựng dân dụng và công nghiệp. Sự hiểu biết đúng đắn về tính chất độc đáo của vật liệu này có thể cho phép tạo ra những kết cấu thép không cần sơn, tuổi thọ lớn với chi phí bảo trì tối thiểu. Tóm tắt lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết Thép chịu thời tiết đƣợc biết đến từ lâu là thép đƣợc cho thêm vào thành phần Phốt pho (P) và Đồng (Cu) có khả năng làm việc chịu thời tiết tốt.
Trong thời gian đầu thế kỷ XX, ở châu Âu và Mỹ đã biết đƣợc tỷ lệ ăn mòn của thép trong không khí có thể đƣợc giảm xuống bằng cách thêm một lƣợng nhỏ đồng. Thép chịu thời tiết lần đầu tiên đƣợc sử dụng trong chiến tranh, khi các thợ súng dùng để bảo vệ bề mặt cho súng trƣờng và súng lục bằng một lớp mỏng ô xít sắt. Thép chịu thời tiết bắt đầu đƣợc phát triển bởi D. Buck xuất phát từ loại thép chứa đồng.
Buck đã báo cáo nghiên cứu của ông khi cho thêm từ 0,2% đồng (Cu) trở lên thì sức kháng chống ăn mòn môi trƣờng tăng lên từ 1,5 tới 2 lần thép các bon thông thƣờng, mức độ này xuất hiện cao nhất trong môi trƣờng công nghiệp nặng, ít nhất trong môi trƣờng nông thôn[26l Các nghiên cứu sau này của các nhà điều tra cũng chỉ ra tác động có lợi khi cho thêm 2% hoặc ít hơn một số nguyên tổ hợp kim thông thƣờng nhƣ phốt pho (P), Silic (Si), Niken (Ni) và Crom (Cr) làm tăng khả năng chống ăn mòn khí quyển đối với thép các bon. a) Lịch sử phát triển và áp dụng thép chịu thời tiết có thể tóm tắt lại nhƣ sau: - Năm 1910: một loại thép đƣợc pha thêm nguyên tố Cu đã cho sức kháng gỉ tốt hơn thép thông thƣờng. - Những năm 1930: wts đƣợc sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp ô tô. - Trong những năm 1940 - 1960: giai đoạn phát triển thép chịu thời tiết, vật liệu này đƣợc tạo ra bằng cách pha thêm các chất nhƣ: crom, phốtpho, silic, niken.
- Những năm 1960: wts đƣợc sử dụng nhiều hơn trong các công trình cầu và nhà cao tầng. - Cho đến nay: wts không chỉ đƣợc ứng dụng trong các công trình cầu, xây dựng dân dụng mà còn trong cả nghệ thuật điêu khắc. 5 b) Tại Mỹ Thép US của Mỹ đã đƣợc tiến hành thử nghiệm ăn mòn không khí trong phạm vi lớn với 3000 loại thép hợp kim thấp. Thép cƣờng độ cao có khả năng chống ăn mòn tốt trong không khí đƣợc thêm vào Cu, Ni, Cr, p,.
đƣợc gọi là thép COR- TEN. Có thể nói rằng, các ứng dụng thƣơng mại đầu tiên của thép thời tiết là vào năm 1933, đây là loại thép thời tiết đầu tiên trên thế giới, chúng đƣợc sử dụng làm khung cho các xe chở than, quặng, bên ngoài các xe này đƣợc sơn để kéo dài tuồi thọ. Thép thời tiết đạt hiệu suất chống ăn mòn vƣợt trội khi các xe này có khả năng phục vụ lên tới 20 năm. Tại Mỹ, ứng dụng đầu tiên của thép chịu thời tiết trong xây dựng dân dụng là vào năm 1939, trên đƣờng cao tốc là vào năm 1935 và năm 1937 thép chịu thời tiết đƣợc sử dụng lần đầu để chế tạo tàu kéo trên sông[26l Bắt đầu từ những năm 1940, các nghiên cứu về chống ăn mòn khí quyển đƣợc thực hiện dƣới sự bảo trợ của Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM).
Các nghiên cứu này đã khẳng định vai trò của các vật liệu Cu, Cr, Si, p và Ni khi thêm riêng biệt hoặc kết hợp với mức độ từ 2% tới 3% trong các môi trƣờng khác nhau nhƣ: đất khô cằn, môi trƣờng nông thôn, môi trƣờng công nghiệp và môi trƣờng biền. Thép chịu thời tiết đầu tiên đƣợc thiết lập có mã hiệu ASTM A242[22]. Cuối những năm 1950, Mỹ phát triển thép chịu thời tiết có tính chất hàn và cấu trúc hoàn hảo, nhờ vậy sự quan tâm đến lĩnh vực xây dựng của thép chịu thời tiết đã đƣợc tăng lên. Hàm lƣợng của p và c trong thép đƣợc giảm xuống mà không ảnh hƣởng đến khả năng chịu thời tiết.
Do vậy, việc áp dụng đối với kết cấu hàn trở nên dễ dàng và việc sử dụng kểt cấu thép chịu thời tiết không sơn đạt đƣợc những bƣớc tiến lớn. Dấu mốc đầu tiên đánh dấu việc thép chịu thời tiết đƣợc sự chấp thuận của công chúng là vào năm 1956 khi kiến trúc sƣ Eero Saarinen chọn thép chịu thời tiết để xây dựng tòa nhà trụ sở chính của hãng John Deere ở Moline, Illinois, Mỹ [26]. Tuy nhiên phải đến cuối những năm 1950 mới thực sự trở thành mối quan tâm của ngành công nghiệp xây dựng. Kể từ thời điểm này thép chịu thời tiết đƣợc sử dụng trong nhiều tòa nhà nổi tiếng khác nhƣ: Trung tâm Hành 6 chính Chicago, tòa nhà USX 64 tầng tại Pittsburgh, Mỹl26J.
Sau đó hàng trăm tòa nhà ―không sơn‖ đã đƣợc xây dựng.2: Trụ sở chính của hãng ohn Deere ơ Moline, llinois, Mỹ sử dụng thép chịu thời tiết Hình 1.3: Tòa nhà USX 64 tầng tại Hình 1.4: Trung tâm Hành chính Pittsburgh, Mỹ sử dụng thép chịu thời tiết Chicago sử dụng thép chịu thời tiết Đầu những năm 1960, thép chịu thời tiết đƣợc áp dụng để xây dựng tháp truyền dẫn điện ở Gary, bang Indiana, nhà máy thép US và Cảng Bums ở bang Indiana, nhà máy thép Bethlehem. Ở Mỹ các công ty về điện và ánh sáng có hơn 8000 tháp truyền dẫn điện đƣợc xây dựng trong 25 năm. Đầu những năm 1960, Michigan bắt đầu sử dụng thép chịu thời tiết không sơn cho kết cấu lan can bảo vệ (WSG)[26).Khi thép chịu thời tiết đạt đƣợc các thành công trong ngành xây dựng dân dụng, chúng bắt đầu đƣợc xem xét để áp dụng cho ngành cầu để tránh phải sơn gây ảnh hƣởng đến giao thông. Chính vì những lý do này, từ giữa những năm 1960 ngành cầu đã trở thành thị trƣờng lớn nhất của thép chịu thời tiết ở Mỹ.
Thép COR- TEN đƣợc sử dụng nhƣ thép trần từ những năm 1960 và đƣợc Mỹ đăng ký bản quyền. Cầu đầu tiên ở Mỹ sử dụng thép chịu thời tiết đƣợc xây dựng ở Morristown, New Jersey Turnpike (đây là tuyến đƣờng thuộc bang New Jersey) vào năm 1964[26Pll Cầu sử dụng thép chịu thời tiết cũng sớm đƣợc xây dựng ở Iowa, Ohio và các bang khác ở Mỹ. Chính quyền thành phố New Jersey đánh giá rất cao hiệu quả của các cầu thép thời tiết này. Việc sử dụng thép chịu thời tiết không sơn trên đƣờng cao tốc đã bị hạn chế do hƣ hỏng ăn mòn ở Detroit trong năm 1980[26].
Sau khi nghiên cứu xác minh đƣợc nguyên nhân của hƣ hỏng là do việc tăng khối lƣợng muối làm tan băng do lệnh cấm sử dụng lốp gai cho ô tô. Sau đó hiện tƣợng này đƣợc chỉ ra rõ ràng và đã đƣợc giải quyết. Vì vậy thị phần loại thép này tăng trở lại một cách nhanh chóng. Tínhdến thời điểm này ở Michigan đã có 500 cầu thép chịu thời tiết đẫ đƣợc xây dựng1261139.
Tính đến giữa những năm 1980, khoảng 2000 cầu thép chịu thời tiết đã đƣợc xây dựng trên toàn nƣớc Mỹ[39l Trong một thập kỷ sau chỉ có khoảng 300 cầu mới đƣợc xây dựng.5: Cầu thép chịu thời tiết đầu Hình 1.6: Cầu New River orge ở ti n ở ở Morristown, New ersey Turnpike) phía Mỹ Tây Virginia, Mỹ sử dụng thép chịu thời tiết 8 Hình 1.7: Một số cầu thép chịu thời tiết ở Mỹ c) Tại Nhật Bản Ở Nhật Bản, sự phát triển của thép chịu thời tiết có thành phần hóa học ban đầu đƣợc thêm vào p, Cu, Cr của các công ty sản xuất thép đã đƣợc thực hiện từ cuối những năm 1950. Thép COR-TEN đã đƣợc đƣa vào Nhật Bản bởi Tập đoàn Fuji Steel (nay là Tập đoàn thép Nippon Steel and Sumitomo Metal) vào năm 1959. Tuy nhiên do Nhật Bản đƣợc bao quanh bởi bờ biển, không thể bỏ qua ảnh hƣởng của muối trong không khí từ biển và độ ẩm cao. Công nghệ thép chịu thòi tiết của Mỹ không đƣợc đƣa trực tiếp vào Nhật Bản, Nhật Bản đã phát triển theo cách riêng của mình.
Thép chịu thời tiết để làm cầu thép đã bắt đầu vào những năm 1960. d) Lịch sử phát triển cầu thép chịu thời tiết JIS-SMA ở Nhật Bản Năm 1968, thép SMA sử dụng cho kết cấu hàn đã đƣợc chuẩn hóa trong JIS, tại thời điểm này kết cấu thép phần lớn đƣợc sơn phủ. Từ cuối những năm 1970, nhiều cầu thép chịu thời tiết đã đƣợc xây dựng nhờ các sô liệu tích lũy nghiên cứu đƣợc. Trong quá trình sử dụng đẫ xuất hiện các hƣ hỏng không mong muốn với các cầu không đƣợc sơn phủ nằm gần bờ biển.
Do đó Viện nghiên cứu Quốc gia kết hợp với các công ty chế tạo cầu và các công ty sản xuất thép đã tiến hành các khảo sát và nghiên cứu từ năm 198l.