مشخصات مهندسی فولاد
ناحیۀ خطی (رفتار ارتجاعی): ناحیه ای است که رابطه میان تنش و کرنش خطی است (قانون هوک): هر چه ضریب ارتجاعی (شیب خط) بیشتر باشد، جنس فولاد بهتر است.
– شکل پذیری: یکی از خواص مهم فولاد، شکل پذیری آن است.
– پیوستگی و همگن بودن.
– مقاومت متعادل مصالح: مقاومت فولاد در کشش و فشار تقریبا یکسان بوده و در برش نیز از مقاومت قابل توجهی برخوردار است.
– مقاومت در برابر انفجار.
– امکان تقویت و مقاوم سازی.
– شرایط آسان ساخت و نصب.
– سرعت نصب بالا.
– اتلاف مصالح کمتر.
مهم ترین مزیت فولاد نسبت به بتن، برابری مقاومت فولاد هم در فشار و هم در کشش است.
محدودیتهای سازه فولادی نورد گرم
ضعف در دمای زیاد مقاومت ساختمان فولادی با افزایش دما کاهش پیدا می کند.
کاهش مقاومت سازه های فولادی از حرارت ۳۱۶ درجه سانتی گراد آغاز شده و در حرارت ۶۴۰ در سانتی گراد، پیش از نیمی از ظرفیت سازهای خود را از دست میدهد.
خوردگی و فساد فولاد در مقابل عوامل جوی و خارجی.
تمایل قطعات فشاری به کمانش.
ضرورت کنترل جوش.
مهمترین مزیت بتن بر فولاد، مقاومت در برابر آتش است.
خوردگی و محافظت در مقابل أتش در عوامل جوی
ملاحظات در برابر آتش: فولاد در شرایط مختلف قابل اشتعال نیست و این ویژگی فولاد، آن را به یک مصالح مناسب برای استفاده در محیطی با خطر آتش سوزی تبدیل کرده است اما فولاد با وجود اینکه احتراق پذیر نیست در اثر آتش سوزی و افزایش درجه حرارت به سرعت مقاومت سازهای خود را از دست می دهد. به همین دلیل سازه های فولادی در ساختمان ها باید با پوشش های فیزیکی و یا سیستم آتش نشانی با روش های دیگر محافظت شوند.
یکی دیگر از روش های حفاظت سازه در برابر حریق استفاده از مصالح پوششی فولاد است؛ مقاومت فولاد بدون پوشش در برابر حریق حدود ۱۰ الی ۲۰ دقیقه است.
روش های استفاده از مصالح پوششی برای محافظت در برابر حریق
مقاومت حریق فولاد پوشیده می تواند تا ۱۸۰ دقیقه یا بیشتر باشد که بستگی به ضخامت و نوع پوشش و نحوه اجرای آن دارد. از آن جمله می توان به رنگ آمیزی قطعات با رنگهای مخصوص مقاوم در برابر حریق اشاره کرد که در برابر آتش مانند کف، متورم شده و ضخیم می شوند. این رنگها به عنوان عایق حرارتی عمل کرده و از سرعت تاثیر دما بر فولاد می کاهند و سازه فولادی را حداقل ۳۰ دقیقه در برابر حریق محافظت می کند.
پوشش قطعه فولادی به وسیله ملات سیمان مخصوص مقاوم حریق، به صورت فشرده و یا ملاتهای ساخته شده از پرلیت، ورموسیلیت و پوکه های معدنی سنگدانه های سبک) انجام میشود. محافظت در برابر خوردگی: خوردگی غالبا به زنگ زدن یا کدر شدن فلزات اطلاق می گردد.
مقایسه انواع فولاد از مقاومت در برابر خوردگی در آب و هوای معمولی
از آنجا که سازه فولادی در مجاورت آب، رطوبت، سولفاتها، املاح مهاجم و گازهای صنعتی دچار خوردگی می شوند باید توسط رنگ یا از طرق مناسب دیگر، در برابر خوردگی محافظت شوند. خوردگی فولاد در دراز مدت موجب کم شدن مقاومت سازه خواهد شد. یکی از راههای مقابله با خوردگی و فساد فولاد استفاده از فولاد ضد زنگ است. این نوع فولاد در برابر رطویت لایهای سخت از زنگ بر روی خود تشکیل می دهد و مانند رنگ یا پوشش های مقاوم در برابر نفوذ عوامل خورنده، موجب محافظت لایه های زیرین خواهد شد. بهترین ویژگی این فولاد عملکرد در برابر خراش های سطحی است، چرا که هر خراش فولاد دوباره لایه رنگی جدیدی می سازد. مهم ترین عیب این روش سرایت مقداری زنگ به مواد مجاور است.
روش های محافظت در برابر خوردگی
الف. رنگ آمیزی: این رنگ ها به نام رنگهای ضدزنگ معروف هستند باید از اسکلت را که جوشکاری می شود تا فاصله مناسب از محل جوشکاری و همچنین مدفون می شود نباید رنگ آمیزی شوند. در جایی که حفاظت در برابر خوردگی اهمیت دو لایه رنگ به منظور أستر زده شود. مواد ضد زنگ دارای ترکیباتی شیمیایی از قبیل سرد سرب، فسفات، روی و کرومات است. اثر ملات گچ بر روی فولاد رنگ آمیزی شده کمتر از سایر حفاظت هاست.
ب. پوشش های فلزی متداول ترین پوشش فلزی استفاده از فلز روی است که می تواند به 22 گالوانیزه کردن به روش مذاب پیش از نصب سازه یا به صورت پاشیدن فلز پس از نصب استفاده شود. از الومینیوم نیز برای حفاظت فولاد استفاده می شود و رفتار آن نیز کم و بیش مشابه روی است. استفاده از آلومینیوم در محیط هایی که به شدت آلوده اند، موفقیت آمیز بوده است.
فولاد + نیکل = فولاد ضد زنگ.
الیاژ فولاد یک لایه درونی ضدزنگ ایجاد می نماید که ثابت است و مانع از پیشرفت زنگ زدگی می گردد.
فولاد + اندود روی = فولاد گالوانیزه یا آهن سفید؛ • فولاد + قلع = فولاد قلع اندود یا حلبی.
ج. پوشش های قیری: رنگ های قیری که از محلول غلیظ شده قیر و یا قیر ذغالی تشکیل می شوند، بسیار مناسب هستند و حداقل در سه لایه به کار می روند. این رنگ ها برای حفاظت قطعاتی که در معرض تابش مستقیم نور خورشید قرار دارند مناسب نیستند زیرا روی سطح آنها ترک خوردگی ظاهر می شود، اما این مشکل را می توان با استفاده از یک لایه رویه از مواد قیری دارای پوشش آلومینیوم کاهش داد.
د. پوشش های پلاستیک: این مواد به صورت خمیر رقیق و به وسیله غلتک پخش شده و با استفاده از حرارت با چسب به فلز می چسبند. این مواد گاه به صورت پودر و با استفاده از حرارت سخت می شوند و پوشش هایی با مقاومت شیمیایی بالا را به وجود می آورد.
ه. پوشش های بتنی: فولادهای که در درون بتن یا ملات سیمان قرار می گیرد با محیط های قلیایی احاطه میشود. این محیط قلیایی قطعه فلز را به نحوی مناسب در مقابل انواع خوردگی محافظت می کند.
و. تولید فولاد زنگ نزن: با افزایش الیاژی نظیر مس، کروم و یا مولیبدن در ترکیبات اولیه فولاد می توان مقاومت آن را در برابر خوردگی اولی با هزینه بالا) افزایش دارد. این دسته از فولادها به فولادهای ضد هوازدگی معروف اند.
جوشها و اتصالات در فولاد
جوشها: عبارت است از اتصال و یک پارچه کردن قطعات فلزی به یکدیگر به کمک حرارت، با استفاده از فشار با مواد پرکننده اضافی یا بدون آن، معمول ترین روش های جوشکاری به ویژه برای فولاد ساختمانی، استفاده از انرژی الکتریکی به عنوان منبع حرارتی است، بدین منظور اغلب از قوس الکتریکی استفاده می شود. در جوش قوس الکتریکی عمل ذوب و اتصال به وسیله جریان مواد در طول قوس بدون اعمال فشار صورت می گیرد.
جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار یکی از مهم ترین و ساده ترین جوش هایی است که برای فولاد ساختمانی به کار می رود. (روش جوش با الکترود). در حین جوشکاری با ذوب الکترود و انتقال به فلز مبناء الکترود روکش دار مصرف می شود. بدین معنا که فلز الکترود تبدیل به ماده پر کننده شده و قسمتی از روکش به گاز محافظ و قسمت دیگر آن به گل جوشکاری تبدیل می شود.
در جوشکاری فولادهای پر کربن یا کم آلیاژ به روش قوس الکتریکی با الکترود روکش دار، برای همه فولادهای ساختمانی استفاده از الکترودهای کم هیدروژن توصیه می شود. این الکترود مفتولی دارای پوشش سود یا آهک است. مشخصات مکانیکی جوش آهکی به دست آمده از جوشکاری با این الکترود کیفیتی بالاتر از انواع دیگر جوش دارد. روش های دیگر جوشکاری با قوس الکتریکی که اغلب به صورت اتوماتیک انجام می شود.
جوشکاری زیر پودری: بیشتر در شرایط ساختار در کارگاه استفاده میشود.
جوشکاری تحت حفاظت گاز: برای اتصال آلومینیوم و فولاد ضدزنگ به کار می رود.
جوشکاری با الکترود فلزی.
هنگامی که جوش در خارج محل ساختمان انجام شود به طور معمول به آن جوشکاری کارگاهی و هنگامی که در محل ساختمان انجام می شود، به آن جوشکاری در محل می گویند. در زمان سرد شدن، جوش نیز منقبض می شود که در جوش و فلز مبنا تنش باقیمانده تولید می کند. اگر فلز مبنا قبلا گرم و منبسط شده باشد این تنش کاهش می یابد که بعد از آن همراه با جوش منقبض می شود و به حالت اول برمیگردد. علاوه بر گرم کردن قطعات فولادی بزرگ لازم است تا از پراکندگی سریع گرما در زمان جوش دادن جلوگیری شود زیرا این پراکندگی باعث سخت شدن عمل ترکیب می شود. مهم ترین نکته این است که انقباض در سراسر مقطع جوش اتفاق بیفتد، همچنین ماده پر کننده باید به صورت یک سطح محدب ساخته شود تا از ترکهای انقباض جلوگیری کند.
برای دستیابی به یک جوش خوب، أنچه اهمیت دارد جلوگیری از سرد شدن سریع جوش است.
متداول ترین نوع جوش در ساختمان های فولادی جوش های گوشه است.
نواقص و ناپیوستگی های معمول در جوشکاری
ناپیوستگی، اختلال در ساختار یکنواخت جوش را نشان می دهد و ممکن است که مناسب بودن سازه یا قطعه را در معرض تهدید قرار دهد. انواع ناپیوستگی از نظر شکل شامل خطی: طولی به مراتب بیش از پهنایشان دارند. و غیر خطی: زمانی که ناپیوستگی در جهت عمود بر پهنایشان قرار می گیرند. نا پیوستگی های خطی نسبت به ناپیوستگی های غیرخطی شرایط بحرانی تری را ایجاد می کنند.
اتصالات با پیچ و مهره و پرچ پرچ: یکی از مزیت های پرچ این است که در هنگام زلزله آسیب نمی بیند، ولی مشکلاتی دارند که استفاده از آنها را در ساختمان سازی منسوخ کرده است، دلایل از رونق افتادن پرچ عبارتند از: پیشرفت فن جوشکاری، تولید پیچ هایی با مقاومت زیاد. نیاز به نیروی انسانی زیاد و ماهر برای پرچ کاری، نیاز به نظارت دقیق، تولید سرو صدای زیاد در هنگام کوبیدن. خطر آتش سوزی در کارگاه پیچ و مهره: پیچها دارای دو رفتار برشی و کششی هستند. قطرهای بزرگتر پیچ ها از نوع فولادهای کورتن ضد زنگ و گالوانیزه هستند.
قاب فولادی سبک نورد سرد (light gauge steel frame)
قاب فولادی نورد سرد یکی از انواع سیستم های ساختمانی است که برای اجرای ساختمان هایی با طبقات محدود (معمولا تا پنج طبقه) استفاده میشود. اعضای سازهای سیستم قالب فولادی سبک نورد سرد (LSF) از پروفیل های فولادی گالوانیزه ای تشکیل شده اند که به وسیله پرس کردن ورقهای بریده شده و یا نورد این ورق ها توسط مجموعه ای از غلتک ها ساخته میشوند. حد جاری شدن فولاد استفاده شده در این سیستم بین ۲۴۰ تا ۳۴۰ مگاپاسکال است. فولاد مورد استفاده در این سیستم در گروه فولادهای شکل پذیر قرار می گیرد. قطعات پوشش سقف در این سیستم می تواند تخته های چوبی، سیمانی و یا دال بتن مسلح باشد.
تیرها و تیرچه ها در LSF اغلب دارای مقاطعی با اشکال C یا Z هستند. پوشش سقف با دال بتن مسلح در صورت تأمین یکپارچگی لازم بین بتن و پروفیل فولادی تیرچه می تواند به عنوان یک سقف مرکب بتنی فلزی استفاده شود.
در این سیستم تمام اتصالات از نوع پیچ و مهره میباشد و عملیات جوشکاری حذف گردیده است، بنابراین علاوه بر جلوگیری از بروز مشکلات احتمالی ناشی از نواقص جوشکاری، کیفیت ساختار، سرعت و دقت نصب بسیار بالا می رود. برای پوشش دیوارها در سازه های اجرا شده با قاب فولادی نورد سرد از گچ برگ (gypsum) استفاده میشود پوشش نهایی سازه کف می تواند از بتن یا روکش های دیگر باشد. در صورت عدم استفاده از بتن برای حل مشکل ناشی از صدای ایجاد شده به دلیل راه رفتن روی کف باید از صداگیر استفاده شود.
در سازه های فولادی سبک نورد سرد بار جانبی و بار ثقلی را دیوارها تحمل می کنند. دیوارها از مجموعه ای از ستونک و اعضای مهاربندی تشکیل می شوند؛ ستونکها بار ثقلی و اعضای مهاربندی بار جانبی را تحمل می کنند. معمولا فاصله ستونکها از یکدیگر ۴۰ تا ۶۰ سانتی متر است. دیوارها به صورت توخالی هستند و در صورت تمایل این فاصله خالی را می توان با موادی مانند بتن سبک یا فوم پلی استایرن پر کرد.
سیستم قاب فولادی سبک به راحتی توانایی تطبیق با انواع نماهای رایج چوبی، سیمانی، گچی و حتی نماهای سنگی و آجری را دارد.
از آنجا که در اجرای ساختمانهای بلند نیز کاهش بار مرده ساختمان دارای اهمیت است، استفاده از عناصر فولادی نورد سرد، که دارای اجزای سبک پیش ساخته است، برای اجرای دیوارهای داخلی و خارجی و کاهش بارها در ساختمان بلند بسیار مفید است. در ساختمان های صنعتی نیز می توان از مقاطع فولادی سبک به عنوان عناصر غیر سازهای بهره جست.
ورق های نسبتا نازک فولاد گالوانیزه در برابر آتش دارای مقاومت کمی هستند و از این نظر باید محافظت شوند، محافظت این ساختارها در برابر آتش به وسیله تخته های گچی که بر روی چارچوب فولادی نصب می شوند قابل تامین است.
نرخ از دست دادن مقاومت در اعضای سرد نورد شده در دمای بالاتر از حد ذکر شده ۱۰ تا ۲۰ درصد بیشتر از فولاد گرم نورد شده است.
برای تأمین باربری جانبی در سیستم قاب فولادی سبک از دهانه های باربر جانبی در دو امتداد عمود بر هم استفاده می کنند (دیوار برشی). این دهانه ها به یکی از چهار روش زیر ایجاد می شوند.
دهانه مهاربندی شده با اعضای قطری.
دیوار برشی با ورق فولادی نازک.
دیوار برشی با دیوارهای چوبی استاندارد (oriented standard board OSB).
دیوار برشی بتن مسلح.