فولاد ساختمانی

فراوانی معادن سنگ آهن نیز از عوامل موثر در عمومیت یافتن مصرف فولاد است. مهم ترین ویژگی رفتاری فولاد‌، نمودار تنش – کرنش آن تحت آزمایش کشش است. که از روی این نمودار تنش تسلیم یا جاری شدن فولاد به دست می‌آید.

محصول کوره ذوب آهن، چدن است که معمولاً دارای ناخالصی کربن و مقادیر جزیی ناخالصی‌های دیگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصی‌های همراه آن و همچنین به چگونگی کار کوره بلند ذوب آهن بستگی دارد. از آنجایی که مصرف عمده آهن در صنعت بصورت فولاد است، از این رو، باید به روش مناسب چدن را به فولاد تبدیل کرد که در این عمل ناخالصی‌های کربن و دیگر ناخالصی‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌یابند.

روشهای تهیه فولاد روش بسمه:
در این روش ناخالصی‌های موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده و آن را به فولاد تبدیل می‌کنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود 15 تن است. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می‌کنند، تا ناخالصی‌های کربن و گوگرد به صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی‌های فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به صورت اکسیدهای غیر فرار P4O10) و (SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و بهترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به صورت سرباره خارج شوند. سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدست آورد.

روش کوره باز (یا روش مارتن) : در این روش برای جدا کردن ناخالصی‌های موجود در چدن، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی‌هایی مانند کربن، گوگرد و غیره) استفاده می‌شود. برای این منظور از کوره باز استفاده می‌شود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می‌شود. برای تکمیل عمل اکسیداسیون، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می‌شود. زمان عملکرد این کوره طولانی‌تر از روش بسمه است. از این نظر می‌توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری به دست آورد.
روش الکتریکی : از این روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارف علمی ‌و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می‌شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می‌گیرد. از ویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می‌توان نسبت به دو روش قبلی، بالاتر برد. این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر، بکار می‌رود. برای این کار مقدار محاسبه شده‌ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهای دیگر، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند. در این روش، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه می‌کنند.

کاربردهای فولادهای ساختمانی
کاربرد‌های فولاد زنگ نزن بسیار گسترده است. فولاد زنگ نزن و به اصطلاح ‌همان استیل است. از اشکال مختلف فولاد زنگ نزن در صنایع می‌توان به ورق‌، لوله‌، پروفیل و .. اشاره کرد‌. از فولاد زنگ نزن برای موارد تزئینی بسیاری همچون دیوار آسانسور‌ها، دستگیره درب‌ها، ساخت ساعت، وسائل تزئینی منزل و .. استفاده می‌شود. هم چنین یکی از بیشترین کاربرد‌های فولاد زنگ نزن در آشپزخانه است که برای تولید سینک‌های ظرف شویی، کابینت‌ها، یخچال و فریزر، اجاق گاز، ماکروفر و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع فولادها
فولاد کربن دار به فولادی اطلاق می‌شود که علاوه بر آهن، حداکثر درصد کربن و آلیاژهای مختلف آن‌ شامل‌ کربن ۱/۷٪، منگنز ۱/۶۵٪ ، سیلیکن ۰/۶٪، و مس ۰/۶٪ ‌است.

کربن و منگنز عناصر اصلی افزایش نسبت به آهن خالص هستند. فولادهای کربن دار حد فاصل آهن خالص (صفر درصد کربن) و چدن (۱/۷ ٪) بر حسب درصد کربن به شرح زیر است.

فولاد کم کربن : مقدار آن کمتر از ۰/۱۵ ٪ است.
فولاد با کربن ملایم: مقدار آن حدود ۰/۱۵ الی ۰/۲۹ درصد است.
فولاد با کربن متوسط : مقدار آن حدود ۰/۳ الی ۰/۵۹ درصد است.
فولاد با کربن زیاد: مقدار آن حدود ۰/۶ الی ۱/۷ درصد است.
فولاد نرمه ساختمانی (فولاد ساختمانی)
این فولاد در رده فولاد با کربن متوسط قرار دارد. این نوع فولاد دارای پله تسلیم مشخص بوده و پروفیل‌های ساختمانی بر اساس آن ساخته شده‌اند. افزایش درصد کربن باعث افزایش تنش تسلیم، کاهش شکل پذیری و مشکلات در جوش پذیری می‌شود.

در صورتی که مقدار کربن از ۰/۳ درصد تجاوز نماید عمل جوشکاری پر خرج شده و احتیاج به پیش گرمایش‌، پس گرمایش و الکترودهای خاص خواهد بود.

انواع سازه‌های ساختمانی
قاب‌های خمشی (قاب‌های پیوسته)
در این نوع قاب‌ها اتصال تیر به ستون به اندازه کافی صلب است به طوری که در تغییر شکل قاب، زاویه اولیه بین تیر و ستون بدون تغییر باقی می‌ماند.

قاب‌های ساده
در این نوع قاب‌ها اتصال تیر به ستون مفصل است و صلبیت ندارد. این اتصالات می‌توانند آزادانه دوران کند.

قاب‌های مهاربندی شده
اگر در قاب‌های ساده برای تحمل نیروهای جانبی (باد و زلزله) از عضوهای مورب (مهاربند) استفاده شود، قاب را مهاربندی شده می‌گویند، این قاب‌ها به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند.

-قاب‌های مهاربند هم محور (CBF)
-قاب‌های مهاربند بورن محور (EBF)
-قاب‌های مرکب (ترکیبی)
اگر اتصال تیر به ستون از نوع صلب باشد و از سیستم‌های مهاربندی شده نیز استفاده شود، قاب را ترکیبی می‌گویند.
 

مزایای سازه‌های فولادی
مقاومت زیاد‌
مقاومت قطعات فلزی زیاد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است به این علت در دهانه‌های بزرگ سوله‌هاو ساختمان‌های مرتفع، ساختمان‌هایی كه بر زمین‌های سست قرار می‌گیرند، حائز اهمیت فراوان است.

خواص یكنواخت‌
ا‌ز یكنواخت بودن خواص فلز می‌توان اطمینان حاصل كرد که خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجی تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد. اطمینان در یكنواختی خواص مصالح در انتخاب ضریب اطمینان كوچك موثر است كه خود صرفه جویی در مصرف مصالح را باعث می‌شود.‌

‌دوام‌
دوام فولاد بسیار خوب و مناسب است. ساختمان‌های فلزی‌‌ برای مدت طولانی قابل بهره‌برداری خواهد بود.

‌خواص ارتجاعی‌
خواص‌ ارتجاعی فولاد با تقریب بسیار خوبی مصداق عملی دارد فولاد تا تنش‌های بزرگی از قانون هوك به خوبی پیروی می‌كند. مثلا ممان اینرسی یك مقطع فولادی را می‌توان با اطمینان در محاسبه وارد نمود حال اینكه در مورد مقطع بتنی ارقام مربوطه چندان معین و قابل اطمینان نیست.

‌شكل پذیری‌
از خاصیت مثبت مصالح فلزی شكل پذیری آن است كه قادرند تمركز تنش را ‌در مقابل این نیروها که فوق العاده ضعیف‌اند،‌ در هنگام خرابی‌ از تخریب ناگهانی و خطرات آن جلوگیری‌ كنند.

‌پیوستگی مصالح ‌
قطعات فلزی با توجه به مواد متشكله آن پیوسته و همگن است ولی در قطعات بتنی صدمات وارده در هر زلزله به پوشش بتنی روی سطح میلگرد وارد می‌شود، قابل كنترل نبوده و احتمالاً ساختمان در پس لرزه یا زلزله بعدی ضعف بیشتر داشته و تخریب می‌شود.

تقویت پذیری و امكان مقاوم سازی‌
اعضای ضعیف ساختمان فلزی را در اثر محاسبات اشتباه، تغییر مقررات و ضوابط اجرا، می‌توان با جوش‌ یا پرچ‌ یا پیچ كردن قطعات جدید تقویت نمود ‌یا قسمت یا دهانه‌های جدید را اضافه كرد.

شرایط آسان ساخت و نصب‌
تهیه قطعات فلزی در كارخانجات و نصب آن در موقعیت شرایط جوی متفاوت با تمهیدات لازم قابل اجرا است.

اشغال فضا
در دو ساختمان مساوی از نظر ارتفاع‌، ابعاد ستون و تیرهای ساختمان‌های فلزی از نظر ابعاد كوچكتر از ساختمان‌های بتنی است. سطح اشغال یا فضای مرده در ساختمان‌های بتنی بیشتر ایجاد می‌شود.

ضریب نیروی لرزه‌ای
حركت زمین در اثر زلزله موجب اعمال نیروهای درونی در اجزا ساختمان می‌شود‌. در قاب‌های بتن مسلح كه وزن بیشتر دارد ضریب نیروی لرزه‌ای، بیشتر از قاب‌های فلزی است.