فولادهای ساختمانی

فولاد از مهمترین مصالح ساختمانی است. مشخصات مهم فولاد که آن را نسبت به سایر مصالح ساختمانی ممتاز ساخته‌، مقاومت زیاد‌، شکل پذیری و یکسان بودن مقاومت آن در فشار و کشش است. در کنار مزایای فوق، 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.

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.

1. قاب‌های مهاربند هم محور (CBF)
2. 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 که بر زمین‌های سست قرار می‌گیرند، حائز اهمیت فراوان است.

خواص یکنواخت‌

ا‌ز یکنواخت بودن خواص فلز می‌توان اطمینان حاصل کرد که خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجی تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد. اطمینان در یکنواختی خواص مصالح در انتخاب ضریب اطمینان کوچک موثر است که 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 هوک به خوبی پیروی می‌کند. مثلا ممان اینرسی یک مقطع فولادی را می‌توان با اطمینان در محاسبه وارد نمود حال اینکه در مورد مقطع بتنی ارقام مربوطه چندان معین و قابل اطمینان نیست.

‌شکل پذیری‌

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

‌پیوستگی مصالح ‌

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

تقویت پذیری و امکان مقاوم سازی‌

اعضای ضعیف ساختمان فلزی را در اثر محاسبات اشتباه، تغییر مقررات و ضوابط اجرا، می‌توان با جوش‌ یا پرچ‌ یا پیچ کردن قطعات جدید تقویت نمود ‌یا قسمت یا دهانه‌های جدید را اضافه کرد.

شرایط آسان ساخت و نصب‌

تهیه قطعات فلزی در کارخانجات 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 کوچکتر از ساختمان‌های بتنی است. سطح اشغال یا فضای مرده در ساختمان‌های بتنی بیشتر ایجاد می‌شود.

ضریب نیروی لرزه‌ای

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

معایب سازه‌های فولادی

‌ضعف در دمای زیاد

مقاومت ساختمان فلزی با افزایش دما کاهش یافته، اگر دمای دمای اسکلت فلزی از ۵۰۰ به ۶۰۰ درجه سانتی گراد برسد تعادل ساختمان به خطر می‌افتد.

‌خوردگی و فساد فلز در مقابل عوامل خارجی

‌قطعات مصرفی در ساختمان فلزی در مقابل عوامل جوی خورده شده و از ابعاد آن کاسته می‌شود و مخارج نگهداری و محافظت آن زیاد است.

‌تمایل قطعات فشاری به کمانش‌

با توجه به اینکه قطعات فلزی زیاد و ابعاد مصرفی معمولاً کوچک است تمایل به کمانش در این قطعات یک نقطه ضعف به شمار می‌آید.

‌جوش نامناسب‌

در ساختمان‌های فلزی اتصال قطعات به همدیگر با جوش، پرچ، پیچ صورت می‌گیرد‌.‌ اتصال با جوش به علت عدم مهارت کافی جوش کاران، استفاده از ماشین آلات قدیمی، عدم کنترل توسط مهندس ناظر، گران بودن هزینه آزمایش جوش، بزرگترین ضعف است.

موارد و اشکال مصرف فولاد در ساختمان

‌ورق و تسمه

ورق و تسمه در ساخت قطعات مرکب مانند تیرهای مرکب، ستون‌های مرکب و تقویت آنها مورد استفاده قرار می‌گیرند و نقش عمده‌ای در ساخت سازه‌های فلزی دارند. ورق‌هایی که عرض آنها کمتر از ۱۶۰ میلیمتر است، تسمه نامیده می‌شود.

ورق‌های موجدار

برای پوشش سقف‌های مرکب و دیواره‌های فولادی استفاده می‌شود.

میلگرد

انواع میلگرد مصرفی از نظر تولید به دو گروه گرم نورد شده و سرد اصلاح شده، از نظر سطح به دو گروه ساده و آجدار، از نظر جوش‌پذیری به سه گروه جوش‌پذیر، جوش‌پذیر مشروط و جوش ناپذیر، از نظر شکل‌پذیری به سه گروه نرم، نیمه سخت و سخت تقسیم می‌شوند.

نیمرخ‌های نورد شده

مهمترین نوع و شکل فولادهای ساختمانی از لحاظ نیمرخ‌های که به روش نورد گرم یا سرد به دست می‌آیند به شرح زیر است.

تیرآهن نیمرخ I 

این نیمرخ از معمولی‌ترین نیمرخ‌های مصرفی در سازه‌های فلزی است و مقاومت آن در خمش زیاد است. انواع متداول آن شامل نیمرخ معمولی INP‌، نیمرخ بال پهن IPB و نیمرخ نیم پهن IPE است.

نیمرخ U یا ناودانی

این نیمرخ به صورت تک در مقابل خمش ضعیف است و برای جبران این ضعف در تیرهای مرکب و مشبک و همچنین به صورت جفت به کار می‌برند. نیمرخ ناودانی را به شکل UNP یا CNP نمایش می‌دهند.

نیمرخ نبشی یا L شکل

نبشی به دو صورت نبشی یا بال‌های مساوی یا نامساوی ساخته می‌شود. این نیمرخ را در سازه‌های فلزی به خصوص در ساختن اشکال مرکب به کار می‌برند.

نیمرخ سپری یا T شکل

این نیمرخ‌ها در دو نوع به شرح زیر هستند. سپری‌هایی که قاعده آنها دو برابر ارتفاعشان است و سپری‌هایی که ارتفاع و قاعده آنها با هم برابرند. مصارف این نیمرخ در کارهای ساختمانی مشابه مصارف نبشی است.

نیمرخ Z

این پروفیل را برای زیرسازی و بستن ورق‌های فلزی یا ورق‌های آزبست سیمانی در سقف‌های شیبدار به کار می‌برند.

نیمرخ‌های توخالی قوطی و لوله

این نیمرخ در ساخت ستون‌ها و مواردی که نیاز به خصوصیات هندسی زیاد، حول هر دو محور اصلی است، استفاده می‌شود.

پرچ

پرچ‌های ساختمانی معمولاً از فولاد معمولی و فولاد منگنزدار ساخته شده و در سه نوع درجه ۱ و ۲ و ۳ تولید می‌شوند.

واشر

واشرها در کارهای فلزی ساختمان به همراه پیچ‌ها، پیچ‌های دوسر و مهره‌ها استفاده می‌شوند تا سطح و فضای باربری را افزایش داده و از ساییدگی جلوگیری شود.

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.

‌فولادهای ساختمانی کربنی

به طور کلی این دسته از فولادها به دو دسته اصلی با استانداردهای مختلف تقسیم می‌شوند که به شرح زیر است.

•  نوع اول با دارا بودن مقاومت در مقابل سایش و حرارت در کارخانجات سیمان و آجر سازی به منظور ساخت قطعات یدکی مانند سرندهای سنگ شکن، سپرهای آسیاب، بدنه ماشین آلات و دیگر قطعات یدکی مانند شاتون دسته پیستون، شافت، دوک، پیم آچار، اهرم، میخ، دنده مارپیچی و انواع کوپلینگ و سایر قطعات مشابه به کار می‌رود.
• نوع دوم فولاد سرد کشیده شده و پلیش خورده ۲-ST60 برای ساخت شافت‌های چاه عمیق، لوازم یدکی ماشین آلات در راه آهن، نساجی، ماشین سازی، کشتی سازی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. ‌

فولادهای ساختمانی آلیاژی

فولادهای ساختمانی آلیاژی به دو نوع مختلف با موارد مصرف مشخص، تحت استاندارهای بین المللی تعریف شده در این زمینه تقسیم شده‌اند که هر یک از آنها به شرح زیر است.

‌نوع اول این دسته از فولادها دارای چهار استاندارد مختلف است که برای ساخت قطعات یدکی مانند پلوس، فول، میل لنگ، شاتون، اکسل ماندالین، محور، شافت، میل گاردن، دسته پیستون و وسایل یدکی هواپیما و سایر قطعات ماشین آلات به کار می‌رود. فولاد ٧٢٢۵ به علت کم شدن سختی از سطح تا مفز برای ساخت قطعاتی که ضربه خور زیاد داشته و باید حالت ارتجاعی نیز داشته باشند بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. گرچه این فولادها عملاً برای ساخت قالب‌های پلاستیکی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. ولی استانداردهای ۶۵٨٠ و ۶۵٨٢ به علت دارا بودن کرم و نیکل بالا دارای پلیش بهتری هستند.

این فولاد برای ساخت میل لنگ، شافت، اکسل، دوک، شاتون و سایر قطعاتی که فشارهای معمولی و متوسط را باید متحمل شوند مورد استفاده قرار می‌گیرند.