معرفی آشنایی بیشتر با فولاد

[Mina Yousefi 24161]

اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند به‌کار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند.

 

 

اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند به‌کار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژدهنده موجود در آن بستگی دارد.

 

کاربرد انواع مختلف فولاد

 

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی به‌کار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

 

سازه‌های فولادی

 

فولاد به‌عنوان ماده‌ای با مشخصات خاص و منحصر بفرد، مدتهاست در ساخت ساختمان‌ها کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق، رفتار سازه‌ای معین، نسبت مقاومت به وزن مناسب، در کنار امکان اجرای سریع سازه‌های فولادی همراه با جزئیات و ظرافت‌های معماری، فولاد را به‌عنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه‌های ساختمانی مطرح کرده است؛ به نحوی که اگر ضعف‌های محدود این ماده نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در آتش سوزی‌های شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند، امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می‌دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست.

 

فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است که کمتر از 2 درصد کربن دارد. در فولاد ساختمانی عموما" در حدود 3 درصد کربن و ناخالصی‌های دیگری مانند فسفر، سولفور، اکسیژن و نیتروژن و چند ماده دیگر موجود می‌باشد.

 

ساخت فولاد شامل اکسیداسیون و جدا نمودن عناصر اضافی و غیر ضروری موجود در محصول کوره بلند و اضافه کردن عناصر مورد نیاز برای تولید ترکیب دلخواه است. برای ساخت فولاد، از چهار روش اصلی استفاده می‌شود. این روش‌ها عبارتند از: روش کوره باز، روش دمیدن اکسیژن، روش کوره برقی، روش خلاء. آنچه فولاد را به عنوان یک مصالح ساختمانی مناسب معرفی کرده می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

 

- تغییر شکل در اثر بارگذاری و ایجاد تنش یکنواخت

- وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک فولاد

- شکل‌پذیری

- خاصیت چکش‌خواری و تورق

- خاصیت خمش‌پذیری

- خاصیت فنری و جهندگی

- خاصیت چقرمگی

- خاصیت سختی استاتیکی و دینامیکی

- مقاومت نسبی بالا

- ضریب ارتجاعی بالا

- جوش‌پذیری

- همگن بودن

- امکان استفاده از ضایعات

- امکان تقویت مقاطع در صورت نیاز

 

طراحی ساختمان‌های فولادی

انتخاب نوع مقطع، روش ساخت، روش بهره‌برداری و محل ساخت ساختمان، خصوصیات و ویژگی‌های متنوعی برای ساخت اسکلت باربر یک ساختمان بوجود می‌آورد. مزیت‌های هر سیستم سازه‌ای و مصالح مورد نیاز آن سیستم را در صورتی می‌توان به‌ کار برد که خصوصیات و ویژگی‌های آن مصالح و سیستم‌ها در مرحله طراحی به حساب آورده شود و طراح باید در مورد هریک از مصالح به درستی قضاوت کند. این موضوع به‌ویژه در ساختمان‌هایی که اسکلت فولادی دارند ضروری است. معیارهای سازه‌ای زیر اهمیت زیادی در طراحی کلی و ستون‌گذاری ساختمان دارد:

 

- نوع مقطع

- آرایش و روش قرارگیری مقاطع

- فواصل تکیه‌گاهی

- اندازه دهانه‌های سقف

- نوع مهاربندی

- نوع سیستم صلب‌کننده

- محل قرارگیری سیستم صلب‌کننده

 

سیستم فضاسازی داخلی

برای استفاده بهینه از خواص مطلوب ساختمان‌های فولادی، سیستم فضاسازی داخلی باید به‌گونه‌ای اختیار شود که:

 

- متشکل از قطعات پیش‌ساخته باشد، بدین منظور که سرعت بیشتر نصب و برپایی سازه، موجب کوتاه شدن زمان کلی ساخت می‌شود.

- قطعات سبک باشد تا وزن کلی ساختمان به حداقل ممکن برسد.

- نوع سیستم انتخاب شده، سازگار با سیستم سازه‌ای انتخاب شده باشد.

- با یک روش اقتصادی قابل محافظت در برابر آتش باشد.

 

فضاهای داخلی ساختمان فلزی معمولا" شامل:

- سقف‌ها

- بام

- دیوارهای خارجی

- دیوارهای داخلی

- سیستم رفت و آمد ( پله و آسانسور ) می‌باشد که با هماهنگی دقیق و علمی، این امکان بوجود می‌آید که اقتصادی‌ترین روش ساخت و اجرای ساختمان بدست آید.

 

طراحی با توجه به روش مهاربندی

تمام ساختمان‌ها باید برای مقاومت در برابر نیروی زلزله، باد و یا دیگر نیروهای افقی صلب شوند. سیستم صلب‌کننده باید:

 

- نیروهای جانبی را به فونداسیون منتقل کند.

- تغییر مکان‌های افقی را محدود کند.

 

در ساختمان‌های بلند باید ملاحظات ویژه‌ای برای جلوگیری از ایجاد نوسانات ناشی از باد در نظر گرفته شود. بزرگی نیروهای افقی اعمال شده در اثر باد به عوامل زیر بستگی دارد:

 

- سرعت باد

- شکل آیرودینامیکی ساختمان

- وضعیت سطح نما

- روش‌های صلب کردن

 

یک قاب سازه‌ای فولادی را می‌توان به یکی از روش های زیر مهاربندی کرد:

 

- سیستم‌های قاب صلب

- سیستمهای قاب بادبندی

- دیوارهای بتنی به‌صورت دیوارهای برشی یا هسته‌های بتنی

 

انتخاب روش صحیح مهاربندی، اهمیت عمده‌ای در طراحی سازه‌ای دارد و حتی ممکن است کل اندیشه طراحی یک ساختمان بلندمرتبه را تحت تاثیر قرار دهد. مهاربندی به وسیله اعضای بادبندی یا دیوارهای بتنی به صورت دیافراگم صلب، نقاط ثابتی را در ساختمان ایجاد می‌کند، به‌ گونه‌ای که آزادی عمل در جانمایی و معماری داخل ساختمان را محدود می‌کند.

 

طراحی با توجه به اجزای تشکیل‌دهنده فضاهای داخلی ساختمان

 

انتخاب سیستم مناسب برای اجزای داخلی ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد. روش‌های زیر به طور رایج در ساخت سقف‌های متکی به تیرهای فولادی به کار می‌روند:

 

- دال بتنی درجا بر روی قالب مناسب

- دال بتنی پیش‌ساخته

- عرشه فولادی با بتن درجا

 

عملکرد مرکب بین دال بتنی و تیر فولادی که در هر سه روش امکان‌پذیر است، سبب اقتصادی شدن ساخت می‌گردد. مسئله حفاظت قسمت‌های فولادی سقف در برابر آتش‌سوزی باید در اجرای سقف در نظر گرفته شود. استفاده از سقف کاذب می‌تواند این کار را به خوبی انجام دهد. در سازه‌های اسکلت فلزی‌، معمولا" دیوارهای خارجی باربر نیستند، برای ساخت این دیوارها، بنابر شرایط موجود، از مصالح مختلف استفاده می‌شود.

 

لزوم محافظت در برابر حریق، خوردگی و عایق‌بندی صوتی

 

اغلب گفته می‌شود که هزینه لازم برای محافظت ساختمان‌های فلزی در برابر آتش‌سوزی، خوردگی و عایق‌بندی صوتی بسار زیاد است، ولی استفاده از راه‌های معقول و مناسب برای هر ساختمان، با توجه به سیستم به‌کار رفته در آن، می‌تواند باعث کاهش این هزینه شود. ایجا یک سیستم محافظت در برابر آتش‌سوزی در تمام ساختمان‌های فلزی لازم و ضروری است. آنچه از نظر اقتصادی در این مسئله حائز اهمیت است، استفاده از روش صحیح حفاظت اجزای فلزی است. اغلب المانهای داخلی ساختمان مانند سقف و دیوارهای داخلی و خارجی آن به‌عنوان یک سیستم محافظت در برابر آتش‌سوزی در ساختمان قابل استفاده است. تیرها و ستون‌های فلزی می‌تواند به روش مناسب در بین این اجزا مدفون شود. در غیر این‌ صورت باید با روش مناسب اسکلت فولادی ساختمان محافظت شود.

 

از آنجایی که زنگ‌زدگی در قطعات داخلی ساختمان فولادی با توجه به رطوبت ناچیز موجود در هوا بعید به نظر می‌رسد، محافظت در برابر خوردگی برای این قطعات یک مشکل جدی محسوب نمی‌شود. بنابر این حفاظت در برابر خوردگی فقط برای قطعات بیرونی و اجزایی که در معرض رطوبت هوا قرار دارند، لازم و ضروری است.

 

مشخصات صوتی یک ساختمان، بستگی به خواص اجزای داخلی آن دارد مانند نوع سقف و سیستم دیوارهای جداکننده و تیغه‌ها. در این بین، سیستم اسکلت باربر ساختمان نقش کمتری دارد رفتار اسکلت یک ساختمان بتنی و فولادی، با یک سیستم فضاسازی داخلی مشابه، یکسان است.

 

توجیه اقتصادی سازه‌های فولادی

 

در ارزیابی اقتصادی یک ساختمان فولادی، فقط در نظر گرفتن قیمت مصالح ساختمانی و نیروی انسانی کفایت نمی‌کند و بقیه عوامل موثر در این موضوع باید مورد بررسی قرار گیرد. موارد زیر در اقتصاد یک ساختمان موثر است:

 

- قیمت زمین: به‌دلیل کوچک بودن مقاطع عرضی در ساختمان‌های فولادی، فضای کمتری توسط اسکلت سازه اشغال شده و در مقایسه با سازه‌های بتنی، ساختمان‌های فلزی در پلان دارای سطح موثر بیشتری هستند. بنابر این هزینه زمین در هر متر مربع مفید ساختمان، در ساختمان‌های فلزی کمتر خواهد بود.

- مصالح در دسترس

- ارزش نهایی ساختمان: هرچه مدت زمان ساخت یک ساختمان کوتاه‌تر باشد، هزینه نهایی آن ساختمان کم‌تر خواهد بود. با توجه به روش‌های مختلف ساخت سازه، متوجه می‌شویم که در مقایسه با سایر روش‌ها، ساخت سازه‌های فلزی زمان کمتری صرف می‌کند.

- هزینه اسکلت اصلی سازه (سفت کاری)

- تاثیر نازک‌کاری

- تاثیر نصب تجهیرات و تاسیسات

- نحوه تاثیر این عوامل در بهره‌برداری بهینه از ساختمان

- هزینه ایجاد تغییرات داخلی و بهسازی در ساختمان

- هزینه تخریب (در ساختمان‌های با عمر کوتاه)

 

بررسی میزان مصرف فولاد در ساختمان‌های فلزی

 

در ساختمان‌های فلزی، هزینه با توجه به میزان مصرف فولاد در هر متر مربع مساحت کف (تصویر افقی) یا متر مکعب ساختمان محاسبه می‌شود. هزینه ساخت و میزان مصرف فولاد به عوامل زیر بستگی دارد:

 

- تعداد طبقات

- بار اعمال شده به طبقات (مرده و زنده)

- دهانه‌ها در اطراف ستون

- ضخامت سقف

- سیستم سازه ای ( سیستم انتقال بارهای قائم و جانبی)

 

فولاد

 

انتقال بار در سازه های فولادی

 

سازه‌های فولادی مشتمل بر تعدادی تیر و ستون به شکل قاب و نیز شامل تعدادی تقویت‌کننده، به منظور ایستایی بیشتر می‌باشد. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می‌گیرد. به این صورت که:

 

- سقف، بارهای عمودی را تحمل کرده و بصورت افقی، از طریق تیرها به تکیه‌گاه‌های تیر منتقل می‌کند.

- سیستم باربر قائم (ستون‌ها)، بارها را از تکیه‌گاه‌های دو سر تیر به فونداسیون انتقال می‌دهد.

- همچنین سیستم‌های مهاربندی قائم و افقی، بارهای جانبی ناشی از باد، زلزله، فشار زمین و ... را به فونداسیون‌ها منتقل می‌نمایند.

 

ماهیت انتقال بار از طریق تیرها به تکیه‌گاهها و روش قرارگیری تیرها (تیر ریزی) به عوامل زیر بستگی دارد:

 

- نوع مقطع قابل استفاده با توجه به طراحی معماری

- فواصل تکیه‌گاه‌ها و طول دهانه تیر با توجه به طراحی سازه‌ها

- روش انتقال بار توسط اجزای باربر

- سیستم تکیه‌گاهی انتخاب شده (صلب، نیمه صلب، ساده)