راهنمای ترکیب فولاد سازه‌ای و کاربردهای ساختمانی

آیا تا به حال به آسمان خراش های بلند نگاه کرده اید یا از پل های باشکوهی که از رودخانه های وسیع عبور می کنند شگفت زده شده اید؟مثل "مرد آهنين" ساخت و سازاما فولاد ساختاری دقیقاً چه چیزی است؟ از فولاد معمولی چه تفاوتی دارد؟و در کجا نقش های مهمی را بازی می کندبیایید این ماده ساختمانی حیاتی را به طور دقیق بررسی کنیم.

به عبارت ساده، فولاد ساختاری یک فلز کربن است که عمدتا در پروژه های ساختمانی استفاده می شود.به طیف وسیعی از محصولات فولادی اشاره دارد که با استانداردهای خاص صنعت که توسط ASTM International تعیین شده است مطابقت دارند.فقط فولاد مطابق با استانداردهای ASTM به عنوان فولاد ساختاری واجد شرایط است.

تفاوت اصلی بین فولاد ساختاری و فولاد غیر ساختاری در ترکیب است. برای درک این موضوع، ابتدا باید ماهیت اساسی فولاد را بررسی کنیم.

فولاد یک آلیاژ آهن و کربن است، دو عنصر آشنا که به ندرت در فرم های خالص وجود دارند. آهن برای سخت شدن و عملی شدن به کربن نیاز دارد.فولاد ساختاری از طریق کنترل دقیق محتوای کربن و اضافه کردن سایر عناصر آلیاژ به خواص برتر خود می رسد.

تولید فولاد از طریق دو روش اصلی انجام می شود: پردازش مواد خام (معدن آهن) یا بازیافت فولاد خرد شده.

1. استخراج سنگ آهن:اولین گام شامل استخراج آهن از سنگ آهن است. در ایالات متحده، معادن مینه سوتا حاوی منابع فراوان سنگ آهن هستند، معمولاً در قالب مغناطیس که نیاز به فرآوری و فرآیند های جدایی مغناطیسی دارد.
2. ذوب فرن بالا:سنگ آهن استخراج شده تا زمانی که با کربن ترکیب شود شکننده باقی می ماند. در کوره های بالا، سنگ آهن با کوک (فحم غنی از کربن) تحت حرارت شدید مخلوط می شود.که باعث واکنش های شیمیایی می شود که در آن پیوندهای کربن با اکسیژن از اکسید آهن، تولید مونوکسید کربن و آهن (یک فرآیند به نام کاهش)
3. کنترل محتوای کربن:مواد حاصل حاوی کربن بیش از حد برای استانداردهای فولاد ساختاری است. فرآیند گرمایش و خنک سازی دقیق محتوای کربن را به 0.05٪-0 کاهش می دهد.25٪ ویژگی تعریف فولاد ساختاری که در حالی که انعطاف پذیری و قابلیت کار بسیار عالی را حفظ می کند، قدرت مطلوب را فراهم می کند.

علاوه بر پردازش مواد اولیه، فولاد ساختاری نیز می تواند از طریق بازیافت فولاد خرد شود.

• فولاد سازي با کوره قوس الکتريکي:فولاد خرد شده در کوره های قوس الکتریکی با استفاده از دمای بالا تولید شده توسط الکترود ذوب می شود. عناصر آلیاژ در طول ذوب برای تولید انواع فولاد می توانند اضافه شوند.

فولاد ساختاری در کاربردهای متنوعی فراتر از ساخت و ساز، از جمله تولید خودرو و زیرساخت های انرژی استفاده می شود.و بسته بندی مواد غذایی/شراببا این حال، ما روی کاربردهای معماری آن تمرکز خواهیم کرد.

فولاد ساختاری به طور معمول:

• ساختمان های بلند
• ساختمان های مسکونی
• تاسیسات صنعتی/ انبار
• پل ها
• ساختارهای پارکینگ

فولاد ساختاری به دلیل قدرت بی نظیر خود، انتخاب مورد علاقه مهندسان، معماران و پیمانکاران است.انعطاف پذیری را نشان می دهد، و حفظ کیفیت های مقرون به صرفه که آن را برای پروژه های ساختمانی متنوع ایده آل می کند.

یکی دیگر از ویژگی های مهم این است که فولاد ساختاری می تواند به راحتی برش داده و به اشکال مختلف شکل داده شود. پروفایل های فولاد ساختاری رایج عبارتند از:

در حالی که اشکال می توانند سفارشی شوند، اشکال سنتی به چهار دسته تقسیم می شوند: پرتوهای، زاویه ها، کانال ها یا صفحات.

• براق ها:
  • I-Beams:بخش متقاطع شکل I در تقریباً همه ساختارهای اصلی ظاهر می شود. کاربردهای متنوع شامل چسباندن بتن ، استفاده مستقل یا جوش در پرتوهای مداوم است.
  • U-Beams:پرتوهای U شکل تحمل بار عمودی و برخی از بار افقی، هر چند با ظرفیت کمتر از پرتوهای I.
  • خطوط گرد/مربع:تخته های جامد در تجهیزات صنعتی بیشتر از قاب های ساختمان استفاده می شود.
• زاویه ها:
  • براق های زاویه ای:تکه های L شکل با اتصال 90 ° سیستم های کف را به پایه ها می چسباند و مفاصل گوشه ای را ایجاد می کند.
  • بخش های ساختاری توخالی (HSS):میله های حفره ای دایره ای در قاب های جوشیده شده که بارهای چند جهت را تحمل می کنند، برجسته هستند و مقاومت استثنایی در برابر خم شدن جانبی و چرخش را ارائه می دهند.
• صفحه:
  • میله های صاف:صفحه های مستطیل که به عنوان اجزای اتصال در چارچوب های مسکونی / تجاری استفاده می شوند.
• کانال ها:
  • کانال های C:واحدهای شکل C گرم رولد شده از خطوط حمل بار اصلی با اتصالات گسترده تر از خطوط I پشتیبانی می کنند.

یک کاربرد دیگر ضروری است که میله های تقویت کننده فلزی است که در بتن جاسازی شده اند تا قدرت را افزایش دهند. بدون تخته، بتن تحت فشار حرارتی ترک می کند.مقاومت کششی فولاد ساختاری به طور کامل قدرت فشرده سازی بتن را تکمیل می کند.

ریبر در:

• پل ها
• ساختمان ها
• آسمان خراش ها
• خانه ها
• انبارها
• بنیاد ها

معدن آهن پایه فولاد ساختاری را تشکیل می دهد. بیشتر معدن ایالات متحده از ایالت مینه سوتا و منطقه دریاچه سوپیریور میشیگان و منابع اضافی در یوتا سرچشمه می گیرد.معادن فولاد آمریکا بیش از 9 میلیون تن در سال تولید می کنند که مصرف داخلی سال 2017 را به میزان 3 میلیون تن بیشتر می کند..5 ميليون تن

با این حال، واردات فولاد ساختاری از سال ۲۰۱۰ به شدت افزایش یافته و تنها در سال ۲۰۱۸ از چین، مکزیک،و کانادا یک موضوع بحث برانگیز در مورد اشتغال داخلی و وابستگی به منابع.

مانند تمام مواد، فولاد ساختاری هم مزایا و هم محدودیت هایی دارد.

• دوام:نسبت وزن و قدرت کشش (مقاومت در برابر کشش) باعث افزایش طول عمر می شود.
• قابلیت ساخت:ساخت آسان به اشکال مختلف انعطاف پذیری طراحی را امکان پذیر می کند. بولت کردن / جوش در محل در مقایسه با مواد مانند بتن که نیاز به دوره های سفت شدن دارند، ساخت را تسریع می کند.
• بهره وری از هزینه:قاب های فولادی اغلب از طریق:
  • کاهش هزینه های پایه (ساختمان های سبک تر)
  • ساخت و ساز سریع تر کاهش هزینه های نیروی کار
  • اشغال قبلی که درآمد تولید می کند
  • بازسازی های ساده تر / ارزان تر
• ایمنی:چندین نهاد نظارتی بر تولید نظارت دارند. پوشش های محافظتی از خوردگی / آسیب آتش جلوگیری می کنند. فولاد در برابر قالب (بر خلاف چوب) مقاومت می کند و قابلیت بازیافت را ارائه می دهد.

• خوردگی:تمام آلیاژ های آهن در اثر قرار گرفتن در معرض هوا / رطوبت تخریب می شوند، اگرچه پوشش ها این امر را کاهش می دهند.
• مقاومت در برابر آتشدر حالی که فولاد در حدود 2500 درجه فارنهایت ذوب می شود (در مقابل آتش سوزی های ساختمان معمولی که به 2000 درجه فارنهایت می رسد) ، در دمای بالا یکپارچگی ساختاری را از دست می دهد و نیاز به ضد آتش دارد.
• بهره وری انرژی:پل های حرارتی (انتقال گرما از طریق قاب فولادی) عایق بندی را در مقایسه با قاب های چوبی کاهش می دهد.

فولاد ساختاری با توجه به ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی متفاوت است. ASTM استانداردهای ایالات متحده را تنظیم می کند که دارای درجه های مشترک از جمله:

• A36:محبوب برای ستون ها، تخته ها، و سقف با قدرت عملکرد عالی و مقرون به صرفه.
• A572:نسبت قدرت به وزن بالاتری برای پل ها، برج های انتقال و کوه های فرعی ایده آل است.
• A588:مقاومت بهتر در برابر خوردگی هوا برای پروژه های بیرونی مناسب است.
• A514:ظرفیت حمل شدید (100000 psi yield strength) برای جرثقیل ها و ماشین آلات سنگین.

فولاد ساختاری که به درستی نگهداری می شود، بیش از ۵۰ تا ۱۰۰ سال دوام می آورد و در برابر قالب، رطوبت، موریانه ها، باد و نیروهای لرزه ای مقاومت می کند. با این حال، حدود ۸۵٪ فولاد کربن مستعد زنگ زدن است.مهندسان از طریق گالوانیزه کردن با خوردگی مبارزه می کنند، پرایم کردن، پوشش پودری، یا آبی کردن، با توجه به عوامل محیطی مانند:

• سطح pH
• قرار گرفتن در معرض اکسیژن
• مقدار رطوبت
• تماس با آب شور
• درجه حرارت/رطوبت
• بارندگی
• آلاینده های هوا

مهندسین ساختمانی ساختمان ها را طوری طراحی می کنند که در برابر بارهای زنده و مرده، برف، باد و زلزله ها مقاومت کنند.آنها ترکیب خاک را تجزیه و تحلیل می کنند تا از مشکلات پایه جلوگیری کنند و نسبت قدرت به وزن فولاد را برای بهره وری مواد استفاده کنند.

جزئیات ساختاری شامل ایجاد مشخصات (نقشه ها یا طرح های کتبی) است که ثبات طولانی مدت را تضمین می کند. مهندسان با معماران همکاری می کنند.تجزیه و تحلیل طرح ها برای تأیید مسیرهای مناسب بار انتقال نیروهای پایهملاحظات شامل:

• محدوده لرزش
• خستگی (شکستگی ناشی از استرس)
• چرخش

رنگ آمیزی فولاد ساختاری به اهداف زیبایی شناختی و محافظتی می پردازد.

1. شستشوی تحت فشار برای از بین بردن زباله ها/چالینگ (نقش تخریب شده)
2. پاکسازی و آماده سازی برای چسبندگی رنگ
3. استفاده از رنگ خارجی با کیفیت بالا (گاهی اوقات اکریلیک برای دوام)

در حالی که فولاد در آتش های معمولی (2000 درجه فارنهایت در مقابل 2500 درجه فارنهایت نقطه ذوب) ذوب نمی شود ، قوانین ساختمانی حداقل 2 ساعت مقاومت در برابر آتش را تعیین می کنند زیرا دمای بالا از یکپارچگی ساختاری آسیب می بیند.

هزینه های فولاد ساختاری خام با شرایط بازار نوسان می کند.

• 0.90 تا 1.55 دلار برای هر پوند از چوب
• ~90 دلار در هر تن برای خرید عمده
• 1100 تا 4300 دلار (یا 90 تا 400 دلار در هر فوت مربع) برای نصب میانگین مهره شامل مهندسی، مجوز، مواد و نیروی کار