گسترۀ وسیعی از آلیاژهای فلزات آهنی و غیر آهنی در ساختمانها کاربرد دارند, ولی آهن,فولاد,آلومینیوم, مس,سرب و روی غالب تر هستند. رویکرد ئنوین در عرصۀ ساخت و ساز به سمت تولید آلیاژهای بادوام تر و استفاده از روکشهایی برای ایجاد محافظت و گوناگونی ظاهری در انواع محصولات است.به طور کلی از فلزات برای تولید فلزات از مواد خام انرژی زیادی لازم است, به هر حال مصرف انرژی فراوان در برابر عمر طولانی و قابلیت بازیافت محصولات فلزی زیاد نمی ناید. تقریباً50% تولید کنونی فولاد در دنیا از آهن قراضه می باشد.
فلزات آهنی :
بشر از دیر باز با آهن و فولاد و چدن که امروزه به عنوان پر مصرف ترین فلزات جهان می باشند, آشنا بوده است. استفاده از آلیاژهای اهن در بنا حتی در میزان بسیار اندک و محدود در ابنیۀ اعصار گذشته کمتر به چشم می خورد.اما تنها از اوائل قرن هیجدهم با پیشرفت صنعت, استفاده از این فلز رو به فزونی گذاشته است. از این طریق ایده های نو و پدیده های بدیع وارد صنعت ساختمانی گردید. در ابتدا از آهن براغی کارهای جزئی همچون تزئینات و کلاف بندی بناهای سنگی استفاده می شد. در همین زمان در بعضی از پوشش های کم وزن مثل سقف تئاتر فرانسه که در بوردو ساخته شد به کار رفت, اما به علت عدم توسعه صنایع تصفیۀ آهن استفاده از این فلز محدود است. در اواسط قرن هیجدهم در انگلستان قدم های شایان توجهی در بهبود و پیشرفت صنعت آهن برداشته شد. در اواخر این قرن نتایج این پیشرفتها در اختیار عموم قرار گرفت و این صنعت با توجه به توسعه روز افزون صنایع اسلحه سازی بهبود حاصل کرد و اولین ابنیه با اعضای باربر فلزی همچنین پل های فولادی بنا شدند و فصل نوینی در تاریخ ساختمان سازی آغاز شد و دروازه های استفاده از آهن در ساختمان گشوده شد.
قدیمی ترین مورد مصرف آهن در تولید اسلحه و وسایل دیگر در عرصه آهن در اروپا در قرن سیزدهم میلادی بوده است , پیشرفتهای با ارزش در استفاده از آهن در ساختمان , استفاده از یک زنجیر از جنس آهن نرم تحت کشش در کنبد کلیسای سنت پاول(pale) برای جلوگیری از ریزش دیواره ها به بیرون و استفاده از چدن توسط پاکستون در قسمتهای پیش ساخته ساختمان کریستال پالاس (قصرۀ بلورین) در سال 1851م. می باشند. فولاد مادۀ نسبتاً جدیدی است و در مقادیر صنعتی تنها در اواخر قرن 19, پس از توسعه روش بسمر به دست آمد. اولین ساختمان بلند10 طبقه با اسکلت فلزی در اسل 1858م. در شیکاگو توسط ویلیام لوبادن جنی ساخته شد.( تصویر شمارۀ 1)
متالوژی آهن و فولاد :
روند متالوژی برای تولید محصول فلزی با شکل و خاصیت مورد نظر به کاربرده می شود. تولید چدن اولین قدم در تبدیل سنگ آهن که مخلوطی از اکسیدهای آهنی و نمکهای معدنی و مخلوطی از 5سیلیس,آلومین,سنگ آهک وسایر اجزای است, می باشد.
با ارزش ترین سنگ معدنی برای تولید چدن, سنگ آهن مغناطیسی یا مگنتیک, هماتیت,لیمونیت,و سنگ آهن اسپانیک می باشند که باید از ناخالصی های ومضر مانند سولفورها و فسفرها عاری باشند.بیشترین مقدار آهن در آنها برای مگنتیت و هماتیت تا 70% می باشد. آهن موجود در سنگ آهن لیمونیت و اسپانیک معمولاً کمتر از 50یا 60% است.
سوخت در روند کوره بلند ذوب آهن کک می باشد که محصول تصفیه و خشک کردن زغال در درجه حرارت بین 900تا 1100 درجه می باشد. از کک فقط برای تولید حرارت استفاده نمی شود, بلکه به منظور احیای سنگ آهن نیز به کار می رود.
درجۀ حرارت ذوب سنگ معدنب به کمک بارگیری مواد گدازآوری مانند سنگ آهک, کوارتز کاهش می یابد.
در این کورۀ استوانه ای شکل که از جنس فولاد و به کمک آجر نسوز آستر شده است و کورۀ بلند نامیده می شود, چدن به صورت مذاب به دست می آید. مواد اولیه بر اساس مقادیر از پیش مشخص شده از بالای کوره بارگیری و بر اساس نیروی جاذبه به سمت پائین کوره هدایت می شوند و رفته رفته داغتر می شوند تا به حالت مذاب در می آیند.مواد مذاب حاصل شامل آهن خام و سرباره می باشند که به سمت بوته کوره که قسمت تحتانی استوانه است جاری می شوند. و به علت وزن مخصوص متفاوت آهن و سرباره این دو از یکدیگر جدا می شوند و آهن توسط شیر تخلیۀ تحتانی و سرباره توسط شیر تخلیه فوقانی از انتهای کوره بلند تخلیه می شوند.( تصویر شمارۀ 2)
هوای داغ نیز از طریق مجراهایی که در بالای محل بوته قرار گرفته اند به داخل کوره دمیده می شوند. کک به کمک اکسیژن موجود در هوا می سوزد.دی اکسید کربن حاصل به بالای کوره صعود می کند و با گذر از کنار زغالهای کک فوقانی به دست آمده, روش تولید آهن اسفنجی نیز نامیده می شود.
بخشی از آهن موجود در کورۀ بلند در دمای بین 900تا 1100 درجۀ سانتی گراد با مونوکسید کربن واکنش شیمیایی نشان می دهد و به صورت کربید آهن در می آید.
تولید آهن از یکسری عملیات متوالی تشکیل شده که کاملاً به هم وابسته هستند تا حداکثر بازدهی را در این عملیات انرژی بر تضمین کنند.
سنگ آهن تولید سربارۀ مایعی می کند که بر روی آهن مذاب شناور می شود. ناخالصی های آهن جذب سرباره شده و آهن تخلیص می شود. کل این روند مداوم است و کورۀ ذوب هرگز خاموش نمی شود, چون راه اندازی روبارۀ کوره با آجرهای نسوز مخصوص گران قیمت و زمانبر است.هرچند وقت یکبار, هنگامی که وزن سرباره بالا می آید, اضافی آن تخلیه می شود و به عنوان« تولید فرعی » به مصرف دیگری می رسد. وقتی برای روند فولاد سازی « فلز مذاب» نیاز باشد آن را درون بوته های بزرگی می ریزند و به طرف مبدل (آهن به فولاد) انتقال می دهند. در این مرحله آهن فقط95-90 درصد خالص است و دارای ناخالصی های سولفور, فسفر, منگنز و سیلیکات و حدود 5-4 درصد کربن است.یک کورۀ بلند معمولاً بدون توقف حدود 410 سال کار می کند و در این مدت 40000 تن آهن در هر هفته تولید می کند.
از سربارۀ کورۀ بلند ذوب آهن به عنوان مواد با ارزشی برای تولید مصالح ساختمانی استفاده می شود. از آن جمله برای تهیۀ سیمان, بلوک,مصالح عایق حرارتی مانند «پشم سنگ» بهره برداری می شود.از گازهای کورۀ ذوب آهن نیز به عنوان منبع حرارت در قسمتهای مختلف کارخانه استفاده می شود.
میزان کربن در فلزات آهنی :
مقدار کربن که با آهن آلیاژ شده به خاطر اثر مخصوصش بر ساختار بلوری میکروسکوپی تآثیری مشخص بر خواص فیزیکی فلز می گذارد.برخی از اشکال کریستالی کربن و آهن که با نسبت آهن و کربن بستگی دارند,مثل: فریت, پرلیت و سمانتیت در دمای معمولی پایدار هستند, اما با افزایش دما , اشکال کریستالی فوق ناپایدار می شوند و در شکل گیری مجدد,کریستال ارسنیت را پدید می آورند, این ساختار را می توان با آبدیده کردن سریع فولاد داغ سرخ در دمای معمولی به تآخیر انداخت , در حقیقت با این روش از بلوریزه شدن دوباره که روندی طبیعی است جلوگیری می کنیم. این اثرات در عملیات مختلف گرمایی که برای بهبود خواص فیزیکی فولاد بر روی آن لنجام می شودبه خوبی پدیدار می شوند.( جدول شمارۀ 1)
آهن خالص (نرم): این آهن فقط (02/0) درصد کربن دارد و در روش سنتی با ذوب و اکسیده کردن چدن در یک کورۀ پاتیلی چرخان بدست می آمد. این کار از نظر تئوریک تا سوختن تمام کربن آهن خام ادامه می یابد تا آهن نرم خمیری شکل بدست می آید که از کوره خارج می شود و چکش کاری می گردد.آهن نرم به خاطر مخلوط شدن تصادفی مواد سرباره با آن حالتی فیبری دارد (در آن ناخالصی به صورت فیبر وجود دارد) و ناخالصی هایی مثل سولفید منیزیم به همراه دارد. این فیبرها در چکش کاری به رگه های درازی تغییر شکل می یابند.
آهن نرم دمای ذوب بالایی در حدود 1540 درجۀ سانتی گراد دارد. در قدیم برای وسایل و قسمتهایی که باید کشش را تحمل می کرند, به کار می رفت. چون مقاومت کششی آن 350نیوتون بر میلی متر مربع است, این نوع آنها انعطاف پذیر است و قابلیت کاربردی بالایی دارد و به راحتی در دمای سرخ پرسکاریو به همین خاطر مقاومت بالاتر از انتظار در برابر خوردگی نشان می دهد و برای تولید کارهای آهنی تزئینی به کار می رود و به علت دمای ذوب بالایش جوش کاری یا ریخته گری با آن امکان پذیر نیست.
آهن معمولی: این آهن حدود 2درصد کربن دارد و با کربنیزاسیون آهن خام و آهن قراضه در یک کوره توسط کک به دست می آید, دمای ذوب پائین (حدود1130درجۀ سانتی گراد) و روانی بالای آن پس از ذوب آن رام برای ریخته گری مناسب می سازد ولی, برخلاف آهن نرم, نمی توان روی آن در حالت مذاب کار کرد و عموماً یک مادۀ شکننده می باشد.مقاومت آن در برابر خوردگی به خوبی دیگهای بخار, وسایل داخل خیابان و کالاهای سنتی و هدایت آب باران (ناودان ها) است. انواع مختلف آهن ریخته گری به ساختارهای کریستالی مختلف آن بستگی دارند, چدن خاکستری که بیشتر مورد استفاده است بلورهای ریز گرافیت دارد که لاعث خصوصیت شکنندگی می شود و رنگ خاکستری را در مقاطع پدید می آورند. کربن چدن سفید به صورت بلور سمانتیت (کربید آهن) می باشد که از سرد کردن سریع مذاب حاصل می شود. این ماده را می توان نرم کرد تا درجۀ شکنندگی آن کاهش یابد. نوعی دیگر از آهن خام که انعطاف پذیر تر است (چدن چکش خوار ) با اضافه کردن منیزیم و سیلیکات آهن خام که باعث بلوری شدن کربن و تبدیل آن به گره های گرافیت می شود پدید می آید.این ماده مقاومت کششی بیشتری دارد و مقاومت آن در برابر ضربه خیلی بیشتر است. همۀ انواع چدن در برابر فشار مقاوم هستند.
محصولات آهنی مورد وصرف در خیابان (خیابانی) , مثل دریچۀ فاضلاب, که از مقادیر عظیم چدن خاکستری بازیافتی تولید می شوند سنگین ولی شکننده هستند. در جاهایی که مقاومت بیشتری در برابر ضربه نیاز است , مثل جاده های عمومی, قطعات سبکتر و انعطاف پذیر تر آهنی استفاده می شوند. کالاهای مربوط به هدایت آب باران(ناودانهاو...) که با روشهای سنتی (قالب ماسه) ریخته گری می شوند معمولاً از چدن خاکستری ساخته شده اند, در حالی که سیستم های فاضلاب از چدن خاکستری و همچنین چکش خوار ساخته می شوند. چدن در آتش خیلی زود نرم نمی شوند ولی اگر سریع با آب (آبفشانی) سرد شود ترک می خورد.
فولادها: گسترۀ وسیع انواع فولاد موجود در بازار نشان دهنده خصوصیات مختلفی است که به درصد کربن, عملیات مختلف گرمایی و اضافه کردن مواد آلیاژیث بستگی دارند. مقایسۀ کربن فولاد معمولاً بین(07/0تا7/1 درصد) نوسان می کند و همین به تنهایی طیفی وسیع از ویژگیهای فیزیکی پدید می آورد.فولادهای کم کربن (15/0تا07/0درصد) و فولاد چکش خوار (25/0تا 15/0 درصد) معمولاً نرم هستند و می توان در سرما بر آنها کارهای زیادی انجام داد. فولادهای کربن متوسط _5/0تا25/0 درصد) که معمولاً بر روی آنها عملیات گرمایی انجام می شود, سخت هستند و فولادهای کربن بالا _9/0تا5/0 درصد) و فولاد ابزار سازی _7/1تا9/0 درصد) مقاومت بیشتری در برابر صدمه (ضربه, خراش,...) از خود نشان می دهند که با افزایش کربن بیشتر می شود.
فولاد :
به کمک کاهش ناخالصی کربن و سایر مواغد زائد, فولاد را از چدن سفید تهیه می کنند.
روشهای امروزی برای ساخت فولاد شامل روش اکسیژن,اپن هارت (زیمنس0مارتن) و روش فولاد سازی با کورۀ الکتریکی می باشند.
صرف نظر از روش تولید, روند فولاد سازی اکسیداسیون ناخالصی های نامطلوب می باشد که تبدیل به سرباره می شوند و یا می سوزند.
در روش بسمر و اکسیژن, هوا یا گاز اکسیژن به داخل پاتیل متحرک که با چدن مذاب بارگیری شده است با فشار دمیده شده و باعث اکسید شدن ناخالصی ها می شود.( تصویر شمارۀ3)
در روش اپن هارت این عمل به کمک سوخت تسریع می شود و در کوره های الکتریکی که با چدن سرد و آهن قراضه بارگیری می شود حرارت ناشی از ایجاد قوس الکتریکی بین الکترودها و آهن آلات درون کوره موجب ذوب و اکسید شدن ناخالصی های مطلوب می شود.( تصویر شمارۀ 4)
روش پاتیل اکسیژن ,فولادی مشابه کورۀ اپن هارت تولید می کند. ولی بسیار ارزانتر می باشد. در عوض در روش اپن هارت امکان تولید فولادهای آلیاژی(فرو وانادیم- فرو کرم) را فراهم می کند و در روش الکتریکی که گران ترین روش می باشد تولید فولادهای ویژه (ضد زنگ,ضد اسید و ضد حرارت9 امکان پذیر می شود. یکی از روشهای جدید تولید فولاد روش پاشیدن است که ا تبدیل چدن مذاب به ذرات بسیار ریز به کمک فشار اکسیژن, فولاد تولید می شود. این عملیات در مخزن ویژه ای انجام میگیرد.
در ایران دو روش استاندارد برای تولید فولاد وجود دارد. روش اکسیژن برای تولید مقادیر زیاد فولاد معمولی و روش کورۀ قوس الکتریکی برای تولید فولاد با کیفیت بالا به خصوص فولادهای آلیاژی به کار می رود.
خواص فولاد:
- وزن مخصوص فولاد85/7 تن در متر مکعب است. مقاطع مختلف فولاد بر حسب متر و یا متر مربع جدول بندی شده اند و در محاسبات از این گونه جداول که سایر خصوصیات مکانیکی قطعه در آنها جای گرفته, استفاده می شود.
- تاب کششی و یا مقاومت ارتجاعی فولادها متفاوت است. بر اساس نوع مصرف, فولادهای گوناگونی تهیه می شود که آنها را نام گذاری متفاوتی نیز کرده اند. اکنون ساخت فولادهای 33,37,45,50,52 برابر استاندارد آلمان در کارخانه های ذوب آهن متداول است. که به ترتیب مشخص کنندۀ تاب کششی 330,370,450,500,520نیوتن در هر میلیمتر مربع می باشد.
- تاب فشاری, برشی,خمشی,ضربه ای, سختی و شکنندگی فولادها بر حسب آلیاژ آنها متغیر است.
- ضریب انبساط فولاد با ازدیاد حرارت از صفر تا 100دجۀ سانتی گراد برابر 2درصد محاسبه می شود.
- تآثیر رطوبت و نمکها بر فولاد بسیار زیاد است و به سرعت اکسیده می شود یا می پوسد. برای مقابله با این مسآله از آلیاژهای کرم , نیکل, وانادیوم و مولیب دنوم استفاده می شود. می توان سطح آن را قلع اندود (حلبی) یا آن را روی اندود نمود(آهن سفید) یا به وسیلۀ رنگ و سرنج آن را در برابر رطوبت حفظ کرد.
- شکل پذیری فولاد باعث می شود که برای مصارف گوناگون بتوان از آن مقاطع متنوعی پدید آورد. از جمله مقاطع فولادی می توان انواع زیر را نام برد:
ورق-تسمه-آرماتور(با مقطع دایره ساده, دایرۀ آجدار, نیم دایره,مربع و شش گوشه) مقطع یا پرفیل معمولی- نبشی –سپری-ناودانی-زد-کلاهی-ریلی-لوله و همین طور مقاطع مختلف برای چهار چوب در و پنجرۀ فولادی.
( تصویر شمارۀ 5)
قابلیت اتصال : با استفاده از اتصال تر یا خشک می توان قطعات مختلف آهنی را به یکدیگر متصل نمود. و قطعه یا قطعات یکپارچه ای به دست آورد. در قسمت اتصالات فولاد توضیحات بیشتری ارائه شده است.
تآثیر ناخالصی ها در کیفیت فولاد:
- کربن بیش از حد, فولاد را ترد می کنهد و بر سختی آن می افزاید. کمبود آن باعث افزایش خاصیت چکش خواری فولاد می شود. کرین عامل پائین آمدن درجۀ ذوب فولاد است.
- منگنز و سیلیسیوم, تاب کششی و سختی فولاد را افزایش می دهند و مانع از چکش خواری و شکل پذیری آن می شوند.
- فسفر, فولاد را ترد و شکننده می کند.
- گوگرد, عامل پائین آمدن تاب ضربه ای در فولاد است و همین طور باعث می شود که فولاد مذاب به حالت خمیری و سفت باشد.
- کرم, تاب کششی فولاد را افزایش می دهد و مانع از زنگ زدن آن می شود. فولاد ضد زنگ قریب به 12% کرم همراه دارد و به این منظور می توان از آلیاژ نیکل و مولیب دنوم نیز استفاده کرد.
- مس ,آلیاژ فولاد و مس زنگ نمی زند و دیر می پوسد.
عملیات گرمایی بر روی فولاد :
ویژگی های مکانیکی فولاد را می توان با عملیات مختلف گرمایی که شامل گرمایش تا یک دمای ویژه و سپس سرد کردن تحت شرایط مشخص و کنترل شده می باشند, تغییر داد.
- سخت کردن: فولادی که به سرعت سرد شده (آبدیده) و در دمایی بالا در آب یا روغن فرو برده شده, حالت بلوری خود را در دمای بالای حفظ می کند و سخت می گردد ولی شکننده است. این اثر در فولادهای پر کربن بیشتر مشخص است که در این حالت برای کارهای مهندسی مناسب نیستند.
- نرم کردن و بی بلور کردن: این دو روند عبارتند از : نرم کردن فولاد سخت, با شکل دادن دوباره بلورها که تنشهای داخلی ماده را آزاد می کند و ساختار دانه ای یکنواخت تری ایجاد می کند. برای نرم کردن, فولاد گرم می شود و در دمایی بالا تر از 700درجۀ سانتی گراد قرار داده می شود و آنگاه به آرامی به سرعتی کنترل شده در یک کوره یا ظرف خنک کننده سرد می شود و این کار نرم ترین فولاد را برای هر ترکیبی به ما می دهد. در بلورگیری ,فولاد تا دمایی مشابه با نرم کردن برای مدتی کوتاه تر گرم می شود و آنگاه کمی سریع تر در هوا سرد می شود, این عمل باعث می شود تا عملیات بعدی نظیر ماشین کاری را بتوان بر فولاد سرد راحت تر انجام داد.
- ملایم کردن: در این روند فولاد را تا دمای 600-400 درجۀ سانتی گراد گرم می کنند و آنگاه در هوا سرد می کنند. در این عمل سختی مواد کم می شود چون کمی از بلوها تغییر می کنند. مقدار این اثر بستگی مسقیم با دمای نهایی دارد.هرچه دما بالاتر رود انعطاف پذیری بیشتر و مقومت کششی کم می شود.
- کربوریزه کردن: می توان بدنه قطعات را سخت کرد, به این صورت که در لایۀ سطحی آنها درصد بیشتری کربن «تزریق» کرد بدون اینکه درصد کربن لایه های دیگر تغییر کنند, به این ترتیب سطحی سخت خواهیم داشت که شکننده نخواهد بود و در برابر ضربه مقاومت خواهد کرد.معمولاً این روند شامل گرم کردن قطعه در داخل زغال سنگ یا یک مادۀ کربنی دیگر در دمای حدود 900درجۀ سانتی گراد به مدت چند ساعت می باشد. آنگاه بر روی قطعات عملیات گرمایی دیگری انجام می گیرد تا سختی سطح کاملاً تنظیم شود.
- ریخته گری: اجزای لزی ممکن است به وسیلۀ ریختن فولاد و یا آهن مذاب در قالب مخصوص که به ریخته گری موسوم است تولید گردند. این روش برای اجسام جسیم که ممکن است تا ده ها تن وزن داشته باشند نیز به کار می رود. قطعه بدست آمده پس از ریخته گری ماشین کاری و برای مصرف مورد نظر آماده می شود.( تصویر شمارۀ 6)
فهرست مندرجات:
تآثیر ناخالصی ها در کیفیت فولاد: 15
عملیات گرمایی بر روی فولاد : 15
محافظت های کاربردی برای فولاد: 21
ورقهای فولادی نیم رخ دار و کابل های فولادی : 24
اجرای اتصالات به کمک جوش کاری: 27
ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد. 55
کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها 55
روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن.. 56
تبدیل آهن به فولاد آلیاژی.. 56
انواع فولادهای مصرفی در بتن: 57
فرمهای رایج کاربرد میلگرد در بتن: 58
تعریف ساختمانهای اسکلت فلزی: 59
مزایا و معایب ساختمانهای فلزی.. 59
قسمتهای مختلف ساختمان اسکلت فلزی.. 75
انواع فنداسیون برای ساختمان اسکلت فلزی.. 76
انواع بادبند و نحوه اتصال آن. 78
اجرای سقف ساختمان اسکلت فلزی.. 79
اثر روکش در نفوذ و شکل ظاهر گرده جوش: 85
صفحه زیر ستون Base plate یا میلگردهای ریشه Bolt : 87
روشهای نصب Bolt وBase plat : 87
در موقع ستون سازی به دو علت ممکن است در ستونها انحنا ایجاد شود : 89
برای جلوگیری از پیچیدگی و انحناء در ستونها بهتر است به شرح زیر عمل کنیم : 89
اتصال ستون به صفحة زیر ستون : 90
اجرای دیوار برشی در قابهای سازه. 95
اتصالات به کار رفته در پروژه: 99
2)اتصال انتقال دهنده ی لنگر (اتصال لنگر گیر): 100
چگونه ی اتصال کنسول با دستک: 101
اتصال دو تیر به وسیله ی نبشی: 102
شامل 105 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود مقاله ساختمان اسکلت فلزی
