تاریخچه تولید آهن و بکارگیری آن در ساختمان

۱.تاریخچه تولید آهن و بکارگیری آن در ساختمان: 

پیشینه تولید آهن و بکار گیری آن توسط ملتهای متمدن به ۵۰۰۰ سال پیشمی رسد که از آن لوازم مورد نیاز و سلاح میساختند. آهن یک عنصر شیمیایی است و در طبیعت بصورت آهن خالص به ندرت پیدا میشود بلکه به حالت های گوناگون از جمله : اکسیدها ، سولفیتها و کربناتها یافت میشود. تاریخچه تولید آهن و بکارگیری آن در ساختمان آهن Fe حدود ۴/۲ در صد از پوسته کره زمین را تشکیل میدهد . و پس از آلمینیوم فراوان ترین عنصر در طبیعت میباشد و برای داشتن ویژگی های بهتر آنرا با عناصر دیگر غیر فلزی مانند : کربن گوگرد ، فسفر ، سلیسیم و همچنین در پاره ای از موارد با فلزاتی مانند : کرم نیکل و بکار می برند .

۲. منابع مهم تولید آهن و بکارگیری آن در ساختمان عبارتند از:

ماگنتیت – (Magnetite (Fe304  – ۶۵ تا ۷۰ % آهن دارد و در سوئد و نروژ فراوان تر است .

هماتیت-  -Red Hematite (Fe203) ۴۵ تا ۶۵ % آهن دارد و در انگلستان و اوکراین فراوان تر است .

پیریت( سولفیت آهن )- ( ۲s Pyrites ( Fe ۳۰ تا ۴۰ % آهن دارد و در کشور اسپانیا فراوان تر است .

سیدریت (کربنات آهن ) – (۳Siderite (FeCo  ۳۰ تا ۴۵ %آهن دارد و در ایران و روسیه فراوان تر است .

لیمونیت( اکسید هیدراته آهن) (۲Fe2O3, H2) Limonite 20تا ۵۰ % آهن دارد و در اسپانیا و فرانسه فراوان تر است.

فراورده های آهن و بکارگیری آن در ساختمان عبارتند از:

الف- آهن خام – از ذوب سنگ آهن در کوره بلند در درجه حرارت ۱۵۳۰ بدست می آید و ۳ تا ۴ % کربن دارد.

 و با داشتن : سیلیسیم ، منگنز، گوگرد و فسفر خواص نامناسبی پیدا کرده و با داشتن گوگرد وفسفر شکننده شده و در دو نوع سفید و خاکستری تولید می شود.

ب چدن – از ذوب مجدد آهن خام در درجه ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد بدست میاید و ۳ تا ۵/۴ % کربن دارد ، ترد و شکننده است و نقطه ذوب آن مانند آهن خام می باشد .

مقاومت فشاری چدن خوب و مقاومت کششی آن کم است چدن کمتر از فولاد زنگ میزند و در ساختمانها و پلها قدیمی بعنوان اجزای فشاری بکار می رفته است.

ادامه فراورده های آهن و بکارگیری آن در ساختمان:

ت- فولاد – از ذوب آهن خام در کوره بلند در درجه ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد با از بین بردن ناخالصی های سیلیسی ،منگنز، گوگرد فسفر و تنظیم مقدار معین کربن بدست می آید اولین کوره تولید فولاد به روشهای هانری بسمر Siemens-Martin و Henry Bessemer یا کوره های الکتریکی در سال ۱۸۸۵ میلادی به ثبت رسید، امروزه در کوره های بلند به مقیاس زیادتری تولید میشود مقدار کربن ،بیشتر مقاومت فولاد آنرا زیاد تر و مقدار کربن کمتر شکل پذیری (Ductility) فولاد را افزایش می دهد .

۴- خصوصیات فیزیکی تولید آهن و بکارگیری آن در ساختمان:

اگر مشخصات معینی برای فولادهای ساختمانی در نقشه ها عنوان نشده باشد، میتوان از مشخصات عمومی فولاد استفاده نمود:

وزن مخصوص :               y= 7.87 g r/cm3

ضریب انبساط حرارتی:          a   =۱۲*۱۰^-۶

مدول الاستیسیته:                E =2.1*10^6KG/CM2

۵- خصوصیات مکانیکی :

نمودار تنش – کرنش بیشترین اطلاعات را در مورد رفتار مکانیکی فولاد ارائه میدهد. این نمودار کرنش ناشی از تنش بوجود آمده در تست کششی فولاد را نشان میدهد.

الف – محدوده الاستیک:               Elastic Range                       

بررسی نمودار تنش کرنش یک فولاد ساختمانی، نشان می دهد که تا حدتنش الاستیک فولاد ، کرنش بسیار ناچیز و متناسب با تنش است.

در این محدوده ، ضریب کشسانی یا مدول الاستیسیته ، برابر ۵/۴ = E می باشد. در این حالت تغییرات بصورت الاستیک است و پس از برداشتن بار کرنش بر گشت پذیر میشود و از بین می رود.

ب محدوده پلاستیک :                      Plastic Range

چنانچه با افزایش بارگذاری ، تنشهای موجود به حد تنش تسلیم برسد ، فولاد وارد محدوده پلاستیک میشود. در این قسمت با وجود افزایش کرنش در قطعه فولادی تنش در اندازه تنش تسلیم باقی می ماند، با افزایش ،بارگذاری همزمان با افزایش قابل ملاحظه ای در طول قطعه ، فقط مقدار کمی تنش موجود افزایش پیدا میکند این حالت تا رسیدن به حد گسیختگی ادامه دارد.

پ کرنش در نقطه شکست:           Strain at failure

کرنش در نقطه شکست در نمونه تست کششی بسیار بزرگ است ( معمولاً نمونه کششی %۲۰ افزایش طول میدهد. ) قابلیت افزایش طول به عنوان یکی از مزیتهای مهم فولاد محسوب می شود. فولاد با قابلیت افزایش طول بیشتر و شکنندگی کم ، ایمن تر از فولاد با امکان ازدیاد طول پائین تر می باشد.

ت-تنشهای مجاز:             Allowable Stresses

بطور کلی نقطه تسلیم یعنی تنشی که در آن کرنش پلاستیک آغاز میشود به عنوان یک نقطه حدی برای محدود کردن تنشهای مجاز فولاد بکار میرود در مرحله طراحی یک ضریب اطمینان نیز برای آن در نظر گرفته میشود. این مسئله بیشتر در طراحی

الاستیک مورد استفاده قرار می گیرد.

ث- طراحی پلاستیک :             Plastic Design

پس از اینکه فولاد به تنشهای الاستیک رسید هنوز از تمامی ظرفیت آن استفاده نشده است. از این ذخیره موجود در طراحی پلاستیک استفاده میشود که یک روش طراحی در کنار روش طراحی الاستیک است. روش طراحی در این حالت، در نظر گرفتن مناطقی به عنوان مفصل پلاستیک است مفصلهای پلاستیک نقاطی از سازه هستند که تنشهای آن در بارگذاری به حد تسلیم رسیده باشند.

فولادهای ویژه :

الف – فولادهای مقاوم در برابر هوازدگی:

با اضافه کردن مقدار کمی : کروم، مس ، نیکل یا وانادیوم فولادی بدست میآید که در اثر هوازدگی، یک لایه اکسید در روی سطح آن تشکیل میشود این لایه ، فولاد را در برابر هوازدگی بیشتر محافظت میکند این فولادها به فولادهای هوازده معروفند

زیرا در معرض هوا به قهوه ای و ارغوانی تغییر رنگ میدهند.

ادامه فولادهای ویژه :

ب- فولادهای ضد زنگ :

فولادهای ضد زنگ که در مهندسی ساختمان کاربرد زیاد دارند حداقل دارای ۱۲ کروم ، ۱ سیلیس و ۱ منگنز می باشند . در دیگر انواع فولادهای، ضد زنگ با کیفیت بالا از ترکیبات مولیبدن و نیکل استفاده می شود. فولادهای ضد زنگ مقاومت بیشتری در برابر حملات شیمیایی دارند.

ت- فولادهای با مقاومت بالا:

برای هدفهای خاص از فولادهای با مقاومت بالا یا تنش تسلیم بالا استفاده می شود. این فولاد دارای یک ساختار ریزدانه میباشد و به خاطر درصد کربن پائین ، قابلیت جوشکاری در این نوع فولاد بسیار خوب است. برای استفاده از حداکثر ظرفیت این نوع فولاد، از آن بیشتر برای ساخت اعضای کششی استفاده می شود . در اعضای فشاری لاغر نیز میتوان از این نوع فولاد استفاده کرد.

ادامه فولادهای با مقاومت بالا :

در همه مواردی که پایداری اجزا معیار طراحی است تنشهای مجاز حاکم است نه تنش تسلیم . با توجه به اینکه مدول الاستیسیته در این فولادها بیشتر از فولادهای معمولی نیست استفاده از آنها در کارهای عمومی سوله های ساختمانی مقرون به صرفه نیست. یک راه حل مناسب و اقتصادی استفاده از انواع مختلف فولاد در قسمتهای مختلف یک ساختمان با توجه به شرایط موجود در طراحی است. مثلاً در یک ساختمان بلند چند طبقه ، میتوان در طبقات پائینی فولادهای با مقاومت بالا و در طبقات بالایی فولاد معمولی مورد استفاده قرار داد.

۷- اثر دما در مشخصات مکانیکی فولاد :

در دمای معمولی فولاد رفتاری مناسب دارد، اما با افزایش دما و یا آتش سوزی ، زمانی که دما به ۹۰ درجه سانتی گراد برسد نمودار تنش کرنش از حالت خطی خارج شده و به نقطه تسلیم رسیده و مدول الاسیسیته ، تنش تسلیم و مقاومت کششی فولاد کاهش می یابد ، این کاهش در محدوده ۴۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی گراد شدید تر می باشد . برای تعین مقاومت فولاد در برابر آتش سوزی تعداد ساعتی که طول می کشد تا فولاد به محدوده ۴۵۰ تا ۶۵۰ برسد را اندازه گیری می کنند .

۸-  تردشکنی فولاد:         Brittle fracture

فولاد دردما و شرایط معمولی شکل پذیر می باشد اما در شرایط گوناگون ترد شکن میشود. ترد شکنی فولاد برای سازه های فولادی خرابی و فاجعه به بار می آورد .

ترد شکنی به عوامل زیر بستگی دارد :

الف – گرمای زیاد 

ب – سرعت بار گذاری

پ – تمرکز تنش

ث – ضخامت ورق

ج – تغییر مقطع ورق

ت-ترکهای مویی

چ – هندسه اتصال

ح – روش اجرا

– انواع فولاد ساختمانی :

الف – فولاد نرمه            Mild Steel       که حدود ۹ تا ۲۵ درصد کربن دارد.

ب – فولاد متوسط          Carbon Steel       که حدود ۲۵ تا ۵۵ درصد کربن دارد.

پ – فولاد سخت        High Carbon Steel      که حدود ۶ تا ۱/۲ درصد کربن دارد.

ت – همبسته فولادی       Alloy Steel           که ۲ درصد کربن و ۱/۲ درصد منگنز دارد.

۱۰ – نورد فولاد :      Steel Rolling

پروفیلهای فولادی به دو روش گرم و سرد نورد میشوند:

 الف – روش گرم: شمش سرخ را از داخل غلتکهای یونیورسال عبور داده و شکل میدهند.

ب – روش سرد: با عملیات پرس میلگردهای آجدار و پروفیلهای دیگر مثل پنجره را شکل میدهند.

منبع: جزوه آقای محمدرضا صالحی