تاریچخه آهن
آهن یکی از عناصر شیمیایی است که با عدد اتمی ۲۶ در جدول تناوبی شناخته می‌شود و با علامت Fe مشخص می‌گردد. این فلز از دیرباز در صنایع مختلف به‌ویژه در ساختمان‌سازی نقش اساسی داشته است. تاریخ استفاده از آهن به حدود ۱۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح باز می‌گردد و در ابتدا از شهاب‌سنگ‌ها استخراج می‌شده است. این فلز با ویژگی‌های منحصر به فرد خود به‌ویژه در صنعت ساختمان‌سازی تحول عظیمی به‌وجود آورده است. در این مقاله به بررسی کاربرد آهن در ساختمان‌سازی، مزایا و انواع آن، و تاثیر آن بر فرآیند ساخت و ساز پرداخته خواهد شد.
آهن و تحولی بزرگ در ساختمان‌سازی
آهن در دوران باستان از شهاب‌سنگ‌ها استخراج می‌شد و بعد از کشف آن در کوره‌ها، استفاده از این فلز برای ساخت ابزار و سازه‌ها آغاز شد. به مرور زمان، ویژگی‌های این فلز و اهمیت آن در صنعت ساختمان‌سازی آشکار گردید. با استفاده از آهن در ساخت سازه‌های مختلف، از چوب و سنگ که مواد اولیه قبلی بودند، به فلزات مقاوم و بادوام تبدیل شد. این تغییرات باعث ایجاد بناهای مقاوم‌تری شد که تا قرن‌ها بعد نیز در ساخت‌وساز مورد استفاده قرار گرفت.
در قرن‌های اخیر، توسعه فناوری‌ها باعث شد که فرآورده‌های آهنی به انواع مختلف تبدیل شوند که هرکدام در کاربردهای مختلف صنعت ساختمان به کار می‌روند. این تحول باعث شد که آهن به یکی از اصلی‌ترین مصالح در ساختمان‌سازی مدرن تبدیل شود.
فرآیند تبدیل آهن به فولاد و چدن
آهن به‌تنهایی کاربرد زیادی در صنعت ساختمان‌سازی ندارد، زیرا این فلز ویژگی‌های مکانیکی لازم برای تحمل بارهای سنگین و استحکام کافی را ندارد. یکی از دلایل این مسئله، شکنندگی بالای آهن و ویژگی چکش‌خواری آن است. اما با افزودن مواد دیگری به آهن، به‌ویژه کربن، می‌توان آلیاژهایی تولید کرد که خواص مکانیکی بهتری دارند و برای استفاده در ساختمان‌ها و سایر صنایع مناسب‌تر هستند. این آلیاژها شامل فولاد و چدن می‌شوند که در ادامه به توضیح دقیق‌تری درباره‌ی آن‌ها پرداخته می‌شود.
فولاد
فولاد یکی از آلیاژهای بسیار مهم است که با افزودن کربن به آهن تولید می‌شود. در این فرآیند، کربن به میزان کمی (کمتر از ۲.۶ درصد) به آهن خام اضافه می‌شود تا فولاد تولید گردد. این آلیاژ دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است که آن را برای استفاده در صنعت ساختمان و سایر صنایع سنگین ایده‌آل می‌سازد. مهم‌ترین ویژگی‌های فولاد عبارتند از:
- مقاومت بالا: فولاد به دلیل ترکیب کربن با آهن، مقاومت بالایی در برابر فشار و کشش از خود نشان می‌دهد که آن را برای ساخت سازه‌های بلند و پیچیده مناسب می‌سازد.
- استحکام کششی: فولاد توانایی تحمل کشش و تنش‌های طولانی مدت را دارد که برای ساخت سازه‌های فلزی نیاز است.
- دوام و طول عمر بالا: فولاد نسبت به بسیاری از مواد دیگر مقاوم‌تر است و در برابر شرایط مختلف جوی و تنش‌های محیطی به خوبی عمل می‌کند.
فولاد در ساخت سازه‌های سنگین مانند پل‌ها، اسکلت‌های فلزی، دستگاه‌ها و مقاطع فولادی استفاده می‌شود. انواع مختلف فولاد مانند فولادهای ضدزنگ و فولادهای کربنی در پروژه‌های مختلف به کار می‌روند.
چدن
چدن یکی دیگر از آلیاژهای آهن است که به‌طور معمول با میزان بالاتری از کربن نسبت به فولاد تولید می‌شود (مقدار کربن چدن بین ۲.۰۶ تا ۴.۵ درصد است). چدن ویژگی‌های خاصی دارد که آن را برای برخی کاربردهای ویژه در ساختمان‌سازی مناسب می‌سازد. از جمله ویژگی‌های چدن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- قابلیت ریخته‌گری آسان: چدن در دماهای پایین‌تر از فولاد ذوب می‌شود و به همین دلیل به راحتی در قالب‌های مختلف ریخته‌گری می‌شود.
- مقاومت در برابر سایش: چدن مقاومت خوبی در برابر سایش و فرسایش دارد و در بسیاری از مواردی که نیاز به این ویژگی باشد، به کار می‌رود.
- هزینه تولید پایین‌تر نسبت به فولاد: چدن به‌طور معمول از فولاد ارزان‌تر است و این ویژگی باعث شده که در ساخت سازه‌های سنگین و اتصالات مورد استفاده قرار گیرد.
چدن معمولاً در ساخت لوله‌ها، اتصالات، مخازن و برخی از سازه‌های سنگین به کار می‌رود. یکی از مهم‌ترین انواع چدن، چدن خاکستری است که در لوله‌کشی و سیستم‌های آبیاری کاربرد دار
مزایا و کاربردهای آهن
آهن به دلیل ویژگی‌هایی مانند استحکام، دوام و قابلیت شکل‌دهی به یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی تبدیل شده است. برخی از مزایای استفاده از آن در ساختمان‌سازی عبارتند از:
- مقاومت بالا در برابر فشار و کشش: آهن و آلیاژهای آن مانند فولاد قادرند بارهای سنگین را تحمل کنند. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که آهن به انتخابی مناسب برای ساخت سازه‌های بلند و پیچیده تبدیل شود.
- دوام و طول عمر بالا: آهن مقاومت خوبی در برابر شرایط جوی مختلف دارد و عمر مفید آن در ساختمان‌سازی بسیار طولانی است.
- قابلیت بازیافت: آهن و فولاد قابلیت بازیافت بالا دارند و به همین دلیل انتخاب مناسبی برای استفاده در پروژه‌های پایدار هستند.
- سرعت ساخت و نصب بالا: استفاده از قطعات پیش‌ساخته فلزی مانند تیرآهن، میلگرد و نبشی باعث سرعت بالاتر در فرآیند ساخت‌وساز می‌شود.
فلزات پرکاربرد در ساختمان‌سازی
در صنعت ساختمان‌سازی، آهن و آلیاژهای مختلف آن به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود. برخی از فرآورده‌های پرکاربرد در ساختمان‌سازی به صورت زیر است.
میلگرد
میلگرد یکی از پرمصرف‌ترین و حیاتی‌ترین فرآورده‌های فولادی در صنعت ساختمان‌سازی است که به ویژه در ساخت ساختمان‌های بتن‌آرمه کاربرد دارد. بتن به خودی خود مقاوم در برابر فشار است، اما در برابر کشش و نیروهای کششی ضعیف است. به همین دلیل از میلگردها به عنوان تقویت‌کننده در بتن استفاده می‌شود. این میله‌های فولادی به طور عمده در پروژه‌های بتن‌آرمه به کار می‌روند و به دلیل ویژگی‌های خاص خود می‌توانند به طور مؤثر استحکام بتن را افزایش دهند. مشخصات کلی میلگرد را می‌توانیم در مبحث ۹ مقررات ملی مطالعه کنیم.
انواع میلگرد
میلگردها به طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند:
۱. میلگرد آجدار
این نوع میلگرد به دلیل داشتن سطح آجدار، چسبندگی بیشتری با بتن پیدا می‌کند. آج‌های موجود در سطح میلگرد باعث می‌شوند که اتصال به بتن محکم‌تر شده و در نتیجه مقاومت کششی بتن افزایش یابد. این نوع میلگرد بیشترین کاربرد را در ساخت ساختمان‌های بتن‌آرمه دارد.
۲. میلگرد صاف
میلگردهای صاف به دلیل نداشتن آج، بیشتر برای سازه‌هایی با نیاز به انعطاف‌پذیری بالا و کاربردهای خاص استفاده می‌شوند. این میلگردها معمولاً برای ساخت سازه‌های که در آن‌ها انحنا و خمیدگی‌های زیاد مورد نیاز است، به کار می‌روند. همچنین در برخی موارد برای ایجاد اتصالات خاص نیز از میلگرد صاف استفاده می‌شود.
۳. میلگرد آجدار پیچیده
این نوع میلگرد برای کاربردهایی طراحی شده است که نیاز به مقاومت کششی بالا دارند. میلگردهای آجدار پیچیده به گونه‌ای ساخته می‌شوند که در برابر نیروهای کششی و فشاری زیاد مقاومت بیشتری از خود نشان دهند. از این میلگردها معمولاً در پروژه‌های بزرگ و ساخت سازه‌هایی که تحت بارگذاری‌های سنگین قرار دارند، استفاده می‌شود.
نقش میلگرد در ترکیب با بتن
یکی از سوالات مهم در استفاده از میلگردها در ساخت و ساز این است که چگونه همجواری بتن و میلگرد می‌تواند نقش کلیدی در استحکام و مقاومت سازه ایفا کند. پاسخ به این سوال به ترکیب خواص بتن و میلگرد برمی‌گردد:
- بتن به دلیل داشتن مقاومت فشاری بالا به خوبی می‌تواند بارهای فشاری را تحمل کند، اما در برابر کشش ضعیف است.
- میلگرد به دلیل استحکام کششی بالا می‌تواند کشش‌های وارد شده به سازه را جذب کند و بتن را تقویت نماید. به این ترتیب، ترکیب بتن و میلگرد باعث می‌شود که سازه هم در برابر فشار و هم در برابر کشش مقاوم شود.
در نهایت، میلگرد در ساختمان‌سازی است که با تقویت بتن، استحکام و مقاومت سازه‌ها را در برابر نیروهای مختلف افزایش می‌دهد. انواع میلگرد، بسته به نیاز پروژه‌ها انتخاب می‌شوند و نقش مهمی در ایمنی و عملکرد سازه دارند. باوجود فناوری‌های جدید، بتن‌آرمه با میلگرد همچنان یکی از پایدارترین و به‌صرفه‌ترین سیستم‌های ساخت سازه‌ها باقی می‌ماند.
تیرآهن
آهن یکی از مصالح اساسی در صنعت ساختمان‌سازی است که در شکل‌های مختلفی به کار می‌رود. یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین محصولات آهنی در این صنعت، تیرآهن است که به صورت پیش‌ساخته تولید و در پروژه‌های مختلف استفاده می‌شود. تیرآهن‌ها به دلیل ویژگی‌های خاص خود، در ساختمان‌سازی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند.
ویژگی‌ها و ساختار تیرآهن
تیرآهن‌ها معمولاً از مقاطع فولادی با دو بخش اصلی به نام‌های جان و بال تشکیل شده‌اند. این ساختار به آن‌ها کمک می‌کند تا در برابر فشارهای کششی و فشاری مقاوم باشند. تیرآهن‌ها در دو نوع رایج تولید می‌شوند: IPE و HEA, که هر کدام کاربرد خاص خود را دارند. تیرآهن‌ها به دلیل توانایی تحمل بارهای سنگین، در ساخت اسکلت فلزی ساختمان‌ها، پل‌ها و سازه‌های بلندمرتبه مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مزایای استفاده از تیرآهن
- مقاومت بالا: تیرآهن‌ها به دلیل استحکام بالای فولاد، توانایی تحمل بارهای سنگین را دارند.
- سرعت نصب: این مقاطع به صورت پیش‌ساخته تولید می‌شوند و نصب آن‌ها در پروژه‌ها سریع و ساده است.
- مقاومت در برابر نیروهای خمشی: تیرآهن‌ها می‌توانند نیروهای کششی و فشاری را به خوبی مدیریت کنند.
معایب تیرآهن
- خورندگی: تیرآهن‌ها به مرور زمان در معرض خوردگی قرار می‌گیرند که این مسئله می‌تواند هزینه‌های نگهداری را افزایش دهد.
- هزینه نگهداری: برای حفظ تیرآهن‌ها از آسیب‌های محیطی، نیاز به اقدامات محافظتی مانند پوشش‌های ضد زنگ داریم.
کاربردهای تیرآهن در ساختمان‌سازی
تیرآهن‌ها به طور گسترده‌ای در سازه‌های بلندمرتبه، پل‌ها، اسکلت‌های فلزی و سازه‌های صنعتی به کار می‌روند. این مقاطع فولادی به دلیل قدرت و استحکام بالای خود، امکان ساخت بناهای با ابعاد بزرگ و ارتفاعات زیاد را فراهم می‌کنند. همچنین، تیرآهن‌ها برای پروژه‌هایی که نیاز به اسپان‌های بلند دارند، انتخاب مناسبی هستند.
نبشی LSF
نبشی یکی از پرکاربردترین مقاطع فولادی در صنعت ساختمان‌سازی است که به دلیل ویژگی‌های خاص خود در انواع مختلف سازه‌ها استفاده می‌شود. این قطعه فلزی که به صورت یک پروفیل با دو ضلع عمود بر هم ساخته می‌شود، عمدتاً برای اتصال دو بخش فلزی به یکدیگر به کار می‌رود.
انواع نبشی
- نبشی پرسی: این نوع نبشی از یک ورق فولادی با طول ۶ متر ساخته می‌شود که از وسط خم شده و شکل می‌گیرد. این نوع بیشتر در پروژه‌های با نیاز به قطعات ساده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- نبشی فابریک: در این نوع نبشی، از ابتدا به صورت نبشی تولید می‌شود و در فرایند تولید به شکل نهایی خود می‌رسد.
انواع نبشی از لحاظ شکل ظاهری
نبشی‌ها از لحاظ ظاهری به دو نوع زیر تقسیم می‌شوند.
- نبشی بال مساوی: هر دو بال این نبشی برابر هستند و معمولاً برای اتصالات عمومی به کار می‌روند. برای مثال، L200 به معنی نبشی با بال مساوی ۲۰۰ میلی‌متری است.
- نبشی بال نامساوی: در این نوع، یک بال بزرگ‌تر از دیگری است و معمولاً در موارد خاص و خاص به کار می‌رود.
کاربردهای نبشی
نبشی در انواع مختلف سازه‌ها، از جمله ساختمان‌ها، پل‌ها و سازه‌های صنعتی، کاربرد دارد. برخی از مهم‌ترین کاربردهای نبشی عبارتند از:
- اتصال اعضای سازه‌ای: به عنوان مثال، برای اتصال تیرآهن‌ها به ستون‌ها یا سایر مقاطع فولادی.
- ساخت خرپا و دکل‌ها: در ساخت خرپاها و دکل‌های انتقال نیرو، نبشی به عنوان عضو اصلی در ساختار استفاده می‌شود.
- ساخت قاب‌های فلزی: برای ایجاد قاب‌های فلزی در سازه‌ها، نبشی به عنوان اتصال‌دهنده‌ی اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- به کارگیری در سازه های بادبند
مزایای نبشی
- شکل‌پذیری بالا: نبشی‌ها به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، می‌توانند در پروژه‌های مختلف استفاده شوند.
- اتصال قوی: با توجه به شکل خاص نبشی، این مقطع می‌تواند اتصالات بسیار مقاومی را بین اجزای مختلف سازه ایجاد کند.
- قیمت مقرون به صرفه: نبشی‌ها به عنوان یک مقطع فولادی ارزان‌تر نسبت به دیگر مقاطع فولادی، گزینه‌ای مقرون به صرفه برای پروژه‌ها هستند.
معایب نبشی
- هزینه تولید بالا در روش فابریک: هزینه تولید نبشی به روش فابریک معمولاً بیشتر از روش پرسی است.
- نیاز به محافظت از خوردگی: نبشی‌ها در محیط‌های مرطوب یا حاوی مواد شیمیایی ممکن است دچار خوردگی شوند که نیاز به اقدامات حفاظتی دارند.
سایر مشتقات آهن و کاربردهای آن در ساختمان‌سازی
علاوه بر فولاد و چدن، آهن می‌تواند به آلیاژهای دیگری مانند آلومینیوم، تیتانیوم، مس، برنج و غیره تبدیل شود که هرکدام کاربردهای خاص خود را دارند. این آلیاژها نیز در صنعت ساختمان و سایر صنایع استفاده می‌شوند:
- آلومینیوم: به دلیل وزن سبک و مقاومت بالا در برابر خوردگی، در ساخت قاب پنجره‌ها، درب‌ها و نمای ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
- تیتانیوم: از تیتانیوم به دلیل مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی و خواص مکانیکی عالی در ساخت سازه‌های خاص استفاده می‌شود.
- مس: مس در لوله‌کشی و اتصالات مختلف استفاده می‌شود و در سیستم‌های گرمایشی و تهویه کاربرد دارد.
- برنج: برنج در تولید لوازم تزئینی، شیرآلات و اتصالات استفاده می‌شود و ترکیب زیبایی و مقاومت را فراهم می‌کند.
برای انتخاب بهتر و استفاده درست و به‌جا از مصالح ساختمانی نیاز به اطلاعات کامل در این زمینه داریم ماتریکس پی وی کار اطلاعات مورد نیاز و کاملی را در مورد تمام مباحث در حوزه صنعت ساختمان را ارایه خواهد کرد و با نگاه دقیق و منصفانه نسبت به مشکلات پیش رو مهندسان و دانشجویان در این راه پر‌چالش کمک کرده و با ارایه راه حل‌ها همراه شما خواهد بود.
