تاریخچۀ مختصری در مورد آلیاژ فولاد

عصر ابتدایی فلز و عصر کوتاه مدت مس خیلی زود بوسیلۀ برنز جایگزین شد.این عصر(عصر برنز) در حدو 2000 سال به درازا انجامید و عصر آهن که پس از برنز است به طور ناگهانی و یکباره پس از آن شروع نشد بلکه،این دو فلز در حدود 1000 سال،یعنی،تقریباً از اواسط دورۀ برنز با هم استفاده می شدند.آلیاژ برنز به طور عمده از مس،حدود 5%-10% قلع و گاهی،مقداری ارسنیک تشکیل یافته است.مقدار کمی ارسنیک آلیاژ را سخت تر میکند و قابلیت چکش خواری آن را به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.البته کسی به این واقعیت،به این شکل پی نبرده بود بلکه،انسان ها معتقد بودند،سنگ معدن مس و قلع با هم؛همراه با مقداری تردستی و جادو(!)،برنز اعلا را به وجود می آورد.

البته طبیعی است،پس از کشف مهم راه گداختن سنگ مهدن مس،سایر فلزات نیز کمی پس از آن کشف شدند.فلز مس از گونه ای سنگ به دست می آید،بنابراین،طبیعی بود که انسان به دنبال یافتن آن سراغ سنگ های دیگر هم برود؛که باعث کسب تجربیات فراوانی در مورد گداختن فلزات شد.اما،برخلاف تصور معمول،این تجربیات هیچ کمکی به تولید آهن نکرد.تولید آهن مثل معماست که به 1000 سال پس از کشف برنز باز می گردد.

در واقع پیشینیان،آهن را می شناختند.توت،یکی از پادشاهان باستان،یک خنجر آهنی داشت.در سومریا،آهن به نام "سنگ آسمانی" و در مصر باستان به نام "مس سیاه آسمانی" شناخته می شد.در واقع مشکل اصلی ندانستن طریقۀ به دست آوردن این فلز است چون این فلز به مقدار بسیار محدودی، توسط شهاب سنگ هایی،از آسمان به زمین می آمد.دلیل لقب "آسمانی" این فلز در تمدن های باستان نیز همین مهم است.لازم به ذکر است که در همین دوران اهالی اسکیمو نیز آهن مورد نیاز خود را از شهابسنگی 30 تنی به دست

می آوردند که هم اکنون در موزۀ تاریخ طبیعی نیویورک موجود است.

بطور خلاصه،ماجرای کشف آهن به حدوداّ 2000 سال پس از کشف برنز باز

می گردد.متأسفانه دربارۀ داستان کشف آهن اطلاعات چندانی در دسترس نیست.

همانطور که می دانیم،فولاد،آلیاژی از آهن است که به طور عمده، از اضافه شدن کربن به آهن خالص به دست می آید.چون پیشینیان قادر به گداختن آهن نبودند،بنابراین،تنها راه اضافه شدن کربن به شبکۀ بلوری آهن،پخش آن در سطح آهن بود.در واقع، راه مورد استفاده،"کباب کردن" آهن،در مدت و دمایی معین روی آتش ذغال چوب بود.البته آنها این اعمال را به گونه ای،مذهبی تلقی می کردند و این شیوه را سینه به سینه و نسل به نسل به هم منتقل می کردند.آنان هیچ گونه تلقی علمی از آنچه که انجام می دادند ، نداشتند و بر عکس فکر می کردند در حال بالا بردن خلوص آهن هستند!

بدین گونه اولین پله های تولید آلیاژ فولاد طی شد.این روند طی شد و پیشرفت کرد تا به دورۀ معاصر رسید.

تاریخ معماری سدۀ نوزدهم بیش از دیگر دوره ها با ابداعات تکنیکی،در زمینۀ ساخت و مصالح ساختمانی،که با این نوآوری ها امکان پذیر شد،تشخص می یابد.در آغاز سال 1709 ،فرایند کک،ساخت آهن ریختگی شکننده را امکان پذیر کرد و از حدود 1850 سخت کاری مقطعی آهن از فولاد نورد خورده فراهم شد.معماران آهن را مادۀ بسیار مناسبی جهت پوشش و ساخت دهانه های عریض و طویل یافتند که به نسبت مصالح پیشین سهل تر و کم هزینه تر بود.

فولاد های ساختمانی:

تا سال 1960 میلادی،تنها فولاد ساخته شده برای استفاده در سازه های فولادی از نوع فولاد نرمه بود و طراحان بدون ذکر نوع فولاد،تنها از لفظ فولاد مورد نیاز برای سازه های مورد نظر خود استفاده می کردند و آئین نامۀ «SCAI»(انجمن سازه های فولادی امریکا) اختصاص می داد.
تنها مقدار تنش مجاز و مشخصات لازم فولاد را منحصراً به فولاد

و فولاد
سایر فولاد ها نظیر فولاد های خود حفاظ (مقاوم در برابر خورندگی)،مانند

،عملاً در ساختمان ها کاربردی نداشتند
-های مخصوص سازه های جوشی نظیر

و فقط گاهگاهی در ساختمان پل ها از این نوع فولادها استفاده می شد.

امروزه مشخصاً انواع مختلف فولادهای اعلای ساختمانی این امکان را برای طراحان بوجود آورده که در مقاطع با تنش های بالای سازه ها،به جای بالا بردن سطح مقطع قطعه، از فولاد مقاوم تری،با سطح مقطع کمتر و از نوع دیگر (مقاوم تر) استفاده کنند.

به منظور درک خواص مقاومتی فولاد در مقوله های مربوط به طراحی،آئین نامه های مختلف،خصوصاً،AISC،تنش تسلیم فولاد در کشش را بعنوان مشخصۀ اصلی فولاد، جهت تعیین تنش مجاز آن تحت اثر انواع بارگذاری ها،بر می گزینند.

لفظ" تنش تسلیم" به تنشی اطلاق می گردد که در اغلب فولاد های متعارف ساختمان (فولاد نرمه)،مرز معینی است بین عملکرد ارتجاعی و خمیری فولاد (مرز بین الاستیسیته و پلاستیسیته).

انواع مختلف فولاد به 3 دستۀ زیر تقسیم می گردد:

1- فولاد کربنی 2-فولاد مقاوم 3-فولاد آلیاژی.

فولاد کربنی(steel carbon): به فولادی اطلاق می شود که حداکثر عناصر تشکیل دهندۀ آن محدود به این مقادیر باشد:کربن1.7% - منگنز1.65% -سیلیس0.6%. و

مس 0.6%

کربن و منگنز عمده ترین عناصری هستند که سبب بالا رفتن مقاومت آهن می گردند.

فولاد کربنی ،خود، به چهار دستۀ زیر تقسیم می شود:

فولاد کم کربن: با درصد کربنی کمتر از 0.15%

فولاد با درصد کربن نسبتاً متوسط:درصد کربن بین 0.15% تا 0.29%

فولاد با درصد کربن متوسط(فولاد اعلا):با درصد کربنی بین 0.3% تا 0.59%

فولاد با کربن بالا:درصد کربن بین 0.6% تا 1.7%

فولاد های ساختمانی عموماً در دستۀ فولادهای با کربن نسبتاً متوسط قرار دارند.

با بالا رفتن درصد کربن فولاد،تنش تسلیم (جاری شدن) فولاد بالا رفته و شکل پذیری آن تقلیل می یابد.

اتصالات:

کلیۀ سازه های ساختمانی در حالت کلی از قطعات جدا از هم بوده و در انتها به هم، به نحوی متصل می گردند.اتصال دو قطعه فولاد یا به وسیلۀ جوش است یا پیچ یا پرچ.

جوش:

اتصال قطعات فلزی به کمک حرارت به نحوی که حرارت وارده آنها را به شکل خمیری و یا مذاب در آورد،فرایند جوشکاری نامیده می شود.

بر طبق نوشتۀ مورخین مصریان در حدود 5500 سال قبل از میلاد مسیح،به منظور ساخت لوله های مسی،ورق های مس را به شکل لوله در آورده و با چکش کاری دو لب روی هم آمدۀ ورق ها،لوله تهیه می کردند.در ظروف قدیمی مصری که مربوط به سال های 3000 ق.م. است،سیم های طلایی را به کمک حرارت چکش کاری،در زمینۀ مسی نشانده اند.این نوع جوشکاری اولین اقدام بشر در متصل نمودن فلزات به یکدیگر است.یک چنین جوشکاری چکشی،آنچنان رونق و اهمیتی پیدا کرد که رومیان قدیم نام یکی از خدایان خود را «ولکان» (خدای آتش و فلزکاری) گذاشتند.امروزه جوشکاری چکشی هنری فراموش شده است و آخرین کسانی که آن را به کار می بردند،آهنگران روستاها و شهرهای کوچک بوده اند.

تا سال 1877 م. عملاًپیشرفت قابل ذکری در امر جوشکاری رخ نداده بود و تا آن تاریخ )brazing
به مدت حدوداً 3000 سال از روش جوشکاری چکشی و لحیم برنجی (

استفاده می شده است.

اقدام به یک سلسله (Elihu Thompon
در سال 1877 م. پروفسور الیو تامپون(

آزمایش با معکوس نمودن قطبین کویل های مبدّل نمود و بدین ترتیب اساس جوش مقاومتی را پی ریزی کرد.نهایتاً در سال 1885 م. اولین دستگاه جوش مقاومتی

«لب به لب» خود را ساخت و آن را در سال 1887 م. به معرض نمایش نهاد.

در سال 1889 م. «کافین» اسبابی جهت جوش شعله ای لب به لب ساخت و بدین ترتیب پایه و اساس یکی از مهم ترین فرایند های جوشکاری را پی ریزی کرد.

در سال 1885 م. «زرنر» نیز فرایند جوشکاری قوسی با دو الکترود کربنی را ارائه داد و در سال 1887 م. «اسلاوینوف» روسی برای اولین بار جوشکاری با الکترود لخت و قوس الکتریک را آزمود.در سال 1889 م. «اسنرومیر» از الکترود های پوشش دار به منظور رفع معایب الکترودهای بدون پوشش استفاده نمود.

در سال 1887 توماس فلچر مخلوط هیدروژن و اکسیژن را در سر لوله ای آتش زده و نشان داد که می توان با موفقیت کامل توسط یک چنین شعله ای به برش و یا ذوب فلزات پرداخت و به دنبال آن در سال های 1903-1901 م. فوچ و پی کارد مشعل دستگاه برش و جوش اکسی استیلن را تهیه کردند و بدین ترتیب این زمینه از جوشکاری و برشکاری را به ظهور آوردند.

بین سالهای 1918-1903 م.،خصوصاً در دوران جنگ جهانی اول، از فن جوشکاری عمدتاً به منظور تعمیر استفاده می شد و در این زمان، جوشکاری ثابت کرد که می تواند

وسیله ای بسیار مفید جهت تعمیرات به حساب آید.

بعد از سال 1919 م. استفاده از جوشکاری در صنعت ساختمان با بکار بردن الکترودهایی با آلیاز مس و تنگستن به صورت جوش نقطه ای شروع گردید.در سال های 1950-1930 م. پیشرفت های مهمی در فن جوشکاری به وقوع پیوست.جوش با قوس

غوطه ور به شکل تجاری آن اولین بار در سال 1934 م. مورد استفاده قرار گرفت.در این روش از جوشکاری،از نوعی پودر محافظ جهت فرایند جوشکاری استفاده می شود.

امروزه روش های زیادی برای فرایند جوشکاری وجود دارد که به کمک آن ها می توان فلزات خالص و آلیاژی را به هم متصل نمود.روش های جوشکاری مناسبی را که از آن ها در سازه های فولادی استفاده می شود به شرح زیر می باشد:

برطبق تعریف کتاب های روش جوشکاری،جوشکاری عبارت است از فرایندی که به کمک حرارت با دمای مناسب به تلفیق و اتصال فلزات می پردازد.در این عمل ممکن است از فشار مکانیکی و یا از الکترودی فلزی نیز استفاده شود.منبع انرژی حرارتی را که در این فرایند از آن استفاده می شود طبق نوع منبع می توان به برقی،شیمیایی،نوری، مکانیکی و حالت جامد تقسیم بندی نمود.از منبع انرژی حرارتی به منظور ذوب فلز مبنا و فلز الکترود جهت ایجاد جریان فلز مذاب مورد نیاز استفاده می شود.

1-جوشکاری خود حفاظ با قوس الکتریک

2- جوشکاری با قوس غوطه ور

3- جوشکاری با حفاظ گازی

4- جوشکاری با الکترود مغزه پودری

از بین روش های فوق روش اول متداول ترین روش جوشکاری در صنعت ساختمان است.

پیچ:

روش دیگر اتصال قطعات فلزی پیچ می باشد.

1-پیچ های معمولی: این پیچ ها که از جنس فولاد با تنش نهایی بین 4000 تا 5000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع می باشند.این نوع پیچ ها از ارزانترین نوع پیچ می باشند که فقط در اتصالات اتکایی در اعضای درجه دوم،در ساختمان سازی سبک،اعضای مهاربندها،خرپاهای کوچک،لایه ها و کلیۀ که بار وارده بر آنها سبک و استاتیکی می باشد، استفاده می گردد.

2-پیچ های پر مقاومت:برای اتصالات اتکایی و اصطکاکی استفاده می شود.نوع فولاد این پیچ ها از فولادی با مقاومت نهایی بین 8000 تا 10000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع ساخته می شوند.قطر پیچ های پر مقاومت بین 12 تا 38 میلیمتر می باشد که استفاده از قطر های 20 و 22 میلیمتر،در ساختمان سازی،معمول تر است.

انواع سوراخ ها برای اجرای پیچ

-سوراخ استاندارد

-سوراخ فراخ

-سوراخ لوبیایی کوتاه

-سوراخ لوبیایی بلند

سوراخ های فراخ:فقط در اتصالات اصطکاکی مجاز می باشد.

سوراخ های لوبیایی کوتاه:در تمام حالات، در اتصالات اصطکاکی مجاز هستند.در اتصالات اتکایی باید عمود بر امتداد نیرو باشند.

سوراخ های لوبیایی بلند:در اتصالات اتکایی فقط در امتداد عمود بر مسیر نیرو مجاز هستند و در اتصالات اصطکاکی فقط می توانند در یکی از ورق های اتصال و در هر امتداد اختیاری وجود داشته باشند.

بطور کلی،پیچ ها و پرچ ها دارای دو نوع رفتارند:

1-برشی 2-کششی

گذشته از پیچیدگی در محاسبات رفتار پیچ در کاربری سازه های ساختمانی می توان موارد ذیل را نیز که کنترل آنها عملاً خارج از قدرت طراحی است، نام برد:

1-در یک خط نبودن سوراخ پیچ ها 2-یکسان سفت نبودن پیچ ها

در نتیجه خروج از مرکزیت غیر مطلوب بار وارده بر ساختمان و یا اجرای ضعیف ساختمان را می توان نام برد.

پرچ:

یکی دیگر از روش های اتصال دو قطعه فولادی به هم،پرچ کردن می باشد. این روش از قدیمی ترین روش های اتصال سازه های فلزی می باشد.یک پرچ نکوبیده از یک تنۀ استوانه ای که یک سر آن دارای کلاهک می باشد،تشکیل می شود.پرچ ها معمولاً از فولاد نرمه ساخته می شوند.روش کوبیدن پرچ بدین ترتیب است که ابتدا آن را تا دمای سرخ شدن گرم می کنند سپس آن را توسط انبر مخصوص درون سوراخ اتصال قرار داده و با ثابت نگه داشتن سر کلاهک دار آن ، سر دیگر را می کوبند تا به فرم کلاهک در آید و پرچ محکم گردد.در طی این مدت تنۀ پرچ به طورکامل سوراخی را که در آن فرو رفته پر می کنند.در حین سرد شدن،پرچ منقبض می شود که این انقباض، باعث بوجود آمدن نیروی پیش تنیدگی در پرچ می گردد.

امروزه پرچ کاری به این دلایل از رونق افتاده است:

1-پیشرفت فن جوشکاری

2-تولید پیچ های پر مقاومت

3-احتیاج به نظارت دقیق

4-تولید سروصدای زیاد در هنگام کوبیدن و خطر آتش سوزی در کارگاه

"فولاد" به عنوان "اسکلت ساختمان":

از اواخر قرن 18 میلادی به تدریج تولیدات صنعتی جدید وارد امور ساختمانی گردید که در بدو آن برای احداث پلها ، کارخانجات ، تاسیسات بندری ، بناهای عمومی و سپس در بناهای مسکونی مورد استفاده قرار گرفت .

1- پل رودخانه سورن - ابراهام داربی - 1779 انگلستان که این اثر، اولین اثر "معماری" آهنی شمرده می شود.

2- قصر بلورین ( Crystal palace ) - جوزف پاکستون 1851 - انگلیس - لندن
اسکلت فلزی بعنوان سازه ساختمان برای اولین بار در یک کارخانه ریسندگی در " ئرازبری" انگلستان در سالهای 97-1796 مورد استفاده قرار گرفت . اما شاید اولین اثر معماری که از آن بعنوان سرآغاز معماری مدرن یاد می شود ساختمان قصر بلورین ( Crystal palace ) در اولین نمایشگاه بین المللی در هاید پارک شهر لندن به سال 1851 میلادی بود . طراح آن جوزف پاکستن ( Joseph Paxton ) این بنا را با مصالح کاملا مدرن یعنی آهن و شیشه که اجزاء آن بصورت قطعات پیش ساخته بوسیله پیچ و مهره اجرا نمود . این بنا با مساحتی قریب به 71500 متر مربع بزرگترین ساختمان ساخته شده تا آن زمان بود که بعد از نمایشگاه جمع آوری گردید و مجددا در " سید نهم هیل " مجددا برپا گردید و در سال 1936 بر اثر آتش سوزی از بین رفت ولی دوباره تجدید بنا شد.

3- ( برج ایفل (Eiffel Tower) - گوستاو ایفل 1889-1888 - فرانسه - پاریس )
نمایشگاه دیگری در شهر پاریس در سال 1889 بر پا گردید که در بنای مهم در آن جلب توجه می نمود یکی از آنها برج مشهور ایفل (Eiffel Tower) با ارتفاع 330 متر توسط گوستاو ایفل طراحی گردید . البته در ابتدا مخالفان زیادی در برابر ساخت آن موضع گیری نمودند ولی سرانجام آن را به عنوان نماد سمبل معماری مدرن و نماد شهر پاریس پذیرفته شد .

4- ( تالار ماشین The machine hall - دوترت و کنتمین - 1889 - فرانسه - پاریس )
بنای مهم دیگرتالار ماشین ( The machin hall ) با 115 متر دهانه با تلفیق شیشه و فولاد توسط معماری بنام " فردیناند دوترت " و مهندس سازه اش بنام " کنتمین " جهت نمایش آخرین و جدیدترین ماشین آلات و تولیدات صنعتی ساخته شد .

5-معماری مدرن و مصالح جدید در مکتب شیکاگو،اوائل مدرنیست، لوییس سالیوان

شیکاگو در سال 1830 م . به صورت یک شهر بوجود آمد . مبانی تئوریک معماری مدرن در شهر شیکاگو آمریکا بوجود آمد . در اواخر قرن 19 . م مرکز خط راه آهن و ارتباط بین شرق و غرب آمریکا بود . در سال 1885 م . فعالیت شدید اقتصادی و به تبع آن اجرا ساختمانهای تجاری و اداری شروع شد . بعد از آتش سوزی شهر در سال 1871 م . شهر به سرعت بازسازی شد قیمت زمین افزایش یافت و همین موضوع باعث رونق شهر ، بالا رفتن جمعیت و رشد اقتصادی سریع شد و همین عوامل باعث شد قیمت زمین افزایش یابد و بیشترین استفاده از زمین هر ساختمان به امری ضروری تبدیل شد که نسبتا این مسئله بیشتر در ناحیه کوچک مرکزی یا ناحیه تجاری شهر بود . روی هم انباشته شدن مغازه ها در هر ساختمان ( 12 یا 16 طبقه ،با دسترسی به وسیله آسانسور ) باعث توسعه شد .
اولین نشانه های معماری مدرن در این شهر رشد پیدا کرد و هیچکدام از معماران معروف مکتب شیکاگو اهل شیکاگو نبودند . این معماران را به سه دوره می توان تقسیم کرد :

1- معمارانی که تحت تاثیر شیوه بارون جنی W.Le Baron jenny بودند .او را معمار ابداع شیوه مهندسی می نامند .

2- فرانک لوید رایت که از مهمترین طراحان خانه بود.

3- سولیوان ، روچ ، روت ، برن هام و هولابرد .
بعد از آتش سوزی اولین نمونه های ساختمانهای مدرن به دور از هر گونه تاریخ گرایی و تزئینات در این شهر ساخته شد ، که از خصوصیات آنها می توان ساختمانهای بلند مرتبه با اسکلت فلزی ، دیوار غیر باربر و پنجره های وسیع ( پنجره شیکاگو، Bow Window ) احداث گردید .
استفاده کردن از اسکلت فلزی و بتن ، گران بودن زمین باعث رونق آپارتمان سازی شد . ساخت آسانسور و تهویه مطبوع ، ساخت آسانسور توسط الیشاگریوز اوتیس و با استفاده از فن آوری فنر مارپیچ ابداع و برای نخستین بار در سال 1857 عرضه شد.تهویه از نوع سیستم آب و هوای مصنوعی در سال 1906 توسط استوارت کرامر اختراع شد .
رونق آپارتمان سازی باعث بوجود آمدن پنجره های شیکاگو و در نتیجه استفاده از نور خورشید شد .
(یکی از مهمترین کارهای مکتب شیکاگو ساختمان مونادناک Monadnak Bulding کار برن هام Brnham است . از عناصر اصلی ساختمان : عدم هر نوع تزئین ، در 16 طبقه با نمای آجری ، دیوارهای داخلی و خارجی باربر و استفاده کردن در زیر زمین از بتن مسلح ، اتصال سطوح به صورت منحنی است .)
کارهای ویلیام بارون جنی W.Le Baron jenny نقطه عطفی در مکتب شیکاگو است . او مهندس معماری است که در فرانسه در مکتب بوزار درس خوانده است

ساختمان بیمه Home Store او در سال 85-1884 اولین سازه با دیوار غیر باربر بود . ساختمان پر ابهتی که نخستین آسمان خراش واقعی بود و در سال 1930 ویران شد .

ساختمان Fire Store به سال 91-1890 با همین نوع برخورد سازه ای ساخته شد . اسکلت فلزی سازه جنی در ساختمان یک سازه غیر قابل انحنا بود . اجزا آن از تیرهای I شکل به صورت تیپ و مشابه ساخته شد که هیچ تفاوتی بین گوشه ها و مرکز یا بالا و پایین اسکلت نداشت و این یک تحول بی سابقه در ساده طراحی کردن سازه در ساختمان بود و همین تیپ سازه باعث سادگی نمای ساختمان شد که این نوع برخورد با طراحی سنتی نمای ساختمان کاملا مخالف بود . او بیشتر عملکرد گرا بود و سعی می کرد بیشترین نور را در ساختمانهای اداری طراحی کند . معماران مکتب شیکاگو از جمله سولیوان ، برهام ، روت و هولابرد در دفتر او کار می کردند و از بین این معماران فقط هولابرد و روت از اصول او در کارهایش اقتباس کردند .