فولاد ساختمانی چیست؟ صفر تا صد فولاد کربنی

فولاد ساختمانی (Structural Steel) نوع خاصی از فولاد است که برای ساخت فونداسیون، تیغه‌‌بندی بناهای تجاری و مسکونی، به‌ویژه اسکلت‌‌ها، به کار می‌‌رود. این نوع فولاد یکی از اجزای اصلی دنیای ساخت‌وساز مدرن است. فولاد ساختمانی دارای مدل‌‌ها و اندازه‌‌های متنوعی هستند و به صورت ورق فلزی، میلگرد، تیرآهن، نبشی و ناودانی ساخته می‌‌شوند.

این آلیاژ قوی و قابل اعتماد، با داشتن ویژگی‌‌هایی مانند نسبت استحکام به وزن بالا، شکل‌‌پذیری مناسب و مقرون‌به‌صرفه‌بودن، در ساخت سازه‌‌های مهندسی مورد استفاده قرار می‌ گیرد. هرکدام از این فولادهای ساختمانی، مشخصات و استانداردهای خاصی دارند و از اجزای اصلی سازه‌‌ها به‌شمار می‌‌آیند. در ادامه این مقاله، قصد داریم مفصل در مورد این فولاد صحبت کنیم. با میهن فولاد همراه باشید.

فولاد ساختمانی به چه نامی معروف است؟

فولادهای ساختمانی تحت عناوین مختلفی شناخته می‌شوند که هر یک بسته به ترکیب فولاد آلیاژی و کاربردهای خاص خود، در صنعت ساختمان‌‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، فولادهای کم کربن مانند St37، St52، و فولاد Mo40 به‌دلیل ویژگی‌های خاص خود در پروژه‌های ساختمانی محبوب هستند.

فولاد CK45 نیز به‌دلیل مقاومت بالا و هزینه مقرون‌به‌صرفه، یکی از گزینه‌های پرکاربرد در این صنعت است. این فولادها به علت دارا بودن کمترین میزان آلیاژ و قیمت مناسب، در میان تمام محصولات آلیاژی به عنوان ارزان‌ترین گزینه‌ها محسوب می‌شوند.

انواع فولاد ساختمانی

فولادهای ساختمانی با توجه به ترکیب شیمیایی و عناصر موجود در آن‌ها به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند. اصلی‌ترین عنصر موجود در این فولادها آهن است، اما میزان کربن موجود در آن‌ها نیز نقش بسیار مهمی در تعیین خواص مکانیکی دارد.

از جمله انواع فولاد ساختمانی می‌توان به فولادهای کم‌کربن، میان‌کربن و پرکربن اشاره کرد. فولادهای کم‌کربن که دارای درصد کمی از کربن هستند، از انعطاف‌پذیری بالایی برخوردارند و به‌راحتی شکل‌پذیر و جوش‌پذیر هستند. فولادهای میان‌کربن، دارای مقاومت و سختی متوسطی هستند و تعادل خوبی بین قابلیت جوشکاری و مقاومت دارند. 

در مقابل، فولادهای پرکربن به‌دلیل میزان بالای کربن، از سختی و مقاومت بسیار بالایی برخوردارند، اما شکنندگی بیشتری نیز دارند. این دسته‌بندی‌ها بر اساس میزان کربن موجود در ترکیب شیمیایی فولاد، خواص مکانیکی مختلفی را ایجاد می‌کنند که هر کدام برای کاربردهای خاصی در صنعت ساختمان مناسب هستند.

فولاد کربنی

فولاد کربنی به انگلیسی (carbon steel) نوعی فولاد است که عنصر اصلی آلیاژی آن کربن است. افزایش میزان کربن در این فولاد باعث بالا رفتن خواص سختی و استحکام فولاد می‌گردد. این نوع فولاد نیازی به افزودن  عنصر آلیاژ دیگری ندارد و محتوای مس آن از ۰.۴ درصد بیشتر نمی‌شود.

این فولاد به‌دلیل سادگی ترکیب و فرآیند تولید، یکی از پرکاربردترین انواع فولاد است که معمولاً در حالت آنیل و یا نرمالیزه در صنعت به کار می‌رود. فولادهای کربنی در ساخت انواع قطعات صنعتی، ساختمان‌ها، پل‌ها و ابزارهای مختلف به کار می‌روند.

فولاد کربنی بر اساس مقدار کربن موجود در آن، به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شود که عبارتند از:

1. فولاد کم کربن (0.05 تا 0.25 درصد کربن)
2. فولاد کربن متوسط (0.3 تا 0.5 درصد کربن)
3. فولاد پر کربن (0.6 تا 1.0 درصد کربن)
4. فولاد اولترا کربن (1.0 تا 2.1 درصد کربن)

فولادهای کم آلیاژ با مقاومت بالا

این فولادها با توجه به استاندارد ASTM آمریکا ساخته می‌شوند و درصد کل عناصر آلیاژی آن‌ها کمتر از 5 درصد است، که 2 درصد آن به منگنز تعلق دارد. فولادهای کم آلیاژ در مقایسه با فولادهای کربنی دارای مقاومت بیشتری هستند.

همچنین، به این فولادها می‌توان عناصر آلیاژی مختلفی مانند مولیبدن، کروم، نیکل، تیتانیوم، نیوبیم، نیتروژن و وانادیم را اضافه کرد. قیمت فولاد کم آلیاژ با توجه به اینکه میزان عناصر آلیاژی در این گروه از فولادها کم است، ارزان تر از دیگر انواع آلیاژ است.

فولاد آلیاژی

فولاد آلیاژی شامل مقداری کربن است و ویژگی‌های آن توسط عناصر شیمیایی افزوده شده به ترکیب فولاد مشخص می‌شود. به‌طور کلی، این فولادها به دسته‌های فولاد آلیاژی کروم‌دار، فولاد آلیاژی منگنزدار، فولاد آلیاژی کروم-مولیبدن و فولاد آلیاژی نیکل- کروم-مولیبدن تقسیم می‌شوند.

از عناصری که در ترکیب این فولادها به‌کار می‌روند، می‌توان به مولیبدن، منگنز، کروم، نیکل، وانادیوم و سیلیسیوم اشاره کرد. افزودن این آلیاژها می‌تواند مقاومت فولاد را به طور قابل‌توجهی افزایش دهد.

فولاد آهنگری

فولاد آهنگری از ترکیب کربن و آهن تشکیل شده و با اعمال نیرو به شمش فولادی تولید می‌شود. این گروه از فولادها بسیار سخت، محکم و یکنواخت هستند. فولادهای آهنگری هزاران سال است که برای تولید مواد مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

انواع مقاطع فولادی ساختمانی

فولادهای ساختمانی به شکل‌های متنوعی در بازار موجودند که بر اساس نوع سازه انتخاب و خریداری می‌شوند.  از مهم‌ترین انواع محصولات فولاد ساختمانی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

مقاطع‌طولی یا پروفیل‌ها                                                                                       

1. تیرآهن
2. نبشی
3. میلگرد
4. لوله
5. پروفیل قوطی

مقاطع تخت

1. تسمه
2. ورق

گرید‌های فولاد ساختمانی

هرچند در بازار آهن‌آلات، مقاطع فولادی براساس شکل دسته‌بندی می‌شوند، اما توجه به گرید آن‌ها اهمیت زیادی دارد زیرا هر گرید برای کاربرد خاصی استفاده می‌شود. بد نیست تا در اینجا به سوال مهمی مثل کلید فولاد چیست ؟ پاسخ بدهیم؛ کلید فولاد یک مرجع جامع برای مهندسان و متخصصان مواد است که اطلاعات دقیق درباره ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و کاربردهای انواع مختلف فولاد را ارائه می‌دهد.

رایج‌ترین گریدهای فولاد ساختمانی که در بازار موجود هستند می‌توان به این فولادها در گریدهای مختلفی مانند St37، St52، St12، St13، St14  و St44 اشاره کرد. به‌عنوان مثال، ورق‌های سیاه فولادی در دو گرید St37 (سازه‌ای) و St52 (صنعتی) موجود هستند که تفاوت گریدها به تفاوت در کاربرد منجر می‌شود.

کاربردهای فولاد ساختمانی 

فولاد ساختمانی به‌دلیل استحکام بالا، تحمل بارهای سنگین و شکل‌پذیری مناسب، کاربردهای فراوانی دارد. در ساخت اسکلت ساختمان‌ها، فولاد به‌دلیل توانایی ایجاد دهانه‌های بزرگ بدون نیاز به ستون‌های میانی زیاد، انتخابی مناسب است. در پل‌ها، استحکام و دوام بالای فولاد به همراه قابلیت شکل‌پذیری آن، این متریال را به گزینه‌ای پرکاربرد تبدیل کرده است. 

برای ساختمان‌های بلند، فولاد به‌دلیل نسبت استحکام به وزن مناسب، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، در سازه‌های صنعتی مانند کارخانه‌ها، انبارها و سکوهای نفتی، فولاد به‌دلیل استحکام و انعطاف‌پذیری‌اش به کار می‌رود، چرا که این ویژگی‌ها برای ساخت این نوع سازه‌ها ضروری هستند.

ویژگی های فولاد ساختمانی

1. عمر طولانی
2. وزن مناسب
3. چقرمگی بالا
4. مقاومت در برابر حرارت
5. مقاومت در برابر زنگ‌زدگی
6. نسبت استحکام به وزن بالا
7. مقاومت در برابر فشار و کشش
8. قابلیت انعطاف‌پذیری و جوش‌پذیری مناسب
9. قابلیت جوشکاری مطلوب جهت اتصال به یکدیگر
10. قابلیت برشکاری، خم‌کاری و سوراخ‌کاری جهت اتصال سریع‌تر

مزایا و معایب فولادهای ساختمانی

از مزایای فولادهای ساختمانی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. قیمت ارزان و مقرون‌به‌صرفه
2. نسبت استحکام به وزن بالا
3. چقرمگی مناسب و انعطاف‌پذیری خوب
4. پایداری و دوام مناسب
5. قابلیت جوشکاری بسیار خوب

فولادهای ساختمانی دارای مزایای زیادی هستند، اما یکی از مهم‌ترین معایب آن‌ها، مقاومت ضعیف در برابر خوردگی است. برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر زنگ‌زدگی دارند، باید سطح فولاد به‌خوبی پوشش‌دهی یا رنگ‌آمیزی شود. علاوه بر این، فولادهای ساختمانی در مواجهه با دمای بالا، استحکام و یکپارچگی ساختاری خود را از دست می‌دهند و سریع‌تر از حد انتظار خراب می‌شوند.

فرایند تولید انواع فولاد ساختمانی

برای تولید فولاد ساختمانی، ابتدا آهن و کربن را در دمای بسیار بالا ترکیب می‌کنند. مواد اولیه مانند آهک، سنگ آهن و کک در کوره بلند ذوب شده و آهن مذاب حاصل می‌شود که ناخالصی‌های زیادی دارد. با تزریق فلز مذاب به ضایعات فولادی و عبور اکسیژن، ناخالصی‌ها حذف می‌شوند. سپس، آلیاژهای فولاد به مقدار مورد نظر اضافه می‌شوند. فولاد مذاب در قالب‌های خنک‌کننده ریخته می‌شود تا سخت شود و سپس به اشکال مختلف مانند شمش و دال برش می‌خورد. پس از خنک شدن کامل، این فولاد به عنوان ماده اولیه برای ساخت مقاطع فولادی ساختمانی استفاده می‌شود.

در آخر، فولاد ساختمانی به‌دلیل استحکام بالا، شکل‌دهی آسان، دوام زیاد و سرعت اجرای بالا، در صنعت ساختمان‌سازی بسیار مهم شده است. از این متریال برای ساخت انواع سازه‌ها مانند آسمان‌خراش‌ها، پل‌ها و کارخانه‌ها استفاده می‌شود. مهندسان با توجه به مزایا و معایب فولاد ساختمانی، می‌توانند سازه‌های ایمن، بادوام و زیبا بسازند.

سوالات متداول 

1. فولاد ساختمانی و نام دیگر آن چیست؟
   فولاد ساختمانی نوع خاصی از فولاد است که به آن فولاد سازه‌ای نیز گفته می‌شود.
2. به چه علتی فولاد ساختمانی، در میان تمام محصولات آلیاژی به عنوان ارزان‌ترین گزینه‌ها محسوب می‌شود؟
   به‌علت دارا بودن کمترین میزان آلیاژ.
3. از مهم‌ترین ویژگی‌های فولاد ساختمانی چیست؟
   نسبت استحکام به وزن بالا، شکل‌‌پذیری مناسب و مقرون‌به‌صرفه‌بودن.