ما هو الفولاذ الهيكلي؟ التركيب والتطبيقات

استكشاف الفولاذ الهيكلي

من المباني التي يزورها الناس ، إلى المنازل التي يعيشون فيها ، إلى الطرق التي يسافرون عليها ، تعتبر ألواح الصلب الإنشائية مادة بناء متعددة الأغراض توفر تنوعًا في التصنيع وقوة هيكلية دون وزن كبير. تتعمق هذه المقالة في الفولاذ الهيكلي وتكوينه وخصائصه واستخداماته وغير ذلك الكثير.

ما هو الفولاذ الهيكلي؟

الصلب الإنشائي هو فئة منظمة من الفولاذ يجب أن تفي بمعايير الصناعة الخاصة بتفاوتات الأبعاد والتكوين. في الولايات المتحدة ، يتم تحديد درجات الصلب وتنظيمها بواسطة ASTM International. أيضًا ، يوجد في أوروبا وكندا هيئات ومعايير تنظيمية خاصة بهما. على الرغم من أن Leeco Steel تقدم صفيحة فولاذية قياسية EN وصفيحة فولاذية قياسية CSA G40.21 ، فإن هذه المقالة ستركز على معايير ASTM.

هناك مجموعة واسعة من درجات الفولاذ الإنشائي ، وأشهرها ASTM A572 و ASTM A36. تستخدم هذه الدرجات من الفولاذ ، إلى جانب الدرجات الأخرى من الفولاذ الإنشائي ، بشكل أساسي لبناء هياكل للجسور والمباني.

كما أنها تستخدم في بناء:

سيارات الشحن

أدوات البناء

قطع غيار الشاحنات

الات

قضبان الرافعة

أبراج نقل

رفوف الشاحنة

تظهر الأبحاث التي نشرها المعهد الأمريكي للإنشاءات الفولاذية أن الفولاذ الإنشائي يحتوي على 47 في المائة من جميع مواد البناء ، لذلك من المحتمل جدًا أن يكون الفولاذ الإنشائي مسؤولاً عن جزء من التصميم في الهياكل أو المباني أو الجسور حيث يلتقي الناس.

إنتاج واختبار الفولاذ الإنشائي

لفهم كيف يختلف الفولاذ الهيكلي تمامًا عن الفولاذ غير الإنشائي ، مثل ذلك المستخدم في أسِرَّة الشاحنات أو السفن أو الدبابات العسكرية ، من المهم فحص تركيبة الفولاذ الهيكلي.

يمكن أن يصنع الفولاذ من المواد الخام أو من إعادة تدوير الفولاذ القديم. أثناء عملية تحويل الفولاذ المعاد تدويره إلى صلب جديد ، يتم صهر الفولاذ الحالي وتنقيته لتلبية مواصفات معينة. يعتبر صنع الفولاذ من المواد الخام عملية أطول بكثير.

الصلب عبارة عن سبيكة تحتوي على الكربون والحديد ، وكلاهما متوفر بكثرة ولكن نادرًا ما يوجد في شكله النقي. لصنع الفولاذ من المواد الخام ، يتم الحصول على الحديد من خام الحديد الذي يحتوي على أكاسيد الحديد الوفيرة. يتم استخراج معظم خام الحديد في الولايات المتحدة من أجل التاكونيت ، والذي يوجد بكثرة في ولاية مينيسوتا. أثناء عملية التعدين ، يتم طحن التاكونيت إلى تركيبة شجاعة ، ويتم استخدام المغناطيس لفصل خام الحديد (في شكل حجر المغناطيس) عن المواد والمعادن الأخرى.

على الرغم من أن الحديد غالبًا ما يُعتقد أنه قوي وصلب ، إلا أن خام الحديد الخام يكون طريًا جدًا بحيث يمكن قطعه بسكين وبعض العضلات. تحصل السبائك التي أساسها الحديد على قوتها من إضافة الكربون.

عادة ما يتم إنتاج سبيكة من الحديد والكربون عن طريق الجمع بين فحم الكوك وخام الحديد وتطبيق الحرارة حتى يشتعل فحم الكوك. فحم الكوك هو شكل غني بالكربون من الفحم. نتيجة لهذا التسخين القوي ، يطلق فحم الكوك الكربون ويلتصق بأكسجين أكاسيد الحديد ، تاركًا مزيجًا من الكربون والحديد. هذه العملية تسمى التخفيض.

بعد الاختزال ، تكون المادة حوالي 4 في المائة من الكربون ، والتي تخضع لمزيد من عمليات التسخين والتبريد لتقليل كمية الكربون ، مما يجعل المادة أقوى وأصعب. بمجرد أن يكون محتوى الكربون أقل من 2.1 بالمائة من وزن المادة ، فإنه يتحول إلى صلب. لصنع الفولاذ الإنشائي ، يجب تقليل الكربون أكثر حتى يصبح تركيبه 0 فقط ، 0 5 بالمائة إلى 0.25 بالمائة.

والنتيجة النهائية هي الفولاذ الهيكلي الذي يتم تسعيره اقتصاديًا ، وقابل لإعادة التدوير بنسبة 100 في المائة ، وله نسبة عالية من القوة إلى الوزن. هناك درجات مختلفة من الفولاذ الإنشائي ، والتي تختلف إلى حد ما في تكوينها. تساعد هذه التركيبات بشكل كبير في إنشاء المواد اللازمة لأي مشروع محدد.

بدلاً من ذلك ، يمكن معالجة الفولاذ بشكل أكبر - عن طريق مزيد من معالجات التسخين والتبريد و / أو إضافة سبائك ، مثل التيتانيوم والموليبدينوم والكروم - لزيادة الصلابة. تؤثر هذه العمليات على الهشاشة الكلية ، في معظم الحالات ، مما يجعل المواد الناتجة غير مناسبة للتطبيقات الهيكلية.

تكوين الفولاذ الهيكلي

يوجد أدناه تكوين صنفين من الصلب الإنشائي المعروفين: ASTM 572 و ASTM A36. على الرغم من أن درجات الفولاذ الإنشائي الأخرى لها تركيبات مماثلة ، إلا أنها قد تحتوي أيضًا على سبائك إضافية أو خضعت لمعالجة إضافية.

يحتوي A514 أيضًا على 0. 2 بالمائة موليبدينوم ، 0. 48 بالمائة كروم ، 0 ، 0 5 بالمائة فاناديوم ، 0. 02 بالمائة تيتانيوم و 0.003 نسبة البورون.

إن وجود سبائك إضافية تزيد من الصلابة والهشاشة هو الاختلاف التركيبي الرئيسي بين الفولاذ غير الإنشائي والفولاذ الهيكلي. في بعض الحالات ، تكون السبائك الإضافية قادرة على إنتاج فولاذ هيكلي عالي الجودة ؛ ومع ذلك ، في حالات أخرى ، يكون الفولاذ المنتج هشًا جدًا لاستخدامه في القدرات الهيكلية.

قوة الغلة والشد

بالإضافة إلى التركيب الكيميائي ، يساعد الإجهاد وحدود الإنتاجية في تحديد درجة الفولاذ بالإضافة إلى التطبيق العام.

أعلى نقطة للضغط هي الحد المرن ، حيث ستغير المادة شكلها بشكل دائم. على سبيل المثال ، عندما يقفز شخص ما من الترامبولين ، فإن الترامبولين ينحني بشكل طبيعي لامتصاص الطاقة والوزن ، ولكن بعد أن يقفز هذا الشخص من الترامبولين ، سيعود الترامبولين إلى شكله الأصلي. سيكون الحد المرن للوحة الوثب هو النقطة التي ينحني فيها تحت الطاقة والوزن ، ويظل مثنيًا بشكل دائم حتى بعد إطلاق الغواص.

من الخصائص الحيوية للفولاذ الإنشائي ، يجب أن يكون لنقطة الخضوع بعض الغلة لامتصاص الوزن. على سبيل المثال ، قوة الخضوع في الجسور هي أقصى وزن يمكن أن يتحمله الجسر قبل تعرضه لأضرار دائمة.

تشير قوة الشد إلى النقطة التي تنكسر عندها المادة المطوية. في مثال الترامبولين أعلاه ، هذه هي الطاقة والوزن المطلوبان لكسر الترامبولين.

يوجد أدناه مخطط يوضح نقاط الشد والعائد لثلاثة أنواع شائعة من الفولاذ الإنشائي. يتم حساب هذه النقاط بالكيلو بوصة لكل بوصة مربعة ("ksi") أو رطل لكل بوصة مربعة ("psi") ، على النحو التالي. في بعض الأحيان يشار إليها أيضًا بالميغا باسكال.

تعتمد التغطية على السماكة ، ولكن الدرجة الأكثر شيوعًا هي 50 ksi.

هاتان المعلمتان مهمتان للغاية للمهندسين عند تخطيط المواد اللازمة لمشروع معين.