فولاد ضد زنگ در ساخت و ساز صنعتی

تولید و ساخت:
تولید کنندگان فولاد ضد زنگ دائما در حال ارتقا فرایند تولید با هدف کاهش هزینه ها، کاهش آلایندگی، کم کردن زمان تحویل به مشتری و افزایش کیفیت هستند.

این پیشرفت ها به کنترل هزینه های تولید در عین وابستگی به محدودیت های تعیین شده از سوی مواد اولیه کمک کرده است.

شاید برجسته ترین پیشرفت های اخیر که بخش ساخت و ساز را متاثر کرده است استفاده از گرید دوبکلس برای کاربردهای وابسته به ساختمان است، که ترکیبی از قدرت بیشتر نسبت به فولاد های آستنیتی( و همچنین بیشتر فولاد های کربنی) با مقاومت در برابر خوردگی یکسان یا بیشتر ارائه می دهد.

دولایه (دوبلکس) پتانسیل فوق العاده ای برای گسترش طراحی سازه های آینده دارد، باعث کاهش اندازه و در نتیجه سازه ای سبک تر می شود.

شایان ذکر است که آنها همچنین دارای قابلیت چکش خواری خوبی هستند، استحکام بالاتر آنها منجر به شکل پذیری محدودتر در مقایسه با آستنینتی ها می شود.

مقاومت در برابر خورگی درجه دوبلکس 1.4462 دقیقا مثل درجه 1.4401 است. گرید 1.4462 که دارای عیار بیشتری است مقاومت بیشتری هم در برابر خوردگی دارد به خصوص در برابر تنش ترک خوردگی.

قمیت بالای نیکل باعث شده است که تقاضا ها بیشتر به سمت دوبلکس های نازک تر با مقدار کمتر نیکل برود مانند گرید 1.4162.

میزان مقاومت خوردگی گرید 1.4162 بین مقدار مقاومت گریده های 1.4301 و 1.4401 است. در حال حاضر قیمت آن کمی از گرید 1.4301 کمتر هم هست.

همچنین به خاطر اینکه معمولا در داخل ساختمان استفاده می شوند. استفاده از بعضی گریدهای فریتی که برای پوشش ساختمان و تولیدات سازه ای مناسب تر هستند اخیرا گسترش پیدا کرده است.

برای مثال در طی 10 سال گذشته در فرانسه گرید 1.4510 به طور گسترده ای برای سیستم سقف قلع اندود شده استفاده شده است.

این پوشش نازک قلع اندود در طی زمان به زنگار مات خاکستری تغییر پیدا می کرد. در طی 20 سال گذشته پیشرفت های چشم گیری در زمینه فرآیند تولید و روکش صورت گرفته است که معمولا از دل نیازهای دقیق معماری برای یک پروژه خاص بیرون آمده است.

فولاد زنگ نزن:
دامنه روکش نهایی فلزات گسترش زیادی پیدا کرده است و از سطح مات تا سطح براق، نرم تا خیلی خشن، ترکیبات ممکن از کنار هم گذاشتن این روکش ها، اضافه کردن رنگ و غیره را در بر بگیرد.

روکش های بیشتری اکنون در دسترس است که شامل پوشش های فلزی و ارگانیک، الکترولیتی و فرآیند پوشش PVD( رسوب فیزیکی بخار) و عملیات نورد پوستی است.

آنها جایگاه رقابتی فولاد ضد زنگ را در مقایسه با سایر مواد با ارزش پوشش سقف فلزی مانند زینک، آلمینیوم، مس و حتی فولاد کربنی ارتقا داده اند.

کاربرد پوشش ضد زنگ همچنین برای ارضای ملزومات سرسختانه بهداشتی و نظافتی نیز گسترش پیدا کرده است.

فرآیند تولید توسعه یافته منجر به ثبات بیشتر در پوشش سطح هم در طول یک ورق و هم از دسته ای به دسته دیگر شده است. محصولات اکنون قادر به برآورده کردن نوسانات بعدی بسیار کم هستند.

لوله فولادی ضد زنگ به طور سنتی توسط جوش گاز بی اثر تنگستن تولید می شدند، در حالی که با ظهور منبع قدرت قابل اعتماد و قوی لیزر، فرآیند جوشکاری پرتو لیزری(LBW) به سرعت به سمت تولید لوله های فولادی ضد زنگ با جوش طولی وارد شد.

میزان انرژی که در نقطه تمرکز پرتو لیزر به دست می آید بسیار زیاد است و قابلیت ایجاد جوش های عمقی در بخش های نازک فولاد ضد زنگ را با کمترین اعوجاج اجزاء دارد.

این فرآیند در ابتدا از تجهیزات گران قیمت بهره میگرفت و مورد استفاده آن تولیدات انبوه بود. اگرچه اکنون تجهیزات کوچک تر گسترش پیدا کرده اند، استفاده از جوش لیزر فراگیر تر شده است. علاوه بر مقاطع توخالی، مقاطع Ι شکل، زاویه ها و دیگر اشکال نیز در دسترس هستند.

در سال های اخیر رشد فزاینده ای در استفاده از برش لیزری فولاد ضد زنگ وجود داشته است که در آن از یک پرتو متمرکز لیزری به منظور ذوب کردن ماده در یک ناحیه موضعی استفاده می شود.

از یک جت گاز هم محور برای برگشت مواد مذاب از لبه برش جهت ایجاد یک لبه برش تمیز و پیوسته استفاده شده است که با حرکت پرتو لیزر یا قطعه کار زیر کنترل دستگاه CNC این امر محقق می شود.

هیج هزینه قالب سازی وجود نخواهد داشت، نمونه سازی سریع انجام می پذیرد و به سرعت دور می زند.

پیشرفت در میزان دقت، مربع بودن لبه و کنترل حرارت ورودی یعنی تکنیک های دیگر ساخت اشکال مانند برش پلاسما و برش هوا-گاز در حال عوض کردن جای خود با برش لیزر هستند.

طراحی:
ارتقا کدها، استانداردها و مشخصات فولادهای ضد زنگ که نتیجه تحقیقات انجام شده توسط صنایع و دانشگاه ها می باشد، نقش بسیار کلیدی را در استفاده گسترده تر از فولادهای ضد زنگ در ساختمان ها ایفا کرده است.

کارایی فولاد ضد زنگ در سازه ها با فولاد های کربنی متفاوت است چون فولاد ضد زنگ نقطه تسلیم مشخصی ندارد و خروج زود هنگام از رفتار الاستیک خطی با کرنش سختی قوی ایی را به نمایش می گذارد.

همچنین تفاوت عمده ای نیز در نمودار تنش-کرنش آن با فولادهای کربنی وجود دارد. این بدان معناست که بر رفتار کمانشی اجزا و انحراف تیر ها تأثیر دارد. طراحان به راهنمایی جهت انتخاب گرید درست و استفاده صحیح از فولاد ضد زنگ در تماس با سایر فلزات( برای مثال کربن استیل، بتن آرمه، بنایی، چوب و آلمینویم) به منظور جلوگیری از خوردگی ناشی از تفاوت جنس مواد نیاز دارند.

روش های اتصال نیز به راهنمایی های خاص خود نیاز دارد، به خصوص زمانی که جوش مد نظر است برای حفظ پوشش سطح و مقاوت خوردگی.

قبل از ارتقای استانداردهای طراحی سازه های با فولاد ضد زنگ، از طراحان خواسته می شود که روند طراحی خود را پیش بگیرند و به فکر فولاد ضد زنگ نباشند و از آن به عنوان ماده مطلوب دومی که دارای سابقه ثابت شده و راهنمای طراحی می باشد استفاده کنند.

از آنها خواسته شد که بر اساس اصول نخستین کار کنند و از یک ماده ناآشنا و گران قیمت با خواص مکانیکی غیر معمول کار کنند.

این یک موقعیت نامطلوب بود، در بهترین حالت اتلاف وقت طراحان بود، در بدترین حالت منجر به درک غلط از کار طراحی، سوء استفاده و یا عدم تعمیرپذیری یا شکست شد.

قوس دروازه ورودی در سنت لوئیس، میسوری، باعث الهام تعداد زیادی از تحقیقات در حوزه کارایی سازه فولادی ضد زنگ در اوایل دهه 1960 در آمریکا شد.

اولین مشخصات آمریکایی که طراحی عضوهای استینلس استیل را در نظر می گرفت در سال 1968 توسط AISI به چاپ رسید.

پیرو پروژه تحقیقاتی بزرگی که در دانشگاه کورنل در سال 1947 انجام شد، این مشخصات مورد بازبینی قرار گرفت و با عنوان "خصوصیات طراحی اعضای سازه های فولادی ضد زنگ" و این هم متعاقبا در سال های 1991 و 2002 توسعه پیدا کرد و به روز شد.

استرالیا، زلاند نو و آفریقای جنوبی استانداردهای تقریبا مشابهی را چاپ کرده اند که به طور عمده بر پایه استاندارد آمریکا می باشد.

در سال 1995 طراحی و استاندارد ساخت، ساختمان های فلزی با فولاد ضد زنگ توسط انجمن ساختمان فولادی ضد زنگ چاپ شد.

این خصوصیات طراحی جوش و ساخت بخش هایی که از ورق های تقریبا نازک ساخته می شود را پوشش می دهد. یک برنامه تحقیقاتی ژاپنی اخیرا رفتار اعضای فولادی ضدزنگ سبک را مورد بررسی قرار داد و متعاقبا دستورالعمل طراحی سازه های فولادی ضد زنگ در سال 2005 به چاپ رسید.

در بین سال های 1989 و 1992، موسسه SCI یک پروژه تحقیقاتی را انجام داد که برای توسعه نسخه اروپایی راهنما در زمنیه انتخاب، طراحی، ساخت و نگهداری به منظور ایجاد اطمینان از ایمنی و کاربرد صحیح فولاد در ساختمان بود.

پروژه شامل ایجاد یک پایگاه داده خواص، آزمایشات مواد، آزمون اعضا و اتصالات، تحلیل نتایج، پیشنهادات طراحی و مثال های کار شده بود. نتیجه تحقیق راهنمایی بود که توسط Euro Inox در سال 1994 با عنوان دستورالعمل طراحی برای سازه های فولادی ضد زنگ چاپ شد.

متعاقبا نسخه پیش نوس استاندارد کد اروپایی 3 بخش 1.4، قوانین طراحی سازه های فولادی ضد زنگ را ارائه میداد و در سال 1996 به چاپ رسید که عمدتا بر اساس دستورالعمل طراحی بود.

یک پروژه تحقیقاتی اروپایی در بین سال های 1997 و 2000 برنامه های بیشتری برای آزمون ها و تحلیل ها در رابطه با کاربرد سازه های فولادی ضد زنگ انجام داد.

نتیجه تحقیق در نسخه دوم دستورالعمل طراحی گنجانده شدو در سال 2002 به چاپ رسید، با حوزه گسترده تری شامل مقاطع توخالی دایره ای و طراحی مقاوم در برابر آتش.

پروژه های تحقیقاتی اروپایی بیشتر در مورد رفتار اعضای مستحکم سازه که از فولاد ضد زنگ به روش شکل دهی سرد ساخته شده بودند، از طریق آزمایشات بیشتر و تحلیل در سال های 2000 تا 2003 صورت پذیرفت. نتیجه در نسخه سوم دستورالعمل طراحی آمد.

که در سال 2006 به چاپ رسید. در همان سال، کداروپایی3، بخش1.4(EN1993-1-4) یک استاندارد کامل اروپایی را صادر کرد.

محتویات آن همراستا با دستورالعمل طراحی است، به استثنای راهنمایی در مورد مقاومت در برابر آتش که دستورالعمل طراحی در آنجا دیدگاه محافظه کارانه ای ارائه نمی دهد.

یک سند جداگانه نیز در مورد تفسیر دستورالعمل طراحی که اصول پیشنهادات را توضیح می دهد و نتیجه تست های مربوطه را نیز ارائه می دهد آماده شده است.

لوله فولادی:
در آتش، ستون ها و تیر های فولادی ضد زنگ آستنیتی به طور کلی ظرفیت تحمل بار خود را برای مدت طولانی تری نسبت به اجزای سازه های فولادی کربنی حفظ می کنند.

این مهم به خاطر استحکام بالاتر و ویژگی های حفظ چقرمگی در دماهای بالای 500 درجه سانتیگراد می باشد. SCI هماهنگی یک پروژه تحقیقاتی سه و نیم ساله را بر روی رفتار سازه های فولادی ضد زنگ در آتش از طریق آزمایشات و مطالعات عددی انجام داده است.

پروژه شامل آزمون های صورت گرفته روی فولاد ضد زنگ و ستون و تیر های بتن آرمه بود به استثناء سازه ها و سیستم های باربر که برای جلوگیری از آتش طراحی شده بوند. قطعات نازک تو خالی هم مورد مطالعه قرار گرفتند. نتیجه نهایی در سال 2008 به چاپ رسیده است.

علاوه براین، فعالیت های تحقیقاتی ارزشمند دیگری در دانشگاه امپریال لندن و دیگر دانشگاه های سراسر دنیا دامنه وسیعی از جنبه های مربوطه به رفتار سازه های فولادی ضد زنگ را مطالعه کردند. این مطالعات توسط Gardner خلاصه شده است:

فولاد ضد زنگ یک ماده ایده آل برای سازه های مقاوم در برابر انفجار است به خاطر اینکه استحکام بالایی دارد، ویژگی های جذب انرژی خوبی دارد و قابلیت چکش خواری بالایی دارد.

نرخ حساسیت به کرنش در فولاد ضد زنگ از فولاد های کربنی بیشتر است، برای مثال استحکام به نسبت بیشتری در نرخ کرنش سریع در فولاد ضد زنگ نسبت به فولاد های کربنی قابل تشخیص است به خصوص در محدوده 0.2% تنش تسلیم.

برنامه های تحقیقاتی در طول 20 سال گذشته به دنبال تبدیل تأثیر این نرخ کرنش به اعداد در فولاد های آستنیتی و فولادهای ضد زنگ دوبلکس بودند و همچنین راهنمایی ها در زمینه طراحی سازه های فولادی ضد زنگ مقاوم در برابر انفجار را ارتقا دهند.

در تکمیل این استانداردهای طراحی، استانداردهای قابل توجه و شاخصه هایی که مربوطه به جوش، ساخت و نصب هستند مانند AWSD1.6,EN 1011-3 و EN1090 نیز در طی 20 سال گذشته توسعه پیدا کرده اند.

توسعه بازار:
در سال های اخیر، انجمن های توسعه فولاد ضد زنگ در سراسر جهان نقش به سزایی را در ترویج استفاده از فولاد ضد زنگ در ساخت و ساز بازی کرده اند.

آنها روی کارهای لازم برای تبدیل نتایج تحقیقات صورت گرفته به فرم راهنماها و ابزار های ساده طراحی سرمایه گذاری کردند، از این رو به طور موثری دانش طراحی و ساخت را انتشار داده اند.

از طریق مطالعه موردی، مصالح آموزشی، کنفرانس ها و سمینارها، انجمن های توسعه، میزان آگاهی از پتانسیل موجود در استفاده از فولاد ضد زنگ در بسیاری از کاربردهای ساخت وساز را افزایش داده اند.

نقش آنها به طور فزاینده ای در مواجه با فعالیت های تبلیغاتی کارآمد توسط مواد رقیب مانند آلمینوم و فیبرهای مقاومتی پلاستیکی اهمیت پیدا کرد.

در اروپا و ژاپن، انجمن های توسعه نمایش ساختمان های با فولاد ضدزنگ را سازمان دهی کرده اند، برای مثال آزمایشگاه تحقیقاتی یک تولید کننده فولاد در اوساکا ژاپن با فولاد ضد زنگ ساخته شد تا ورود فولاد ضد زنگ را به کدهای طراحی سازه های ژاپن تسهیل کند.

ستون های فولادی ضد زنگ ساختمان در پی زمین لرزه ای که در نزدیکی کوبه در سال 1995 آمد، هیچ آسیبی ندیدند.

سرمایه گذاری توسط کارخانجات و بخش های مستقل در مراکز خدمات یکپارچه پایین دستی به حذف موانع موجود در مسیر تهیه فولاد ضد زنگ برای استفاده در صنعت ساخت ساز کمک کرده است.