سازه فلزی نوعی سازه است که مصالح اصلی آن از فلز (فولاد) ساخته شده است. اتصالات به کار رفته در این سازه فلزی ها از نوع جوشی، پرچی و یا پیچ می‌باشد. بسته به نوع اتصالات قطعات، طراحی شده و کنترل‌های مربوطه بر روی آنها انجام می گیرد. فلز یکی از مهمترین مصالح ساختمانی میبباشد. فولاد (فلز) از احیا شدن سنگ آهن، به همراه کک و اکسیژن در کوره‌های بلند با درجه حرارت زیاد بدست می آید.
استفاده از تکنولوژی نانو در سازه فلزی
سازه فلزی ساخته شده از طریق تکنولوژی نانو دارای مشخصات منحصر به فردی می باشد. این تکنولوژی می‌تواند در بسیاری از فرآیندهای ساخت و طراحی سازه‌های فلزی به کار برده شود. این مشخصات منحصر به فرد قادر هستند که مشکلات کنونی در ساختمان سازی را حل کرده و در فرآیند ساخت تغییراتی را به وجود آورند.
پیشرفت علم در حوزه نانو ذرات فلزی و دستاوردهای بزرگ در این زمینه باعث بهبود ویژگی‌های فلزات ساختمانی از جمله فولاد شده است. اضافه کردن نانو ذراتی مانند مس، مولیبدن و وانادیم باعث بهبود خواص مکانیکی فولاد و کاهش هزینه‌های ساخت شده است. ساخت نانو کابل‌ها، نانو پوشش‌هایی نظیر دی اکسید تیتانیم و استفاده از فناوری نانو در ساخت و تولید پیچ و مهره‌ها تحول عظیمی را در سازه‌ها ایجاد کرده است.
فناوری نانو و فولاد
فولاد یکی از مهمترین مواد ساختمانی می‌باشد. خواصی نظیر استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری آن در طراحی و ساخت بسیار مهم هستند. این قابلیت‌ها باعث شده که نقش فولاد در صنعت ساخت و ساز بسیار پر رنگ باشد.
موارد استفاده از فولاد در صنعت عمران
- در ساختمان اسکلت فلزی به عنوان تیر و ستون و بادبند و پلیت‌های کف
- در ساختمان‌ها و سازه‌های بتنی به عنوان میلگرد
- پایه‌ها و کف پل‌ها، کابل‌های کششی پر مقاومت
- لوله‌های انتقال آب و گاز و نفت
- اجزای داخلی ساختمان‌ها مثل در و پنجره‌ها، پیچ‌ها و اتصالات
- استفاده در نمای ساختمان
فولاد و نانو ذرات
خستگی مساله بسیار حساسی است که می تواند منجر به شکست فولاد در سازه فلزی تحت نیروی سیکلی (مانند پل و برج‌ها) گردد. این موضوع می‌تواند در تنش‌هایی کمتر از تنش تسلیم مواد رخ داده و در نتیجه عمر مفید سازه را کاهش دهد. افزایش تنش باعث شروع ترک و متعاقباً شکست خستگی می‌شود.
تحقیقات نشان داده است که افزودن نانو ذرات مس باعث کاهش ناهمواری های سطح فولاد می شود. در نتیجه‌ی آن تعداد تنش‌ها محدود شده و بنابراین ترک ناشی از خستگی کاهش می‌یابد. پیشرفت در این فناوری منجر به افزایش ایمنی، نیاز کمتر به نظارت و استفاده بهتر از مواد در ساخت و سازهای مستعد به مساله خستگی شده است.
فناوری نانو و جوشکاری
نقاط جوشکاری شده و منطقه حرارت دیده‌ی مجاور جوش (HAZ) ترد و شکننده می‌باشند. هنگامی که این مناطق تحت نیروهای دینامیکی قرار می‌گیرند، منجر به شکست ناگهانی می‌شوند. چقرمگی جوش مساله قابل ملاحظه‌ای به خصوص در نواحی زلزله خیز می‌باشد.
گسیختگی و شکست جوش و مناطق HAZ پس از واقعه زمین لرزه سال ۱۹۹۴ نورث ریج در لس آنجلس، منجر به ارزیابی مجدد اصول جوشکاری و اتصالات سازهای فلزات شد. بر اساس این موضوع فلسفه کلی مبتنی بر انتخاب نقاطی از سازه که به عمد ضعیف شده‌اند بود تا بتوان تغییر فرمی کنترل شده به دور از مناطق اتصال ترد را به وجود آورد.
با اتخاذ به این رویکرد همچنین از افزایش عمدی ابعاد سازهای که باعث پایین نگه داشتن تنش‌ها می‌گردد نیز پیش‌گیری می‌شود. تحقیقات نشان داده‌اند که اضافه نمودن نانو ذرات منیزیم و کلسیم دانه‌های مناطق HAZ را در فولاد ساده ریزتر کرده (حدود یک پنجم اندازه معمولی) که این امر موجب افزایش چقرمگی جوش می‌شود.
افزایش چقرمگی در اتصالات جوش نه تنها باعث پایداری و بالا رفتن ایمنی سازه می‌شود، بلکه نیاز به منابع برای برقراری اتصالات را کاهش داده و در نتیجه باعث محدود شدن تنش‌ها در حد مجاز می‌شود.
پوشش‌های نانو
پوشش‌های نانو شامل ذرات یا نانو لایه‌ها برای اهداف به خصوصی به وجود آمده‌اند. در واقع این پوشش‌ها یکی از کاربردهای اصلی در تکنولوژی نانو در ساختمان سازی می‌باشند. به عنوان مثال پوشش دی اکسید تیتانیم به وسیله واکنش کاتالیتیکی قوی می‌تواند آلودگی‌های آلی را شکسته و متلاشی کند.
عملکرد فتوکاتالیتیکی شامل دو فرایند همزمان با شیوه‌های عمل متفاوت می‌باشد:
۱- فرایند فتوشیمی که در آن انرژی به وسیله تابش فراهم می‌شود.
۲- فرایند کاتالیتیکی که بر روی سرعت واکنش تاثیر می‌گذارد.
نانو کابل‌ها:
کابل‌های فولادی با استحکام بالا در ساخت پل‌ها به خصوص پل‌های معلق مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از کابل‌های قوی باعث کاهش هزینه‌ها و زمان ساخت سازه‌ها می‌شود. مطالعات و تحقیقات در زمینه اصلاح فاز سمنتیت (Fe3C) فولاد در ابعاد نانو باعث تولید کابل‌های قوی شده است .
نانو و پیچ و مهره‌ها:
سازه‌های فلزی بلند نیاز به اتصالات با استحکام بالا دارند. این موضوع به نوبه خود نیاز به پیچ و مهره‌های مستحکم را ضروری می‌کند. مقدار استحکام بالای پیچ و مهره‌ها معمولا از طریق کوئنچ (سرد کردن) و تمپر (بازپخت) تحقق می‌یابد. ریزساختار این گونه محصولات شامل مارتنزیت (ساختاری سخت از فولاد) تمپر شده است.
هنگامی که استحکام کششی فولاد شامل مارتنزیت تمپر شده از MPa1200 بیشتر شود، حتی وجود مقدار کمی هیدروژن باعث ترد شدن مرز دانه‌ها شده و در نتیجه منجر به شکست مواد فولادی در حال استفاده می‌شود.این پدیده که معروف به شکست همراه با تاخیر است، مانع افزایش استحکام بیشتر پیچ و مهره‌های فلزی می‌شود.
بالاترین مقدار استحکام آنها در محدوده ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ مگاپاسگال می باشد. تحقیقات بر روی نانو ذرات وانادیم و مولیبدن نشان داده است که این مواد می توانند شکست تاخیری را در پیچ و مهره ها بهبود بخشند. در واقع نانو ذرات با کاهش اثر تردی هیدروژنی و بهبود ریزساختار فولاد با کاهش فاز سمنتیت بین دانه‌ای باعث افزایش استحکام پیچ و مهره‌ها می‌شوند .
مقاومت زیاد سازه فلزی
مقاومت قطعات فلزی زیاد بوده و نسبت مقاومت به وزن از مصالح بتن بزرگتر است. به این علت در دهانه های بزرگ سوله ها و ساختمان های مرتفع ، ساختمان هایی که بر زمین های سست قرارمی گیرند ، حائز اهمیت فراوان می باشد.
خواص یکنواخت سازه فلزی
فلز در کارخانجات بزرگ تحت نظارت دقیق تهیه می شود یکنواخت بودن خواص آن میتوان اطمینان کرد. خواص آن بر خلاف بتن با عوامل خارجی تحت تاثیر قرار نمی گیرد. اطمینان در یکنواختی خواص مصالح در انتخاب ضریب اطمینان کوچک مؤثر است که خود صرفه جو یی در مصرف مصالح را باعث می شود.
پوشش سازه
برای پوشش سازه های فلزی معمولا از محصولاتی به نام ساندویچ پانل میتوان استفاده کرد. این پانل ها یک ساختار سه لایه ای هستند که از از دو لایه ورق محافظ و یک لایه فوم تشکیل شده اند.
بحث و نتیجه گیری
استفاده از فناوری نانو در سازه‌هایی مانند پل‌ها و برج‌ها باعث افزایش خواص مکانیکی این سازه‌ها شده است. استفاده از نانو ذرات مس در ساخت فولاد باعث افزایش استحکام و نقطه ذوب آن می‌گردد. همچنین این نوع فولادها قابلیت انعطاف پذیری بیشتر و درخشش قابل توجه‌ای دارند. از فولادهای حاوی نانو ذرات مس در ساخت پل‌ها استفاده بسیار زیادی می‌شود زیرا این نوع فولاد مقاومت به خوردگی قابل ملاحظه‌ای دارد.
اشاره به این نکته ضروری است که نانو ذرات در فولادها باعث افزایش نسبت استحکام به وزن می‌شوند. استفاده از فناوری نانو فلزات در ساختمان سازی باعث تولید کامپوزیت‌های سبک‌تر و سازه‌های فلزی مقاوم‌تر ساختمانی شده است. همچنین تولید نانو پوشش‌هایی که نیاز به نگهداری و تعمیر کم‌تری دارند را به همراه داشت. اضافه نمودن نانو ذراتی مانند مولیبدن و وانادیم به پیچ و مهره‌های فولادی باعث افزایش استحکام این تجهیزات شده است.
منابـــــع:
1.Zhi Ge, Zhili Gao “Applications of nanotechnology and nano materials in construction” Advancing and Integration Construction Education,Research & Practice, 2008, Karachi, Pakistan.
2.Saurav “Application of nanotechnology in building materials” International Journal of Engineering Research and Applications, Vol. 2, Issue5, pp.1077-1082, (2012).
3.http://www.nanoforum.org
