سازه های فلزی و کاربرد نانو فناوری در آن

از آن جایی که سازه های فلزی ساخته شده از طریق تکنولوژی نانو دارای مشخصات منحصر به فردی هستند، این تکنولوژی می‌تواند در بسیاری از فرآیندهای ساخت و طراحی سازه های 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 وبژگی‌های 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 [1]. این قابلیت‌ها باعث شده که نقش فولاد در صنعت ساخت و ساز بسیار پر رنگ باشد.

موارد استفاده از فولاد در صنعت عمران:

• در ساختمان‌های 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

معایب فولاد:

• خستگی و ترک خوردگی
• خوردگی در مجاورت سیمان
• آثار تبعی جوش کاری
• نیاز به مقاومت های بالاتر
• ضریب ارتجاعی بالاتر
• نیاز به مقاومت بیش‌تر در مقابل خراشیدگی
• از بین بردن آلودگی سطوح فلزی و… .

فولاد و نانو ذرات:

خستگی مساله بسیار حساسی است که می‌تواند منجر به شکست فولاد در سازه های فلزی تحت نیروی سیکلی (مانند پل و برج‌ها) گردد. این موضوع می‌تواند در تنش‌هایی کم‌تر از تنش تسلیم مواد رخ دهد 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 گشته و 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 استفاده‌ی بهتر از مواد در ساخت و سازهای مستعد به مساله خستگی شده است [2].

فناوری نانو و جوشکاری سازه های فلزی:

نقاط جوشکاری شده و منطقه حرارت دیده مجاور جوش (HAZ) ترد و شکننده می‌باشند. هنگامی که این مناطق تحت نیروهای دینامیکی قرار می‌گیرند، منجر به شکست ناگهانی می‌شوند. چقرمگی جوش مساله‌ی قابل ملاحظه‌ای به خصوص در نواحی زلزله خیز می‌باشد. گسیختگی و شکست جوش و مناطق HAZ پس از واقعه‌ی زمین لرزه‌ی 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 [2].

پوشش‌های نانو:

پوشش‌های شامل نانو ذرات یا نانو لایه ها برای اهداف به خصوصی به وجود آمده اند. در واقع این پوشش ها 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[1]. عملکرد فتوکاتالیتیکی شامل دو فرایند همزمان با شیوه‌های عمل متفاوت می‌باشد:

۱- فرایند فتوشیمی که در آن انرژی به وسیله‌ی تابش فراهم می‌شود.

۲- فرایند کاتالیتیکی که بر روی سرعت واکنش تاثیر می‌گذارد.

در واقع فتوکاتالیست دی اکسید تیتانیم با جذب تابشی که انرژی آن بیش‌تر یا برابر با شکاف انرژی آن است، باعث برانگیخته شدن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش می‌شود. در نتیجه حفره‌هایی در نوار ظرفیت ایجاد خواهند شد. بعد از برانگیختگی، الکترون و حفره‌ جدا شده ممکن است وارد چندین مسیر متفاوت شوند.
با مهاجرت الکترون‌ها و حفره‌ها به سطح دی اکسید تیتانیم، انتقال الکترون به مواد آلی یا معدنی که جذب سطحی شده‌اند و یا حلال صورت گیرد. همچنین انتقال الکترون می‌تواند از مواد آلی یا معدنی که جذب سطحی شده‌اند و یا حلال به سطح دی اکسید تیتانیم صورت گیرد. در نتیجه این جابه‌جایی الکترون، واکنش‌های کاهش و اکسایش بر روی سطح فتوکاتالیست انجام می‌شود.
باید به این نکته اشاره کرد که در فتوکاتالیست‌ها هر چه اندازه‌ی ذرات کوچک‌تر باشد، چون سطح فعال فتوکاتالیست بیش‌تر می‌شود، بنابراین، این فتوکاتالیست‌ها فعال‌تر از فتوکاتالیست‌هایی با اندازه ذرات بزرگ‌تر عمل می‌نمایند [3].به دلیل آب دوست بودن اکسید تیتانیم، آب روی سطح این پوشش به صورت یکنواخت پخش شده و باعث زدودن آلودگی‌های متلاشی شده از سطح آن می‌گردد. مهمترین مشخصه مکانیکی فولاد نمودار تنش _ کرنش آن می‌باشد که از روی آن تنش تسلیم و یا تنش جاری شدن بدست می‌آید.

فولاد بعنوان ماده‌ای با مشخصات خاص و منحصر بفرد، مدتهاست در ساخت ساختمانها کاربرد دارد. قابلیت اجرای دقیق، رفتار سازه ای معین، نسبت مقاومت به وزن مناسب، در کنار امکان اجرای سریع سازه‌های فولادی همراه با جزئیات و ظرافتهای معماری، فولاد را بعنوان مصالحی منحصر و ارزان در پروژه‌های ساختمانی مطرح نموده است؛ به نحوی که اگر ضعفهای محدود این ماده نظیر مقاومت کم در برابر خوردگی و عدم مقاومت در آتش‌سوزیهای شدید به درستی مورد توجه و کنترل قرار گیرند، امکانات وسیعی در اختیار طراح قرار می‌دهد که در هیچ ماده دیگر قابل دستیابی نیست.
فولاد، آلیاژ ی از آهن و کربن است که کمتر از ۲ درصد کربن دارد. در فولاد ساختمانی عمومأ در حدود ۳ درصد کربن و ناخالصیهای دیگری مانند فسفر، سولفور، اکسیژن و نیتروژن و چند ماده دیگر موجود می‌باشد. ساخت فولاد شامل اکسیداسیون و جدانمودن عناصر اضافی و غیر ضروری موجود در محصول کوره بلند و اضافه کردن عناصر مورد نیاز برای تولید ترکیب دلخواه است. برای ساخت فولاد، از چهار روش اصلی استفاده می‌شود. این روشها عبارتند از: روش کوره باز، روش دمیدن اکسیژن، روش کوره برقی، روش خلاء.

نانو کابل‌ها:سازه های فلزی

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 که 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 می‌باشد. تحقیقات بر روی نانو ذرات وانادیم و مولیبدن نشان داده است که این مواد می‌توانند شکست تاخیری را در پیچ و مهره‌ها بهبود بخشند. در واقع نانوذرات با کاهش اثر تردی هیدروژنی و بهبود ریزساختار فولاد با کاهش فاز سمنتیت بین دانه ای باعث افزایش استحکام پیچ و مهره‌ها می‌شوند .

بحث و نتیجه گیری سازه های فلزی:

استفاده از فناوری نانو در سازه‌هایی مانند پل‌ها و برج‌ها باعث افزایش خواص مکانیکی این سازه‌ها شده است. استفاده از نانوذرات 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 نانوذرات 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. اضافه نمودن نانو ذراتی مانند مولیبدن و وانادیم به پیچ و مهره‌های فولادی باعث افزایش استحکام این تجهیزات شده است.

خرابی پیش رونده سازه فولادی

خرابی پیش رونده پدیده‌ای است که در آن یک خسارت جزیی یا شکست موضعی باعث خرابی کل سازه یا قسمت زیادی از آن می‌شود. به گونه‌ای که خرابی نهایی تناسبی یا خرابی اولیه ندارد. برای بررسی خرابی پیش رونده سازه‌ها، روش دینامیکی غیر خطی، پاسخ‌های دقیقتری را نسبت به روش‌های استاتیکی به دست می‌دهد. به دلیل زمان بر بودن تحلیل دینامیکی غیر خطی استفاده از مدل‌های ساده‌ تر و روش‌های تقریبی اهمیت زیادی یافته است.

پدیده خرابی پیش رونده ابتدا پس از واژگونی ساختمان ۲۲ طبقه در رونان پونیت لندن در سال ۱۹۶۸ بر اثر انفجار گاز در یکی از طبقات بالایی، توجه مهندسان را به خود جلب کرد. این پدیده در واقع دینامیکی است که در بیشتر موارد با تغییر شکل‌های بزرگ همراه بوده، به نوعی که سازه خسارت دیده برای بقا، به دنبال مسیرهای پخش بار جایگزین است.

در حقیقت تخریب پیشرونده گسترش شکست موضعی اولیه از یک جزء به جزء دیگر بوده که سرانجام کل سازه یا قسمت نامتقارن بزرگی از آن فرو می‌ریزد. برای مقاومت در برابر تخریب پیش رونده لازم است سازه، توانایی پل زدن به آن طرف المان ناقص را داشته باشد. در روش مسیر جایگزین که کاربردی‌ترین و معروفترین روش ارزیابی سازه در برابر این رویداد است، از سه تحلیل استاتیکی خطی و تحلیل استاتیکی غیرخطی و تحلیل دینامیکی غیرخطی استفاده می‌شود. در این طرح پتانسیل سازه فولادی قاب خمشی منظم و نامنظم در پلان و ارتفاع با تعداد طبقات مختلف پنج، ۱۰ و ۱۵ تحت بار‌گذاری تخریب پیش رونده مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای این کار از روش تحلیل استاتیکی خطی و غیرخطی برای ارزیابی پتانسیل تخریب پیش رونده در سازه استفاده می‌شود و طبق آن اعضایی از سازه که دچار نقص شده‌ند از آن حذف میشوند.

تخریب پیش رونده معمولاً به گسترش یک آسیب موضعی اولیه در درون سازه که همانند یک واکنش شیمیایی زنجیره‌ای منجر به فروپاشی جزئی و یا کلی سازه می‌شود، اطلاق میشود. مطالعات صورت گرفته در رابطه با خرابی‌های سیستم‌های سازه‌ای در سال‌های اخیر، اهمیت پدیده‌ی خرابی پیش رونده ناشی از بارگذاری غیر عادی هم چون ضربات تصادف، زمین لرزه، انفجار و… را مشخص می‌‌سازد. لازم به ذکر است راهبرد‌هایی برای طراحی در برابر گسیختگی پیش رونده به منظور جلوگیری یا کاهش وقوع خرابی پیش رونده در اسناد دولتی آمریکا مانند GSA و UFC ارائه شده است. ‌

خرابی پیش رونده یک پدیده فاجعه بار سازه‌ای است که می‌تواند بر اساس سهل انگاری‌های انسانی ‌یا حوادث طبیعی اتفاق بیفتد. در آن خرابی موضعی یک عضو سبب تغییر شکل‌های قابل توجهی شده و‌ منجر به انهدام سازه میشود.

‌تخريب پیش‌رونده از عوامل اصلی افزايش قابل ملاحظه خسارات بر اثر بارهای خاص، نظير بارهای لرزه‌ای، بارهای انفجاری است.قابل ذکر است که در شرایط خاص اثرات ناشی از آتش‌سوزی روی اجزای سازه‌ای (نظیر واقعه ناگوار ساختمان پلاسکو) نیز منجر به بروز تخریب پیش‌رونده می‌شود.

تخریب پیش‌رونده هنگامی روی می‌دهد که به دلیل نوع بارگذاری بخش محدودي از سازه تحت تاثير قرار گرفته و خسارت اولیه در آن ایجاد می‌شود، و در صورتي که سازه در برابر تخريب پیش‌رونده دچار ضعف باشد، تخریب‌های اولیه گسترش يافته و سبب فروريزش کل سازه می‌شود.با وقوع حریق در سازه و به دليل ضعف اجزای سازه‌ای ساختمان‌ها در برابر حریق و ایجاد خسارت در بخش‌هایی از آن، بار آن قسمت‌ها به سایر اعضاء وارد می‌شود.

همچنین به دلیل حرارت بالای ناشی از آتش، ظرفیت باربری اعضاء نیز به طور عمومی تا حد زیادی کاهش‌ یافته و در نتیجه شرایط برای تخریب ‌دومینو وار‌ (در صورتی که این شرایط در طبقات بالاتر ساختمان ایجاد شود)، یا همان تخريب پیش‌رونده، فراهم می‌شود.در صورت در نظر گرفتن موضوع تخريب پیش‌رونده در طراحی سازه می‌توان به شکل قابل توجهی از توسعه خسارت اوليه در سازه جلوگيری کرد و ضررهای جانی و مالی حوادث احتمالی را تا حد زیادی کاهش داد.

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.Amy L. Linsebigler, Guangquan Lu, John T. Yates Jr. “ Photocatalysis on TiO2 surfaces: Principles, mechanisms, and selected results” Chem, Rev. pp.735-758, (1995).

4.http://www.nanoforum.org