إطار فولاذي

الهيكل الفولاذي هو أسلوب بناء يعتمد على هيكل أساسي يتكون من أعمدة فولاذية رأسية وعوارض فولاذية أفقية على شكل حرف I ، مُرتبة على شكل شبكة مستطيلة لدعم الأرضيات والسقف والجدران، حيث تُثبّت جميعها على هذا الهيكل. وقد ساهم تطوير هذه التقنية في بناء ناطحات السحاب . ^{[ 1 ]} وقد حلّ الهيكل الفولاذي محلّ الهيكل الحديدي في أوائل القرن العشرين. ^{[ 2 ]}

يأخذ المقطع العرضي للأعمدة الفولاذية شكل حرف " I " . تكون شفتا العمود العريضتان أكثر سمكًا وعرضًا من شفتي الكمرة لتحمل إجهاد الضغط في الهيكل بشكل أفضل. يمكن أيضًا استخدام مقاطع فولاذية أنبوبية مربعة أو مستديرة، وغالبًا ما تُملأ بالخرسانة. تُربط الكمرات الفولاذية بالأعمدة باستخدام البراغي والمسامير الملولبة، وكانت تُربط تاريخيًا باستخدام المسامير البرشامية . غالبًا ما يكون الجزء المركزي من الكمرة الفولاذية على شكل حرف I أعرض من الجزء المركزي من العمود لمقاومة عزوم الانحناء العالية التي تحدث في الكمرات.

يمكن استخدام ألواح عريضة من الفولاذ لتغطية الجزء العلوي من الهيكل الفولاذي كقالب أو قالب مموج ، أسفل طبقة سميكة من الخرسانة وقضبان التسليح الفولاذية . ومن البدائل الشائعة الأخرى استخدام أرضيات من وحدات خرسانية مسبقة الصب مع طبقة خرسانية علوية. في كثير من الأحيان، في المباني المكتبية، يتم توفير سطح الأرضية النهائي بواسطة نظام أرضيات مرتفع، حيث تُستخدم المساحة بين سطح المشي والأرضية الهيكلية لتمرير الكابلات وقنوات التهوية.

يجب حماية الهيكل من الحريق لأن الفولاذ يلين عند درجات الحرارة العالية، مما قد يتسبب في انهيار جزئي للمبنى. في حالة الأعمدة، يتم ذلك عادةً بتغليفها بنوع من الهياكل المقاومة للحريق، مثل البناء أو الخرسانة أو ألواح الجبس. أما العوارض، فيمكن تغليفها بالخرسانة أو ألواح الجبس أو رشها بطبقة عازلة لعزلها عن حرارة الحريق، أو حمايتها بسقف مقاوم للحريق. كان الأسبستوس مادة شائعة الاستخدام في عزل الهياكل الفولاذية ضد الحريق حتى أوائل سبعينيات القرن الماضي، قبل أن تُفهم المخاطر الصحية لألياف الأسبستوس فهمًا كاملًا.

تُثبّت الواجهة الخارجية للمبنى على الهيكل باستخدام تقنيات بناء متنوعة، وباتباع أنماط معمارية متعددة . وقد استُخدمت مواد مختلفة لتغطية الهيكل لحماية الفولاذ من عوامل الطقس، كالقرميد والحجر والخرسانة المسلحة والزجاج المعماري والصفائح المعدنية والطلاء. ^{[ 3 ]}

تُعرف الإطارات الفولاذية المشكلة على البارد أيضًا باسم الإطارات الفولاذية خفيفة الوزن (LSF).

يمكن تشكيل صفائح رقيقة من الفولاذ المجلفن على البارد لتكوين دعامات فولاذية تُستخدم كمادة بناء إنشائية أو غير إنشائية للجدران الخارجية والفاصلة في مشاريع البناء السكنية والتجارية والصناعية (كما هو موضح في الصورة). يتم تحديد أبعاد الغرفة باستخدام مسار أفقي يُثبّت في الأرضية والسقف لتحديد حدود كل غرفة. تُرتّب الدعامات الرأسية في المسارات، بمسافة 410 مم (16 بوصة) عادةً ، وتُثبّت من الأعلى والأسفل. 

تُستخدم عادةً في الإنشاءات السكنية مقاطعٌ نموذجيةٌ مثل الدعامات على شكل حرف C والمسارات على شكل حرف U، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من المقاطع الأخرى. تُصنع عناصر الهيكل عادةً بسماكة تتراوح بين 12 و25 مقياسًا . تُستخدم السماكات الكبيرة، مثل 12 و14 مقياسًا، عندما تكون الأحمال المحورية (الموازية لطول العنصر) عالية، كما هو الحال في الإنشاءات الحاملة. أما السماكات المتوسطة إلى الكبيرة، مثل 16 و18 مقياسًا، فتُستخدم عادةً عندما لا توجد أحمال محورية ولكن توجد أحمال جانبية كبيرة (عمودية على العنصر)، كما هو الحال في دعامات الجدران الخارجية التي تحتاج إلى مقاومة أحمال رياح عاتية على طول السواحل. بينما تُستخدم السماكات الصغيرة، مثل 25 مقياسًا، عندما لا توجد أحمال محورية وتكون الأحمال الجانبية خفيفة جدًا، كما هو الحال في الإنشاءات الداخلية حيث تعمل العناصر كإطارات للجدران الفاصلة بين الغرف. تُثبّت طبقة تشطيب الجدار على جانبي الحافة للدعامة، ويتراوح سمكها بين 32 و76 ملم ( 1 و 1 / 4 بوصة ) و3 بوصات (3 بوصات) ، ويتراوح عرض الشبكة بين 41 و356 ملم ( 1 و 5 / 8 بوصة) و14 بوصة (14 بوصة ) . تُزال أجزاء مستطيلة من الشبكة لتوفير منفذ لتمديدات الأسلاك الكهربائية.  

تُنتج مصانع الصلب صفائح فولاذية مجلفنة، وهي المادة الأساسية لتصنيع قطاعات الصلب المشكلة على البارد. تُشكّل هذه الصفائح بالدرفلة إلى القطاعات النهائية المستخدمة في الهياكل. تُطلى الصفائح بالزنك (تُجلفن) لزيادة الحماية من الأكسدة والتآكل . توفر الهياكل الفولاذية مرونة تصميمية ممتازة بفضل نسبة القوة إلى الوزن العالية للصلب، مما يسمح لها بالامتداد لمسافات طويلة، ومقاومة أحمال الرياح والزلازل .

يمكن تصميم الجدران ذات الهياكل الفولاذية لتوفير خصائص حرارية وصوتية ممتازة، ومن الاعتبارات المهمة عند البناء باستخدام الفولاذ المشكّل على البارد احتمال حدوث جسور حرارية عبر نظام الجدار بين البيئة الخارجية والمساحة الداخلية المكيفة. ويمكن الحماية من هذه الجسور الحرارية بتركيب طبقة عازلة خارجية مثبتة على طول الهيكل الفولاذي، تُعرف عادةً باسم "الفاصل الحراري".

تبلغ المسافة بين الدعامات عادةً 16 بوصة (40 سم) من المركز إلى المركز في الجدران الخارجية والداخلية للمنازل، وذلك حسب متطلبات التحميل المصممة. أما في المكاتب، فتبلغ المسافة 24 بوصة (610 مم) من المركز إلى المركز في جميع الجدران باستثناء جدران المصاعد والسلالم. 

تُصنع الإطارات المشكلة على الساخن، والمعروفة أيضًا باسم إطارات الصلب المدرفلة على الساخن ، من فولاذ يخضع لعملية تصنيع معقدة تُعرف بالدرفلة على الساخن. خلال هذه العملية، تُسخّن عناصر الصلب إلى درجات حرارة أعلى من درجة حرارة إعادة التبلور ( 930 درجة مئوية أو 1700 درجة فهرنهايت ). تُحسّن هذه العملية بنية حبيبات الصلب وتُرتّب شبكته البلورية. ثم يُمرّر الفولاذ عبر بكرات دقيقة للحصول على أشكال الإطار المطلوبة. ^{[ 4 ]}  

تتميز الإطارات المشكلة على الساخن بسماكة عوارضها الكبيرة وأبعادها الأوسع، مما يجعلها أكثر متانة مقارنةً بنظيراتها المشكلة على البارد. هذه المتانة تجعلها مناسبةً بشكل خاص للاستخدام في الهياكل الكبيرة، حيث تُظهر تشوهاً ضئيلاً عند تعرضها لأحمال كبيرة.

صحيح أن تكلفة العناصر الفولاذية المدرفلة على الساخن أعلى في الغالب مقارنةً بالفولاذ المدرفل على البارد، إلا أن كفاءتها الاقتصادية تتضح بشكل متزايد عند استخدامها في بناء الهياكل الكبيرة. ويعود ذلك إلى أن إطارات الفولاذ المدرفل على الساخن تتطلب عددًا أقل من العناصر لتغطية مسافات مماثلة، مما يُحقق مزايا اقتصادية في المشاريع الضخمة.

كان استخدام الفولاذ بدلاً من الحديد في الإنشاءات بطيئاً في البداية. بُني أول مبنى ذي هيكل حديدي، وهو مطحنة ديثرينغتون للكتان ، عام ١٧٩٧، ولكن لم يصبح إنتاج الفولاذ فعالاً بما يكفي ليصبح مادة شائعة الاستخدام إلا بعد تطوير عملية بسمر عام ١٨٥٥. توفرت أنواع الفولاذ الرخيصة، التي تتميز بقوة شد وضغط عالية وليونة جيدة، منذ حوالي عام ١٨٧٠، إلا أن الحديد المطاوع والحديد الزهر استمرا في تلبية معظم الطلب على منتجات البناء الحديدية، ويعود ذلك أساساً إلى صعوبات إنتاج الفولاذ من الخامات القلوية. وقد حلّ سيدني جيلكريست توماس هذه الصعوبات، التي كانت ناجمة بشكل رئيسي عن وجود الفوسفور، عام ١٨٧٩.

لم يبدأ عصر البناء القائم على الفولاذ الطري الموثوق به إلا في عام 1880. وبحلول ذلك التاريخ، أصبحت جودة الفولاذ المنتج متسقة إلى حد معقول. ^{[ 5 ]}

كان مبنى هوم إنشورانس ، الذي اكتمل بناؤه عام 1885، أول مبنى يستخدم هيكلًا هيكليًا، مما أدى إلى إلغاء وظيفة تحمل الأحمال لكسوته الحجرية تمامًا. في هذه الحالة، تُدمج الأعمدة الحديدية في الجدران فقط، ويبدو أن قدرتها على تحمل الأحمال ثانوية مقارنةً بقدرة البناء الحجري، لا سيما فيما يتعلق بأحمال الرياح. أما في الولايات المتحدة، فكان أول مبنى ذي هيكل فولاذي هو مبنى راند ماكنالي في شيكاغو، الذي شُيّد عام 1890.

كان مبنى التأمين الملكي في ليفربول ، الذي صممه جيمس فرانسيس دويل عام 1895 (وتم تشييده بين عامي 1896 و1903)، أول مبنى يستخدم هيكلاً فولاذياً في المملكة المتحدة. ^{[ 6 ]}

• إطار مدعم مقاوم للانبعاج (BRBF)
• الجدار الستائري (معماري)
• المباني الجاهزة
• مبنى فولاذي
• الفولاذ الإنشائي
• المتانة الهيكلية
• هيكل نسيج مشدود

• بوسيل، مايكل (15 أبريل 2008). "استخدام الحديد والصلب في المباني". الهياكل والإنشاءات في صيانة المباني التاريخية (ملف PDF) . أكسفورد، المملكة المتحدة: بلاكويل للنشر المحدودة. doi : 10.1002/9780470691816.ch10 . ISBN 978-0-470-69181-6.

• التطور التاريخي للحديد والصلب في المباني
• "ها هي ذي – المباني الفولاذية بالكامل." مجلة العلوم الشعبية الشهرية ، نوفمبر 1928، ص  33.
• موقع جمعية صناعة الهياكل الفولاذية
• موقع تحالف صناعة الهياكل الفولاذية
• معلومات من الجمعية البريطانية لأعمال الصلب الإنشائية / SCI