دوام قاب‌ بندی‌ فولاد گالوانیزه در ساختمان‌های مسکونی

انجمن بین‌المللی روی (IZA) مطالعه‌ای بر روی دوام قاب بندی فولادی گالوانیزه در ساختمان‌های مسکونی انجام داد. در این پژوهش نرخ خوردگی پوشش آلیاژ (روی) در نمونه‌های قاب‌ بندی فولادی استفاده‌ شده در محیط مختلف چهر خانه در ایالات‌ متحده و کانادا در طول دوره ده ساله اندازه‌ گیری شد. مرکز تحقیقات NAHB پیمانکار این پژوهش بود.
این گزارش توسط مرکز تحقیقات NAHB، یکی از شرکت‌های وابسته انجمن ملی سازندگان خانه (NAHB) در ایالات‌ متحده و با حمایت انجمن بین‌ المللی فلز روی ته شده است.

این گزارش ها بر پایه ی داده‌ های خوردگی‌ بیان می‌شود. گزارش ده ساله بازیابی نمونه مرکز تحقیقات NAHB در ژانویه 2009 ارائه شده است. این آزمایش در مورد قاب بندی فولادی در ایالات‌ متحده در شهرهای میامی واقع در فلوریدا، لئونارد تاون واقع در مریلند، لانگ بیچ آیلند واقع در نیوجرسی و در کانادا در شهر همیلتون واقع در انتاریو انجام شد. در هر مکان نمونه‌های آزمایشی متعددی در داخل ساختمان و در برخی موارد خارج از ساختمان نصب شد. نمونه‌های آزمایشی شامل خرپاهای سقف، سیستم‌های کف، دیوارها و سطح بالکن‌ها بودند.

انداره گیری دوام قاب بندی فولادی

اندازه‌گیری‌های ده ساله استهلاک پوشش در چهار مکان نشان می‌دهد که کاهش جرمی در همه نوع از پوشش‌های موجود در نمونه‌ها مانند دیوارها، اتاق‌های زیر شیروانی، تیرچه‌های کف ناچیز بوده است. با وجود اینکه محاسبه طول عمر بر پایه کاهش وزن بسیار کم پوشش که در این پژوهش یافت شده دقیق نیست، اما براساس نرخ خوردگی پوشش اندازه‌گیری‌شده می‌توان پیش‌بینی کرد که عمر پوشش در قاب‌بندی‌ های دیوار، کف و سقف بین 300 سال تا بیش از 1000 سال دوام می‌یابد.

بعضی از سازه‌های نمونه‌های آزمایشی به طور عمدی در معرض شرایط وخیم‌ تر مانند زیر سطح بالکنی در فضای باز و یا در فضایی مشرف به آب‌های جزر و مدی قرار گرفتند. در این نمونه‌ها نرخ خوردگی بالاتری مشاهده شد، اما همچنان عمر پوشش آن‌ ها بیش از 150 سال بود. قاب بندی فولادی برای استفاده در فضای باز مانند زیر سطح بالکن توصیه نمی‌شود. برای منطقه نزدیک به ساحل یا سایر مکان‌های نزدیک به آب با شرایط وخیم، فولادی که در معرض تهویه و رطوبت هوا قرارداد باید پوشش قوی‌ تری داشته باشد تا عمر آن به میزان قابل‌توجهی افزایش یابد.

دوام قاب بندی فولادی در اقلیم ها و شرایط جغرافیایی متفاوت

چهار مکان انتخاب‌شده برای آزمایشی در جدول 1 توضیح داده شده است. این مکان‌ها گستره‌ای از انواع اقلیم‌‌ها و انواع ساختمان‌های معمولی را برای هر منطقه ارائه می‌کنند و به گونه‌ای انتخاب شدند که نتایج میدانی برای طیف وسیعی از خانه‌ها و اقلیم‌ها قابل‌استفاده باشد. در هر مکان تعدادی از نمونه‌های آزمایشی در قسمت‌هایی از ساختمان نصب شدند که معمولا از اسکلت‌های فولادی استفاده می‌شد به‌عنوان‌مثال، خرپاهای سقف، سیستم‌های کف، دیوارها. همچنین مکان‌های مورد آزمایش در همیلتون و لانگ بیچ آیلند مجهز به سیستم‌های نمایشگر الکترونیکی بودند که دمای سطح، رطوبت نسبی و زمان ایجاد رطوبت را در طول سال اول آزمایش اندازه‌گیری می‌کردند و ثبت می‌نمودند. این داده‌ها جمع‌آوری شدند تا تعیین کنند که آیا شرایط حرارتی و رطوبتی وجود دارد که اجازه دهد بر روی اجزای فولادی در ساختمان تراکم ایجاد شود یا خیر.

نمونه‌های خوردگی در قابندی فولادی

نمونه‌های خوردگی شامل پوشش روی گالوانیزه، پوشش آلیاژی 55 درصد آلومینیوم-روی Galvalume و پوشش آلیاژی آلومینیوم با 5 درصد روی Galfan بودند. این پوشش‌ها به شکل صفحات مسطح در ابعاد 10 سانتی‌متر در 10 سانتی‌متر 3.9 اینچ در 3.9 اینچی و قسمت‌هایی از ناودانی C شکل 25 میلی‌متری 1 اینچی بودند. صفحات مسطح امکان تعیین مشخص‌تری از مساحت نمونه را فراهم می‌کرد، بنابراین اندازه‌گیری دقیق‌تری از نرخ خوردگی انجام می‌داد.

این نرخ خوردگی از کاهش جرم نمونه‌هایی که در معرض شرایط خوردگی قرار گرفتند، اندازه گیری شد شکل 1. نمونه‌های ناودانی C شکل برای بررسی عملکرد خوردگی در لبه‌ها و خم‌های ناودانی نصب شدند. در هر دوی این نمونه‌ها، دو طرف و لبه‌ها به طور کامل در معرض دید بودند. مشخصات ضخامت و وزن پوشش اندازه‌گیری شده در این نمونه‌ها در جدول 2 ارائه شده است. ضخامت پوشش در ستون 5 بر اساس جرم اندازه‌گیری‌شده پوشش در ستون 4 محاسبه شده است.

آزمایش‌های پوشش انجام شده در ASTM A90/A90M نشان داد که همه جرم‌های پوشش واقعی ستون 4 بالاتر از حداقل مشخصات مورد نیاز بودند. نمونه‌ها به منظور تجزیه‌وتحلیل در جای خود نصب‌شده و به مدت یک، سه، پنج، هفت و ده سال در معرض شرایط خوردگی قرار گرفتند. نمای کلی محل نصب نمونه‌ها در چهار مکان در جدول 3 ارائه شده است.

 ویژگی‌های پوشش نمونه

نتایج دوام قاب بندی فولادی

بازیابی نمونه و محاسبات نرخ خوردگی آن‌ها در فواصل یک، سه، پنج، هفت و ده ساله انجام شد. این محاسبات نرخ خوردگی با تعیین مقدار حذف ناشی از خوردگی در نمونه‌ها و اندازه‌گیری وزن کاهش‌یافته در آن‌ها مطابق با استاندارد ASTM G1 انجام شد. نتایج بازیابی ده ساله نمونه‌ها حاکی از آن است که وزن کاهش‌یافته در صفحات برای همه انواع پوشش‌ها در مکان‌های مختلف و شرایط در معرض خوردگی قرارگیری معمولی، بین 0.02 تا 0.06 گرم متغیر است. طبق جدول 2، مقدار پوشش روی یا آلیاژ روی در صفحات نمونه به ترتیب 2 تا 3 گرم است (100 سانتی‌متر مربع 0.01 متر‌مربع است). بنابراین در طول دوره 10 ساله تنها 1 الی 2 درصد از پوشش روی یا آلیاژ روی اکسید شد. این درصد نشان از طول عمر بسیار قابل‌توجهی برای پوشش‌های روی و آلیاژ روی می‌دهد، بنابراین فولاد زیر این پوشش به‌خوبی محافظت می‌شود.
برای نمونه‌هایی که در معرض محیطی با شرایط نیمه خوردگی قرار داشتند، مانند اتاق زیر سقف باز در لئونارد تاون یا زیر سطح بالکن در فضای باز، حذف پوشش به طور قابل‌توجهی بیشتر بود و مقدار بین 0.05 تا 0.15 گرم پس از 10 سال مشاهده شد. حتی در این شرایط نیمه خوردگی نیز می‌توان انتظار داشت که پوشش‌ های روی و آلیاژ روی بیش از 150 سال دوام داشته باشند.

داده‌ های محیطی جمع‌آوری‌ شده از مکان‌ های همیلتون و نیوجرسی در سال اول این آزمایش نشان دادند که نمونه‌ها و ریزمحیط‌های آن‌ها مثلا حفره‌ای در دیوار در طول یک سال خشک باقی می‌مانند. این مشاهدات، کاهش وزن اندک اندازه‌گیری‌شده در تمام دوره‌های در معرض خوردگی که در این دو مکان گزارش شده‌اند را تصدیق می‌کند.

 خلاصه‌ای از نمونه‌های نصب‌شده

نتیجه گیری

خوردگی پوشش در هر چهار محل، برای همه نمونه‌ها (ناودانی‌ها و صفحات)، برای همه پوشش‌های نمونه (گالوانیزه، Galvalume و Galfan) و برای همه ساختار و مکان‌های نمونه (مانند فضاهای زیر سقف، دیوارها، اتاق زیر شیروانی و تیرچه‌ها) مقدار حداقل بود.
در نمونه‌های نصب‌ شده در حفره‌های دیوار و اتاق زیر شیروانی نرخ خوردگی کمتری مشاهده شد. زیرا در آن محیط‌ها قرارگیری در معرض خوردگی کمتر و شرایط مرطوب کنترل‌شده‌تر بودند. در مکان‌ هایی که در معرض سطوح بالاتر رطوبت و آلاینده‌های فضای باز قرار داشتند، مانند نمونه‌های نصب شده در سطح بالای پارکینگ اتومبیل در نیوجرسی یا نمونه‌های واقع در فضای زیر سقف مرطوب در لئونارد تاون، نرخ خوردگی پوشش بالاتری مشاهده شد.
برای مکان‌های با فضای بسته (دیوارها، اتاق‌های زیر شیروانی و کف) پیش‌بینی‌های انجام شده طول عمر پوشش بین 300 تا بیش از 1000 سال بود. برای مکان‌های بیرونی در معرض کامل خوردگی یا مکان‌های در معرض نیمه خوردگی که محیط‌هایی با رطوبت و آلاینده‌های بیرونی بالاتری هستند، همچنان طول عمر پوشش بر اساس نرخ خوردگی بالاتر بیش از 150 سال پیش‌ بینی می‌شود.
طول عمر نمونه‌های قاب بندی فولادی که در این پژوهش که با روی و آلیاژ روی پوشش داده شده‌اند، بسیار بالاتر از طول عمر ساختمان‌های مدرن است. نتایج حاصل از این پژوهش تطابق بالایی با نتایج پژوهشی مشابه که توسط کوروس در انگلستان انجام شد، دارد.

پیوست

مکان آزمایش میامی، فلوریدا

آزمایش میامی شکل 2 واقع در زیستگاهی برای توسعه شهری در جنوب غربی میامی بود که در آن‌جا 16 خانه از 90 خانه با تجهیزات قاب بندی فولادی شده بودند. این مکان سازه‌ای از قاب‌ بندی فولادی یک طبقه با دالی بر روی پی بود و همچنین دارای روکش تخته سه‌لایی با گچ‌بری بیرونی بود. ضخامت دیوار داخلی برابر 5/8 اینچ 16 میلی‌متر بود. اتاق زیر شیروانی دارای عایق شیشه‌ای R-30 با جهتی رو به کرافت رو به دیوار خشک بود. دیوارها نیز دارای عایق R-11 یا R-13 بودند و دارای 6 اینچ یا 152 میلی‌متر عرض بودند. اتاق زیر شیروانی دارای دریچه‌ های زیر زمینی برای تهویه هوا بود مجموع ۱۹ دریچه، هر دریچه ۲۲ اینچ در ۴ اینچ ۵۶ سانتی‌متر در ۲۰.۵ سانتی‌متر. در هیچ‌ کدام از دریچه‌ ها برجستگی وجود نداشت و یک دیواره کوچک در انتهای شیروانی در جلوی خانه قرار داشت.
خانه تهویه مطبوع داشت و نوع محیط در دسته مرطوب در خشکی طبقه‌ بندی شد. اگرچه این مکان در قسمت جنوبی فلوریدا بود، اما چندین مایل از آب‌ های بزرگ فاصله داشت. در نمای غربی خانه، جایی که حفره‌ های دیوار قرار داشتند، هیچ سایه از خانه نبود.
ساختارهای نمونه هم در اتاق زیر شیروانی شکل 3 و هم در دیوار بیرونی تعبیه شدند. نمونه‌ های موجود در اتاق زیر شیروانی از قاب سقف آویزان شدند و تهویه اتاق زیر شیروانی با دریچه‌ های زیر طاق موجود در سمت شرق و غرب خانه انجام می‌شد. نمونه‌های موجود در حفره دیواره در معرض هوا و رو به غرب، نمونه‌هایی بود که برای بازیابی در صفحه‌ های قابل‌ دسترسی تعبیه شده بودند. نمونه‌ها در عایق خمیر فایبرگلاس در حفره دیوار جای گذاری شدند.

مکان آزمایش لئونارد تاون، مریلند

خانه لئونارد تاون، در پایین رودخانه پوتوماک قبل از تخلیه به خلیج چساپیک واقع بود که دارای دو طبقه بود و تقریبا 75 فوت 23 متر از رودخانه فاصله داشت. در این مکان اغلب بادهای شدیدی از آب شور رودخانه به طرف خانه می‌وزید. دیوارها با ناودانی C شکل با ضخامت 0.043 اینچ 1.1 میلی‌متر قاب بندی فولادی شدند و در قاب‌ بندی سقف از خرپاهای فولادی استفاده شد.

تیرهای کف فولادی با چوب‌های فایبر گلاس R-19 در فضای زیر سقف استفاده و لایه‌ ای ترکیبی روی کف فضای زیر سقف نصب شد. اتاق زیر شیروانی با 11 اینچ 28 سانتی‌ متر سلولز دمشی عایق‌ بندی شد و با دریچه‌ های مرزی و زیر سقف تهویه می‌شد. دیوارها دارای چندین بخش شامل 5/8 اینچ 16 میلی‌متر دیوار خشک، سلولز مرطوب دمشیR-13 ، روکش OSB، 1 اینچ 25 میلی‌متر روکش فوم بدون فویل R-5، سد نفوذ هوا و پایه وینیل بودند. همه حمام‌ ها به طور مستقیم به بیرون تهویه می‌ شدند و ساختار با دریچه‌ های محیطی موجود دیواره اتاق تهویه می‌شد.

نتیجه آزمایش مریلند

نمونه‌ ها در اتاق زیر شیروانی، دیوار بیرونی، فضای زیر سقف و زیر سطح بیرونی بالکن در فضای باز نصب شدند. فضای زیر سقف شامل مجموعه‌ای از نمونه‌های معلق بود. این نمونه‌ها شامل ناودانی ساده بدون روکش بودند، که کاملا در معرض محیط بودند. این نمونه‌ها تنها پس از دو ماه در معرض قرار گرفتن دچار خوردگی گسترده‌ ای شدند که نشان‌ دهنده محیطی در معرض خوردگی شدید در فضای زیر سقف است.
نمونه‌ هایی نیز در زیر سطح بالکنی در فضای باز نصب شدند که نشان دادند این محیط، شدید ترین محیط در معرض خوردگی بود. بالکن بسیار در معرض آب اسپری‌ شده از طرف رودخانه قرار داشت و در واقع با چوب قاب‌ بندی شده بود. ساختار نمونه در زیر سطح بالکن داده‌هایی از محیطی بسیار در معرض ارائه کرد. توجه داشته باشید که C شکل‌های بدون پوشش در پس‌ زمینه، تنها پس از دو ماه قرار گرفتن در معرض خوردگی، زنگ قرمز را نشان می‌دهند.

مکان آزمایش همیلتون، انتاریو کانادا

خانه همیلتون، انتاریو تصویر 6 و 7 واحدی شهری و 2 طبقه بود. این خانه بر روی دال کف بتنی ساخته شده و واحدی در انتهای محیطی برای جامعه بازنشستگان واقع بود. همچنین دارای راهرویی در طبقه همکف بود و سه دیوار از چهار دیوار آن سیمانی بود و دیوار چهارم رو به شرق با اسکلتی فلزی بود. دیوارهای قاب‌ بندی شده به شرح زیر طراحی شدند: پوشش دیوار داخلی 5/8 اینچ 15 میلی‌متر دیوار خشک بود و پشت آن سد بخار ترکیبی نصب شده بود. دیوار ها با پوشش‌ های فایبرگلاس R-13 عایق‌ بندی شدند و روی قاب‌بندی، 1-4/1 اینچ 32 میلی‌متر روکش فوم R-7 بود. همچنین بیرون از روکش فوم شکاف هوایی 1 اینچی 25.4 میلی‌متر با روکشی آجری روی آن وجود داشت.

تاثیر رطوبت در ورقه های فولادی گالوانیزه

سه دیوار بتنی دارای بلوک بتنی 8 اینچی 203 میلی‌ متر بودند که قسمت‌های بالایی داخلی آن‌ ها با عایق 6 اینچی 152 میلی‌متر فایبرگلاس R-19 که دارای پوشش سد بخار ترکیبی بود، عایق‌بندی شده بودند. دیوار های پایه زیر نیز در قسمت بیرونی با غشای پلاستیکی جامدی محافظت می‌شدند که برای حفاظت از دیوارهای اسکلت خانه در برابر رطوبت خاک طراحی شده بود. عایق لبه دال محصولی از فوم R-28 بود. یک مسیر ضد رطوبت ترکیبی بین دیوار حامل واحد و مسیر پایین دیوار خارجی قرار داشت. سقف طبقه همکف بدون عایق بود.
اتاق زیر شیروانی با خرپا های سقف چوبی قاب‌ بندی شده بود و لایه‌ای از فایبرگلاس دمشی R-32 در اتاق زیر شیروانی وجود داشت. اتاق زیر شیروانی با دریچه‌های زیر سقف و یک دریچه مرزی تهویه می‌شد. نمونه‌های موجود در اتاق زیر شیروانی آویزان شدند و دماسنج‌ های ترمیستور برای ثبت دمای سطح فلز به یک طرف از هر نوع پوشش متصل شدند. دمای محیط اتاق زیر شیروانی و رطوبت نسبی اندازه‌گیری شدند و یک حسگر رطوبت زمانی بر روی نمونه گالوانیزه نصب شد تا بتواند درصد زمانی وجود لایه رطوبتی را ثبت کند. مشابه همین نصب در ساختار دیوار بیرونی نیز انجام شد.

مکان آزمایش قاب بندی فولادی در لانگ بیچ آیلند، نیوجرسی

مکان لانگ بیچ آیلند، نیوجرسی شکل 8 آخرین موردی بود که به مطالعه تحقیقاتی افزوده شد و نمونه‌هایی در سال 1998 در آن نصب شد. این مکان خانه‌ای ساحلی در ساحل نیوجرسی بود که با تپه شنی کم ارتفاعی به عرض تقریباً 4/1 مایل 400 متر از اقیانوس جدا می‌شود. این خانه در ابتدا یک سازه یک طبقه بود که با یک طبقه دیگر و سقفی جدید بازسازی شد و با فولاد سرد قاب‌ بندی شد. خانه به طور عمده در تابستان محل زندگی می‌شد و در زمستان خالی از سکنه می‌ماند.

سه ساختار نمونه در خانه نیوجرسی تعبیه شد. ساختار اول مجموعه کاملی از نمونه‌های ناودانی و صفحه بود که بین تیرهایی حامل طبقه اول قرار داشت. این مکان باید دارای خطر شدید شرایط خوردگی باشد، زیرا در برابر هوای نفوذی و شرایط بیرونی ایمن نبود. ساختار دوم روی سطح بالکن کنسولی قرار داشت که از طبقه دوم خانه آویزان و به سمت ساحل بود . قفسه‌های تیرچه زیر بالکن تخلیه شدند تا فرصتی را برای نسیم‌های اقیانوسی ایجاد شود و نمک و یا رطوبت اقیانوس بر روی نمونه‌ها رسوب دهند. ساختار نمونه سوم نیز در دیوار بیرونی قاب‌ بندی فولادی در طبقه دوم نصب شد.

هر سه ساختار نمونه در خانه در نیوجرسی مجهز به حسگر هایی برای اندازه‌گیری دمای سطح نمونه و همچنین رطوبت و دمای نسبی محیط شدند. اجزای ساختمان مانند ناودانی‌های دیوار و تیرچه‌های کف نیز از نظر دمای سطح بررسی شدند و ثبت شرایط طولانی‌مدت یک‌ساله از شرایط رطوبت و دما برای این مکان را ایجاد کردند.