روش محاسبه ی مقاومت کششی میلگرد

روش محاسبه ی مقاومت کششی میلگرد

استحکام کششی یا مقاومت کششی میلگرد از جمله مشخصه های آن است که در محاسبات طراحی کاربرد بسیار زیادی دارد. استحکام کششی میلگرد به صورت حداکثر تنشی که میلگرد پیش از افزایش طول می تواند تحمل کند تعریف می شود. استحکام کششی میلگرد به وسیله انجام آزمایش و به کمک تجهیزات خاص مشخص می شود اما کارخانه های بزرگ با انجام آزمایشاتی مشخصات میلگردهای تولیدی خود را به اطلاع خریداران می رسانند و نیازی به مشخص کردن استحکام کششی برای میلگردهای ارائه شده توسط آن کارخانه نیست. 

مقدمه

استحکام کششی یا مقاومت کششی (Tensile Strength) میلگرد و مقاومت فشاری (Compressive Strength) بتن دو فاکتور بسیار مهم در طراحی سازه‌ها هستند. این دو عامل تأثیر مستقیم بر ایمنی و دوام ساختمان‌ها دارند. در این مقاله، به‌طور کامل مفهوم استحکام کششی میلگرد، نحوه اندازه‌گیری، استانداردهای مربوطه و تأثیرات آن بر طراحی‌های سازه‌ای را بررسی خواهیم کرد.

استحکام کششی یا مقاومت کششی (Tensile Strength) میلگرد و مقاومت فشاری (Compressive Strength) بتن دو فاکتور بسیار مهم هستند که در طراحی ها مورد توجه قرار می گیرند.

از میلگرد (Rebar) در جایی که بتن در معرض تنش های کششی (Tensile Stress) قرار دارد و همچنین زمانی که به اندازه کافی برای تحمل بارهای وارد شده استحکام ندارد استفاده می شود. اما میلگرد در برابر نیروهای فشاری ضعیف عمل می کند. بنابراین فولاد به عنوان یک جز سازه ای برای عملکرد موثرتر با بتن به کارگرفته می شود.  قرار گرفتن بتن و میلگرد در کنار یکدیگر بهترین عملکرد ممکن را به وجود می آورد.

در زیر می توانید یک نمونه از نمودار تنش-کرنش میلگردهای تقویت کننده را مشاهده کنید.

آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:

• مقاومت کششی میلگرد چیست؟
• تغییرات استحکام کششی میلگرد
• چگونه استحکام کششی میلگرد مشخص می شود؟
• نیازهای طراحی

استحکام کششی میلگرد چیست؟

استحکام کششی میلگرد مقدار بیشینه تنشی است که یک میلگرد می‌تواند قبل از شکست تحمل کند. هنگامی‌که نیروی کششی به میلگرد اعمال می‌شود، ابتدا میلگرد در ناحیه الاستیک قرار دارد، اما پس از عبور از نقطه تسلیم (Yielding Point) وارد ناحیه پلاستیک می‌شود و نهایتاً با رسیدن به حداکثر تنش، دچار شکست خواهد شد.

مقاومت کششی میلگرد چیست؟

شکل بالا نمونه ای از یک منحنی تنش-کرنش است که برای میلگرد رسم شده است. در ابتدا نمودار یک خط صاف است و بعد از یک نقطه که ما به آن نقطه تسلیم (Yielding Point) می گوییم  نمودار غیر خطی می شود. مقدار استرس ماکزیمم ( استرس نهایی) که یک میلگرد زمانی که ازدیاد طول می دهد در معرض آن قرار می گیرد را استحکام کششی میلگرد می گویند.

استحکام نهایی نقطه ی اوج نمودار است و پس از آن تنش همانطور که در شکل قابل مشاهده است کاهش می یابد. استحکام کششی میلگرد فاکتور بسیار مهمی ست که در طراحی های غیر خطی لازم است طراح از آن اطلاع داشته باشد.

در طراحی خطی استحکام میلگرد عموما حداکثر تا نقطه تسلیم در نظر گرفته می شود. هر چند زمانی که مهندسان بر طراحی غیر خطی تمرکز دارند بیشترین تنشی را که میلگرد بدون شکست می تواند تحمل کند لحاظ می کنند.

در طراحی زمین لرزه، طراحی بارهای انفجاری، طراحی بارهای تصادفی و ... در بیشتر مواقع طراحی ها بر اساس ناحیه غیر خطی انجام می شود.

نمودار تغییرات استحکام کششی میلگرد

زمانی که استحکام یک میلگرد افزایش می یابد، افزایش طول آن کاهش می یابد. بنابریان افزایش طول یا کرنش کمتری لازم است تا به تنش نهایی کشش برسد.

در شکل زیر می توانید مشاهده کنید که با افزایش استحکام کشش که ناشی از افزایش کلاس فولاد است مقدارکرنش لازم برای رسیدن به نقطه ی شکست کاهش یافته است.

نمودار تنش-کرنش میلگرد

مراحل مختلف نمودار تنش-کرنش:

ناحیه الاستیک: در این بخش، تنش و کرنش متناسب بوده و تغییر شکل پس از حذف نیرو بازمی‌گردد.

نقطه تسلیم (Yield Point): از این نقطه، تغییر شکل دائمی آغاز می‌شود.

ناحیه پلاستیک: کرنش افزایش می‌یابد، اما تنش تغییر زیادی نمی‌کند.

نقطه تنش نهایی (Ultimate Tensile Strength - UTS): حداکثر تنشی که میلگرد می‌تواند تحمل کند.

ناحیه کاهش مقطع (Necking): سطح مقطع میلگرد کاهش می‌یابد و استحکام آن کاهش می‌یابد.

نقطه شکست (Breaking Point): میلگرد کاملاً شکسته می‌شود.

چگونه استحکام کششی میلگرد مشخص می شود؟

در ابتدا لازم است تا یک نمونه ی مناسب برای تست انتخاب شود. انتخاب نمونه بر اساس استاندارد انجام می شود. به عنوان نمونه مطابق با استاندارد BS 4449:2005 سه نمونه برای هر قطر برای هر 30 تن می بایست تست شود.

ماشین هایی نیز که برای تست مورد استفاده قرار می گیرند متنوع هستند. نمونه ی زیر یک نمونه ی کلی از این ماشین ها را نشان می دهد.

همانطور که در شکل مشخص است نمونه درون فک های دستگاه قرار داده می شود و تحت نیروی کششی که از طرف دستگاه وارد می شود قرار می گیرد تا دچار شکست شود. همزمان اطلاعات مربوط به نیروی کششی وارد شده به نمونه و افزایش طول آن ثبت می شود.

در زیر می توانید نمودار مربوط به رابطه تنش-کرنش را برای درک بهتر استحکام کششی میلگرد مشاهده کنید.

• هنگامی که نیرو به میلگرد اعمال می شود، مقدار کرنش تدریجا افزایش می یابد. تا نقطه ی A، تنش و کرنش با هم متناسب هستند و افزایش و کاهش بار وارد شده در این محدوده هیچ گونه تغییر شکلی در میلگرد ایجاد نمی کند.
• نسبت تنش و کرنش در این محدوده به عنوان مدول الاستیسیته شناخته می شود.
• افزایش در بار باعث می شود تا به نقطه B برسیم که به آن نقطه تسلیم (Yield Point) می گویند. در این نقطه تسلیم میلگرد آغاز می شود. تنشی که در آن تسلیم آغاز می شود را استحکام تسلیم می نامند.
• از نقطه B تا C ناحیه تسلیم میلگرد است که در آن کرنش با تغییر کم تنش به میزان بیشتری افزایش می یابد و به معنای تغییر شکل پلاستیک (Plastic Deformation) در میلگرد است.
• پس از نقطه تسلیم ساختار کریستالی ماده تغییر می کند و نسبت به تغییر شکل مقاوم تر می شود. بنابراین تنش بیشتری لامز است تا باعث ایجاد تغییر شکل پلاستیک پس از نقطه C شود. این پدیده سخت شدگی کرنشی (Strain Hardening) نامیده می شود. در انتهای این فرایند بار به میزان ماکزیمم خود می رسد.
• تنش ماکزیمم در نقطه D استحکام کشش نهایی ست که پیش از کاهش تنش به آن میرسیم.
• کشیدن میله بعد از نقطه D باعث می شود تا سطح مقطع میلگرد کاهش یابد. این کاهش ناحیه ای در سطح مقطع به عنوان باریک شدگی، گلویی شدن (Necking) نامیده می شود.
• با کاهش در مساحت سطح مقطع، ظرفیت حمل بار میلگرد به طور قابل توجهی کاهش می یابد و نهایتا منجر به شکست نمونه در نقطه E می شود. استحکام میلگرد در در این نقطه به عنوان استحکام یا مقاومت شکست (Breaking Strength) شناخته می شود.
• علاوه بر این یک ناحیه دیگر نیز در نمودار وجود دارد که با خط چین نماش داده شده است. میزان تنش-کرنش واقعی از مقداری که نشان داده شده است بیشتر است.

همانطور که در بالا گفته شد مقدار ماکزیمم تنش که میلگرد تحمل می کند به عنوان استحکام کشش نهایی ( Ultimate Tensile Strength)شناخته می شود.

نیازهای طراحی

براساس استاندارد BS 4449:2005 هیچ محدودیتی در میزان استحکام کششی میلگرد وجود ندارد. هر چند استانداردی مانند ASTM مقدار حداقل آن را بر اساس گرید میلگرد مشخص نموده است.

جدول زیر مقدار این مقادیر را نشان میدهد.

مشخصه	گرید	تنش %	استحکام تسلیم MPa		استحکام کششی MPa	معیار	افزایش طول %
			Min	Max	Min		Min
BS 4449	250	0.33	250	275		5 d	22
BS 4449	460	0.43	460	510		5 d	12
BS 4482	460	0.43	460			5.65	12
ASTM A 706M	400	0.34	400	540	550	200 mm	14 برای سایزهای 10، 15 و 20 12 برای سایزهای 25، 30 و 35 10 برای سایزهای 45 و 55
ASTM A 615M	300	0.5	300		500	200 mm	11 برای سایز 10 12 برای سایز 15 و 20
ASTM A 615M	400	0.5	400		600	200 mm	9 برای سایز 10، 15 و 20 8 برای سایز 25 7 برای سایز 30، 35، 45 و 55
ASTM A 615M	500	0.35	500		700	200 mm	6 برای سایزهای 35، 45 و 55

تغییرات استحکام کششی میلگرد

هنگامی که استحکام کششی میلگرد افزایش یابد، میزان افزایش طول آن کاهش می‌یابد. بنابراین، میلگردهایی که دارای استحکام بالاتری هستند، کرنش کمتری را تجربه می‌کنند.

نحوه تعیین استحکام کششی میلگرد

برای تعیین استحکام کششی میلگرد، از آزمون کشش استفاده می‌شود. این آزمون شامل مراحل زیر است:

انتخاب نمونه استاندارد: طبق استاندارد BS 4449:2005، برای هر 30 تن میلگرد، سه نمونه تست می‌شود.

قرارگیری در دستگاه تست کشش: نمونه درون فک‌های دستگاه قرار گرفته و تحت نیروی کششی قرار می‌گیرد.

ثبت داده‌ها: میزان نیروی اعمال‌شده و تغییرات طولی نمونه ثبت شده و نمودار تنش-کرنش ترسیم می‌شود.

استانداردهای استحکام کششی میلگرد

استانداردهای مختلفی برای تعیین حداقل و حداکثر استحکام میلگرد وجود دارند. در جدول زیر، مقادیر استاندارد برخی گریدهای میلگرد آورده شده است:

استاندارد	گرید	استحکام تسلیم (MPa)	استحکام کششی (MPa)	افزایش طول (%)
BS 4449	250	250	275	22
BS 4449	460	460	510	12
ASTM A706M	400	400	540-550	14 (برای سایزهای 10، 15، 20)
ASTM A615M	500	500	700	6 (برای سایزهای 35، 45، 55)

اهمیت استحکام کششی میلگرد در طراحی سازه

طراحان سازه در طراحی‌های خطی معمولاً مقدار تنش را تا نقطه تسلیم در نظر می‌گیرند. اما در طراحی‌های غیرخطی، تنش نهایی میلگرد نیز مورد توجه قرار می‌گیرد. طراحی غیرخطی در موارد زیر اهمیت بیشتری دارد:

طراحی مقاوم در برابر زلزله

طراحی بارهای انفجاری

طراحی بارهای تصادفی

نتیجه‌گیری

استحکام کششی میلگرد یکی از مهم‌ترین فاکتورهای طراحی سازه‌های بتنی است. با شناخت دقیق خواص مکانیکی میلگرد، می‌توان طراحی‌های ایمن و بهینه‌تری ارائه داد. همچنین رعایت استانداردهای بین‌المللی در تولید و استفاده از میلگرد، موجب افزایش دوام و کارایی سازه‌ها خواهد شد.

---