مقاومت و تست کششی میلگرد

در یازده سپتامبر زمانی که هواپیماهای القاعده به برج‌های دوقلو اصابت کرد و برج‌ها فرو ریختند، نیروی ناشی از برخورد هواپیما نبود که باعث ریزش برج‌های دوقلو شد، بلکه از هم گسیختگی اتصالات ساختمانی در برابر حرارت زیاد باعث ریزش برج‌ها شد. مهندسین طراح این احتمال را داده بودند که امکان دارد برج دچار آتش‌سوزی شود، پس محاسبات خود را بر مبنای دمای معمولی آتش‌سوزی محاسبه کرده بودند اما دمای سوختن با بنزین آن هم بنزین هواپیما تا ۱۵۰۰ درجه می‌رسد، برای همین در محاسبات چنین دمایی در نظر گرفته نشده بود و همین دمای بالا باعث ریزش برج‌های دوقلو شده بود.
در طراحی یک سازه، مهندسین طراح حد کشش نهایی همه‌ مصالح را محاسبه کرده و بهترین استاندارد را برای سازه انتخاب می‌کنند. آن‌ها برای این ‌کار مصالح را در آزمایشگاه‌های مقاومت مصالح تحت نیروهای مختلف قرارداده و مقاومت‌های مختلف را به‌دست می‌آورند. به‌طور مثال یک ساختمان ۲۰ طبقه که در برابر جریان هوا و نیروی باد قرار می‌گیرد برای ایستادگی باید چه نوع فولادی با چه قطر و وزنی در ساختمان به کار گرفته شود تا ساختمان دچار تخریب نشود. یکی از این آزمایش‌ها که در ادامه بیشتر درباره‌ی آن خواهیم نوشت تست کشش است. تست کشش در صنعت ساختمان‌سازی برای میلگرد آزمایش می‌شود. البته تست کشش تنها آزمایش‌ها نیست بلکه شش آزمایش مختلف روی میلگرد انجام می‌شود در این مقاله ما به تست و مقاومت کششی میلگرد می‌پردازیم.

برای این ‌که مقاومت کششی یک میلگرد مشخص شود، میلگرد در آزمایشگاه تحت کشش‌های مختلف قرار می‌گیرد.
مطابق استاندارد ملی ایران 1-8103 قطعات باید طول میلگرد ۵ و یا ۱۰ برابر قطر میلگرد انتخاب شود. یعنی اگر یک قطعه‌ انتخابی قطرش ۲۰ میلی‌متر است، باید طول قطعه ۱۰۰ میلی‌متر باشد. زمانی که قطعه انتخاب شد، برای آزمایش در دستگاه‌های مخصوص تحت نیرو قرار می‌گیرد.

اهمیت مقاومت کششی میلگرد

در سازه‌های ساختمانی و در صنایعی که از میلگرد برای استحکام و تقویت سازه استفاده می‌شود، بسیار مهم است که مقاومت کششی میلگرد محاسبه شود زیرا آگاهی از مقدار مقاومت کششی یک میلگرد سبب می‌شود، تا مهندسین طراح از میلگردهای تقویتی و یا میلگردهای حرارتی برای تقویت بتن در ساختمان استفاده نمایند. به چند دلیل در صنعت ساختما‌ن‌سازی دانستن مقاومت کششی میلگرد اهمیت دارد.

1. میلگرد در ساختمان‌سازی برای تقویت بتن استفاده می‌شود و در نقاط مختلفی از ساختمان به ‌کار می‌رود. در میلگرد سه نوع مقاومت بررسی می‌شود، مقاومت کششی تسلیم، مقاومت کششی نهایی و تنش گسیختگی. تنش نهایی یا همان مقاومت کششی نهایی از تقسیم حداکثر نیرو بر سطح مقطع اولیه به ‌دست می‌آید. در بسیاری از اوقات میلگرد در برابر نیروی وارده‌ کششی دچار تغییر شکل می‌شود. این تغییر شکل در زمانی که میلگرد در سقف و یا دیوارهای بتنی استفاده می‌شود، امکان خطر و خرابی زیادی دارد.
2. شکستن میلگرد در برابر تنش کششی مثل نیروی زلزله بسیار اتفاق می‌افتد. برای همین آگاهی از مقاومت میلگرد در برابر نیروهای طبیعی مثل زلزله بسیار اهمیت دارد. زیرا مقاومت کششی بیان می‌دارد که یک میلگرد در برابر جه اندازه نیرویی دچار شکست می‌شود.

مقاومت کششی چیست؟

هر ماده‌ای که در جهان وجود دارد همواره خود را در برابر نیروهای طبیعت قرار می‌دهد. از نیروی جاذبه که بر همه‌ی اجسام وارد می‌شود، تا نیروی اصطکاک که حتی در زمان سکون یک ماده به مقدار کم وجود دارد و از حرکت جسم جلوگیری می‌نماید. نیروهای وارد بر یک جسم می‌تواند آن جسم را حرکت داده و یا باعث شکست آن جسم شود، به میزان تحملی که یک جسم در برابر نیروهای وارد بر خود تحمل می‌نماید نیروی مقاومت گفته می‌شود که اگر بخواهیم تعریفی علمی از شرحی که داده شد بنویسیم، باید به این شکل نوشته شود:

مقاومت یک جسم عبارت است از مقدار تحمل یک ماده در برابر نیروهای وارده برآن جسم بدون آن‌ که جسم دچار شکستگی و یا تغییر شکل شود.

در مکانیک مواد روی مقاومت ماده و میزان نیرویی که بر آن وارد می‌شود و باعث شکستگی و یا تغییر شکل می‌شود مطالعات زیادی انجام می‌شود. زمانی که یک بار یا نیرو بر یک ماده‌ مکانیکی وارد می‌شود نیروهای القایی در آن جسم شکل می‌گیرد. به اندازه‌ این نیروهای القایی بر سطح جسم تنش می‌گویند. تنش وارده بر یک جسم باعث شکست می‌شود. یکی از تنش‌هایی وارد شونده بر جسم که جسم در برابر آن مقاومت می‌نماید، تنش کششی (Tensile Stress) است که همان مقاومت کششی نیز می‌گویند. با وارد کردن نیروی کششی جسم دچار تغییر شکل الاستیک یا برگشت‌پذیر می‌شود و این تا نقطه تسلیم ادامه دارد، بعد از تنش تسلیم تا نقطه تنش کششی تهایی جسم دچار تغییر شکل پلاستیک یا برگشت نا‌پذیر شده و در نقطه مقاومت نهایی، حدکثر میزن تنش را تحمل می‌کند، بعد از آن باریک‌شوندگی یا گلویی شدن آغاز می‌شود و ماده در تنشی کمتر از تنش نهایی که همات تنش گسیختگی یا شکست است، می‌شکند.

بررسی مقاومت کششی انواع میلگرد

در صنایع فولادی روش‌های متفاوتی برای تولید میلگرد استفاده می‌شود جدای از روش‌های تولید، استانداردهای متفاوتی نیز برای تولید میلگرد به کار گرفته می‌شود این استانداردها در هر کشور و هر منطقه متفاوت است مثلا در اروپا که استاندارد DIN استفاده می‌شود چون اروپا منطقه‌ای کمتر زلزله‌خیز است برای همین مقاومت کششی در این استاندارد پایین‌تر است اما در کشوری مثل ژاپن که کشور زلزله‌خیز است مقاومت کششی میلگرد بالاتر است. در کشور ایران برای تولید میلگرد از استانداردهای مختلفی استفاده می‌شود. در کشور ما تولید میلگرد بیشتر بر اساس استاندارد روسی است، در این استاندارد میلگردها به سه شکل ظاهری مختلف تولید می‌شود:

میلگرد A1: سطح ظاهری این میلگرد صاف بوده و روی آن آج وجود ندارد. این میلگرد در آیین‌نامه‌ها در دسته‌ مقاومتی استاندارد S240 شناخته می‌شود. در نوع سختی به این میلگرد، میلگرد نرم نیز گفته می‌شود. مقاومت کششی این میلگرد ۳۸۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب است.

میلگرد A2: این میلگرد آجدار بوده، در آیین‌نامه‌ها در گروه مقاومتی S340 جای می‌گیرد و نسبت به میلگرد A1 مقاومت کششی بیشتری دارد. مقاومت کششی این میلگرد ۵۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب است.

میلگرد A3: این میلگرد نیز آجدار بوده اما شکل ظاهری میلگرد A3 با میلگرد A2 متفاوت است. شکل میلگرد A3 جناغی و یا هشتی بوده که همین تفاوت در ظاهر باعث شناسایی میلگرد A3 از دیگر میلگردها می‌شود. میلگرد A3 مقاومت بیشتری نسبت به میلگرد A1 و A2 دارد مقاومت کششی این میلگرد ۶۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب است. در آیین‌نامه‌ها استاندارد میلگرد A3 در رده‌ی مقاومتی S400 قرار می‌گیرد.

میلگرد A4: این میلگرد در رده‌ی مقاومتی S500 تعریف می‌شود و نوع آج آن مرکب است. حداقل مقاومت کششی این میلگرد ۶۵۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب است.

محاسبه مقاومت کششی انواع میلگرد

هنگامی که میزان مقاومت کششی یک میلگرد تعیین می‌شود، مشخص است که میلگرد به کار رفته در بتن تحت چه نیرویی است و در نتیجه محاسبات ضروری برای تقویت و یا به ‌کارگیری میلگرد با مقاومت بالاتر انجام می‌شود. برای این ‌که مقاومت کششی یک میلگرد مشخص شود، میلگرد در آزمایشگاه تحت کشش‌های مختلف قرار می‌گیرد.
مطابق استاندارد ملی ایران 1-8103 قطعات باید طول میلگرد ۵ و یا ۱۰ برابر قطر میلگرد انتخاب شود. یعنی اگر یک قطعه‌ انتخابی قطرش ۲۰ میلی‌متر است، باید طول قطعه ۱۰۰ میلی‌متر باشد. زمانی که قطعه انتخاب شد، برای آزمایش در دستگاه‌های مخصوص تحت نیرو قرار می‌گیرد. نحوه‌ آزمایش به قرار زیر است:

• نمونه طبق استاندارد برش داده می‌‌شود و نشانه‌گذاری می‌گردد، طول نشانه‌‌گذاری شده با کولیس اندازه‌گیری شده و L۰ نام دارد.
• نمونه‌ برش داده‌ شده بین دو فک قرار می‌گیرد. یک فک ثابت و فک دیگر متحرک است.
• ابتدا ناظر در یک سرعت ثابت میلگرد را تحت کشش قرار می‌دهد و تا جایی که میلگرد تغییر شکل می‌دهد نیرو وارد می‌شود.
• هم‌زمان با اندازه‌گیری تغییر طول تحت تاثیر نیرو این کار آنقدر ادامه می‎یابد تا میلگرد دچار گسست شود.
• پس از گسست نمونه باز شده و در راستای طول قطعه را به یکدیگر چسبانده می‌شود.
• فاصله‌ بین دو نشانه که L (L0 طول اولیه جسم است.) نامیده می‌شود، اندازه‌گیری می‌شود.
• از فرمول زیر ازدیاد طول و یا کرنش به‌دست آورده می‌شود.

• برای به‌ دست آوردن مقاومت تسلیم از قانون هوک استفاده می‌شود. طبق قانون هوک تنش تا لحظه رسیدن به تسلیم، از رابطه زیر به ‌دست می‌آید: 

σ در این رابطه تنش محسوب شده و E مدول الاستیسته است.

• زمانی که میلگرد تحت تنش قرار می‌گیرد نمودار نیر-جابه‌جایی را دستگاه داده و مکنحنی تنش-کرنش توسط مهندس یا اپراتور، رسم می‌شود. طبق این آزمایش‌ها نقاط زیر در یک نمودار تنش‌ کرنش به‌دست می‌آید:
  نقطه‌ B (طبق نمودار پایین) که حد تناسب نام دارد و نمودار تنش کرنش تا آن نقطه خطی است. از شیب این خط می‌توان مقدار E را طبق قانون هوک محاسبه نمود.
  نقطه C که به نقطه‌ تسلیم معروف است و از این نقطه به بعد میلگرد دچار تغییر شکل شده و اگر نیرو برداشته شود میلگرد به شکل اولیه‌ی خود برنمی‌گردد.

بعد از به‌دست آمدن مقدار مدول الاستیسته، عدد را در رابطه‌ی فوق گذاشته و تنش نهایی را به ‌دست می‌آوریم.

تست کشش میلگرد

در قسمت قبل تا حدودی با تست کشش انواع میلگرد آشنا شدید. در این قسمت تست کشش میلگرد به صورت کلی توضیح داده می‌شود. تست کشش میلگرد توسط دستگاه‌های مخصوص این کار انجام می‌شود و هدف از تست به‌ دست آوردن مقاومت نهایی کشش است. در تست کشش فولاد نمودار تنش کرنش رسم می‌شود.
در این تست میلگرد بین دو فک ماشین قرار گرفته و تحت نیروی مشخص کشیده می‌شود. عملکرد این ماشین به این صورت است که یکی از دو فک ثابت است و فک دیگر حرکت می‌نماید. ماشین‌آلات آزمایشگاهی به یک نرم افزار وصل هستند که منحنی نیرو-جابه‌جایی را رسم می‌نماید و در نهایت به کمک آن منحنی تنش-کرنشبه دست می‌آید. این منحنی تقریبا برای همه‌ اجسام از یک مدل خاص تبعیت می‌نماید. نقاطی روی این منحنی به‌دست می‌آید که این نقاط به پیدا کردن مقاومت کششی نهایی، تسلیم و شکست به مهندس طراح کمک می‌نماید.

نمودار تنش-کرنش

حد تناسب (نقطه‌ A):
اولین نقطه‌ای که روی منحنی مشخص می‌شود، نقطه حد تناسب است تا قبل از این نقطه تنش و کرنش با هم تناسب دارند و رابطه تنش و کرنش خطی است؛ به عبارتی به یک نسبت زیاد می‌شوند.
بعد از نقطه‌ اول که تنش و کرنش با یک تناسب بالا می‌رود. در نقطه‌ تسلیم فلز دچار تغییر شکل می‌شود اما این تغییر شکل دائمی نیست و در صورت توقف نیرو شکل به حالت اولیه برمی‌گردد.
نقطه‌ مقاومت نهایی (نقطه‌ D‌):
بعد از نقطه‌ تسلیم با افزایش تنش و کرنش زیاد شده و ماده رفتار پلاستیک از خود نشان می‌دهد، تا نقطه‌ای که بیشترین تنش را تحمل می‌کند و به آن نقطه مقاومت کششی نهایی می‌گویند.
‌نقطه‌ مقاومت شکست (نقطه‌ E):
بعد از نقطه مقاومت نهایی فلزات دچار باریک‌شدگی یا لاغرشوندگی می‌شود و در نهایت در نقطه مورد منظر که تنشی کمتر از تنش نهایی دارد می‌شکند. این نقطه آخرین نقطه رسم شده بر نمودار تنش کرنش است.
زمانی که روی یک میلگرد تست کشش انجام می‌گیرد، با مشخص کردن نقاط، تعیین می‌شود که عناصر در چه مرحله‌ای دچار چه تغییراتی می‌شوند و ما می‌توانیم محاسبه کنیم که میلگرد به کار گرفته شده در یک ساختمان تحت چه نیرویی دچار چه تغییری می‌شود.

جدول مقاومت کششی میلگرد

همانطور که بیان شد در مناطق جغرافیایی استانداردهای مختلف در مورد کیفیت میلگرد نوشته شده است. این استانداردها در آزمایشگاه‌ها تدوین شده‌اند و بهترین و مناسب‌ترین کیفیت برای میلگرد را وضع می‌نمایند. تولیدکنندگان نیز برای حضور در بازار از روی استانداردهای وضع شده، کیفیت تولید خود را بالا می‌برند. کیفیت نهایی محصول بعد از انجام آزمایش‌ها استاندارد منتشر می‌شود و در اختیار خریدار قرار می‌گیرد یکی از این آزمایش‌ها و به التبع جداول، جدول مقاومت کششی میلگرد است. این جدول بر اساس قطر میلگرد، نیرویی که میلگرد تحت بار قرار گرفته است و یا دمایی که میلگرد در آن دما مقاومت از خود بروز داده است، بیان می‌شود.

طبقه‌بندی میلگرد بر اساس مقاومت کششی

یکی از مهم‌ترین استانداردها در ساخت میلگرد مقاومت کششی است و سازندگان میلگردهای خود را بر اساس نقطه‌ی تسلیم طبقه‌بندی می‌نمایند. در ایران یک نمونه از طبقه‌بندی بر اساس شکل ظاهری میلگرد وجود دارد که همان انواع A1 ، A2، A3 و A4 میلگرد را تشکیل می‌دهد. در آیین نامه بتن ایران میلگرد بر اساس مقاومت کششی به 4 گروه طبقه‌بندی می‌شود.
میلگرد فولادی S220 بیانگر حداقل مقاومت تسلیم بر مبنای مگاپاسکال است. یعنی مقاومت میلگرد ۲۲۰ مگاپاسکال است.
میلگرد فولادی S300
میلگرد فولادی S350
میلگرد فولادی S400
میلگرد فولادی S550
همانطور که گفته شد اعداد نوشته شده حداقل نیرویی است که به میلگرد وارد می‌شود و در آن نقطه میلگرد مقاومت خود را از دست می‌دهد و تغییر شکل دارد.
در آیین نامه بتن کانادا میلگردها را در دو رده بندی تقسیم می‌نماید که تنش تسلیم ۴۰۰ و ۵۰۰ مگا پاسکال است.
آیین نامه استرالیا میلگرد را به سه رده تقسیم می‌کند و در هر سه رده تنش تسلیم ۵۰۰ مگا پاسکال است.

کلام پایانی