تنش تسلیم (Fy) میلگرد چیست؟

مهندسان برای انتخاب نوع میلگرد مناسب برای پروژه، باید به مشخصات فنی محصول مانند تنش تسلیم میلگرد، تنش نهایی و سایر ویژگی‌های محصول توجه داشته باشند. این مشخصات تعیین می‌کنند که مقطع فولادی موردنظر تا چه‌اندازه در تحمل بارهای حاصل از موقعیت‌های بحرانی موفق عمل می‌کند و آیا توانایی پیشگیری از آسیب‌های جدی مانند فروریزش ساختمان را دارد یا خیر. در این مقاله توضیح می‌دهیم تنش تسلیم میلگرد چیست، چطور محاسبه می‌شود و چه عواملی بر این مشخصه تأثیرگذار است.

تنش تسلیم میلگرد چیست؟

وقتی مقاطع فولادی در معرض نیروهای برشی یا کششی قرار می‌گیرند، سه‌حالت مختلف را تجربه می‌کنند. این رفتار معمولاً در تست کشش میلگرد به‌صورت دقیق قابل مشاهده و بررسی است. حالت اول نیروی کمی است که تغییری در بدنه میلگرد ایجاد نمی‌کند. حالت دوم نیروی بیشتری است که کمی میلگرد را خم می‌کند، اما میله دوباره به‌ حالت اولیه برمی‌گردد و در اصطلاح تنش الاستیکی را تجربه می‌کند. حالت سوم زمانی است که نیرو بسیار زیاد است و باعث تغییر شکل دائمی فرم مقطع فولادی می‌شود. در حالت سوم تنش تسلیم اتفاق افتاده است و اگر ادامه پیدا کند، به تنش نهایی می‌رسد. پس به‌طور خلاصه می‌توان گفت تنش تسلیم (Fy) میلگرد نقطه‌ای است که بعد از آن، بدنه میله دچار تغییر شکل دائمی می‌شود و دیگر به حالت اولیه برنمی‌گردد.

تفاوت تنش تسلیم و تنش نهایی در میلگرد

تنش نهایی مرحله‌ای است که بعد از تسلیم اتفاق می‌افتد. بعد از رسیدن به نقطه تسلیم، مقطع فولادی شروع به خم شدن می‌کند. کمانه کردن آنقدر ادامه پیدا می‌کند تا بلورهای فولاد از هم‌گسسته می‌شوند و میلگرد می‌شکند. تنش نهایی آخرین نیرویی است که میلگرد می‌تواند قبل از شکستن تحمل کند. این معیار بیشترین حد مقاومتی میلگرد را نشان می‌دهد. مهندسان همیشه تلاش می‌کنند مقاومت سازه به‌اندازه‌ای باشد که نیروهای وارده زیر مقدار تنش تسلیم باقی بمانند و تحت هیچ شرایطی به تنش نهایی نرسند.

تنش تسلیم میلگرد در استانداردهای مختلف

استاندارد میلگرد در تعیین مشخصات فنی مانند ترکیبات فولاد و فرم آج‌ها نقش مهمی ایفا می‌کند. میلگردهای گرید A2 و A4 بیشترین کاربرد را در سازه‌های ایرانی دارند. Fy در استاندارد A2 برابر با 340 MPa و در استاندارد A4 برابر با 500MPa است. این کمیت برای مقاطع A1 برابر با 240 مگاپاسکال و برای گرید A3 برابر با 400مگاپاسکال است. مقاطع گرید A4، مقاومت بالاتری دارند، اما شکل‌پذیری آن‌ها کم‌تر است و قابلیت جوشکاری محدودتری دارند. به‌همین‌دلیل معمولا به‌عنوان میلگردهای اصلی سازه که مقاومت مهم‌ترین شاخصه آن‌هاست مورد استفاده قرار می‌گیرند. مقاطع گرید A2 بخاطر شکل‌پذیری متوسط و جوش‌پذیری بهتر، برای کاربردهایی که به انعطاف بیشتر و جوشکاری نیاز دارند، انتخاب می‌شوند.

روش آزمایش کشش استاندارد برای تعیین Fy

برای پیدا کردن نقطه تنش تسلیم باید از دستگاه یونیورسال تست استفاده کرد. دوسر میلگرد در این دستگاه فیکس می‌شود، تنش کششی به بدنه میلگرد وارد می‌شود و به‌مرور زمان افزایش پیدا می‌کند. در همین حین میزان کرنش (تغییر شکل) میلگرد ثبت می‌شود و داده‌های موردنیاز برای کشیدن نمودار کشش-کرنش میلگرد به‌دست می‌آید.

در مقاطع نرم‌تر، نقطه تنش تسلیم مشخص است و یک پله یا منحنی در خط نمودار مشخص می‌شود. اما در مقاطع سخت‌تر ممکن است نقطه مشخصی وجود نداشته باشد. برای این مقاطع یک خط قراردادی موازی با خط نمودار اصلی رسم می‌کنند. میزان کرنش میلگرد در این خط قراردادی 0.2 درصد است. نقطه برخورد خط قراردادی با منحنی اصلی نمودار، نقطه تنش تسیلم میلگرد است.

رابطه تنش تسلیم با مقاومت کششی

تنش تسلیم یک نقطه روی خط مقاومت کششی میلگرد به‌شمار می‌رود. مقاومت کششی نیرویی است که مقاطع فولادی می‌توانند پیش از شکست تحمل کنند؛ یعنی از بازه تغییرات الاستیکی شروع می‌شود و تا نقطه تنش نهایی ادامه دارد. از نقطه تنش تسلیم به‌بعد، نمودار مقاومت کششی در محدوده هشدار قرار می‌گیرد. هرچقدر مقاومت کششی مقطعی بیشتر باشد، نقطه Fy آن نیز بالاتر است و دیرتر دچار تغییر شکل دائمی می‌شود.

نحوه محاسبه تنش تسلیم میلگرد

برای محاسبه این کمیت به دو عنصر نیاز داریم؛ اول Py یا مقدار نیرویی است که میلگرد در مرحله تسلیم تحمل می‌کند و دوم A یا سطح مقطع میلگرد است. Py باید از طریق تست کشش که در قسمت‌های قبلی توضیح دادیم، به‌دست آید. فرمول محاسبه تنش تسلیم میلگرد عبارت است از:

Fy=Py/A

اثر ترکیب شیمیایی و فرآیند نورد بر مقدار Fy

کربن به‌عنوان مهم‌ترین عنصر افزایش‌دهنده تنش تسلیم شناخته می‌شود، اما شکل‌پذیری و جوش‌پذیری میلگرد را تاحد زیادی کاهش می‌دهد و باعث تردی و شکنندگی و آن می‌شود. در روش سنتی، برای افزایش Fy، درصد کربن را بالا می‌بردند. اما امروزه جایگزین‌های بهتری وجود دارد که هم شکل‌پذیری را حفظ می‌کند و هم تنش تسلیم را بالا می‌برد. استفاده از عناصری چون منگنز، سیلیسیم و میکروآلیاژهایی مثل وانادیم، نیوبیوم و تیتانیوم، بدون قربانی کردن شکل‌پذیری، Fy را تاحد زیادی افزایش می‌دهند.

نورد گرم روشی متداول برای تولید میلگرد است که تاحد قابل‌قبولی تنش تسلیم را بالا می‌برد. اما ترمکس بهترین روش تولید برای تولید میلگردی با بیشترین مقاومت کششی و تنش تسلیم بالاتر است. در روش ترمکس، میلگرد خارج‌شده از نورد گرم، سریع وارد آب رسد می‌شود. سطح میلگرد سریع سرد و سفت می‌شود، اما دمای مغز آن به‌آرامی کاهش پیدا می‌کند و چقرمه می‌ماند. درنتیجه محصول نهایی، میلگردی با تنش تسلیم بالا و شکل‌پذیری قابل‌قبول است.

بررسی تفاوت Fy اسمی کارخانه با Fy واقعی در پروژه‌های ایران

بدیهی است که کارخانه‌ها نمی‌توانند تنش تسلیم را به ازای هر میلگرد محاسبه کنند و تست کشش را در بازه‌های زمانی مشخص روی یک محصول به‌عنوان نمونه انجام می‌دهند. Fy اسمی کارخانه کمینه تنش تسلیم میلگرد را نشان می‌دهد و معمولا مطابق با استانداردها و آیین‌نامه‌های داخلی و بین‌المللی است. تنش تسلیم واقعی هر میلگرد، مقداری است که با انجام تست کشش روی همان مقطع به‌دست می‌آید. حتی اگر شیوه تولید، سری ساخت، ترکیبات و دستگاه نورد دو شاخه میلگرد یکی باشد، بازهم ممکن است بین Fy آن‌ها اختلاف جزئی وجود داشته باشد.

کارخانه‌ها معمولا حاشیه امنی برای تولید در نظر می‌گیرند؛ یعنی Fy واقعی محصولات معمولا بیشتر از Fy اسمی است که در کاتالوگ‌ها ثبت می‌شود. مهندسان نیز در سازه‌ها Fy اسمی را در نظر می‌گیرند تا حاشیه امن را رعایت کرده باشند.

عوامل مؤثر بر تنش تسلیم میلگرد

عوامل موثر بر Fy دو دسته هستند؛ دسته اول عوامل مربوط به فرایند تولید و دسته دوم عوامل مربوط به نحوه نگهداری و کار با میلگرد. کارخانه‌ها سعی می‌کنند عوامل دسته اول مانند ترکیبات و فرایند استاندارد نورد را تحت کنترل داشته باشند تا هیچ مقطعی از تست تنش تسلیم رد نشود؛ رد شدن میلگردها در این تست به اعتبار کارخانه آسیب وارد می‌کند، تقاضای مقاطع در بازار را کاهش می‌دهد و باعث افت قیمت میلگرد می‌شود.

عواملی که بعد از خروج میلگرد از کارخانه روی تنش تسلیم آن تأثیر می‌‌گذارند و باعث کاهش آن می‌شوند را در ادامه نام می‌بریم:

• کشش یا خم‌کاری میلگرد غیراستاندارد
• جوشکاری غیراستاندارد
• خوردگی و زنگ‌زدگی سطح بدنه
• افزایش شدید دما (مانند حوادث آتش‌سوزی)
• نزدیک شدن میلگرد به نقطه تنش تسلیم برای دفعات متمادی

با خرید میلگرد از تولیدکننده‌‌های معتبر و رعایت شرایط استاندارد و مطابق با آیین‌نامه در کار با این مقاطع فولادی، تنش تسلیم در سطح اسمی و بالاتر از آن باقی می‌ماند و می‌توانید با اطمینان، محاسبات لازم را برمبنای این کمیت انجام دهید.