مقاومت کششی میلگرد چیست و چطور محاسبه می شود؟

مقاومت مصالح ساختمانی از جمله عوامل مهم در طراحی و ساخت ساختمان‌هاست. این مسئله به ویژه در خصوص مصالح بنایی نظیر بتن و فولاد از اهمیت بالاتری برخوردار است. مصالح مورد استفاده در سازه باید در برابر بارهای وارد شده، پایداری کافی داشته باشند تا بتوانند عمر طولانی و استحکام لازم را در شرایط مختلف حفظ کنند.

یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین مصالح به خصوص در سازه‌های بتن مسلح، میلگرد است. با توجه به مقاومت ناچیز بتن در برابر کشش، از میلگرد برای تقویت بتن و افزایش مقاومت آن در برابر نیروهای کششی استفاده می‌شود. بنابراین مقاومت کششی میلگرد یکی از مهم‌ترین خصوصیات مکانیکی آن به شمار می‌رود به همین دلیل در پروژه‌های عمرانی باید به کمک انجام آزمون‌های مختلف، میزان مقاومت کششی میلگرد مورد سنجش قرار گیرد تا از کفایت میلگرد استفاده شده اطمینان حاصل شود.

مقاومت کششی چیست؟

مقاومت کششی (Tensile Strength) معیاری از توانایی یک ماده در مقابل شکستن یا گسیختن تحت نیروی کشش است. حداکثر تنشی که یک ماده می‌تواند در حین اعمال نیروی کششی قبل از شکستن یا گسیختن تحمل کند مقاومت کششی آن نام دارد. برای اندازه‌گیری استحکام کششی یک ماده معمولاً نمونه‌ای از آن را در معرض نیروی کششی کنترل شده قرار می‌دهند و سپس حداکثر نیروی اعمال شده به نمونه قبل از شکستن آن اندازه‌گیری می‌شود.

برای میلگردهای تقویت‌کننده، مقاومت کششی حداکثر تنشی است که میلگرد قبل از شکست تحت بار محوری کششی می‌تواند تحمل کند. به عبارت دیگر، مقاومت کششی میلگرد، حداکثر نیرویی است که میلگرد در حالت کششی می‌تواند تحمل کند بدون اینکه شکسته شود. معمولاً مقاومت کششی میلگردها به واحد مگاپاسکال (MPa) ، کیلوپوند بر اینچ مربع  (ksi)، کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع یا نیوتن بر میلی‌متر مربع اندازه‌گیری می‌شود.

مقدار مقاومت کششی میلگرد، وابسته به مشخصات فولاد مورد استفاده، فرایند تولید و سایر شرایط متغیر است. برای مثال، میلگردهای فولادی با محتوای کربن مختلف، می‌توانند مقاومت کششی متفاوتی داشته باشند. در واقع، میلگردها با مقاومت کششی بالاتر به طور کلی از جنس‌های متراکم‌تر و با فلزات خالص‌تر ساخته می‌شوند.

اهمیت مقاومت کششی

شاید برای شما هم سوال پیش آید که دلیل اهمیت میلگرد یا میلگرد بستر چیست؟ باید بگوییم میلگرد نقش مهمی در تقویت سازه‌های بتنی دارد. بتن در برابر نیروهای فشاری عملکرد مناسبی دارد ولی در کشش بسیار ضعیف بوده و مقاومت کششی آن ناچیز است. هنگامی که بتن در معرض نیروهای کششی قرار می‌گیرد، تمایل به ترک خوردن و شکست دارد. استفاده از میلگرد در بتن مقاومت کششی مجموعه سازه بتنی را افزایش داده و از ایجاد ترک‌های مخرب و شکستن بتن جلوگیری می‌کند. به همین دلیل مقاومت کششی میلگرد یکی از مهمترین خصوصیات مکانیکی آن در طراحی سازه‌های بتنی است. در واقع یکی از اصلی‌ترین عوامل در تعیین ظرفیت باربری سازه، مقاومت کششی میلگردهای به کار رفته در آن است.

مقاومت کششی انواع میلگرد

هر کشوری با توجه به موقعیت جغرافیایی و لرزه‌خیزی منطقه‌ای که در آن واقع شده است، معیارهای متفاوتی برای پذیرش مقاومت ساختمان در برابر زلزله دارد. در صنایع فولادی نیز برای تولید میلگردهای مختلف از روش‌های متنوعی استفاده شده و هر کشور و منطقه‌ای استانداردهای خاص خود را دارد. به عنوان مثال در کشوری مانند ژاپن که بسیار لرزه‌خیز است، میلگردها باید مقاومت بالایی داشته باشند درحالی که در اروپا به دلیل کم بودن خطر زلزله در این منطقه، مقاومت قابل قبول برای میلگرد نسبتاً پایین‌تر است.

در ایران برای تولید و کنترل میلگردها از ترکیبی از استانداردهای مناطق مختلف استفاده شده و میلگردها در چهار رده A1 تا A4 تولید می‌شوند که هر کدام از خصوصیات و ویژگی‌های مختلفی برخوردار هستند. میلگرد A1 با سطحی صاف و بدون آج، کمترین مقاومت کششی در میان سایر رده‌ها را دارد. این نوع میلگرد در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران به عنوان رده S240 معرفی شده و از نظر رده سختی به عنوان میلگرد نرم شناخته می‌شود.

مقاومت کششی میلگرد A1 حدود ۳6۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است و فقط می‌تواند به عنوان میلگرد دورپیچ در اعضای سازه‌ای بتن‌آرمه به کار رود و استفاده از آن به عنوان میلگرد سازه‌ای به غیر از مورد فوق در تمامی ساختمان‌ها ممنوع است. میلگرد A2 سطح آجدار دارد و مقاومت کششی آن‌ از رده A1 بیشتر است. این نوع میلگرد با شناسه S340 در مبحث نهم در رده سختی نیمه‌سخت قرار گرفته و بیشتر به عنوان میلگردهای عرضی (مانند خاموت‌ها) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نوع برآمدگی آج‌ها در این رده به شکل مارپیچ است. مقاومت کششی رده A2 حدود 5000 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است. میلگردA3  نیز سطحی آجدار دارد. نوع برآمدگی آج‌ها در این رده هشتی‌شکل یا جناقی است. این رده میلگرد با شناسه S400 در مبحث نهم به عنوان میلگردهای طولی سازه‌های بتنی استفاده شده و حدود ۶۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع مقاومت کششی دارد. میلگرد A4 که با نام میلگرد مرکب نیز شناخته می‌شود دارای آج‌های مرکب دوکی شکل است.

این میلگرد با 6500 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، بیشترین مقاومت کششی بین همه رده‌ها را داراست. میلگرد A4 در مبحث نهم با عنوان میلگرد رده S500 معرفی شده و از نظر سختی در رده فولاد سخت قرار می‌گیرد. قیمت این رده نسبت به سایر رده‌ها بالاتر بوده ولی به دلیل مقاومت بالایی که دارد موجب کاهش وزن سازه شده و می‌تواند استفاده از آن به صرفه باشد. در جدول زیر خلاصه مشخصات رده‌های مختلف میلگرد در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران ذکر شده است.

محاسبه مقاومت کششی میلگرد

برای تعیین مقاومت کششی میلگرد، باید نمونه میلگرد مورد نظر تحت بار محوری کششی قرار گیرد و تا زمان شکست نمونه بار به تدریج افزایش یابد. پس از شکست نمونه، با اندازه‌گیری ازدیاد طول نمونه، میزان کرنش میلگرد قابل محاسبه است. با ضرب کرنش در مدول الاستیسیته فولاد مورد نظر، مقاومت کششی فولاد بدست می‌آید.

ᶔ * E = σ

تست کشش میلگرد

هر پروژه عمرانی برای اطمینان از کفایت مشخصات مکانیکی میلگردهایی که استفاده می‌کند باید آزمون‌های مختلفی روی آن‌ها انجام دهد. بسته به میزان میلگرد مصرفی پروژه، تعداد نمونه‌هایی که باید مورد سنجش قرار گیرد متفاوت است. طبق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران، در ازای هر 50000 کیلوگرم وزن میلگرد یک سری نمونه باید مورد آزمایش قرار گیرد. همچنین برای هر قطر میلگرد و هر نوع فولاد آن باید یک سری نمونه تهیه شود.

آزمایش مقاومت کششی میلگرد به کمک دستگاه UTM یا همان دستگاه تست یونیورسال انجام می‌گیرد. این دستگاه شامل یک فک ثابت و یک فک متحرک است که نیروی محوری کششی را به نمونه میلگرد وارد می‌کند. برای انجام آزمایش مقاومت کششی میلگرد، ابتدا یک نمونه از میلگرد مورد نظر به طول مشخصی تهیه شده و سپس دو سر میلگرد داخل فک‌های دستگاه محکم می‌شوند.

دستگاه نیروی کشش تک محوری به نمونه میلگرد وارد کرده و به تدریج نیرو افزایش می‌یابد تا جایی که نمونه شکسته شود. دستگاه با اندازه‌گیری تغییر طول نمونه در هر لحظه، نمودار نیرو-تغییر طول را ترسیم می‌کند که با انجام محاسباتی ساده، نمودار تنش-کرنش میلگرد بدست می‌آید. به کمک نمودار تنش-کرنش میلگرد بسیاری از مشخصات مکانیکی آن از جمله مقاومت کششی میلگرد قابل محاسبه است.

آیین‌نامه‌های مقاومت کششی میلگرد

در ایران، استاندارد ملی ایران شماره 3132 تحت عنوان “میلگردهای فولادی گرم نوردیده برای تسلیح بتن-ویژگی‌ها و روش‌های آزمون” و همچنین استاندارد ملی ایران شماره 8103 “فولاد برای تسلیح و پیش‌تنیدن بتن-روش‌های آزمون-قسمت 1: میلگرد، مفتول و سیم‌های تسلیح‌کننده” وجود دارد. همچنین مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان طرح و اجرای ساختمان‌های بتن‌آرمه نیز در این زمینه توضیحاتی داده است.

در سطح بین‌المللی سازمان استاندارد بین‌المللی (ISO) استانداردهای مربوط به میلگردها و فولادهای ساختمانی را ارائه کرده است. برای مثال، استاندارد ISO 6892-1 روش آزمون کششی فولاد را بیان کرده است. ASTM E8 نیز دیگر آیین‌نامه معتبر در این زمینه است. همچنین در بسیاری از کشورها مانند آمریکا، ژاپن، چین و روسیه نیز استانداردهای مشابهی برای میلگرد و فولادهای ساختمانی تعریف شده است. این استانداردها به منظور اطمینان از کیفیت و قابلیت استفاده از مصالح ساختمانی در پروژه‌های ساختمانی بزرگ و مهم به کار می‌روند.

سخن پایانی

میلگردهای فولادی به عنوان یکی از مهمترین مصالح ساختمانی دارای اهمیت ویژه‌ای هستند. این مصالح به دلیل قابلیت انعطاف و مقاومت بالا در برابر فشار و کشش، به‌طور گسترده در ساخت سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. انتخاب میلگردهای ساختمانی با کیفیت مناسب و مقاومت کافی، در ایمنی، پایداری و دوام ساختمان تأثیر بسیاری دارد.

از این رو، مقاومت کششی میلگردها بسیار حائز اهمیت است و باید به‌طور دقیق بررسی و مورد آزمایش قرار گیرد. امروزه تست کشش میلگرد به کمک ماشین‌آلات آزمایشگاهی پیشرفته انجام شده و علاوه بر مقاومت کششی، بسیاری از سایر خصوصیات مکانیکی آن‌ها نیز بدست می‌آید.