الملخص: الهيكل الفولاذي هو هيكل يتكون من مواد فولاذية، ويُعدّ أحد الأنواع الرئيسية للهياكل الإنشائية. يتميز الهيكل الفولاذي بقوة عالية، ووزن خفيف، وصلابة كلية جيدة، وقدرة عالية على التشوه، مما يجعله مناسبًا لبناء مبانٍ ذات امتدادات كبيرة، وارتفاعات شاهقة، وأوزان ثقيلة للغاية. تعتمد متطلبات المواد للهيكل الفولاذي على مؤشر القوة بناءً على مقاومة الخضوع للفولاذ. فبعد تجاوز لدونة الفولاذ نقطة الخضوع، يتمتع بخاصية التشوه اللدن الكبير دون أن ينكسر.
ما هي خصائص الهيكل الفولاذي؟
1. قوة مادية عالية ووزن خفيف. يتميز الفولاذ بقوة عالية ومعامل مرونة عالٍ. بالمقارنة مع الخرسانة والخشب، فإن نسبة كثافته إلى مقاومة الخضوع منخفضة نسبيًا. لذلك، في ظل ظروف الإجهاد نفسها، يتميز الهيكل الفولاذي بمقطع عرضي صغير، ووزن خفيف، وسهولة النقل والتركيب، وهو مناسب للهياكل ذات الامتدادات الكبيرة والارتفاعات العالية والأحمال الثقيلة.
متطلبات المواد للهياكل الفولاذية
1. المتانة: يتكون مؤشر متانة الفولاذ من حد المرونة (σe)، وحد الخضوع (σy)، وحد الشد (σu). يعتمد التصميم على حد الخضوع للفولاذ. فارتفاع حد الخضوع يُقلل من وزن الهيكل، ويُوفر الفولاذ، ويُخفض تكاليف البناء. أما حد الشد (σu) فهو أقصى إجهاد يتحمله الفولاذ قبل أن يتضرر. عند هذه النقطة، يفقد الهيكل صلاحيته للاستخدام نتيجة التشوه اللدن الكبير، ولكنه مع ذلك يتشوه بشكل كبير دون أن ينهار، ويجب أن يكون قادرًا على تلبية متطلبات مقاومة الزلازل النادرة.
هيكل فولاذي على شكل حرف H
2. اللدونة
تشير لدونة الفولاذ عمومًا إلى خاصية تعرضه لتشوه لدني كبير دون انكسار بعد تجاوز الإجهاد حد المرونة. ويُعدّ كل من الاستطالة (σ) وانكماش المقطع العرضي (ψ) المؤشرين الرئيسيين لقياس قدرة الفولاذ على التشوه اللدني.
3. أداء الثني على البارد
يُعدّ أداء الانحناء على البارد للفولاذ مقياسًا لمقاومته للتشقق عند حدوث تشوه لدن نتيجة عملية الانحناء في درجة حرارة الغرفة. ويعتمد هذا الاختبار على تجارب الانحناء على البارد لتقييم أداء الفولاذ عند درجة انحناء محددة.
4. مقاومة الصدمات
تشير مقاومة الصدمات للفولاذ إلى قدرته على امتصاص الطاقة الحركية الميكانيكية أثناء عملية الكسر تحت تأثير حمل الصدمة. وهي خاصية ميكانيكية تقيس مقاومة الفولاذ لحمل الصدمة، الذي قد يتسبب في كسر هش نتيجة انخفاض درجة الحرارة وتركيز الإجهاد. وعادةً ما يتم الحصول على مؤشر مقاومة الصدمات للفولاذ من خلال اختبارات الصدم على عينات قياسية.
٥. أداء اللحام: يُشير أداء اللحام للفولاذ إلى جودة وصلة اللحام في ظل ظروف عملية لحام مُحددة. يُمكن تقسيم أداء اللحام إلى أداء اللحام أثناء عملية اللحام وأداء اللحام من حيث الاستخدام. يُشير أداء اللحام أثناء عملية اللحام إلى حساسية منطقة اللحام والمعدن المُجاور لها لتجنب حدوث تشققات حرارية أو تشققات انكماش التبريد أثناء اللحام. يعني الأداء الجيد للحام أنه في ظل ظروف عملية لحام مُحددة، لن يحدث تشقق في معدن اللحام أو المعدن الأساسي المُجاور له. أما أداء اللحام من حيث الاستخدام، فيُشير إلى مقاومة الصدمات في منطقة اللحام وليونة منطقة التأثير الحراري، مما يتطلب ألا تقل الخواص الميكانيكية للفولاذ في منطقة اللحام ومنطقة التأثير الحراري عن خواص المعدن الأساسي. تعتمد بلادي طريقة اختبار أداء اللحام أثناء عملية اللحام، كما تعتمد طريقة اختبار أداء اللحام من حيث خصائص الاستخدام.
6. المتانة
هناك العديد من العوامل التي تؤثر على متانة الفولاذ. أولها ضعف مقاومة الفولاذ للتآكل، مما يستدعي اتخاذ تدابير وقائية لمنع تآكله وصدأه. تشمل هذه التدابير: الصيانة الدورية لطلاء الفولاذ، واستخدام الفولاذ المجلفن، وتدابير وقائية خاصة في وجود بيئات شديدة التآكل كالأحماض والقلويات والأملاح. على سبيل المثال، تعتمد هياكل المنصات البحرية على "الحماية الأنودية" لمنع تآكل الغلاف. تُثبّت سبائك الزنك على الغلاف، حيث يقوم محلول الإلكتروليت في مياه البحر بتآكلها تلقائيًا أولًا، مما يحقق وظيفة حماية الغلاف الفولاذي. ثانيًا، نظرًا لأن مقاومة الفولاذ للتلف أقل بكثير من مقاومته على المدى القصير تحت درجات حرارة عالية وأحمال طويلة الأمد، يجب قياس مقاومته على المدى الطويل تحت درجات حرارة عالية لفترات طويلة. يصبح الفولاذ صلبًا وهشًا بمرور الوقت، وهي ظاهرة تُعرف باسم "التقادم". لذا، يجب اختبار مقاومة الفولاذ للصدمات تحت أحمال درجات حرارة منخفضة.
تاريخ النشر: 27 مارس 2025
