برای درک بهتر این موضوع، بهتر است آن را با یک مثال ساده توضیح دهیم. فرض کنید یک تولیدکننده میلگرد، محصولی با تنش تسلیم اسمی ۴۰۰ مگاپاسکال تولید میکند (که مثلا مربوط به گرید A3 یا S400 است). این عدد ۴۰۰، در واقع حداقل مقاومتی است که تولیدکننده قول میدهد میلگردش دارد. این یعنی میلگرد قبل از اینکه تغییر شکل دائمی پیدا کند، حداقل تا این مقدار نیرو را تحمل خواهد کرد.
اما در دنیای واقعی، به خاطر تفاوتهای کوچک در ترکیب شیمیایی فولاد، نوع فرایند تولید و سایر عوامل، میلگردهای تولیدی اغلب مقاومتی بیشتر از این مقدار اسمی دارند. این مقاومت اضافی را اضافهمقاومت مینامیم. این یک اشکال نیست و یک واقعیت در تولید فولاد است.
تنش تسلیم مورد انتظار دقیقا همین مقاومت واقعی و میانگین است که میلگرد در عمل از خود نشان میدهد. این مقدار را با ضرب یک ضریب مشخص به نام Ry در تنش تسلیم اسمی به دست میآوریم:
Fye=Ry×Fy
به زبان ساده، Fye همان مقاومت واقعی میلگرد است که معمولاً کمی بیشتر از Fy (مقاومت اسمی) است. ضریب Ry نیز یک عدد مشخص است که مهندسان از جداول آییننامهها برای انواع مختلف میلگردها استخراج میکنند.
چرا این موضوع برای ما مهم است؟
ممکن است بپرسید، اگر میلگرد قویتر از چیزی است که فکر میکنیم، چه اشکالی دارد؟ مگر این باعث نمیشود سازه ما ایمنتر باشد؟، این سوال منطقی به نظر میرسد اما در طراحی لرزهای، قضیه فرق میکند.
به نقل از میهن فولاد: "از آغاز قرن بیستم، میلگرد ساختمانی، جایگاه خوبی در صنعت ساختوساز پیدا کرد." از همین رو، در طراحی سازهها برای مقابله با زلزله، مهندسان از یک رویکرد خاص استفاده میکنند و آن این است که اجازه میدهیم بعضی از بخشهای سازه (مثلاً تیرها، میلگردها) ضعیفتر باشند و زودتر تسلیم شوند تا انرژی زلزله را جذب کنند. به این بخشها فیوزهای سازهای میگویند. هدف این است که اعضای اصلی و مهم سازه مانند ستونها، سالم بمانند و از فرو ریختن کل ساختمان جلوگیری شود. این اصل، به قانون ستون قوی-تیر ضعیف معروف است.
اگر در محاسبات خود، مقاومت واقعی و بیشتر میلگردها را در نظر نگیریم، ممکن است اتفاقات ناخواستهای رخ دهد. بهخاطر همان اضافهمقاومت، تیرها آنقدر که انتظار داریم ضعیف عمل نمیکنند. در نتیجه، ممکن است به جای تیرها، ستونها دچار آسیب شوند و این اتفاق، میتواند باعث فروریختن ناگهانی و بسیار خطرناک سازه شود.
به همین دلیل، مهندسان برای اطمینان از اینکه ستونها همیشه قویتر از تیرها هستند، مقاومت مورد نیاز ستونها را با استفاده از تنش تسلیم مورد انتظار تیرها محاسبه میکنند. این کار باعث میشود حتی با وجود قویتر بودن واقعی میلگردها، باز هم تیرها زودتر تسلیم شوند و سازه رفتار مناسبی در برابر زلزله از خود نشان دهد
چه عواملی بر تنش تسلیم مورد انتظار تأثیر میگذارند؟
اضافهمقاومت میلگرد به عوامل مختلفی بستگی دارد که شامل:
روش تولید: میلگردها با روشهای مختلفی مانند نورد گرم یا فرآیندهای ترمومکانیکال تولید میشوند که هر کدام خواص متفاوتی به محصول میدهند.
ترکیب شیمیایی: تغییرات جزئی در ترکیب فولاد (مثلاً میزان کربن) میتواند مقاومت میلگرد را تغییر دهد.
اندازه میلگرد: در برخی موارد، میلگردهای با قطر کوچکتر ممکن است کمی مقاومت بیشتری نسبت به میلگردهای بزرگتر داشته باشند.
استانداردهای تولید: هر کشور و منطقهای استانداردهای خاص خود را برای تولید میلگرد دارد که بر مقاومت واقعی آنها تأثیر میگذارد.
استفاده از این مفهوم در نرمافزارهای مهندسی
مهندسان از نرمافزارهای پیشرفتهای مانند ETABS و SAP2000 برای طراحی سازهها استفاده میکنند. در این نرمافزارها قابلیتی وجود دارد که میتوانیم ضریب Ry را برای میلگردها وارد کنیم. این کار به ما کمک میکند تا مدلسازی سازه را به واقعیت نزدیکتر کنیم و مطمئن شویم که ساختمان در برابر زلزله، دقیقاً همانطور که انتظار داریم رفتار میکند.
سوالات متداول
تفاوت اصلی بین تنش تسلیم اسمی و تنش تسلیم مورد انتظار چیست؟
تنش تسلیم اسمی، حداقل مقاومتی است که یک میلگرد باید داشته باشد و در استانداردهای طراحی مشخص شده است. اما تنش تسلیم مورد انتظار، مقاومت واقعی و میانگین میلگرد است که معمولا به دلیل فرآیندهای تولید، کمی بیشتر از مقدار اسمی آن است. مهندسان از تنش تسلیم مورد انتظار برای محاسبات دقیقتر در طراحی لرزهای استفاده میکنند.
چگونه مقدار تنش تسلیم مورد انتظار را پیدا کنیم؟
برای پیدا کردن این مقدار، کافی است تنش تسلیم اسمی میلگرد را در یک ضریب مشخص به نام Ry ضرب کنید. این ضریب در آییننامهها و استانداردهای طراحی ساختمان (مثل مبحث دهم مقررات ملی ساختمان) برای انواع مختلف میلگردها ذکر شده است. مهندس باید با مراجعه به این جداول، عدد مناسب را انتخاب کند.
چرا توجه به تنش تسلیم مورد انتظار در طراحی ساختمان مهم است؟
توجه به تنش تسلیم مورد انتظار به مهندسان کمک میکند تا اثر مقاومت واقعی و اضافی میلگردها را در نظر بگیرند. این کار بهخصوص در طراحی لرزهای مهم است تا از شکست ناگهانی و خطرناک ستونها جلوگیری شود و اطمینان حاصل شود که تیرها (به عنوان فیوزهای سازهای) زودتر تسلیم میشوند تا انرژی زلزله را جذب کنند و از فروریختن کل سازه جلوگیری شود.
