فشل الهياكل الفولاذية

ما هي الهياكل الفولاذية؟

الفولاذ هو أحد مواد البناء الشعبية بجانب الخرسانة في صناعة البناء. حيث تعتبر القوة العالية والليونة من الخصائص الأساسية للفولاذ التي تجعل مكانه في جميع ناطحات السحاب الشهيرة تقريبًا حول العالم. كما يتم تطوير الهياكل الفولاذية بواسطة أعضاء فولاذية فردية، ملحومة أو مثبتة بمسامير معًا للحصول على وحدة نهائية.

الأعضاء والمفاصل النحيلة هي النقاط الحرجة في الهيكل الفولاذي الذي يجب تصميمه لمواجهة الضغوط الحرجة بعناية فائقة. ويمكن أن يؤدي أي تغيير أو خطأ إلى حدوث أعطال هيكلية للهيكل الفولاذي، والتي تختلف باختلاف نوع تأثير الحمل ونوع الهيكل. حيث أنه ستشرح المقالة حالات الفشل الحرج للهياكل الفولاذية.

أنواع الفشل في الهياكل الفولاذية:

الأنواع الرئيسية من الإخفاقات التي لوحظت في الهيكل الفولاذي هي:

1. فشل الضغط.
   
2. فشل التوتر.
   
3. فشل الانثناء.
   
4. فشل القص.
   

1- فشل الضغط في الهياكل الفولاذية:

عند التفكير في هيكل فولاذي، فإنّ الأعضاء التي تتعرض للضغط هي أعمدة ودعامات. وعندما يكون حمل الضغط الذي يعمل على محور العضو مرتفعًا (أعلى من الحمل الذي تم تصميمه من أجله)، فإنّه ينتج عنه فشل ضغط أو انحناء العضو.

يتضمن تصميم هيكل العمود تحديد معلمة تسمى نسبة النحافة. ويتم تعريف نسبة النحافة على أنها نسبة مساحة المقطع العرضي للعنصر الهيكلي إلى طول العضو. كما تؤثر هذه المعلمة على الانحناء في الهياكل، حيث تزيد نسبة النحافة للعضو المعطى أكثر من فرصة الالتواء.

2- فشل التوتر في الهياكل الفولاذية:

لوحظ فشل إجهاد الشد في عضو تحت حمل شد. حيث أن أعضاء الدعامة أو الشماعات الخاصة بالهيكل الفولاذي تخضع لفشل التوتر. ويؤدي حمل الشد الذي يعمل على العضو إلى سحب العضو إلى ما وراء قوته المادية، ممّا يؤدي إلى فشل شد العضو.

يحدث فشل التوتر في العناصر الهيكلية الفولاذية في مراحل مختلفة. وتبدأ الظاهرة بتعنق المقطع العرضي المادي، وأخيراً الفشل المادي. كما أن العنق هو تقليل مساحة المقطع العرضي تحت حمل الشد. ويحدث الفشل عندما يصل قسم المواد إلى أقل مقطع عرضي.

3- فشل الانحناء في الهياكل الفولاذية:

يحدث فشل الانحناء في أعضاء الانحناء مثل العوارض. كما أن أعضاء الانحناء، عند تعرضهم لمستوى عالٍ من أحمال الانحناء أو التواء. ونظرًا للقوة العالية للفولاذ، فقد تم تصميمها لتكون رفيعة وفعالة. حيث أن هذا يمكن أن يؤدي إلى الانحناء أو الانحناء للعضو. كما تكون الأعضاء المثنية والسميكة أقل عرضة لفشل الثني.

تَخضع أعضاء الانحناء لِأحمال الانحناء التي تخلق قُوى ضغط وشد في العضو. وليس من الممكن دائمًا توقع إجراء التحميل في مركز العضو المثني. لذلك، من المحتمل أن يؤدي الانحراف في التحميل إلى فشل شفة الانضغاط في الحزمة الفولاذية. كما سيخلق الانحراف لحظة التواء لحافة الحزمة ، وتبدأ الحزمة في التحرك بشكل جانبي. وهذا ما يسمى الالتواء الجانبي.

يتم توفير قيود جانبية لمنع التواء في الهياكل الفولاذية بسبب الأحمال الانحناء. كما تعتمد قوة الانحناء بشكل كبير على قوة المادة. ويتعرض العضو للفشل إذا كان تحميل الانحناء أكبر من قوة المادة. حيث أن العمود هو عضو ضغط يخضع لفشل مماثل عندما يتعرض لضغوط الانحناء.

4- فشل القص في الهياكل الفولاذية:

الهيكل الفولاذي عبارة عن مزيج من الوصلات، أيّ اتصال عضو بالعمود، اتصال عضو بالعارضة، إلخ. حيث يحدث فشل القص بشكل بارز في مناطق التوصيل هذه. كما أن كل اتصال في هيكل فولاذي له قيمة إجهاد القص. وإذا لم يتم اعتبار القيمة بشكل صحيح أثناء تصميم الاتصال، يحدث الفشل. بحيث تصنع الهياكل الفولاذية إمّا عن طريق توصيل مسامير أو اتصال ملحوم أو مزيج من الاثنين.

أسئلة مكررة حول فشل الهياكل الفولاذية:

1- ما الذي يسبب فشل الضغط أو الانحناء في الأعمدة؟

عندما يكون حمل الضغط الذي يعمل على محور العضو مرتفعًا (أعلى مما تم تصميم العضو من أجله)، فإنّه ينتج عنه فشل ضغط أو انحناء للعضو. حيث يتضمن تصميم هيكل العمود تحديد معلمة تسمى نسبة النحافة. ويتم تعريف نسبة النحافة على أنها نسبة مساحة المقطع العرضي للعنصر الهيكلي إلى طول العضو. كما تؤثر هذه المعلمة على الانثناء في الهياكل.

2- كيف يحدث العطل في التوصيلات الفولاذية؟

الهيكل الفولاذي عبارة عن مزيج من الوصلات، أيّ اتصال عضو بالعمود واتصال عضو بالعارضة. حيث يحدث فشل القص بشكل بارز في مناطق التوصيل هذه. وكل اتصال في هيكل فولاذي له قيمة إجهاد القص الخاصة به. كما أنه إذا لم يتم أخذ القيمة بشكل صحيح أثناء تصميم الاتصال، يحدث الفشل. بحيث تصنع الهياكل الفولاذية إمّا عن طريق توصيل مسامير أو اتصال ملحوم أو مزيج من الاثنين.