مواصفات الفولاذ مسبق الإجهاد في الخرسانة سابقة الإجهاد

ما هو الفولاذ مسبق الإجهاد في الخرسانة سابقة الإجهاد:

على الرغم من أن الفولاذ المجهد مسبقًا يبدو حديثًا، إلا أنه مادة تعود أصولها إلى زمن بعيد. يُنسب اعتماد تقنية الإجهاد المسبق إلى باكستون، الذي استخدم هذه التقنية في عام 1851 لتحقيق قصر الكريستال، وهو غير مدرك للاكتشاف العظيم الذي قام به. كان كوينين أول من اقترح قضبان فولاذية مسبقة الإجهاد. بحيث اقترح القيام بذلك في عام 1907، قبل تطبيق الخرسانة، لتجنب تشكيل الشقوق، وبالتالي تعثرت عبر ابتكار الخرسانة المسلحة.

ومع ذلك، لسوء الحظ، فشلت محاولاته لأنه في ذلك الوقت لم تكن ظاهرة الانكماش معروفة. في الواقع، فإنّ الأب الحقيقي للتشديد المسبق هو أوجين فريسينت، الذي عرّف في عام 1928 الضغط المسبق على أنه أسلوب يتمثل في إخضاع مادة، في حالة الخرسانة المسلحة، لأحمال تنتج ضغوطًا معاكسة لتلك التي تعمل، من خلال استخدام الكابلات التي تم وضعها أولاً في الكتلة المجهدة.

يمكن العثور على الأسباب التي أدت إلى ظهور هذه المادة في الخصائص الميكانيكية للخرسانة والتي، في الواقع، تظهر قدرة كبيرة على امتصاص قوى الانضغاط ولكن مقاومة منخفضة للتوتر الذي يسمح بامتصاصه بواسطة التعزيز المعدني. ومع ذلك، فإنّ الأخير، تحت تأثير التوتر، يميل إلى الإطالة، وبسبب ظاهرة الترابط، يسحب الخرسانة معها.

على عكس الخرسانة المسلحة، يُعد الفولاذ مادة ذات مقاومة عالية للتوتر والضغط. نتيجة لذلك، من خلال إجراء مقارنة بين الفولاذ المجهد مسبقًا والخرسانة المسلحة، يمكننا أن نلاحظ على الفور أنه في المقام الأول، تزيد هذه التقنية من جودة ومقاومة الشد وخصائص الضغط للفولاذ، كما تمكنت التقنية بالفعل من إنشاء حالة من العمل المشترك حيث تتعارض التوترات والتشوهات مع تلك التي تسببها الأحمال التي ستؤثر لاحقًا على الهيكل.

مواصفات الفولاذ مسبق الإجهاد في الخرسانة سابقة الإجهاد:

بالنسبة للأعضاء الخرسانية سابقة الإجهاد، يتكون الفولاذ عالي الشد، المستخدم بشكل عام، من أسلاك أو قضبان أو خيوط. بحيث يتم تحقيق قوة الشد العالية للفولاذ بشكل عام عن طريق زيادة محتوى الكربون بشكل هامشي في الفولاذ مقارنة بالفولاذ الطري. كما يحتوي الفولاذ عالي الشد عادة على 0.6 إلى 0.85% كربون و 0.7 إلى 1% منجنيز و 0.05% من الكبريت والفوسفور. كما يتم لف السبائك الفولاذية عالية الكربون على الساخن إلى قضبان ويتم سحبها على البارد من خلال عملية القوالب لتقليل القطر وزيادة قوة الشد.

يتم تحسين متانة الأسلاك بسبب عملية السحب على البارد. ويتم بعد ذلك تلطيف الأسلاك المسحوبة على البارد لتحسين خصائصها. التقسية أو الشيخوخة أو تخفيف الضغط عن طريق المعالجة الحرارية للأسلاك عند 150-420 درجة مئوية يحسن قوة الشد. كما تتوفر هذه الأسلاك المسحوبة على البارد بشكل عام بأحجام اسمية بقُطر 2.5 و 3 و 4 و 5 و 7 و 8 مم.

أنواع الفولاذ مسبق الإجهاد في الخرسانة سابقة الإجهاد:

يجب أن يكون الفولاذ مسبق الإجهاد، حسب الكود، أحد الأنواع التالية:

1. سلك فولاذي عادي مسحوب بشدة مطابق لمواصفة الأعمدة الخرسانية المسلحة لخطوط الكهرباء والاتصالات السلكية واللاسلكية ومواصفات الأسلاك الفولاذية المسحوبة بالحديد للخرسانة الجاهزة.
   
2. الأسلاك المسحوبة على البارد.
   
3. قضيب فولاذي مقاوم للشد يتوافق مع استخدام قضبان الحديد عالية الشد في الإجهاد المسبق.
   
4. حبلا يخفف الضغط غير المطلي يتوافق مع مواصفات حبال تخفيف الضغط غير المطلي للخرسانة الجاهزة.
   

تُفضل الأسلاك الفولاذية المسحوبة بقوة والتي تكون مسدودة أو مجعدة للأعضاء التي تم شدها لأن خصائص الرابطة الخاصة بها متفوقة على الأسلاك العادية. كما تتكون الخيوط عادة من سلكين أو ثلاثة أو سبعة أسلاك بحجم 2 إلى 5 مم، بحيث يحسن الشكل الحلزوني للأسلاك الملتوية في الخيط من قوة الرابطة. تتكون الخيوط المكونة من طبقتين وثلاث طبقات من أسلاك بقطر 2 مم و 3 مم بينما يتم تصنيع خيوط من سبع طبقات عن طريق لف الأسلاك من 2 إلى 5 مم.

يتم تصنيع القضبان الفولاذية عالية الشد المستخدمة بشكل شائع في الإجهاد المسبق بأحجام اسمية يبلغ قُطرها 10 و 12 و 16 و 20 و 22 و 25 و 28 و 32 ملم. لا تختلف قوة الشد القصوى للقضبان بشكل ملحوظ مع القُطر. وهذا لأن القوة العالية للقضبان ناتجة عن صناعة السبائك وليس بسبب العمل على البارد كما في حالة الأسلاك. حيث أنه الحد الأدنى لمقاومة الشد المميزة لأشرطة مقاومة الشد العالية وفقًا للكود هو 980 نيوتن لكل مم 2.

يجب ألا يقل إجهاد القضبان الفولاذية عالية الشد عن 80% من الحد الأدنى لمقاومة الشد المحددة. كما يجب أن تكون الاستطالة عند التمزق 10% لطول المقياس المحدد. وقد تم تحديد أن جميع الحديد مسبق الإجهاد يجب أن يكون خاليًا من الانقسامات والامتدادات الضارة وعيوب السطح والحواف الخشنة وغير الكاملة والعيوب الأخرى التي من المحتمل أن تضعف استخدامها في الخرسانة سابقة الإجهاد. وقد يُسمح بوجود صدأ طفيف على سطح التسليح بشرط عدم وجود حفر سطحي مرئي.

إذا تم إجراء أي أداة توصيل أو استخدام أي أداة أخرى مماثلة مع الأسلاك أو القضبان، فيجب أن تتمتع بقوة نهائية لا تقل عن القوة الفردية للأسلاك أو القضبان التي يتم ربطها. ومن ثم، يتم تحديد معامل مرونة الأوتار الفولاذية عن طريق اختبارات على عينات من الفولاذ لاستخدامها بالفعل في البناء. وإلا يمكن الحصول على القيمة من الشركة المصنعة للفولاذ. إذا لم يكن ذلك ممكنًا أيضًا، فيمكن استخدام القيم التالية.

تختلف قوة الشد القصوى للسلك الفولاذي العادي المسحوب بشدة باختلاف قُطره، كما تتناقص قوة الشد مع زيادة قُطر الأسلاك. قوة الشد وخصائص الاستطالة للأسلاك المسحوبة بالضغط على البارد حسب مواصفات الأسلاك الفولاذية المسحوبة بالحديد للخرسانة الجاهزة كما هو مبين في الجدول التالي:

الضغوط المسموح بها في الفولاذ مسبق الإجهاد:

وفقًا للكود الهندي، يجب ألا تتجاوز الضغوط المسموح بها في الأوتار في وقت الإجهاد المسبق الأولي 80% من قوة الشد المميزة للأوتار. ويجب ألا تقل الإجهاد النهائي بعد السماح لجميع الخسائر في الإجهاد المسبق عن 45% من قوة الشد المميزة للأوتار.

التعزيز غير المشدود للفولاذ مسبق الإجهاد:

في بناء الخرسانة سابقة الإجهاد، يجب أيضًا استخدام التعزيز غير المشدود جنبًا إلى جنب مع الأوتار. حيث أن هذا ضروري لأن ضغوط الشد تنتج بسبب عمل الإجهاد في اتجاهات جانبية. كما يتم تناول هذه الضغوط عن طريق التعزيز غير المشدود الذي يتم توفيره بالإضافة إلى الأوتار في الاتجاهات الجانبية والطولية. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة أيضًا إلى التعزيز غير المشدود لتحمل الضغوط الناتجة أثناء نقل أعضاء الخرسانة سابقة الإجهاد.

يجب أن يكون التسليح المستخدم كَحديد غير مشدود أحد الأنواع التالية:

1. الفولاذ الطري والقضبان الفولاذية المتوسطة الشد.
   
2. قضبان مشوهة مُدلفنة على الساخن.
   
3. قضبان ملتوية على البارد.
   
4. نسيج الأسلاك الفولاذية المسحوب بشدة.