خصائص ومتطلبات المواد للهياكل الفولاذية

أولاً، ما هي خصائص الهياكل الفولاذية؟
1. قوة مادية عالية وخفة وزن. 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، وخفة وزن، وسهولة النقل والتركيب، وهو مناسب للهياكل ذات الامتدادات الكبيرة والارتفاعات العالية والأحمال الثقيلة.
2. يتميز الفولاذ بمتانة عالية، وليونة، وتجانس في التركيب، وموثوقية هيكلية عالية. وهو مناسب لتحمل الصدمات والأحمال الديناميكية، ويتمتع بمقاومة جيدة للزلازل. يتميز الهيكل الداخلي للفولاذ بتجانسه، ويقترب من بنية الجسم المتجانس متساوي الخواص. يتوافق الأداء الفعلي للهياكل الفولاذية مع الحسابات النظرية. لذلك، تتمتع الهياكل الفولاذية بموثوقية عالية.
3. تتميز عملية تصنيع وتركيب الهياكل الفولاذية بدرجة عالية من الميكنة. فمكونات هذه الهياكل سهلة التصنيع في المصانع والتجميع في الموقع. وتتميز المنتجات النهائية لمكونات الهياكل الفولاذية المصنعة آلياً في المصانع بدقة عالية، وكفاءة إنتاجية عالية، وسرعة تجميع فائقة في الموقع، وفترة بناء قصيرة. لذا، يُعد الهيكل الفولاذي من أكثر الهياكل تطوراً من الناحية الصناعية.
4. تتميز الهياكل الفولاذية بأداء إحكام ممتاز. وبما أن الهيكل الملحوم يمكن إحكامه بالكامل، فإنه يمكن تصنيعه في حاويات الضغط العالي، وأحواض النفط الكبيرة، وأنابيب الضغط، وما إلى ذلك، مع ضمان إحكام جيد للهواء والماء.
٥. الهياكل الفولاذية مقاومة للحرارة ولكنها ليست مقاومة للحريق. عندما تقل درجة الحرارة عن ١٥٠ درجة مئوية، لا تتغير خصائص الفولاذ إلا قليلاً. لذلك، تُعد الهياكل الفولاذية مناسبة للورش ذات الحرارة العالية، ولكن عندما يتعرض سطح الهيكل لإشعاع حراري يبلغ حوالي ١٥٠ درجة مئوية، يجب حمايته بألواح عازلة للحرارة. عندما تتراوح درجة الحرارة بين ٣٠٠ و٤٠٠ درجة مئوية، تنخفض كل من قوة الفولاذ ومعامل مرونته بشكل ملحوظ. وعندما تبلغ درجة الحرارة حوالي ٦٠٠ درجة مئوية، تميل قوة الفولاذ إلى الصفر. في المباني ذات متطلبات الحماية الخاصة من الحرائق، يجب حماية الهياكل الفولاذية بمواد مقاومة للحرارة العالية لتحسين مستوى مقاومة الحريق.
٦. تتميز الهياكل الفولاذية بمقاومة ضعيفة للتآكل، خاصة في البيئات الرطبة والمسببة للتآكل، وهي عرضة للصدأ. عمومًا، تحتاج الهياكل الفولاذية إلى معالجة ضد الصدأ، أو جلفنة، أو طلاء، وصيانة دورية. أما بالنسبة لهياكل المنصات البحرية في مياه البحر، فتُستخدم تدابير خاصة مثل "حماية الأنود بكتل الزنك" لمنع التآكل.
7. منخفض الكربون، موفر للطاقة، صديق للبيئة وقابل لإعادة الاستخدام. هدم المباني ذات الهياكل الفولاذية لا ينتج عنه نفايات بناء تُذكر، ويمكن إعادة تدوير الفولاذ واستخدامه.

ثانيًا، متطلبات المواد اللازمة 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.
٢. اللدونة: تشير لدونة الفولاذ عمومًا إلى خاصية حدوث تشوه لدني كبير دون انكسار بعد تجاوز الإجهاد حد المرونة. المؤشران الرئيسيان لقياس قدرة الفولاذ على التشوه اللدني هما الاستطالة δ والانكماش المقطعي ψ.
3. أداء الانحناء على البارد: يهدف اختبار أداء الانحناء على البارد للفولاذ إلى قياس مقاومته للتشقق عند حدوث تشوه لدن نتيجة عملية الانحناء في درجة حرارة الغرفة. ويتم ذلك باستخدام اختبارات 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 الصدمات. وهي خاصية ميكانيكية تقيس مقاومة الفولاذ لحمل الصدمات، وقد تؤدي إلى كسر هش نتيجة انخفاض درجة الحرارة وتركيز الإجهاد. ويتم الحصول على مؤشر مقاومة الصدمات للفولاذ عادةً من خلال اختبارات الصدمات على عينات قياسية.
٥. أداء اللحام: يُشير أداء اللحام للفولاذ إلى القدرة على الحصول على وصلة ملحومة ذات أداء جيد في ظل ظروف عملية لحام مُحددة. يُمكن تقسيم أداء اللحام إلى أداء اللحام أثناء عملية اللحام وأداء اللحام من حيث قابلية 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 أداء اللحام الجيد أنه في ظل ظروف عملية لحام مُحددة، لا تتولد أي تشققات في معدن اللحام أو المعدن الأساسي المُجاور. أما أداء اللحام من حيث قابلية الاستخدام فيُشير إلى مقاومة الصدمات عند منطقة اللحام وليونة منطقة التأثير الحراري. من الضروري 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 قابلية الاستخدام.
٦. المتانة: تؤثر عوامل عديدة على متانة الفولاذ. أولًا، مقاومة الفولاذ للتآكل ضعيفة، لذا يجب اتخاذ تدابير وقائية لمنع تآكله وصدأه. تشمل هذه التدابير: الصيانة الدورية لطلاء الفولاذ، واستخدام الفولاذ المجلفن، وتدابير وقائية خاصة في 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 أولًا، ما يحمي 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 للتآكل على المدى الطويل تحت درجات حرارة عالية. يصبح الفولاذ صلبًا وهشًا بمرور الوقت، وهي ظاهرة "التقادم". لذا، يجب اختبار مقاومة الفولاذ للصدمات تحت أحمال درجات حرارة منخفضة.