شروع استفاده از میلگرد به چه دورانی باز می‌گردد؟

شروع استفاده از میلگرد به چه دورانی باز می‌گردد؟

قدیمی‌ترین اثر استفاده از میلگرد در ساختمان‌های بنایی به قرن 15 میلادی (اواخر قرن 8 شمسی) بازمی‌گردد. تحقیقات صورت گرفته بر روی «قلعه ونسن» (Château de Vincennes) در کشور فرانسه، استفاده بیش از 2500 متر میلگرد را در این سازه نشان می‌دهند.

میلگرد ابرکوه: در قرن 18 میلادی (اواخر قرن 11 شمسی)، از میلگرد برای ساخت اسکلت «برج خمیده‌ی نوینسک» (Leaning Tower of Nevyansk) در روسیه استفاده شد. کیفیت چدن مورد استفاده در این میلگردها به قدری بالا بود که تا به امروز، هیچ اثری از خوردگی بر روی آن‌ها مشاهده نمی‌شود.

میلگردهای موجود در سقف برج خمیده‌ی نوینسک

خرید میلگرد: در اواسط قرن 19 میلادی (اوایل قرن 13 شمسی)، با به کارگیری فولاد در ساخت میلگرد و ترکیب آن با بتن، نوع جدیدی از مصالح ساختمانی با مقاومت بالا معرفی شد. امروزه این مصالح ساختمانی، با عنوان یا بتن آرمه شناخته می‌شود. در سال 1962 میلادی (1340 شمسی)، ساخت برج های دوقلوی مارینا در شهر شیکاگو توسط بتن آرمه صورت گرفت. پس از ساخت این سازه‌ها، استفاده از بتن آرمه به استاندارد جدیدی برای ساخت آسمان‌خراش‌ها تبدیل شد.

برج‌های دوقلوی مارینا (اولین آسمان‌خراش‌های بتن آرمه)

قیمت پروفیل: در گذشته، احتمال فرسودگی پل‌ها و جاده‌های بتنی بیشتر بود. در سال 1984 میلادی (1352)، مشاهده ترک‌های خطرناک بر روی بسیاری از پل‌های شاه‌تیری بتن آرمه در ایالت کانزاس ایالات متحده باعث گسترش روش جدیدی برای استفاده از میلگرد در سازه‌های بتنی شد. مهندسان مشکل ترک‌خوردگی شدید بتن را با پر کردن ترک‌ها و استفاده از تقویت‌کننده‌های ثانویه حل کردند. این راه‌حل، ظرفیت باربری و پایداری سازه‌ها را افزایش داد.

در سال 1996 میلادی (1374 شمسی) با پیشرفت علم مواد، ایده استفاده از الیاف فولادی در ترکیب بتن مطرح شد. مطالعات صورت گرفته نشان داد که بتن‌های الیافی می‌توانند مقاومت و طول عمر سازه را افزایش دهند. در سال‌های بعد، استفاده از مواد دیگر نظیر الیاف شیشه در ساخت میلگردها مطرح شد و مورد بررسی قرار گرفت.

میلگرد الیاف کربن

از گذشته تا به امروز، میلگردهای متنوعی در ساخت سازه‌های بسیار زیادی مورد استفاده قرار گرفته‌اند که در بخش‌های بعدی، به معرفی آن‌ها خواهیم پرداخت.

میلگرد چیست؟

«میلگرد» (Reinforcement Bar یا به اختصار Rebar)، یک محصول فولادی به شکل میله، مش یا کابل است که به منظور تقویت مقاومت کششی در سازه‌ها یا عضوهای بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته، موادی نظیر الیاف پلیمری و دیگر فلزات نیز در ساخت میلگردها به کار می‌روند اما متداول‌ترین نوع میلگرد، فولادی است.

میلگرد چگونه ساخته می‌شود؟

میلگرد طی مراحل ذوب، ، تولید شمش و نورد ساخته می‌شود. به طور کلی، روش‌های ساخت میلگرد را می‌توان به سه دسته زیر تقسیم‌بندی کرد:

• «فولاد گرم نوردیده» (Hot Rolled Steel): فولاد در معرض حرارتی بالاتر از دمای بحرانی برای قرار می‌گیرد و حالت پلاستیک به خود می‌گیرد. سپس، شکل و ابعاد آن به وسیله دستگاه نورد، به شکل دلخواه (در اینجا میلگرد) درمی‌آید.
• «فولاد سرد نوردیده» (Cold Rolled Steel) یا سرد اصلاح شده: میلگردهای گرم نوردیده در حالت سرد، تحت عملیات‌های مکانیکی نظیر پیچاندن، کشیدن، نورد کردن و یا گذراندن از حدیده قرار می‌گیرند.
• فولاد گرم اصلاح شده یا فولاد ویژه: میلگردهای گرم نوردیده در حالت گرم، تحت عملیات‌های مکانیکی نظیر گرمایش و آب دادن قرار می‌گیرند.

کاربرد میلگرد چیست؟

میلگرد، کاربردهای زیادی در ساخت ساختمان و دیگر سازه‌های عمرانی دارد. در واقع، میلگرد در اکثر سازه‌های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از سازه‌هایی که اغلب با میلگرد ساخته می‌شوند، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ساختمان: ، دیوار، تیر، ، و غیره
• : عرشه، شاه‌تیر، پایه، تکیه‌گاه و غیره
• : قاب، سگمنت، راک بولت و غیره
• و دیگر سازه‌های بتنی

با توجه به محل مورد استفاده و نوع کاربری مورد نظر، میلگردها را می‌توان به انواع طولی، عرضی، دورپیچ، تنگ، دورگیر، خاموت، انتظار، تکمیلی و مهار تقسیم‌بندی کرد. در بخش میلگردگذاری، به تعریف این میلگردها خواهیم پرداخت.

اهمیت میلگرد در سازه‌های بتنی چیست؟

، یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. مزیت‌های فراوان این ماده باعث محبوبیت و گسترش استفاده از آن در سازه‌های مختلف شده است. در کنار تمام مزیت‌ها، را می‌توان به عنوان بزرگ‌ترین مشکل بتن در نظر گرفت. فولاد، ماده‌ای با مقاومت کششی بالا است. ویژگی‌های فولاد، آن را به بهترین گزینه برای ترکیب شدن با بتن و تقویت مقاومت کششی آن تبدیل می‌کند. به همین دلیل، به کارگیری میلگردهای مناسب در سازه‌های بتنی، اهمیت بالایی برای پایداری سازه دارد.

خم شدن بدون شکست یک نمونه بتن مسلح (افزایش مقاومت کششی بتن توسط فولاد)

در بخش‌های بعدی، به توضیح بیشتر راجع به ویژگی‌های منحصر به فرد ترکیب فولاد و بتن خواهیم پرداخت.

مشخصات ظاهری میلگرد چه هستند؟

به طور کلی، میلگردها از نظر ظاهر به دو دسته «میلگرد ساده» (Plain Rebar) و «میلگرد آج‌دار» (Deformed Rebar) تقسیم می‌شوند. در استاندارد 3132 ایران با عنوان «میلگردهای فولادی گرم نوردیده برای تسلیح بتن – ویژگی‌ها و روش‌های آزمون»، طبقه‌بندی میلگردهای ساده و آج‌دار به صورت جدول زیر آورده شده است.

طبقه‌بندی میلگرد	علامت مشخصه	کد میلگرد
میلگرد ساده	س 240	A1 S240
میلگرد آج‌دار مارپیچ (یکنواخت یا دوکی)	آج 340	A2 S340
آج 350	A2 S350
میلگرد آج‌دار جناغی (یکنواخت یا دوکی)	آج 400	A3 S400
آج 420	A3 S420
میلگرد آج‌دار مرکب (دوکی)	آج 500	A4 S500
آج 520	A4 S520

در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1399، بند 9-4-2-1، علاوه بر موارد موجود در جدول بالا، نوع دیگری از میلگرد با کد S500C با عنوان «سیم‌های ساده و یا آجدار» نیز معرفی شده است. اعداد بعد از حرف S در کد میلگرد، تنش حد تسلیم یا مقاومت تسلیم (f_y) را بر حسب مگاپاسکال نمایش می‌دهند. تصویر زیر نمونه‌ای از یک میلگرد ساده و آج‌دار را نمایش می‌دهد.

میلگردهای آج‌دار معمولا دارای آج‌های عرضی و طولی هستند. آج عرضی، برجستگی‌هایی است که با یک زاویه مورب نسبت به محور طولی میلگرد ایجاد می‌شود. آج طولی، نوعی از آج است که ساخت آن به صورت یک شکل، یکنواخت، ممتد و موازی با محور طولی میلگرد صورت می‌گیرد. جدول زیر، شکل مقطع طولی انواع میلگردهای آج‌دار را نمایش می‌دهد.

طبقه‌بندی میلگرد	شکل مقطع طولی
میلگرد آج‌دار مارپیچ یکنواخت
میلگرد آج‌دار مارپیچ دوکی
میلگرد آج‌دار جناغی یکنواخت
میلگرد آج‌دار جناغی دوکی
میلگرد آج‌دار مرکب دوکی

• b₁: پهنای آج عرضی
• b₂: پهنای آج طولی
• h₁: ارتفاع آج عرضی
• h₂: ارتفاع آج طولی
• C: گام آج، فاصله بین مراکز دو آج متوالی
• β: زاویه بین آج عرضی و محور طولی میلگرد

ابعاد استاندارد میلگرد چه هستند؟

به منظور تعیین ابعاد میلگرد باید به استانداردهای موجود مراجعه کرد. ابعاد اسمی میلگرد‌های ساده و آج‌دار با درصد اختلاف مجاز (رواداری) در استاندارد 3132 ایران (مطابق جدول زیر) آمده است.

برای استفاده از جدول بالا، نکات زیر را به خاطر داشته باشید:

• میلگردهایی با قطر بالای ۵۰ میلی‌متر باید با توافق تولیدکننده و خریدار تولید شوند. در این مواقع، میزان رواداری وزن در دو حالت ساده و آج‌دار 4± در نظر گرفته می‌شود.
• سطح مقطع اسمی میلگرد از رابطه $A_{n}=0.7854 \times \mathrm{d}^{2}$ به دست می‌آید.
• وزن واحد طول با حاصل‌ضرب سطح مقطع اسمی میلگرد در 0.00785 است.

در رابطه مدیریت مصالح ساختمانی، آشنایی با نحوه شناسایی میلگردها و میلگردگذاری، فیلم آموزشی جامعی در مجموعه فرادرس تهیه شده است که می‌تواند در فراگیری این مبحث به شما کمک کند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش روش‌های اجرای سازه‌های بتنی و فولادی و مدیریت مصالح ساختمانی + .

ترکیب شیمیایی میلگرد چیست؟

میلگردها بر اساس نوع کاربرد می‌توانند ترکیب‌های شیمیایی مختلفی داشته باشند. این ترکیب شیمیایی برای حالت مذاب و محصول نهایی کمی متفاوت است. جدول زیر، حداکثر مقادیر عناصر موجود در ترکیب شیمیایی مذاب ریخته‌گری میلگرد ساده و آج‌دار بر حسب درصد جرمی و مطابق با استاندار 3132 ایران را نمایش می‌دهد.

در استفاده از اعداد جدول بالا، نکات زیر را در نظر بگیرید:

• عناصر آلیاژی نظیر مس (CU)، نیکل (Ni)، کروم (Cr)، مولیبدن (Mo)، وانادیوم (V)، نیوبیوم (Nb)، تیتانیوم (Ti) و زیرکونیوم (Zr)، ممکن است با توافق میان تولیدکننده و خریدار به ترکیب شیمیایی میلگرد اضافه گردد.
• در میل‌گردهایی که استحکام لازم مطابق استاندارد 3132 به روش خنک‌کاری و برگشت تحت کنترل (مانند ترمکس) حاصل می‌شود، حرف T و برای میلگردهایی که به روشی غیر از خنک‌کاری و برگشت تحت کنترل تولید می‌شوند، حرف U و در میلگردهایی که با استفاده از عناصر آلیاژی بالا، به استحکام لازم می‌رسند، حرف A به انتهای علامت مشخصه میلگرد اضافه می‌شود.
• اگر آنالیز شیمیایی، حداقل مقدار کل آلومینیوم 0.015 درصد را نشان دهد، حداکثر مقدار نیتروژن اعمال نمی‌شود یا چنانچه حداقل ۰.۰۱۳ درصد آلومینیوم قابل حل در اسید وجود داشته باشد یا اگر مقدار کافی عناصر نیتریدازی دیگر وجود داشته باشد، در این حالت، مقدار عناصر نیتریدازا نظیر تیتانیوم، نیوبیوم، وانادیوم و غیره باید در گواهی کیفیت محصول درج شود.
• شرایط جوش‌پذیری بر اساس میزان کربن معادل و پیوست استاندارد 3132 مورد بررسی قرار گیرد.

ترکیب شیمیایی محصول نهایی میلگرد بر اساس استاندارد 3132 ایران نیز مطابق جدول زیر است.

عناصر	حداکثر مقدار عناصر در ترکیب شیمیایی (درصد)	میزان انحراف مجاز ترکیب شیمیایی نسبت به ترکیب شیمیایی مذاب (درصد)
C	0.25≥	0.02+
0.25<<> </<>	0.03+
Si	0.60≥	0.05+
Mn	1.65≥	0.06+
1.65<<> </<>	0.08+
P	0050≥	0.005+
S	0.050≥	0.005+
N	0.012≥	0.002+

در صورتی که ترکیبات شیمیایی یا روش ساخت میلگردها متفاوت باشد، یک حرف لاتین به ادامه کد آن‌ها اضافه می‌شود. به عنوان مثال، کد سیم‌های ساده و آجدار برابر S500C است. ساخت این میلگرد به روش فولاد سرد نوردیده صورت می‌گیرد.

مشخصات مکانیکی میلگرد چه هستند؟

مشخصات مکانیکی میلگرد، مهمترین معیار انتخاب میلگردهای مناسب برای سازه‌های بتن آرمه مختلف است. این مشخصات به ماده سازنده و ترکیب شیمیایی میلگردها بستگی دارند. به طور کلی، مشخصات مکانیکی میلگردها را می‌توان به موارد زیر تقسیم کرد:

• ضریب انبساط حرارتی
• پیوستگی یا طول مهاری
• مقاومت در برابر خوردگی
• خواص الاستیک
• تغییر شکل در حین بارگذاری
• استحکام و مقاومت تسلیم
• همسان‌گردی یا ایزوتروپی
• خستگی
• تسلیم
• حفظ مقاومت

فولاد به عنوان ماده اصلی سازنده میلگرد محسوب می‌شود. خواص این ماده، دلیل انتخاب آن به عنوان تقویت‌کننده بتن در اکثر سازه‌های بتن آرمه است. در ادامه به معرفی خواص فیزیکی میلگردهای فولادی می‌پردازیم.

ضریب انبساط حرارتی میلگرد چیست؟

(Thermal Expansion) به توانایی ماده در تغییر حجم،‌ طول و مساحت در مواجهه با تغییر دما گفته می‌شود. و فولاد مشابه یکدیگر است. به همین دلیل، هیچ تنش یا تغییر شکل اضافی ناشی از انقباض و انبساط حرارتی در سازه‌های بتن آرمه به وجود نمی‌آید.

پیوستگی میلگرد با بتن چیست؟

با سفت شدن خمیر سیمانی، شکل بتن با سطح میلگردها مطابقت پیدا می‌کند. به این ترتیب، سطح این دو ماده با هم جفت می‌شوند. معمولا سطح میلگردها را به صورت زبر و آج‌دار می‌سازند تا «پیوستگی» (Bond)، چسبندگی یا اصطلاحا طول مهاری میلگردها و بتن افزایش پیدا کند. پیوستگی، امکان انتقال موثر تنش بین بتن و میلگردها را فراهم می‌کند.

مقاومت در برابر خوردگی میلگرد چگونه است؟

به طور کلی، فولاد ماده‌ای است که در مواجهه با هوا و عوامل شیمیایی، دچار خوردگی می‌شود. مواد قلیایی و هیدرواکسید کلسیم موجود در بتن، پوششی را به وجود می‌آورند که مقاومت فولاد در برابر خوردگی را نسبت به شرایط عادی افزایش می‌دهد. در صورت کاهش بتن به دلیل هوازدگی یا نفوذ بارش‌های جوی، مقاومت فولاد در برابر خوردگی کاهش می‌یابد. معمولا با رسیدن عدد PH به زیر 10، خوردگی میلگردها شروع می‌شود.

سه ویژگی معرفی‌شده در بالا به عنوان ویژگی‌هایی هستند که ترکیب فولاد و بتن را به یک ترکیب مکمل و مناسب برای ساخت سازه‌های مقاوم با طول عمر بالا تبدیل می‌کنند. در ادامه، دیگر ویژگی‌های مهم میلگردهای فولادی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

مدول الاستیسیته میلگرد چیست؟

به توانایی جسم در بازگشت به شکل اولیه (خاصیت ارتجاعی)، پس از بارگذاری و باربرداری، گفته می‌شود. این ویژگی، یکی از مهم‌ترین خواص مکانیکی میلگردها به حساب می‌آید. مدول الاستیسیته بتن در بازه‌ای بین 14 تا 41 پاسکال قرار دارد. این مدول، بتن را به یک ماده شکننده و مستعد ترک‌خوردگی تبدیل می‌کند.

به منظور، بهبود عملکرد ارتجاعی بتن از میلگردهای فولادی استفاده می‌شود. مدول الاستیسیته میلگردهای فولادی حدود 200 گیگاپاسکال است. البته، این مدول برای عیارها و ابعاد مختلف متفاوت خواهد بود. در صورتی که مدول الاستیسیته از 200 مگاپاسکال کمتر باشد، باید تعداد میلگردهای مورد استفاده را افزایش داد تا خاصیت ارتجاعی سازه افزایش و احتمال رخ دادن ترک کاهش پیدا کند. مدول الاستیسیته فولاد مورد استفاده در میلگردها را می‌توان از روی منحنی ماده سازنده آن‌ها تعیین کرد. جدول زیر، انواع میلگرد بر اساس شکل‌پذیری را نمایش می‌دهد.

تقسیم‌بندی بر اساس شکل‌پذیری	کد میلگرد	ویژگی
فولاد نرم	S240	نقطه تسلیم در منحنی تنش-کرنش واضح است.
فولاد نیمه سخت	S340	محدوده تسلیم در منحنی تنش-کرنش بسیار کوچک است.
S350
S400
S420
فولاد سخت	S500	نقطه تسلیم در منحنی تنش-کرنش مشخص نیست.
S520

مقاومت کششی و ازدیاد طول میلگرد چیست؟

«ازدیاد طول» (Elongation)، به قابلیت تغییر شکل طولی ماده تحت بارهای محوری (کششی) گفته می‌شود. در صورت اعمال بارهای اضافی بر روی سازه، میلگردها به طور قابل توجهی تغییر شکل می‌دهند و به این صورت، نحوه گسترش ترک‌ها در بتن را کنترل می‌کنند. رخ دادن ترک‌های کنترل شده در بتن و سطح بیرونی آن، به عنوان یک هشدار برای سازه محسوب می‌شود. این ویژگی، احتمال رخ دادن شکست ناگهانی سازه را کاهش می‌دهد. بر اساس استاندارد 3132 ایران، میزان ازدیاد طول نسبی برای میلگرد با قطر اسمی 5 و 10 میلی‌متر مطابق جدول زیر بررسی می‌شود