تغییر خواص مکانیکی میلگردهای فولادی در آمریکای شمالی

عملکرد اعضای بتن مسلح (RC) توسط عوامل زیادی مانند خواص مکانیکی میلگرد فولادی، بتن و جزئیات آرماتور تعیین می شود. عدم قطعیت در عملکرد سازه ها ممکن است از تغییرات خواص مواد، تغییرات ابعادی، شرایط بارگذاری و تحمل های مختلف ساخت ناشی شود [1]. عدم قطعیت در خواص میلگرد فولادی نقش مهمی در تعیین عملکرد سازه ها در طراحی لرزه ای و غیر لرزه ای ایفا می کند. به ویژه مهم است که تغییرات مقاومت میلگرد در طراحی لرزه ای را در نظر بگیرید تا اطمینان حاصل شود که لولاهای پلاستیکی در اعضای شکل پذیر شکل می گیرند و اعضای محافظت شده با ظرفیت الاستیک باقی می مانند.

اگرچه میلگردهای فولادی تقویت‌کننده، که به عنوان میلگرد نیز شناخته می‌شوند، در سازه‌های RC نقش حیاتی در ایجاد مقاومت دارند، تغییرات در خواص مکانیکی آنها می‌تواند عدم قطعیت را در ارزیابی سازه‌های موجود و طراحی سازه‌های جدید افزایش دهد. تولید میلگرد فولادی شامل مراحل مختلفی از جمله تصفیه، آلیاژسازی، نوردکاری و عملیات حرارتی است [3] که همگی بر خواص مکانیکی میلگرد تأثیر دارند. مرحله ریزآلیاژی، به ویژه، امکان تولید میلگردهای فولادی با عیارهای مختلف را از طریق افزودن انواع مختلف آلیاژها مانند کربن، منگنز و غیره فراهم می کند. مراحل عملیات حرارتی و مکانیکی عمدتاً بر شکل پذیری، خواص کرنش سخت شدن، و سختی میلگردهای فولادی [4]. علاوه بر این، عوامل دیگری مانند قطر میله، چگالی،

در طرح‌های غیر لرزه‌ای، آیین‌نامه‌های طراحی بر اساس اصول بار و ضریب مقاومت نیاز به استفاده از ضرایب مقاومت (عوامل کمتر از 1.0) برای در نظر گرفتن عدم قطعیت در مقاومت مصالح دارند. با استفاده از ضرایب مقاومت برای محاسبه مقاومت مشخص شده، طرح ها محافظه کارانه هستند به طوری که احتمال شکست در حد قابل قبول است. در طراحی لرزه ای با پیروی از اصول طراحی مبتنی بر عملکرد، بسیاری از آیین نامه های طراحی نیاز به استفاده از خواص مواد مورد انتظار و مقاومت احتمالی (بر اساس فاکتورهای بیشتر از 1.0) دارند. به عنوان مثال، در طراحی مبتنی بر عملکرد، انجمن استانداردهای کانادا، CHBDC [5] نیاز به استفاده از خواص مواد مورد انتظار در طراحی اعضای انعطاف پذیر دارد تا بتوان عملکرد واقعی و به احتمال زیاد را پیش بینی کرد. این نیاز به استفاده از مقاومت احتمالی اعضای انعطاف پذیر هنگام محاسبه تقاضای بیش از حد مقاومت برای اعضای پل RC محافظت شده با ظرفیت دارد، به طوری که روسازه ها، پایه ها و تیرهای کلاهک قابل محافظت باشند. اعضای محافظت شده با ظرفیت برای حداکثر نیروهای ممکن توسعه یافته طراحی شده اند که می توانند از اعضای شکل پذیر منتقل شوند، مانند ستون هایی که اثرات نامطلوب مواد قوی تر از مقاومت های مشخص شده در اعضای شکل پذیر را در بر می گیرند.

مطالعات متعددی انحراف خواص واقعی مواد میلگردهای فولادی را از مقادیر مشخص شده آنها بررسی کرده اند [1]، [6]، [7]. آلن [6] تغییرپذیری خواص مکانیکی میلگردهای فولادی را با تجزیه و تحلیل نتایج آزمون کشش میلگردهای فولادی با اندازه‌های میلگرد، آسیاب‌های منبع و تولیدکنندگان مختلف مورد مطالعه قرار داد. این مطالعه شامل 132 مجموعه داده از کارخانه های تولیدی کانادا و 102 مجموعه داده از شورای تحقیقات ملی کانادا (NRC)  جمع آوری شده بود. از پنج منبع مختلف گرما در این مطالعه، میلگردهای فولادی از منابع گرمایی و گروه میلگرد یکسان (یعنی اندازه میلگرد) ضرایب تغییرات (COVs) کمتری را در مقایسه با میلگردهای فولادی تولید شده توسط کل کارخانه (یعنی آسیاب منبع متفاوت) و گروه‌های مختلف میلگرد نشان دادند. میرزا و همکاران [7] تغییرپذیری استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی، مدول الاستیسیته، سطح مقطع، کرنش در استحکام تسلیم، قطر میله و سرعت بارگذاری را با استفاده از 3947 نمونه از 13 منبع منتشر شده و منتشر نشده مورد مطالعه قرار داد. اثر قطر میله برای قطرهای بزرگتر مشهودتر بود. علاوه بر این، آنها توابع چگالی احتمال (PDF) را برای نشان دادن توزیع قدرت تسلیم کارخانه فولاد در گریدهای 280 مگاپاسکال و 420 مگاپاسکال پیشنهاد کردند. توزیع نرمال با توزیع مقاومت تسلیم فولاد گریدهای 280 مگاپاسکال و 420 مگاپاسکال در محدوده 0.01 صدک تا صدک 99 مطابقت خوبی داشت. با این حال، تابع توزیع بتا به بهترین وجه نشان دهنده توزیع استحکام تسلیم هر دو گرید فولادی 280 مگاپاسکال و 420 مگاپاسکال است. نواک و کالینز [8] با تجزیه و تحلیل خواص مواد بتن و فولاد، مدل های مقاومتی را برای عناصر RC توسعه دادند. توزیع مقاومت 418 مجموعه داده از میلگردهای فولادی گرید 420 با اندازه میلگردها از شماره 3 تا شماره 18 با استفاده از تابع چگالی تجمعی (CDF) بر روی کاغذ احتمال عادی ترسیم شد. بورنونویل و همکاران [1] تغییرپذیری خواص مکانیکی را با تجزیه و تحلیل مجموعه داده های 29 کارخانه فولاد در سراسر آمریکای شمالی مورد مطالعه قرار داد. در مطالعه آنها از 23768 داده استفاده شد. و تنوع خواص مکانیکی در میان آسیاب های منبع و اندازه میله مورد بررسی قرار گرفت. همچنین از فایل‌های PDF برای نشان دادن توزیع خواص مکانیکی استفاده شد که در آن تابع بتا دقت بالاتری را در نمایش بیشتر توزیع نشان داد.

این مطالعه تغییرپذیری خواص مکانیکی، به ویژه تسلیم و استحکام کششی نهایی، میلگردهای فولادی در آمریکای شمالی را بررسی می‌کند. مطالعات قبلی در مورد تغییرات خواص مکانیکی بر اساس داده‌های آزمایش کشش قدیمی‌تر بوده است و ممکن است برای انواع و درجه‌های میلگرد فعلی قابل استفاده نباشد. در این مطالعه، داده‌های آزمایش کششی جدیدتر (یعنی 2009-19) از آسیاب‌های مختلف در سراسر آمریکای شمالی برای بررسی تغییرپذیری خواص مکانیکی در چند پارامتر از جمله منبع آسیاب، اندازه میله و وزن در هر متر (وزن خطی میلگرد). علاوه بر این، داده‌ها با حداقل الزامات استاندارد ASTM مقایسه می‌شوند، سپس توابع چگالی احتمال و توابع چگالی تجمعی توسعه می‌یابند.