الفولاذ المشكل على البارد

يُعدّ الفولاذ المُشكّل على البارد ( CFS ) المصطلح الشائع للمنتجات الفولاذية التي تُشكّل بعمليات التشكيل على البارد التي تُجرى بالقرب من درجة حرارة الغرفة، مثل الدرفلة والضغط والختم والثني ، وما إلى ذلك . وتُستخدم قضبان وصفائح الفولاذ المدرفل على البارد ( CRS ) بشكل شائع في جميع مجالات التصنيع. ويُقابل هذان المصطلحان مصطلحي الفولاذ المُشكّل على الساخن والفولاذ المدرفل على الساخن .

يُستخدم الفولاذ المُشكّل على البارد، وخاصةً على شكل صفائح رقيقة، بشكل شائع في قطاع البناء والتشييد في العناصر الإنشائية وغير الإنشائية، مثل الأعمدة والجسور والجوائز والوصلات وألواح الأرضيات والأجزاء المركبة وغيرها من المكونات. وقد ازدادت شعبية هذه الاستخدامات في الولايات المتحدة منذ اعتمادها كمعيار عام 1946.

تُستخدم العناصر الفولاذية المشكلة على البارد في الجسور، ورفوف التخزين، وصوامع الحبوب ، وهياكل السيارات، وعربات السكك الحديدية، ومنتجات الطرق السريعة، وأبراج نقل الطاقة، وأعمدة نقل الطاقة، ومنشآت الصرف الصحي ، والأسلحة النارية، وأنواع مختلفة من المعدات، وغيرها. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُصنع هذه الأنواع من المقاطع على البارد من صفائح أو شرائح أو ألواح أو قضبان فولاذية مسطحة باستخدام آلات تشكيل بالدرفلة، أو مكابس الثني ، أو عمليات الثني. يتراوح سمك هذه العناصر الفولاذية ذات الجدران الرقيقة عادةً من 0.373 مم (0.0147  بوصة) إلى حوالي 6.35  مم (¼ بوصة). كما يمكن تشكيل ألواح وقضبان فولاذية بسمك يصل إلى 25.4  مم (1 بوصة) بنجاح على البارد إلى أشكال هيكلية (AISI، 2007b). ^{[ 3 ]}

بدأ استخدام العناصر الفولاذية المشكلة على البارد في تشييد المباني في خمسينيات القرن التاسع عشر في كل من الولايات المتحدة وبريطانيا العظمى. وفي عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، كان قبول الفولاذ المشكل على البارد كمادة بناء لا يزال محدودًا لعدم وجود معيار تصميم مناسب وقلة المعلومات المتاحة حول استخدام هذه المادة في قوانين البناء.

^{يُعدّ مستشفى فرجينيا المعمداني [ 4 ]} ، الذي شُيّد حوالي عام 1925 في لينشبورغ، فرجينيا، من أوائل المباني التي استُخدم فيها الفولاذ المُشكّل على البارد كمادة بناء موثقة . كانت الجدران مبنية من الطوب الحامل، بينما كان نظام الأرضية مُؤطّرًا بقنوات فولاذية مزدوجة مُشكّلة على البارد ذات حواف متقابلة. ووفقًا لتشوك غرين، مهندس معتمد من شركة نولين فريسا وشركائه ^{[ 5 ]،} كانت العوارض كافية لتحمّل الأحمال والمسافات الأولية، استنادًا إلى تقنيات التحليل الحالية. وقد أشرف غرين على عملية تجديد حديثة للمبنى، وأكد أن العوارض لا تزال تؤدي وظيفتها بشكل جيد في معظمها. وأكدت معاينة ميدانية أثناء عملية التجديد أن "هذه العوارض التي تعود إلى عشرينيات القرن الماضي لا تزال تدعم الأحمال، بعد مرور أكثر من 80 عامًا!"

في أربعينيات القرن العشرين، قامت شركة لوسترون هومز ببناء وبيع ما يقرب من 2500 منزل بإطار فولاذي، حيث تم تصنيع الإطارات والتشطيبات والخزائن والأثاث من الفولاذ المشكل على البارد.

تم اعتماد معايير تصميم الفولاذ المدرفل على الساخن (انظر: الفولاذ الإنشائي ) في ثلاثينيات القرن العشرين، لكنها لم تكن قابلة للتطبيق على المقاطع المشكلة على البارد نظرًا لجدرانها الفولاذية الرقيقة نسبيًا، والتي كانت عرضة للانبعاج. تحافظ عناصر الفولاذ المشكلة على البارد على سُمك ثابت حول مقطعها العرضي، بينما تُظهر الأشكال المدرفلة على الساخن عادةً تناقصًا أو زوايا حادة. سمح الفولاذ المشكل على البارد بأشكال تختلف اختلافًا كبيرًا عن الأشكال الكلاسيكية المدرفلة على الساخن. كانت المادة سهلة التشكيل؛ إذ يمكن تشكيلها إلى العديد من الأشكال الممكنة. حتى أن تغييرًا طفيفًا في الشكل الهندسي يُحدث تغييرات كبيرة في خصائص قوة المقطع. كان من الضروري وضع بعض المتطلبات والقوانين الدنيا للتحكم في خصائص الانبعاج والقوة. كما لوحظ أن الجدران الرقيقة تتعرض لانبعاج موضعي تحت أحمال صغيرة في بعض المقاطع، وأن هذه العناصر قادرة بعد ذلك على تحمل أحمال أعلى حتى بعد الانبعاج الموضعي للعناصر.

في الولايات المتحدة، نشر المعهد الأمريكي للحديد والصلب (AISI) الطبعة الأولى من مواصفات تصميم العناصر الإنشائية الفولاذية ذات المقياس الخفيف عام 1946 (AISI، 1946). ^{[ 6 ]} واستندت أول مواصفات لتصميم الإجهاد المسموح به (ASD) إلى أعمال بحثية رعاها المعهد الأمريكي للحديد والصلب في جامعة كورنيل تحت إشراف البروفيسور الراحل جورج وينتر.منذ عام 1939. ^{[ 7 ]} ونتيجةً لهذا العمل، يُعتبر جورج وينتر الآن رائد تصميم الفولاذ المشكّل على البارد. وقد نُقّحت مواصفات ASD لاحقًا في الأعوام 1956، 1960، 1962، 1968، 1980، و1986 لتعكس التطورات التقنية ونتائج الأبحاث المستمرة في جامعة كورنيل وجامعات أخرى (يو وآخرون، 1996). ^{[ 8 ]} وفي عام 1991، نشر المعهد الأمريكي للحديد والصلب (AISI) الطبعة الأولى من مواصفات تصميم عامل الحمل والمقاومة، التي طُوّرت في جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا وجامعة واشنطن في سانت لويس تحت إشراف وي-وين يو.وثيودور ف. غالامبوس (المعهد الأمريكي للحديد والصلب، 1991). ^{[ 9 ]} تم دمج مواصفات ASD وLRFD في مواصفة واحدة في عام 1996 (المعهد الأمريكي للحديد والصلب، 1996). ^{[ 10 ]}

في عام ٢٠٠١، طُوِّرت الطبعة الأولى من المواصفة الأمريكية الشمالية لتصميم العناصر الإنشائية الفولاذية المشكلة على البارد بجهود مشتركة بين لجنة المواصفات التابعة للمعهد الأمريكي للحديد والصلب (AISI)، واللجنة الفنية للعناصر الإنشائية الفولاذية المشكلة على البارد التابعة للجمعية الكندية للمعايير (CSA)، والغرفة الوطنية لصناعة الحديد والصلب (CANACERO) في المكسيك (AISI، ٢٠٠١). ^{[ ١١ ]} تضمنت هذه المواصفة طريقتي ASD وLRFD للولايات المتحدة والمكسيك، بالإضافة إلى طريقة تصميم حالات الحد (LSD) لكندا. وقد اعتمد المعهد الوطني الأمريكي للمعايير ( ANSI ) هذه المواصفة الأمريكية الشمالية كمعيار ANSI ليحل محل مواصفة AISI لعام ١٩٩٦ ومعيار CSA لعام ١٩٩٤. وبعد الاستخدام الناجح لطبعة ٢٠٠١ من المواصفة الأمريكية الشمالية لمدة ست سنوات، جرى تنقيحها وتوسيعها في عام ٢٠٠٧. ^{[ ١٢ ]}

تتضمن هذه المواصفات المحدثة أحكام تصميم جديدة ومعدلة مع إضافة طريقة القوة المباشرة في الملحق 1 وتحليل الدرجة الثانية للأنظمة الهيكلية في الملحق 2.

بالإضافة إلى مواصفات المعهد الأمريكي للحديد والصلب (AISI)، نشر المعهد أيضًا تعليقات على إصدارات مختلفة من المواصفات، وأدلة التصميم، ومعايير تصميم الهياكل، وأدلة تصميم متنوعة، وأدوات مساعدة في تصميم استخدام الفولاذ المشكل على البارد. لمزيد من التفاصيل، راجع AISI.موقع إلكتروني.

تستخدم الولايات المتحدة والمكسيك وكندا المواصفة الأمريكية الشمالية لتصميم العناصر الإنشائية الفولاذية المشكلة على البارد، رقم الوثيقة AISI S100-2007. وتستخدم الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي الأقسام من 1 إلى 3 من المواصفة الأوروبية Eurocode 3 (EN 1993) لتصميم العناصر الفولاذية المشكلة على البارد. وتستخدم دول أخرى مواصفات تصميم متنوعة، يعتمد الكثير منها على المواصفة AISI S-100، كما هو معتمد في قوانين البناء المذكورة أدناه. يُصنف الفولاذ المدلفن على البارد ضمن الفصل 72 من النظام المنسق، الذي يشمل منتجات الحديد أو الفولاذ. ^{[ 13 ]}

توجد قائمة أخرى برموز ومعايير الصلب المشكل على البارد الدولية (ويمكن تعديلها بإذن) في رموز الصلب المشكل على البارد حول العالم .

في مجال البناء، يوجد نوعان أساسيان من الفولاذ الإنشائي: الفولاذ المدرفل على الساخن والفولاذ المشكّل على البارد. يُشكّل الفولاذ المدرفل على الساخن عند درجات حرارة مرتفعة، بينما يُشكّل الفولاذ المشكّل على البارد عند درجة حرارة الغرفة. تُصنع العناصر الإنشائية الفولاذية المشكّلة على البارد عادةً من ألواح أو صفائح أو شرائح فولاذية. تتضمن عملية التصنيع تشكيل المادة إما بالضغط أو الدرفلة على البارد للحصول على الشكل المطلوب.

عند تشكيل الفولاذ بالضغط أو الدرفلة على البارد، تتغير الخواص الميكانيكية للمادة نتيجةً للتشكيل على البارد. فعند تشكيل مقطع فولاذي على البارد من صفائح أو شرائح مسطحة، تزداد مقاومة الخضوع، وإلى حد أقل مقاومة الشد القصوى، نتيجةً لهذا التشكيل على البارد، لا سيما في انحناءات المقطع.

بعض الخصائص الرئيسية للفولاذ المشكل على البارد هي كما يلي: ^{[ 14 ]}

• خفة الوزن
• قوة وصلابة عاليتان
• سهولة التصنيع المسبق والإنتاج الضخم
• تركيب وتركيب سريع وسهل
• القضاء بشكل كبير على التأخيرات الناجمة عن الأحوال الجوية
• تفاصيل أكثر دقة
• لا ينكمش ولا يزحف في درجات الحرارة المحيطة
• لا حاجة إلى القوالب الخشبية
• مقاوم للنمل الأبيض ومقاوم للعفن
• جودة موحدة
• الاقتصاد في النقل والمناولة
• غير قابل للاحتراق
• مواد قابلة لإعادة التدوير
• يمكن للألواح والأسطح أن توفر خلايا مغلقة للقنوات.

يمكن تصنيف الأشكال المشكلة على البارد المستخدمة في صناعة البناء على نطاق واسع إلى عناصر هيكلية فردية أو ألواح وألواح سطحية.

بعض التطبيقات الشائعة والأقسام المفضلة هي:

• أنظمة الأسقف والجدران (المباني الصناعية والتجارية والزراعية)
• رفوف فولاذية لدعم منصات التخزين
• العناصر الإنشائية للجمالونات المستوية والفراغية
• الهياكل ذات الغلاف الخارجي المقوى بدون إطار: تُستخدم الألواح المموجة أو قطاعات الألواح ذات الحواف المقواة للهياكل الصغيرة التي يصل  طولها الصافي إلى 30 قدمًا بدون إطار داخلي.

• 
  أرضيات CFS
• 
  مدادات فولاذية من الفولاذ المدلفن
• 
  نظام جداري مدعم بأعمدة فولاذية مشكلة على شكل حرف X
• 
  وصلة جدار من الفولاذ المدلفن/العوارض

تسمح مواصفات AISI باستخدام الفولاذ وفقًا لمواصفات ASTM التالية في الجدول أدناه: ^{[ 15 ]}

تُعدّ منحنى الإجهاد-الانفعال من أهم خصائص الفولاذ، والتي تُستخدم لوصف سلوكه. وتنقسم منحنيات الإجهاد-الانفعال لصفائح الفولاذ المشكّلة على البارد إلى فئتين رئيسيتين: منحنى الخضوع الحاد ومنحنى الخضوع التدريجي، كما هو موضح في الشكلين 1 و2 أدناه على التوالي.

يمثل منحنى الإجهاد والانفعال هذان المنحنيان خصائص نموذجية لصفائح الفولاذ المشكلة على البارد أثناء اختبار الشد. أما الرسم البياني الثاني فيمثل صفيحة الفولاذ التي خضعت لعملية التشكيل على البارد (الدرفلة الصلبة) أثناء عملية التصنيع، ولذلك لا تظهر نقطة خضوع مع هضبة خضوع. وقد ينخفض ​​الميل الأولي للمنحنى نتيجةً للمعالجة المسبقة. وعلى عكس الشكل 1، يمثل منحنى الإجهاد والانفعال في الشكل 2 سلوك صفيحة الفولاذ المُلدّن. بالنسبة لهذا النوع من الفولاذ، تُحدد نقطة الخضوع بالمستوى الذي يصبح عنده منحنى الإجهاد والانفعال أفقيًا.

يؤدي التشكيل على البارد إلى زيادة مقاومة الخضوع للفولاذ، وتنتج هذه الزيادة عن تشكيل الفولاذ على البارد حتى الوصول إلى نطاق التصلب الإجهادي. وتتركز هذه الزيادة في المناطق التي يتعرض فيها الفولاذ للتشوه عن طريق الانحناء أو التشكيل. ويمكن افتراض زيادة إجهاد الخضوع بنسبة 15% أو أكثر لأغراض التصميم. تتراوح قيمة إجهاد الخضوع للفولاذ المشكل على البارد عادةً بين 33 و80 كيلوباسكال. أما القيم المقاسة لمعامل المرونة ، وفقًا للطرق القياسية، فتتراوح عادةً بين 29000 و30000 كيلوباسكال (200 إلى 207 جيجاباسكال) . وتوصي AISI في مواصفاتها بقيمة 29500 كيلوباسكال (203 جيجاباسكال) لأغراض التصميم. ولا ترتبط مقاومة الشد القصوى لألواح الفولاذ في المقاطع ارتباطًا مباشرًا بتصميم هذه العناصر. عادةً ما تكون قدرة تحمل الأحمال لعناصر الانحناء والضغط المصنوعة من الفولاذ المشكّل على البارد محدودةً بإجهادات نقطة الخضوع أو الانبعاج التي تقل عن نقطة خضوع الفولاذ، لا سيما بالنسبة لعناصر الضغط ذات نسب العرض المسطحة الكبيرة نسبيًا، وعناصر الضغط ذات نسب النحافة الكبيرة نسبيًا. ويُستثنى من ذلك الوصلات المثبتة بالبراغي والملحومة، حيث تعتمد قوتها ليس فقط على نقطة الخضوع، بل أيضًا على مقاومة الشد القصوى للمادة. وتشير الدراسات إلى أن تأثيرات التشكيل على البارد على عناصر الفولاذ المشكّل تعتمد بشكل كبير على الفرق بين مقاومة الشد ومقاومة الخضوع للمادة الأصلية.

تُعرَّف المطيلية بأنها مدى قدرة المادة على تحمل التشوه اللدن دون تمزق. وهي ليست مطلوبة فقط في عملية التشكيل، بل ضرورية أيضًا لإعادة توزيع الإجهاد اللدن في العناصر والوصلات، حيث يحدث تركيز الإجهاد. وقد درس كلٌّ من دالا ، ووينتر ، وإريرا في جامعة كورنيل معايير المطيلية وأداء الفولاذ منخفض المطيلية للعناصر والوصلات المشكلة على البارد . ووجدوا أن قياس المطيلية في اختبار الشد القياسي يشمل المطيلية الموضعية والمطيلية المنتظمة. تُعرَّف المطيلية الموضعية بأنها الاستطالة الموضعية في منطقة الكسر النهائية. أما المطيلية المنتظمة فهي قدرة عينة الشد على تحمل تشوهات لدنة كبيرة على طولها بالكامل قبل حدوث التخصر. كما كشفت هذه الدراسة أنه بالنسبة لأنواع الفولاذ المختلفة المطيلية التي تم فحصها، لم تكن الاستطالة في طول قياس 50.8 مم (بوصتين) مرتبطة بشكل مُرضٍ بالمطيلية الموضعية أو المنتظمة للمادة. من أجل إعادة توزيع الإجهادات في النطاق اللدن لتجنب الكسر الهش المبكر ولتحقيق قوة المقطع الصافي الكاملة في عنصر الشد مع تركيزات الإجهاد، يُقترح ما يلي:

• يجب ألا يقل الحد الأدنى للاستطالة المحلية في طول قياس - 1/2 بوصة (12.7 مم) لعينة شد قياسية بما في ذلك العنق عن 20٪.
• يجب ألا يقل الحد الأدنى للاستطالة المنتظمة في طول قياس 3 بوصات (76.2 مم) مطروحًا منه الاستطالة في طول قياس 1 بوصة (25.4 مم) يحتوي على عنق وكسر عن 3٪.
• يجب أن تكون نسبة قوة الشد إلى نقطة الخضوع Fu /Fy على الأقل 1.05.

تشير قابلية اللحام إلى قدرة الفولاذ على اللحام لتكوين وصلة سليمة وخالية من الشقوق في ظروف التصنيع دون صعوبة. ^{[ 1 ]} اللحام ممكن في عناصر الفولاذ المشكّل على البارد، ولكن يجب أن يلتزم بالمعايير الواردة في AISI S100-2007، القسم E.

1. عندما يكون السمك أقل من أو يساوي 3/16 بوصة (4.76 مم):

فيما يلي أنواع اللحامات الممكنة المختلفة في مقاطع الصلب المشكلة على البارد، حيث يكون سمك أرق عنصر في الوصلة 3/16 بوصة أو أقل

• • لحام الأخدود في وصلات التماس
  • لحام النقاط بالقوس الكهربائي
  • لحام القوس الكهربائي
  • لحامات الزاوية
  • لحامات الأخدود المتوهج

2. عندما يكون السماكة أكبر من أو تساوي 3/16 بوصة (4.76 مم):

يجب أن تتوافق الوصلات الملحومة التي يزيد فيها سُمك أرق قوس لحام متصل عن 4.76 مم (3/16 بوصة) مع معيار ANSI/AISC-360 . وتُغطى مواضع اللحام وفقًا لمعيار AISI S100-2007 (الجدول E2a) ^{[ 12 ].}

تُعدّ عملية التلدين ، التي وُصفت أيضاً في القسم السابق، جزءاً من عملية تصنيع صفائح الفولاذ المشكّلة على البارد. وهي تقنية معالجة حرارية تُغيّر البنية المجهرية للفولاذ المشكّل على البارد لاستعادة ليونته .

طريقة القوة المباشرة (DSM) هي طريقة تصميم بديلة واردة في الملحق 1 من المواصفات الأمريكية الشمالية لتصميم العناصر الإنشائية الفولاذية المشكلة على البارد لعام 2007 (AISI S100-07). يمكن استخدام طريقة القوة المباشرة بدلاً من المواصفات الرئيسية لتحديد القدرات الاسمية للعناصر. تشمل مزاياها عدم الحاجة إلى عرض فعال أو تكرارات، مع الاعتماد فقط على خصائص المقطع الإجمالي المعروفة. وتزداد دقة التنبؤ بفضل التوافق القسري بين حواف المقطع والشبكة خلال تحليل الانبعاج المرن. توفر هذه الدقة المتزايدة لأي شكل هندسي للمقطع أساسًا متينًا لتوسيع نطاق التحليل المنطقي، وتشجع على تحسين المقطع العرضي. يمكن استخدام كل من طريقة القوة المباشرة والمواصفات الرئيسية بثقة، حيث صُممت معاملات Φ أو Ω لضمان دقة كلتا الطريقتين. حاليًا، توفر طريقة القوة المباشرة حلولًا للكمرات والأعمدة فقط، ويجب استخدامها بالتزامن مع المواصفات الرئيسية للحصول على تصميم كامل.

يُسمح بالتحليل العقلاني عند استخدام مقاطع مُحسّنة مُشكّلة على البارد، والتي تقع خارج نطاق المواصفات الرئيسية، ولم يتم اعتمادها مسبقًا للاستخدام في تصميم الهياكل. تستخدم هذه المقاطع غير المعتمدة مسبقًا معاملات الأمان Φ و Ω المرتبطة بالتحليل العقلاني (انظر AISI 2001 القسم A1.1 (ب)). وتُستخدم نتيجة التحليل العقلاني مضروبة في معامل الأمان المناسب كقيمة لقوة التصميم للمقطع.

توجد عدة حالات يمكن فيها استخدام التحليل العقلاني لمنهجية التصميم الهيكلي (DSM). تشمل هذه الحالات عمومًا: (1) تحديد قيم الانبعاج المرن، و(2) استخدام معادلات منهجية التصميم الهيكلي (DSM) الواردة في الملحق 1 لتحديد قيم الانحناء والقوة المحورية الاسمية، Mn وPn. يُعد مبدأ منهجية التصميم الهيكلي (DSM) نفسه مثالًا على التحليل العقلاني، إذ يستخدم نتائج الانبعاج المرن لتحديد أقصى مقاومة باستخدام منحنيات المقاومة التجريبية. يوفر هذا للمصممين طريقة لإجراء تحليل عقلاني في عدد من الحالات الفريدة.

في بعض الحالات، قد يكون توسيع التحليل العقلاني لنموذج DSM بسيطًا، إذ يقتصر على التعامل مع نمط انبعاج مُلاحَظ يصعب تحديده، واتخاذ قرار تقديري بشأن كيفية تصنيف هذا النمط. ولكن يمكن استخدامه أيضًا لتمكين المهندس من تضمين تأثيرات تدرجات العزم، وتأثير ظروف النهاية المختلفة، أو تأثير التواء الانحناء على جميع أنماط الانبعاج.

لا تتضمن مواصفات DSM حاليًا أي أحكام تتعلق بالقص، أو انبعاج الشبكة، أو الثقوب في العناصر، أو زيادة المقاومة الناتجة عن التشكيل على البارد. وقد أُنجزت أبحاث حول العديد من هذه المواضيع، أو هي قيد الإنجاز، ومن المتوقع إدراجها في التحديث القادم لمواصفات AISI. كما أن DSM محدود في تحديد مقاومة المقاطع التي تستخدم عناصر نحيفة جدًا. ويعود ذلك إلى أن DSM يتنبأ بمقاومة المقطع العرضي ككل، بدلًا من استخدام طريقة العرض الفعال في المواصفات، والتي تقسم المقطع العرضي إلى عدة عناصر فعالة. يؤدي استخدام عنصر نحيف واحد إلى انخفاض المقاومة في DSM، وهو ما لا يحدث في طريقة المواصفات الحالية. تُعد طريقة الشريط المحدود باستخدام CUFSM الطريقة الأكثر شيوعًا لتحديد أحمال الانبعاج المرن. كما يحد البرنامج من DSM، إذ لا يمكن مراعاة الثقوب، ويجب أن تكون الأحمال منتظمة على طول العنصر، ولا تُؤخذ في الاعتبار إلا شروط الدعم البسيط، وتتداخل أنماط الانبعاج، ولا يمكن تمييزها بسهولة في بعض الحالات.