أي أحجام حديد التسليح مناسبة لمشاريع البناء؟

كيف تُعرَّف أحجام حديد التسليح: المعايير والرموز والأبعاد الأساسية

فك رموز نظام الترقيم #X والمعادلات المترية (6 مم – 57 مم)

تتبع أحجام حديد التسليح اتفاقيات ترقيم قياسية، حيث يشير الرمز #X إلى القطر بوحدة الثمانية من الإنش. فعلى سبيل المثال، يعادل حديد التسليح ذا الرمز #3 قطر 3/8 إنش (9.5 مم)، بينما يشير الرمز #8 إلى قطر 1 إنش (25.4 مم). ويمتد هذا النظام من الحجم #3 (6 مم) إلى الحجم #18 (57 مم)، مع توفر المعادلات المترية لتسهيل التنسيق بين المشاريع عالمياً. ومن أبرز التحويلات بين النظام الإمبراطوري والنظام المتري ما يلي:

• #4: 12.7 مم
• #5: 15.9 مم
• #9: 28.7 مم
• #11: 35.8 مم

تضمن اتساق القطر توزيعًا موحدًا للحمولة عبر الهياكل الخرسانية. ويعتمد المهندسون على هذه الأبعاد القياسية—التي وُضعت لأول مرة في المواصفة القياسية ASTM A615—لتوحيد ترتيبات التسليح بما يتوافق مع كودات البناء الدولية مثل ACI 318 وISO 6935.

درجات المواصفتين القياسيتين ASTM A615/A706 ولماذا لا يُحدد القطر وحده مقاومة الشد

تضع منظمة الاختبارات والمواد الأمريكية (ASTM) القواعد التي تحدد مدى قوة حديد التسليح المطلوبة، وتعتمد في ذلك أساسًا على معاييرها مثل المواصفة A615 للصلب الكربوني العادي، والمواصفة A706 لتلك الدرجات من الفولاذ سهل اللحام ومنخفض السبائك. وعند تقييم القدرة الاستيعابية لقضيب معين، فإن القطر يلعب دورًا بالفعل، لكن ما يهم حقًّا هو درجة مقاومة الخضوع. فعلى سبيل المثال، تبلغ مقاومة الخضوع لدرجة «60» حوالي ٦٠ ألف رطل لكل بوصة مربعة (أي ما يعادل نحو ٤١٤ ميجا باسكال). أما درجة «80» فهي أعلى من ذلك بكثير، إذ تصل إلى نحو ٨٠ ألف رطل لكل بوصة مربعة (أي ما يعادل ٥٥٢ ميجا باسكال). ومن الجدير بالملاحظة أن قضيبين متطابقين تمامًا من حيث السُمك، لكنهما ينتميان إلى درجتين مختلفتين، قد يختلفان في مقاومتهما الشدّية بنسبة تصل إلى الثلث. كما أن المواد الفعلية المستخدمة تُحدث فرقًا كبيرًا أيضًا. ففي حالة الفولاذ المتوافق مع المواصفة A706، يتم التحكم الخاص في التركيب الكيميائي له، مما يحسّن فعليًّا قابليته للانحناء قبل الكسر، وأداءه أثناء الزلازل، مع الالتزام في الوقت نفسه بدقة متطلبات الأبعاد المحددة. ولأي شخص يعمل في مجال تصميم الهياكل، يصبح التحقق من القياسات الفيزيائية وخصائص المعدن أمرًا جوهريًّا. ولا تنسَ أبدًا طلب تقارير اختبار المصهر وفق البند ١١ من المواصفة ASTM A615 عند التحقق من المواصفات الفنية.

مطابقة أحجام حديد التسليح مع التطبيقات الإنشائية

يمنع اختيار قطر حديد التسليح الأمثل حدوث فشل مكلف، مع الالتزام في الوقت نفسه بمتطلبات كود البناء ومعايير الأداء الهندسي. وتصلح الأقطار الأصغر للأحمال الأخف والأقسام الأرق؛ أما العناصر الأثقل فتتطلب تعزيزًا قويًّا لنقل القوى الشدّية بكفاءة والحفاظ على قابلية الخدمة تحت الأحمال المستمرة.

الأساسات والأرضيات: تحسين التحكم في التشققات باستخدام حديد تسليح مقاس #2–#4 (6–13 مم)

بالنسبة للعناصر الإنشائية الأفقية مثل الألواح الخرسانية الموضوعة مباشرةً على التربة وأنظمة الأساسات الضحلة، يميل المقاولون عمومًا إلى استخدام حديد التسليح بأقطار تتراوح بين الحجم #2 والحجم #4 (أي ما يعادل 6 إلى 13 مم تقريبًا)، وذلك أساسًا للتحكم في شقوق الانكماش والمشكلات المرتبطة بالحرارة. وعند التعامل مع الأجزاء الخرسانية الرقيقة، تساعد هذه القضبان ذات الأقطار الأصغر، والتي تُركَّب عادةً على مسافات تتراوح بين 12 و18 بوصة (أي نحو 30–45 سم)، في تعزيز الخرسانة بالكامل دون إحداث مناطق إجهاد قد تؤدي لمشاكل لاحقًا. ووفقًا للبند 7.12 من أحدث إصدار من مواصفات معهد الخرسانة الأمريكي ACI 318، فإن استخدام قضبان تسليح بحجم #4 (أي بقطر يبلغ نحو 12.7 مم) وبمسافات بينها لا تتجاوز 12 بوصة (أي نحو 30 سم) يؤدي إلى خفض عرض الشقوق بنسبة تزيد على النصف في تطبيقات الألواح السكنية النموذجية، مقارنةً بالألواح غير المسلحة أو تلك التي تحتوي على كمية غير كافية من الفولاذ. أما استخدام قضبان ذات أقطار كبيرة جدًّا فيؤدي إلى ارتفاع التكاليف، ويزيد من صعوبة صب الخرسانة، كما يرفع احتمال ضعف تغطية القضيب بالخرسانة (أي سوء التماسك مع المزيج الخرساني). ومن الناحية الأخرى، فإن استخدام قضبان صغيرة جدًّا يعني أن التسليح لن يتمكّن من مقاومة الشقوق الأولية التي تظهر أثناء مرحلة المعالجة (التصلّب)، مما يؤثر في النهاية على عمر المنشأة الافتراضي ومظهرها الجمالي.

الأعمدة، والعوارض، والعناصر الحاملة لل нагруз: عندما يضمن حديد التسليح بقطر #5–#11 (16–36 مم) السلامة الإنشائية

تحتاج العناصر الرأسية والانحنائية مثل الأعمدة والكمرات والعوارض الانتقالية إلى حديد تسليح بأقطار تتراوح بين رقم 5 ورقم 11 (أي ما يعادل ١٦ إلى ٣٦ مم) لتحمل جميع أنواع الإجهادات المختلفة التي تتعرَّض لها معًا — وهي إجهادات الضغط والشد والقص. وعند النظر إلى قضبان التسليح ذات الأقطار الأكبر، نلاحظ قفزةً حقيقيةً في قدرتها على التحمُّل. فعلى سبيل المثال، فإن قضيب رقم ٨ (أي بقطر ٢٥٫٤ مم) يحمل حِملًا يزيد بنسبة تقارب ٥٠٪ مقارنةً بقضيب أصغر رقم ٥ مصنوع من نفس درجة الفولاذ، وفقًا لمواصفات AASHTO LRFD الطبعة العاشرة. وتزداد الأمور تحديدًا أكثر عند التعامل مع المخاوف الزلزالية: ففي المناطق المعرَّضة لخطر زلزالي عالٍ، تشترط كودات البناء استخدام قضبان لا يقل قطرها عن رقم ٧ (أي حوالي ٢٢٫٢ مم) في مناطق المفصل البلاستيكي للأعمدة لتمكينها من الانحناء دون الانكسار. أما العوارض الانتقالية فهي عادةً ما تحتوي على عدة قضبان رقم ١١ (بقطر ٣٥٫٨ مم لكلٍّ منها) مجمَّعة معًا لتحمل كلٍّ من الوزن الرأسي والقوى الجانبية. وفي النهاية، يقوم المهندسون بحساب كمية الفولاذ المطلوبة لإدخالها في الخرسانة استنادًا إلى نسب المساحات. وتوصي معظم الإرشادات بأن تكون نسبة التسليح أعلى من ١٪ في الأجزاء الحيوية، وفقًا لما ورد في الفصل ١٠ من المواصفة ACI 318-19.

العوامل الهندسية الحرجة التي تحدد اختيار حجم حديد التسليح

متطلبات الأحمال، ومقاومة الخرسانة، ونسبة مساحة الفولاذ إلى الخرسانة

يحدد مقدار الحمولة الإنشائية كمية قوة الشد التي يجب أن تتحملها حديد التسليح. وعند وجود حمولات ميتة أثقل، مثل الأنظمة الميكانيكية الكبيرة أو مواد الأرضيات السميكة، بالإضافة إلى الحمولات الحية الديناميكية الناتجة عن أماكن مثل مرائب السيارات أو المناطق الواسعة المخصصة للتجمعات، يُحدِّد المهندسون عادةً قضبانًا ذات قطر أكبر. فعلى سبيل المثال، غالبًا ما تحتاج المباني الشاهقة إلى قضبان من النوع #11 (أي ما يعادل 35.8 مم) في أعمدتها المركزية، بينما قد تكفي قضبان من النوع #3 (أي ما يعادل 9.5 مم) في الأساسات البسيطة. ومن الأمور المثيرة للاهتمام أن ارتفاع مقاومة الخرسانة يعني إمكانية استخدام كمية أقل من الفولاذ. إذ تسمح الخرسانة عالية المقاومة (التي تبلغ مقاومتها نحو 5000 رطل/بوصة مربعة أو 35 ميجا باسكال) للمصممين بتخفيض متطلبات الفولاذ بنسبة تصل إلى 20% تقريبًا مقارنةً بالخلطات القياسية التي تبلغ مقاومتها 3000 رطل/بوصة مربعة (أو 21 ميجا باسكال)، شريطة التحقق أولًا من مقاومة الالتصاق وأطوال التثبيت. ويؤدي معامل نسبة مساحة الفولاذ إلى مساحة الخرسانة (ρ) دورًا محوريًّا في ضمان سلامة المنشآت وكفاءتها التكلفة. والصيغة الرياضية لهذا المعامل هي: ρ = As ÷ (b × d)، حيث تمثِّل As المساحة الكلية لفولاذ الشد، وb عرض العنصر الإنشائي، وd تمثِّل العمق الفعّال. فإذا تجاوز هذا المعامل القيمة القصوى المسموح بها، فقد تنهار الخرسانة قبل أن يبدأ الفولاذ حتى في حالة الانحناء. أما إذا انخفض المعامل دون الحد الأدنى المطلوب، فقد يؤدي ذلك إلى فشل غير متوقع تحت تأثير قوى الشد. وتستهدف معظم المشاريع قيمة تتراوح بين ١٪ للمنشآت الأساسية التي لا تواجه مخاوف خاصة، وصولًا إلى ٣–٤٪ للمباني الواقعة في المناطق المعرضة للزلازل أو في الأماكن التي ترتفع فيها مخاطر التآكل الشديد، وفقًا للجدول ١٠.٣.١ في معايير ACI 318-19.

قيود التباعد، ومواصفات الزلازل، واعتبارات تحديد الأحجام المقاومة للتآكل

عند العمل ضمن قيود مادية مثل الأماكن الضيقة لقوالب الصب، أو ترتيبات التسليح المُدمَج (الدويلات) المزدحمة، أو وجود عدد كبير من الثقوب التي تُحدثها أنظمة الميكانيكا والكهرباء والسباكة (MEP) المارة عبر الهيكل، فإن اختيار قطر حديد التسليح يتحدد عادةً وفقًا لهذه القيود بدلًا من أن يُستند فقط إلى متطلبات المقاومة. ولذلك، يفضّل العديد من المهندسين استخدام قضبان ذات أقطار أصغر، مثل المقاسين #4 أو #5، مع تقليل المسافات بينها بدلًا من اللجوء إلى قضبان ذات أقطار أكبر قد تعيق في الواقع عملية دمك الخرسانة بشكلٍ سليم أثناء الصب. أما فيما يتعلق بالاعتبارات الزلزالية، فتصبح المتطلبات أكثر تحديدًا. ووفقًا للفصل 18 من معيار ACI 318-19، يجب أن تحتوي وصلات العوارض والأعمدة على قضبان لا تقل عن مقاس #6 عندما تكون المسافة بين الحلقات الداعمة (Ties) أربعة بوصات أو أقل. كما يجب أن تتوفر في مناطق المفاصل البلاستيكية — أي المناطق التي ينثني فيها الهيكل تحت تأثير الإجهادات — تعزيزات تمتلك قدرة تحمل تساوي 1.25 ضعف متطلبات المقاومة القياسية، وذلك لتحمل كل تلك الحركات دون حدوث فشل هيكلي. أما في البيئات البحرية أو في المناطق التي تُرشَّ بها الطرق بمحلول ملح الكلوريد في فصل الشتاء، فيُطلب أيضًا استخدام قضبان أكبر قطرًا. ويحدّد المقاولون غالبًا قضبان مقاس #8 (وهو ما يعادل ٢٥٫٤ مم) بدلًا من القضبان القياسية مقاس #6 (١٩٫١ مم)، لأنهم يعلمون أن حديد التسليح سيتآكل بمقدار نصف ملليمتر تقريبًا سنويًّا طوال عمر المبنى. وعلى الرغم من أن حديد التسليح المغلف بالإيبوكسي أو المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ يحتفظ بأبعاده الأصلية دون تغيّر، فإنه لا يلتصق بالخرسانة بنفس كفاءة حديد التسليح الكربوني العادي. ولذلك، تتطلب المواصفات تعديلاتٍ في كلٍّ من المسافات بين القضبان ومدى امتدادها داخل العناصر الداعمة، وفقًا للتوجيهات الواردة في الفصل 25 من معيار ACI 318-19 ومعايير ASTM A775/A934.