يغيّر الثني خصائص المقطع العرضي المستخدمة للتحقق من صلاحية عضو فولاذي، لأن الشكل النهائي نادرًا ما يطابق تمامًا الرسم المثالي ذي الزوايا الحادة. تؤثر أنصاف أقطار الزوايا، والترقق الموضعي، ودوران الأجنحة، والتشوه في المساحة وموقع مركز المساحة وعزوم المساحة الثانية ومعامل المقطع. كما يغيّر التشكيل على البارد السلوك الموضعي للمادة بفعل الانفعال اللدن والإجهادات المتبقية. لذلك يميّز حساب التصميم الموثوق بين هندسة المقطع النهائي وخصائص الفولاذ المسطح الأصلي، ويطبّق المعيار الإنشائي ذي الصلة على ظروف التحميل والتصنيع الفعلية.

في الفولاذ المُشكّل، أو acero conformado، تكتسب التفرقة بين خصائص المقطع الإجمالية والمقاومة الإنشائية القابلة للاستخدام أهمية خاصة. فارتفاع إجهاد الخضوع المقاس في زاوية مُشكّلة لا يعوّض تلقائيًا انخفاض العرض الفعّال لعنصر ضغط نحيف. ويجب تقييم كلا الأثرين وفق أساس التصميم نفسه.

من الشريط المسطح إلى المقطع العرضي النهائي

عند ثني شريط لتشكيل قناة أو زاوية أو مقطع ذي شفة طرفية، تسلك المادة مسارًا منحنيًا عند كل زاوية. يتمدد الجزء الخارجي من الثني وينضغط الجزء الداخلي. ولا يبقى السطح المحايد، حيث يكون الانفعال الطولي المرتبط بالثني صفرًا تقريبًا، بالضرورة عند منتصف السمك الأصلي أثناء التشكيل اللدن. ويتأثر موضعه بنصف قطر الثني والسمك وسلوك المادة وعملية التشكيل.

تكتسب هذه التغييرات أهميتها لأن خصائص المقطع تُحسب بناءً على توزيع المادة. فالمساحة الإجمالية، A، هي مجموع مساحة المادة في المقطع العرضي النهائي. ويحدد مركز المساحة المركزَ الموزون بالمساحة. أما عزم المساحة الثاني، I، فيصف كيفية توزيع تلك المساحة بالنسبة إلى محور مختار؛ ومعامل المقطع المرن، S، هو I مقسومًا على المسافة من مركز المساحة إلى الليف الطرفي الأبعد في الجانب المعني. ولذلك قد يكون للمقطع غير المتماثل معاملا مقطع مختلفان عند ليفيه الطرفيين.

يوزّع المقطع المرسوم بزوايا حادة المادةَ بشكل مختلف عن المقطع ذي أنصاف الأقطار الفعلية. وقد يؤدي استخدام الأبعاد المسطحة في معادلات الزوايا الحادة إلى المبالغة في تقدير خاصية ما أو التقليل منها، بحسب طريقة تعريف الأبعاد والمحور موضع النظر. ويزداد هذا الاختلاف أهمية عندما تشغل الزوايا جزءًا كبيرًا من المقطع العرضي أو عندما توجد عدة ثنيات في مقطع صغير.

يجب تحديد الأبعاد وفق مرجع متسق؛ فلا يجوز التبديل بين القياسات من الخارج إلى الخارج، أو من الداخل إلى الداخل، أو على خط المنتصف، من دون مراعاة السمك ونصف القطر. فعلى سبيل المثال، يشمل بُعد الشفة الخارجي جزءًا من منطقة الزاوية، بينما يشير عرض الجزء المسطح المستخدم في حساب الانبعاج الموضعي عمومًا إلى عنصر مسطح محدد التعريف. ويحدد معيار التصميم الحاكم المواضع الدقيقة لقياس هذه العروض.

ليس السمك موحدًا دائمًا حول الثنية

قد يؤدي الثني على البارد إلى تقليل السمك موضعيًا، ولا سيما قرب السطح الخارجي لثنية ضيقة. وتعتمد درجة الترقق على نسبة نصف قطر الثني الداخلي إلى السمك الأصلي، ومطيلية المادة، والأدوات، والانفعال الذي تفرضه العملية. ولا ينبغي افتراض احتفاظ ثنية كبيرة نصف القطر في صفيحة مطيلة وثنية ضيقة في صفيحة عالية المقاومة بتوزيع السمك نفسه.

يُستخدم السمك الاسمي الموحد غالبًا في حساب خصائص المقطع، متى سمحت بذلك المواصفة المعمول بها. وينبغي التمييز بين هذا الافتراض وقياس الحد الأدنى للسمك عند الزاوية. فالقراءة المنخفضة المفردة لا تثبت أن المقطع كله فقد المقدار نفسه من المادة، كما أن السمك الاسمي للصفيحة لا يثبت أن الثنية تستوفي حدًا أدنى محليًا محددًا.

تؤثر طريقة القياس أيضًا. فقد تؤثر الطلاءات وحالة السطح ومحاذاة الجهاز وانحناء الزاوية في القراءة. ويسجل تقرير الفحص المفيد ما إذا كان قياس السمك قد أُجري على سطح مسطح أو عند الثنية أو بعد إزالة الطلاء، ويحدد مواقع أخذ العينات. وحيث تكون خصائص المقطع شديدة الحساسية للترقق، يكون توزيع السمك المقاس أو المُمثّل بنموذج تحفظي أساسًا أفضل من تطبيق أدنى قيمة محلية على كل عنصر بلا تمييز.

يعتمد عزم المساحة الثاني على المحور

قد يؤدي إبعاد مقدار صغير من الفولاذ عن محور إلى تغيير I أكثر من تغيير مماثل قرب ذلك المحور، لأن المسافة عن المحور تدخل في الحساب تربيعيًا. لذلك قد يؤثر تغير طفيف في موضع الشفة في صلابة الانحناء أكثر مما يوحي به التغير المقابل في المساحة الكلية. ويُعد الارتداد المرن وانفتاح الشفة ودوران الشفة الطرفية تغييرات هندسية تؤثر مباشرة في المقطع النهائي.

لنأخذ قناة مُشكّلة تنفتح شفتاها قليلًا بعد إخراجها من أدوات التشكيل. قد تبقى المساحة الإجمالية شبه ثابتة، ومع ذلك قد يتغير مركز المساحة وتوزيع المادة حول كلا الاتجاهين الرئيسيين. ولا يلزم أن تتغير الصلابة المحسوبة حول أحد المحورين بالنسبة نفسها التي تتغير بها الصلابة حول المحور الآخر. وفي المقاطع غير المتماثلة، قد تميل المحاور الرئيسية أيضًا بالنسبة إلى محاور الرسم، لذا يكون حاصل عزم المساحة مهمًا عند تحديد استجابة الانحناء.

يتوقف معامل المقطع بدوره على الاتجاه. فإذا وضع الانحناء إحدى الشفتين تحت الضغط والأخرى تحت الشد، فإن المسافتين من مركز المساحة إلى الليفين الطرفيين تحكمان معاملي المقطع المرنين كلًا على حدة. وقد يؤدي عكس العزم إلى تغيير القيمة الحاكمة مع استخدام المقطع نفسه. ولا تكون قيمة واحدة مُدرجة لـ«معامل المقطع» مكتملة ما لم يُحدد محورها والجانب المرجعي بوضوح.

تختلف هذه الخصائص الهندسية عن صلابة العضو ومقاومته. كما يعتمد الترخيم تحت الحمل على معامل المرونة والبحر والتقييد وسلوك الوصلات والتحميل. وتعتمد المقاومة أيضًا على الخضوع وعدم الاستقرار وقواعد المقاومة المعمول بها. وقد يظل المقطع ذو قيمة I إجمالية ملائمة محكومًا بالانبعاج الموضعي أو الجانبي.

الهندسة الإجمالية مقابل خصائص المقطع الفعّالة

قد تنبعج عناصر الضغط الرقيقة موضعيًا قبل وصول المقطع الإجمالي بأكمله إلى إجهاد الضغط المفترض. وتكون الشفة أو الج web ذات العرض الكبير والنحافة أكثر عرضة لذلك من عنصر مماثل يتمتع بتقييد أكبر أو بعرض مسطح أصغر. وقد تحسن الشفاه الطرفية والمقويات الوسيطة والعناصر المتجاورة من التقييد، لكن مساهمتها تعتمد على هندستها وصلابتها.

تعالج طرق تصميم الأعضاء المُشكّلة على البارد هذا السلوك من خلال أحكام مثل العروض الفعّالة أو مناهج أخرى مسموح بها. وتمثل المساحة الفعّالة ومعامل المقطع الفعّال معالجة تصميمية لعدم الاستقرار؛ ولا تمثلان قياسات فعلية لفولاذ مفقود. وقد تتغير قيمهما بحسب توزيع الإجهاد واتجاه التحميل والشروط الحدية وطريقة التصميم. ويجب تطبيق المعيار ذي الصلة باتساق، بدلًا من الجمع بين خاصية فعّالة محسوبة بطريقة ما ومعادلات مقاومة مأخوذة من طريقة أخرى.

في قناة ذات شفة طرفية تحت الانحناء، تستحق الشفة المعرضة للضغط والشفة الطرفية اهتمامًا خاصًا. فقد توفر الشفة الطرفية التي تبدو كبيرة في الرسم تقييدًا محدودًا إذا لم تستوفِ أبعادها أو طريقة اتصالها بالشفة افتراضات الطريقة المختارة. وإذا انعكس اتجاه الانحناء، تصبح الشفة التي كانت تحت الشد عنصر الضغط، وقد يتغير المقطع الفعّال الحاكم.

يمثل الانبعاج التشوهي مسألة منفصلة؛ إذ قد تدور الشفة المقواة عند الحافة أو تتحرك مع شفتها الطرفية. ولا تثبت زيادة معامل المقطع الإجمالي وحدها كفاية مقاومة الانبعاج التشوهي. كما يؤثر طول العضو والتدعيم ومواضع المثبتات وطريقة تطبيق الحمل في السلوك العام أو التشوهي، لذا ينبغي تقييم خصائص المقطع إلى جانب تكوين العضو.

التشكيل على البارد والإجهادات المتبقية وخصائص المادة

يزيد التشوه اللدن أثناء التشكيل على البارد عمومًا المقاومة الموضعية، مع تقليل المطيلية المتبقية في المنطقة المشغولة. ويتركز هذا الأثر في الثنيات، مع أن التشكيل بالدرافيل وعمليات أخرى قد تُحدث انفعالًا في الأجزاء المسطحة المجاورة. لذلك لا تكون مقاومة الزاوية بالضرورة مساوية لمقاومة الصفيحة الأصلية أو للأجزاء المسطحة من المقطع النهائي.

تسمح بعض أحكام التصميم بزيادة المقاومة المفترضة لمقطع مُشكّل على البارد بالكامل، وفق شروط محددة. وهذه الزيادة سماحٌ محسوب وفق الكود، وليست استبدالًا شاملًا لمقاومة الخضوع للمعدن الأساسي بنتائج الشد عند الزاوية. وتعتمد إمكانية تطبيقها على المادة ومسار التشكيل وهندسة المقطع والمعالجة اللاحقة والمعيار الحاكم. ولا تكفي قراءة صلادة موضعية وحدها لتحديد مقاومة خضوع تصميمية للمقطع العرضي كله.

تبقى الإجهادات المتبقية بعد إزالة قوى التشكيل، لأن مناطق مختلفة تعرضت لمقادير متفاوتة من التشوه اللدن. وهي متوازنة ذاتيًا في مقطع غير محمل، لكنها تؤثر في توزيع الإجهاد عند تطبيق أحمال التشغيل. وقد تعيد عمليات القطع واللحام والتشكيل اللاحق توزيع هذه الإجهادات وتغيّر الشكل النهائي. ولا ينبغي تفسير وجودها على أنه دليل على أن العضو يحمل بالفعل حملًا خارجيًا يعادل الإجهاد المتبقي.

لا يمكن اعتبار معامل مرونة الفولاذ بديلًا لمقاومة الخضوع. فقد يرفع التشكيل على البارد مقاومة الخضوع من دون زيادة متناسبة في الصلابة المرنة. لذلك فإن ضرب معامل المرونة الأصلي في النسبة المئوية للزيادة في مقاومة الخضوع يعطي نتيجة غير مبررة في حساب الترخيم المرن.

تشكيل المقطع وتقويس العضو عمليتان مختلفتان

يغيّر تشكيل مقطع مستقيم من صفيحة المقطع العرضي عند ثنياته. أما تقويس عارضة أو أنبوب مُشكّل مسبقًا على امتداد طوله فيُحدث مجموعة إضافية من الآثار. فقد يلتوي المقطع العرضي أو يتسطح أو يتشوه أثناء درفلة العضو أو ثنيه بالمكبس. ففي مقطع مجوف مستطيل، على سبيل المثال، قد يؤدي تشوه الجدار وتحرك الزوايا إلى تغيير خصائص المقطع الموضعية، حتى عندما يستوفي الجزء المستقيم الأصلي مواصفاته البُعدية.

ينبغي تقييم العضو النهائي في مواقع ممثلة، بما في ذلك مناطق أعلى انحناء والانتقالات قرب الأطراف المستقيمة. ولا يكشف قياس نصف قطر الانحناء الكلي أو الوتر وحده عن التسطح الموضعي. وعلى العكس، قد يستوفي المقطع تفاوتات المقطع العرضي المحلية بينما لا يستوفي التقوس أو الالتواء الكلي المحدد. ويهم مقياسا الهندسة كلاهما، لكن كلًا منهما يجيب عن سؤال مختلف.

قد يغيّر الانحناء الطولي أيضًا مواضع الإجهادات الحرجة ويتفاعل مع التحميل المقصود. وفي العضو المنحني، قد تكون معادلات الأعضاء المستقيمة غير مناسبة عندما يكون الانحناء كبيرًا نسبةً إلى عمق المقطع أو عندما تتطلب طريقة التصميم الحاكمة تحليلًا للأعضاء المنحنية. ويجب أن يتوافق اختيار النموذج مع الهندسة الفعلية وأحكام التصميم المعمول بها.

تحديد المادة قبل استخدام بيانات المنتج

يؤثر التشكيل على البارد في الفولاذ المقاوم للصدأ كما يؤثر في الفولاذ الكربوني، لكن وصف المنتج وحده لا يحدد الدرجة أو المقطع المطلوب تحليله. يذكر إدراج المنتج الخاص بـقضيب فولاذي مربع من 316L أن العنوان يشير إلى 316L، بينما تشير معلومات المادة المقدمة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ 201. ويجب مطابقة هذين التعيينين مع الطلب وشهادة المادة قبل إسناد الخصائص الميكانيكية أو تقييم سلوك التشكيل.

يتطلب القضيب المربع المصمت والأنبوب المربع رقيق الجدار المُشكّل نموذجين مختلفين للمقطع. فالأول يحتوي على مادة في كامل مقطعه العرضي، أما الثاني فيتكون من جدران وأنصاف أقطار زوايا تؤثر في الانبعاج الموضعي وتوزيع السمك. ولا يمكن لمقاس قضيب مربع مُدرج أن يحدد أبعاد مقطع مجوف مُشكّل أو خصائصه.

ربط التفاوتات بحساب يمكن الاستناد إليه

يحدد سجل خصائص المقطع المفيد درجة المادة والسمك الاسمي والأبعاد النهائية وأنصاف أقطار الزوايا الداخلية أو الخارجية وتعريفات المحاور وما إذا كانت القيم إجمالية أم فعّالة. وبالنسبة إلى المقاطع غير المتماثلة، ينبغي أن يحدد مركز المساحة واتجاه المحور الرئيسي عند الاقتضاء، ومعاملي المقطع لجانبي الضغط والشد وفق اتجاه العزم المحدد.

تؤدي القيم الاسمية وحدود القبول أغراضًا مختلفة. فالنموذج الاسمي يصف المقطع المقصود، بينما يقيّم فحص التفاوتات نطاق الأشكال النهائية المقبولة. وليس بالضرورة أن يكون أسوأ تركيب هو أصغر بُعد كلي؛ فقد يؤثر تغير زاوية الشفة الطرفية أو موضع الشفة في الصلابة وتقييد الانبعاج من دون أن ينتج أصغر مساحة. وينبغي تقييم تراكيب التفاوتات وفق المواصفة الحاكمة وحدود التصنيع الواقعية.

وأخيرًا، تجب مقارنة الأمور المتجانسة. فشهادة المصنع الخاصة بالشريط الابتدائي تدعم تحديد المادة الموردة، بينما يثبت مسح المقطع النهائي هندسته بعد التشكيل. ولا تثبت أي من الوثيقتين وحدها مقاومة العضو. ويُستخلص حكم التصميم من الجمع بين خصائص المادة المعمول بها والهندسة النهائية وظروف الوصلات والتقييد وأحكام المعيار الإنشائي المختار.