۱. فورجینگ سر به سر میلگرد چیست؟

GPW یک فرآیند جوشکاری فاز جامد است. دو سر میلگرد که تمیز و گونیا شده اند در گیره ی روبه روی هم قرار می گیرند و با شعله ی اکسی استیلن تا محدوده ی حدود ۱۱۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه ی سانتی گراد گرم می شوند. فلز ذوب نمی شود، فشار محوری یک برآمدگی پیازی شکل در محل اتصال ایجاد می کند و اتصال هنگام سرد شدن آهسته در هوا، با تبلور مجدد کامل می شود ^[2][4].

استاندارد چین (JGJ 18-2012) این روش را در دو نوع فاز جامد و فاز مذاب، با سوخت اکسی استیلن یا اکسیژن با گاز مایع (LPG) و برای میلگردهای قائم، افقی و مایل معرفی می کند ^[10].

سابقه ی روش به دهه ی ۱۹۳۰ در آمریکا و ژاپن برمی گردد ^[4]. وزارت کار نیوزلند در اواخر دهه ی ۱۹۶۰ آن را برای سازه های مقاوم در برابر زلزله ارزیابی و به کار گرفت و بیش از ۳۰۰۰ جوش از این نوع روی یک ساختمان هشت طبقه ی هسته ی برشی اجرا شد ^[1][2]. در ژاپن، به گفته ی پژوهشگران مؤسسه ی تحقیقات فنی راه آهن (RTRI)، بیشتر میلگردها به دلیل سهولت اجرا با همین روش جوش می شوند ^[3].

۲. مشکل وصله ی پوششی در میلگردهای درشت

وصله ی پوششی (Lap Splice) ساده ترین روش است و برای میلگردهای کوچک تر، مثلاً قطر ۱۹ میلی متر و کمتر، سابقه ی خوبی دارد ^[6]. با درشت تر شدن میلگرد، چند مشکل جدی پیدا می شود:

• تراکم آرماتور: در ستون های پرآرماتور، وصله ی پوششی دشوار است و گاهی برای تأمین فاصله ی کافی بین میلگردها و پوشش بتنی، بزرگ تر کردن مقطع ستون را لازم می کند ^[16]. تراکم زیاد همچنین جای گیری و متراکم کردن بتن را سخت می کند.
• محدودیت آیین نامه ای: ACI 318-19 وصله ی پوششی کششی را برای میلگردهای بزرگ تر از شماره ی ۱۱ (قطر ۳۶ میلی متر) مجاز نمی داند، چون داده های آزمایشگاهی کافی برای آن ها وجود ندارد ^[8][12].
• شکل پذیری: مهندسان نیوزلند در بررسی اولیه ی خود به خطر شکست غیرشکل پذیر در وصله های پوششی میلگردهای درشت اشاره کردند و اتصال جوشی تمام مقاومت را راه حل آن دانستند ^[1]. در آزمایش های چرخه ای بعدی نیز وصله ی پوششی پارامترهای لرزه ای ستون را کاهش داده است ^[5][6].
• وزن و مصرف فولاد: طول هم پوشانی، حجم فولاد و وزن سازه را بالا می برد و اختلاط بتن با آرماتور را ضعیف تر می کند ^[4].

۳. دلایل انتخاب فورجینگ

۳.۱ حذف طول هم پوشانی و کاهش تراکم

در اتصال سر به سر، دو میلگرد در امتداد هم قرار می گیرند و هیچ طول اضافه ای لازم نیست. پژوهشگران دانشگاه شیراز کاهش ضایعات میلگرد و بهبود اختلاط بتن با آرماتور را از مهم ترین مزایای روش می دانند ^[4]. گزارش های نیوزلند هم اتصال سر به سر را برای میلگردهای درشت ستون ها، دیوارهای برشی و پی ها، یعنی جاهایی که تراکم آرماتور معمولاً بحرانی است، مناسب دانسته اند ^[2].

۳.۲ اتصال تمام مقاومت

وزارت کار نیوزلند «اتصال تمام مقاومت» را اتصالی تعریف کرد که مقاومت آن از مقاومت واقعی میلگرد بیشتر باشد و اجازه ی ازدیاد طول کامل میلگرد را بدهد. هدف، جلوگیری از شکست زودهنگام و غیرشکل پذیر است ^[2]. آیین نامه ی ACI 318 برای اتصال جوشی یا مکانیکی کامل در نواحی با تنش کششی زیاد حداقل ۱۲۵٪ تنش تسلیم مشخصه را لازم می داند ^[12]. یک پژوهش کره ای روی میلگرد SD400 نشان داد تنش پسماند اتصال کم است و مقاومت آن برای رسیدن میلگرد به تسلیم کافی است، یعنی میلگرد دارای اتصال فورجینگ ظرفیتی نزدیک به میلگرد پیوسته دارد ^[13].

۳.۳ رفتار لرزه ای

دکترین سازه در چند آزمایش چرخه ای، ستون ها و اتصالات تیر به ستون بدون وصله، با وصله ی پوششی و با وصله ی فورجینگ را مقایسه کردند. طبق نتایج ستون ها، وصله ی فورجینگ در وسط یا پایین ستون شکل پذیری جابه جایی، شکل پذیری انحنا و طول مفصل پلاستیک را بالا برد، در حالی که وصله ی پوششی این پارامترها را کم کرد. وصله ی فورجینگ در پایین ستون می تواند سختی و لنگر نهایی را هم افزایش دهد ^[5][6]. این نتایج به آزمایش های مقیاس کوچک مربوط است و اثر روش به شرایط آزمایش، از جمله تعداد میلگردهای وصله شده، حساس است. با این حال جمع بندی پژوهشگران این است که فورجینگ روش قابل اعتمادی برای وصله ی میلگرد تحت بار محوری و چرخه ای است.

۳.۴ سرعت، هزینه و قابلیت اجرا در کارگاه

مهندسان نیوزلند روش را برای جوش سر به سر تمام مقاومت در کارگاه نسبتاً سریع و اقتصادی توصیف کردند، به ویژه در مقایسه با جوش قوس الکتریکی که زمان و هزینه ی مستقیم و غیرمستقیم بیشتر و نظارت و آزمون ویژه لازم دارد ^[1][2]. پژوهش های کره ای هم هزینه ی کم، کاربردی بودن در کارگاه، کوتاه تر شدن زمان ساخت و عملکرد بالا را از دلایل توجه به این روش ذکر می کنند ^[13]، و در ژاپن فورجینگ برای میلگردهای D29 و ضخیم تر یکی از اتصال های متداول است ^[14]. زمان گرمایش نیز کوتاه است: در آزمایش دانشگاه شیراز، گرمایش میلگرد قطر ۱۸ میلی متر ۴۰ تا ۶۰ ثانیه و میلگرد قطر ۲۵ میلی متر ۶۰ تا ۱۱۰ ثانیه طول کشید ^[4].

۴. مقایسه ی کیفی روش های وصله

جدول زیر یک مقایسه ی کیفی و خلاصه است. انتخاب نهایی به قطر میلگرد، نوع عضو، آیین نامه ی حاکم و امکانات پروژه بستگی دارد. برای مرور جامع روش های وصله ی پوششی، مکانیکی و جوشی می توان به مقاله ی مروری دبیری و همکاران مراجعه کرد ^[7].

۵. استانداردها و مراجع بین المللی

اسناد زیر در ادبیات فنی برای طراحی، اجرا و پذیرش اتصالات جوشی میلگرد و به ویژه فورجینگ به کار می روند:

برای پروژه های داخل ایران، علاوه بر این اسناد باید مبحث نهم مقررات ملی ساختمان و ضوابط نشریه ها و استانداردهای ملی حاکم بر پروژه هم بررسی شود.

۶. شرط موفقیت: کنترل کیفیت و بازرسی

مزایای فورجینگ فقط وقتی محقق می شود که اتصال درست اجرا شود. سابقه ی روش، هم در آزمایشگاه و هم در زلزله های واقعی، این را نشان می دهد.

• آمار آزمایشگاهی: در گزارشی از مؤسسه ی فناوری توهوکو، از ۵۳۰۲ اتصال نمونه برداری شده بین سال های ۱۹۷۶ تا ۱۹۸۵، ۲۰ نمونه (حدود ۰.۳۸٪) از ناحیه ی جوش گسیخته شدند و تنها یک نمونه پیش از رسیدن به تنش تسلیم شکست ^[15]. یعنی نرخ شکست کم بود اما صفر نبود و بدون نمونه برداری و آزمون قابل اطمینان نیست.
• شرایط اجرا: گزارش های نیوزلند نشان می دهد رطوبت روی سر میلگردها و باد شدید (حدود 10 تا 15کیلومتر بر ساعت به بالا) که شعله را مختل می کند، جوش معیوب می سازند. سر میلگرد باید بلافاصله پیش از جوش برش سرد داده شود، باز کردن گیره ها دست کم تا اتمام سرخی مقطع اتصال الزامی است و خنک کاری سریع مجاز نیست ^[2].
• پارامترهای جوش: در آزمایش دانشگاه شیراز روی میلگرد Tempcore، فشار کم و زمان گرمایش کوتاه باعث باقی ماندن ذرات اکسید، سختی بیشتر و شکست ترد در آزمون خمش شد. افزایش فشار و زمان، احتمال اکسید را کم و شکل پذیری را بهتر کرد ^[4].
• ضوابط بازرسی: استانداردهایی مانند JGJ 18 و JIS Z 3120 نمونه برداری، آزمون کشش و معیار پذیرش را مشخص کرده اند ^[9][10]. پژوهش های قبلی نیز همبستگی نتایج بازرسی فراصوتی با آزمون کشش را برای این اتصالات گزارش کرده اند (به نقل از ^[4]).

فهرست کامل عوامل مردودی تست کشش و چک لیست نظارتی در مقاله ی دلایل رد شدن تست کشش میلگرد فورج شده آمده است.

۷. چه زمانی فورجینگ انتخاب مناسبی است؟

• میلگردهای درشت در نواحی پرآرماتور: ستون ها، دیوارهای برشی و پی ها، که هم پوشانی دشوار یا آیین نامه ای محدود است ^[2][14].
• سازه های با ملاحظات شکل پذیری و لرزه ای: جایی که جلوگیری از شکست زودهنگام در وصله اهمیت دارد ^[1][5].
• پروژه هایی که امکانات کنترل کیفیت دارند: اپراتور دارای گواهی، تجهیزات سالم و کالیبره، و برنامه ی نمونه برداری و آزمون مطابق ضوابط حاکم ^[10].
• با احتیاط بیشتر: سازه های تحت بار خستگی، چون سیکل حرارتی جوش تنش پسماند ایجاد می کند و اثر آن بر عمر خستگی باید بررسی شود، و ISO 17660 نیز دامنه ی خود را به بار استاتیکی محدود می کند ^[11][13]؛ و کارگاه های بدون حفاظ در برابر باد و باران ^[2].

به طور کلی، روش وصله باید در نقشه ها و مشخصات فنی تعیین یا با تأیید مهندس طراح انتخاب شود ^[12].

منابع

1. Armstrong, I. C., & Page, W. J. (1969). Pressure-gas butt welding of reinforcing bars. Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering, 2(3), 329–336. https://doi.org/10.5459/bnzsee.2.3.329-336
2. Armstrong, I. C. (1971). Full-strength butt welds of reinforcing bars by the pressure-gas process. Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering, 4(2), 270–284. https://doi.org/10.5459/bnzsee.4.2.270-284
3. Yamamoto, R., Fukada, Y., Tatsumi, M., & Ueyama, K. (2002). New quality inspection method for gas pressure welds. Quarterly Report of RTRI, 43(1), 7–12. https://www.jstage.jst.go.jp/article/rtriqr/43/1/43_1_7/_article
4. Ghaffari, B., Daneshmanesh, H., & Zebarjad, S. M. (2024). A study on the role of effective parameters on the mechanical properties of gas pressure welded rebars. Iranian Journal of Materials Forming, 11(3), 13–20. https://doi.org/10.22099/IJMF.2024.50416.1300
5. Kheyroddin, A., & Dabiri, H. (2020). Cyclic performance of RC beam-column joints with mechanical or forging (GPW) splices; an experimental study. Structures, 28, 2562–2571. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.10.071
6. Kheyroddin, A., Rouhi, S., & Dabiri, H. (2021). An experimental study on the influence of incorporating lap or forging (GPW) splices on the cyclic performance of RC columns. Engineering Structures, 241, 112434. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112434
7. Dabiri, H., Kheyroddin, A., & Dall’Asta, A. (2022). Splice methods used for reinforcement steel bars: A state-of-the-art review. Construction and Building Materials, 320, 126198. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.126198
8. Rulon, R. J. (2022). Lap splicing of large high-strength steel reinforcing bars (SM Report No. 148). University of Kansas Center for Research. https://iri.ku.edu/sites/iri/files/files/pdfs/SM%20Report%20No.%20148.pdf
9. JIS Z 3120:2014. Method and acceptance criteria of test for gas pressure welded joint of steel bars for concrete reinforcement. Japanese Standards Association.
10. JGJ 18-2012. Specification for welding and acceptance of reinforcing steel bars. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.
11. ISO 17660-1:2006. Welding — Welding of reinforcing steel — Part 1: Load-bearing welded joints. International Organization for Standardization.
12. ACI CODE-318-19. Building code requirements for structural concrete. American Concrete Institute.
13. Korean study on residual stress and tensile capacity of gas pressure welded splices in SD400 reinforcing bars (KS D 3504). Indexed at earticle.net, article A259196. https://www.earticle.net/Article/A259196
14. Korean study on the welding performance of an automatic gas pressure welding machine adapted to Korean construction sites. KoreaScience. https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200806135612428.page
15. Tohoku Institute of Technology test report on 5302 gas pressure welded joints of reinforcing bars (1976–1985). J-STAGE. https://www.jstage.jst.go.jp/browse/aijsx/386/0/_contents/-char/ja
16. Total Materia. Welding of reinforcing bars. https://www.totalmateria.com/articles/welding-of-reinforcing-bars