طرق حديثة لتقوية المباني: القمیص الخرساني والفولاذي

إحدى الطرق الحديثة لتقوية المباني هي استخدام القمیص الخرساني وقمیص الفولاذي بهدف تعزيز المبنى في مختلف العناصر مثل العوارض(الکمرات)، الأعمدة، والجدران. تُستخدم القمصان الخرسانية والفولاذية بشكل أساسي لتقوية الأجزاء المتضررة من العناصر الإنشائية وللتعزيزات الموضعية ضد قوى الانحناء والقص. إحدى الطرق الحديثة لتقوية المباني وفي الأجزاء من العناصر الخرسانية التي تعاني من ضعف في مستوى المقاومة أو تحتوي على انحنائات غير مسموح بها هي استخدام الألواح الفولاذية. في هذه الطريقة لتقوية المباني، يتم استخدام الصفائح والألواح الفولاذية لتقوية العوارض والأعمدة والأسقف الخرسانية. يجب تنفيذ هذه الطريقة بدقة عالية جدًا لضمان التصاق كافٍ للوحة الفولاذية بالعناصر المستهدفة، ولتحقيق أداء مناسب في حمل الأحمال للعناصر المستهدفة. من خلال دراسة وتحليل الأضرار التي لحقت بالمباني المختلفة خلال الزلازل المتعددة، تبين أن العديد من الأضرار تحدث في منطقة وصلات الهياكل. ضعف التصميم والتنفيذ وعدم الفهم الكامل لسلوك الوصلات، خاصة عند تطبيق الأحمال المتكررة مثل الزلازل، يتسبب في أضرار جسيمة لا يمكن تعويضها للمبنى. تقوية الوصلات الخرسانية والوصلات الفولاذية تُعتبر من المراحل المعقدة نسبيًا في عملية تقوية المباني. كما تم الإشارة سابقًا، فإن تقوية الوصلات في الهياكل الخرسانية تعتبر أكثر تعقيدًا مقارنةً بالهياكل الفولاذية. ومن أسباب ذلك عدم القدرة على رؤية تفاصيل التسليح وغيرها في منطقة الوصلات. أنواع الضعف في وصلات الهياكل الخرسانية تشمل: الانهيار القصي للوصلة، انكسار                          القضبان الطولية للعوارض والأعمدة، نقص القضبان الموجبة والسالبة، وغيرها. في المقابل، في الهياكل الفولاذية تشمل أنواع ضعف الوصلات: تلف العوارض في مكان الوصلة، تلف الأعمدة في مكان الوصلة، تلف لوحة وصلة الشبكة، وغيرها. بناءً على نوع الأضرار التي تحدث في الوصلات، يتم استخدام طرق مختلفة لتقوية الوصلات، ومن بينها:

• استخدام القمیص الخرساني
•  استخدام القمص الفولاذي
•  استخدام الأوراق الفولاذية العليا والسفلى المضاعفة
•  استخدام الركائز الزاوية

ممیزات تقوية المباني بطريقة قمیص الخرساني والفولاذي

•  زيادة قدرة القص والانحناء والمحورية للعناصر
•  طريقة ذات تكلفة منخفضة مقارنةً بالطرق الأخرى
•  إمكانية استخدامها في أي جزء من المبنى والعناصر المختلفة

عيوب تقوية المباني بطريقة القمیص الخرساني والفولاذي

• طول الوقت اللازم لهذه الطريقة مقارنةً بالطرق الأخرى (خصوصًا الغلاف الخرساني)
• الاحتياج لاستخدام تغطيات مضادة للحريق في طريقة استخدام الغلاف الفولاذي
• تغيير في أبعاد العناصر والمساحات المعمارية للمبنى

طرق حديثة لتقوية المباني: إضافة دعامات فولاذية وجدران القص:

الوظيفة الأساسية للدعامات والفواصل القصية هي استهلاك قوى الزلازل التي تؤثر على المبنى. استخدام الجدران القصية في المباني التي يتم إنشاؤها حاليًا هو أمر شائع جدًا، ولكن العديد من المباني القديمة التي مضى وقت طويل على بنائها تفتقر إلى هذه العناصر.
الجدران القصية تأتي بنوعين: فولاذي وخرساني. على عكس الجدران القصية الخرسانية، فإن الجدران القصية الفولاذية لا تتطلب أبعادًا كبيرة ولا تفرض قيودًا على المساحات المعمارية للمبنى، لكنها أقل شيوعًا ولذا فإنها لا تحظى بانتشار واسع أو اهتمام كبير من قبل أصحاب المشاريع. من أحد أكثر العناصر الشائعة لتحمل الأحمال الجانبية (خصوصًا في الهياكل الفولاذية) هي الدعامات، التي تم استخدامها بشكل واسع منذ زمن طويل وحتى الآن. لهذا السبب، فإن أحد الطرق الحديثة لتقوية المباني هو استخدام الدعامات الفولاذية، والتي من مزاياها تقليل انحراف الهيكل وعدم خلق قيود معمارية مثل الجدران القصية الخرسانية، وغيرها. ومع ذلك، من الجدير بالذكر أن استخدام الدعامات الفولاذية، مثل جميع الطرق الحديثة لتقوية المباني، له عيوب مثل تعقيد تفاصيل الوصلات، ولكن بشكل عام هي طريقة مفيدة وعملية للغاية.

فوائد تعزيز الهياكل بإضافة دعامات فولاذية وجدران قص:

• زيادة مقاومة الهيكل ضد القوى الجانبية
•  زيادة صلابة الهيكل
•  زيادة قدرة التحمل للهيكل (الحمولات الثابتة والجانية)

عيوب تعزيز الهياكل بإضافة دعامات فولاذية وجدران قص:

•  زيادة القيود المعمارية في المبنى (جدار القص الخرساني)
•  زيادة وزن المبنى
•  جدران القص الخرسانية غالباً تحتوي على تفاصيل تسليح معقدة
•  تغيير مركز الصلابة في المبنى
•  الدعامات الفولاذية غالباً تحتوي على تفاصيل وصلات معقدة

تعزيز الجدران باستخدام مركب FRCM

الخرسانة المرشوشة أو “شاتکریت” على الجدران هي إحدى الطرق الحديثة لتعزيز المباني. تؤثر هذه الطريقة، التي تُستخدم بشكل رئيسي في المباني الخرسانية والمباني الطوبية، بشكل كبير على تعزيز قوة المباني. طريقة أخرى تُدعى “المصفوفات الأسمنتية المدعمة بالألياف (FRCM)”، وهي مشابهة لطريقة الشاتکریت، قد تم استخدامها مؤخراً. في طريقة FRCM، يتم أولاً وضع شبكة قضبان FRP على الجدار الذي تم تنفيذه مسبقاً، وبعد تثبيتها وتأمين القضبان، تُنفذ عملية رش الخرسانة باستخدام جهاز الشاتکریت (آلة رش الخرسانة).

فوائد تعزيز الجدران باستخدام الخرسانة المرشوشة:

•  تحقيق التجانس في الجدران
•  زيادة مقاومة الجدران
•  زيادة مرونة الجدران
•  تحسين الأداء الزلزالي للجدران

عيوب تعزيز الجدران باستخدام الخرسانة المرشوشة مقارنةً بـ FRCM:

•  الحاجة إلى قوة عاملة أكثر مهارة
•  زيادة الوقت المطلوب للتعزيز
•  زيادة وزن المبنى
•  زيادة سمك الجدار

الطرق الحديثة لتعزيز المباني: الانكماش والشد المسبق للهيكل

أحد الطرق الحديثة لتعزيز المباني الخرسانية هو استخدام نظام الانكماش أو الشد المسبق. مفهوم الشد المسبق هو إدخال ضغوط على العنصر الحامل قبل تطبيق الأحمال التي من المتوقع أن يتحملها العنصر خلال فترة عمره. بشكل عام، الأحمال التي تتحملها العناصر الحاملة في المبنى خلال فترة عمرها هي الأحمال الثابتة والحية والأحمال الجانبية مثل الزلازل والرياح. في طريقة الشد المسبق، يتم أولاً إنشاء ضغوط باستخدام كابلات الشد المسبق، ثم تؤدي الأحمال الثابتة والحية المطبقة على العنصر الحامل إلى إلغاء هذه الضغوط الأولية، وبهذا يُطلق على العنصر المعني بأنه مُسبق الشد. كما نعلم، لا يستطيع الخرسانة بمفردها تحمل الضغوط الشدّية، وسرعان ما تتعرض للتشققات. لهذا السبب يتم استخدام قضبان فولاذية في الخرسانة، حيث تتولى هذه القضبان مسؤولية تحمل الأحمال الشدّية بعد حدوث التشققات في منطقة الشدّ. يتم استخدام عناصر الشد المسبق مثل الكابلات في منطقة الشدّ في الخرسانة، حيث يتم تطبيق قوة ضغط على الكابلات. هذا يجعل الأحمال الهيكلية تُستخدم لإلغاء الضغوط الشدّية الأولية، مما يمنع حدوث تشققات في منطقة الشدّ في الخرسانة.

فوائد تعزيز الهياكل باستخدام الشد المسبق:

• زيادة دوام الخرسانة
•  تقليل تأثيرات التشققات في الهياكل الخرسانية
•  تقليل وزن الهيكل بسبب استخدام مقاطع أصغر
•  المرونة في التصميم المعماري

عيوب تعزيز الهياكل باستخدام الشد المسبق:

•  الحاجة إلى دقة عالية جداً
•  الحاجة إلى قوة عاملة متخصصة وماهرة
•  الحاجة إلى أدوات وآلات خاصة
•  تصميم أكثر تعقيداً نسبياً

تعزيز المباني باستخدام مركب FRP

FRP، أو ما يُعرف بـ “البوليمر المدعّم بالألياف“، هو نوع من الألياف البوليمرية التي تم استخدامها بشكل واسع في صناعة البناء في السنوات الأخيرة. تتكون هذه المواد من جزئين، هما ألياف FRP والمصفوفة (المادة الرابطة). الوظيفة الرئيسية للألياف هي مقاومة الأحمال، بينما لا تتحمل المصفوفات الأحمال بشكل رئيسي، بل تقوم بوظيفة رئيسية في الحفاظ على الألياف معًا ومنع أي حركة أو انحراف للألياف. كما أن مهمة مهمة أخرى للمصفوفات هي منع تآكل الألياف نتيجة للعوامل البيئية.
ألياف FRP عادة ما تكون مواد على شكل أقمشة، وتنقسم إلى عدة فئات، وأهمها هي:

إليك معاني أنواع الألياف المختلفة:

•  ألياف الكربون (ألياف الكربون CFRP)
•  ألياف الزجاج (GFRP)
•  ألياف مفرومة (FRP الیاف الخرسانة)
•  ألياف الأراميد (AFRP)

تتقسم الیاف الکربون و الزجاجیة:

•  ألياف الكربون أحادية الاتجاه
• ألياف الكربون ثنائية الاتجاه
•  ألياف زجاجية أحادية الاتجاه
•  ألياف زجاجية ثنائية الاتجاه

في أي اتجاه يكون فيه حجم الألياف أكبر، تكون مقاومة الألياف أيضاً أكبر. بشكل عام، الألياف ذات الاتجاه الواحد تكون لديها مقاومة أكبر في اتجاه معين مقارنة بالألياف ذات الاتجاهين، وذلك بسبب وجود كثافة أكبر للألياف في ذلك الاتجاه. في أي اتجاه يكون فيه حجم الألياف أكبر، تكون مقاومة الألياف أكبر أيضاً. بشكل عام، الألياف الأحادية الاتجاه تكون لديها مقاومة أكبر في اتجاه معين مقارنة بالألياف ثنائية الاتجاه، وذلك بسبب وجود كثافة أكبر للألياف في ذلك الاتجاه. كما يتم استخدام ألياف FRP في إنتاج منتجات أخرى، ومن بين هذه المنتجات يمكن الإشارة إلى ما يلي:

• الـ Laminates FRP
•  القضبان الحديدية FRP
• المسامير والأنكرات FRP

بعد أن قدمنا أنواع الألياف المركبة FRP وتعرفنا على هذه الطريقة الحديثة لتعزيز المباني، نهدف في هذه المرحلة إلى مراجعة خصائص كل منها بشكل مختصر، ثم ننتقل إلى تطبيقاتها في تعزيز المباني.

ألیاف الکربون(CFRP)

كما يتضح من أسمائها، فإن المادة الرئيسية المكونة لها هي الكربون. يتم الحصول على هذا النوع من الألياف المركبة FRP من خلال تسخين المواد العضوية التي يشكل الكربون الجزء الأكبر منها. الألياف الكربونية ذات اللون الأسود، غير قابلة للذوبان في الماء وخالية من الرائحة، تتميز بقوة شد عالية جداً. الألياف الكربونية، التي تتوفر في شكل أحادي الاتجاه وثنائي الاتجاه، لها استخدامات عديدة ومتنوعة في تعزيز وتحسين المباني. أهم ميزة للألياف الكربونية هي قوة الشد العالية لهذه الألياف. بالإضافة إلى القوة العالية في الشد، تتمتع ألياف الكربون أو ما يعرف بـ CFRP بمعامل تمدد حراري منخفض جداً، مما يجعلها تتأثر بأقل قدر من التغيرات في درجة حرارة البيئة.

ألياف زجاجية (GFRP)

كما يتضح من اسم هذه الفئة من الألياف، فإن المادة الرئيسية المكونة لها هي الزجاج. ألياف الزجاج أو ما يُعرف بـ GFRP هي الأكثر استخداماً بين ألياف FRP لتعزيز المباني. والسبب في ذلك هو انخفاض تكلفة هذه الألياف مقارنةً بأنواع الألياف FRP الأخرى.

مزايا ألياف الزجاج GFRP:

• وزن منخفض
•  قوة شد عالية
•  سعر أقل مقارنة بأنواع الألياف الأخرى
•  معامل تمدد حراري منخفض

عيوب ألياف الزجاج GFRP هي

•  مقاومة منخفضة للتآكل الكيميائي
•  قوة شد أقل مقارنةً بالألياف الكربونية
•  مقاومة أقل للحرارة
•  مستوى عزل كهربائي أقل