المهندس
هشام التوبة
الخرسانة لاحقة الشد
الكاتب : هشام التوبة
مقدمة :
تعود براءة اختراع الخرسانة مسبقة الإجهاد إلى بي إتش جاكسون في سان فرانسيسكو عام 1886 م، أما التطوير الحديث فقد قام به يوجين فرايسنيت في فرنسا عام 1928، حيث بدأ في إستخدام أسلاك فولاذية عالية القوة وبحلول عام 1939 صمم فرايسينيت أسافيناً مخروطية لتثبيت الأسلاك المشدودة في نهاية العناصر المجهدة مسبقاً إضافة إلى مقابس خاصة لإستخدامها في إجهاد الأسلاك وتثبيتها. وفي عام 1940 طور البروفيسور غوستاف ماجنييل من بلجيكا نظاماً من الأوتار المنحنية متعددة الأسلاك يتم مدها في قنوات مستطيلة مرنة.
أعطى نقص الفولاذ في سنوات ما بعد الحرب العالمية الثانية زخماً لإستخدام الخرسانة مسبقة الإجهاد وذلك في إستبدال الجسور المتضررة حيث قادت فرنسا وبلجيكا تطوير هذا العلم وتبعهما كل من إنجلترا وألمانيا وسويسرا وهولندا وروسيا وإيطاليا.
ومع مرور السنين وتطور علم مواد البناء وتكنولوجيا تنفيذ الإنشاءات تطورت تقنيات الخرسانة لاحقة الشد لأسباب متعددة هامة تتعلق بإدخال الأسلاك المجدولة المشدودة إلى النظام وتطور صناعتها وتطور طرق التصميم الإنشائي من ناحية إدخال مفهوم موازنة الأحمال وإدخال مفهوم الأوتار الممتدة في أنظمة الأسقف العاملة بإتجاهين وإستخدام أجهزة الحاسب الألي في التحليل الإنشائي وتأسيس معاهد للخرسانة اللاحقة الشد .
أولاً-تعريف الخرسانة لاحقة الشد- POST TENSIONING CONCRETE:
تستخدم أنظمة تنفيذ الخرسانة لاحقة الشد منذ عقود وفي دول عديدة في العالم بسبب مزاياها الإقتصادية وحلولها التنفيذية. إن الفكرة الإنشائية التي أنتجت هذا النظام قائمة على أن أنظمة الخرسانة المسلحة العادية وبسبب ضعف مقاومة الخرسانة لإجهادات الشد يتم تسليحها بتعويض هذا الضعف من خلال وضع حديد التسليح في المقاطع الحرجة التي تتعرض لإجهادات الشد.
بينما في أنظمة الخرسانة لاحقة الشد يتم الإستفادة من قدرة الخرسانة على تحمل إجهادات الضغط الكبيرة حسب تصميم الخلطة الخرسانية وبالتالي فإن تطبيق قوة خارجية دائمة ذات مقدار محدد على المقطع أو العنصر الخرساني يؤدي إلى توليد إجهاد ضغط في المقاطع الحرجة عند قيم العزوم الأعظمية مما يؤدي إلى إلغاء إجهادات الشد.
ثانياً- العناصر الإنشائية مسبقة الإجهاد لاحقة الشد :
تنقسم العناصر الإنشائية مسبقة الإجهاد PRE-STRESSED STRUCTRURAL ELEMENTS من ناحية تطبيق إجهاد أو قوة الشد إلى قسمين
1-العناصر الإنشائية سابقة الشدPRE- TENSION : وهي تنطبق على الوحدات الخرسانية التي يتم تصنيعها في مصانع وحدات الخرسانة مسبقة الصنع حيث يتم شد الأسلاك المجدولة إلى القوة التصميمية ومن ثم صب الخرسانة ولاحقاً القيام بقطع تلك الأسلاك عند وصول مقاومة الخرسانة على الضغط إلى القيمة المطلوبة لتحمل إجهاد الضغط المطبق عليها والناتج عن عملية الشد، وهنا يتألف كل وتر من سلك مجدول واحد فقط وتكون الأسلاك المجدولة المشدودة غير مغلفة وتمتد بإستقامة في الطرف السفلي من العنصر الإنشائي أو من الألياف السفلية التي تتعرض لإجهاد الشد.
ينحصر إستخدام هذه الطريقة في منشآت محددة منخفضة الإرتفاع كمواقف السيارات أو المدارس
2-العناصر الإنشائية لاحقة الشد POST TENSION : حيث يتم تنفيذها في المواقع الإنشائية دون الحاجة لإنتاجها في المصنع ويمتد تطبيقها في المساحات الكبيرة والأبنية الطابقية المتعددة وصولاً للجسور ويتم تنفيذها من خلال مد الأوتار في كلا الإتجاهين حسب المخططات المعتمدة وبشكل يحاكي مخطط عزم الإنعطاف حيث يتكون الوتر الواحد من سلك مجدول واحد وصولاً إلى خمسة أسلاك مجدولة أو أكثر في بعض التصاميم التي تحوي عناصرإنشائية طويلة المجاز ويتم لاحقاً صب الخرسانة ومن ثم القيام بشد الأسلاك إلى القوة التصميمية اللازمة لتوليد إجهاد الضغط المطلوب في المقاطع التصميمية الحرجة في منتصف المجاز ومناطق الإستناد حيث تقع عزوم الإنعطاف الأعظمية
ثالثاً- أنواع العناصر الإنشائية لاحقة الشد :
تنقسم العناصر الإنشائية لاحقة الشد من ناحية نوعية التماسك والتلاصق مع الخرسانة إلى قسمين
1-النظام المرتبط أو المتلاصقBONDED SYSTEM حيث تكون الأسلاك المجدولة STRANDS ممتدة ضمن قنوات معدنية DUCTS ويتم حقنها لاحقاً بعد إنجاز عملية الشد من خلال حقن تلك القنوات بخلطة إسمنتية لتأمين الحماية للأسلاك من الصدأ وكذلك تأمين الترابط والتماسك مع خرسانة السقف.
2- النظام الغير مترابط UNBONDED SYSTEM حيث يتم إعداد الأوتار مسبقاً في المصنع من خلال تشحيم الأسلاك المجدولة ومن ثم تغليفها بأنبوب بلاستكي مصنوع من مادة البولي إيثلين وهنا تقوم مادة الشحم بوظيفة تغليف الأسلاك المجدولة وحمايتها من الصدأ.
كما تنقسم العناصر الإنشائية لاحقة الشد إلى نوعين من ناحية طريقة الشد
1-الشد الأحادي للأسلاك المجدولة MONO JACKING SYSTEM حيث يتم شد كل سلك مجدول إلى القوة التصميمية من خلال جك أحادي الشد
2-الشد المتعدد للأسلاك المجدولة MULTY JACKING SYSTEM حيث يتم شد مجموعة من الأسلاك المجدولة في وقت واحد وذلك إلى القوة التصميمية
رابعاً- تطبيقات إستخدام العناصر الإنشائية لاحقة الشد :
تستخدم أنظمة الخرسانة لاحقة الشد في الأبنية الطابقية المتعددة والأبراج وكذلك الجسور في جميع أنواعها المختلفة ومنها الجسور المعلقة لتلبية كل أشكال التصاميم المعمارية من ناحية الأظفار والمجازات بين المساند مع تحقيق أدنى كلفة للمبنى
خامساً- فوائد إستخدام العناصر الإنشائية لاحقة الشد :
تتعدد فوائد إستخدام تكنولوجيا الخرسانة لاحقة الشد من خلال مقارنتها مع أنظمة الأسقف المسلحة التقليدية ومنها ما يلي
الأسقف الخرسانية المشدودة لاحقاً | الأسقف الخرسانية المسلحة التقليدية | الرقم |
تقليل سماكة الأسقف وبالتالي التوفير في كميات الخرسانة ما ينتج عنه من تخفيض في أبعاد الأعمدة و الأساسات | سماكات الأسقف والمقاطع الإنشائية للجسور أكبر | 1 |
تخفيض نسبة حديد التسليح | نسبة حديد التسليح عالية في المتر المكعب | 2 |
الحصول على مجازات طويلة بين الأعمدة وبالتالي تقليل عددها وتقليل عدد الأساسات | مجازات صغيرة بين المساند | 3 |
سرعة فك السقالة بعد ستة أيام وذلك عند إنتهاء عملية الشد | تحتاج السقالة إلى 14 يوماً لفكها | 4 |
سرعة الإنشاء التي تنعكس في فتح جبهات عمل للأعمال المتعلقة بالإكساء | بطيئة من ناحية الإنشاء للمباني الطابقية المتعددة | 5 |
مناسبة للمشاريع الكبيرة حيث يتم تحقيق الفائدة في تقليل الكلفة وسرعة الإنجاز | مناسبة للمشاريع الصغيرة | 6 |
المواد متنوعة وتحتاج لتوفيرها من عدة مصادر وتشمل الأسلاك المجدولة ونهايات التثبيت والقنوات المعدنية والكراسي الحاملة للقنوات وأنابيب الحقن | توفر المواد على نطاق واسع المؤلف من الإسمنت العادي وقضبان حديد التسليح فقط | 7 |
تحتاج لأيدي عاملة ماهرة ذات خبرة في تنفيذ هذا النوع من الأسقف | بساطة التنفيذ من ناحية تكنولجيا الإنشاء والأيدي العاملة | 8 |
سادساً- برامج التصميم :
يتم التصميم الإنشائي من خلال إستخدام برامج هندسية معروفة مثل برنامج RAM وبرنامج ADAPT حيث يتم نمذجة السقف كاملاً وإجراء الحسابات الهندسية من خلال المعادلات الهندسية وفقا لكودات البناء التي تتضمنها هذه البرامج
سابعاً- التصميم الإنشائي :
وتتم مراحل التصميم من خلال تحديد نوعية النظام الإنشائي للسقف والذي يحدده مسبقاً المهندس الإنشائي وفقاً للإستخدام المعماري للمبنى،و يمكن أن يكون تصميم السقف من أحد الأنواع التالية وغيرها :
1-بلاطة عاملة بإتجاه واحد مستندة على جسور في الإتجاه الأخر سواء كانت الجسور مسلحة أو مشدودة لاحقا حيث يختلف قيمة سقوط الجسور
2-بلاطة مصمتة عاملة بإتجاهين سواء كانت مستندة على جسور أو مباشرة على العناصر الحاملة الشاقولية
3-بلاطة تحتوي أعصاباً مسلحة بالأوتار اللاحقة الشد
4-بلاطة تستند على مقاطع ساقطة تستند فوق الأعمدة
5-بلاطة مفرغة بإتجاهين
6- بلاطات هجينة تستخدم الأسلاك المجدولة في مجازات الأعمدة مع تخفيض وزن البلاطة في المنتصف باستخدام عناصر بلاستيكية مفرغة
وبعد تحديد النظام الإنشائي المستخدم يتم إدخال مخطط السقف المراد تصميمه إلى البرنامج والبدء بتعريف العناصر الإنشائية المؤلفة له كالأعمدة وجدران القص والنواة الداخلية، ومن ثم إختيار كود البناء الذي يجب إتباعه ومن ثم تحديد محددات التصميم التي تشمل الأحمال الحية والميتة والمركزة وتحديد مواصفات وخواص مواد البناء وتحديداً قدرة تحمل الخرسانة وحديد التسليح العادي وقوة الشد للأسلاك المجدولة وقطرها المستخدم ومن ثم القيام بتقسيم السقف إلى شرائح أفقية وشرائح شاقولية سواء فوق الأعمدة أو في منتصف مجاز السقف بين الأعمدة ومن ثم مد الأوتار في تلك الشرائح في كلا الإتجاهين مع إتباع إشتراطات كود البناء من ناحية التباعد الأقصى بين الأوتار، ومن ثم تحديد النهايات العلوية والسفلية عند المقاطع الحرجة و إدخال عدد الأسلاك المجدولة في كل وتر وتحديد نهايات الشد الحية في كلا طرفي الوتر عندما يزيد طوله عن 33 متراً وتحديد نهاية الوتر الميتة عندما يقل طول الوتر عن 33 متراً ومن ثم تحقيق قيم الإجهادات المسموحة وقيم التسهم المقبولة على المدى الطويل لعمر المنشأة والتي يجب أن تكون ضمن القيم المسموحة حسب كود البناء المستخدم، ويتم لاحقاً تحقيق إجهادات القص عند الأعمدة وإتمام الدراسة الحرارية وكذلك دراسة تأثير القوى الأفقية الناتجة عن الزلازل والرياح على نقاط ارتباط السقف بجدران القص والأعمدة.
ثامناً- المخططات الهندسية الإنشائية :
تتألف المخططات الهندسية المعتمدة والتي يتم إتباعها في أعمال التنفيذ من الرسومات التالية
1-مخطط التفاصيل والملاحظات العامة للنظام : حيث يحوي المخطط على اشتراطات تنفيذ الأعمال في الموقع إضافة لمواصفات المواد المستخدمة.
2-مخطط المقاطع الهندسية : حيث يحتوي تفاصيل حديد التسليح العادي في مقاطع مختلفة لإرتباط السقف بالإعمدة أو جدران النواة الداخلية وكذلك تفاصيل حديد التسليح حول الفتحات الدائمة أو المؤقتة وتفاصيل تتعلق بالنهايات الحية والميتة للأسلاك المجدولة إضافة إلى تفاصيل خاصة متعلقة بالتنفيذ.
3-المخطط الانشائي لقالب السقف الذي يحدد سماكته والجسور الساقطة وتوزيع المساند.
4-مخطط حديد التسليح العادي الذي يوضح تفاصيل قضبان التسليح سواءً كان سفلياً أو علويا.ً
5-مخطط الأوتار لاحقة الشد الذي يوضح تباعد الأوتار وعدد الأسلاك المجدولة في كل وترويوضح النهايات السفلية والعلوية.
6-المخطط التنفيذي للأوتار في كلا الإتجاهين الأفقي والشاقولي الذي يوضح إرتفاع الأوتار كل متر وذلك للحفاظ على الإنحناء للأوتار من خلال ربطها على كراسي حديدية مصنوعة من قضبان بقطر 6 ملم ومن ثم يتم تثبيت الكراسي على القالب الخشبي بدبابيس تمنع الأوتار من الحركة أثناء عملية الصب.
تاسعاً- المعدات المستخدمة :
تتألف المعدات اللازمة لتنفيذ الأعمال من التالي:
1-ماكينة الشد الهيدروليكية التي تعمل بالكهرباء و تولد الضغط الهيدروليكي الذي يلزم لتوليد قوة الشد التي تمكن جهاز الشد أو الجك من سحب الأسلاك المجدولة
2-الأنايبيب الهيدروليكية التي تربط ماكينة الشد بجهاز الشد أو الجك
3- جهاز الشد أو الجك الذي وظيفته سحب الكابل بقوة معينة
4-مقياس قوة الشد
5-ماكينة التدبيس التي تثبت كراسي الأوتار في أماكنها
6-جهاز صنع النهاية الميتة
7-ماكينة الحقن
عاشراً- المواد المستخدمة :
تتألف المواد المستخدمة في تنفيذ الأسقف الخرسانية لاحقة الشد من المواد التالية:
1-النهايات الحيةANCHORS التي تتألف من القطعة المعدنية التي يتم من خلالها تجميع الأسلاك المجدولة في كل وتر وإخراجها من طرف السقف تمهيداً لشدها حيث يتم تركيبها على بعد 11 سم من طرف القالب من خلال وضع قطعة بولسترين لتشكل فراغاً بعد الصب STRESSING POCKETS من خلال إزالة مادة البوليسترين لكي يتم لاحقاً تركيب القطعة المعدنية التي تخرج منها الأسلاك المجدولة STRESSING BLOCKS ويتم تثبيتها بأسافين WEDGES مسننة مصنوعة من خلطة معدنية معينة وظيفتها تثبيت الأسلاك المجدولة بعد الشد.
2-الأسلاك المجدولة STRANDS التي يتم إستخدامها لتشكيل الأوتار والتي تتحمل إجهاد إنقطاع يشاوي ألربع مرات ضعف حديد التسليح العادي عالي المقاومة
3-القنوات المعدنية GULVANIZED DUCTS والتي يتم مدها لتشكيل الأوتار لاحقة الشد بعد أن يتم إدخال الأسلاك المجدولة في داخلها
4-أنابيب الحقن GROUTING PIPES التي يتم تركيبها عند النهايتين الحية والميتة وكل 20 متراً
5-الكراسي CHAIRS التي يتم تثبيتها لتشكل الإنحناء المطلوب حسب مخطط الإرتفاعات لكلا الإتجاهين للأوتار
إحدى عشر- طريقة التنفيذ :
1-يقوم المقاول بتنفيذ أعمال السقالة ومد القالب الخشبي حسب المخطط العام الذي يوضح سماكة السقف والجسور الساقطة ويقوم بتركيب حواف القالب الجانبية
2-يتم القيام بتعليم الأوتار بإستخدام عبوات رذاذ الدهان في كلا الإتجاهين وذلك على القالب الخشبي
3-يتم تعليم أماكن النهايات الحية على حواف القالب الخشبي لأجل تنفيذ الفتحات التي تخرج منها أجزاء الأسلاك المجدولة التي يتم شدها
4-يتم قص الأسلاك المجدولة حسب الأطوال الموضحة في مخطط الورشة بحيث يتم مراعاة زيادة الطول بمقدار 40 سم لأجل شد الأسلاك المجدولة منها
5-يتم مد القنوات المعدنية حسب أماكنها التي تم تعليمها وذلك في الإتجاه الأول الذي يحتوي النهاية الأقل إرتفاعاً في منتصف المجاز ومن ثم يتم مد الأسلاك المجدولة في داخل تلك القنوات حسب العدد المحدد في المخطط المعتمد ويتم لاحقاً تركيب الكراسي التي تعطي الوتر شكله النهائي وتكرار نفس العمل للأوتار في الإتجاه الثاني
6-يتم تثبيت شكل النهاية الميتة للأوتار التي لا يزيد طولها عن 33 متراً بحيث يكون طول الأسلاك المجدولة المكشوفة خارج القنوات المعدنية لا يقل عم متراً واحداً وذلك لتأمين طول التلاصق المطلوب مع الخرسانة
7-يتم تركيب أنابيب الحقن عند النهايات الحية والميتة وكل 20 متراً لتأمين تفريغ القنوات المعدنية من الماء والهواء أثناء عملية الحقن
8-إجراء الكشف والتفتيش النهائي على السقف
9-صب لخرسانة وأخذ عينات من المكعبات من أخر منطكقة يتم صبها حيث يتم حفظها في منطقة جافة ومعالجتها بالماء لتأكيد أن تتطور مقاومة الخرانة يحاكي تطور مقاومة خرسانة السقف
10-بعد عملية الصب بيوم يتم إزالة حواف القالب الخشبي والبدء بتركيب القطع المعدنية الخارجية التي تحتضن الأسلاك المجدولة وتركسب الأسافين وتعليم الأسلاك المجدولة من الخارج بقلم أحمر وذلك لقيا قيم التطاولات للأسلاك المجدولة فيما بعد بعد إتمام عملية الشد
11-يتم إجراء كسر للمكعبات في اليوم الرابع من الصب بحيث لا تقل قيمة إجهاد الكسر عن 70 % من قيمة كسر المكعب على عمر 28 يوماً ومن ثم البدء في عملية شد الأسلاك المجدولة ضمن نسق معين
12-يتم تسجيل قيم التطاول في تقرير وتدقيقه من قبل مهندس الموقع بعد مقارنته مع قيم التطاولات الأساسية الناتجة في التصميم بحيث لا تزيد نسبة الإختلاف بين القرائتين عن 6%
13-بعد إعتماد نتائج التطاولات يتم قص زوائد الأسلاك المجدولة وإغلاق فتحات الشد الجانبية بخليط الإسمنت والماء
14-يتم في اليوم التالي المباشرة بحقن القنوات المعدنية بخليط من الإسمنت والماء مع إضافة مادة تساهم في رفع مقاومة الخلطة وتساهم في إمتصاص بقايا الماياه المتجمعة في القنةات المعدنية نتيجة معالجة القف بالماء كما تساهم هذه المادة من خلال زيادة حجم الخلطة المحقونة في تغلف الأسلاك المجدولة وإمتصاص فقاعات الهواء التي يمكن أن تتسبب بصدأ الأسلاك المجدولة
اثني عشر- محددات السلامة :
يجب إتباع معايير السلامة أثناء العمل من خلال إستخدام العمالة الماهرة المدربة وتوفير منصات خارجية لوقوف العمال عليها أثناء عملية الشد و ربط ماكينة الشد بحبل لتفادي سقوطها أوسقوط الجك نتيجةأي هبوط مفاجيء في قيم الضغط الهيدروليكي وعدم وقوف العمال في منطقة الشد وأمام الأسلاك المجدولة أثناء عملية الشد وإتباع محددات السلامة أثناء القيام بعملية حقن الأسلاك المجدولة ومنها إستخدام نظارات لحماية أعين العمال أثناء عملية حقن الأسلاك المجدولة إضافة لإتباع معايير اللامة العامة في مواقع الإنشاءات
خاتمة :
تتميز العناصر الإنشائية اللاحقة الشد بمتانتها بسبب الضغط المطبق في مقاطعها والذي يساهم في تقليل أو إزالة التشققات وذلك فيما إذا كان التصميم الإنشائي صحيحاً وكان التنفيذ في كل مراحله يتبع معايير الجودة من ناحية إختيار المواد المستخدمة ومن ثم تركيبها بشكل صحيح وإجراء أعمال الشد بطريقة متفنة.
إن القيود الإنشائية التي يفرضها كود البناء على تصميم الأسقف اللاحقة الشد تعزز متانة المباني والتي بدورها و بشكل غير مباشر تسهم في إطالة عمر المبنى الإستثماري.
المراجع
1-دليل الخرسانة لاحقة الشد-صادر من معهد الخرسانة اللاحقة الشد في الولايات المتحدة الأمريكية
2- كتاب الأسقف اللاحقة الشد –سامي خان و مارتين وليامز
إعداد:
المهندس محمد هشام التوبة عضو نقابة المهندسين فرع حمص –جمعية المهندسين في دولة الإمالاات العربية المتحدة