ما هي اعتبارات التصميم في إصلاح الهياكل؟
تبلغ حالات فشل الهندسة المدنية حاليًا من 5 إلى 10% من إجمالي الاستثمار في المباني والهياكل الجديدة. ولا تمثل هذه الإخفاقات اعتبارات مهمة في التكلفة فحسب، بل لها أيضًا عبء بيئي مرتبط بها.
غالبًا ما تتدهور الهياكل بسبب عدم إيلاء الاهتمام الكافي أثناء مرحلة التصميم ومعظم معايير التصميم الإنشائي لا تغطي التصميم مدى الحياة. وغالبًا ما يُترك التصميم من أجل المتانة للمصمم الإنشائي أو المهندس المعماري الذي قد لا يمتلك المهارات اللازمة.
النتيجة غالبًا ما تكون الفشل، ممّا يؤدي إلى تكبد تكاليف صيانة وإصلاح عالية. حيث أن معرفة السلوك طويل الأجل للمواد ومكونات البناء والهياكل هو الأساس لتجنب هذه الإخفاقات.
تستخدم متانة الهياكل الهندسية في تصميم المباني لعمر الخدمة، وتقنيات الصيانة والإصلاح الفعالة من أجل تقليل احتمالية الفشل. حيث يصف الأداء في الموقع لجميع المواد الرئيسية من صنع الإنسان المستخدمة في إنشاءات الهندسة المدنية.
قد تكون هناك حاجة إلى الهيكل المعاد تأهيله لتوفير أمان مكافئ لتلك الموجودة في الهيكل الجديد. كما تم جلب الهيكل المعاد تأهيله إلى معايير كود البناء الحالية. كما توفر رموز التصميم إرشادات فقط.
يجب على المهندس تطبيق المبادئ الأساسية للميكانيكا الإنشائية ويجب أن يكون لديه فهم لسلوك المواد لتقييم وتصميم إصلاح هيكلي أو إجراء تقوية أو كليهما. حيث أنه فيما يلي بعض الاعتبارات المهمة لتصميم الإصلاحات:
1. توزيع الحمل الحالي للهياكل الخرسانية:
في الحالة المتدهورة، يقوم عضو أو نظام هيكلي بتوزيع الأحمال الميتة والمعيشية بشكل مختلف عن القيم المفترضة الأولى عندما كان الهيكل جديدًا. كما يؤدي التكسير والخرسانة المتدهورة والتعزيز المتآكل إلى تغيير مسار الحمل والتغيرات في القص واللحظة والتوزيع المحوري للحمل.
مع إزالة أو استبدال الخرسانة والتسليح قبل وأثناء الإصلاح، يتم تعديل تأثيرات القوة بشكل أكبر. وللحصول على توزيع الحمل قريبًا من النموذج الأصلي، قد يلزم تخفيف الحمل عن طريق الرفع أو بوسائل أخرى.
2. توافق المواد للهياكل الخرسانية:
يزيد الاختلاف في الخصائص الفيزيائية للإصلاح وَالمواد الأصلية للبناء من تأثيرات التغيرات الحرارية والاهتزازات وتأثيرات الزحف والانكماش على المدى الطويل. ومن ثم، يجب أن يكون لمواد الإصلاح نفس خصائص المادة الأصلية أو يجب تصميم الهيكل للحركات الإضافية.
3. الزحف أو الانكماش أو كليهما للهياكل الخرسانية:
يؤدي الزحف أو الانكماش العالي لمواد الإصلاح مقارنة بالبناء الأصلي إلى فقدان صلابة الإصلاح وإعادة توزيع القوى وزيادة التشوهات.
4. اهتزاز الهياكل الخرسانية:
عندما تكون مادة الإصلاح الموضوعة في حالة لدنة أو حتى يتم تطوير قوة كافية، يمكن أن يؤدي اهتزاز الهيكل أثناء إصلاح الأجزاء الأخرى إلى تقليل الترابط في مادة الإصلاح.
5. هجرة الماء في الهياكل الخرسانية:
يمكن أن يؤدي انتقال الماء أو البخار من خلال هيكل خرساني إلى تدهور الإصلاح والتحكم فيه ضروري لنجاح الإصلاح.
خصائص السلوك المادي للهياكل الخرسانية:
على الرغم من أن تحليل الهياكل الخرسانية وتطويرها هو نوع من “الفن العلمي” الذي تم ممارسته لسنوات عديدة، فقد تطور إلى علم معقد يتطلب مزيجًا من الهندسة وعلوم المواد ووجهات نظر البناء.
قد تستخدم مشاريع التعزيز المواد التقليدية مثل المواد التقليدية القائمة على الأسمنتوالفولاذ وكذلك المواد المركّبة المتقدمة (الخرسانة المسلحة بالألياف) التي تُستخدم بشكل شائع في تطبيقات الطيران.
إنّ التقنية المستخدمة لتصميم وتركيب هذه المواد لتطبيقات الترقية ليست شائعة في الهندسة وصناعة البناء العامة والتي يمكن أن تجعل تعزيز المشاريع أكثر صعوبة وتعقيدًا من البناء الجديد.
هناك العديد من العوامل التي تخلق الحاجة إلى التعزيز. وهي تشمل أخطاء البناء والتصميم وزيادة الحمل المباشر ومتطلبات الكود الجديدة وقوة الخرسانة المنخفضة والفراغات التي تنشأ أثناء وضع الخرسانة والاختراقات الجديدة ومنع الانهيار التدريجي من أحمال الانفجار.
سيصف هذا العرض التقديمي استراتيجيات التصميم والتقنيات المختلفة والمواد ومفاهيم التصميم المستخدمة لترقية الهياكل الخرسانية والتي سيتم توضيحها أيضًا من خلال دراسات الحالة الفعلية.
في بعض الأحيان قد يكون لمواد الإصلاح خصائص مختلفة تمامًا عن الأصلية. ويمكن استبدال التسليح الفولاذي التالف ببوليمر مقوى بألياف الكربون (CFRP) مطبّق على الوجه السفلي الخارجي للكمرات.
تعتبر الخرسانة الليفية أقوى من الفولاذ، ولكنه يتمتع بسلوك أكثر مرونة وهشاشة. بحيث لا تنطبق أحكام رموز تصميم الخرسانة المسلحة على الجزء الذي تم إصلاحه. ويتم إجراء الإصلاح مع مراعاة خصائص هذه المواد لتوفير مستوى مكافئ من الأمان على الأقل للتصميم الأصلي.
