الخرسانة سابقة الإجهاد

ما هي الخرسانة سابقة الإجهاد؟

الخرسانة سابقة الإجهاد هي نظام يتم فيه تحفيز الضغوط الداخلية عمداً دون أيّ شكل من الأحمال الخارجية لتحسين أدائها. يتم استخدام الضغوط الداخلية المستحثة في الهيكل الخرساني لمواجهة الضغوط الناتجة عن تطبيق الحمل الخارجي.

وهنا يتم وصف المفهوم والأساليب في نظام الخرسانة سابقة الإجهاد بإيجاز حيث أن مفهوم الإجهاد كما ذكرنا سابقًا، أما الإجهاد المُسبق هو تطبيق الحمل الأولي على الهيكل الخرساني، بحيث يكون الهيكل قادرًا على مقاومة أو تحمل الضغوط الناتجة عن أحمال الخدمة. يُمكن فهم المفهوم بوضوح من خلال مثال للبرميل. يتم ربط البرميل المستخدم في الفترات القديمة لنقل السوائل والحبوب بإحكام بشرائط معدنية. ثم يتم تركيب هذه الأشرطة المعدنية بإحكام بحيث تخلق ضغطًا حول البرميل وعندما يمتلئ هذا البرميل بالسائل، فإنّه يُمارس توتر طارة.

يُساعد ضغط الطوق الذي يتم إنشاؤه بواسطة الأربطة المعدنية على مقاومة شد الطوق الناتج عن السائل الموجود بداخله هذا نظام إجهاد. وبالمثل، يتم إحداث ضغوط داخلية فعّالة في الخرسانة عن طريق قُضبان فولاذية مشدودة قبل تعرّض الهيكل الخرساني لأيّ أحمال خدمة. يتعارض هذا الضغط مع الضغوط الخارجية.

ما الحاجة للخرسانة سابقة الإجهاد؟

يُمكن تبرير الحاجة إلى الإجهاد المسبق في الخرسانة من خلال المشكلة التالية، وهي الخرسانة ضعيفة في التوتر وقوية في الضغط. هذه نقطة ضعف من الخرسانة التي تُؤدي إلى تشققات الإنثناء المُبكّر بشكل رئيسي في أعضاء الإنثناء مثل الحزم والألواح. لمنع حدوث ذلك، يتم تحريك الخرسانة بضغط إنضغاطي (الإجهاد المسبق) ويتعارض هذا الإجهاد مع إجهاد الشد الذي يتعرّض له الهيكل أثناء حالة الخدمة وبالتالي يتم تقليل فرص الشقوق والإنثناء.

يُساعد الضغط المسبق المستحث كجزء من الإجهاد المسبق على تعزيز قدرة الانحناء وقدرة القص والقدرة الإلتوائية لأعضاء الانثناء. يُمكن تطبيق قوة الضغط المسبق بشكل مركزي أو غير مركزي في الاتجاه الطولي للعضو. هذا يمنع التشققات في منتصف النطاق الحرج ويدعم عند تحميل الخدمة حيث يتصرف قسم خرساني سابق الإجهاد بشكل مرن، يُمكن استخدام السعة الكاملة للخرسانة في الضغط على عمق كامل تحت التحميل الكامل في حالة الخرسانة سابقة الإجهاد.

طرق الإجهاد المستخدمة:

• الشد قبل الصب: في طريقة الشد المسبق، يتم إحداث الضغط عن طريق شد الأوتار الفولاذية في البداية، هذه هي الأسلاك أو الخيوط المتوترة بين المراسي الطرفية بعد عملية الشد هذه، يتم إجراء صب الخرسانة. بِمجرد تصلّب الخرسانة المصبوبة بالقدر الكافي، يتم تحرير المراسي النهائية المرتبة، هذا الإفراج ينقل قوة الإجهاد إلى الخرسانة الرابطة بين الخرسانة والأوتار الفولاذية تسهل نقل الإجهاد. أيضاً يتم قطع الأوتار البارزة في النهايات ويتم تحقيق المظهر النهائي من أجل تحفيز قوة الإجهاد في طريقة ما قبل الشد، يتم استخدام عدد كبير من الأوتار والأسلاك. ومن ثم يتطلب هذا الترتيب مساحة كبيرة من التلامس السطحي لجعل نقل السندات والضغط ممكنًا.
  
• التوتير بعد الصب: لا يتم الضغط على الفولاذ إلا بعد صب الشعاع ومعالجته والحصول على القوة لأخذ الإجهاد داخل الغلاف ويتم صب الخرسانة. بالنسبة لتمرير الكابلات الفولاذية، يتم تشكيل القنوات في الخرسانة، بِمجرد تصلّب الخرسانة المصبوبة تمامًا، يتم شد الأوتار. ويتم تثبيت أحد طرفي الوتر ويتم شد الطرف الآخر.
  في بعض الحالات، يُمكن إجراء الشد من أيّ من الجانبين وترسيخها لاحقًا وبمجرد إكتمال الإجهاد، هناك مسافة بين الأوتار والقناة وهذا يُؤدي إلى البناء المُستعبد والبناء غير المربوط.
  
• البناء المُستعبد: في البناء المستعبد، تمتلئ الفراغ بين القناة والأوتار بجِبص أسمنتي. تُساعد عملية الحشو الفولاذ على مقاومة التآكل إلى حد كبير. يتم زيادة القوة النهائية، حيث تزيد هذه الطريقة من مقاومة الأحمال الحية التي تعمل خليط الجبص هو الأسمنت والماء مع أو بدون خليط. أيضاً لا يتم استخدام الرمل في هذا الجبص.
  
• البناء غير المربوط: إذا لم يتم استخدام الجِبص لملء الفراغ بين القناة والأوتار، فإنَّه يُسمّى البناء غير المرتبط. هنا يتم جلفنه الفولاذ للحماية من التآكل ويتم استخدام مادة العزل المائي في الجلفنة.
  

مساوئ الخرسانة سابقة الإجهاد:

ارتفاع تكاليف المواد حيث أن الإجهاد المسبق هو تكلفة مضافة أيضاً القوالب المستخدمة أكثر تعقيدًا من الخرسانة المسلّحة مثل المقاطع ذات الشفة والشبكات الرقيقة وبالتالي، فإنَّ الصب المُسبق ليس مرنًا مثل الخرسانة المسلحة.

مزايا الخرسانة سابقة الإجهاد:

المزايا الرئيسية للخرسانة سابقة الإجهاد هي أن الإجهاد المسبق للخرسانة باستخدام الفولاذ عالي الشد يُحسن كفاءة المواد، يعمل نظام الإجهاد المسبق لمسافة أكبر من 35 م، الإجهاد المسبق يُعزز قوة القص ومقاومة الإجهاد للخرسانة، يتم توفير الخرسانة الكثيفة من قِبَل أنظمة الإجهاد المسبق وبالتالي تحسين المتانة، أفضل خيار لبناء هياكل نحيفة ونحيلة، يُساعد الإجهاد المسبق على تقليل الحمل الميت للهيكل الخرساني، لا تزال الخرسانة سابقة الإجهاد غير مشققة حتى في ظروف حمل الخدمة، ممّا يثبت الكفاءة الهيكلية ويستمد البناء المركّب باستخدام وحدة الخرسانة مسبقة الإجهاد والصب في الوحدة الهيكل الإقتصادي.