شبكات الفولاذ المموج في عوارض الجسر الإنشائي

ما هي شبكات الفولاذ المموج في عوارض الجسر الإنشائي؟

الفولاذ عالي الأداء، الذي أصبح متاحًا بشكل متزايد، مناسب تمامًا لتطبيقات جسور الطرق السريعة نظرًا لقوتها العالية وصلابتها الممتازة، فضلاً عن قدرتها الجيدة على اللحام ومقاومة التآكل.

تتمتع هذه الشبكات الفولاذية بالقدرة على تحقيق وفورات كبيرة في الوزن، على الرغم من أن العوائق التي تحول دون استخدامها الفعال في عوارض لوحة الويب المسطحة التقليدية تشمل احتمال عدم استقرار الويب والانحرافات المفرطة وفشل التعب.

للتغلب على هذه القيود، تم اقتراح تصميمات مبتكرة، بما في ذلك استخدام الشبكات المموجة لتوفير استقرار القص المعزز والقضاء على الحاجة إلى التقوية المستعرضة.

تعتبر الصفيحة الفولاذية المموجة عنصرًا هيكليًا واسع الاستخدام في العديد من مجالات التطبيق نظرًا لخصائصها المفضلة وقد تم تطبيقها منذ عشرينيات القرن الماضي.

تم استخدامها أولاً في هياكل الطائرات ذات الألواح الشبكية الرقيقة جدًا، ثم تم تمديدها لتطبيقات الهندسة المدنية في المباني والجسور. وعلى مدار العشرين عامًا الماضية، تم استخدامه بشكل متزايد في شبكة الجسور الفولاذية والمركبة.

جسر كونياك الذي تم بناؤه في فرنسا هو أول جسر تم استخدام الشبكات الفولاذية المموجة فيه وتم الانتهاء منه في عام 1986م. وهو عبارة عن جسر عوارض صندوقية متصلة بثلاث امتدادات بطول إجمالي يبلغ 105 مترًا ويبلغ أقصى امتداده 43 مترًا.

تم استخدام الشبكات المموجة لفترة طويلة لزيادة قوة الانثِناء والصلابة خارج الطائرة ممّا يلغي استخدام التقوية الرأسية. ومع ذلك، فقد وجد أن العوارض ذات الشبكات المموجة اقتصادية للاستخدام ويمكن أن تحسن جماليات الهيكل.

أثبتت العديد من الدراسات في السنوات الماضية أن توزيع الإجهاد في العوارض ذات الشبكات المموجة يختلف عن توزيع الإجهاد التقليدي للعوارض التقليدية ذات الشبكات المسطحة تحت الانحناء والقص داخل الطائرة.

تؤثر الخصائص المختلفة لتوزيع الضغط في الحواف وألواح الويب على مقاومة الانحناء والقص، والتي يمكن أخذها في الاعتبار في التصميم.

النظام الإنشائي لشبكات الفولاذ المموجة:

يتكون النظام الهيكلي لعارضة الويب المموجة من شبكات مموجة رقيقة الجدران وشفة. كما في حالة الجسور ذات العوارض الخشبية ذات الشبكات المسطحة، فإنّها تتمتع بأقصى قدرة تحمل لحظية من أي أقسام ملفوفة.

لتحمّل اللحظات، يجب أن يكون القسم نحيفًا وتكون الأَقسام النحيلة عرضة لالتواء الويب. لذلك يفقد الويب قوته التواء. ومن ثم، لتجنب هذا الالتواء واكتساب أقصى قدر من القوة، كان التركيز على توفير التموجات على الويب.

الغرض من استخدام النسيج المموج هو أنه يسمح باستخدام الألواح الرقيقة دون الحاجة إلى أدوات التقوية ممّا يقلل من تكلفة التصنيع ويحسن عمر التعب. حيث تشير التقديرات إلى أن هذه العوارض ذات الشبكات المموجة قد تكون أخف بنسبة 9 إلى 13% من العوارض التقليدية ذات الشبكات المسطحة.

1. أنواع التموجات لشبكات الفولاذ المموجة:

العديد من أنواع التموجات ممكنة المستطيلة، شبه المنحرفة والجيبية. كما حظي شبه المنحرف والجيوب الأنفية بمزيد من الاهتمام.

2. الغرض من التموجات لشبكات الفولاذ المموجة:

لجعل المقطع العرضي فعالاً لمقاومة الانحناء داخل المستوى، يلزم وضع المادة القصوى بعيدًا عن المحور المحايد قدر الإمكان. ومع زيادة عمق القسم، يزداد عمق الويب ويصبح نحيفًا، وقد يحدث فشل سابق لأوانه في العارضة بسبب التواء الويب في القص.

ومن ثم، لتقليل نسبة النحافة الناتجة عن العمق العالي والسمك الصغير للويب، بدلاً من استخدام أدوات التقوية، فإنّ الشبكة المموجة هي الطريقة الممكنة لتوفير الاستقرار ضد الانثناء المرن للويب.

يُعد ملف التعريف طريقة تتجنب فشل الحزمة بسبب فقدان عدم الاستقرار قبل الوصول إلى تحميل الويب النهائي عن طريق إنتاج الويب.

السلوك الهيكلي للشبكات المموجة:

1. سلوك الانحناء للشبكات المموجة:

يتم توفير قوة الانحناء للعارضة مع لوح الويب المموج بواسطة الحواف بدون أي مساهمة تقريبًا من الويب ولا يوجد تفاعل بين سلوك الانثناء والقص. حيث توفر شبكة الفولاذ المموج فقط قدرة القص للعوارض حيث يتم التحكم في قوة القص عن طريق الالتواء أو إنتاج الصلب للشبكة.

توفر الحواف دعائم حدية للويب. بحيث يخلص هذا إلى أن الصفيحة الفولاذية المموجة لا تقاوم القوى المحورية ولحظة الانحناء ولكنها تتمتع بمقاومة عالية لالتواء القص. كما يمكن تعريف هذا التأثير على أنه تأثير الأكورديون.

في حالة عوارض الجسر الخرسانية سابقة الإجهاد، فإنّ تأثير الأكورديون يمكّن الأسطح العلوية والسفلية من العارضة من الإجهاد المسبق بكفاءة. ومن ثم، يتم تقليل فقدان الإجهاد المسبق بشكل كبير مقارنة بجسور العارضة التقليدية.

2. سلوك القص للشبكات المموجة:

بناءً على التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها حتى الآن، تم التأكد من أن قوة القص المطبقة مقاومة تمامًا بواسطة شبكات الصلب المموجة. بحيث تُعد قوة القص للشبكة المموجة وظيفة أساسية لارتفاع الشبكة والسمك وهندسة التمويج وعيوب الويب تلعب أيضًا دورًا مهمًا.

كما ذكرنا من قبل، توفر التموجات الاستقرار للويب، ممّا يلغي الحاجة إلى أدوات التقوية المستعرضة التي لها تأثير أساسي على قوة القص للعوارض الخشبية المسطحة التقليدية.

لا تحمل الشبكات المموجة ضغوط طولية كبيرة من الانثِناء الأولي للعوارض. ومن ثم، يمكن تحديد قوة القص دون النظر إلى تفاعل القص اللحظي. بالإضافة إلى، تنفيذ التصميم بافتراض أن جميع قوى القص تقاوم بواسطة شبكات مموجة.

طرق فشل شبكات الفولاذ المموجة:

يتم مقاومة قوة القص المطبقة على العارضة ذات الشبكات الفولاذية المموجة بشكل أساسي بواسطة الشبكات، كما أن الضغوط في الشبكات المموجة هي ضغوط قص نقية تقريبًا، وغالبًا ما تتلخص مشكلة عدم الاستقرار في هذا النوع من الجسور إلى التواء القص للشبكات المموجة.

يمكن ضمان استقرار شبكة الصلب المموج من خلال التصميم المناسب لشكل وطول موجة التموجات. كما أنه عادة يتم تحديد الحد الأدنى لسمك الويب مع الأخذ في الاعتبار التموجات وضغط القص المسموح به.

مزايا شبكات الفولاذ المموجة:

اكتسب إدخال الشبكات المموجة في عوارض الجسر العديد من المزايا. حيث أدّت مزاياها إلى تصنيعها واستخدامها في السويد وفرنسا وألمانيا واليابان. كما زادت خصائصه الواسعة من تطبيقاته في بناء الحزم. وتم إدراج مزايا الشبكات المموجة في عوارض الجسر.

• بالمقارنة مع الشبكة الخرسانية، تؤدي الشبكة الفولاذية المموجة الخفيفة إلى تقليل القوى الزلزالية والبنى التحتية الأصغر، وبالتالي تقليل تكلفة بناء الجسر.

• بالمقارنة مع الشبكة الفولاذية المسطحة، فإنّ شبكة الفولاذ المموج تتميز بصلابة أعلى من مستوى الصلابة ومقاومة التواء القص حتى بدون أدوات تقوية إضافية، ممّا يقلل بشكل كبير من تكاليف المواد والعمالة لتصنيع الهياكل الفوقية.

• يمكن توصيل عارضة ذات شبكات مموجة بعارضة صندوق فولاذي. وهذا يجعل جسرًا هجينًا طويل المدى مصنوعًا من عارضة ذات شبكات مموجة وصندوق فولاذي.

• الجسر ذو الشبكات المموجة ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون بنسبة 20% أقل من الجسر الفولاذي والجسر الخرساني. ومن ثم، فإنّ الجسر ذو الشبكات المموجة صديق للبيئة.

• يتم استخدام المواد بشكل أكثر كفاءة لأنه من المتوقع أن تقاوم الخرسانة في المقام الأول لحظة الانحناء وأن يحمل الفولاذ القص.