نظام عمود الأنبوب المملوء بالخرسانة

ما هو نظام عمود الأنبوب المملوء بالخرسانة؟

يتم استخدام أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة (CFST) بشكل متزايد في تشييد المباني الشاهقة التي تتطلب قوة عالية ومساحة عمل كبيرة خاصة في الطوابق السفلية. بالمقارنة مع الأعمدة الخرسانية المسلحة، فإنّ وجود الأنبوب الفولاذي الخارجي لا يتحمل فقط جزءًا من الحمل المحوري ولكن الأهم من ذلك أنه يوفر أيضًا حصرًا لخرسانة الردم. مع الحبس الذي يوفره الأنبوب الفولاذي، يمكن تعزيز القوة المحورية لخرسانة الردم بشكل كبير. أيضًا، يمكن للتأثير التقييدي لخرسانة الردم أن يمنع أو يؤخر على الأقل الالتواء المحلي للأنبوب الفولاذي. بحيث يساهم هذا التفاعل بين الخرسانة الملوثة والأنبوب الفولاذي معًا في القوة العالية والليونة الجيدة.

في مجال الأبحاث التي تركز على الخرسانة المحصورة، كانت هناك فئتان أساسيتان وفقًا للطريقة التي تم بها تطبيق الحبس، الحصر النشط والحصر السلبي. في دراسة الخرسانة المحصورة بشكل نشط، تمت زيادة ضغط الحصر في البداية إلى القيمة المستهدفة ثم تم الحفاظ عليه ثابتًا أو زيادته من الصفر إلى القيمة المستهدفة ثم ظل ثابتًا. في الحصر النشط، يتم تطبيق مستوى كبير من ضغط الحصر على الخرسانة منذ البداية. أثناء وجوده في أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة، يوفر الأنبوب الفولاذي حصرًا لخرسانة الردم بطريقة سلبية.

عند تقصير محوري صغير جدًا، لا يوجد ضغط محصور يتم تطبيقه على الخرسانة المحشوّة بسبب نسبة بواسون من الفولاذ الأكبر من تلك الموجودة في الخرسانة. كما يتطور الضغط المحصور من الأنبوب الفولاذي ببطء حتى عندما يصل إجهاد الخرسانة إلى 80% من مقاومة الانضغاط غير المحصورة. أيضًا، مع زيادة التقصير المحوري، تتدهور كفاءة الحبس بعد أن يدخل الأنبوب الفولاذي في الالتواء الخارجي غير المرن. لذلك، فإنّ حصر الخرسانة المحصورة بشكل سلبي كما هو الحال في أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة يختلف عن ذلك في الخرسانة المحصورة بنشاط.

مع ذلك، فإنّ العديد من نماذج مقاومة الانضغاط للخرسانة المحصورة تتبنى نتائج الخرسانة المحصورة. وفي الوقت نفسه، من بين العديد من الأنواع، تعتبر أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة التي تستخدم أنابيب فولاذية دائرية أكثر فاعلية في الحصول على قوة ضغط عالية وليونة. في الدراسة السابقة حول أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة الدائرية، تركز الأبحاث الأولية على نسبة القُطر إلى سُمك الأنبوب الفولاذي، قوة الخرسانة وسلوك الرابطة بين الأنبوب الفولاذي والخرسانة.

لخصت العديد من الدراسات إلى أن تأثير الحبس من الأنبوب الفولاذي الخارجي إلى الخرسانة المحشوّة هو المعلمة الرئيسية في أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة وقد تم الإبلاغ عن وسائل مختلفة لتعزيز تأثير الحبس. حيث أنه مستوى الحبس النشط واضح ومباشر ويمكن اعتماد ضغط الحصر مباشرة كمؤشر مباشر في القياس الكمي. ومع ذلك، يختلف عن الحصر النشط، فإنّ الضغط المقيد في أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة ليس ثابتًا. حتى الآن، لا يزال هناك القليل من العمل المتاح حتى الآن فيما يتعلق بالتقدير الكمي لتأثير الحبس في أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة.

تتكون أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة من أنبوب فولاذي مملوء بالخرسانة، بحيث يضيف اللب الخرساني الصلابة وقوة الانضغاط إلى العمود الأنبوبي ويقلل من احتمالية الالتواء المحلي الداخلي. على العكس من ذلك، يعمل الأنبوب الفولاذي كتعزيز طولي وجانبي للقلب الخرساني ممّا يساعده على مقاومة التوتر ولحظة الانحناء والقص وتوفير حبس للخرسانة. ونظرًا لفائدة العمل المركب للمادتين، توفر أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة خصائص هيكلية مقاومة للأحداث الزلزالية ممتازة مثل القوة العالية والليونة العالية والقدرة الكبيرة على امتصاص الطاقة.

أيضًا، تمتلك المقاطع المجوفة الدائرية العديد من المزايا مقارنة بالأقسام المفتوحة، بما في ذلك المظهر الجمالي والاقتصاد من حيث تكاليف المواد. حيث يتمتع نظام عمود الأنبوب الفولاذي المملوء بالخرسانة بالعديد من المزايا مقارنةً بنظام الفولاذ العادي أو الخرسانة المسلحة. وتتمثل إحدى المزايا الرئيسية في التفاعل بين الأنبوب الفولاذي والخرسانة: حيث يتأخر حدوث الالتواء المحلي للأنبوب الفولاذي بسبب تقييد الخرسانة، وتزداد قوة الخرسانة بتأثير الحصر الذي يوفره الأنبوب الفولاذي.

تم إجراء أعمال بحثية مكثفة في اليابان على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية، بما في ذلك مشروع الإسكان الحضري الجديد وبرنامج أبحاث الزلازل التعاوني الأمريكي الياباني، بالإضافة إلى العمل الذي قامت به الجامعات والصناعات الفردية، والذي تم تقديمه في المؤتمر السنوي. اجتماع المعهد المعماري الياباني. نظرًا لتعقيد التوصيلات بين الكمرات الفولاذية والأقسام المجوفة الدائرية، فإنّ استخدامها في أعمال الفولاذ الإنشائية محدود. هذا لأن استخدام البراغي القياسية غير ممكن وأن الوصلات الملحومة المكلفة وغير الشعبية هي الحل العادي. تجمع أعمدة الأنبوب الفولاذي المملوء بالخرسانة بين مزايا الليونة، المرتبطة عمومًا بالهياكل الفولاذية، مع صلابة نظام الهيكل الخرساني.

مزايا أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة:

تشمل مزايا عمود الأنبوب الفولاذي المملوء بالخرسانة على الأنظمة المركبة الأخرى ما يلي:

1. تطيل الخرسانة داخل الأنبوب من الالتواء المحلي لجدار الأنبوب الفولاذي.
   
2. يمنع الأنبوب تشظية الخرسانة المفرطة.
   
3. تضيف الأعمدة المركبة صلابة كبيرة للإطار مقارنةً ببناء الإطار الفولاذي التقليدي.
   

على الرغم من وجود العديد من المزايا، فإنّ استخدام الأنابيب المملوءة بالخرسانة في تشييد المباني كان محدودًا، جزئيًا، إلى نقص الخبرة في البناء، ونقص فهم أحكام التصميم وتعقيد تفاصيل الاتصال. وبالتالي، هناك حاجة إلى مفصل يمكنه الاستفادة من خصائص القوة والصلابة الملائمة لعمود الأنبوب المملوء بالخرسانة حتى الآن يمكن بناؤه.

اختبار أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة:

يتم استخدام أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة بشكل متزايد في البناء المركب. حيث أنه تحت الضغط المحوري، سيحافظ الأنبوب الفولاذي على قوة محورية جزئية وفي نفس الوقت يوفر الحصر لخرسانة الردم. ترتبط قدرة القوة المحورية العالية لأعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة إلى حد كبير بالحبس الذي يوفره الأنبوب الفولاذي. كما تم إجراء دراسات مستفيضة على أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة. ومع ذلك، فإنّ كيفية تحديد كفاءة تأثير الحبس في أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة باستخدام الخرسانة ذات درجات القوة المختلفة لا تزال مفقودة.

لمعالجة هذه المشكلة، تم إجراء سلسلة من اختبارات التحميل المضغوط على أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة. في الدراسة الحالية، تتضمن المعلمات المتغيرة التي تمت دراستها قوة الخرسانة ونسبة القُطر إلى السُمك للأنبوب الفولاذي. وبقد تم تصميم ستة أعمدة من الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة في المجموع واختبارها تحت ضغط أحادي المحور. تم فحص القوة المحورية، وحالة الإجهاد في الأنبوب الفولاذي، وقوة الخرسانة المحصورة والضغط المؤثر على الخرسانة الملطخة بعناية.

أظهرت نتائج الاختبار أن عامل الحبس المحدد على أنه نسبة القوة الاسمية للأنبوب الفولاذي الفارغ إلى تلك الخاصة بالخرسانة غير المحصورة، وهو العامل الأكثر انتشارًا الذي يؤثر على تأثير الحبس، وأن عامل الحبس الأكبر يعطي تأثير حجز أعلى. أيضًا تُظهر الخرسانة منخفضة القوة أداءً أفضل في الليونة والحبس مقارنةً بالخرسانة عالية القوة. تم استخدام مؤشر ضغط الحصر المكافئ لتحديد مستوى الحبس السلبي الذي يوفره الأنبوب الفولاذي في أعمدة الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة. وبناءً على نتائج الاختبار، تم اقتراح طريقة لتقدير ضغط الحصر الذي يوفره الأنبوب الفولاذي بسرعة.