أساسيات تصميم الكمرات الخرسانية

ما هي أساسيات تصميم الكمرات الخرسانية؟

إنّ تطور تصميم الكمرات الخرسانية، في المواد المتاحة للاستخدام والتطورات في فهم سلوكها وخصائصها الفيزيائية، جعل من الممكن بناء روائع معمارية اليوم. ولتقدير هذه الإنجازات، يجب أن يكون لدى المهندس فهم أساسي وراء اختيار المواد بما في ذلك ملف المقطع العرضي للحزمة والخصائص الفيزيائية.

بالإضافة إلى، أهمية دعامات الحزمة والقدرة على فهم وتنفيذ الحسابات الأساسية لانحرافات الحزمة وضغوط القص و لحظه الانحناء.

اختيار المواد اللازمة للكمرات الخرسانية:

في النهاية، يحدد اختيار المادة قوة الحزمة، وهذا هو مقدار الحمل الذي يمكن أن تتحمله قبل حدوث الفشل ويتعلق عمومًا بمعامل يونغ (E). ومع ذلك، فإنّ معظم المواد تظهر سلوكًا مختلفًا عند تعرضها للضغط والتوتر، والتي يجب أخذها في الاعتبار في تصميمها.

أهم أربع مواد مستخدمة في تصميم الكمرات الخرسانية، والتي سيتم فحصها هنا بشكل أكبر: الحديد الزهر، الفولاذ، الخرسانة والخشب. حيث يشمل البعض الآخر ألياف الكربون والمواد المركبة.

1. الحديد الزهر:

تم التعرف على الحديد الزهر كمواد بناء في أواخر القرن الثامن عشر عندما تم تطوير طريقة إنتاج (عن طريق الفرن العالي) خلال الثورة الصناعية، والتي كانت اقتصادية وعملية على حد سواء. حيث يعتبر الحديد الزهر قويًا بشكل عام في الانضغاط ولكن ليس التوتر.

لذا كانت التطبيقات الأولية في شكل جسور وهياكل أخرى تتطلب أعضاء قصيرة موجودة في ضغط. حيث يقدم جسر كولبروكديل (Coalbrookdale) الحديدي، الذي بني حوالي عام 1770، مثالاً ممتازًا على ذلك.

معامل يونغ للحديد الزهر 211 جيدا باسكال تعني أنه قوي نسبيًا ولكنه هش بطبيعته في نفس الوقت. حيث أدّت هذه الخاصية غير المرغوبة إلى عدد من الانهيارات الكارثية للجسور المبكّرة وقيد استخدامها كمواد بناء، على الرغم من القدرة على تشكيل حزم بأشكال مختلفة وتصميمات متقنة.

على الرغم من هذه الدلالات السلبية، فقد كان يُنظر إليها على أنها مادة بناء ثورية لأنها مكنت من استبدال البناء التقليدي بعوارض حديدية رفيعة وأنيقة.

2. فولاذ التسليح:

في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر، طور هنري بسمر طريقة لإنتاج الصلب بكميات كبيرة، وهي حركة تشير إلى بزوغ ناطحة السحاب. وهذه المادة القوية مع معامل يونغ، يمكن الآن تشكيل 800 جيجا باسكال بشكل عملي في عوارض الشكل (I) وأعمدة فولاذية.

من خلال الجمع بين سلسلة من عوارض الشكل (I) والأعمدة الفولاذية، كان من الممكن إنشاء نواة هيكلية فولاذية ذات ارتفاع كبير يمكن ربط أرضيات وسقف وجدران المبنى، ممّا يؤدي إلى ولادة ناطحة السحاب. كما تم استخدام هذه الطريقة لبناء مبنى إمباير ستيت، نيويورك، والذي كان سيظل أطول مبنى في العالم لأكثر من أربعين عامًا.

استخدام الفولاذ كمواد بناء لا يخلو من عيوبه، فهو جيد في كل من الضغط والتوتر بسبب القدرة على إملاء مقطع عرضي محدد، فهو يلين في درجات الحرارة العالية بحيث يمنع انهيار المباني في حالة نشوب حريق. كما أن تكون مغلفة بمادة مقاومة للحريق.

ميزة أخرى للفولاذ هي القدرة على تغيير تركيبته وبالتالي تغيير خصائصه الفيزيائية. وعادةً ما تكون سبيكة من الحديد والكربون ، يتراوح محتوى الكربون فيها عادةً بين 0.2% و 2.14%، إضافة المنجنيز ستوفر زيادة كبيرة في القوة بتكلفة متواضعة.

وبالمثل فإنّ إضافة الكروم أو النيكل سوف يقوى الفولاذ ويزيد من قدرته على مقاومة التآكل. حيث يمكن إضافة سبائك أخرى وفقًا لذلك لتعزيز خصائص أو خصائص فيزيائية معينة.

3. الخرسانة:

استخدم كل من المصريين القدماء والرومان الخرسانة في مبانيهم، ولكن بعد انهيار الإمبراطورية الرومانية فقدت أسرارها تقريبًا حتى إعادة اكتشافها في الآونة الأخيرة. حيث يشير تطبيق براءة اختراع لتصنيع الأسمنت البورتلاندي في عام 1824 إلى أحد المعالم الهامة في تاريخ الخرسانة ومنذ هذا الوقت تم إحراز تقدم كبير في تطوير عوارض خرسانية مسبقة الإجهاد.

تحتوي الخرسانة على الماء والركام والأسمنت. حيث يميل الركام إلى أن يكون عبارة عن حصى (تتكون من الصخور المسحوقة والرمل) التي تشكل الحجم الأكبر للخرسانة. والأسمنت، عادة الاسمنت البورتلاندي، يربط بين المكونات ممّا يوفر قوة ومتانة الخرسانة.

للخرسانة مجموعة واسعة من الوظائف وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تخضع لقوى الضغط، مثل أعمدة البناء المتكاملة، ولكن مع التعزيزات يمكن توسيع هذا النطاق ليشمل الهياكل الرقيقة. كما تحتوي الخرسانة مسبقة الإجهاد على أوتار (عادة ما تكون مصنوعة من الفولاذ)، حيث أن الخرسانة بشكل عام جيدة فقط في الضغط.

بالإضافة إلى، تعويض هذه الأوتار إجهاد الشد الذي قد يتعرض له العضو الخرساني عند تعرضه للحمل. وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من الكمرات الخرسانية سابقة الإجهاد، مسبقة الشد، ما بعد الشد وما بعد الشد غير المربوطة.

• الخرسانة مسبقة الشد: يتم صب العارضة الخرسانية حول أوتار متوترة بالفعل في عملية التصنيع، ثم يتم تحريرها وتأمينها.

• الخرسانة لاحقة الشد المربوطة: يتم إدخال الأوتار في مجرى محدد مسبقًا بعد صب الخرسانة في الصب (صب وبدء عملية المعالجة) في الموقع.

• الخرسانة غير المربوطة بعد الشد: هذه هي نفس الخرسانة المرنة بعد الشد باستثناء حقيقة أنها تسمح بحركة الأوتار داخل الخرسانة ويمكن تعديلها في وقت لاحق.

4. الخشب المستخدم للكمرات الخرسانية:

تم استخدام الخشب في القنطور كمواد بناء نظرًا لتوافره وقوة تحمله وقوته. حيث يصنّف الخشب حسب أصل الشجرة. كونه خشبًا صلبًا أو خشبًا لينًا، فإنّ هذا التصنيف لا يمثل بالضرورة خصائصه الهندسية.

على سبيل المثال، يُصنّف البلسا على أنه خشب صلب، لكن خصائصه تعني أنه في الواقع أكثر ليونة من العديد من الأنواع التجارية للخشب اللين. كمواد عضوية، يميل الخشب إلى التكيف مع محيطه على وجه التحديد الظروف المناخية حيث سيتوسع عند وجود الرطوبة ويتقلص في المناخات الجافة.

خصائص الكمرات الخرسانية:

هناك عدد من خصائص الحزمة التي يجب أن يكون المهندس على دراية بها لأنها تملي سلوك الحزمة عند تعريضها لحمل وتمثل في النهاية المناطق أو الآليات المحتملة للفشل. ومن أهم خصائص الكمرات الخرسانية ما يلي:

• اللحظة الثانية من المنطقة: (يشار إليها أيضًا باللحظة الثانية من القصور الذاتي) ويعتمد هذا على ملف تعريف المقطع العرضي للحزمة وهو مقياس لمقاومة شكل الحزمة للانحناء.

• لحظة الانحناء: عادةً ما يتم توضيحها على مخطط لحظة الانحناء، وغالبًا ما تكون مرتبطة بانحراف الحزمة، يمكن استخدامها لحساب المناطق المعرضة لقوى الانحناء القصوى وبالتالي من المرجح أن تنتج. كما يوضح أيضًا أقسام الحزمة التي تكون مضغوطة أو متوترة.

• انحراف الحزمة: يميل انحراف الحزمة إلى أن يكون غير مرغوب فيه ويرتبط بلحظة الانحناء.

• مخططات القص: تُستخدم لتوضيح تركيزات الإجهاد على طول الحزمة وتوفر وسيلة لتحديد مناطق قوى القص القصوى حيث من المرجح أن تفشل الحزمة عن طريق القص.

1. اللحظة الثانية من منطقة الكمرة الخرسانية:

اللحظة الثانية من المنطقة (I) هي خاصية لِلشكل المستخدم للتنبؤ بمقاومة الحزمة للانحناء والانحراف. حيث يتم حسابها من منطقة المقطع العرضي المادية للحزمة وتربط كتلة المظهر الجانبي بالمحور المحايد (هذه منطقة لا تخضع فيها الحزمة للضغط أو التوتر).

يعتمد على اتجاه التحميل، بالنسبة لمعظم الحزم باستثناء كل من المقاطع المجوفة والصلبة والمقاطع الدائرية، ستكون اللحظة الثانية من المنطقة مختلفة عند تحميلها من اتجاه أفقي أو عمودي. وكمرة مدعومة ببساطة بالطول بدون قوة، كمرة مدعومة ببساطة يخضع لحمل نقطة القوة عند المركز ممّا يؤدي إلى الانحناء.

1. الحزمة الشاملة ذات الشكل (I):

تتميز الحزمة الأولى أو الحزمة الشاملة بِأكثر أشكال المقطع العرضي كفاءة حيث أن معظم موادها تقع بعيدًا عن المحور المحايد مما يوفر لحظة ثانية عالية من المنطقة، ممّا يؤدي بدوره إلى زيادة الصلابة، وبالتالي مقاومة الانحناء والانحراف.

2. لحظة الانحناء ومخططات القص:

يتم رسم مخططات لحظة الانحناء والقص بشكل نموذجي جنبًا إلى جنب مع رسم تخطيطي لملف تعريف الحزمة كما هو موضح أدناه، وهذا يتيح تمثيلًا دقيقًا لسلوك الكمرات.

1. يمثل شعاعًا يخضع لحمل موزع بشكل موحد وبحجم عبر طوله. حيث أن القوة الكلية على الشعاع هي (wl). ويتم دعم الحزمة ببساطة بقوى رد الفعل. كما تمثل المسافة (x) أي نقطة على طول الحزمة.

2. يوضح مخطط قوة القص مناطق القص الأقصى، وترتبط هذه الحزمة بقوى التفاعل. كما أن منحدر مخطط قوة القص يساوي حجم الحمولة الموزعة. بحيث تؤدي قوة القص الموجبة إلى دوران الشعاع في اتجاه عقارب الساعة وستؤدي قوة القص السلبية إلى دوران الشعاع في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة.

3. الحد الأقصى لعزم الانحناء يحدث عندما لا توجد قوى القص على العارضة.

نظرًا لأن الكمرات مدعومة ببساطة، فهذا يخضع فقط لقوى التفاعل الرأسي، ولا توجد لحظة انحناء في هذه النقاط. وإذا تم تقييد الكمرات كما هو الحال في حالة الكابول، فسيتم اختبار لحظات الانحناء في أي من الطرفين فيما يتعلق بمخططات تحميل الحزمة، ويمكن حساب قوة القص ولحظات الانحناء القصوى والقيم عند المسافة (x) على طول الحزمة.