ما هي أهم تقنيات تقوية الهياكل الخرسانية؟

هناك العديد من التقنيات التي تُستخدم لتعزيز كل من قدرة التحميل القصوى وإمكانية الخدمة لهياكل الخرسانة المسلّحة. تعزيز عوارض الخرسانة المسلّحة بمركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) هو الطريقة الأكثر حداثة التي تم تطويرها. هذه الطريقة مقبولة على نطاق واسع وقد أثبتت فعاليتها في تحسين قدرة عناصر الخرسانة المسلّحة. في هذه المقالة، سيتم مناقشة اقتصاد أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) مقارنة بتكلفة الطرق التقليدية الأُخرى بناءً على الدراسات والمشاريع التي تم إجراؤها.

ما هو مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP)؟

تتكون المواد المركّبة من البلاستيك المقوى من ألياف مستمرة عالية القوة، مثل أسلاك الزجاج أو الكربون أو الحديد، المضمنة في مصفوفة بوليمر. توفر الألياف عناصر التعزيز الرئيسية بينما تعمل مصفوفة البوليمر (راتنجات الايبوكسي) كموثق وتحمي الألياف وتنقل الأحمال إلى الألياف وفيما بينها. حيث يمكن تصنيع مركّبات تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) في الموقع باستخدام عملية الرصف الرطب التي يتم فيها تشريب النسيج الجاف، المصنوع من الكربون أو الزجاج، بالإيبوكسي ويتم ربطه بالركيزة الخرسانية المحضرة.

بمجرد الشفاء، يصبح مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) جزءًا لا يتجزأ من العنصر الهيكلي، حيث يعمل كنظام تقوية مرتبط خارجيًا. يمكن أيضًا تصنيع مركّبات تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) مُسبقًا في منشأة تصنيع حيث يتم تقطيع المادة لإنشاء أشكال مختلفة يمكن استخدامها لتقوية التطبيقات، مثل القضبان والألواح. كما أن أكثر أنظمة البلاستيك المقوى شيوعًا لتطبيقات تقوية الخرسانة هي ألياف الكربون (CFRP).

يتمتع الكربون بخصائص ميكانيكية فائقة وقوة شد أعلى وَصلابة ومتانة مقارنة بأنظمة الألياف الزجاجية. عادةً ما يقتصر استخدام قضبان وألواح الكربون (CFRP) الجاهزة على الأسطح المستقيمة أو المنحنية قليلاً. على سبيل المثال، الجانب العلوي أو الجانب السفلي من الألواح والعوارض. عادة ما تكون عناصر البلاستيك المقوى بالألياف الجاهزة صلبة ولا يمكن ثنيها في الموقع للالتفاف حول الأعمدة أو الحزم.

من ناحية أُخرى، يتوفر نسيج البلاستيك المقوى بالألياف في صفائح مستمرة أحادية الاتجاه يتم توفيرها على شكل لفات يمكن تصميمها بسهولة لتناسب أي هندسة ويمكن لفها حول أي ملف تعريف تقريبًا. قد يتم لصق أقمشة البلاستيك المقوى بالألياف على جانب الشد للأعضاء الهيكلية (مثل الألواح أو الحزم) لتوفير تعزيز إضافي للشد لزيادة قوة الانحناء، ويتم لفها حول شبكات الروافد والعوارض لزيادة قوة القص، وتلف حول الأعمدة لزيادة قصها والقوة المحورية وتحسين اللدونة وسلوك تبديد الطاقة.

قد تشتمل الأنظمة اللاصقة المستخدمة لربط البلاستيك المقوى بالألياف بالركيزة الخرسانية على مادة أولية تستخدم لاختراق الركيزة الخرسانية وتحسين ارتباط النظام. معجون إيبوكسي لملء الفراغات السطحية الصغيرة في الركيزة وتوفير سطح أملس يرتبط به نظام البلاستيك المقوى بالألياف، أمّا راتينج مشبع يستخدم لتشريب النسيج وربطه بالركيزة المعدة، والطلاء الواقي لحماية نظام البلاستيك المقوى بالألياف المرتبط من التأثيرات البيئية والميكانيكية الضارة.

تتأثر معظم الإيبوكسيات لأنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف سلبًا بالتعرض للأشعة فوق البنفسجية، ولكن يمكن حمايتها باستخدام طلاء الأكريليك والطلاء الأسمنتي وأنواع الطلاء الأخرى. عادةً ما يتم تطوير الراتنجات والألياف لنظام البلاستيك المقوى بالألياف كنظام واحد، بناءً على المواد والاختبارات الهيكلية. إنّ خلط أو استبدال أحد مكونات نظام البلاستيك المقوى بالألياف بمكون من نظام آخر غير مقبول ويمكن أن يؤثر سلبًا على خصائص النظام المعالج.

تعتبر الرابطة بين نظام البلاستيك المقوى بالألياف والخرسانة الحالية أمرًا بالغ الأهمية، ويُعَد تحضير السطح ضروريًا لمعظم التطبيقات. يجب حل أي تدهور أو تآكل في التعزيز الداخلي قبل تركيب نظام البلاستيك المقوى بالألياف. يمكن أن يؤدي عدم القيام بذلك إلى تلف نظام البلاستيك المقوى بالألياف بسبب تفكيك الركيزة الخرسانية.

ما هي تكلفة تقوية الخرسانة المسلحة؟

1- تكلفة تركيب أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP):

يعتمد اقتصاد نظام التقوية المركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) في مرحلة التثبيت على ظروف العمل والعوامل التي قد تنطوي على المهمة. علاوة على ذلك، يلزم أخذ الإطار الزمني المُخصص لإكمال المشروع والمساحة المتاحة في الموقع عند تقييم تكلفة العمل. هذا لأن هذه العوامل يمكن أن يكون لها تأثير كبير على التكلفة.


علاوة على ذلك، يُزعم أن تكلفة التعزيز باستخدام مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) تبلغ حوالي 70% من التكلفة الإجمالية باستخدام طرق أخرى للتقوية. يعتمد هذا الادعاء على الدراسة التي أجريت على تعزيز هيكل السكك الحديدية.

في بعض المشاريع مثل الطرق السريعة، قد يؤدي إغلاق مسار الطريق إلى عقوبة وبالتالي زيادة التكلفة. على سبيل المثال، عندما كان لا بد من ترقية الطريق السريع الرئيسي في مدينة نيويورك بالولايات المتحدة، كان لا بد من القيام بالعمل في الليل فقط لأن الطريق السريع كان يجب أن يكون مفتوحًا خلال النهار وإلّا سيتم دفع غرامة تبلغ حوالي ثلاثين ألف دولار أمريكي كان سيتم فرضه لمدة ساعة من إغلاق الطريق السريع في اليوم.

هناك عدد من المشاريع لتقدير التكلفة وقد تم تنفيذها وأظهرت جميعها تفوق تقنية التعزيز باستخدام مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) على الطرق العادية أو التقليدية الأخرى. على سبيل المثال، وصلات القضبان إلى عمود لهيكل مرآب وقوف السيارات معززة بربط صفائح ألياف كاربين. لقد وجد أن استخدام هذه الطريقة يحتاج إلى حوالي 35% من التقنيات العادية التي قد تتضمن تركيب قضبان تسليح إضافية وصب الخرسانة أيضًا.

في مشروع آخر يقع في كندا، تم تقدير تكلفة تقوية القص للجسر بأكمله بألواح مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) والركاب الفولاذي. تم إثبات أن تكلفة استخدام ورقة مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) كانت أرخص بنحو 30%. بقدر ما يتعلّق الأمر بالإطار الزمني للتثبيت، هناك حالات يكون فيها الوقت اللازم لإكمال مشروع التعزيز باستخدام مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) أقل بكثير ممّا هو مطلوب عند استخدام الطريقة التقليدية.

على سبيل المثال، كانت المدة اللازمة لتقوية مدخنة في اليابان شهرًا بينما كانت الطريقة التقليدية تتطلب ستة أشهر. أخيرًا، من الأمثلة المذكورة أعلاه، يمكن استنتاج أن تكلفة تركيب مركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) أقل بكثير من الطرق التقليدية الأُخرى.

2- تكلفة خدمة الحياة الكاملة لتركيب أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP):

تُعتبر تكلفة خدمة الحياة الكاملة لتقنية التعزيز عاملاً رئيسيًا يلعب دورًا مهمًا أثناء اتخاذ قرار بشأن كيفية ومتى يتم تقوية هيكل الخرسانة المسلّحة. بشكل عام، تتكون تكلفة خدمة الدخول لأي نظام تقوية من تكلفة التركيب وتكلفة الصيانة التي قد تكون مطلوبة خلال العمر الافتراضي للهيكل.

مع ذلك، بما أن تكلفة التركيب قد تمت مناقشتها وحسابها، فسيتم استكشاف تكلفة الصيانة في هذا القسم. عندما يتم تقييم تكلفة الحياة الكاملة للهيكل المعزز، من الضروري أخذ عدد من العوامل في الاعتبار. على سبيل المثال، متانة تقنية التعزيز والتكاليف الناتجة عن فقدان الخدمة ومتطلّبات المالك لإمكانية الخدمة وخدمة الحياة للهيكل وتكلفة الصيانة.

ثَبت أن تكلفة صيانة عناصر الخرسانة المسلّحة المعززة بمركّب تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) أقل من تكلفة أعضاء الخرسانة المسلّحة المقواة بالطرق التقليدية. أخيرًا، يمكن الادعاء أن اقتصاد استخدام أنظمة مركّبات تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP) لتعزيز الهياكل الخرسانية المسلّحة يتفوق على الطريقة التقليدية الأخرى.

تطبيقات أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف للهياكل الخرسانية (FRP):

تُوفر أنظمة البلاستيك المقوى بالألياف أداة عملية للغاية لتقوية الهياكل الخرسانية وتعديلها، وهي مناسبة لما يلي:

  1. تقوية الانحناء للخرسانة المسلّحة.

  2. تقوية القص للخرسانة المسلّحة.

  3. حبس العمود وتحسين لِيونتة.

كما تم استخدام أنظمة البلاستيك المقوى بالألياف بنجاح للتحديث الزلزالي للهياكل الخرسانية. تتضمن هذه التطبيقات آليات التخفيف الهشة مثل فشل القص لمفاصل أعمدة الحزمة غير المحصورة وفشل القص للحزم و الأعمدة وفشل لصق اللفة. كانت أنظمة البلاستيك المقوى بالألياف أيضًا تحصر الأعمدة لمقاومة التواء القضبان الفولاذية الطولية.

تعمل مخططات البلاستيك المقوى بالألياف هذه على زيادة الإزاحة العالمية وقدرات تبديد الطاقة للهيكل الخرساني، وتحسين سلوكها العام. نظرًا لمقاومة التآكل، يمكن استخدام مركبات البلاستيك المقوى بالألياف على الأعضاء الهيكلية الداخلية والخارجية في جميع أنواع البيئات تقريبًا.

أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف (FRP) والحماية من الحريق:

في حين أن ألياف الكربون قادرة على مقاومة درجات الحرارة العالية، فإنّ الأنظمة اللاصقة لديها درجة حرارة أقل بكثير. تعتبر الحماية من الحرائق في أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف خيارًا، ولكن التكاليف المرتفعة لمواد مقاومة الحريق المتخصصة لا يمكن تبريرها دائمًا. يجب تقييم مُعدّل حريق الهياكل المعززة بدون أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف.

يجب تحديد ما إذا كانت القوة المخفضة كافية أم لا في حالة فشل أنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف. إذا كان الأمر كذلك، فليست هناك حاجة لمقاومة حريق لأنظمة تقوية البلاستيك المقوى بالألياف. إذا لم يكن الأمر كذلك، فيجب تقييم المواد المقاومة للحريق لكفاءة التكلفة والقدرة على تلبية معدلات الحريق المرضية.