دراسات علمية

تحسين قدرة التحمّل في الجسور وأسقف الباطون السابقة الإجهاد باستخدام حديد على شكل «U معكوسة»
إعداد: الرائد ميلاد الخطيب

مع بداية القرن الماضي، تمّ استعمال أسلوب جديد لبناء أسقف الباطون، في الأبنية السكنية والإدارية والمخصصة لمواقف السيارات، أسقف قليلة السماكة Flat Slabs مقارنة مع التي كانت معتمدة في ذلك الوقت، ما يتيح انتقال الأوزان والأحمال مباشرة من السقف إلى الأعمدة من دون الحاجة لوجــود جسـور Beams. تَـرَافق ذلك، أحيـانًا، مع حدوث إجهادات Punching Stresses عالية حول الأعمدة1، ما أدّى إلى حدوث انهيار في أسقف الباطون المسلّح Reinforced Concrete Slabs بشكل مفاجئ وهو ما يسمى بالقص الثاقب* Punching Shear فبدأت دراسة أسبابه وتأثيراته مع Talbot2.

 

في العام 1930 ظهر نوع جديد من الأسقف عرف بـ«أسقف سابقة الإجهاد» Post-Tensioned Slabs والتي يتم تمديد كابلات حديدية فيها وشدّها بغية إحداث إجهادات Stresses داخل الباطون3، ما جعلها تتميّز عن غيرها من الأسقف بعدة نواحٍ إيجابية: مساحة أكبر، سماكة ووزن أقل وكلفة مادية أدنى، بالإضافة إلى كونها أصبحت توّفر مساحات كافية لأعمال التكييف والكهرباء وأنابيب الصرف الصحي، إلخ...
كثرت الدراسات لاحقًا حول كيفية تلافي حدوث انهيار مفاجئ للأسقف نتيجة تعرضها لقوى ثاقبة أو عبر تحسين قدرة تحمّل أسقف الباطون لهذه العوامل4 من خلال اللجوء إلى عدة وسـائل هندسـية منـها: تخفـيف الأوزان التي سيتحملها السقف، التقليل من طوله، وجعل سـماكته موحّدة وثابـتة Uniform Thickness، زيادة السماكة عند الأعمدة، زيادة الأبعاد الهندسية للأعمدة، واستخدام حديد تسليح مقاوم للقوة المسببة للانهيار المفاجئ Resisting Shear Reinforcements.
لمعالجة هذه المشكلة، تمّ استعمال الحديد بعدّة أشكال هندسية خلال مرحلة تصميم الحديد المقاوم، أمّا في مرحلة التنفيذ فيتم تركيبه إمّا بشـكل عـامودي مع استـخدام قضبان حديدية لـها أشكال هندسية مربعة أو مستطيلة مقفلة Closed Stirrups، وإمّا عبر استعمال قضبان حديدية مائلة Bent-UP Bars، وتثبيتها في كلا الحالتين على قضبان الحديد الأساسية. إنّ فعالية هذه الطرق والوسائل وكفاءتهما تعتمد على عدة عوامل هندسية إضافة إلى متانة الترابط Bond Strength بين الباطون والحديد5. الهدف من تركيب هذا النوع من الحديد هو اعتراض التشقّقات الناجمة عن تركيز الأوزان العالية ومنعها من التفاقم والتمدّد. وأثبتت الأشكال الحديدية المقفلة Closed Stirrups أنّها تؤدي دورًا هامًا في حل المشكلة، خصوصًا إذا ما استخدمت بشكل أقفاص بدلًا من تركيبها إفراديًا، ولكن يترتّب على هذا النوع تكلفة مالية إضافية ووقت وجهد إضافيان.
مع مرور الوقت، لم يعد الهدف الوحيد للدراسات الحديثة معالجة هذا النوع من الانهيارات فقط، إذ ظهرت الحاجة لاحقًا إلى ضرورة المحافظة على التماسك ولو جزئيًا بين السقف والأعمدة بعد تعرضها لأي انهيار مفاجئ6. وقد أثبتت الاختبارات العملية أنّ تركيب الحديد بشكل مربع أو مستطيل لم يحل مشكلة الانهيار المفاجئ نهائيًا7، ما دفع بعض العلمـاء في العام 2003 إلى إجراء اختبار يهدف إلى دراسة فعالية تثبيت مسامير حديدية Shear Studs لحل المشكلة وذلك عبر تلحيم المسامير على قضبان الحديد داخل أسقف مبنيّة سابقًا8. وفي العام 2007 ظهرت فكرة استخدام الحديد على شكل «U معكوسة» Hairpin، حيث تمّ اختبارها في جامعة ميامي على أسقف «سابقة الإجهاد» بعد تلحيمها على قضبان حديدية في منتصف المنطقة المتعرّضة لضغط متزايد تدريجًا، ومن ثم مقارنتها بأسقف من النوع نفسه مزوّدة مسامير حديدية9. لقد أثبت الحديد المصمم على شكل «U معكوسة» فعاليته في الاختبار بنسبة تزيد على 27.5% مقارنة مع تلك المزوّدة مسامير حديدية، إذ إنه منع حدوث الانهيار المفاجئ. ويعود ذلك إلى التمكّن من حجز الباطون داخل الشكل U Confinement of Concrete لفترة زمنية أكبر من تلك التي تتيحها الأسقف المزوّدة مسامير.
استنادًا إلى ما سبق عمدت إلى إجراء دراسة تحليلية مفصّلة باستخدام برنامجين تحليليّين مختلفين ANSYS وABAQUS على أربعة أسقف من الباطون مزوّدة كابلات حديدية، اثنان منها تم فيهما اعتماد شرط الترابط Bonded بين الكابلات الحديدية والباطون، حيث يتحقّق عمليًا هذا الشرط عبر ضخّ الإسمنت بشكل سائل في الأنبوب البلاستيكي المحيط بالكابلات، بينما تم تطبيق شرط غير الترابط والذي يتوافر عمليًا بضخ مادة لزجة في الأنبوب البلاستيكي المحيط بالكابلات في السقفين الباقيين Unbonded (سقفان من أصل الأربعة مزوّدان بحديد على شكل «U معكوسة» واثنان مزوّدان بمسامير حديدية). إن كِلا البرنامجين يعملان بطـريقة العناصر المحــددة Finite Element Software، مع الأخـذ بعـين الاعتبـار كامـل خصائــص البـاطون والحـديد Elastic and Plastic Behavior، بهدف مقارنة النتائج مع تلك التي تمّ الحصول عليـها عبـر التجـارب العمليـة والتي أجريت سابقًا، كـما تـم تقــيـيم النتــائج وفق الشـــروط المعتمـدة في أمـيركا American Concrete Institute.
تم استخدام البرنامج ANSYS10 لتحليل تأثير كل نوع من أنواع الحـديد المسـتخدم (شكل «U المعكوسة» ومساميـر الحديد) على أداء ســقف الباطـون المسـلح المترابـط والسـابق الإجهـاد Bonded Post-Tensioned Slabs، ومن ثم مقارنة النتائج المعمليــة ومناقشتها مع نتائــج التحليـل، حيــث تــم شـــرح هذه الدراســـة فــي مؤتمـــر المهندسيـن الإنشائـيين الــعرب التاســــــع The Ninth Alexandria International Conference on Structural and Geotechnical Engineering AICSGE: تحت عنوان «تحليـل القص الثاقب في أسـقف البـاطون المسـلّح المـترابط السـابق الإجـهاد والمـزوّد بحديـد على شـكل «U معكــوسة» «Punching Shear Analysis of Bonded Post-Tensioned Slabs with Inverted U-Shaped Reinforcements» والذي عقد بين 19 و21 كانون الأول من العام 2016 في مدينة الإسكندرية بمصر.
أمّا باستخدام برنامج ABAQUS11، فقد تمّ تحليل نوعين من أسقف الباطون غير المترابط والسابق الإجهاد Unbonded Post- Tensioned Slabs، الأوّل مزوّد حديدًا على شكل «U معكوسة» والثاني مزوّد مسامير من الحديد، وتمّت المقارنة بين النتائج المعملية ونتائج التحليل العددي، مع الإشارة بوضوح للتأثير الإيجابي والمميز في أداء الأسقف المزوّدة حديدًا على شكل «U معكوسة» مقارنة مع تلك المزوّدة مسامير حديدية. وقد تمّ قبول هذه الدراسة بتاريخ 21 آذار 2018 على أن تنشر قريبًا في مجلة Korean Society Of Civil Engineers وKSCE Journal Of Civil Engineering في جمهورية كوريا الجنوبية تحت عنوان: «التقييم التحليلي للقص الثاقب في أسقف الباطون غير المترابط والسابق الإجهاد والمزوّد حديدًا على شكل U معكوسة» Numerical Punching Shear Analysis Of Unbonded Post- Tensioned Slabs With Inverted- U Shaped.
لاحقًا، وبغية التأكد من فاعلية الحديد على شكل «U معكوسة» ودراسة مدى تأثيره على العناصر الهندسية الإنشائية غير أسقف الباطون، قمتُ بتـصميم نوعين من الجسورBonded و Post-Tensioned Beams، وعددها ستة، ثلاثة منها مــزوّدة بحديد على شكل «U معكوسة» أمّا الثلاثة الأخرى فقد تم تزويدها حديدًا على شكل مستطيل مقفل. وقد قمتُ بإجراء تجارب معملية عليها عبر تعريض كل جسر لضغط عامودي متزايد وتدريجي في نقطتين متباعدتين Two Points Load وفق دراسة أعددتها سابقًا. وبعد استعراض دقيق ومفصل للنتائج الحاصلة عبر رسم منحنى العلاقة بين متوسط الضغط والانحناء في خمس نقاط مختلفة ضمن الجسر الواحد ومقارنتها مع الشروط المطبّقة وفق معايير معهد الباطون الأميركي، بيّنت التجارب إمكان زيادة قدرة التحمل للجسر بمعدل تصل نســـبته إلى 14.11%. كذلك، لوحـظت زيادة في قيمة الإجهاد Nominal Shear Stress بمعدل قيمته 17.92% في الجسور المزوّدة حديدًا على شكل «U معكوسة» عن تلك المزوّدة الحديد مستطيل الشكل والمقفل.
من المؤكد أنّه بالأمكان تحسين هذه النتائج إذا ما تمّ الاعتناء أكثر بطريقة التلحيم، إذ إنّ الانهيار المفاجئ حصل بعد لحظة تفكّك نقطة التلحيم بين شكل «U المعكوسة» وقضيب حديد التسليح.

 

مراجع وهوامش
1- ACI Committee 318. (2014). «Building Code Requirements for Reinforced Concrete (ACI 318-14)» American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.
2- Talbot, A.N. (1913). Reinforced Concrete Wall Footings and Columns under Concentrated Loads» . Research and Development Bulletin D47, Illinois.
3- Regan P. E. (1983). «Punching shear in prestressed concrete slab bridges», Structures Research Group, Polytechnic of Central London
4- Koppitz, R., Kenel, A. and Keller, T. (2013). «Punching Shear of RC Flat Slabs-Review of Analytical Models for New and Strengthening of Existing Slabs», Engineering Structures, vol. 52, pp. 123-130.
5- Uma, S.R. and Jain S. K. (2006). «Seismic Design of Beam-Column Joints in RC Moment Resisting Frames – Review of Codes», Structural Engineering and Mechanics, Vol. 23, No. 5, pp. 579-597.
6- Bartolac, M., Duvnjak, I. and Damjanovi?, D. (2015). «Punching strength of flat slabs with and without Shear Reinforcement», Gradevinar Journal, Vol, 67, No. 8, pp. 771-786.
7- Hang X. (2002). «Punching Shear Failure Analysis of Reinforced Concrete Flat Plates Using Simplified UST Failure Criterion».
8- El-Salakawy E. F., Polak M. A., and Soudki K. A. (2003). «New Shear Strengthening Technique for Concrete Slab-Column Connections», ACI structural Journal, vol. 100 no. 3, pp. 297-304.
9- Abou Saleh, Z. and Suaris, W. P.E. (2007). «Punching Shear Capacity of Post-Tensioned Slab with Hairpin Shaped Reinforcements», PTI Journal.
10- ANSYS, (Release 16.0). (2014). «Theory Reference for the Mechanical APDL and Mechanical applications».
11- ABAQUS, ABAQUS/CAE User’s Guide, Providence, RI. 2014.
* أي تعرّض السقف للاختراق نتيجة قوة ناجمة عن وزن معيّن على مساحة صغيرة.