مقدمة

وقد تتقدم الصناعة المضافة في البناء من النماذج الأولية الصغيرة إلى المكونات الهيكلية التي يجري اختبارها حالياً في الميدان، ومن بين التطورات الواعدة للغاية التآزر بين العناصر الخرسانية والمعالجة التي تطبع في المستقبل والتي لا تنطوي على تركيبة ثابتة، بينما توفر الطباعة ٣ دال حرية قياس الأرض، وتخفض تكاليف الشكل، تفتقر الخرسانة وحدها إلى قوة توتر كافية للعديد من التطبيقات الهيكلية.

فهم العجلات

وقد كان التظاهر أساساً للتشييد الخرساني العالي الأداء لعدة عقود، الذي استخدم في الجسور، ومواقف السيارات، والنظارات المرتفعة، وهو ما ينطوي على فرض ضغط دائم على الخرسانة قبل أن تُواجه أي حمل خارجي كبير، وهو ما يُحقق عادة باستخدام سلالات فولاذية عالية القوة (تتجاوز القوام الصلبة 860 1 من البوليسترات) التي تُشدد وتُركَّد على العلاج الخرساني اللاحق.

وتعتمد كلتا هاتين المنهجيتين الأساسيتين: ما قبل الشحن و فيما بعد، وتمتد المواهب قبل وضع الخرسانة؛ وبعد الخرسانة، تُطلق المزادات، تنقل القوة عن طريق طباعة السندات.

Prestressing Steel Materials and Properties

فالفولاذ المستخدم في الفرز يجب أن يكون له قوة عالية، وحسن النية، ومقاومة الاستياء، وعادة ما يكون طوله سبعة أسلاك أو حواجز عالية القوة، وفي سياق الخرسانة ذات الصبغة ٣ دال، يكون التفاعل بين سطح الصلب والطبقات المطبوعة بالغ الأهمية، والعلاقة بين النزعة والأخرى الخرسانية المحيطة التي تتحقق من خلال الدراسات الميكانيكية المباشرة.

تقاطع الطباعة والطباعة 3D

وتبنى الهياكل الخرسانية التي يتم طباعتها بواسطة طبقة باستخدام مدافع هاون شهير تُنقَف عبر مصباح، وهذه العملية تخلق في جوهرها خصائص آلية مسببة للاضطرابات - وكثيرا ما تكون رابطة المسافرين أضعف من المادة داخل طبقة ما، ويمكن أن يساعد إدخال الإجهاد على التغلب على هذه الضعفات بوضع التقاطع الكامل في الضغط، مما يقلل من احتمال حدوث توترات بين الأطراف.

  • Embedded tendon placement:] A tendon-often a coated strand or a steel rod-is laid inside the printed layers as the structure is built. After printing, the tendon is anchored and tensionsed and this method is most suited to pre-tensioning or bonded post —tensioning.
  • Post‐tensioned ducts:] Hollow ducts or voids are printed into the structure. After the concrete has cured, tendons are threaded through these ducts, tensionsed, and grouted. This avoids interference with the printing process but requires careful geometry design to accommodate the duct paths.
  • external prestressing:] Tendons are placed outside the concrete cross-linksection (e.g., along the outer surface or in external guide tubes). This approach simplifies construction but offers less efficiency in material use and requires special anchorage details.

وتطرح كل تقنية مبادلات من حيث جودة السندات، وحماية التآكل، وتيسير التشغيل الآلي، كما أن النظم الآلية القادرة على وضع أواليب التوتر في إطار مواضع مع الرأس المطبوعة، يجري تطويرها، وفي ETH Zurich، أظهر جسر ملموس مطبع بثلاثة دائغ يضم كابلات مطولة جدوى النهج، مما أدى إلى ظهور موجات غير قوية مستحيلة.

المزايا في ديبث

تعزيز القدرة الهيكلية

ويتيح التهيؤ للخرسانة المطبوعة أن تحمل لحظات إقراض أعلى وأقوى ماشية مع الحفاظ على تقاطع مائل، وهو أمر ذو قيمة خاصة بالنسبة لقطع الأرضيات، وأسطح الجسور، وعناصر السقف الطويلة المدى المصنوعة بأساليب إضافية، ومن خلال إزالة التوترات المتشابكة، يؤدي الضغط بشكل فعال إلى زيادة القدرة على حملها بمقدار عامل يتراوح بين عنصرين وثلاثة عناصر مقارنة بنتيجة مماثلة لاستهلاك غير معزز.

مراقبة المسارات وطولها

وفي الخرسانة التقليدية ذات الطباعة الثلاثية الأبعاد، كثيرا ما تحدث عمليات التصدع بسبب الانكماش أو الآثار الحرارية أو التحميل، ويمكن أن تؤدي هذه الشقوق إلى الإضرار بالسموم والكلوريد من أجل الوصول إلى التعزيزات، كما أن الإجهاد يبقي الخرسانة في الغالب تحت حمولات الخدمات، مما يقلل بشكل كبير من تكوين الشقوق، وهذا مفيد بوجه خاص للهياكل المعرضة لبيئة عدوانية، مثل الهياكل البحرية أو مرافق معالجة مياه المجارير.

التصميم

٣ دال - طباعة الطرازات في إنتاج أشكال معقدة وغير أساسية تحد من تكوينها باستخدام الشكل التقليدي، ويمكن تصميم التمارين على أساس اتباع هذه القياسات المعقدة عن طريق معالجة الميول على أساس ملامح محددة مسبقاً، ويمكن أن تتفاوت المناقصات بعد التخريب الرأسي أو الأفقي في عمق القسم، مما يتيح توزيع عناصر التعزيز المعمارية على النحو الأمثل.

الكفاءة المادية والاستدامة

ونظراً لأن الفرز المسبق يتيح إمكانية استخدام أنواع من المطاط والقطع ذات النطاقات العالية، فإن الحجم الإجمالي للخرسانة المطلوبة يمكن تخفيضه بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة مقارنة بالعناصر المحددة التقليدية المعززة، وهذا التخفيض يترجم مباشرة إلى كربون أقل تجسداً، حيث أن إنتاج الأسمنت هو مصدر رئيسي لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وعلاوة على ذلك، فإن إزالة البصمة التقليدية للفولاذ المحتوي على يدوياً ما زالت بحاجة إليه.

التحديات والحواجز التقنية

وعلى الرغم من الوعد، يجب التغلب على عدة عقبات عملية قبل أن يصبح الخرسانة المطبعة من 3 دال أمرا روتينيا، وتشمل المسائل الأكثر إلحاحا ما يلي:

الحلق بين الصلب والخرسانة

فالتفاعل بين الميول الجاهزة للطباعة والطبقات المطبوعة أقل تجانساً في كثير من الأحيان من الخرسانة، ويمكن للفراغات الجوية، وجفاف السطح، وخطوط الطبقات أن تقلل من قوة السندات، وفي الأعضاء المكثفين، يعتبر تطوير السندات الملائم أمراً أساسياً لنقل قوة الفريسة على مدى فترة قصيرة، كما أن البحث يستكشف المعالجة السطحية مثل الرمل أو يميل إلى تطبيق معطف السندات ويضع معايير الطباعة (المسافة)

المقارنات المادية

وعادة ما تكون المزيجات الخرسانية المطبوعة أكثر جفافاً وأكثر حساسية من الخرسانة الخرسانية لضمان الاحتفاظ بالشكل بعد التسلل، وهذه النسبة المنخفضة من المياه إلى المتناول تؤدي إلى تقليص التكتلات الآلية، ولكنها يمكن أن تؤدي أيضاً إلى تقلص سريع، مما يجعل من الصعب تجسيد اتجاه الكواليس بشكل كامل، كما أن سلوك الزاحف والانكماش في المواد المطبوعة يختلف أيضاً عن سلوك الخرسانة التقليدية.

مناطق الانشراج والإنهاء

وفي مرحلة ما بعد التكثيف، تعاني مناطق المرساة من ضغوط محلية عالية، وقد لا يكون للخرسانة المطبوعة نفس القوة أو التجانس الذي تتمتع به الخرسانة لمقاومة هذه القوات المركزة، مما يؤدي إلى تقطيع أو تقسيم، كما أن تعزيز مناطق المرساة مع تعزيزات محلية إضافية، مثل الألياف القصيرة أو الألياف المتجهة إلى الصلب، هو حل ممكن، ويجب تنسيق تصميم لوحات وجيوب تحمل طبقة من الطبع.

حماية الكوروز

ويُحتمل أن يكون الفولاذ الجاهز للضغط على الكسور والتشريد الهيدروجيني، لا سيما إذا تعرض للكلوريدات، وفي الأعضاء المطبوعين حيث يمكن أن يتفاوت سميك الغطاء بسبب مضاهاة طبقة الحماية الموحدة أمراً صعباً، فالقطع الكامل للنقاشات التي تُجرى بعد الارتفاع هو أمر أساسي، ولكن الجذب بالحقن إلى سلسلة من المواهب المطبوعة قد يكون أكثر صعوبة من أن يتم تقييمها في قناة سلسة.

طابعة عملية ضبط

إن إدماج الميول أو الخناق في المسار المطبوع يضيف تعقيدا إلى البرمجة الآلية، ويجب على الرأس المطبوع إما أن يتوقف عن السماح بإدخال الميول أو أن يكون مجهزا بأداة ثانوية لوضع الصلب، ويجب تجنب الاصطدامات مع الميول الموضعية، وقد تحتاج هذه القيود على البرمجيات المتطورة إلى اتباع المنحنى نفسه الذي يمكن أن يؤثر على سرعة الطباعة وعلى مواءمة الطبقات.

البحوث والتطويرات الحالية

وهناك أفرقة بحثية عديدة في جميع أنحاء العالم تتصدى لهذه التحديات، وفي جامعة توينتي ، وضع فريق طريقة لطباعة الكبلات الصلبة التي وضعت بشكل سلبي، ثم توترها بعد المعالجة، وأظهرت تجاربها أن الحزمة المطبوعة حققت قوة مرنة أعلى بنسبة 60 في المائة من القوة غير الثابتة التي شيدتها الشركة.

ويمكن أن تؤدي نظم التوتر الآلي التي يمكن أن تطبق الحمولة بينما لا تزال الطباعة في حالة خضراء إلى استكشاف، ويمكن أن تؤدي هذه " الإجهاد المسبق " إلى الحد من الخسائر المزروعة بتطبيق القوة قبل أن يتطور الانكماش بشكل كامل، كما أن هناك حدوداً أخرى هي سمة ما قبل الإجهاد - تعويض مسببات الاضطرابات على طول المرتكزات لرصد مستويات التوتر.

وفي مجال المواد، يقوم الباحثون بتطوير خرسانة ذات أداء عال مطبوعة مع انخفاض حجم الزاحف والتقلص، مصممة خصيصاً للطباعة، ويمكن أن تؤدي تركيبات الخرسانة ذات الأداء العالي، التي كثيراً ما تستخدم في إصلاح الجسور، الوعد بسبب ارتفاع قوامها الضغطي وانخفاض قدرتها على التحمل.() ويمكن أن يؤدي الجمع بين الفيلق المزود بالطباعة إلى عناصر مطبوعة ذات قدرة استثنائية على الارتداد والشحن.

دراسات الحالة والتطبيقات المحتملة

وهناك عدة تطبيقات بارزة توضح الإمكانات التي يمكن أن تُستخدم فيها 3D مطبعة مسبقاً في نيجمغن، هولندا ]، التي رُكبت في عام 2022، قضبان ممتدة بعد فترة من الخرسانة المطبوعة، ويمتد الجسر 8.5 متراً بسمك سطحي يبلغ 150 ملم فقط.

وتشمل التطبيقات الواعدة الأخرى ما يلي:

  • Precast floor slabs:] A 3D‐printed mould form can be filled with unreinforced concrete, then topped with a little prestressed printed topping-combining rapid construction with structural performance.
  • Shell structures:] Thin doubleubly-curved missiles for roofs and canopies benefit greatly from prestressing, as the compression field helps resist buckling and up lift.
  • Wind turbine towers:] Tall 3D —printed towers with post —tensioned tendons are being considered as a low —cost alternative to steel towers, especially in regions with limited crane access.
  • Marine infrastructure:] Seawalls and breakwaters subject to wave impact could be printed with prestressed elements that resist cyclic loading and corrosion.

التوقعات المستقبلية والخاتمة

إن تركيب الخرسانة ذات الطباعة الثالثة والمتمثلة في الفولاذ المسبق هو أكثر من تحسين تدريجي، وهو تحول نموذجي يمكن أن يغير طريقة تصميمنا وبنائنا للعناصر الهيكلية، وقدرة خلق مكونات خفيفة الوزن، وعناصر قوية ودائمة بدون أشكال تقليدية أو تعزيزات فولاذية كثيفة، تفتح الباب أمام سرعة البناء، وانخفاض الاستهلاك المادي، وأشكال الطموح المعماري، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في عملية حماية السندات،

وفي الأجل القريب، يمكننا أن نتوقع أن نرى عناصر مطبوعة مجهزة سلفا تستخدم في جسور المشاة، والهياكل المؤقتة، ونظم الطوابق الداخلية، حيث أن النظم الآلية ناضجة وممتلكات مادية تتحسّن، وضخامة مشاريع البنية التحتية - الجسور المرتفعة، بل والأجراس - قد تصبح ممكنة، ومن المرجح أن تنشأ نظم الإجهاد الذكي التي تتكيف بنشاط مع الحمولات كتكاليف لصيانة الجيل القادم.

وتقف صناعة البناء على مأدبة عصر جديد حيث يربط التصميم الرقمي، والتصنيع المضاف، والهندسة الهيكلية المتقدمة، ويجب على المهندسين والمهندسين المعماريين وعلماء المواد التعاون لوضع معايير ومبادئ توجيهية للتصميم تعالج السلوك الفريد للخرسانة المطبوعة المبتعورة، مع استمرار الاستثمار والابتكار، فإن إمكانات فرز الصلب في الهياكل الملموسة ذات الطابع الثالث ستتحول إلى واقع عملي، مما يعيد تشكيل البيئة المبنية للأجيال القادمة.