اختيارات المواد لمشاريع الهندسة المدنية للتقليل إلى أدنى حد من قضايا التوسع الحراري

وكل طريق وجسر وشق مرتفع وهيكل مائي يخضع للتوسع والانكماش المستمرين اللذين يحركهما تقلبات درجات الحرارة اليومية والموسمية، وعندما يتجاهل المهندسون المدنيون هذا السلوك الأساسي، فإنهم يخاطرون بكسره، والتقلبات، والفشل المشترك، بل وحتى الانهيار المفجع، ويستلزم تقليل قضايا التوسع الحراري أكثر من مجرد السماح باختيارات متنوعة من تفاصيل الحركة، ويتطلب ذلك اختيارا مدروسا للهياكل أساسية.

فهم التوسع الحراري وعلامته الهندسية

وكل المواد تغير أبعادها عندما تتغير درجة حرارتها، ويزيد معامل التوسع الحراري هذا السلوك، الذي يُعبر عنه عادة في كل درجة من درجات حرارة كلورس (ميكروغرام/س) أو درجة حرارة واحدة، ويزيد من طوله بمقدار 200 متر مربع، ويزيد طوله بنسبة 0.001 في المائة لكل ارتفاع في درجة حرارة 1 مئوية، ولكن قد يبدو أن هناك ارتفاعاً في الحرارة يتراوح بين 50 و000 متر.

والتحدي الرئيسي في الهندسة المدنية هو أن المواد المختلفة تختلف اختلافاً كبيراً في المواد الكيميائية، إذ يتسع نطاق الألومنيوم مرتين تقريباً إلى حد الفولاذ، في حين يمكن لبعض المكونات المتعددة البوليمر أن تتحرك أكثر عشرة أضعاف من الغرانيت، وعندما تتجمع هذه المواد في هيكل واحد، يمكن أن تولد حركة التفاضل ضغوطاً داخلية تتجاوز قدرات التصميم، وحتى المواد الأحادية مثل الخرسانية في سن مبكرة يمكن أن تُعاني من التك الحراري من حرارة.

ويجب على المهندسين، بالإضافة إلى عدد أفراد فريق التكنولوجيا الحيوية، أن ينظروا في مدى استجابة المواد بشكل موحد لدرجات الحرارة، وكيفية التصرفات المؤقتة تحت السيطرة، ومدى تقلص السلاسل الحرارية أو تضخها، وعلى سبيل المثال، فإن وجود حائط مصممة غير معززة على ضوء الشمس يمكن أن ينحني إلى الخارج لأن الوجه المتأرجح يتسع أكثر من الواجهة الداخلية المهددة، مما يؤدي إلى نشوء لحظة تنازلية

تكلفة الحركة الحرارية المهيمنة

وقد تؤدي الآثار الحرارية الراجحة إلى بعض أوجه الفشل في البنية التحتية الأكثر وضوحاً وتكلفة، وقد تؤدي عمليات الانقطاع في الدفع إلى أيام الصيف الساخنة عندما تتوسع الأنهار الخرسانية في بعضها البعض دون وجود مفاصل غذائية كافية، مما يرغم المصابين باضطرابات في المياه الجوفية على الصمود، وفي عام 2015، تؤدي سلسلة من عمليات الانفجار في أحواض الأنهار المغلقة إلى إحداث أضرار في المباني التجمد.

ولكل هذه الأسباب، تشمل رموز التصميم الرئيسية - من مواصفات تصميم جسر الرابطة إلى درجة الحرارة الأوروبية 1 - تشمل حالات الحمل الإلزامي للحرارة التي تتطلب من المهندسين حساب التغير في درجات الحرارة الموحدة وكذلك التدرجات الرأسية والأفقية، كما أن مدونة قواعد السلوك المتعلقة بمقياس الحرارة في آسيا والمحيط الهادئ، مثلاً، تحدد أربع حالات من حالات الحمولة الحرارية الموحدة: ارتفاع درجة الحرارة الموحدة، وانخفاض درجة الحرارة الموحدة، وارتفاع عمودي إيجابي (تدفء أكثر من المقاييس).

تصنيف مواد البناء حسب التوسع الحراري

ويساعد تصنيف واسع المهندسين على تضييق خياراتهم بسرعة، وكثيرا ما تصنف المواد في ثلاثة نطاقات حرارية:

• (أ) يشمل تركيبات عالية الأداء ذات مجاميع خاصة، وخصائص قائمة على الحجر الجيري، وغرانيتي، والبسالات، والكؤوس، وبعض المقاييس الزجاجية، وبوليمرات الحد الأدنى من الكربون، وخيارات الاختصار المنخفضة مثل " إنفار " .
• Moderate CTE (8-12 ميكروغرام/س): ] Covers ordinary structural concrete, standard carbon steel, stainless steel (ferritic and duplex grades), wrought iron, and most natural Sandstones. This group forms the backbone of conventional civil works; theirrmal behavior is well understood and handled with standard joint details.
• (High CTE) (above 12 mm e/oC):] Aluminum alloys (23-24 ME/°C), austenitic stainless steels (some grades up to 18 mi/°C), polyethylene (100-200 chlorinmitoC, depending on fill), PVCry

وهذه التسلسلة البسيطة، وإن كانت مفيدة، لا يمكن أن تحل محل الحسابات الخاصة بالمشروع، وقد يكون مجموع درجة الحرارة المتوقعة على مدى الحياة التصميمية، ودرجة ضبط النفس الهيكلي، والعمل المركب بين المواد، يُحدّد الأثر العملي لقيمة فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي، وعلاوة على ذلك، يمكن للجنة التقنية أن تتباين درجة الحرارة لبعض المواد - البوليمرات، أكثر اتساعاً حيث تقترب من درجة حرارة الانتقال الزجاجي، وبالتالي فإن اختيار المواد ليس مجرد ضغط على اختيار أقل عدد من ذلك؛

مهندسون في الحركة الحرارية المنخفضة

فالواقع هو أكثر مواد البناء استخداما على الكوكب، ويراوح معامل التوسع الحراري في هذا المجال عادة ما يتراوح بين ٧ و ١٢ ميغاه/س، تبعا للنوع الكلي، والمصفوفة الأسمنتية، وحالة الرطوبة، ومدة الحرارة، وأكبر تأثير على المادة الكيميائية الخرسانية هي المجموع، الذي يشغل ٦٠-٧٥ في المائة من الحجم، باستخدام مجاميع منخفضة الجيم، مثل حاسوب الحجر الجيري، ودرجة الحرارة القصوى

كما أن المواد السماوية التكميلية مثل الرماد والزلاجة والفوليكا تسهم أيضاً في الاستقرار الحراري من خلال تحسين البنية الدقيقة للمراعي والحد من التشقق الحراري في سن مبكرة، كما أن السماوات الحديثة ذات الحرارة المنخفضة، التي تتوافق مع معايير مثل المادة ٥٩٥ من النظام الآلي للمواد الكيميائية و٧٩١-١، مما يقلل درجة الحرارة داخل الصمامات الكبيرة ويقلل من خطر تسرب البيئة.

وهناك استراتيجية فعالة أخرى تتمثل في إدماج الألياف، التي لا تغير جذرياً في نظام تكنولوجيا المناخ، بل تساعد على سد الثكنات الدقيقة التي لا بد أن تشكل عندما تكون الخرسانة مقيدة ضد الحركة الحرارية، حيث أن الألياف الصلبة، والألياف الصناعية الكلية، أو الألياف الزجاجية، تعطي درجة من القوة بعد التصادم، التي تحول دون حدوث عمليات تصعيد حرارية طفيفة من اتساع نطاقها إلى مشاكل تتعلق بالقدرة.

الصلب غراديس ودرجة صلاحيتهم

ويحتوي الفولاذ البني الكربوني الهيكلي، المحدد على نطاق واسع للجسور والمباني الصناعية ومرآب السيارات، على مجموعة من المواد الكيميائية تبلغ حوالي 11-12 ميكروغرام/س. وهذه القيمة مستقرة عبر درجات حرارة البناء النموذجية، مما يجعل الحركة الحرارية للصلب قابلة للتنبؤ ومباشرة لاستيعابها، ويحافظ على درجات الصلب المزروعة مثل مفاعل أس تي إل تي إس تي إم 588 وA709 غراد 50 ووا، ويعرض نفس التركيز على الفولاذكورات الكربون.

ويستحق الفولاذ اللاصق، ولا سيما الصفوف الدوبليكسية والدرجات الخصبة، اهتماما خاصا، ففي حين أن الفولاذ غير القابل للصدأ المشترك (304/304L، و316L) يتسع في 16-18 ميكروغرام من الفولاذ المرسا، ويزيد بنسبة 50 في المائة عن مقياسي فولاذ الكربون (2205) على تركيبة ثابتة تبلغ حوالي 13 ميكروغرام/س، ويقترب من الصلب الخرساني.

فبعد الصفوف المشتركة، تبين المحاور المتدنية التخصصية مثل إنفار (36 في المائة من النيكل، 64 في المائة من الحديد) قيم كربون كلورية منخفضة حيث تتراوح مكوناته بين 1 و2 ميكروغرام/س. وفي حين أن التعقيد في التكلفة والتلفيق يحد من استخدامها في بنية أساسية مدنية محددة جدا مثل أطر قياس الدقة، أو هياكل التواؤم البصرية، أو مفاصل التوسع الحرج، فإنها تدل على أن التراكم في المميتال يمكن أن يق في الحركة الحرارية.

الحجر الطبيعي والمواد المعدنية

كما أن الشعارات التي تستخدم في الأشعة السينية، والتي تتراوح بين ٥ و٨ ميكروغرام من الجمود/س، هي خيار يختبره الزمن بالنسبة للطلاء الخارجي والبلوات والألعاب الحجرية الكبيرة، كما أن حركة حرارية منخفضة، إلى جانب ارتفاع القوة المضغوطة ومقاومة المجمدة الممتازة، تجعلها تتحول في المناخ مع درجات حرارة واسعة، ومع أن الصخرة البركانية، تظهر درجة تراوحاً مماثلة أو حتى أقل)٦(.

وفي نظم الصخور الرقيقة، يمكن إدارة الحركة المتمايزة بين اللوحة الحجرية وسورها الاحتياطي )الخرسانة أو الفولاذية( بمواد مجهزة بالحركة والتي لا يمكن التنبؤ بها، والتي تؤدي إلى تمزق أو انفصال في الأطار الكئيب، حيث أن استخدام الحجر الذي يطابق طول الإطار الحرفي للهيكل المضيف يقلل إلى أدنى حد ممكن من عدد وتعقيد هذه المرساحات.

المواد المركبة المتقدمة

أما البُعد المكثف/الميكروفون المُستخدم في إطار نظام CEFI، فيمكن للمهندسين أن يُصمموا على أساس التوسيع الحراري باختيار نوع الألياف والتوجهات، كما أن البُعد المُحكم على أساس البوليمر المُعتمد على أساس البوليفرولي المُستخدم في إطار نظام CFRA، لا يُستخدم إلا في اتجاه الألياف، حيث يتراوح بين 1 و2 ميكروغرام/س.

نظم هجينة لبرمجيات التصدير والاستيراد

وترمي استراتيجية ناشئة إلى الجمع بين الألياف الكربونية والزجاجية في تركيبة مختلطة واحدة، وإنشاء ألواح معدة في الخطة وملائمة للمواصفات الخرسانية أو الصلبة المتاخمة، مثلاً، يمكن أن يؤدي تركيب طبقة من الصلب المختلط تبلغ مساحتها 50 إلى 10 ميكروغرام/س في الاتجاه الرئيسي، مع إبقاء التكاليف أقل من مجرد خامات من الكرونات.

الأخشاب والأخشاب الهندسية

ويظهر الخشب معاملاً منخفضاً بشكل استثنائي للتوسع الحراري في اتجاه الحبوب - على نحو عام 3-5 ميكروغرام/س - مما يجعل من الجسور الخشبية والمباني التي تطغى عليها أحواض الخشب - تُحد من سرعة الحركة في المناطق الساحلية - الخشبية - التي تُستخدم فيها عوامل التفشي على طولها - 5 درجات.

نهج التصميم التي تضاعف فوائد المواد المنخفضة التوسع

إن اختيار مادة منخفضة المستوى من الطاقة التقنية هو نصف المعركة فحسب، بل إن الشعاع الغراني سينهار إذا ما تم تقييد كلا الهدفين بالكامل، وارتفاع درجة الحرارة كبير بما فيه الكفاية، ولذلك يجب أن يكون اختيار المواد جزءا من استراتيجية أوسع نطاقاً للتنقل والإقامة تشمل المفاصل والعلامات والتفاصيل.

توسيع نطاق المشروعات ووضعها الاستراتيجي

فعمليات توسيع النطاق هي أكثر الأدوات وضوحاً لإدارة الحركة الحرارية، ففي فترات التصفيق الخرساني، تحسب المباعدة المشتركة على أساس سميك الرقبة، ونسبة الخرسانة، ونسبة التعزيز، والاحتكاك تحت الرتبة، وقد تكون المبطنة المتوسطة ذات الميكروفونات العالية باستخدام خرسانة من الحجر الجيري مع تركيز يتراوح بين 8 ميكروغرام ومتوسط، و25 متراً

كما أن نوع التوسيع المشترك له أهمية، إذ أن الفقمات القطاعية والمفاصل النموذجية ومفاصل الأصابع تختلف قدرات الحركة وموجزات الصيانة، كما أن تحديد نطاق الحركة المشتركة بين المتقاسمين والمشتركين إلى ما يتوقع من التشريد الحراري يحول دون حدوث ارتداء مبكر، وفي بناء التعاقبات، تؤدي عمليات القذف بالألومنيوم ذات الصلة بالتصميمات المتداعية دوراً مماثلاً، كما أن تزيل عدد المواد المتشابكة التي يمكن أن تضيفها كل مادة.

عمليات التزلق والارتباط المرنة

وفي الجسور، فإن تضخم أحواض الحامض، والارتطام، والعلامات اللاذمة، تسمح للهياكل الخارقة بالترجمة دون نقل قوى أفقية كبيرة إلى البنى الفرعية، كما أن الأسطح الصلبة التي لا تطاق والتي تحتوي على عناصر متوهجة من الارتطام، وتكفل الاحتكاك المنخفض أن تظل القوى الحرارية صغيرة حتى تحت حركة المرور الثقيل.

المبيعات والملفات المشتركة التي تتحرك مع الهيكل

أما فيما يتعلق بحجم العمل الأصغر، فإن الوصل بين إطار النافذة وفتح الخرسانة أو بين وحدات تمهيد تعتمد على الختم المرن، ويجب أن تتجاوز قدرة حركة الختم ما يتوقع من تشرد حراري، ويمكن أن تستوعب الختمات الساطع والبوليوريثان حركة الطول الطول الخفيف إلى النصف في المائة من الحوافظ المشتركة شريطة أن يكون الاختتام مصحا.

Thermal Breaks in Building Envelopes

وفي الظرفيات الحديثة للمبنى ذي الأداء العالي، تستخدم فترات التوقف الحراري لفصل الحيز الداخلي المكيف من العناصر الخارجية، مما يقلل درجات الحرارة وما يرتبط بها من حركة مختلفة، ويتمثل النهج المشترك في وضع العزلة على الجزء الخارجي من الإطار الهيكلي، مع إبقاء الهيكل عند درجة الحرارة الموحدة، وفي النظم الجدارية الخفية، فإن التفكك الحراري الذي يُصنع من التعددية أو من خلال التخمير الفوقي يفصل بين الأط الخارجي.

اختبار المختبرات والمواصفات المتعلقة بأسس مركز تكنولوجيا المناخ

ولا يجوز التحقق من صحة المادة التي تستخدم في استخدامات مرنة لدرجات الحرارة، إلا أن المادة (CT) التي تستخدمها في اختبارات موحدة، كما أن المادة (A289) من النظام الآلي للبيانات الجمركية (A289) توفر وسيلة لقياس التوسع الحراري في المواد الصلبة باستخدام جهاز تحليل حراري (C) (CSt) (C) كما أن المادة (C-S-C157) لا تشمل نفس النوع من الها بالنسبة لمواضعة (e-res)

وفي مشاريع البنية التحتية الرئيسية، توفر نماذج وأدوات ميدانية التحقق من صحة العالم الحقيقي، ويمكن للمهندسين أن يصلحوا الثغرات المشتركة وأجهزة استشعار درجة الحرارة التي تجسدت في أقسام حرجة أثناء التشييد، أن يتتبعوا التوسع الحراري خلال السنة الأولى من الخدمة، مؤكدين أن الحركة تتطابق مع افتراضات التصميم، وعندما تظهر الفوارق، يمكن للمهندسين أن يصلحوا الثغرات المشتركة أو يضبطوا نقاط الحرارة قبل بدء تشغيل النفق قبل أن يصبحوا في الخدمة الكاملة.

دراسات الحالة: اختيارات المواد التي تشكل حركة حرارية

وقد استخدمت جسر أوريسوند الذي يربط الدانمرك والسويد مزيجا من الخرسانة العالية السلسلة بمجاميع الحجر الجيري، وتطابقت مع تعزيزات الصلب غير الملموسة في مواسيره وخطاباته، واختارت مجموعة من الفولاذ دون وصمة من أجل الأقسام الحساسة، بحيث تصل إلى نحو 13 ميكروتر/س، مما يقلل إلى أدنى حد من الإجهاد الحاد بين الفولاذ والخرسانة المحيطة به.

وفي سيناريو متناقض، شهد مجمع صناعي كبير في الشرق الأوسط استمرارا في الكسر في أصفاده الخرسانية على مستوى الصف الواحد رغم استخدام مفاصل التوسيع الخرسانية والسخية التقليدية، وقد تعقّب التحقيق المشكلة إلى مزيج من ارتفاع معدل الامتصاص الشمسي، ونسبة التكتل الكلي المرتفعة، وينطوي الحل على استخدام تطفيات مجسّدة لتقليل الكسب الحراري الشمسي والتحول إلى نسبة مئوية من الحجم المحلي.

ومن الأمثلة المفيدة الأخرى وجود سقف كبير من الملعب في الولايات المتحدة الجنوبية مصمم بنظام لصدور الصلب وسطح معدني، حيث استخدم التصميم الأصلي الصلب الكربوني في جميع أنحاءه، ولكن التحليل الحراري المفصل أظهر أن السقف بطول 250 مترا سيوسع أكثر من 150 ملليمتر في الطرف البعيد، مما يتطلب توسيعا هائلا في الموازين بحيث يصبح من الصعب الحفاظ عليه، وقد تحول المهندسون إلى نظام هجين:

المواد والتكنولوجيات الناشئة

وتنتج البحوث في الخرسانات المنخفضة الكربون والفوقية الأداء مزيجاً لا يقلل انبعاثات غازات الدفيئة فحسب بل يعرض أيضاً التوسع الحراري المخفض، إذ أن بعض المواد ذات التأثير الحرفي (المحلية) لا تزال تقل عن نظم الأسمنت المكافئة في بورتلاند، بينما تحسن في الوقت نفسه مقاومة الحرائق.

ويمكن أن توفر سبائك التماثل، رغم أنها لا تزال تستكشف الأعمال المدنية الواسعة النطاق، آثاراً تكيفية تستجيب لنوبات درجات الحرارة التي لا تتوفر فيها القدرة الخارجية، وقد أثبت الباحثون أن النيكل - التيتانيوم (Nitinol) يميلون إلى أن يُعقدوا عند التسخين، ويُعدّلوا بنشاط التوسع الحراري في هياكل السقف الخفيف.

الموارد الخارجية الرئيسية للمواصفات والتصميم

عند وضع استراتيجية الحركة الحرارية، يرجى الرجوع إلى الإشارات المرجعية التالية:

• ASTM E289 - Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Rigid Solids with Interferometry]
• ASTM C531 - Standard Test Method for Linear Shrinkage and Coefficient of Thermal Expansion of Chemical-Resistant Mortars, Grouts, and Monolithic Surfacings]
• Portland Cement Association — Thermal Expansion and Contraction of Concrete]
• AISC Steel Construction Manual – Material Properties section for CTE values]
• FHWA - Thermal Movements in bridges technical brief]
• ACI Committee 224 - Control of Cracking in Concrete Structures (thermal sections)]

إدماج اختيار المواد في نهج الحيات بأكمله

فالتقليل من قضايا التوسع الحراري ليس عملية تحديد لمرة واحدة؛ بل هو خيط يمتد من خلال التصميم المفاهيمي، والمشتريات، والتشييد، والصيانة، والتآزر المبكر بين مهندسي المواد، والمصممين الهيكليين، والمهندسين المعماريين، يكفل مراعاة توافق أفرقة الخبراء قبل أن تغلق التفاصيل، أما فيما يتعلق بالتشييد، فإن المعالجة السليمة لموازين قياسية التوسع، والتنسيب الدقيق، لا غنى عنه حتى ولو كانت أقل مواد الصيانة.

وباتباع التوسع الحراري كتحد على مستوى المنظومة، يمكن للمهندسين المدنيين اختيار مواد ذات توسع منخفض، ومطابقة أفرقة الخبراء القطرية عبر الوصلات البينية، واستكمال هذه الخيارات بتفاصيل قوية تتعلق بالتنقل والإقامة، ونتيجة لذلك، فإن الهياكل الأساسية التي تظل سليمة ووظيفية وآمنة طوال عقود من الدورات الحرارية اليومية والموسمية - بغض النظر عن مدى حرارة الشمس أو مدى برودة الليل.