تصميم تركيب الصلب للنظم الهيكلية الفولاذية الهجينة

التعريف بالنظم الهجينة لصناعة الصلب

ويجمع هذا التآزر بين القوة المضغوطة للفولاذ وقابلية الصمود مع القوة المضغوطة والكتلة ومقاومة الخرسانة للنيران، ويتيح للمصممين خلق أجسام أطول، والحد من الحمولة الأساسية، وتسريع أعمال البناء مقارنة بالأطر الخرسانية أو الفولاذية المدعمة، غير أن أداء هذه النظم يتوقف بدرجة كبيرة على الروابط التي تنقل القوى بين المادتين.

وتشمل التطبيقات الحديثة الطوابق المركبة في المباني ذات المناطق المرتفعة، والجسور المركبة ذات الفولاذ المحتوية على الفولاذ، والأطر الهجينة التي تهيأ لحظة في المناطق السيزمية، وربط الشعاع بين حزام الفولاذ وقطعة من الخرسانة، وعمود فولاذي، وحائط مثبتة، أو لوحات مدمجة في عناصر ملموسة تستوعب نقل الحمولة، وتسامحات البناء، والتعرض البيئة.

المواد وطابع العمل المركب

باء - خصائص الصلب والخرسانة

فالفولط يقدم نسبة عالية من القوة إلى الوزن، وخصائص ممتازة من الطحالب، وخصائص مادية موحدة، وهو حساس للتكسير في الضغط ويفقد القوة في درجات حرارة مرتفعة، ويوفر الخرسانة قوة ضغط عالية، وتصلب حراري، ولكن لديه قوة منخفضة ومتوترة، ويحتمل أن يتقلص، وعندما يقترن ذلك بنظام هجين، فإن الفولاذ يولد التوتر والارتباط.

آلية العمل المركبة

(أ) إذا كانت المادة تعمل كوحدة واحدة، فبدون وجود صلة كافية، فإن حزام الصلب والنسيج الخرساني سيتدهوران بصورة مستقلة، ويقللان من حدة الشدة والقدرة على التحميل، وتتطور قوات الماشية الأفقية عند الوصل، التي يجب أن تقاوم بواسطة موصلات مصغرة مثل الصعاب المتجهة أو القنوات أو المحركات ذات الصلة العالية في المشهد.

أنواع ربطات الصلب في النظم الهجينة

ويمكن تصنيف وصلات الصلب في الهياكل الهجينة من خلال وظيفتها الرئيسية لنقل القوة: لحظة، أو مقص، أو محورية، لكل نوع من أنواع الهياكل متطلبات مفصلة وطرق فشل.

Connections

(أ) في الإطارات الهجينة، كثيراً ما تستخدم في مفاصل من الفولاذ إلى الخرسانة أو في قواعد الأعمدة الصلبة المحتوية على الخرسانة، والتفاصيل المشتركة هي استخدام معقوف فولاذ أو معززة ملصقة بحزمة الصلب ومحتوية على عمود بلاستيكي إضافي

تصميم للدوافع

In seismic regions, moment connections must demonstrate ductile behavior to dissipate energy. The connection region should be designed so that yielding occurs in a controlled zone away from brittle welds or concrete breaking. Recent advancements in High-Strength Steel (HSS) moment connections allow for reduced section sizes while maintaining ductility, as demonstrated in the AISC Se.

Shear Connections

فالوصلات بينية هي أكثر التفاصيل شيوعا، حيث تستخدم عادة البقايا المُتَجَهَلة إلى أعلى بقع الفولاذ وتُدرج في سلة محددة، وتقاوم الرفوف الاقتصادية الأفقية التي تتطور في واجهة الفولاذ بسبب الركود، ويُحدّد عدد العصيان وحجمه وتسارعه إلى حد ما يلزم من إجراءات مجزأة (التكليف).

Shear Stud Behavior

وتتصرف المصابون بالرأس على أنها موصلات صلبة أو مرنة حسب نسبة طولها إلى قطرها.() وتسمح الصعاب المرنة بحدوث زلقة طفيفة، يمكن أن تكون مفيدة لإعادة توزيع الحمولات في ظروف حرائق، وتشير نتائج الاختبارات التي تجريها جامعة تكساس في أوستن (انظر Engineering Structures) إلى أن السلاسل التي تُحسنت

Slip-Resistant Connections

وتُستخدم الاتصالات المقاومة للدبابات (المسماة أيضاً بوصلات الاحتكاك) حيث يجب التقليل إلى أدنى حد من الحركة النسبية بين الفولاذ والخرسانة، مثلاً، في أحواض الجسور تحت التحميل أو في أحزمة الرافعة، وتعتمد هذه الروابط على قوة مضللة عالية من الفول المحمل (التي تُصنع من الصلب العالي الارتداد) لتوليد الاحتكاك في الواجهة.

اعتبارات التصميم المتعلقة بربط الصلب

Load Transfer Path and Capacity

يجب أن تنقل كل وصلة حمولة التصميم بأمان دون تجاوز حدود القوة أو القدرة على الخدمة، وينبغي أن يكون مسار الحمل واضحا: يجب أن تتدفق القوات من العنصر الخرساني من خلال الربط بين عنصر الفولاذ والعكس، مثلاً، في إطار وصلة من الشعاع إلى الخرساني، فإن اختبارات نهاية الشعاع تقاوم من خلال منطقة ضغط عمودية في أسفل الخط، ومنطقة توتر عمودي في أعلى نقطة (أو العكس).

المقارنات المادية والقابلية للاستمرار

ويمكن أن يؤدي الاتصال بين الفولاذ والخرسانة إلى التآكل الجاف إذا لم يكن الفولاذ محمية، وفي بيئات عدوانية، ينبغي أن تكون جميع قطع الصلب مزروعة أو مثبتة بنظام مقاومة للتآكل، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يمتثل الغطاء الخرساني حول الصلب المحتوي على الفولاذ إلى 318 (شروط مدونة البناء الخاصة بالاختراق الهيكلي) لحماية العناصر من التآكل والنيران.

القدرة على التكيف والتسامح

(ب) إن الاتصالات الهجينة تتطلب في كثير من الأحيان مواءمة دقيقة لللوحات المدمجة أو فتحات الفولط أو موصلات الأغطية؛ ويجب تنسيق التسامح في مجال البناء بين مصانع الفولاذ والمتعاقد الخرساني؛ وضمان استخدام لوحات الرش أو الثقوب الملوَّثة أو الطلقات المغلقة يمكن أن يستوعب حالات سوء السلوك البسيط.

مقاومة الحريق

فالوصلات الصلبة معرضة للتخفيف وفقدان القوة عند درجات الحرارة المرتفعة، ففي النظم الهجينة، يمكن أن توفر الكتلة الخرسانية بعض الاضطرابات الحرارية، ولكن الموصولين بالفولاذ المعرَّض يتطلبان حماية من الحرائق، وتشمل الحلول تحديد الصلة في اللوحة التي تُحسب في درجة حرارة، وتطبيق التصفيات في الأنفاس، أو استخدام أجزاء فولاذية مليئة بالخرسانة (مثلا، صمامات الصلب المُصَّفة)

تفاصيل وتقنيات الربط المشتركة

Shear Studs

إن البقايا الرأسية هي أكثر الموصلة اقتصاداً وواسعة الاستخدام، وهي محصولة تلقائياً إلى شعاعات الفولاذ بمسدس لحام، يتحكم في العمق الحالي والثدي، ويستخدم رأسها كمرسي لمقاومة قوات النقل، وتوضع الطراد عادةً في قطر يتراوح بين 19 ملم و 25 ملم، وتقتصر طولها على ضمان توزيع الخرسانة.

Conlted Connections

ويفضل أن تكون الروابط المزروعة سهلة التجمّع وتفكك، ففي الهياكل الهجينة، يمكن للزهور أن تُسرّع بين الفولاذتين إلى جدار ملموس باستخدام مرساة ما بعد الميلاد (مثلاً، هيلتي HDA أو مرساة كيميائية) أما بالنسبة للخطوط العمودية من الفول الصلب، فإن لوحة الصلب المُدلى بها في العمود مع التحميل الخفيف - 8 فهي تفاصيل مشتركة.

البلاستيك المدمج

والطبق المدمج هو لوحة فولاذية تُلطخ بسطح الخرسانة، ثم ترتبط حزمة الصلب أو الأعمدة بالطبق عن طريق اللحام أو الغليان، وتُنقل اللوحة من خلال ملامح أو حلقات إعادة الضم إلى ظهرها، ويجب أن يكون طول الحانات من الأنكور وطول التنمية كافياً لمقاومة الغلة أو السحب، ويجب أن يكون سميك اللوحة كافياً لتجنب الإرتداد تحت لوحات الصلبة المركزة من الجدار.

فولاذية صلبة (CFST)

(ب) إن أعضاء الاتحاد هم نوع خاص من النظام الهجين حيث يعمل الأنبوب الصلب كتعزيز وحبس طويلين في صلب الخرسانة، وتستعمل الروابط بين الأعمدة وحزم الفولاذ معقوف الفولاذ، أو عن طريق الديدان، أو حلقات الخرسانة المستمرة، ويجب أن يكفل تصميم الخرسانة محصوراً على النحو الصحيح في الخرسانة المشتركة بين قوات النقل دون سحق.

مدونات ومعايير التصميم

(التصميمات النهائية للفولاذ في النظم الهجينة) محكومة بـ عدة رموز دولية في الولايات المتحدة المعيار الأساسي هو 360-22

طرق التحليل والتصميم المتقدمة

تحليل العناصر غير المباشرة

وبالنسبة للوصلات المعقدة، ولا سيما تلك التي لها قياسات أو تحميل غير قياسية، تستخدم وكالة الفضاء الأوروبية غير الساحلية للتنبؤ بطرائق الفشل، وتشمل النماذج عدم اللينة المادية (الشق المكسور، والبلاستيك الفولاذي)، والتفاعل بين الفولاذ والخرسانة، والحمولة المسبقة، ويتمثل التحدي الرئيسي في وضع نموذج دقيق لسلوك تعزيزات السندات في موصلات النجم.

معايرة عوامل السلامة الجزئية

ويمكن أن تُحدِّد أساليب الاعتماد على الموثوقية باستخدام محاكاة مونت كارلو عوامل مقاومة لأنواع جديدة من الروابط، وهذا النهج يُعزى إلى التقلبات في مواطن القوة المادية، والتسامح في النسيج، وآثار الحمل، وقد نشر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا مبادئ توجيهية لتصميم وصلات الصلب الهيكلية على أساس معلومات المخاطر (انظر ]NIST Technical Note 2061).

دراسات حالات إفرادية وتطبيقات

نظم الفلور المركبة ذات المدار العالي

وفي مبان مثل بورج خليفة، تشكل أحواض الفولاذ ذات الأغطية المزروعة ذات الصلة بنظم الرصفيات المركبة، وتتيح هذه الروابط وجود طوابق طويلة (حتى 15 مترا) مع انخفاض عمق الأرض، وتستعمل تركيبة وصلات الشعاع إلى البحر لوحات زعنفة أو لوحات نهاية ذات أحواض عالية التوتر.

جسر مركب

وتستخدم الجسور المركبة المتعددة الفولاذ المحتوية على عدة طوابق، مثل جسر سوتننغ في الصين، آلاف من الأكواخ المزروعة على أعلي أزهار من أزهار الفولاذ، وتصمم الطحالب للسباغ باستخدام النطاق الفاخري، وتلزم عمليات التفتيش المنتظمة على اللحامات المحصولية، وفي أسطح جسر بديلة، تكون موصلات قذيفة بعد الإنزال مثبتة.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم الربط الهجين

الصناعة تتحرك نحو

تصميم الاتصالات الهجينة

(أ) الصلب العالي القوة (القوات المرتفعة التي تزيد على 690 ميغاباي) ومصنع من أعلى مستوى من الأداء (UHPC) مع نقاط قوة ضغط تزيد على 150 ميغاواط، وتحتاج هذه المواد إلى أنواع جديدة من الموصلات، مثل البوليسترات الصلبة العالية الارتداد مع مبيدات رأس أكبر ومسدسات أكبر من الحامض، بالإضافة إلى أن وصلات الفولطية المتراكمة آخذة في الاهتمام بـ.

الاتصالات المدمجة والمصنوعة

وصلات ذكية مع مقاييس الإجهاد المدمجة، أجهزة استشعار الألياف الضوئية، أو أجهزة استشعار الفطائر يمكنها أن توفر رصداً فورياً لنقل الحمولة والارتداء هذا النهج للرصد الصحي الهيكلي يسمح بالاستمرار على أساس الحالة الفعلية وليس على أساس عمليات التفتيش المقررة، وسوف تستخدم البيانات لتنقيح أحكام التصميم في المستقبل.

خاتمة

ومن العوامل الحاسمة في نجاح أداء النظم الهيكلية المختلطة ذات الصلب المتناثر، ومن المفاصل التي تُنشأ في المباني الطويلة إلى مجموعات البقايا في الجسور المركبة، يجب أن يظل الوصل قائما على الموثوقية على القوى، مع المحافظة على عدم التوافق بين المواد وتسامح البناء، ومن خلال زيادة رموز التصميم مثل AISC 360، و ACI318، و Eurocode 4.