وقد أصبح تصميم مقاومة للتفجيرات شرطاً حاسماً للهياكل الأساسية التي يجب أن تظل عاملة في ظل أحداث متطرفة، وتواجه الجسور والمرافق العسكرية والمباني الحكومية والنباتات الصناعية تهديدات محتملة من التفجيرات العرضية أو الهجمات المتعمدة، وتهيئ تركيبة فريدة من القوة العالية، والخصوبة، والمقاومة الدهنية التي تجعلها تعزيزاً مفضلاً لهذه الهياكل، وذلك بإدخال ضغط ضغط ضغط ضغط ضغطي مكثف على الصلب الخرساني.

فهم العجلات

ويشير الفولاذ الجاهز إلى المناقصات الصلبة المرتفعة، أو الأسلاك، أو القضبان التي تتوتر قبل (الارتفاع) أو بعد (التكثيف) الخرساني، ويسمح الفولاذ بتركيب قوة متقطعة تتراوح عادة بين 860 1 بيزو (270 كيلو مترا) للسترات إلى أكثر من 000 2 بيزو للحانات، وهذا يشكل تقريباً أربعة وخمسة أضعاف قوة الصلب المتعاضد التقليدي.

الممتلكات المادية

أما أكثر أنواع الفولاذ المعالج بضغط العجلات هو سلالة من سبع أسلاك، تتألف من ستة أسلاك خارجية مغلفة على أسلاك مركزية، وهذه التشكيلة توفر روابط جيدة مع الرش في نظم مترابطة بعد الإصطدام، وتستخدم الحانات التي تُعَدَّ في كثير من الأحيان في تطبيقات تتطلب قوة عالية في مكان محدود، مثل مفاصل الجسور، وتُصنَّع جميع أنواع الفولاذع بضواعَة الأولية من أجل التك.

حماية الكوروز

إن استمرارية الفولاذ تحت حمولات التفجيرات أمر أساسي لأن الفولاذ تحت ضغط مرتفع مستمر، ويمكن أن يؤدي التآكل إلى تهجير الهيدروجين أو كسر التآكل الإجهادي، مما يقلل من قابلية التخصيب، وفي نظم ربطية مترابطة بعد التكثيف، يحمي الفولاذ بالحقن بعد التوتر، وفي النظم غير المشبع، يُضاف الفولاذ مع قطع من المعادن.

آليات مقاومة القذف

وتتميز حمولات القاذورات بارتفاع سريع إلى ارتفاع ضغط الذروة يليه مرحلة التحلل، التي لا تدوم عادة إلا ثانية، وتنشأ فعالية الفولاذ المعالج في مقاومة هذه الحمولات الدينامية عن عدة مزايا ميكانيكية مترابطة.

ما قبل الضغط ومكافحة الكوك

فالتكنيف ضعيف في التوتر، فبموجب ضغط الإنفجار، قد ينهار الشعاع الخرساني المعزز تقليديا ويفقد الحساسية بسرعة، ويضع الخرسانة تحت الضغط المستمر، لذا يجب أن يتغلب الضغط الضار من الانفجار أولا على هذا الضغط قبل أن يبدأ التكسير، مما يؤخر ظهور الكسور المغناطيسية ويخفض من نطاقها ويحافظ على الاندفاع الهيكلي ويمنع فقدان الفولاذ.

تعزيز القدرة على العمل واستيعاب الطاقة

ويظهر الفولاذ الجاهز، ولا سيما السلالة المنخفضة التردد، اختلالا كبيرا )حوالي ٣,٥ في المائة( قبل الكسور، ويتيح هذا الخلية للأعضاء الهيكليين أن يخضعوا لتشوهات كبيرة تحت تحميل الانفجار دون الانهيار المفاجئ، أما المنطقة الواقعة تحت منحنى الضغط الذي يمثل امتصاص الطاقة، فهي أكبر بكثير من البنية البلاستيكية التي تهيمن على الضغط العادي.

إعادة توزيع القروض الديناميكية

فالقوة المضغوطة في عضو مهيمن تساعد على الحفاظ على مقاومة الطلقات عند مستويات التشوه العالية، وفي شعاع معزز من الخرسانة بدون فروة، يمكن أن تتطور بسرعة تحت ضغط الرصاص، مما يؤدي إلى فشل في الرشوة، وقد يؤدي الضغط الحاد من الإجهاد الناتج عن الإجهاد الفولاذي إلى تراكم الضغط على الإجهاد، مما يزيد من قدرة الشرائح.

انخفاض الرواسب والتجزؤ

إن انتشار الخرسانة من وجه التوتر هو نمط إخفاق شائع في العناصر المحملة بالتفجيرات، ومن خلال إبقاء الخرسانة في الضغط، فإن الإجهاد يخفض احتمال قذف أجزاء كبيرة، وهو أمر حاسم لحماية الأفراد والمعدات داخل مرفق ما، كما أن التشوهات المراقب للأعضاء المهيمنين تحد أيضا من انتشار الشقوق عبر القسم.

اعتبارات التصميم للهياكل المصممة على أساس الترددات المقاومه للبلاست

ويتطلب تصميم الصلب المسبق لمقاومة الانفجارات تكاملا دقيقا لأساليب التحليل الثابتة والدينامية، ولا توفر المدونات التقليدية سوى توجيه محدود، ولذلك كثيرا ما يعتمد المصممون على وثائق متخصصة مثل معايير المرافق الموحدة 3-340-02 للهياكل الحمائية.

مقياساً للضغط

وتتمثل الخطوة الأولى في وصف التهديد: وزن الشحن )مكافئ TNT(، والمسافة الجاهزة، والحبس، ومن هذه العوامل، فإن تاريخ الضغط )الضغط المفرط والدفع( يحسب باستخدام منحنى تجريبية أو ديناميات السوائل الحاسوبية، ويتوقف رد الهيكل على نسبة فترة الانفجار إلى الفترة الطبيعية للعضو.

مستويات الاستجابة الهيكلية والأداء

ويسمح تصميم مقاومة للبلاستات بضرر معين، ولكن يجب أن يمنع الانهيار، فمستويات الأداء المشتركة للهياكل الأساسية هي:

  • Low response:] No visible permanent deformation, members remain elass.
  • Moderate response:] Minor cracking and limited plastic deformation, structure repairable.
  • High response:] Large plastic rotations, but residual strength prevents collapse.

ويمكن أن يستوعب الفولاذ الجاهز مستويات متوسطة إلى مستويات عالية الاستجابة إذا توفرت القدرة على الصمود، وكثيرا ما يكون التناوب على الدعم هو العامل المقيد: فبالنسبة للأعضاء الذين سبقت طباعتهم، تكون أقصى درجات التناوب المسموح بها هي درجتين إلى أربع درجات للضرر المتوسط، وتصل إلى ست درجات للضرر المرتفع، تبعا لنسبة التعزيز والحبس.

Detailing of Prestressing Tendons

ومن الأمور الحاسمة وضع الصلب المعالج وإرساؤه، وينبغي ترتيب تيندونز لإنتاج ضغط موحد قبل الضغط على القسم، وفي النظم الاستعبادية، يجب أن يكون للغطاء قوة وتدفق كافيين لقطع الفولاذ بالكامل، كما أن المناقصات غير المأهولة توفر ميزة انخفاض تركيز الإجهاد في مواقع الشق، ولكنها تتطلب تركيبات قوية يمكن أن تقاوم قوى العزل أثناء القذف المسبب للانفجار.

تقنيات التداول

وفي بعض التصميمات المتطرفة، يتم فصل جزء من السلالة المسبقة عن الخرسانة (مثلاً، عن طريق سد السلاسل مع أكمام بلاستيكية) للسماح بقدرة أكبر على التشهير، وقد استخدمت هذه التقنية في الأعمدة الجسورية لتحسين الأداء السيزمي ويجري تكييفها من أجل الإنفجار، وتحول منطقة الخلية البلاستيكية بعيداً عن المزروع، مما يقلل من المطالب المزروعة على المي السابق لأوان.

الجمع بين التعزيز السلبي

ولا يمكن أن يوفر تركيب الفولاذ وحده ما يكفي من التصريف، إذ إن عنصرا مقاوما للانفجارات مصمم تصميما جيدا يشمل عادة تعزيزا إضافيا للصلب النحيف (الزمن، والعصيان، والقضبان الطويلة) لتوفير مقاومة للحبس والرفوف، مثلا في سلالة محددة سلفا، يمكن أن يحول دون قيام منطقة السحق الخرسانية بقطعة الاستقرار والحفاظ عليها.

التطبيقات ودراسات الحالات الإفرادية

وقد استخدمت هياكل ثابتة مقاومة للانفجارات منذ عقود في مجال الدفاع، والتطبيقات التجارية ذات الأمن العالي.

الوحدات العسكرية ومراكز القيادة

ويحدّد فيلق الجيش الأمريكي للمهندسين الخرسانة المجهزة مسبقاً للعديد من المرافق المكدسة، ومن الأمثلة على ذلك مركز القيادة تحت الأرض في جبل شييان الذي يُبنى بأحواض ملموسة معززة ومفترسة بشدة لتحمل تفجير نووي قريب من الصاروخ، ويحتفظ القس بالحوائط في الضغط حتى بعد مرور موجة الانفجار عبر الصخور، ويمنع الشق المتشابكة التي يمكن أن تضر بدر الإشعاعي.

المباني الحكومية والسفارات

وبعد الهجمات على المرافق الدبلوماسية، يتطلب مكتب عمليات المباني الخارجية بناء جميع المباني الجديدة للسفارة في المواقع ذات المخاطر العالية مع أطر وأساطيل محددة مقاومة للانفجارات، ويتيح استخدام المسافات الطويلة، ويقلل عدد الأعمدة، ويعزز المرونة المعمارية، ويستوفى معايير صارمة للإنفجار، وترمي هذه المباني إلى مستوى متوسط من الأضرار تحت عتبة محددة للقنابل المركبة.

الهياكل الأساسية

وفي حين أن الجسور غير مصممة أساساً لتحميل الانفجارات، فإن الجسور العسكرية الاستراتيجية وعناصر النقل الرئيسية قد تتطلب تصعيداً في الانفجارات، كما أن جسور الزبادي الملموس التي تلت ارتطامها، مثل جسر وودرو ويلسون بالقرب من واشنطن العاصمة، تشمل المنافذ المفاجئة الزائدة عن الحاجة، وتعزيز الماشية القوية لتحسين القدرة على مواجهة التفجيرات العرضية، وتخفض المفترسة احتمالات حدوث انهيار تدريجي في حالة حدوث فشل محلي.

إعادة تشكيل الهياكل القائمة

إن عدم حجبها بعد الإصطدام هو طريقة فعالة لرفع مستوى الأعمدة والمناورات المدعمة الموجودة لمقاومة الانفجارات، فإضافة المنافذ الخارجية إلى الجانبين يزيد من الضغط الحاد والقدرة على الإقراض دون تغيير كبير في الهندسة الأصلية، وقد استخدم هذا النهج في إعادة استخدام مرفقات سفارة الولايات المتحدة في القاهرة ونيروبي بعد تفجيرات عام 1998.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من مزاياه، فإن تعقيم الفولاذ يُحدث تحديات فريدة في تصميم الانفجارات.

Brittle Tendon Rupture Risks

Under very high strain rates (strain rates above 10-1 s]-1]) prestressing steel may exhibit reduced ductility.() وتبين البحوث التي أجريت في مركز البحث والتطوير في مجال الهندسة التابع للجيش الأمريكي أنه في حين أن الإجهاد الضيق يحافظ على معظم قدراته على الارتحال، فإن معدل القوة قد يزداد قليلاً.

النزاهة في الأنشوشة

وفي النظم المترابطة، يمكن أن تفشل واجهة التمارين في ظل ضغط شديد التوتر، مما يؤدي إلى فقدان السندات والإفراج المفاجئ عن الفريسة، ولهذا السبب، كثيرا ما تُقطع المنافذ عن الأنابيب الراصدة بالقرب من الدعم أو تكملة المرساة الآلية، وتعتمد النظم غير المُكرونة على المراسي النهائية التي يجب تصميمها مع عامل السلامة من السحب، وفي ظروف الانفجار، يجب حماية رؤساء المرساة من التلف.

التكلفة والقدرة على التكيف

ويتطلب التهيؤ عملاً متخصصاً ومعدات ومراقبة نوعية، وبالنسبة للمبنى العادي المحتوي على الإنفجار، فإن التكلفة الإضافية للتشغيل بعد الارتطام مقارنة بالخرسانة التقليدية المعززة يمكن أن تتراوح بين 10 و25 في المائة، وفي كثير من الحالات، يقابل هذا القسط انخفاض أحجام الأعضاء وانخفاض وزن الصلب، ولكنه يتطلب تنسيقاً مبكراً بين المتعاقد الخرساني ومهندس التصميم الواقي.

التطورات المستقبلية في مجال تجهيز الصلب من أجل مقاومة القذف

وتعود التطورات في المواد وأساليب التحليل بتوسيع دور الفولاذ المسبق في الهياكل الوقائية.

مرتفع الغضب، مدفع بوليمر معزز

وتوفر مواضع الكربون والهرم المزودة بمقياس للجرعات حصانة التآكل وارتفاع قوام القذف، ولكن تقلّصها (أقل من 2 في المائة من الارتداد) تحد حاليا من استخدامها في تصميم التفجيرات، وقد توفر نظم الفرز الهجينة التي تجمع بين الفولاذ وقطع الكهرباء من الكبريت توازنا في القوة، والخصوبة، والقابلية للاستمرار، وتستكشف البحوث في جامعة نبراسكا - لينكولن قبل الخرسانة.

نظم التظاهر الذكية

ويمكن أن ترصد أجهزة الاستشعار التي تُدرج في إطار المنافذ أو الخناق المُعَدَّدة، مستويات الحمل المسبق وكشف الضرر بعد حدوث انفجار، كما أن قياسات الضغط المُفرَق ومجسات الانبعاثات الصوتية تتيح للمهندسين تقييم القوام المتبقي للهيكل دون اختبارات تدميرية، ويجري إدماج هذه النظم في مرافق حرجة جديدة مثل برنامج استبدال المباني الاتحادية القديمة في الولايات المتحدة.

طرق التصميم المنقّحة

(أ) تحليل العناصر غير المحددة التي تُجرى في إطارها (NLFEA) والتي تُعزى إلى آثار الإجهاد في الفولاذ والخرسانة، أصبحت معياراً لتصميم الإنفجار للهياكل المجهزة سلفاً، أما النماذج التي تُسجِّل النزعات المتجهة إلى القذف، وتخفف الضغط الحاد، فتتيح التنبؤات الحكومية بالحد الأقصى الدقيق.

المراجع والقراءة الإضافية

  • PCI Industry Handbook. Prestressed Concrete in Protective Structures.] Precast/Prestressed Concrete Institute. ] Available online].
  • ASCE Technical Council on Blast Resistant Design. Blast Protection of Buildings: Recent Advances.] American Society of Civil Engineers.
  • Ngo, T., et al. (2019). "Blast resistance of post-tensioned concrete slabs: experimental and numerical study." International Journal of Impact Engineering, 126, 70-85.
  • U.S. Department of Defense. UFC 3-340-02: Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions] (with Change 1, 2018).

إن قدرة الفولاذ على الضغط على الخرسانة واستيعاب الطاقة عن طريق التشهير بالخنق تجعله أداة لا غنى عنها للبناء المقاومة للانفجارات، ومع تطور بيئات التهديد وتطور أدوات التصميم، فإن الخرسانة المصممة سلفا ستظل تشكل أساس سلامة الهياكل الأساسية الحيوية في جميع أنحاء العالم.