إن تركيب الفولاذ هو حجر الزاوية في الهياكل الأساسية الحديثة للطرق والطرق السريعة، مما يتيح بناء الجسور، والتجاوزات، والترصفات الأقوى والأطول أمدا من البدائل التقليدية، ومن خلال إدخال ضغوط صارمة على الأعضاء الخرسانية قبل أن يخضعوا لحمولات الخدمات، مما يؤدي إلى زعزعة القوى المتشابكة التي تسبب التصدع والفشل الهيكلي، مما أدى إلى ثورة شبكات النقل في جميع أنحاء العالم، مما يتيح تحسين السلامة.

فهم العجلات

ويتكون الفولاذ الجاهز من سلالات أو أسلاك أو قضبان عالية الارتداد من الصلب، مما يتوتر من أجل خلق حمل ضغطي مسبق في هياكل محددة، والمبدأ الأساسي واضح: أن الخرسانة قوية في الضغط ولكنها ضعيفة في التوتر، ومن خلال الضغط المسبق على الخرسانة، فإن الضغوط المتوترة التي تسببها حمولات حركة المرور والآثار البيئية هي عوامل مضادة للتوازن، أو تقلل أو تزيل الأعضاء.

الفولاذ المستخدم في الفرز أقوى بكثير من الصلب المقوي العادي، فالأربطة المعالجات النموذجية لها حد أدنى من القوة الخفية يبلغ 1860 كيلو متر مربع، وتولد قوة تبلغ حوالي 90 في المائة من النهائي، والقوى العالية ضرورية لأن قوة الإجهاد الأولية يجب أن تحافظ على حياة الهيكل، محاسبة على الخسائر الناجمة عن اختصارات الكم، وتقلصات الضغط، وتهدئة الإجهاد.

ويمكن تطبيق الإجهاد بطريقتين رئيسيتين: ما قبل الإجهاد وما بعد التكسير، وفي [FLT:] قبل الإصطدام ، تتوتر الاتجاهات قبل وضع الخرسانة، وعندما تصل الخرسانة إلى القوام الكافي، تُطلق النزعات، وتُنقل القوة المضغية عن طريق السندات، ويُستخدم الإصدار قبل التكليل في عناصر من قبيل الغرس.

أنواع الصلب المعالج المستعمل في البنية التحتية

ويتوفر الفولاذ الجاهز بأشكال عديدة، يناسب كل منها تطبيقات مختلفة وأساليب بناء، ويتوقف الاختيار على عوامل مثل القوة المطلوبة، وحماية التآكل، والمرونة، والميزانية.

Strands

وتشكل سلالات العجلات ذات العجلات السبع (ASTM A416) أكثر أنواعها شيوعاً المستخدمة في تشييد الطرق والجسور، وهي تتألف من ستة أسلاك خارجية مغطى بجهاز مركزي، وتتراوح أشجارها بين 9.5 ملم و15.24 مم (0.375 إلى 0.6 بوصة) وتوفر قوة عالية وحسنة، وتُفضَّل الخناق المنخفضة الأجل لأنها تقلل إلى أدنى حد من الخسائر السابقة.

الأرملة

وتستخدم أسلاك فردية عالية القوة (ASTM A421) في بعض الأعضاء الملموسين المتفوقين في السن وفي الكابلات الخاصة بالجسور التي تُقيم برقية، وتوفر الأسلاك مرونة في التصميم ولكنها أقل شيوعا من السلالات المستخدمة في تطبيقات الطرق السريعة النموذجية.

الحانات

إن الحانات التي تُعَدُّل (ASTM A722) هي قضبان فولاذية عالية الارتداد مع خيوط في نهاية الرسو، وتستخدم في التطبيقات التي تُستخدم بعد ارتطام حيث يلزم وجود مواهب أقصر، مثل في مؤخرات الجسور، والاحتفاظ بجدران، ومراسي الصخور، وتُوفِّر الحانات البساطة في التعامل معها ويمكن التركيز عليها بسهولة.

ما قبل بدء التشغيل ضد الصلب بعد فترة الانتقال

وفي حين أن الفولاذ نفسه متشابه، فإن التطبيق يختلف، إذ يستخدم فترات التكرار اتجاهات طويلة ومستقيمة تقطع بعد الخرسانة، ويُزود الفولاذ بعد التكثيف في كثير من الأحيان بالفحم ويمكن علاجه ليتبع الملامح الهيكلية، كما أن ما بعد التكديس يسمح أيضاً بالميلات غير المأهولة (المنخفضة والمخدرة) التي يمكن استبدالها أو تخفيفها إذا لزم الأمر.

Properties and Quality Control

ويجب أن تستوفي عملية تركيب الفولاذ معايير صارمة للجودة لضمان الأداء الطويل الأجل، وتشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

  • High tensile strength] — typically 1860 MPa for strands, allowing efficient use of steel.
  • Low chillation] — minimal loss of stress over time under constant strain. Low-relaxation steel has restation losses of less than 2.5% after 1000 hours at 70% ultimate.
  • Ductility - يكفي من الانحراف (على الأقل 3.5 في المائة من السلاسل) لتوفير الإنذار قبل الفشل وتهيئة الظروف الملائمة لتشوه المعلومات.
  • Fatigue resistance] - ability to withstand millions of load cycles without fracture.
  • Corrosion resistance - في بيئات عدوانية، تستخدم السلاسل المزروعة أو المزروعة بغاز التكسين، أو الصلب محمية برقبة الأسمنت أو الشحوم داخل الغسيل.

وتشمل مراقبة الجودة اختبار القذف واختبار الاسترخاء والتحقق من بعده وفقا لمعايير الصرف الآلي، وقد يلزم إجراء اختبارات تكميلية للهياكل الأساسية الحيوية لتشريد الهيدروجين وكسر الضغط، كما أن عمليات التفتيش المنتظمة أثناء البناء تكفل وضع المنافذ على النحو الصحيح وحمايتها، وتشدد على القوة المحددة.

فوائد استخدام الصلب المهيمن في الطرق والطرق السريعة

ويحقق إدماج الصلب المسبق في البنية التحتية للنقل مزايا تقنية واقتصادية عديدة.

زيادة قدرة القروض وطول فترات الإنفاق

ويمكن أن تمتد الجسور الخرسانية المثبتة على أكثر من 50 مترا دون دعم وسيط، مما يقلل من عدد الفطائر والمؤسسات، وهذا أمر ذو قيمة خاصة على الطرق المائية، والوادي، والمناطق الحضرية المكتظة، ويسمح عمقها وانخفاضها بالتشهير بالهيكل بحمل شحنات شاحنة أثقل وأقل مناوبة.

تعزيز القابلية للاستمرار والحد من التعقب

ومن خلال الحفاظ على الخرسانة في الضغط، أو الإجهاد، أو الإلغاء، أو السيطرة على الشق المتوتر الذي يؤدي إلى حدوث تراجع في المياه، أو التآكل، أو التفشي، مما يؤدي إلى هيكل يعيش فيه خدمة تتراوح بين 75 و 100 سنة أو أكثر، مما يتطلب الحد الأدنى من الصيانة، وتظهر الرصفات الجاهزة عددا أقل من المفاصلات، ويقلل من مستوى التعطل، مما يوفر نوعية أسهل.

التكلفة - الأثر على دورة الحياة

وعلى الرغم من أن تكاليف المواد والمعدات الأولية يمكن أن تكون أعلى، فإن تخفيض الصيانة، وفترات التفتيش الطويلة، وطول مدة الخدمة، كثيرا ما يؤدي إلى انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية، وبالنسبة للطرق السريعة، فإن انخفاض إغلاق الممرات لأغراض الإصلاح يترجم إلى انخفاض الاكتظاظ والاضطرابات الاقتصادية.

تحسين السلامة

وتعاني الهياكل المجهزة سابقا من مقاومة شديدة من الإجهاد ومن زيادة النقصان، ففي الزلازل، يمكن للجسور التي تلت التوتر أن تفرق الطاقة عن طريق الصخور وإعادة التركيز المتحكم بها، كما أن الرصفات الصغيرة تقلل من ارتداء المركبات وتحسن كفاءة الوقود.

الاستدامة

ولا بد من توفير مواد أقل من ذلك بالنسبة لنفس القدرة على التحميل - أي أقل من الخرسانة والصلب بنسبة 30 في المائة مقارنة بالخرسانة المعززة، مما يقلل من انبعاثات الكربون والنقل، ويعني طول العمر أقل استبدالا، ويحافظ على الموارد الطبيعية.

تطبيقات تشييد الطرق والطرق السريعة

ويستخدم الفولاذ الجاهز في مجموعة واسعة من مكونات الطرق السريعة، من الجسور الرئيسية إلى الرصفات اليومية.

الجسور

وتشكل الجسور الخرسانية الجاهزة حصة كبيرة من الجسور المتوسطة والطويلة المدى التي بنيت اليوم، وتشمل الأمثلة النموذجية ما يلي:

  • Precast I-girders and box girders] — pre-tensioned in factories, then erected side by side and post-tensioned transversely to form a deck.
  • Segmental box girders] — post-tensioned in cantilever erection, allowing spans over 200 meters.
  • " الجسور التي يمكن تركيبها ] - تتألف الكابلات من قطع مهيأة (نظم متعددة) تدعم سطح السفينة.
  • Moveable bridges] — prestressed counter weights and decks reduce weight.

المبالغ

ومن الشائع أن تؤدي المواصفة الثابتة المعززة باستمرار (CRCP) والمواصفة المشتركة للمواقع الخرسانية، ولكن ] الرصفات الخرسانية ] أداء أفضل، ويمكن، من خلال معالجة المقبض، زيادة المباعدة المشتركة إلى 100-200 متر، مما يقلص الصيانة وتحسين نوعية الركوب الصناعي.

الاحتفاظ بالجداول والأعباء

وتفرض المرساة الأرضية التي تلت ارتطامها قيودا على الاحتفاظ بالحوائط وقطع الجسور، مما يوفر الاستقرار على التربة الفقيرة، وتشكل العوائق المثبتة وأظافر التربة بدائل فعالة من حيث التكلفة للمؤسسات العميقة.

تجاوزات وتبادلات

وتُعدّ الغارات المربوطة بعد فترات التشغيل المشتركة في التبادلات المعقدة، مما يتيح تحقيق الاتساق السلس دون دعم وسيط من شأنه أن يعوق حركة المرور أدناه.

مباريات الصوت والحواجز

وتستخدم الأفرقة الجاهزة للبث الجاهز للضوضاء على الطرق السريعة، وتخفض مقاطعتها من نوع الجنس، وتخفض المسافات الطويلة عدد الوظائف المطلوبة.

دراسات الحالة

ميلاو فيانتاج، فرنسا

إن قناة ميلاو هي أحد أطول وأطول الجسور التي تُقيم في العالم، وهي مركبها الخرساني بعد أن تُشن بـ 1860 سلالة إم بي إم على مسافة 2.46 كيلومتراً فقط بسبع فطائر، وتتكون أسلاك الإقامة المتعددة الكوابل من سبع عربات على كل فرد تُرفرفرف وتُحمَّل على نحو مائل لحماية الرياح.

الاتحاد الدولي للبحيرات

ويستخدم جسر الاتحاد، الذي يبلغ طوله 12.9 كيلومترا عبر مضيق شماليبرلاند، أجزاء محددة من نوع سابق ومجهزة مسبقا ومصممة على أساس مطابق ومستمر، وتتطلب البيئة البحرية القاسية حماية ذات جودة عالية من التآكل: فقد تم حفز السلاسل وزرعت الخناق، وعمر تصميم الجسر 100 سنة.

جسر أوريسوند، الدانمرك - السويد

ويجمع جسر أوريسوند بين نطاق رئيسي ثابت على كابل وبين جسور مقتربة مصنوعة من غرزات مربعة مجهزة سلفاً، وقد أدى استخدام الصلب العالي الإجهاد إلى خفض وزن سطح السفينة، مما أتاح المجال للعمود الرئيسي البالغ 490 متراً، وكانت المنافذ مجهزة باستخدام نظام للتغطية بعد التوتر يسمح بالبناء على سطح الماء.

الطريق السريع الأمريكي

وقد جربت عدة وحدات حكومية من وحدات التشغيل الرقمية مع المصفوفات الخرسانية المجهزة مسبقاً، فعلى سبيل المثال، أنشأت شركة ويسكنسن قسماً من الاختبارات على مساحة 250 متراً في 45 من الولايات المتحدة باستخدام لوحات مطولة، وأظهر الرصد على مدى 20 عاماً الحد الأدنى من الكسر والخطأ مقارنة بالرصيف المشترك المتاخم، مما يدل على الفوائد الطويلة الأجل.

اعتبارات التصميم

ويتطلب الاستخدام الفعال للفولاذ الجاهز تصميما دقيقا لمعالجة عدة عوامل حاسمة الأهمية.

Tendon Layout

ويجب وضع تيندونز لتعظيم التخصص في منتصف الفترة (لتعويض اللحظات الإيجابية) وفي الدعم (للحظات سلبية في فترات متواصلة) وفي الهياكل التي تلي فترات التوتر، تُمنح منحنىات لوصف النواقل لتجنب فقدان الاحتكاك الذي يقلل من قوة الضغط.

مناطق الانشراج

وتتطلب الضغوط المحلية العالية في المرساة تعزيز الصلب، وكثيرا ما يتطلب تعزيزا محليا خاصا، ويجب فحص الدفن والقطع والضغوط التي تحمل على أساس أحكام اتفاق الهدنة في فلسطين أو أحكام قانون اليورو.

فقدان الحبيب

وتصنف الخسائر على أنها خسائر فورية (اختصار شديد، احتكاك، مجموعة المرساة) ومعتمدة على الزمن (الإنكماش، وتهدئة الفولاذ) ويجب على المصممين تقدير هذه الخسائر بدقة لضمان بقاء المفترسة الفعالة فوق عتبة أدنى طوال فترة الخدمة.

الكرب والزجاج

ويزيد التسلل داخل العشب المستمر من الانحدار والانحرافات، ويؤدي إلى اختصار إضافي، ويؤثر كلاهما على الكامبر الطويل الأجل، ويلزم حسابهما في التصميم، ولا سيما بالنسبة للجسور البعيدة المدى.

Fatigue and Seismic Behavior

فصناعة الفولاذ حساسة للإجهاد؛ وينبغي أن تكون النطاقات الإجهادية محدودة، وفي المناطق الزلزالية، يمكن أن يسمح عدم قذف الفلزات بسلوك مركزي ذاتي، وتوفر المنافذ المزخرفة قدرا أكبر من القابلية للخصوبة، ولكنها قد تكسر إذا تجاوزت الضلع القدرة.

حماية الكوروز

وبالنسبة للربط بعد الإصطناع، فإن غبار الأسمنت الذي يُحقن في القناة يوفر بيئة ألكالية عالية تُعفي من الفولاذ، وبالنسبة للمنافذ غير المُحتدمة، يُكبَن الفولاذ بالشحوم المثبطة للتآكل ويُطغى في غلاف بلاستيكي، وفي البيئات القصوى، تُستخدم حماية إضافية مثل غرس أو غسيل الأوكس.

حماية الكوروسيون وطولها

إن تآكل الفولاذ المعالج من قبل مصدر قلق بالغ لأن الضغط العالي المتوتر يجعل الصلب قابلاً للاختراق في مهابط الهيدروجين وكسر ضغط الإجهاد، وتحتاج المعايير الحديثة إلى مستويات متعددة من الحماية:

  • Sheathing] — polyethylene or polypropylene ducts for post-tensioning.
  • Grouting] — low-bleed, high-alkalinity cement grout with proper water-cement ratio and sometimes anti-shrink admixtures.
  • Grease] – for unbonded tendons, lithium or calcium-based greases with corrosion inhibitors.
  • Galvanizing] — hot-dip galvanized strands are used in marine environments.
  • Epoxy coating] – — fusion-bonded epoxy coating provides a barrier against chlorides.
  • Cathodic protection] - إعجاب الأنابيب الحالية أو التضحيةية يمكن تطبيقه في ظروف متآكلة للغاية.

ويمنع التدقيق في المرساة، مثل الختم والصرف، تكديس المياه، ويساعد التفتيش والرصد المنتظمين، بما في ذلك الانبعاث الصوتي أو رادار التتبع الأرضي، على اكتشاف القضايا المحتملة في وقت مبكر.

الاستدامة وتكاليف دورة الحياة

ويساهم تركيب الفولاذ في البنية التحتية المستدامة من خلال خفض استهلاك المواد، كما أن جسراً ملموساً مهيأاً يستخدم ما بين 20 و30 في المائة أقل تحديداً و30 إلى 40 في المائة من الفولاذ من بديل معزز للتوسع نفسه، وهذا يقلل مباشرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الأسمنت وإنتاج الفولاذ، علاوة على أن طول مدة الخدمة وانخفاض متطلبات الصيانة تقلل من استخدام الموارد على مدى عمر الهيكل، وقدرة إعادة استخدام وإعادة تدوير المكونات في نهاية الحياة تضيف إلى الفوائد البيئية.

وتبين تحليلات تكاليف دورة الحياة أنه في حين أن التكاليف الأولية قد تكون أعلى بنسبة ١٠-١٥ في المائة، فإن انخفاض تكاليف التفتيش والصيانة والتصليح كثيرا ما يؤدي إلى وفورات صافية بنسبة ٢٠-٣٠ في المائة على مدى ٧٥ سنة، وبالنسبة للطرق السريعة، فإن الوفورات غير المباشرة الناجمة عن انخفاض اضطراب حركة المرور كبيرة.

خاتمة

إن تركيب الفولاذ هو مادة أساسية لبناء هياكل أساسية طويلة الأمد للطرق والطرق السريعة، وقدرتها على تعزيز القدرة على التحميل، والقدرة على الاستمرار، والسلامة، مع الحد من تكاليف استخدام المواد ودورة الحياة، تجعل من الأفضل أن يكون الاختيار للجسور، والرصف، والهياكل المحتفظ بها، وأكثر من ذلك، وتستمر التقدم في نوعية الفولاذ، وحماية التآكل، ومنهجيات التصميم في توسيع نطاق تطبيقاته، نظرا لأن شبكات النقل تواجه متطلبات متزايدة من أجل القدرة على التكيف والقدرة على التنقل، وتظل مهيكلة،

For further reading on prestressing steel and its applications, see ]Prestressed Concrete (Wikipedia) and FHWA Structures Research . Additional technical details are available in AASHTO Specifications and ASTM standards:5