Table of Contents
مقدمة إلى هيكلين محددين مطبوعين
وتشهد صناعة البناء تحولا عميقا مع اعتماد هياكل ملموسة مطبوعة واسعة النطاق من 3D، تُعرف أيضا باسم التصنيع المضاف في مجال التشييد، وتبني هذه التكنولوجيا طبقة مكونات مباشرة من نموذج رقمي، وتمكين من إجراء دراسات جغرافية معقدة، وتقليص النفايات المادية، وسرعة فترات البناء، ودرجة من حرية التصميم المستحيلة باستخدام أساليب الشكل التقليدية، ومن مشاريع الإسكان وجسور المشاة إلى علامات أرضية معمارية وثبات عسكرية، ومن التجارب العملية من 3 دال.
ومع ذلك، فإن طباعة الخرسانة على نطاق هيكلي بجميع الوعود، تستحدث مجموعة من أنماط الفشل تختلف عن تلك التي تُشاهد في الطائفة التقليدية أو الإنشاءات الجاهزة، فالطبيعة المتطورة للخرسانة المطبوعة، وتأثير معايير الطباعة على الممتلكات المادية، والتحديات التي تواجه تعزيز الطبقات، وعدم وجود بيانات أداء طويلة الأجل تؤدي إلى مخاطر جديدة للفشل، ولا يعتبر فهم هذه المخاطر أمراً أساسياً بالنسبة للمهندسين المعماريين والمصممين والمتعاقدين الدائمين والمتعاقدين والمتعاقدين والمتعاقدين والمتعاقدين معهم.
فهم أساليب الفشل الأولي
إن السلوك الهيكلي للخرسانة المطبوعة من 3D يختلف اختلافا جوهريا عن السلوك الخرساني الذي يتم وضعه عادة، والبناء المطبق، وعدم وجود أشكال، والمتطلبات المحددة للخرسانة الجديدة كلها تسهم في نقاط الضعف المحتملة، ويمكن تجميع أكثر أساليب الفشل شيوعا في مشاكل الارتداد بين الطوابق، والكسر، وعدم الاستقرار الهيكلي، وعدم الاتساق المادي، ومسائل التكامل المعزز، والإخفاقات المتصلة بالعجز.
Layer Delamination and Interlayer Bond Strength
وربما كان أكثر طريقة الفشل المعترف بها في الخرسانة المطبوعة من ثلاثية الأبعاد هو الإنزال - الفصل بين طبقات مودعة على التوالي - وفي عضو مختار في التقليد، فإن الخرسانة متجانسة، وفي عضو مطبوع، تمثل كل طبقة مفاصل للبناء، ويجب أن تكون الرابطة بين الطبقات قوية بما يكفي لنقل العصي والضغوط المزرية، وعندما تكون هذه السندات ضعيفة، يمكن للهيكل أن يفصل بين الوصلات، مما يؤدي إلى الفشل المبكر.
وهناك عوامل عديدة تسهم في تردي الطول بين الطوابق، وأهمها " الوقت المفتوح " أو النافذة الزمنية بين الطبقات، وإذا بدأت الطبعة الأساسية في تحديد أو جفاف أكثر من اللازم، فإن الخرسانة الطازجة قد لا تكون رابطة بشكل سليم.
آليات التعقب في المختبرات
ويحدث التعقب من خلال عدة آليات، لكل منها أسباب وعواقب فريدة، ويُعد التكسير في مرحلة مبكرة من البلاستيك أمرا شائعا لأن الخرسانة المطبوعة لها نسبة عالية من المناطق السطحية إلى الحجم، وكثيرا ما تتضمن نسبة منخفضة من المياه إلى الخياطة، ويمكن أن يؤدي التهرب السريع إلى ضغوط متفرقة في المعجن قبل تحقيق مكاسب ملموسة، كما أن التصدع الحراري يثير قلقا آخر، لا سيما مع العناصر التي ترتفع فيها درجات الحرارة.
In Drying declineage cracking occurs as the printed concrete loses moisture over time, particularly if the mix has a high cement content or uses supplementary cementious materials that require careful curing. Additionally, because printed concrete lacks continuous coarse aggregate in the same way as conventional concrete, it can be more prone to microcracking at the paste-aggregate detection interface.
عدم الاستقرار الهيكلي والتبديل
ونظراً لأن الطباعة تحدث في كثير من الأحيان دون دعم مؤقت، فإن الطبقات المفجرة حديثاً يجب أن تحمل وزن طبقات لاحقة بينما لا تزال في حالة بلاستيكية أو شبه متشددة، مما يفرض حالة محدودة فريدة: تُلقي أو تنهار أثناء البناء، ويمكن أن يحدث الفشل إذا كانت الطبقات الدنيا لينة جداً، فإن سرعة الطباعة مرتفعة جداً، أو أن تخلق طبقة التحميل العالية.
وحتى في الحالة المكدسة، قد يكون للهياكل الخرسانية المطبوعة 3D جدران أضعف من العناصر التقليدية، كما أن عدم التعزيز المستمر يمكن أن يقلل من قابلية الطقوس، مما يجعل النظر في هذه المغالطات أكثر أهمية تحت حمولات مضغطة أو مجمعة، وفي الجدران المطبوعة الواسعة النطاق، يمكن أن يحدث عدم استقرار خارج نطاق الخطة إذا كانت الدعم الأفقي غير كاف، وهذا الأسلوب الفشل خطير للغاية لأنه يمكن أن يحدث فجأة دون إنذار.
عدم الاتساق المادي والمناطق الضعيفة
ويمكن أن تتباين نوعية الخرسانة المطبوعة في إطار هيكل واحد بسبب عدم الاتساق في المزيج أو نظام الاقتحام أو الظروف البيئية، ويمكن أن تؤدي الاختلاط في الأوزة إلى توقف أو تفاوت في معدلات الإبطال، مما يؤدي إلى فراغ أو فراغات ضعيفة، وقد يؤدي الخلط غير الكافي إلى تفاوت في محتوى الأسمنت أو محتوى الماء أو التوزيع الكلي، مما يؤدي إلى نشوء مناطق محلية ذات قوة أو إجهاد أكبر.
وثمة شاغل آخر هو ما يسمى " الأثر المشترك القديم " ، وحتى مع استمرار الطباعة، إذا تجاوزت الفجوة الزمنية بين الطبقات المتعاقبة الوقت الأولي للوضع، فإن الواجهة قد تتصرف مثل مفاصل للبناء، مما يقلل من العمل الاحتكاري للجدار، ولا يمكن اكتشاف هذه المناطق الضعيفة عن طريق التفتيش الخارجي، بل يمكن أن تقلل بدرجة كبيرة من قدرة الحمولة ومن مقاومة الرادار الدهون.
تعزيز قضايا التكامل
وفي حين أن بعض الهياكل الخرسانية المطبوعة التي تستخدم ثلاثية الأبعاد تعتمد فقط على القوة المضغوطة للمواد المطبوعة، فإن الكثير منها يتطلب تعزيز الصلب للتعامل مع قوى القذف، ويصعب من الناحية التقنية إدماج التعزيز في عملية الطبق الواحدة، وتشمل النهج المشتركة وضع قضبان أفقية معززة بين طبقات )التي يمكن أن تعطل السندات(، وإدخال الاتجاهات الرأسية بعد الارتطام، أو استخدام الألياف القصيرة في المزيج.
وعندما لا يكون التعزيز متكاملاً على النحو المناسب، فإن الهيكل المطبوع قد يتصرف بطريقة رشيقة، ففي حدث زلزالي مثلاً، يمكن أن يفشل جدار مطبوع يفتقر إلى الصلب المستمر في قذيفة دون تشوهات كبيرة، كما أن الوصلات البينية حول التعزيزات المدمجة يمكن أن تكون أيضاً طائرات ضعف إذا لم يتم ربط الخرسانة المحيطة بها على النحو الصحيح. Beam and column elements
عدم الاستقرار البيئي والعمري
ولا تزال هناك دراسة لقابلية الارتحال الطويلة الأجل بالنسبة للخرسانة المطبوعة الكبيرة، ولكن أنماط الفشل المحتملة تشمل تلف المطاط، ورد الفعل الكليلي - السيليكا، والهجوم على الكبريت، والتآكل الناجم عن الكربون لأي حد من الصلب المدمج، وقد يؤدي الهيكل المطبق إلى حدوث مسارات لضخ المياه على امتداد المناطق المتقاطعة، مما يؤدي إلى تدهور طفيف في النص، وإلى ارتفاع درجة المواصفة في بعض المزجات المطبوعة.
دراسات الحالة والدروس المستفادة من الممارسة
وتعطي التجارب في العالم الحقيقي معلومات قيمة، ففي حالة موثقة، شهدت سلسلة من الأحذية الخرسانية المطبوعة في هولندا تفككاً بسبب التقلص المتفاوت بين الطبقات المطبوعة والوصلات القائمة على الطبق في الموقع، وفي حالة أخرى، أدى مشروع الإسكان المطبوع في الصين إلى إزالة الأسلاك على طول طبقات بعد حدث هطول الأمطار الغزير، ويعزى ذلك إلى عدم كفاية قوة السندات وعدم اكتمال عملية الإغلاق.
استراتيجيات التخفيف وأفضل الممارسات
وتتطلب أساليب منع الفشل نهجا متعدد الجوانب يشتمل على تصميم المواد، ومعايير الطباعة، والهندسة الهيكلية، وضمان الجودة، والاستراتيجيات التالية مستمدة من البحوث الحالية والخبرة العملية.
المطبوعات
ويجب أن تخضع عملية الطباعة ذاتها للرقابة الصارمة، كما أن البارامترات مثل ارتفاع طبقة، وسرعة النور، ومعدل القذف، والمسافة المتوقفة تؤثر مباشرة على قوة السندات بين الطوابق، وتقليص الفجوة الزمنية بين الطبقات التي تبقيها يدوياً تحت رابطة المواد التي تحدد الوقت، وتستخدم بعض الطابعات تقنية تسمى " ربط التداخل التفاعلي " حيث تُطبق طبقة رقيقة من المعجن أو عامل إجهاد.
اختيار المواد وتصميمها
ويجب أن يُصمم هذا المزيج الخرساني لإمكانية الطباعة (التدمير، والتراكم، والزمن المفتوح) فضلاً عن الخصائص الميكانيكية والقابلية للاستمرارية.
استراتيجيات التكامل المعزز
وفيما يتعلق بالهياكل التي تتطلب تعزيزاً، توجد عدة نُهج، ويجب أن تكون القضبان الصلبية أو الميدالية التي كانت موجودة في المسار المطبوع قبل الاصطدام، وهي طريقة واحدة يمكن التحقق منها، ولكنها تحد من حرية التصميم ويمكن أن تستغرق وقتاً طويلاً، وتتمثل طريقة أخرى في وقف الطباعة بحيث تُدرج التعزيزات الأفقية بين طبقات، وضمان التغطية الكافية.
ما بعد التجهيز والتمرير
ويمكن أن يبدأ العلاج السليم في الخرسانة المطبوعة من 3D بسبب مساحة سطحها الكبيرة المعرضة، كما أن رش المياه، وتطبيق مركبات العلاج، أو التغطية بالحرق الرطب، بعد الترسب مباشرة، وفي بعض الحالات، تستخدم الضيوف المسخنة أو نظم التضليل في التحكم في درجة الحرارة والرطوبة، ويعزز التكسير بين الطوابع بمنع تجفيف مناطق الوصل بينية قبل الأوان. [العملية: صفر]
التصميم الهيكلي والتحليل
ويجب أن يُحسب التصميم الهيكلي للطبيعة المسببة للخرسانة المطبوعة، وهذا يعني استخدام قيم القوة المخفضة للمناطق المتقاطعة في التوترات والخرافات، كما يتبين من المبادئ التوجيهية الناشئة للتصميم، مثل تلك الواردة في اتفاقيتي ACI 564 ورقم SIA 2050، وينبغي أن يُستخدم تحليل العناصر الأساسية الثابتة لقياس الأرض، بما في ذلك إمكانية وجود وصلات بينية ضعيفة.
الرصد ومراقبة الجودة
(ب) ينبغي أن تُجرى مراقبة الجودة في العمليات وفي الهيكل المكثف، ويشمل الرصد في العمليات فحص ارتفاع طبقة المياه وطولها، والسرعة المطبوعة، واتساق التصريف، وكشف حالات انقطاع أجهزة الاستشعار، ويمكن للنظم الآلية أن تُسجل جميع معايير الطباعة وانحرافات العلم، وبعد الطباعة، ينبغي إجراء اختبار غير مدمر مثل اختبارات الانقلاب المفرط، أو اختبارات القوة الرقمية، أو اختبارات القبول في الاختبارات.
الاتجاهات المستقبلية في مجال منع الفشل
وستؤدي البحوث إلى تقدم سريع لمعالجة هذه الأنماط الفشلية، وستتيح التطورات في في مجال الاستشعار عن الجودة ] (مثلاً، باستخدام الانبعاثات الصوتية أو المسبارات الفوقية) الكشف عن الطبقات الضعيفة في الوقت الحقيقي، ويمكن أن تتنبأ خوار التلميذات التي يتم تدريبها على البيانات المطبوعة بمخاطر التسربة وتكيف مع نظم جديدة للبناء.
خاتمة
إن الهياكل الأساسية المطبوعة ذات النطاق الكبير والتي تبلغ 3D تنطوي على إمكانات هائلة لإعادة تشكيلها، ولكن أساليب الفشل الفريدة التي تتبعها تتطلب اهتماماً صارماً من خلال التكليف، ولا يمكن أن تصبح إزالة الخيوط، والشق، والثغرات المادية، ومسائل التعزيز، ومشاكل القابلية للاستمرار، تحديات هندسية يمكن إدارتها بعلم مادي سليم، ومراقبة العمليات، والتصميم الهيكلي، وذلك بتنفيذ استراتيجيات التخفيف المبينة هنا، وبقاء الهياكل الأساسية المطبوعة.
For further reading, see the American Concrete Institute’s Committee 564 on 3D Printing with Cementitious Materials, the research from ]Eindhoven University of Technology], and ISO/ASTM standards on additive manufacturing (ISO/ASTM 52900 series).