Published in: الهندسة المدنية

البيتون المُسلّح مُسبق الإجهاد – بم يتميز عن البيتون المسلّح العادي؟

Author م. مناس مراد

Published on: 29 أغسطس، 2023

م. مناس مراد

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

يتميز البيتون المُسلّح مُسبق الإجهاد عن البيتون المُسلّح العادي بوجود فولاذ تسليح عالي المقاومة مجهدٍ مسبقاً، وينتج سبق الإجهاد هذا في العنصر حالةً إجهاديةً نهائيةً ملائمةً عند تطبيق الحمولات الخارجية على العنصر، وتكون الخرسانة ذات مقاومةٍ عالية الضغط تتراوح من (350 إلى 600) كغ/سم² حتى تتمكن من تحمُّل إجهادات ضغط التشغيل، وإجهادات ضغط التصنيع، والفكرة باختصار هي تطبيق إجهاد ضغطٍ مسبقٍ على مناطق البيتون التي ستتعرض لإجهادات شدٍّ أثناء فترة الاستثمار. ^[1]

كيف تطورت فكرة البيتون مُسبق الإجهاد مع الزمن؟

– سجّل جيكسون في عام 1886 طريقته مستخدماً فكرة سبق الإجهاد في شدِّ قضبان التسليح ضمن الأنابيب المغلقة.

– قام الألماني ديورنك في عام 1888 بتصنيع بلاطات وجوائز صغيرة بيتونية مسلحة بأسلاكٍ مشدودةٍ مسبقاً، وكان هدفه تجنُّب ظهور الشقوق.

– تحدث الألماني كونن في عام 1907 عن ضياعات مسبق الإجهاد الناشئة عن الانضغاط في البيتون.

– تحدث الأمريكي شتاينر عام 1908 عن ضياعات مسبق الإجهاد الناشئة عن تقلص البيتون.

– طور النمساوي إمبرغر في عام 1923 طريقةً لربط الأسلاك عالية المقاومة في الأنابيب البيتونية بحنيها بحيث تتراوح إجهاداتها (160 إلى 800) N/mm². 

– وضع الفرنسي فريسينيه عام 1982 فكرة المسبق الإجهاد موضع التطبيق مستخدماً بيتون عالي المقاومة، وفولاذ عالي المقاومة آخذاً بعين الاعتبار مختلف الضياعات في مسبق الإجهاد الناتجة عن سيلان وتقلص البيتون، فقد طبق إجهاداً مسبقاً بلغت قيمته حتى 400N/ mm² وحصل على نتائج مرضية. ^[1]

بماذا يتميز البيتون المُسلّح مُسبق الإجهاد عن البيتون المُسلّح العادي؟

1- تخفيض استهلاك المواد بشكلٍ كبير، ويمكن تخفيض وزن العنصر بما يقارب 30 بالمئة كما يمكن تخفيض كمية فولاذ التسليح بما يقارب مرتين ونصف عند استعمال فولاذ عالي المقاومة.

2- في حال البيتون المسلح مُسبق الإجهاد يمكن تشكيل عناصر ذات فتحاتٍ أكبر أو عناصر تتحمّل قوىً خارجيةً أكبر بالإضافة لتحقيق أمانٍ أكبر ضدَّ ظهور التشققات، وبالتالي أماناً أكبر ضدَّ تأثير العوامل الخارجية مع الزمن.

3- زيادة الصلابة وتخفيض السهوم، وزيادة عمر المنشأة عند وجود العنصر في وسطٍ بيئيّ ضار.

4- للبيتون المُسبق الإجهاد قدرةٌ على العودة لوضعه الأصلي دون أن يتأثر بالحمولات الكبيرة، فالتشققات التي تظهر نتيجة الأحمال الكبيرة المؤقتة تنغلق مع اختفاء تلك الأحمال.

5- يُقلّل من الأوزان الميتة، وبالتالي يخفف من الحمولات التصميمية، والتي بدورها تخفّض كلف المساند والأساسات.

6- للبيتون مُسبق الإجهاد مقاومةٌ جيدةٌ على القصّ نتيجة إجهادات الضغط المُسبقة التي تُقلّل من إجهادات الشدّ الرئيسية.

7- يقاوم العنصر البيتوني المُسلّح مُسبق الإجهاد بشكلٍ أفضل الحمولات الديناميكية. ^[4]

ما هي مواصفات فولاذ التسليح عالي المقاومة في البيتون المسلح مُسبق الإجهاد؟

يستخدم في عناصر ومنشآت البيتون المسلح مُسبق الإجهاد فولاذ عالي المقاومة يحتوي على 0.8 إلى 0.7 كربون، و0.7 إلى 1 بالمئة منغنيز، و 0.05 بالمئة من الفوسفور، والكبريت حيث تستخدم الأسلاك المسحوبة على البارد ذات الأقطار 5-12 mm  إما منفردةً أو على شكل حزم.

أما الأسلاك ذات الأقطار الأصغر (2 إلى 4) مم، فتستخدم كضفائر مؤلفةٍ من سلكين، أو ثلاثة، أو سبعة، وتُفضّل الأسلاك الفولاذية المُحززة لأجل التماسك الجيد مع البيتون. تستخدم الأسلاك بشكلٍ منفردٍ في البيتون المسلح مُسبق الإجهاد بطريقة الشدّ السابق، بينما الأسلاك على شكل حزم أو ضفائر في طريقة الشدّ اللاحق. ^[2]

كيف تُنقل قوى الإجهاد المُسبق في عناصر وإنشاءات البيتون المُسلح؟

تنقل هذه القوى تبعاً لنوع الإنشاء، ونوع التسليح، وطريقة تنفيذ الإجهاد المُسبق: ^[3]

1- شدٌّ سابق Pre-tensioning.

2- شدٌّ لاحق Post-tensioning.

1- إجهاد الشدّ المُسبق لتصلُّب البيتون

1- يُشدُّ الفولاذ أولاً بين دعامتين صلبتين ثابتتين، ويمتدُّ التسليح المشدود على كامل طول القالب أو المساند الثابتة.

2- يصبُّ البيتون بعدها في القوالب مباشرةً على التسليح المشدود، وبعد تصلُّب البيتون يُحرّر طرفي التسليح من الدعامتين ثم تقطع أسلاك التسليح بين القوالب، فتطبق هذه الأسلاك قوى ضغط على البيتون.

3- قيمة الإجهاد في الفولاذ عند نهاية العنصر تساوي الصفر.

4- ما عدا منطقة النهايات يكون العنصر مضغوطاً على كامل طوله بقوة إجهادٍ مسبقةً ثابتة، وغالباً ما يكون مسار التسليح مستقيماً.

5- تستخدم في المصانع بهدف إنتاج كمياتٍ كبيرةٍ باستخدام نفس القالب.

6- قد تزود القوالب بأجهزة تسخين تسرّع عملية التصلُّب، وأجهزة التسخين قد تكون كهربائيةً أو على البخار.

7- نظراً لحاجتنا إلى خصائص التحامٍ عالية بين البيتون والفولاذ، فإن القضبان الملساء لا تستخدم، وإنما نستخدم قضبان مُحززة، أو أسلاك مُعصّبة، أو جدائل من أسلاكٍ ملساء.

2- إجهاد الشدّ اللاحق لتصلُّب البيتون

1- يتمُّ صبُّ البيتون داخل الكوفراج أو القالب بعد أن تجهز قنواتٌ لتمرير التسليح عالي المقاومة بداخلها.

2- عندما يتصلب البيتون بشكلٍ كافٍ، ويبلغ مقاومةً معينةً نشدُّ فولاذ التسليح بأجهزة شدٍّ هيدروليكية مستندةٍ على البيتون المُتصلّب ثم نثبت نهايات الكابلات بواسطة وسائط تثبيت لنؤمن استمرارية الضغط على البيتون.

3- من الضروري أن يكون بمقدور الكابلات أن تتحرك، وتتطاول بالنسبة للبيتون أثناء عملية الشدّ لذلك يجب تهيئة قناةٍ لكل كابل قبل صبّ البيتون.

4- هذه الأقنية مصنوعةٌ من مواد مختلفة، وأهمها: صفائح معدنية، أو بلاستيكية، وتكون مُحززةً لكي تتماسك مع البيتون بشكلٍ جيد.

5- تُترك في الأقنية فتحاتٌ تساعد في عملية حقن الروبة الأسمنتية.

ما هي طرق تطبيق قوى سبق الإجهاد وأنظمة وتكنولوجيا التنفيذ؟

يمكن تصنيف الأساليب المختلفة في نقل إجهادات الضغط المُسبق إلى البيتون حسب المبادئ التالية:

1- استعمال الأسمنت الذي له قابلية للتمدُّد إلى الدرجة المرجوة في إحداث الضغط بالخرسانة، والشدّ بالفولاذ.

2- استعمال مماسك مسطحة تُولّد قوة ضغط بين العنصر الإنشائي وركائزه.

3- إحداث الضغط الحلقي ضمن تركيبٍ أسطواني باستخدام أسلاك ملتفةٍ محيطياً بشكلٍ لولبي.

4- تطبيق مبدأ الانحراف والميل المستخدم في المنشأة غير المقررة ستاتيكياً.

5- استخدام مقاطع معدنية ضمن البيتون تبقى هي العاملة حتى لحظة التصلب الأخيرة.

6- الشدُّ الطولي لفولاذ التسليح ميكانيكياً، أو هيدروليكياً، أو كهربائياً، أو كيميائياً. ^[1]

ما هي أنظمة الشدّ الهيدروليكية؟

1- نظام فريسنيت

يتكون من عدة أسلاكٍ متوازية، والتي تثبت في مكانها باستخدام زنبركٍ حلزوني حيث يتمُّ وضع الكابل ضمن ماسورةٍ مرنة قبل وضعه في فورمة الخرسانة، ويتمُّ سحبه حوالي 60 إلى 75 سم من طرفي الماسورة ثم يتمُّ شدُّه، ويُثبّت الكابل في نهايتي فورمة الخرسانة باستخدام المخروط الرابط من أجل شدّه.

2- نظام ماجنيل بلاتون

تستعمل ألواحاً حديديةً تُدعى سندوتشات عوضاً عن المخروط الرابط المستخدم في نظام فريسنيت إلى جانب مواد أخرى.

3- نظام ماك كول

تستعمل سيخاً من سبيكةٍ حديديةٍ عالية المقاومة بقطر 12 إلى 18 مم إلى جانب مواد أخرى. ^[5]

ما سبب اللجوء إلى الخرسانة سابقة الإجهاد؟

1- إعطاء قطاعاتٍ صغيرة على عكس الخرسانة العادية لتغطية بحورٍ كبيرة، وتتحمل أحمالاً عالية.

2- الكابلات المستخدمة يتحمل الواحد منها حوالي 20 طن، وبذلك يخفّف من الحمل الميت. ^[6]