المنشآت الفولاذية

تعدّ المنشآت أحد الاحتياجات البشرية الأساسية ورمز حضارة الشعوب، ويمكن تصنيف المنشآت تبعاً لوظيفتها إلى سكنية وتجارية ومؤسساتية وصناعية وصالات عرض ومنشآت خاصة كالجسور وأبراج نقل الطاقة والمنشآت البحرية وغيرها. ويمكن بناء كل منها بأنواع مختلفة من المواد كالبيتون والفولاذ و الفولاذ الإنشائي المدرفل المصنَّع على شكل مقاطع، ولكل من هذه المواد ميزاتها وتفوقها في أنواع معينة من المنشآت.

ويتكون الفولاذ الإنشائي من خلائط الحديد مع نسب محددة من الكربون ومعادن أخرى كالمنغنيز والكروم والنحاس وغيرها، ويكون المحتوى الكربوني أقل من 0.25% والمنغنيز أقل من 1.5%، أما بقية العناصر فتكون نسبها أقل من ذلك بكثير، وتحدد كمية العناصر في الخليطة خواص الفولاذ كمقاومته strength ومطاوعته ductility وقساوته toughness.

وتُعزى مقاومة الفولاذ للصدأ إلى احتواء خليطته على النحاس، كما أن للعمليات الإنتاجية ـ

كمعدل التبريد والإسقاء والسحب والتشكيل ـ آثاراً مهمة في البنية الميكروية للفولاذ حيث تؤدي إلى حجم أصغر للحبيبات مما يحسن خصائصه.

لمحة تاريخية

صنع الفولاذ أولاً بكميات كبيرة للسكك الحديدية، ثم بدأ سحب المقاطع الفولاذية المختلفة كالزوايا والمقاطع على شكل مجارٍ في عام1870 فأصبح الفولاذ أكثر صلابة وأقل هشاشة. وتم اختيار الفولاذ في عام 1889 مادة بناء أساسية لإشادة برج إيفل في باريس بارتفاع 300م، وتطورت في الوقت ذاته تقريباً تكنولوجيا الأبنية العالية ذات الإطارات الفولاذية في مدينة شيكاغو في أمريكا بسبب غلاء الأرض والنمو المتسارع للأعمال فيها.

فقام المهندس المعماري ويليم جيني William Le Baron Jenneyبتصميم مبنى شركة التأمين على المساكن Home Building Insurance Company الذي يتألف من عشرة طوابق في عام 1885 حيث نُفذ تقريباً بكامله من المعدن، فكانت الأعمدة من الحديد الصب cast-iron والجوائز من الحديد المطاوع wrought-iron وتم تغليف الإطارات بالآجر أوالبلاط الفخاري لضمان الحماية من الحريق لأن الحديد يبدأ بفقدان مقاومته إذا تعرض لحرارة تزيد على 400 ْم.


استمر بعد ذلك بناء الأبنية العالية الفولاذية ولكن باستعمال جوائز شبكية شاقولية كجمل تربيط vertical truss bracing systemلمقاومة قوى الرياح.

ولعظم الأحمال الشاقولية المنقولة إلى أساسات هذا النوع من المباني، ولضعف تربة التأسيس الغضارية في مركز شيكاغو اُستخدمت أوتاد خشبية دقت في التربة إلى أن وصلت إلى الطبقات الصخرية الصلبة bedrock ثم طُورت هذه الطريقة في التأسيس فحفرت آبار شاقولية يدوياً وصولاً إلى طبقات الصخر الصلبة ومُلئت هذه الآبار بالخرسانة لتستند عليها الأعمدة الفولاذية.


وفي عام 1895 اُستكمل تكنولوجياً إنشاء الأبنية العالية باستخدام مقاطع فولاذية مسحوبة على الحامي على شكل I كعناصر للإطارات، مع وصلات براغي وتباشيم بين هذه العناصر كما استخدمت جمل تربيط قطرية لمقاومة الرياح diagonal wind bracing مع تباليط فخارية لمقاومة الحرارة وآبار اسكندرانية خرسانية caisson foundation لسند الأحمال الشاقولية.

بعد الحرب العالمية الثانية بدأت الفترة الذهبية الثانية للأبنية العالية الفولاذية إذ بدأ عدد سكان العالم بالتزايد وكذلك اقتصاده بالاتساع والازدهار، وأحب عندها مهندسو العمارة فكرة المبنى العالي الذي يبدو موشوراً زجاجياً نتيجة تنفيذ الجدران الخارجية على شكل ستارة زجاجية glass curtain wall.

ومع أن هذه الفكرة تعود إلى عام 1920 فقد طورت ونفذت بشكلها الصحيح بعد الحرب العالمية الثانية، حيث ثُبت الزجاج على إطارات من الألمنيوم واستخدم المطاط لإحكام الكتامة بين الوصلات ضد العوامل الجوية فنفذ مبنى الأمانة العامة للأمم المتحدة في عام 1949 في نيويورك مثالاً نموذجياً على هذا النوع من المنشآت. الشكل (1).

وفي مطلع السبعينيات صار الاقتصاد في تصميم الأبنية العالية وتنفيذها مطلباً رئيسياً، فابتكر المهندس فزلور خان Fazlur Khanجملة تربيط قطرية خارجية في مبنى جون هانكوك John Hancock في شيكاغو (الشكل 2) ذي المئة طابق فشكلت أنبوباً صلباً بارتفاع 343م؛ مما خفض استهلاك الفولاذ إلى 145كغ/م² في حين بلغ استهلاك الفولاذ 275كغ/م² في مبنى إمباير ستيت Empire State Buildingفي نيويورك والتي استكمل بناؤها في مطلع الثلاثينيات من القرن العشرين.

وبعد فترة قليلة في عام 1973 استخدم المهندس خان الفكرة نفسها في تصميم برج سيرز Sears Tower ذي 110 طوابق بارتفاع 443م في شيكاغو، وكان إلى سنوات قليلة يُعد أعلى مبنى في العالم. (الشكل 3).

1.ـ أنواع المنشآت الفولاذية:

يمكن تصنيف المنشآت الفولاذية إلى الأنواع الآتية:

أ - منشآت متعددة الطوابق multistory تتألف أساساً من إطارات صلبة أو إطارات مربطة braced frames (الشكل 4).

يجب أن تقاوم الجمل الإنشائية structural systemsالمستخدمة في الأبنية العالية الأحمال الجانبية كما يجب أن توفر حلاً اقتصادياً بحيث تُستخدم المواد استخداماً فعالاً.

فأكثر الجمل الإنشائية فعالية تلك التي تقاوم القوى الجانبية من دون زيادة تذكر في استهلاك المواد عن تلك اللازمة لمقاومة الأوزان الشاقولية، أي لا تنتج كلفة إضافية عن الزيادة في ارتفاع البناء. وبناء على هذا تصنف الجمل الإنشائية في الأبنية العالية كما يأتي:

- جملة الإطارات الصلبة rigid frames حيث تنفذ الوصلات بين الجوائز والأعمدة على نحو صلب بوساطة اللحام. ويتم تأمين المقاومة الجانبية بالوصلات الصلبة. يمكن استخدام هذه الجملة حتى ارتفاع 90 متراً من دون زيادة في الكلفة نتيجة الارتفاع.

- جملة إطارات صلبة مع جوائز قص شبكية شاقولية vertical shear trusses أو جدران قص بيتونية concrete shear walls وذلك من أجل صلابة جانبية أكبر للبناء lateral rigidity.

تستخدم هذه الجملة حتى ارتفاع 150 متراً. الشكل (5).

- الجملة الإطارية الأنبوبية framed tube structure حيث تتألف من أعمدة متقاربة على محيط البناء فتزداد الصلابة الجانبية مما يسمح باستخدام هذه الجملة حتى ارتفاع 300 متر. (الشكل 6).

- الجملة الشبكية الأنبوبية trussed tube مع أعمدة داخلية حيث يستخدم تربيط قطري diagonal bracing على محيط البناء من كل الجهات. يرفع هذا التربيط مقاومة البناء الجانبية كثيراً مما يسمح باستخدام هذه الجملة حتى ارتفاع 360 متراً من دون زيادة تذكر على تكلفة البناء نتيجة الأحمال الشاقولية. (الشكل 7).

- جملة رزمة الأنابيب bundled tube تتألف من مجموعة من الإطارات الأنبوبية جُمّع بعضها مع بعض لتعطي مقاومة جانبية أكبر وتصبح هذه الجملة عملية بدءاً من ارتفاع 75 متراً. استخدمت هذه الجملة في بناء برج سيرز Sears Towerفي شيكاغو. (الشكل 3).

ب ـ المنشآت الفولاذية ذات المجازات الطويلة long-span steel structures


يعد الفولاذ المادة الأساسية في المنشآت ذات المجازات الكبيرة حيث استخدمت الهياكل الإنشائية المنعطفة ـ التي كانت تستخدم سابقاً في بناء الجسور ـ في إشادة الأبنية ذات المجازات الكبيرة كالجوائز الصفائحيةplate girdersوالجوائز الشبكية trusses.

تُصنع الجوائز الصفائحية من صفائح فولاذية لتشكل مقاطع على شكل حرف Iأكبر من مثيلاتها القياسية المصنعة بالسحب على الحامي وتستخدم الجوائز الصفائحية لتغطي مجازات حتى 60 متراً (الشكل .

في حين تتشكل الجوائز الشبكية من عناصر خطية قياسية مسحوبة على الحامي.

ُتجمع هذه العناصر باللحام أو البراغي على أشكال مثلثية متوازنة.

وتخضع العناصر الخطية للضغط أو الشد.

ويمكن أن يبلغ المجازspan الذي تغطيه الجوائز الشبكية 180 متراً.

ج ـ منشآت فراغية space structures حيث تتكون من جوائز شبكية فراغية

د ـ المنشآت المعلقة ذات الأسقف المعلقة cable-supported roof structures تشكل المنشآت المعلقة جملة إنشائية مشتقة عن منشآت الجسور المعلقة حيث تتكون من أسقف مستوية معلقة إلى الأعلى بكبول فولاذية تشع إلى الأسفل من رؤوس صوارٍ masts أعلي من مستوى السقف (الشكل 9).

وقد نفذت بهذه الجمل الإنشائية منشآت بمجازات حتى72 متراً.

هـ ـ منشآت وحيدة الطابق: وتتألف أساساً من إطارات صلبة rigid frames (الشكل 10) أو من جوائز شبكية وأعمدة stanchion (الشكل 11).

يبين هذان الشكلان مبنيين نموذجيين يتألف كل منهما من طابق واحد مشاد من صفائح تغطية وعناصر فولاذية ثانوية (سكك الجدران وجوائزالسقف الثانوية) ومن إطارات رئيسية.

ـ طبقات التغطية


تتألف طبقة التغطية cladding الرئيسية غالباً من صفائح فولاذية مطلية بطبقات مقاومة للصدأ حيث تُغطى الصفائح الفولاذية بطبقة من التوتياء (غلفنة) تليها طبقة دهان أساس (برايمر primer) ومن ثم طبقة دهان للوجه الخارجي لتعطي اللون المناسب أو طبقة بوليستر للوجه الداخلي.

تتألف طبقة الغلفنة من طبقة منتظمة من التوتياء بنسبة 98.5% ويتم تنفيذها بعملية تغطيس مستمر للصفائح في محاليل التوتياء الساخنة.

ويجب ألاّ يقل وزن طبقتي الغلفنة على وجهي الصفيحة عما هو مبين في الجدول الآتي حسب المواصفات البريطانية:


عندما تتعرض طبقة التوتياء للعوامل الجوية تتآكل ببطء حتى تُستَهلَك في النهاية. وتعتمد سرعة التآكل على الظروف المحيطية فتكون سريعة في البيئة الصناعية الملوثة وفي البيئة البحرية، وتكون ديمومة الغلفنة كبيرة جداً عندما تكون الشروط المحيطية غير عدوانية وعلى كل الأحوال كلما كانت طبقة الغلفنة أسمك كانت مدة بقائها أطول.

يتم إعطاء صفائح التغطية صلابة كافية وذلك بتمويجها أو بتضليعها على البارد بأشكال مختلفة كما في (الشكل 12) وذلك كي تكون قادرة على تحمل الأحمال الحية التي يمكن أن تُطبَّق عليها خلال عمليات التركيب والصيانة والاستثمار، ويُحدد تحمل صفائح التغطية حسب أشكالها من نشرات المواصفات التي تصدرها الشركات المصنِّعة.

ويجب أن تكون طبقات التغطية كتيمة ضد العوامل الجوية، وأن توفر عازلية حرارية مناسبة، وأن يكون منظرها جميلاً، وأن تدوم فترة طويلة مع الحد الأدنى من الصيانة.

تختلف مواصفات طبقات تغطية الأسقف عن مواصفات طبقات تغطيةالجدران إلى حد ما، حيث تزداد متطلبات الكتامة في الأسقف في ضوء الطلب المتزايد على تخفيض زاوية ميل الأسقف.

يمكن أن يتم إنشاء طبقات التغطية على أشكال مختلفة من أهمها:

طبقة تغطية ثنائية القشرة double shell cladding

تتألف طبقة التغطية (الشكل 13) من طبقة صاج خارجية مموجة أو مضلعة بسماكة لا تقل عن 0.7مم وطبقة صاج داخلية سماكتها لا تقل عن 0.4 مم مع بعض التضليع.

توضع بين طبقتي الصاج طبقة من الصوف الزجاجي لتضمن عازلية حرارية لاتقل عن ْc0.44W/m² C وتكون سماكة طبقة العزل عادة نحو 80مم.

تركب طبقة الصاج الداخلية وتثبت أولاً على الجوائز الثانوية أو سكك الجدران، ثم يتم تركيب عناصر على شكل Z لتحديد المسافة بين طبقتي الصاج وجمعهما معاً ثم تفرد طبقات العزل ويركب بعدها طبقة الصاج الخارجية بوساطة براغي كما في (الشكل 13)، وتتطلب شروط العزل المائي ألا تقل زاوية ميل التغطية عن 4 ْ.

طبقات تغطية من ألواح مركّبة composite panels

تُعدّ من أهم نظم التغطية المتطورة التي تضمن حلاً لأغلب مشكلات التغطية المعدنية، حيث تحقن المادة الرغوية العازلة foam بين طبقتي الصاج في المعمل تحت ضغط محدد لتملأ كامل الفراغ بين طبقتي الصاج فتعمل المادة العازلة بعد تصلبها على نحو مشترك مع صفيحتي الصاج، فينتج ألواحاً صلبة قادرة على تحمل الأحمال الخارجية.

وعليه تحدد مقاومة الألواح بالعمل المشترك لطبقتي الصاج والمادة العازلة المحقونة بينهما وتحدد الشركات المصنعة مثل هذه الألواح الأحمال الحية التي يمكن تحملها، ويبين الشكل (14) نموذجاً من هذه الألواح.

ـ العناصر الثانوية secondary elements

العناصر الثانوية هي العناصر التي تسند طبقات التغطية سواء في الأسقف أم الجدران وتنقل حمولاتها إلى العناصر الإنشائية الرئيسية. ويبين الشكل (15) هذين النوعين من العناصر الثانوية، ويقتضي حسن أداء طبقات التغطية وشروط التقييد الجانبي للعناصر الإنشائية الرئيسية أن يكون التباعد بين العناصر الثانوية بين 2-12م.

تُصنع مقاطع العناصر الثانوية بأشكال مختلفة من الفولاذ المدرفل على الحامي أو من الصاج المشكل على البارد.

وبينت الدراسات والتطبيقات العملية أن المقاطع المشكّلة على البارد هي الأكثر اقتصادية.

وكان أول هذه المقاطع إنتاجاً المقطع على شكل Z حيث استخدمت المادة استخداماً فعّالاً ولكن محاورها الرئيسية تميل على مستوي الجسم.

ولهذا طورت مقاطع على شكل ∑ حيث يمر مستوي الأحمال المطبقة من مركز صلابة المقطع (الشكل 15).

وفي كل الأحوال يقدم مصنعوا هذه المقاطع جميع المعلومات الضرورية عن هذه المقاطع التي تمكِّن المصممين من اختيار المناسب منها.


ـ الإطارات الرئيسية primary frames

تسند الإطارات الرئيسية العناصر الثانوية التي تحمل صفائح التغطية حيث تنتقل الأحمال المطبقة على صفائح التغطية إلى العناصر الثانوية، ومنها إلى الإطارات الرئيسية التي تنقلها بدورها إلى الأساسات.

ويبين(الشكل 16) أبسط أنواع الإطارات حيث يتألف من جائز أفقي وعمودين.

ولكن ضرورات تصريف مياه الأمطار تقتضي أن يكون للسطح ميل محدد يتم الحصول عليه إذا كان المجاز صغيراً (أقل من 10م) عن طريق إنهاءات السطح، أما إذا كان المجاز كبيراً فعن طريق إمالة الجائز عن الأفق، لكن المتطلبات المعمارية تقتضي أن يكون هذا الميل بحده الأدنى وزاوية الميل الأكثر شيوعاً هي نحو6 ْ.

ويبين (الشكل 17) أكثر أنواع الإطارات شيوعاً.

تكون جملة الجائز الشبكي والعمودين المبينة في(الشكل 17- أ، ب، ج) مفيدةً واقتصاديةً عندما يكون المجاز كبيراً، حيث تتألف عناصر جسم الجائز الشبكي من زوايا مدرفلة على الحامي، أما الوتران العلوي والسفلي فيتألفان من زوايا أيضاً أو مقاطع T لأن وصل مقاطع T أسهل حيث لا يحتاج إلى صفائح وصل.

أما إذا كانت الأحمال المطبّقة على الجائز الشبكي كبيرة فيمكن أن تكون عناصر الجائز الشبكي مقاطع مجراية أو I مدرفلة على الحامي حسب الحاجة.

تعدّ جملة إطار الباب portal frame المبينة في (الشكل 17 د) من أكثر الجمل شيوعاً في الأبنية وحيدة الطابق حيث يمكن أن يبلغ مجازه 60م، ويتكوّن الإطار تقليدياً من مقاطع I قياسية مدرفلة على الحامي إلا أن الفهم المتزايد لتصرف العناصر النحيفة أدى إلى الانتشار الواسع لاستخدام العناصر الصفائحية متغيرة العطالة في أعمدة الجملة وجوائزها وذلك بغية الوصول إلى حلول اقتصادية.

تراوح المسافة بين الإطارات من 6-8م ويراوح ارتفاع الإطار إلى نقطة اتصال الجائز بالعمود (الركبة eaves) من 6-15م.

2ـ الحماية من الحريق fire protection

تتعرض المنشآت الفولاذية لإجهادات كبيرة في أثناء الحريق حيث تصل درجة الحرارة إلى نحو 1200ْم في حين أن درجة الحرارة الحرجة للفولاذ هي نحو 550مْ، عندها ينخفض إجهاد سيلان الفولاذ yield stress إلى 70% من قيمته عند درجة حرارة 20مْ، وتعرف إمكانية تحمل العناصر الفولاذية للأحمال المطبقة عليها لدى تعرضها للحريق بمقاومة الحريق، ويعبر عن ذلك بدلالة الفترة الزمنية التي تستطيع الصمود طوالها (2/1 ، 1 ، 2، 4 ساعة)

ويبـين (الشكل 18) أمثلة على طرق الحماية المتبعة للأعمدة والجوائز في الإطارات الفولاذية:

- غلاف بيتوني صلب للأعمدة solid concrete protection-

كما في الشكل (18- أ) يساعد أيضاً على تحمل أحمال العمود، ويمكن استعمال الطريقة نفسها لتغليف الجوائز.

وأثبتت التجارب أن سماكة 50مم من الخرسانة توفر حماية ضد الحريق مدة ساعتين إلا أن هذه الطريقة مكلفة وتحتاج إلى صب الخرسانة في قالب حول العنصر الفولاذي.

- غلاف من الآجر brickwork encasement

حول أعمدة البناء كما في الشكل (18- ب) حيث يستعمل الآجر في بناء الجدران، وحماية الأعمدة من الحريق ويعدّ هذا النظام من أكثر الأنظمة شيوعاً.

الغلاف المجوف hollow casing:

ينفذ على شكل وحدات من ألواح الجبصين مسبق الصنع تركب على شبك معدني، فتشكل صندوقاً حول المقطع الفولاذي كما في الشكل (18- ج).

غلاف على شكل المقطع profile casing: حيث يتم بخ المونة الإسمنتية على سطوح العنصر الفولاذي كما في الشكل (18- د) فتضمن طبقة من المونة الإسمنتية سماكتها 38مم حماية مدة ساعتين.

ويعدّ هذا النوع من الحماية من أرخص أنواع الحماية وأكثرها فعالية فيغلف أكثر الأشكال تعقيداً إضافة إلى الوصلات، إلا أنه غير جميل المنظر، وبالتالي يستخدم للعناصر المخفية خاصة فوق الأسقف المستعارة.

- طلاء انتفاخي مقاوم للحريق intumescent coating:

تنفذ طبقة الطلاء بسماكة 1مم تقريباً تحتوي مركباً يطلق غازات عند تعرضه للحرارة فينتفخ الطلاء متحولاً إلى رغوة كربونية سميكة عازلة للحرارة.

الحماية من الصدأ corrosion protection

يتعرض الفولاذ للصدأ على نحو خاص، فيتأكسد الحديد بوجود الهواء والماء والملوثات الأخرى ولهذا من الضروري تنفيذ طبقة حماية للمنشآت الفولاذية ضد الصدأ. واختيار نظام الحماية يعتمد على نوع التلوث ودرجته والعمر المطلوب للمنشأ الفولاذي

. فاختيار نظام الحماية وتنفيذه تنفيذاً صحيحاً يمنح المنشأ عمراً أطول من دون صيانة.

ومن أهم العوامل التي تؤدي إلى نجاح نظام الحماية هو تحضير سطح الفولاذ جيداً؛ لأن كل المنتجات الفولاذية المسحوبة على الحامي تكون مكسوة بطبقة رقيقة من أكسيد الحديد، فإذا لم تزال هذه الطبقة فإنها تتقشر نتيجة تعرض العناصر الفولاذية للتشوهات تحت تأثير الأحمال فيصبح الفولاذ عرضة للصدأ.

ولهذا تجب إزالة هذه الطبقة قبل دهان العناصر الفولاذية. وتحضر السطوح الفولاذية بإحدى الطرق الآتية:

ـ التنظيف اليدوي باستخدام الفراشي الفولاذية.

ـ التنظيف باللهب لإزالة الطبقة المتأكسدة السطحية.

ـ التغطيس بحوض من الأسيد فتنحل الأكاسيد والصدأ من دون مهاجمة الفولاذ.

ـ التنظيف بصفع سطوح الفولاذ بالرمل.

بعد تحضير السطوح تطلى بإحدى طبقتي الحماية الآتيين:

ـ طلاء معدني metallic من التوتياء أو الألمنيوم يبخ مصهوراً على سطوح الأجزاء الفولاذية أو ينفذ بتغطيس العناصر الفولاذية بحمام ساخن من التوتياء المصهورة.

[size=9] تسمى هذه الطريقة بالغلفنة galvanization وتعتمد سماكة طبقة الغلفنة على مدة التغطيس وعلى سرعة سحب القطع الفولاذية من التوتياء المصهورة.[/size]

ـ طلاء غير معدني non-metallic يتألف من طبقة أساس من كرومات التوتياء أو الفوسفات ومن ثم طبقة طلاء نهائية من أكاسيد الحديد أو الإيبوكسي أو غيرها.