تتكون الأبنية أو المنشآت الخرسانية المسلحة من العناصر الحاملة و مختلفة من البلاطات بمختلف أنواعها و العتبات ثم الأعمدة والأساسات ، كما أن هناك عناصرملحقة بها كالروابط ( الشيناجات ) والجدران الاستنادية في الأقبية. يمكن أن تكون الاتصالات بين العتبات و الأعمدة وثيقة فتكون الإطارات و خاصة في المنشآت الهامة ذات الفتحات الكبيرة من صالات و غيرها . وهناك عناصر أخرى خاصة بمقاومة الزلازل من جدران قصية أو إطارات تتحمل الدفع الأفقي الكبير الناتج عنها. وسوف نستعرض في هذا الفصل مظاهر الضعف أو التوهن التي يمكن أن تشاهد في عناصر الخرسانة المسلحة من بلاطات وجيزان وأعمدة وأساسات وكذلك في الروابط بين الأساسات ثم في الاطارات .

أسباب تقوية المنشآت الخرسانية :

خرسانة السيئة الجودة ، التسليح غير سليم ، صب السيئ للخرسانة ، مواد رديئة الجودة ، أخطاء التصميم ، الأخطاء التنفيذية ، زيادة الحمل ، تأثير الظروف البيئية المدمرة وخطر الزلازل في معظم أنحاء العالم ، من بين العوامل التي تضعف الهياكل الخرسانية و تزيد من حاجتها لتقوية المبنى.

كثير من المبنى التي صممت حسب كودات ما قبل سنة 1970 ، لديها مشاكل في حديد التسليح مثل انخفاض قدرة النزوح الجانبي . القدرة على تبديد الطاقة تكون المنخفضة ، تدهور المقاومة ، حدث الآليات في النواحي الحساسة في الهيكل . وكلها تؤدي إلى انهيار وتدمير الهيكل. من اسباب ضعف في القوة المطيلية ، مقاومة القص الضعيفة للروابط و تكون بسبب عدم تطبيق حديد التسليح العرضي في نواة الرابط ، قدرة قص منخفضة للعمود المؤدي إلى الاتصال ، انخفاض طول التماسك لحديد التسليح الطولي في الأعمدة ، عدم مراعات منطقة الأطواق المضغوطة في العتبة ، طول التماسك او التثبيت الغير كافي في العتبة . ضعف في منطقة الإتصال بين الأعمدة و العتبة مع مشكلة عمود الضعيف و العتبة القوية ، يعرض استقرار الهيكل للخطر. يفضل أن تكون آلية الإنكسار في العتبة بدلا من الناحية اللإتصال أو الأعمدة .

أنواع العيوب بالمنشآت الخرسانية :

• إنشاء تشققات قطرية في الخرسانة
• فشل في داخل الخرسانة في معظم الشقوق القطرية العائدة من الزلزال
• انفصال في غطاء الخرساني
• انكسار الأطواق و خروجها من داخل الخرسانة
• كسر القص للعناصر القصيرة
• انبعاج في حديد الصلب
• تخرج حديد التسليح من المواقع الأصلية إلى مناطق عالية الضغط المتقطع
• بلاطات مكسورة من الخرسانة المسلحة على جوانب غير مستمرة
• الشقوق المنحدرة في جدار القص ، و تتركز بشكل خاص حول الفتحات
• إنشاء شقوق القص في موقع الإتصال العمود و العمود

تتميز الخرسانه بمقاومتها العالية للانضغاط لكنها لا تستطيع تحمل قوى الشد العالية . تظهر تماسكا قويا مع اسطح الأسياخ الحديدية و على ذلك فإن الخرسانة تنقل إجهادات الشد الزائدة و التي لا تستطيع مقاومتها بنفسها إلى الأسياخ الحديدية التي تتميز بمقاومة العالية للشد . معامل التمدد الطولى للخرسانة Coefficient of Linear Expansion ومعامل التمدد الطولى للحديد يعتبروا قريبين من بعض و لذلك فإن الإجهادات الداخلية في الخرسانة المسلحة لا تظهر نتيجة تغيرات درجات الحرارة .

تدعيم باستعمال قميص الخرساني و الفولاذية :

واحدة من الأفكار والتقنيات الأساسية لتحسين التقليدي و تقوية الهياكل الخرسانية و تقوية المنشآت ، كان تكسير غطاء الخرساني و وضع حديد التسليح اللإضافي في العنصر ثم ملإ هذا الجزء بمواد لاصقة و راتنجات عالية القوة . على الرغم من أن هذه الفكرة تحسن من قدرة الهيكل ، إلا أنها لا تزال تترك مشكلة التآكل لحديد التسليح الصلب دون إجابة . تقنية أخرى التي تستخدم لتدعيم الهياكل الخرسانية ، استخدام صفائح المعدنية أو قميص المعدني التي تلصق بأجزاء الخارجية للخرسانة .

طريقة توصيل صفائح الفولاذ هي طريقة بسيطة و اقتصادية ، و لكن تسبب مشاكل التالية :

• وزن عالي للصفائح الفولاذية وصعوبة صنع هذه المكونات
• صعوبة الوصول إلى المكونات و لزوم استعمال السقالات
• ضعف الالتصاق بين الفولاذ والخرسانة بسبب تآكل الفولاذ
• وجود حد طولي لنقل صفائح الصلب إلى ورشة العمل ، بالنظر إلى أنه في مشاريع التدعيم الخرسانية ، تكون طول العتبات عالية بشكل عام.

طريقة تقليدية أخرى هي تدعيم الهياكل الخرسانية ، باستخدام قميص الخرسانية أو الطلاءات الخرسانة المسلحة . استخدام هذه الطريقة تزيد من الصلابة و المطيلية و بالتالي تقوية المباني . من نقاط ضعف في هذه الطريقة هي زيادة الأبعاد والحمل الميت للهياكل الخرسانية . يتطلب استخدام هذه الطريقة أيضًا إخلاء المبنى و التدمير الشامل للهيكل الخرساني ، مما يزيد من إزعاج الأعضاء الخرسانية.

تدعيم باستخدام جدار قص المعدني :

من وجهةِ نظرِ المصمم، فإنَّ الجدرانَ ذاتُ الصفائحِ المعدنيةِ أصبحت بديلًا جذابًا لبعضِ الأنظمةِ الإنشائية المعدنية الأخرى، أو لإستبدالِ الأنظمةِ الخرسانيَةِ في أساساتِ المصاعدِ وجدرانِ القصّ. مجموعةُ دراساتٍ قياسيةٍ أظهرت أنَّ التكاليفَ الكليَّة للمبنى يمكنُ تقليلها بشكلٍ كبيرٍ. عندَ تصميمِ وتفصيلِ نظامِ الجدار ذو الصفائح المعدنية بشكلٍ ملائم، فإنَّه يملكُ إمكانيَّةً كبيرةً نسبيًا للطاقةِ المتبددةِ مع سلوكٍ تخلفي متزن (stable hysteretic behavior)، مما يَجعلهُ نظامًا مرغوبًا في النطاقاتِ النشطةِ زلزاليًا. لأنَّ الشبكةَ تملكُ مجالَ شدٍّ يعملُ كتكثيفٍ قطريّ، فإنَّ هذا يمنحُ النظامَ صلابةً عاليةً نسبيًا، مما يجعلهُ فعالًا جدًا في تقليلِ تيارِ الرياحِ.-والرياحُ تُعَدُ قوةً جانبيةً تؤثرُ على المُنشأ- بالمقارنةِ مَع جُدرانِ القصّ الإعتيادية في الأنظمةِ الخرسانيةِ، نظامُ الصفائحِ المعدنية يُعتَبَرُ أقلَ وزنًا، وهذا بدورهِ يقلِلُ بالتأكيد الإعتمادَ على الأعمدةِ والقواعدِ –في مقاومةِ الأحمال-، ويقللُ الأحمالَ الزلزاليةَ، حيثُ الأحمالُ الزلزاليةُ متناسبةٌ طرديًا مع وزنِ المبنى. يُعَدُّ استخدام هذا النظام في المنشآت المعدنية حلًا عمليًا وفعالًا في المناطقِ الباردة، حيثُ يمكن أنْ تكونَ المنشآت الخرسانية غيرُ ذاتِ جدوى، وهذا يَعودُ في الأصل إلى درجاتِ الحرارةِ المتدنيةِ جدًا والتي تتسبب في تصعيبِ عمليةِ التنفيذ نظرًا لدوراتِ الصقيعِ (freeze-thaw cycles)التي تسببُ مشاكل في قوةِ تحملِ الخرسانة(Durability) في تطبيقاتِ الترميم الزلزالي(Retrofitting)، يعدُّ نظامُ الجدران ذات الصفائح المعدنية أكثرَ سهولةً وأسرعَ في الإنشاءِ مِن جدرانِ القصّ الخرسانية، وهذهِ تعدُّ قضيةً مهمةً لأنَّ حالة تشغيل المبنى يجبُ أنْ تتم مراعاتها خلالَ عمليةِ التنفيذ الإنشائي.

تدعيم باستعمال التكتيفات القطرية ( تربيط المعدني ) :

تزويد الهيكل الخرساني بتكتيف قطري ( تربيط المعدني ) يؤدي الى زيادة في الصلابة ، تقليل من و تقليل الحاجة الى المطيلية و زيادة مقاومة القص للنظام مع التسبب في زيادة طفيفة في وزن الهيكل . بشكل عام ، فإن استخدام أنظمة التدعيم المتباعدة (EBF) في المباني الخرسانية ليس شائعًا بسبب التكلفة العالية والمشاكل في التنفيذ وتفاصيل الحزمة. لكن يمكن استخدانم انواع الهيكل المدعم المركزية لإعادة تأهيل المباني .

تدعيم بملء الإطار بالخرسانة أو البلوك :

أظهرت الدراسة زيادة مقاومة الجملة الإطارية و انخفاض انتقالها عندما تم ملؤها بجدار بلوك ، و ايضأ زيادة مقاومة و مطاوعة الإطار المملوء عندما سلح جدار البلوك . تساهم جدران الملأ في زيادة المقاومة و القساوة الجانبية للإطارات بشكل ملحوظ . يجب ان نخص بالذکر لا ينصح بملإ الإطار كوسيلة لزيادة القوة و التصلب الجانبي للهياكل على اللإطلاق . لأنه تحت الأحمال الزلزالية ، فإن الجدران المضافة تقاوم فقط دورات التحميل الأولى لزلازل وتزيد بشكل كبير من وزن الهيكل. يمكن الإعتبار الجدران الجديدة كجدران القص أو بعنوان جدران المدعمة بخرسانة الرش .

في هذه الطريقة يجب التأكد من القوة الأعمدة و مقاومتها لتحمل الأحمال الواردة بها

اضافة هيكل عزم :

هيكل العزم إذا تم استيفاء المعايير المحددة له ، فلديه قابلية عالية في المطيلية و امكانية فقدان الطاقة الزلازل العالي . بسبب صلابة الضعيفة ، فإن الإنحنائات الناتجة بها يسبب مشكال في العناصر الغير الإنشاية في المبنى و مع زيادة المطيلية الثانوية يؤدي الى عد ثبات الكلي للمبنى . هذا النظام مع وجود الصلابة القليلة و ليونة ، بعد فشل العناصر الصلبة و سحب القوة الزلزالية ، يمنع انهيار المبنى .

وتجدر الإشارة إلى أن الإطارات المضافة يمكن أن تكون خارجية أيضًا

 

تدعيم باستعمال الياف البوليمرFRP:

ألياف البوليمرأستخدمت بنجاح منذ فترة زمنية طويلة في صناعة الطائرات والمركبـات الفضائية . حاليا وجدت ألياف البوليمر طريقها للإستخدام في تطبيقات الهندسة المدنيـة ، حيـث أستخدمت التقوية الخارجية لتحسين اداء المنشآت مثل تقوية الأعمدة الخرسانية وذلك عن طريق عمل طوق بألياف البوليمرحول المحيط الخارجي للعمود لزيـادة المقاومـة والليونـة ، وكـذلك تستخدم لزيادة مقاومة الإنحناء والقص بألصاق ألياف البوليمر على السطح الخارجي للكمـرات والأسقف. یعتبر استخدام مواد FRP کأحد الأساليب الحدیثة للتدعیم و إعادة تركيب المباني ، و تدعيم الهياكل والطلاءات الواقية في مختلف الصناعات. البوليمر المقوى بالألياف (FRP)، الذي يستخدم اليوم على نطاق واسع في ترميم ، تقوية وتعديل المباني و المباني الخرسانية والمعدنية وكذلك في صناعة المواد المركبة المستحدثة، يتكون من مكونين أساسيين: الألياف و المنبت الراتنجی. تعتبرألياف FRP التي تتميز بمواصفات فنية مرنة ومرونة عالیة للغاية هي الجزء الرئيسي من خلية الحمل في أنظمة FRP حیث يمكن محاذاتها في مواد FRP في اتجاه أو في اتجاهين. المنبت الراتنجی من جهة أخری یستعمل کوسيلة ربط تمسك الألياف ببعضها و لایؤدی دور انشائی. عادة ما تستخدم ألياف الكربون في التدعيم عند الرغبـة فـي الحفاظ على شكل المنشــأ دون أى تشويهات حيث يمكن إستخدامها وتغطيتها بطبقات التشطيب دون وجود أي أثر لأعمال التدعيم التي تمت.

مواد FRP فی تقوية و تدعیم المباني و الإنشائات

إستخدمت مؤخرا المواد المركبة المستحدثة في العديد من تطبيقات الهندسة الإنشائية وخاصة في تقوية وتدعيم العناصر الإنشائية المختلفة بالمباني الخرسانية. نظرا الی خصائص و میزات هذه المواد و حاجة المهندسین الی تمدید عمر المباني و المنشئات بطرق حدیثة، اتجه المهندسون الإنشائیون الی استخدام رقائق و الواح مصنعه من المواد البولیمریة المسلحة بالألیاف (FRP) في تقویة العناصر الإنشائیة المختلفة بالمباني الخرسانیة. وقد كان السبب الرئيسي في تأخر إستخدام المواد المركبة المستحدثة في تطبيقات الهندسة الإنشائية هو إرتفاع تكلفتها. ولكن في السنوات الأخيرة إنخفضت هذه التكمفة بنسبة كبيرة مما ساعد فى إستخدام هذه المواد بصورة واسعة في مختلف مجالات الهندسة الإنشائية.
قد بدأت دراسة استخدام المواد البوليمرية المسلحة بألياف الزجاج أو الكربون في تقوية العناصر الإنشائية المختمفة بالمباني الخرسانية في سويسر عام 1984 بأختبار کمرات خرسانة مسلحة مقواة بألواح المواد البوليمرية المسمحة بألياف الكربون وتبع نجاح هذه التجارب العديد من الدراسات والأبحاث التي ساهمت في زيادة كفاءة تقنيات إستخدام المواد المركبة المستحدثة في تدعيم وتقوية واعادة تأهیل المنشآت الخرسانية. اليوم ، ومع ذلك ، يتم تكريس عدد كبير من المقالات العلمية من المجلات والمؤتمرات المتعلقة باستخدام هذه المواد في تدعیم و تقوية المباني.

يتم حاليا إستخدام المواد المركبة المستحدثة بصورة واسعة وغير مسبوقة في تقوية المنشآت الخرسانية واعادة حيث تستخدم األلواح المصنعة من المواد البوليمرية المسمحة بألياف الزجاج أو الكربون في تدعيم تأىيل الكمرات وبلاطات الأسقف الخرسانية لزيادة مقاومتها لعزوم الإنحناء. كما تستخدم الرقائق المصنعة من المواد البوليمرية المسلحة بألياف الزجاج أو الكربون في إعادة تأهيل و تدعيم الكمرات الخرسانية لزيادة مقاومتها للقص أو عزوم الإلتوا. و تستخدم هذه الرقائق أيضا لتدعيم الأعمدة الخرسانية وزيادة مقاومتها للأحمال الرأسية أو إعادة تأهيلها لزيادة تحملها للزلازل. وقد بدأ أيضا إستخدام كل من الرقائق و الآلواح في تدعيم وتقوية حوائط الطوب الخرساني و حوائط المباني القديمة في أماكن متفرقة من العالم.

ويشهد هذا الاتجاه المتنامي نهج وأهمية هذه التكنولوجيا الجديدة ، التي سعت إلى توسيع الحاجة إلى الانتباه إلى التدعيم باستخدام المواد المركبة بجانب تأهیل المعرفة التقنية و المهنیة اللازمة لإستخدام هذه المواد کشرح أساليب التحليل ومراعاة عوامل السلامة في التصميم مع الاعتبارات الاقتصادية التي أدت إلى صياغة مبادئ توجيهية ولوائح للتنفيذ الحاسوبي والتنفيذي، کالکود ISIS الکندی او نظیره FIB الاوروبی او الکود الامریکي ACI 440 R.

میزات التدعيم بمواد FRP:

یتمیز تقوية و تدعیم المباني بأستخدام مواد FRP بعدة میزات منها:
– تمتاز المواد البوليمرية المسمحة بالألياف بمرونة و مقاومة شد عالية مقارنةً بالحديد ولذا فإن لها نسبة مقاومة إلى وزن عالية بالإضافة الی
– نظرا الی حجمها القلیل، تقوية العناصر بهذه المواد لا یشغل ای فضاء اضافي من الإنشاء
– تعتبر هذه المواد خفيفة الوزن جداً مما يسهل إستخدامها في مختلف التطبيقات الإنشائية
– تطبیق هذه المواد علی العناصر الإنشائیة لا یحتاج الی وقت کثیر و لا یعطل خدمة المبنی
– تعتبر مقاومة المواد البوليمرية المسلحة بالألياف للكلال والأحمال الديناميكية ممتازة
– المقاومة العالية للتآكل و الظروف الجوية والبيئية المختلفة مما یجعل منها حاجز قوی ضد التسرب

الحواجز و الصعوبات فی استخدام مواد FRP فی تدعيم المباني:

– تختلف اسالیب التحلیل و التصمیم لهذه المواد بالمقارنة بالصلب و الخرسانة بسبب ذاتها الغیر متماثلة
– تحتاج اختیار نسبة الألیاف الی المنبت الراتنجي، نوع الألیاف و الراتنج و سائر المواد الإضافیة الی دقة عالیة کذلک تطبیق و تنفیذ هذه المواد
– اللیونة المنخفضة لهذة المواد تجعل من الصعب انطباقها مع المتطلبات التی یفرضا الکود لتقوية و التدعیم
– نظرا لضعف هذه المواد مقابل الحریق، یتطلب تغطیتها غطاء مضاد للحریق مما یؤدي الی ازدیاد تکلفة المشروع

تدعيم باستخدام مواد FRP لزيادة مقاومة الإنحناء :

بسبب بعض الخصائص السلوكية للمواد المركبة FRP ، نمط الفشل لدى العنصر المدعم باستخدام FRP تنقسم الى حالات التالية  :

• فشل FRP بسبب إجهاد الانحناء
• كسر بسبب سحق الخرسانة بسبب ضغط الإنحناء على سطح العلوي للعتبة
• كسر القص
• فصل غطاء الخرسانة
• فصل نهاية الطبقة اللاصقة المقاومة عن الخرسانة
• القضاء على الالتصاق عند سطح التلامس FRP

تدعيم باستخدام مواد FRP لزيادة مقاومة القص :

زيادة قوة القص للعتبات عن طريق لصق صفائح FRP ، تزيد من احتمايلة كسر الإنحناء أكثر من الكسر القص ، ونتيجة لذلك ، يصبح العضو الهيكلي أكثر مرنا. تم اقتراح تصميمات مختلفة لاستخدام مواد FRP في تقوية القص.

تتضمن هذه الأساليب في التصاق FRP على الأسطح الجانبية للعتبة . استخدم غطاء على شكل حرف U للأسطح الجانبية والسفلية للحزمة وكذلك لف المقطع العرضي باستخدام ألياف وشرائط FRP .

تدعيم باستخدام مواد FRP لزيادة مقاومة المحورية :

بشكل عام ، أي عضو تحت الحمل المحوري الانضغاطي أو الشد يسمى العضو المحوري. الطريقة الأكثر شيوعًا لتقوية العمود باستخدام FRP ، لف سطحها الخارجي بشرائط FRP . عمل هذا التدعيم هو في الواقع إحاطة العمود وخلق ضغط جانبي على الخرسانة والذی يقوم على مبدأ وجود الضغط من الأطراف على الخرسانة يزيد من قوة الانضغاط والليونة.

يمكن تقسيم أساليب تدعيم العمود إلى ثلاث مجموعات رئيسية :

• لف المقطع العرضي للعمود
• لف الحلزوني
• تغطية مع طبقات مسبقة الصنع