استخدام حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية في أعمدة المصاعد

في هذه المنصة المخصصة للقراء، يناقش الكاتب الفوائد والتحديات والتطبيقات.

بقلم باتريك موريسي

المقدمة 

مع تطور مواد البناء لتلبية متطلبات المتانة والسلامة والاستدامة، برزت الألياف الزجاجية، أو البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP)، كبديل عملي للتسليح الفولاذي التقليدي. ومن التطبيقات المتخصصة التي تحظى باهتمام متزايد استخدام حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية في أعمدة المصاعد، وهي مكونات هيكلية بالغة الأهمية يجب أن تحافظ على سلامتها على المدى الطويل في ظل ظروف قاسية.

ما هو حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك (GFRP)؟ 

حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية المقواة بالبوليمر (GFRP) هو مادة مركبة تتكون من ألياف زجاجية عالية المتانة مغمورة في مصفوفة راتنجية. وعلى عكس حديد التسليح الفولاذي، فهو غير قابل للتآكل، وخفيف الوزن، وغير موصل للكهرباء. هذه الخصائص تجعله جذابًا بشكل خاص في البيئات التي يُشكل فيها تدهور الفولاذ أو التداخل الكهرومغناطيسي مصدر قلق.

لماذا تُستخدم أعمدة المصاعد؟ 

تُشكّل أعمدة المصاعد تحديات هيكلية وبيئية فريدة من نوعها، تشمل ما يلي: 

• الرطوبة العالية والتعرض للرطوبة من المياه الجوفية أو التكثيف 
• محدودية إمكانية الوصول للصيانة والإصلاح 
• توقعات عمر خدمة طويل (من 50 إلى 100 سنة أو أكثر) 
• حساسية أنظمة المصاعد الحديثة للتداخل الكهرومغناطيسي 

على الرغم من قوة حديد التسليح التقليدي وانتشاره الواسع، إلا أنه عرضة للتآكل، لا سيما في الأنفاق تحت مستوى الأرض أو سيئة التهوية. ويمكن أن يؤدي التآكل إلى التشققات والتقشر، وفي نهاية المطاف إلى تكاليف إصلاح باهظة.

مزايا استخدام حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك في أعمدة المصاعد 

تتعدد مزايا استخدام حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك (GFRP) في أعمدة المصاعد، ومنها: 

مقاومة التآكل: لا يصدأ حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية ولا يتآكل، حتى في البيئات القاسية مثل البيئات ذات الرطوبة العالية أو المعرضة للكلوريدات أو تسرب المياه الجوفية. وهذا يطيل بشكل كبير من عمر خدمة مصاعد الركاب.

• خفيفة الوزن وسهلة الاستخدام: قضبان الألياف الزجاجية أخف وزنًا من الفولاذ بأربع مرات تقريبًا، مما يقلل من جهد النقل والتركيب. وهذا مفيد بشكل خاص في إنشاءات الأعمدة المحصورة.
• الحياد الكهرومغناطيسي: على عكس الفولاذ، فإن حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية غير موصل وغير مغناطيسي. وهذا يقلل من التداخل مع أنظمة التحكم في المصاعد وأجهزة الاستشعار ومعدات الاتصالات - وهو عامل ذو أهمية متزايدة في المباني الذكية.
• قوة شد عالية: يتميز حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية بقوة شد أعلى - أقوى بمرتين ونصف من الفولاذ - مما يجعله مناسبًا لمقاومة قوى الشد في الهياكل الخرسانية المسلحة.
• انخفاض تكاليف الصيانة: نظرًا لأنه يقضي على التدهور المرتبط بالتآكل، يمكن لقضبان التسليح المصنوعة من الألياف الزجاجية أن تقلل من تكاليف الصيانة والإصلاح على المدى الطويل، مما يجعلها فعالة من حيث التكلفة على مدار دورة حياة المبنى.

على الرغم من استخدام حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية في الخرسانة المسلحة لأكثر من 30 عامًا، إلا أن استخدامه الأولي والرئيسي كان في تطبيقات مثل أجهزة المسح الطبي حيث لا يمكن استخدام حديد التسليح المعدني، وفي التطبيقات الحساسة التي تتطلب مقاومة تامة للتآكل. قد تتساءل عن سبب عدم استبدال حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية لحديد التسليح المعدني التقليدي بشكل كامل. وحتى وقت قريب، تشمل الأسباب ما يلي:

• كانت مادة GFRP أغلى من حديد التسليح التقليدي، لكنها الآن أقل تكلفة.
• يجب تصنيع جميع الانحناءات في المصنع.
• لا يمكن أن يحل البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية محل حديد التسليح التقليدي تلقائياً في جميع الحالات.

تشمل الأسباب الأخرى ما يلي:

• الاستبدال ليس استبدالاً مباشراً.
• يجب معالجة إعادة تصميم متطلبات حديد التسليح.
• لم يدرج المعهد الأمريكي للخرسانة مادة GFRP كبديل لمعظم التطبيقات إلا مؤخراً.

التثبيت الهيكلي والتقوية

يمكن ترميم العناصر الإنشائية الخرسانية والبنائية باستخدام أنظمة تقوية مركبة متطورة، تشمل حلول البوليمر المقوى بالألياف (FRP)/البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) وحلول المصفوفة الأسمنتية المقواة بالألياف (FRCM)، وذلك بحسب أوجه القصور الإنشائية وأهداف التصميم ومستوى التقوية المطلوب. وقد استُخدمت المواد المركبة لأول مرة في الهندسة المدنية لتطبيقات مثل الترميم الزلزالي لأعمدة الجسور، مما وفر بديلاً عملياً للتغليف الفولاذي التقليدي. ومع مرور الوقت، أدرك المهندسون إمكانية استخدام هذه الأنظمة عالية الأداء لمعالجة طيف واسع من أوجه القصور الإنشائية في المباني والبنية التحتية القائمة.

اليوم، توفر أنظمة FRP و FRCM حلول تقوية فعالة وخفيفة الوزن وعالية الكفاءة، لا سيما في المشاريع التي يجب فيها إجراء ترقية هيكلية مع الحد الأدنى من التعطيل، والوصول المقيد، والتحكم الدقيق في السماكة والوزن الإضافيين - وكلها عوامل ذات صلة كبيرة في قطاع المصاعد بما في ذلك الأعمدة وغرف الآلات والهبوطات والألواح والجدران وهياكل الدعم المرتبطة بها.

أنظمة FRP و FRCM هي:

• سهولة النقل والتعامل في الموقع، وهو ما يمثل ميزة كبيرة في المباني التي يصعب الوصول إليها، أو المساحات الضيقة، أو مناطق العمل المحدودة.
• تشتهر هذه المواد بنسبة قوتها إلى صلابتها إلى وزنها العالية، مما يسمح للمهندسين بتحقيق تحسين هيكلي ذي مغزى دون إدخال أحمال ميتة إضافية كبيرة.
• تتميز هذه الهياكل برقة موادها، ولا تشغل مساحة كبيرة، وتضيف وزنًا ضئيلاً جدًا إلى الهيكل - وهي ميزة مهمة حيث تكون القيود البُعدية بالغة الأهمية

تتميز أنظمة تقوية الخرسانة المسلحة بالألياف (FRP) وأنظمة تقوية الخرسانة المسلحة بالألياف (FRCM) بسهولة التكيف مع الأشكال والهندسة الموجودة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التفاصيل الإنشائية والركائز غير المنتظمة. وتُعد أنظمة FRCM، التي تجمع بين شبكات الألياف عالية القوة ومصفوفات معدنية غير عضوية، مناسبة بشكل خاص للركائز الخرسانية والبنائية، لا سيما عندما تكون توافقية الركيزة ونفاذية البخار والأداء في درجات الحرارة المرتفعة من الاعتبارات التصميمية المهمة.

عموماً، لا يتطلب تركيب المواد سوى الحد الأدنى من الوصول والوقت. وفي كثير من الحالات، يمكن إنجاز العمل أثناء بقاء المبنى مأهولاً، مما يقلل من الإزعاج للسكان والمستخدمين ومشغلي المبنى. ويمكن غالباً التخطيط للتركيبات بكفاءة في مواقع العمل الضيقة، بما في ذلك الحالات التي تكون فيها فترات الوصول محدودة ويجب فيها تقليل وقت التوقف إلى أدنى حد.

FRP and FRCM systems themselves are competitive solutions. When compared to more traditional strengthening techniques, these advanced composite retrofit systems are often among the most cost-effective options considering total installed cost, speed of application, reduced labor demand and lower disruption to building use. Considering a previous Industry Dialogue with your author, "State of the Shaft (ELEVATOR WORLD, March 2023)," focused on utilizing FRCM, this then brings the process full circle.

تحديد احتمالية تسرب المياه

تُصمَّم وتُشيَّد العديد من المباني على أراضٍ كانت في السابق حقول حبوب خصبة. وتتميز العديد من هذه المواقع بانخفاض منسوب المياه الجوفية فيها. وبناءً على بيانات المناخ والموقع الجيولوجي و/أو منسوب المياه الجوفية المُقاس في دراسات حفر التربة، قد يتراوح هذا المنسوب بين 1 و5 متر خلال الموسم الواحد.

من الشائع أن يطلع المطورون والمقاولون على تقرير فحص التربة - الذي ربما أُجري خلال موسم جفاف أو فترة جفاف - ليجدوا أنه عند قياس منسوب المياه الجوفية، لا تتعرض حفرة بعمق 4 أو 5 أقدام لضغط المياه الجوفية. ولكن مع تغير أنماط الطقس، تبدأ المياه فجأة بالتراكم في أرضية حفرة المصعد.

لا تسمح معظم قوانين البناء بإنشاء حفر المصاعد مع أحواض تجميع داخلية لتجميع المياه الجوفية. ويعود ذلك إلى شيوع تلوث هذه المياه الجوفية بالنفط، وعادةً ما يتم نقلها، بعد تجميعها، بواسطة مضخات ميكانيكية إلى نظام تصريف مياه الأمطار.

فيما يلي بعض الإرشادات التي يجب مراعاتها إذا كانت حفرة المصعد تقع على بعد 5 أقدام من مستوى المياه الجوفية:

• قم دائمًا ببناء حفرة المصعد من الخرسانة المصبوبة في الموقع.
• استخدم مانعات تسرب المياه في جميع فواصل البناء.
• قم بتركيب غشاء عازل للماء تحت الأرضية/الأساس وعلى الجدران.
• يجب الانتباه إلى أنه قد يتم حفر أعمدة هيدروليكية بعد إنشاء الحفرة؛ ويتطلب ربط غشاء العزل المائي بأسطوانات العمود الخارجية بعض التخطيط.

حقن مقاوم للماء في حفر المصاعد

تُعدّ حفر المصاعد من أكثر المناطق عرضةً لتسرب المياه في المباني. تقع هذه الحفر في أدنى نقطة من المبنى، وغالباً ما تكون تحت مستوى المياه الجوفية، مما يجعلها عرضةً للضغط الهيدروستاتيكي وتسرب المياه الجوفية.

ونتيجة لذلك، فهي عرضة بشدة للتسربات التي قد تتسبب في تلف المعدات، والتآكل، ونمو العفن، ومخاطر السلامة، وتوقف العمليات المكلف. يوفر الحقن المقاوم للماء حلاً فعالاً وطويل الأمد لهذه التحديات.

بدون عزل مائي مناسب، قد يؤدي تسرب المياه إلى حفرة المصعد إلى تسريع التدهور الهيكلي وإتلاف مكونات المصعد الحيوية. لذا، يُعدّ معالجة تسرب المياه مبكراً أمراً بالغ الأهمية لحماية كلٍّ من الهيكل وموثوقية نظام المصعد.

يُعدّ تسرب المياه من حفرة المصعد مصدر إزعاج وتكلفة باهظة. فعندما تتسرب المياه الجوفية إلى حفرة المصعد وتختلط بالسوائل الهيدروليكية، يجب ضخ المياه الملوثة والتخلص منها كنفايات خطرة. وهذا لا يزيد فقط من تكاليف المعالجة والتخلص من النفايات، بل يُعرّض مالكي المباني أيضًا لمخاطر عدم الامتثال للوائح التنظيمية وتوقف النظام لفترات طويلة.

مصادر شائعة لتسرب المياه في حفر المصاعد

تنشأ معظم تسريبات حفرة المصعد من واحد أو أكثر من الحالات التالية:

• فواصل باردة عند نقطة التقاء البلاطة بالجدار أو زوايا الجدار
• تشققات في الجدران الخرسانية أو ألواح الأرضيات
• تشققات حول مكابس المصعد
• جدران كاملة تفتقر إلى العزل المائي الخارجي أو بها عزل مائي خارجي تالف
• فتحات الأنابيب والقنوات

في كثير من الحالات، قد يكون تسرب المياه نتيجة لمجموعة من هذه الظروف.

كيف تعمل عملية حقن الجص

تعمل عملية حقن الملاط على سدّ مسارات المياه من مصدرها، مما يوقف حركة المياه عبر الهيكل الخرساني بدلاً من الاعتماد على الطلاءات السطحية فقط. تتضمن هذه العملية حقن بوليمرات تتفاعل مع الماء - مثل راتنجات البولي يوريثان الكارهة للماء أو المحبة للماء أو راتنجات الأكريلات - في الشقوق والفواصل والفراغات داخل الخرسانة.

When exterior waterproofing has failed or is nonexistent, water-reactive polymers can also be injected behind the wall where they form a waterproof "bladder" on the exterior side of the structure.

تحت الضغط، تتفاعل هذه المواد مع الماء أو الرطوبة الموجودة في الطبقة الأساسية وتتمدد لتشكل رغوة أو هلامًا مرنًا. يسمح هذا التمدد للجص باختراق الشقوق الدقيقة، وسد التسريبات النشطة، وإنشاء حاجز متين ومقاوم للماء قادر على مقاومة الضغط الهيدروستاتيكي.

تحضير السطح وتقييم التسرب

قبل عملية الحقن، يجب تقييم حفرة المصعد لتحديد مسارات التسرب، والشقوق، والوصلات الباردة، ومناطق الانتقال بين الجدران والأسقف. ورغم أن حقن الملاط فعال للغاية في إيقاف التسربات النشطة، إلا أن التحضير الجيد يعزز الأداء. ويشمل ذلك عادةً تنظيف السطح، ورسم خرائط لأنماط الشقوق، وتركيب منافذ حقن ميكانيكية على فترات محددة على طول مواقع التسرب المحددة.

حقن الملاط: حلٌّ مُثبت

يُعدّ حقن الملاط حلاً فعالاً ومثبتاً لعزل حفر المصاعد ضد الماء، لا سيما في المناطق التي تشهد تسرباً نشطاً للمياه. فمن خلال سدّ التسربات من مصدرها وإنشاء حاجز مانع لتسرب الماء يدوم طويلاً، تحمي هذه الطريقة السلامة الإنشائية، وتحافظ على معدات المصاعد الحيوية، وتقلل من تكاليف الصيانة والإصلاح على المدى البعيد.

إن الطريقة الوحيدة لمنع غالبية إصلاحات حفرة المصعد في المباني الجديدة هي أن يقوم مهندس التصميم بتقديم رسومات هيكلية لا تستخدم أيًا من الأشكال الخمسة التقليدية لقضبان التسليح المعدنية - بل تستخدم قضبان التسليح غير المعدنية حصريًا.

اليوم، لم يقتصر الأمر على انخفاض التكلفة فحسب، بل إن كمية حديد التسليح في حفرة المصعد لا تُؤثر على التكلفة الإجمالية للمواد المطلوبة. كما أن التركيب أسهل. مع أن هذا الأمر يبدو بسيطًا نسبيًا، إلا أنه إذا أدركت أن مخاوفك المباشرة والأكثر أهمية تتعلق بالهياكل القائمة المبنية بحديد تسليح تقليدي، والتي تتطلب تكاليف ترميم باهظة، فإن استخدام حديد التسليح المصنوع من الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك (GFRP) يصبح مسألة ثانوية. أما مشكلتك الأساسية فهي تسرب المياه وتآكل حديد التسليح الموجود.

Let's get back to injection grouting. For many years, above-grade cracks were filled with epoxy resins and below-grade cracks subject to water infiltration were injected with hydrophilic or hydrophobic resins. Crack injection was the standard but, in many cases, just relocated the water to another part of the structure. Today's means, methods and materials allow for providing positive side membranes (exterior face of the wall), installed from the negative side (interior face of the wall), to provide a guaranteed "watertight membrane" — basically a prophylactic for any below-grade structure. These techniques have been used successfully for more than 30 years in projects as small as a single elevator pit to complete building foundations, nuclear plants, emergency retrofit waterproofing and even City Water Tunnel No. 3 in NYC at a depth of roughly 600 ft.

فيما يتعلق بحقن الجص، لا يشترط أن تكون خبيرًا، ولكن من الضروري معرفة الخبير، وهذا يقودني إلى مصدرٍ حديثٍ لكل ما يخص حقن الجص - موقع askcharlieandmonica.com - وهو موقع إلكتروني للأسئلة والأجوبة يضم نخبة من أفضل الخبراء في العالم. ويجري العمل حاليًا على تطوير موقع بديل موسع، askthegroutingexperts.com، وسيكون متاحًا قريبًا.