سلوك الانحناء لأقواس أنبوبية ملفوفة من ألياف مطلية بالمواد البوليمرية ومملوءة بالخرسانة مع قضبان داخلية من الألياف البوليمرية

دعم أنفاق أقوى لظروف تحت أرضية قاسية

تعتمد المدن وأنظمة النقل الحديثة بشكل متزايد على الأنفاق والمساحات تحت الأرض، لكن الخرسانة والصلب التي تدعمها قد تضعف بهدوء مع مرور الوقت. البيئات التحت أرضية المظلمة والرطبة وغالبًا العدوانية كيميائيًا تؤدي إلى تآكل الصلب وإتلاف الخرسانة، مما يزيد من تكاليف الصيانة ومخاوف السلامة. تستكشف هذه الدراسة نوعًا جديدًا من أقواس دعم الأنفاق يستبدل الفولاذ المعرض للصدأ بمركبات ألياف زجاجية مقواة وخرسانة معززة خصيصًا، بهدف توفير قوة طويلة الأمد حيث تعجز المواد التقليدية.

نوع جديد من القوس الوقائي

ركز الباحثون على دعامات على شكل قوس مصنوعة من أنابيب من بوليمر مقوى بألياف زجاجية (GFRP) يتم ثنيها مسبقًا أثناء التصنيع الآلي. تُملأ هذه الأنابيب لاحقًا بمونة عالية القوة (خرسانة دقيقة) وتُقوَّى أكثر بقضبان داخلية رفيعة من GFRP تمتد على طول القوس. وبما أن GFRP لا يصدأ، فإن هذا المزيج جذاب بشكل خاص للأماكن الرطبة أو الحامضية أو المالحة تحت الأرض مثل الأنفاق والمصارف والهياكل الوقائية. طور الفريق عملية صناعية لللف الخيطي يمكنها إنتاج هذه الأنابيب المنحنية بجودة متسقة، مما يعالج عقبة رئيسية أمام استخدام الأقواس المركبة على نطاق واسع.

اختبار الأقواس

لفهم أداء هذه الأقواس المركبة، بنى المؤلفون واختبروا 18 عينة قوسية ذات حجم وشكل ثابتين لكن بتخطيطات داخلية مختلفة. كانت بعض الأقواس أنابيب GFRP مجوفة، وبعضها مملوء فقط بالمونة، وأخرى مملوءة بالمونة بالإضافة إلى أربع قضبان داخلية من GFRP. كما نوّعوا سماكة جدار الأنبوب (3 أو 5 أو 7 مليمترات). تم تثبيت كل قوس في كلا الطرفين وضغطه لأسفل عند التاج في جهاز اختبار عالمي، وهو إعداد اختير لخلق حالة انحناء شديدة وواضحة عند منتصف الامتداد. أثناء التحميل، سجّل الفريق مقدار انحراف الأقواس وكيف تشققت وكيف تطورت الإجهادات حول المنحنى، مما أتاح لهم تتبع كيفية تحول القوى الداخلية مع تراكم الضرر.

كيف تغير السماكة والقضبان الداخلية السلوك

أظهرت التجارب أن زيادة سماكة أنبوب GFRP وحدها زادت بشكل ملموس من الحمولة التي يمكن للأقواس حملها قبل الفشل. بالنسبة للأقواس المجوفة والمملوءة بالخرسانة، أدى الانتقال من الأنحف إلى الأسمك تقريبًا إلى مضاعفة السعة النهائية، كما جعلت الأنابيب الأكثر سماكة الأقواس أكثر صلابة في المرحلة المرنة المبكرة. وقد وفر ملء الأنابيب بالخرسانة دفعة كبيرة إضافية في القوة وامتصاص الطاقة. لكن القفزة الأكبر جاءت من إضافة القضبان الداخلية من GFRP: مقارنة بالأنابيب المجوفة، حملت الأقواس المملوءة بالخرسانة والمزوّدة بالقضبان نحو ضعفي ونصف إلى ما يقرب من أربعة أمثال الحمولة، وكان بإمكانها أن تتحمل أكثر من ضعف التشوه قبل فقدان السعة. تشير الحسابات إلى أن القضبان، على الرغم من أنها تحتل جزءًا صغيرًا فقط من المقطع العرضي، توفر ما يقرب من نصف سعة التحميل الكلية، بينما تساهم الخرسانة بحصة ثابتة والأنبوب يقاوم الشد ويحبس الخرسانة تحت الضغط.

من بيانات الاختبار إلى التصميم التنبؤي

بعيدًا عن الاختبارات، بنى المؤلفون نموذج حسابي مبسطًا لتقدير مقدار الحمولة التي يمكن أن يتحملها قوس مثل هذا تحت قوة مركزة عند التاج. اعتبروا القوس هيكلًا ذا نهايتين مثبتتين يتشكل فيه في النهاية أربع مناطق «مفصل بلاستيكي» حيث يكون الانحناء الأكثر حدة. بتحويل المقطع الأنبوب المنحني إلى مستطيل مكافئ واستخدام صيغ معروفة للخرسانة المحبوسة وGFRP تحت شد، استخلصوا قوة الانحناء عند هذه المفاصل ومن ثم الحمولة النهائية الكلية. عند مقارنة هذه التنبؤات مع نتائج اختباراتهم للأقواس التي تحتوي على قضبان داخلية، كانت الفروق في حدود حوالي 10%، مما يشير إلى أن النموذج يلتقط السلوك الأساسي لهذا الشكل من الأقواس وحالة التحميل.

ماذا يعني هذا للهياكل تحت الأرض في المستقبل

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن الأقواس المصنوعة من أنابيب GFRP المملوءة بالخرسانة والمزودة بقضبان ليفية داخلية يمكن أن تكون أقوى وأكثر تسامحًا من الأقواس الخرسانية التقليدية مع مقاومة للتآكل الذي يعصف بالصلب. يجمع هذا التكوين بين أنبوب مركب مُنتج صناعيًا، ونواة خرسانية محبوسة، وقضبان داخلية عالية القوة، مما يؤدي إلى دعامات قادرة على تحمل أحمال كبيرة والتشوه دون انهيار مفاجئ. وعلى الرغم من أن قواعد التصميم الحالية مُحققة فقط للأقواس المشابهة لتلك المختبرة، فإن النتائج تشير إلى عائلة جديدة من بطانات الأنفاق والأقواس الوقائية المتينة وخفيفة الوزن التي قد تجعل البنية التحتية تحت الأرض أكثر أمانًا وأطول عمرًا مع صيانة أقل.

الاستشهاد: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

الكلمات المفتاحية: دعم الأنفاق, مركب مدعم بالألياف البوليمرية, أقواس خرسانية, مقاومة التآكل, الهياكل تحت الأرض