سلوك القص لعوارض الخرسانة المسلحة عالية القوّة ذات الفتحات الدائرية عند التعرض للحريق

لماذا تهم الفتحات في العوارض الخرسانية أثناء الحريق

تمتد المباني الحديثة بشبكات مخفية من الأنابيب والكابلات والمجاري، وكثير منها يمر عبر فتحات مقطوعة في العوارض الخرسانية. هذه الفتحات توفر مساحة وتبسط المرافق، لكنها أيضاً تضعف الهيكل—وخاصة أثناء الحريق، عندما تصل قدرات الخرسانة والفولاذ إلى حدودها. تدرس هذه الدراسة كيفية تصرف العوارض المصنوعة من خرسانة عالية القوّة ذات فتحات دائرية كبيرة تحت حرارة شديدة، وكيف يمكن لطريقتين عمليتين للتقوية أن تساعداها على البقاء والسلامة بعد الحريق.

العوارض والحريق والفتحات الدائرية الكبيرة

ركز الباحثون على الخرسانة عالية القوّة، وهي مادة مرغوبة لدوامها وبنيتها الكثيفة. تلك الكثافة نفسها تجعلها أكثر هشاشة ومعرضة للتقشر الانفجاري عند التسخين. في العديد من المباني الحقيقية، يتم فتح فتحات دائرية كبيرة في الجويب (الجزء المركزي) لهذه العوارض لمرور المرافق. عند تحميل العارضة، يجب أن «تتدفق» القوى حول الفتحة، ما يركز الإجهادات ويشجع على تشكل الشقوق. في حريق، تسخن الطبقات الخارجية من الخرسانة وتفقد قوتها وتتصدع، مما يعطل أكثر كيفية انتقال القوى عبر العارضة. فهم هذا التأثير المركب للفتحات والحريق أمر أساسي للمهندسين الذين يحتاجون إلى تقييم ما إذا كانت العارضة المتضررة لا تزال قادرة على حمل الأحمال—أو كيفية إصلاحها بالشكل الأمثل.

كيف أُجريت الاختبارات

لمعالجة هذه المشكلة، بنى الفريق واختبر تسع عوارض متطابقة الحجم. كانت إحداها مرجعية صلبة دون فتحة. أما الباقي فكانت تحتوي على فتحة دائرية كبيرة واحدة في الجويب، بحجم يقارب نصف عمق العارضة، وموضوعة في منطقة حرجة للقص قرب الدعامة. تُركت بعض العوارض بدون تعديل، وأُضيفت ألياف فولاذية إلى خرسانة أخرى، ومجموعة ثالثة غُلِفت محلياً بغلاف خارجي رقيق من شبك سلكي وملاط يعرف باسم الفيروسيمنت. عُرضت عوارض مختارة لحرارة 500 °م لمدة ساعة أثناء حملها لحمل متواضع، ثم بُرِّدت بسرعة بالماء لمحاكاة ظروف إخماد حريق مفاجئ قبل تحميلها حتى الفشل في الانحناء والقص.

ما فعله الحريق وعمليات التقوية بالعوارض

كان للفتحات الدائرية الكبيرة تأثير كبير. بالمقارنة مع العارضة المرجعية الصلبة، حملت العارضة غير المقواة ذات الفتحة حوالي ثلث الحمولة فقط قبل الفشل، وكانت تقلل أقل عند الفشل، ما يشير إلى استجابة أكثر هشاشة. عندما تعرضت نفس التركيبة للحريق، انخفضت قدرة القص بنسبة تصل إلى 68%، وتكونت الشقوق مبكراً وانتشرت بسرعة حول الفتحة. ساعدت إضافة الألياف الفولاذية داخل الخرسانة: فقد جسّرت الألياف الشقوق وأخرت نموها، فرفعت حمل التشقق قليلاً وزادت الحمولة القصوى بعد الحريق بما يصل إلى نحو 16%. كما حسّنت أغطية الفيروسيمنت التي لفّت حول منطقة الفتحة السلوك. فقد أبقت أجزاء الخرسانة المتشققة معاً، وأنجبت شقوقاً صغيرة متعددة بدلاً من عدد قليل من الشقوق العريضة، وخفضت انحناءات منتصف الامتداد. بعد التعرض للحريق، أعادت هذه الأغطية ما يصل إلى نحو 14.5% من قدرة القص المفقودة وقللت الانحناءات بحوالي ثلث بالمقارنة مع العارضة المتضررة غير المقواة.

التحقق الرقمي والرؤى التصميمية

خارج المختبر، أنشأ المؤلفون نماذج حاسوبية مفصلة للعوارض باستخدام تحليل العناصر المنتهية، مدخِلين خصائص اعتمادية على درجة الحرارة للخرسانة والفولاذ. نجحت هذه النماذج في إعادة إنتاج كيفية انحناء العوارض، ومواعيد تشققها، وكيف فشلت أخيراً، مع فروق لا تتجاوز بضعة في المئة مقارنة بالتجارب. ثم استُخدمت العوارض الافتراضية لاستكشاف ما يحدث عند تصغير أو تكبير الفتحات وعند ارتفاع درجات حرارة الحريق من 400 إلى 600 °م. أكدت المحاكاة أن الفتحات الأكبر والحرائق الأشد كلاهما يقللان بشدة من مقاومة القص، وأن فوائد التقوية تصبح أقل وضوحاً عندما تصبح الفتحة كبيرة جداً.

ما يعنيه هذا للمباني الحقيقية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية بسيطة: الفتحات الدائرية الكبيرة في عوارض الخرسانة عالية القوّة يمكن أن تصبح نقاط ضعف خطيرة، خصوصاً بعد حريق شديد. تبين هذه الدراسة أن خلط ألياف فولاذية قصيرة في الخرسانة يمكن أن يساعد العارضة على حمل حمولة أكبر وامتصاص طاقة أكثر بعد التشقق، بينما تُعد أغطية الفيروسيمنت الرقيقة فعالة بشكل خاص في الحد من الانحناء والغوص المرئي. إلى جانب نماذج رقمية موثوقة، تزود هذه النتائج المهندسين بأدوات أفضل لتقييم متى يمكن إصلاح العوارض المتضررة بالحريق ذات الفتحات، ومدى فعالية طرق الإصلاح المختلفة، ومتى يكون الاستبدال الكامل هو الخيار الأكثر أماناً.

الاستشهاد: Sedawy, A.E., Beshr, A.A.A. & Mahmoud, I.A. Shear behavior of high-strength reinforced concrete beams with circular openings under fire exposure. Sci Rep 16, 13138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43162-y

الكلمات المفتاحية: سلامة الهياكل من الحرائق, الخرسانة عالية القوّة, فتحات العارضة, التسليح بألياف فولاذية, ترميم الفيروسيمنت