دراسة تجريبية ورقمية للسلوك الانضغاطي المحوري لجدران خرسانية مُسلَّحة بألياف زجاجية تحت تحميل مركزي وغير مركزي

لماذا تهم الجدران الخرسانية الأكثر أمانًا

تعتمد هياكل كثيرة في حياتنا اليومية، من أبراج السكن إلى الجسور الساحلية، على جدران خرسانية سميكة لحمل وزن المبنى ومقاومة الرياح والأمواج والزلازل. عادةً ما تكون هذه الجدران مُدعَّمة بقضبان فولاذية مخفية داخل الخرسانة. لكن مع مرور الوقت قد يصدأ الفولاذ، خصوصًا في البيئات المالحة أو ذات الكيماويات العدوانية، ما يضعف المنشأ ويقلل عمره الافتراضي. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كان بالإمكان استبدال الفولاذ بقضبان ألياف زجاجية لا تصدأ داخل هذه الجدران بأمان دون التضحية كثيرًا بالقوة أو السلامة.

من الفولاذ الصدئ إلى الألياف الزجاجية الخالية من الصدأ

داخل الجدار الخرساني المُسلَّح، تعتبر القضبان المخفية مهمة بقدر أهمية الخرسانة نفسها. القضبان الفولاذية التقليدية قوية ومتمطِّطة، أي يمكنها أن تمتد قبل الكسر، لكنها عرضة للتآكل عندما تصل إليها المياه والأملاح عبر التشققات. تقدم قضبان البوليمر المقواة بالألياف الزجاجية (GFRP) مقايضة مختلفة: فهي خفيفة وقوية في الشد ومقاومة للتآكل، لكنها تتصرف بخواص صلابة وكسر مختلفة وتفشل بطريقة أكثر هشاشة. تتعامل قوانين التصميم الحالية في الغالب مع مثل هذه القضبان على أنها تضيف القليل أو لا شيء عند تعرضها للانضغاط، لأن سلوكها في الجدران المضغوطة غير مفهوم جيدًا بعد. سعى المؤلفون لسد هذه الفجوة من خلال اختبار جدران خرسانية مُسلَّحة بـGFRP ومقارنتها بجدران مماثلة مسلحة بالفولاذ.

كيف بُنيت الجدران واختُبرت

صب الفريق ستة نماذج جدران قصيرة بارتفاع يقارب المتر وسماكة 15 سنتيمترًا باستخدام خلطة خرسانة عالية الأداء. احتوت كل جدار على شبكة من القضبان الداخلية العمودية والأفقية. تغيّرت متغيران رئيسيان: نوع التسليح (فولاذ أو GFRP) وطريقة تطبيق الحمولة. في مجموعة واحدة طُبِق الحمل الضاغط عموديًا عبر مركز الجدار، محاكاة لوزن موحد من الأعلى. في المجموعة الثانية حُوِّل نفس الحمل إلى جانب المركز، مما أدخل انحناءً بالإضافة إلى الانضغاط، وهو أقرب إلى العديد من الحالات الواقعية. قاست المستشعرات كيف تقلّصت الجدران، وانحنت، وتشقت، وفشلت في النهاية، بينما راقب الباحثون كلًّا من أول تشقّق مرئي والحمل الأقصى الذي يمكن لكل جدار تحمله.

ماذا حصل عندما دُفعت الجدران

حملت الجدران المسلحة بقضبان GFRP أحمالًا رأسية أقل إلى حد ما من نظرائها الفولاذية لكنها تصرفت بطريقة مستقرة ومتوقعة. تحت التحميل المركزي، أدى استبدال الفولاذ بـGFRP إلى خفض الحمل الأقصى الذي يمكن للجدران تحمّله بنحو 11 إلى 13 بالمئة. تحت التحميل غير المركزي، تراوح النقص بين نحو 6 إلى 14 بالمئة. في الوقت نفسه، أظهرت الجدران المسلحة بـGFRP نسب لدانة أعلى قليلًا، وهو مقياس لمقدار التشوه الذي يمكنها تحمّله بعد بدء التليين الجاد وقبل الفشل. كانت الجدران المسلحة بالفولاذ تميل إلى الفشل عبر سحق وتقشر الخرسانة قرب حافة الضغط بعد انسياب الفولاذ، بينما طورت جدران GFRP تشققات أكثر انتشارًا ثم فشلت فجأة عندما انهارت قضبان الألياف الزجاجية. كانت الطاقة التي يمكن أن تمتصها كل جدار قبل الفشل، والمستمدة من المساحة تحت منحنى الحمل مقابل الإزاحة، الأعلى للعينات المسلحة بالفولاذ لكنها بقيت كبيرة بالنسبة للعينات المسلحة بـGFRP.

نماذج حاسوبية تعكس التشققات الواقعية

لمعرفة ما إذا كان يمكن للمهندسين الاعتماد على أدوات المحاكاة المتقدمة بدل اختبار كل نوع جدار في المختبر، بنى المؤلفون نماذج حاسوبية مفصلة للجدران باستخدام تقنية تُسمى التحليل العددي غير الخطي بالعناصر المنتهية. في هذا الإعداد الافتراضي سمحوا للخرسانة بالتشقق والسحق، بينما حملت القضبان المدمجة من الفولاذ أو GFRP الشد والضغط وفق خصائصها المقاسة. عندما حُمِّلت النماذج المحاكاة مركزيًا أو غير مركزيًا، طابقت الأحمال القصوى المتوقعة وتغيرات الصلابة وأنماط التشقق النتائج التجريبية عن كثب، مع فروق في القوة عادة أقل من نحو 12 بالمئة. قارنت الدراسة أيضًا النتائج التجريبية مع عدة صيغ موجودة وأساليب قوانين بناء، مبينة أن بعض الإرشادات تميل إلى المبالغة في تقدير سعة الجدران المسلحة بـGFRP ومقترحة عامل تصحيح بسيط لتحسين الدقة.

ما الذي يعنيه هذا لمباني المستقبل

لغير المختص، الرسالة الأساسية هي أن الجدران الخرسانية المسلحة بقضبان الألياف الزجاجية يمكن أن توفر بديلاً عمليًا خالٍ من الصدأ للفولاذ، لا سيما في البيئات القاسية مثل المناطق الساحلية والمواقع الصناعية. تتخلى هذه الجدران عن جزء متواضع من سعتها الحاملة للط carga وامتصاص الطاقة، لكنها تحافظ على استجابة مستمرة بعد التشقق ولدونة مقبولة، مع تجنب الأضرار الطويلة الأمد المرتبطة بتآكل الفولاذ. مع تصميم حذر يأخذ بعين الاعتبار قوتها الأدنى قليلًا، وبمساعدة نماذج حاسوبية مُحقَّقة، يمكن أن تساعد الجدران الخرسانية المسلحة بـGFRP المهندسين على بناء منشآت أكثر ديمومة واستدامة وتحتاج إلى صيانة أقل خلال عمرها.

الاستشهاد: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

الكلمات المفتاحية: خرسانة مُسلَّحة بألياف زجاجية, السلوك الانضغاطي المحوري, الجدران الإنشائية, تسليح مقاوم للتآكل, نمذجة العناصر المنتهية