الأخبار - الهيكل الفولاذي: نظام هيكلي أساسي في الهندسة الحديثة

في الهندسة المعمارية المعاصرة، والنقل، والصناعة، وهندسة الطاقة،هيكل فولاذيبفضل مزاياها المزدوجة من حيث المادة والهيكل، أصبحت الفولاذ قوةً أساسيةً في دفع عجلة الابتكار في تكنولوجيا الهندسة. باستخدام الفولاذ كمادةٍ أساسيةٍ تحمل الأحمال، تتجاوز هذه التقنية قيود الهياكل التقليدية من خلال الإنتاج الصناعي والتركيب المعياري، موفرةً حلولاً فعّالة لمجموعةٍ واسعةٍ من المشاريع المعقدة.

مزايا وعيوب الهياكل الفولاذية - شركة تشاينا رويال ستيل

تعريف وطبيعة الهيكل الفولاذي
يشير الهيكل الفولاذي إلى نظام هيكلي يتحمل الأحمال ويتكون منصفائح فولاذية، مقاطع فولاذية (عوارض H, قنوات U, زاوية فولاذية، إلخ)، وأنابيب فولاذية، مثبتة باللحام أو البراغي أو المسامير عالية القوة. يكمن جوهرها في الاستفادة من قوة ومتانة الفولاذ العالية لنقل الأحمال الرأسية (الوزن الميت ووزن المعدات) والأحمال الأفقية (الرياح والزلازل) بالتساوي من المبنى أو المشروع إلى أساسه، مما يضمن استقرار الهيكل. بالمقارنة مع الهياكل الخرسانية، تكمن الميزة الأساسية للهياكل الفولاذية في خصائصها الميكانيكية: يمكن أن تصل قوة الشد لديها إلى أكثر من 345 ميجا باسكال، أي أكثر من 10 أضعاف قوة الخرسانة العادية؛ كما أن لدونتها الممتازة تسمح لها بالتشوه تحت الحمل دون أن تنكسر، مما يوفر ضمانًا مزدوجًا للسلامة الهيكلية. هذه الخاصية تجعلها لا غنى عنها في سيناريوهات الامتدادات الكبيرة والمباني الشاهقة والحمولات الثقيلة.

الأنواع الرئيسية للهياكل الفولاذية

(أ) التصنيف حسب الشكل البنيوي
هيكل البوابة: يتكون هذا الهيكل من أعمدة وعوارض، ويشكل إطارًا على شكل بوابة، مدعمًا بنظام دعم. وهو مناسب للمصانع والمستودعات اللوجستية والمتاجر الكبرى وغيرها من المنشآت. تتراوح أطوالها عادةً بين 15 و30 مترًا، ويتجاوز بعضها 40 مترًا. يمكن تصنيع المكونات مسبقًا في المصانع، مما يسمح بالتركيب في الموقع خلال 15 إلى 30 يومًا فقط. على سبيل المثال، تستخدم مستودعات JD.com في مجمع الخدمات اللوجستية رقم 1 في آسيا هذا النوع من الهياكل بشكل أساسي.
هيكل الجمالون: يتكون هذا الهيكل من قضبان مستقيمة متصلة بعقد لتكوين شكل هندسي مثلثي أو شبه منحرف. تخضع القضبان لقوى محورية فقط، مستغلةً بذلك قوة الفولاذ بشكل كامل. تُستخدم هياكل الجمالون عادةً في أسقف الملاعب والامتدادات الرئيسية للجسور. على سبيل المثال، استُخدم هيكل جمالون في تجديد ملعب عمال بكين لتحقيق امتداد طوله 120 مترًا بدون أعمدة.
الهياكل الإطارية: هو نظام مكاني يتكون من ربط العوارض والأعمدة بشكل صارم ويوفر مخططات أرضية مرنة وهو الخيار السائد للمباني المكتبية الشاهقة والفنادق.
هياكل الشبكة: شبكة مكانية مكونة من عدة عناصر، غالبًا ما تكون على شكل مثلثات منتظمة وعقد مربعة، تتميز بسلامة عالية ومقاومة ممتازة للزلازل. تُستخدم على نطاق واسع في مباني المطارات ومراكز المؤتمرات.

(II) التصنيف حسب خصائص الحمل
العناصر الانثناءية: تُمثلها العوارض، وتتحمل هذه العناصر عزم الانحناء، مع ضغط في الأعلى وشد في الأسفل. غالبًا ما تستخدم مقاطع على شكل حرف H أو مقاطع صندوقية ملحومة، مثل عوارض الرافعات في المنشآت الصناعية، ويجب أن تستوفي متطلبات القوة ومقاومة التعب.
العناصر المحملة محوريًا: تخضع هذه العناصر فقط للشد/الضغط المحوري، مثل قضبان ربط الجمالون وعناصر الشبكة. صُممت قضبان الربط لتكون متينة، بينما تتطلب قضبان الضغط ثباتًا. تُستخدم عادةً الأنابيب الدائرية أو مقاطع الفولاذ الزاوية. المكونات المحملة لامركزيًا: تخضع هذه العناصر لكل من القوى المحورية وعزوم الانحناء، مثل أعمدة الإطار. ونظرًا لامركزية الحمل عند أطراف العارضة، يلزم وجود مقاطع عرضية متناظرة (مثل الأعمدة الصندوقية) لموازنة القوى والتشوهات.

المزايا الأساسية للهياكل الفولاذية
(I) خصائص ميكانيكية ممتازة
تُعد القوة العالية والوزن المنخفض من أهم مزايا الهياكل الفولاذية. ففي امتداد معين، يبلغ الوزن الساكن للعارضة الفولاذية ما بين ثلث وخُمس وزن عارضة خرسانية فقط. على سبيل المثال، يزن الجمالون الفولاذي بطول 30 مترًا حوالي 50 كجم/م2، بينما يزيد وزن عارضة خرسانية عن 200 كجم/م2. وهذا لا يقلل تكاليف الأساسات (بنسبة 20%-30%) فحسب، بل يُخفف أيضًا من آثار الزلازل، مما يُحسّن من سلامة الهيكل الزلزالية.
(II) كفاءة البناء العالية
أكثر من 90% من مكونات الهياكل الفولاذية مُصنّعة مسبقًا في المصانع بدقة متناهية. لا يتطلب التركيب في الموقع سوى الرفع والتوصيل. على سبيل المثال، يستغرق بناء مبنى مكاتب فولاذي مكون من 10 طوابق من 6 إلى 8 أشهر فقط من إنتاج المكونات إلى اكتماله، مما يُقلل من وقت البناء بنسبة 40% مقارنةً بالهياكل الخرسانية. على سبيل المثال، حقق مشروع سكني فولاذي مُصنّع مسبقًا في شنتشن سرعة بناء بلغت "طابقًا واحدًا كل سبعة أيام"، مما قلل بشكل كبير من تكاليف العمالة في الموقع.
(III) مقاومة قوية للزلازل والمتانة
تُمكّن صلابة الفولاذ الهياكل الفولاذية من تبديد الطاقة من خلال التشوه أثناء الزلازل. على سبيل المثال، خلال زلزال ونتشوان عام ٢٠٠٨، لم يُعانِ مصنع هياكل فولاذية في تشنغدو سوى من تشوه طفيف، ولم يُعرَض لخطر الانهيار. علاوة على ذلك، بعد المعالجة المضادة للتآكل (الجلفنة والطلاء)، يُمكن أن تتراوح مدة خدمة الفولاذ بين ٥٠ و١٠٠ عام، مع تكاليف صيانة أقل بكثير من الهياكل الخرسانية.
(IV) حماية البيئة والاستدامة
تتجاوز معدلات إعادة تدوير الفولاذ 90%، مما يسمح بإعادة صهره ومعالجته بعد الهدم، مما يُقلل من تلوث نفايات البناء. علاوة على ذلك، لا يتطلب بناء الفولاذ قوالب أو صيانة، مما يتطلب الحد الأدنى من العمل الرطب في الموقع، ويقلل انبعاثات الغبار بأكثر من 60% مقارنةً بالهياكل الخرسانية، بما يتماشى مع مبادئ البناء الأخضر. على سبيل المثال، بعد تفكيك ملعب آيس كيوب لاستضافة دورة الألعاب الأولمبية الشتوية في بكين 2022، أُعيد استخدام بعض المكونات في مشاريع أخرى، مما يحقق إعادة تدوير الموارد.

الاستخدام الواسع النطاق للهياكل الفولاذية
(أ) البناء
المباني العامة: تعتمد الملاعب والمطارات ومراكز المؤتمرات والمعارض وغيرها على الهياكل الفولاذية لتحقيق مساحات كبيرة وتصميمات واسعة.
المباني السكنية: أصبحت المساكن الجاهزة ذات الهياكل الفولاذية تحظى بشعبية متزايدة ويمكنها تلبية متطلبات الإسكان الشخصية.
المباني التجارية: المباني المكتبية الشاهقة ومراكز التسوق، والتي تستخدم الهياكل الفولاذية لتحقيق تصاميم معقدة وبناء فعال.
(II) النقل
هندسة الجسور: الجسور البحرية وجسور السكك الحديدية. تتميز الجسور الفولاذية بمسافات كبيرة ومقاومة قوية للرياح والزلازل.
النقل بالسكك الحديدية: مظلات محطات المترو وعوارض مسارات السكك الحديدية الخفيفة.
(ثالثا) الصناعية
المنشآت الصناعية: مصانع الآلات الثقيلة والمصانع المعدنية. تتميز الهياكل الفولاذية بقدرتها على تحمل أحمال المعدات الكبيرة، مما يُسهّل تعديلها لاحقًا.
مرافق التخزين: مستودعات سلسلة التبريد ومراكز الخدمات اللوجستية. تلبي هياكل الهياكل البوابية متطلبات التخزين واسعة المساحة، وتتميز بسرعة البناء والتشغيل.
(IV) الطاقة
مرافق الطاقة: المباني الرئيسية لمحطات الطاقة الحرارية وأبراج النقل. الهياكل الفولاذية مناسبة للأحمال العالية والبيئات الخارجية القاسية. الطاقة الجديدة: تتميز أبراج توربينات الرياح وأنظمة تركيب الألواح الكهروضوئية بهياكل فولاذية خفيفة الوزن لسهولة النقل والتركيب، مما يدعم تطوير الطاقة النظيفة.