أخبار - الهياكل الفولاذية: نظام إنشائي رئيسي في الهندسة الحديثة

في مجالات الهندسة المعمارية المعاصرة، والنقل، والصناعة، وهندسة الطاقة،هيكل فولاذيبفضل مزاياها المزدوجة في كل من المواد والبنية، أصبحت هذه التقنية قوة دافعة للابتكار في تكنولوجيا الهندسة. وباستخدام الفولاذ كمادة أساسية لتحمل الأحمال، تتجاوز هذه التقنية قيود الهياكل التقليدية من خلال الإنتاج الصناعي والتركيب المعياري، مما يوفر حلولاً فعالة لمجموعة واسعة من المشاريع المعقدة.

مزايا وعيوب الهياكل الفولاذية - شركة الصلب الملكية الصينية

تعريف وطبيعة الهياكل الفولاذية
يشير مصطلح "الهيكل الفولاذي" إلى نظام هيكلي حامل للأحمال يتكون منألواح فولاذيةقطاعات فولاذية (عوارض على شكل حرف H, قنوات يو, الفولاذ الزاويإلخ)، وأنابيب فولاذية، مثبتة باللحام أو البراغي عالية المقاومة أو المسامير. وتكمن أهميتها في الاستفادة من قوة الفولاذ ومتانته العالية لنقل الأحمال الرأسية (الوزن الميت ووزن المعدات) والأحمال الأفقية (الرياح والزلازل) بالتساوي من المبنى أو المشروع إلى أساساته، مما يضمن استقراره الهيكلي. وبالمقارنة مع الهياكل الخرسانية، تكمن الميزة الأساسية للهياكل الفولاذية في خصائصها الميكانيكية: إذ تصل قوة شدها إلى أكثر من 345 ميجا باسكال، أي أكثر من عشرة أضعاف قوة الخرسانة العادية؛ كما تسمح لها مرونتها الممتازة بالتشوه تحت الحمل دون أن تنكسر، مما يوفر ضمانًا مزدوجًا للسلامة الهيكلية. هذه الخاصية تجعلها لا غنى عنها في المشاريع ذات الامتدادات الكبيرة والارتفاعات الشاهقة والأحمال الثقيلة.

الأنواع الرئيسية للهياكل الفولاذية

(أ) التصنيف حسب الشكل الهيكلي
هيكل البوابة: يتكون هذا الهيكل من أعمدة وعوارض، ويشكل إطارًا على شكل "بوابة"، بالإضافة إلى نظام دعم. وهو مناسب للمصانع والمستودعات اللوجستية والمتاجر الكبرى وغيرها من المنشآت. تتراوح أطوال الفتحات الشائعة بين 15 و30 مترًا، وقد تتجاوز بعضها 40 مترًا. يمكن تصنيع المكونات مسبقًا في المصانع، مما يسمح بتركيبها في الموقع خلال 15 إلى 30 يومًا فقط. على سبيل المثال، تستخدم مستودعات مجمع JD.com اللوجستي الأول في آسيا هذا النوع من الهياكل بشكل أساسي.
الهيكل الجمالوني: يتكون هذا الهيكل من قضبان مستقيمة متصلة بعُقد لتشكيل شكل مثلث أو شبه منحرف. وتتعرض هذه القضبان لقوى محورية فقط، مما يُتيح الاستفادة الكاملة من قوة الفولاذ. تُستخدم الهياكل الجمالونية عادةً في أسقف الملاعب والجسور الرئيسية. فعلى سبيل المثال، استُخدم الهيكل الجمالوني في تجديد ملعب بكين للعمال لتحقيق امتداد خالٍ من الأعمدة بطول 120 مترًا.
الهياكل الإطارية: نظام مكاني يتكون من توصيل العوارض والأعمدة بشكل صلب يوفر مخططات أرضية مرنة وهو الخيار السائد لمباني المكاتب والفنادق الشاهقة.
الهياكل الشبكية: توفر الشبكة المكانية المكونة من عناصر متعددة، غالباً بعقد مثلثة ومربعة منتظمة، تماسكاً قوياً ومقاومة ممتازة للزلازل. وهي شائعة الاستخدام في صالات المطارات ومراكز المؤتمرات.

(II) التصنيف حسب خصائص الحمل
العناصر المرنة: تتمثل هذه العناصر في العوارض، وهي تتحمل عزوم الانحناء، مع وجود ضغط في الأعلى وشد في الأسفل. وغالبًا ما تستخدم مقاطع على شكل حرف H أو مقاطع صندوقية ملحومة، مثل عوارض الرافعات في المصانع، ويجب أن تستوفي متطلبات كل من القوة ومقاومة الإجهاد.
العناصر المحملة محوريًا: تخضع هذه العناصر لقوى شد/ضغط محورية فقط، مثل قضبان ربط الجمالونات وعناصر الشبكة. تُصمم قضبان الربط لتحقيق المتانة، بينما تتطلب قضبان الضغط الاستقرار. تُستخدم عادةً أنابيب دائرية أو مقاطع فولاذية زاوية. العناصر المحملة لا مركزيًا: تخضع هذه العناصر لقوى محورية وعزوم انحناء، مثل أعمدة الإطارات. نظرًا لعدم مركزية الحمل عند نهايات الكمرات، يلزم استخدام مقاطع عرضية متناظرة (مثل الأعمدة الصندوقية) لتحقيق توازن القوى والتشوهات.

المزايا الأساسية للهياكل الفولاذية
(أ) خصائص ميكانيكية ممتازة
تُعدّ القوة العالية والوزن الخفيف من أهم مزايا الهياكل الفولاذية. فبالنسبة لامتداد معين، لا يتجاوز الوزن الميت لعتبة فولاذية ثلث إلى خُمس وزن العتبة الخرسانية. على سبيل المثال، يزن هيكل فولاذي بطول 30 مترًا حوالي 50 كجم/م، بينما يزن هيكل خرساني أكثر من 200 كجم/م. هذا لا يُقلل تكاليف الأساسات بنسبة 20-30% فحسب، بل يُخفف أيضًا من تأثيرات الزلازل، مما يُحسّن من سلامة الهيكل في مواجهة الزلازل.
(II) كفاءة بناء عالية
يتم تصنيع أكثر من 90% من مكونات الهياكل الفولاذية مسبقًا في المصانع بدقة تصل إلى مستوى المليمتر. ولا يتطلب تركيبها في الموقع سوى الرفع والتوصيل. فعلى سبيل المثال، يستغرق بناء مبنى مكاتب فولاذي مكون من 10 طوابق من 6 إلى 8 أشهر فقط من إنتاج المكونات إلى اكتماله، أي بانخفاض قدره 40% في وقت البناء مقارنةً بالهياكل الخرسانية. كما حقق مشروع سكني فولاذي مُسبق الصنع في شنتشن سرعة بناء بلغت "طابقًا واحدًا كل سبعة أيام"، مما قلل بشكل كبير من تكاليف العمالة في الموقع.
(III) مقاومة عالية للزلازل ومتانة
تُمكّن متانة الفولاذ الهياكل الفولاذية من تبديد الطاقة من خلال التشوه أثناء الزلازل. فعلى سبيل المثال، خلال زلزال ونتشوان عام 2008، لم يتعرض مصنع للهياكل الفولاذية في تشنغدو إلا لتشوه طفيف، ولم يكن هناك أي خطر للانهيار. علاوة على ذلك، بعد معالجة الفولاذ بمواد مقاومة للتآكل (كالجلفنة والطلاء)، يمكن أن يصل عمره الافتراضي إلى 50-100 عام، بتكاليف صيانة أقل بكثير من تكاليف صيانة الهياكل الخرسانية.
(رابعاً) حماية البيئة والاستدامة
تتجاوز معدلات إعادة تدوير الفولاذ 90%، مما يسمح بإعادة صهره ومعالجته بعد الهدم، وبالتالي القضاء على تلوث مخلفات البناء. علاوة على ذلك، لا تتطلب الإنشاءات الفولاذية قوالب أو صيانة، مما يقلل من أعمال الصب الرطبة في الموقع، ويخفض انبعاثات الغبار بأكثر من 60% مقارنةً بالهياكل الخرسانية، وهو ما يتماشى مع مبادئ البناء الأخضر. على سبيل المثال، بعد تفكيك منصة "آيس كيوب" لدورة الألعاب الأولمبية الشتوية في بكين 2022، أُعيد استخدام بعض مكوناتها في مشاريع أخرى، محققةً بذلك إعادة تدوير الموارد.

انتشار استخدام الهياكل الفولاذية
(أ) البناء
تعتمد المباني العامة: الملاعب والمطارات ومراكز المؤتمرات والمعارض، وما إلى ذلك، على الهياكل الفولاذية لتحقيق امتدادات كبيرة وتصاميم واسعة.
المباني السكنية: أصبحت المساكن الجاهزة ذات الهياكل الفولاذية تحظى بشعبية متزايدة ويمكنها تلبية متطلبات السكن الشخصية.
المباني التجارية: مباني المكاتب الشاهقة ومراكز التسوق، التي تستخدم الهياكل الفولاذية لتحقيق تصميمات معقدة وبناء فعال.
(٢) النقل
هندسة الجسور: الجسور البحرية وجسور السكك الحديدية. توفر الجسور الفولاذية امتدادات كبيرة ومقاومة عالية للرياح والزلازل.
النقل بالسكك الحديدية: مظلات محطات المترو وعوارض مسارات القطارات الخفيفة.
(ثالثا) الصناعية
المصانع الصناعية: مصانع الآلات الثقيلة ومصانع المعادن. يمكن للهياكل الفولاذية تحمل أحمال المعدات الكبيرة وتسهيل التعديلات اللاحقة على المعدات.
مرافق التخزين: مستودعات سلسلة التبريد ومراكز الخدمات اللوجستية. تلبي الهياكل الإطارية البوابية متطلبات التخزين ذات المساحات الكبيرة، وتتميز بسرعة بنائها وتشغيلها.
(رابعاً) الطاقة
مرافق الطاقة: المباني الرئيسية لمحطات الطاقة الحرارية وأبراج نقل الطاقة. تتميز الهياكل الفولاذية بملاءمتها للأحمال العالية والبيئات الخارجية القاسية. الطاقة الجديدة: تتميز أبراج توربينات الرياح وأنظمة تركيب الخلايا الكهروضوئية بهياكل فولاذية خفيفة الوزن لسهولة النقل والتركيب، مما يدعم تطوير الطاقة النظيفة.