هيكل البناء من الطوب المقوى

١. مسح هندسي

بُني مبنى تعليمي في منطقة شيجينغشان ببكين عام ١٩٨٦ بمساحة ٤٣٠٠ متر مربع. الطابق الأول هيكلي، والطوابق من الثاني إلى الرابع مبنية من الطوب والخرسانة. يبلغ ارتفاع الطبقة الأولى 3.8 متر، وارتفاع الطبقتين الثانية والثالثة 3.6 متر، وارتفاع الطبقة الرابعة 3.8 متر و1 بوصة و13 بوصة، ويبلغ الارتفاع الإجمالي 14.8 متر. وقد ثبت أن قدرة المبنى على مقاومة الزلازل لا تلبي متطلبات هندسة السلامة الوطنية لمباني المدارس الابتدائية والثانوية. بعد التسليح، يجب أن تصل شدة مقاومة الزلازل للمبنى المُصمم إلى 8 درجات.

2. تصميم التسليح

2.1 خطة التصميم

يُحلل مخطط تصميم هذا المشروع من أربعة جوانب: التكلفة، ومدة البناء، ووظيفة الخدمة، وفعالية تحسين الأداء الزلزالي، ويُحدد تسليح ألياف الكربون كخيار أمثل.

(1) في حال اعتماد طريقة التسليح التقليدية لجدار بلاطة الخرسانة المسلحة في هذا المشروع، سيصبح مقطع العارضة-العمود لإطار الطابق الأول كبيرًا جدًا مع زيادة الحمل العلوي. وهذا يؤثر بشكل كبير على وظيفة استخدام الطابق الأول. علاوة على ذلك، يلزم توسيع أساس عمود الإطار، حتى من أساس مستقل إلى أساس طوافة، مما يؤدي إلى إطالة مدة البناء وزيادة كبيرة في التكلفة. تتميز ألياف الكربون بخفة وزنها، وانخفاض الحمل الإضافي بعد التسليح، وتأثيرها المحدود على أساس المبنى، وقلة الحاجة إلى تسليحه.

(2) يُظهر تقرير التقييم الزلزالي لهذا المشروع أن قوة ضغط الهيكل الحجري العلوي تلبي المتطلبات، وأن قدرة القص غير كافية، وعدد الأعمدة الإنشائية الأصلية غير كافٍ، وأن المقطع العرضي للعوارض الحلقية صغير، وأن مقاييس ليونة الجدار بحاجة إلى تقوية، وأن نسيج ألياف الكربون يتميز بزيادة ليونة الهيكل.

(3) من وجهة نظر الاستخدام، لا يمكن تقليل مساحة قاعة التدريس بشكل كبير، فبغض النظر عن طول أو اتجاه عرض الفصل الدراسي، إذا تم تقليلها بأكثر من 100 متر، فسيكون من الصعب للغاية وضع المكاتب والكراسي على الطلاب، كما أن تدعيم جدران الفصل بالخرسانة المقواة بالألياف الزجاجية (CFRP) سيقلل عادةً من مساحة الفصل بمقدار 160-200 متر. يؤدي استخدام قماش CFRP لتدعيم جدران الفصل الدراسي إلى تقليل ارتفاع السقف بمقدار 50 إلى 60 رنًا فقط في الدقيقة.

2.2 نقاط التصميم الرئيسية

تشمل نقاط التصميم الرئيسية اختيار قماش ألياف الكربون، وتحديد تصميم المستوى، ووضع التثبيت، وإجراءات إحكام الحواف.

(1) اختيار قماش ألياف الكربون. يتميز البناء بالطوب بضعف القوة، وضعف اللدونة، وضعف الالتصاق بين CFRP والجدار، لذلك لا يُناسب استخدام CFRP عالي القوة. يُفضل اختيار CFRP من الدرجة الثانية بوزن 200 غرام.

(2) تصميم قماش ألياف الكربون. عندما تكون نسبة العرض إلى الارتفاع أكبر من 0.5، يتم اعتماد مخطط وضع النوع "البئر"، ويتم اعتماد مخطط وضع النوع "ثمانية" عندما تكون نسبة العرض إلى الارتفاع أقل من 0.5.

(٣) إجراءات التثبيت. إجراءات التثبيت ليس لها تأثير يُذكر على حمل التشقق، لكنها تؤثر بشكل كبير على حمل الانهيار النهائي. حاليًا، أثبتت العديد من التجارب أن طريقة التثبيت بالضغط عبر سطح مسامير الكربون عند تقاطع نسيج ألياف الكربون هي الأكثر موثوقية. في الوقت نفسه، تُلصق شرائح قماش الكربون على سطح الجدار بطول ٢٠٠ متر مع أسفل الأرضية، ويُضغط نسيج ألياف الكربون على سطح مسامير الكربون عبر الجدار على عمق ١٥٠ مترًا تحت الأرضية.

(٤) محتوى التصميم التفصيلي. يجب تصميم تباعد ألياف الكربون، وتوزيع مسامير الكربون، والمفاصل، وحواف العزل بدقة. يعتمد تصميم هذا المشروع على تقوية الجدار الرئيسي بطبقة واحدة من البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP) بوزن ٢٠٠ غرام، بترتيب ثنائي الاتجاه، بعرض ١٠٠ متر. تبلغ المسافة الطولية والعرضية ٥٠٠ متر. تُستخدم مسامير الكربون لضغط التقاطع. يوضح الرسم التخطيطي مخطط تقوية وصلة الجدار والأرضية.