المنشآت المركبة Composite Structure

إن المنشآت المركبة عادة هى التى تتكون من مادتين مختلفتين في العناصر الإنشائية.

مثل دمج الخرسانة CONCRETE  مع المعدن STEEL   أو دمج الخشب مع الخرسانة أو الألومنيوم مع الخشب …. إلخ 

المنشآت المركبة فى مجال الهندسة المدنية

خلال العقود الأخيرة من القرن التاسع عشر تم تصميم منشأت تتكون من هياكل معدنية Steel Framing  عليها بلاطة من الخرسانة المسلحة فوقها Reinforcement  Concrete حيث تعمل بشكل منفرد تماما فى تحمل أى أحمال عليها ولم تتم ملاحظة أى تأثير لهذه الإختلاف فى دمج المكونات لكل من الخرسانة والاستيل.

ولذلك بدأت وبشكل كبير تلقى تزايدا ملحوظا من قبل المصممين حتى أصبحت تدخل فى تنفيذ معظم المنشآت الهندسية.

لا تقتصر المنشآت المركبة فقط على مجالات الهندسية المدنية ولكنها دخلت في مجالات عدة كالمجالات الصناعية والميكانيكية والكهربائية والإلكترونية.

العناصر الإنشائية المستخدمة داخل المنشآت المركبة فى مجال الهندسة المدنية

1. بلاطة من الخرسانة المسلحة Concrete Slab . 
2. الكمرات أو الأعمدة الخرسانية Beams or Columns  . 
3. الوصلات القصية Shear Connectors : – 

حيث تقوم هذه الوصلات بمقاومة قوى القص الأفقي الناتجة بين بلاطة الخرسانة المسلحة والهيكل المعدني حيث تعمل بلاطة الخرسانة المسلحة فى هذه الحالة كتدعيم لمقاومة الضغط الناتج من الهيكل المعدني.

تطبيقات المنشآت المركبة Composite Structure

لا بد لنا أن نقول أن المنشآت المركبة لا تقتصر فقط على دمج الخرسانة والاستيل فقط.

وإنما هناك عدة أنواع أخرى على سبيل المثال لا الحصر : 

• الخرسانة سابقة الصنع مع خرسانة مصبوبة محليا.
• الخشب مع الخرسانة.
• الألومنيوم مع الخشب.
• الألومنيوم مع الخرسانة ( سواء أكانت سابقة الصنع أو سابقة الإجهاد ).
• تقسيمات المنشآت الخرسانية المعدنية المركبة.

1. المنشآت المركبة من الخرسانة والمعدن STEEL وقد تكون الكمرات سابقة الصنع أو الإجهاد أو خشبية . 
2. تمثل المنشآت الخرسانية أو الخرسانية المركبة وهى تتكون من الخرسانة المسلحة ومقاطع معدنية أو خشبية ….. إلخ . 
3. وهى المنشآت الخرسانية المسلحة المتعارف عليها.

فوائد المنشآت المركبة

1.توفير وزن المعدن المستعمل :

  حيث يتم توفير وزن المعدن STEEL  بنسبة تتراوح بين 20 % الى 30 % وهذا سيؤدى إلى أن تكون العناصر ذات إرتفاع أقل وأكثر إقتصادية.

2.زيادة قوة البلاطات المركبة:

حيث تزداد قوة البلاطات المركبة أكبر بكثير من البلاطات الغير مركبة التى تستند على الكمرات المعدنية.

3.المنشآت المركبة أكثر إقتصادية :

لقد أظهرت الأبحاث والتجارب أن المنشأت المركبة أكثر إقتصادية من المنشآت الأخرى وتتحسن هذه الفائدة بإستمرار نتيجة للتطور الكبير عن طريق إستعمال كمرات من الخرسانة مسبقة الإجهاد أو مسبقة الصنع بدلا من الكمرات المعدنية أو إستعمال كمرات معدنية هجينة Hybrid Members) )أو إستعمال حوائط مركبة أو أعمدة مركبة وما الي ذلك.

أضرار المنشآت المركبة

لا توجد هناك أضرار بالمعنى المتعارف عليه ولكن هناك بعض القصور أهمها :

1. إن جزءا من بلاطة الخرسانة المسلحة يكون مقاوم للضغط فى منطقة العزوم الموجبة ولكن تقوم أسياخ التسليح الطولية للبلاطة فى الكمرات المستمرة بتأمين استمرارية الفعل المركب فى مناطق العزوم السالبة.
2. ارتفاع تكلفة تركيب الوصلات القصية.
3. ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفاجئ مما يؤدي إلى جعل الهيكل المعدنى أكثر سخونة من البلاطة الخرسانية المتصلة معه.
4. تمدد الخرسانة بسبب التغيرات الفيزيائية والكيميائية مثل الرطوبة – الجفاف – المواد الكيميائية الموجودة فى الأسمنت.

طرق إنشاء وتنفيذ المنشآت المركبة

أ – بواسطة الدعائم:

1. يتم وضع الكمرات المعدنية فى أماكنها المحددة.
2. توضع هياكل البلاطة التى يتم صبها بالمكان نفسه.
3. توضع دعامات لسند كامل المجموعة بما فيها الكمرات.
4. يتم صب الخرسانة وتترك المجموعة كاملة حتى تتصلب الخرسانة لمدة 7 أيام على الأقل حتى تصل إلى المقاومة المطلوبة ثم تزال كافة الدعامات . 

ب – بدون دعامات:

1. يتم وضع الكمرات المعدنية فى أماكنها المحددة.
2. توضع الهياكل لحمل البلاطة الخرسانية بدون دعائم.
3. تصب البلاطة الخرسانية وتترك المجموعة حتى تتصلب بالشكل المطلوب.

ملحوظة هامة : – 

• يجب عند استخدام المنشآت المركبة التحقق من الإتزان الجانبي للهيكل المعدني أثناء مرحلة البناء حيث أن تصميم الأحمال الجانبية يعتمد على أن البلاطة الخرسانية المسلحة تعطى دعما جانبيا للهيكل المعدني.

أساسيات تصميم المنشآت المركبة

• إذا تم إتحاد البلاطات الخرسانية المسلحة مع الكمرات المعدنية بواسطة الوصلات القصية الميكانيكية “Mechanical Shear Connectors” فإننا نحصل على منشآت مركبة تقاوم الحمولة بزيادة الثلث أو أكثر منه فى حالة عدم وجود الفعل المركب Non – Composite Action )) بين البلاطة الخرسانية والكمرات المعدنية.

سيرد فيما بعد ما هو الفعل المركب؟

• إن هذه الزيادة فى المقاومة تجعل لدينا مقاطع مركبة لديها صلابة وقوة أقوى بكثير من المقاطع غير المركبة إضافة إلى ذلك أن الهبوط Deflection ) ) فى المنشأت المركبة أقل بنسبة تتراوح من 20 الى 30 % من المنشآت الغير مركبة.
• بصفة عامة ينشأ الفعل المركب عند إتحاد عنصران أساسيان إنشائيان وهما البلاطة الخرسانية و الكمرات المعدنية الحاملة ويقاومان الهبوط ( Deflection ) كأنها مادة واحدة.

ولكن السؤال هنا ما هو الفعل المركب Composite Action ؟ 

• الفعل المركب يمكن تعريفه على أنه تلاحم المواد المكونة للعنصر الإنشائى مع بعضها وتكوين وحدة إنشائية متكاملة من أجل مقاومة أى حمل خارجى.

دراسة الهبوط Deflection  

• إن من أهم العوامل التي يجب أخذها فى الحسبان عند حساب الهبوط للكمرات المركبة هى طريقة الإنشاء للمنشآت المركبة سواء مع دعائم مؤقتة أو بدون دعامات.
• فإذا تم التنفيذ من خلال دعامات فإن المقطع المركب سيقاوم الأحمال الحية والميتة.
• أما إذا لم يتم سند الكمرات المعدنية خلال فترة تصلب البلاطة الخرسانية ( الإنشاء بدون دعامات ) فإن مقطع الكمرات المعدنية سيقاوم الإجهادات الناتجة عن الحمل الميت قبل تصلب البلاطة الخرسانية والمقطع المركب سيقاوم الإجهادات الناتجة عن باقى الأحمال الحية والميتة.

حساب الإجهاد الناتج عن الأحمال الواقعة على المقطع المركب 

• لا تتحمل الخرسانة سوى إجهاد شد ضعيف ولذلك فإننا يجب أن نحرص على أن يمر المحور المحايد فى الجزء العلوى من الكمر المعدنى وينخفض هذا المحور نحو الأسفل فى المنشأت المركبة . 

أثر زحف أو سيلان الخرسانة تحت تأثير الأحمال الدائمة

• الزحف أو السيلان Creep Effect   هى التغيرات التى تحدث للمنشأت الخرسانية مع مرور الزمن بالرغم من الأحمال الثابتة الدائمة حيث تحدث تغيرات لدنة مع تقدم الزمن واستمرار الإجهادات المؤثرة فى الخرسانة بمرور الزمن تؤدى إلى تناقص فى عامل مرونة الخرسانة مما يؤدى إلى الزحف creep  فى إجهادات الخرسانة وزيادة فى إجهادات المعدن steel.

إختيار المقاطع المعدنية فى المنشآت المركبة

يقسم نظام المنشأت المركبة بشكل عام إلى نوعين:

1. مقاطع محكمة Compact.
2. مقاطع غير محكمة Non Compact.

ويرجع أساس هذا التقسيم إلى شكل المقطع عموما وطول العنصر الجانبى الغير مدعم حيث قد تتخذ المقاطع أشكال عديدة مثل أن تكون على شكل حرف I أو على شكل صندوق أو على شكل دائري مفرغ، إلخ. 

يطلق على المقاطع المحكمة هذا الاسم وذلك بسبب إختيار أبعاد وسمك القطاع المكون لها حيث يؤدى ذلك إلى تفادي ظواهر عدم الاستقرار عند تعرضها للقوى والعزوم الخارجية.

أساسيات تصميم الكمرات المركبة

إن من أهم المعايير التي يجب إتخاذها عند ربط مادتين أو أكثر هو خلق منظومة عمل.

تجعل المادتين تتجانسان مع بعضهما البعض كأنهم كيان واحد لمقاومة أى أحمال خارجية.

دون حدوث أي انزلاق 

• ولذلك فإن منظومة ربط بلاطة الخرسانة المسلحة مع الكمرات المعدنية هى الوصلات القصية حيث تعمل على جعل المقطع المركب يعمل على شكل حرف T. 
• يجب تصميم الوصلات القصية لمنع أى حركة بين بلاطة الخرسانة المسلحة والكمرات المعدنية فى الاتجاهين.
• يجب ألا يتجاوز التباعد بين الوصلات القصية طوليا 3 – 4 مرات ارتفاع البلاطة الخرسانية.
• إن تصميم المقطع المركب يعتمد بشكل أساسى على مدى إمكانية مقاومة القص بين البلاطة الخرسانية والكمرات المعدنية فكلما كان الالتحام متينا كلما كان الفعل المركب أقوى.

الوصلات القصية Shear Connection

إن الهدف الرئيسى من هذه الوصلات هو منع الحركة بين البلاطة والهيكل المعدني.

ويمكن تقسيم أنواع الوصلات المستعملة حاليا كالاتى:

1. الوصلات الصلبة Rigid Connectors زهى غير مرنة.
2. الوصلات نصف الصلبة Semi – Rigid Connectors وهى أكثر مرونة.
3. وصلات الإلتحام Bond Connectors وتعتمد بشكل كامل على إجهادات الإلتحام بين الخرسانة المجاورة للوصلات والوصلات نفسها لتطوير ثبوت البلاطة على الهيكل المعدني.