Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

ملخص تقني: التحليل الحسابي للخشب المتقاطع الطبقات (CLT) تحت درجات الحرارة المرتفعة

بيان المشكلة
يشهد الخشب المتقاطع الطبقات (CLT) نمواً هائلاً في قطاع الإنشاءات نظراً لاستدامته، واستقراره الأبعادي، ومزايا التصنيع المسبق التي يوفرها. ومع ذلك، فإن الافتقار إلى فهم شامل لسلوكه الحراري الميكانيكي تحت ظروف الحريق يعيق تطبيقه على نطاق واسه. وبينما يشكل الخشب طبيعياً طبقة تفحم واقية تعمل كعازل للقلب الداخلي، فإن أداء الـ CLT يتسم بالتعقيد بسبب بنيته ذات الطبقات المتعامدة، وخصائص المواد اللاصقة، واستخدام الوصلات المعدنية (البراغي والمسامير) التي يمكن أن تعمل كجسور حرارية. فعند التعرض لدرجات حرارة عالية، تفقد الوصلات المعدنية مقاومتها، مما قد يؤدي إلى تقويض النظام الإنشائي بأكمله. توفر معايير التصميم الحالية، مثل "يوروكود 5" (Eurocode 5)، طرق حساب لعملية التكربن، ولكنها تتطلب مزيداً من التحقق فيما يتعلق بالتفاعل بين تباين سماكة الطبقات، وانتقال الحرارة، وسلامة الوصلات.

المنهجية
استخدمت هذه الدراسة المحاكاة الحسابية باستخدام برنامج Ansys لتحليل السلوك الحراري الميكانيكي لألواح أرضيات CLT (من طابق إلى طابق) تحت التعرض للحريق. استخدم البحث طريقة العناصر المحدودة (FEM) مع المعايير التالية:

• العينات: ثلاث تكوينات للألواح (P1, P2, P3) بـ 3، و5، و7 طبقات على التوالي. بلغت السماكات الإجمالية 10 سم، و16 سم، و22 سم. تم نمذجة الألواح باستخدام خشب من نوع (Pinus spp.) (فئة القوة C24) مع لاصق يعتمد على البولي يوريثان.
• الهندسة والتحميل: بلغت أبعاد الألواح 40×60 سم. تم تطبيق حمل موزع بانتظام (يأخذ في الاعتبار الوزن الذاتي والأحمال العارضة)، حيث تباين قليلاً باختلاف سماكة اللوح (من 6.19 إلى 6.86 كيلو نيوتن/متر مربع).
• الوصلات: استُخدمت براغي من نوع HBS ø 10TX80، موزعة على فترات قدرها 10 سم، مع افتراض وجود اتصال ملتصق بين الفولاذ والخشب لمحاكاة التفاعل الميكانيكي وانتقال الحرارة.
• التعرض للحريق: اتبعت عمليات المحاكاة منحنى درجة الحرارة والزمن القياسي ISO 834-1. تعرضت الألواح لدرجات حرارة تراوحت بين 200 درجة مئوية و1200 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة (3600 ثانية).
• مراحل التحليل: تم إجراء تحليل تسلسلي من مرحلتين: أولاً، تحليل حراري عابر لتحديد توزيع درجات الحرارة؛ ثانياً، تحليل ميكانيكي يدمج حقل درجات الحرارة الناتج لتقييم الإزاحات والإجهادات.
• المراقبة: تم تحديد تسعة نقاط عقدية عبر سماكة اللوح (خارجية، داخلية، ومركزية) لتتبع تدرجات درجات الحرارة وتغلغل الحرارة.

النتائج الرئيسية

• التغلغل الحراري والتكربن: مع ارتفاع درجة الحرارة، لوحظ انتقال الحرارة إلى داخل المقطع العرضي. أظهر اللوح ذو الـ 3 طبقات (P1) تغلغلاً حرارياً كبيراً، حيث اقتربت درجات الحرارة الداخلية من عتبة التكربن (حوالي 300 درجة مئوية) عند علامة 45 دقيقة. في المقابل، أظهر اللوح ذو الـ 5 طبقات (P2) والـ 7 طبقات (P3) تطوراً حرارياً محدوداً؛ حيث قامت الطبقات الخارجية المتفحمة بعزل القلب الداكن بفعالية، مما أبقى درجات الحرارة الداخلية أقل بكثير (على سبيل المثال، ظلت النقاط الداخلية في P3 تحت 70 درجة مئوية حتى عند التعرض لـ 1200 درجة مئوية خارجياً).
• درجات حرارة الوصلات: عملت البراغي المعدنية كجسور حرارية، لكن عدد الطبقات المحيطة أثر بشكل كبير على درجة حرارتها. في P1، وصلت درجات حرارة البراغي إلى حد أقصى قدره 162.3 درجة مئوية. وفي P2 وP3، بلغت درجات الحرارة القصوى للبراغي 126.3 درجة مئوية و175.9 درجة مئوية على التوالي (مع ملاحظة أن أعلى قيمة لـ P3 حدثت عند الطرف الأقرب للحريق، رغم أن النص يشير إلى أن P1 سجل عموماً تداخلاً داخلياً أعلى). والأهم من ذلك، ظلت درجات حرارة البراغي في جميع الحالات دون عتبة 200 درجة مئوية التي غالباً ما تُذكر كحد للحفاظ على خصائص الوصلات، وإن كانت الدراسة تشير إلى أن التأثيرات الحرارية غير المباشرة يمكن أن تؤثر أيضاً على القدرة الميكانيكية.
• الإزاحات: تحت تأثير التحميل الناجم عن الحريق، أظهرت جميع الألواح نمواً خطياً في الإزاحة. أظهر P1 (3 طبقات) أعلى انحراف، حيث زاد عن P2 بنسبة 6.3% وعن P3 بنسبة 8.2%. بلغ أقصى إزاحة رأسية لـ P1 مقدار 6.15x10⁻¹ مم، بينما أظهر P3 أقل حركة بمقدار 5.33x10⁻¹ مم.
• حركة البراغي: كانت الإزاحات الأفقية والرأسية للبراغي ضئيلة بسبب ظروف الدعم الثابتة. كانت أقصى التغيرات الأفقية في حدود 10⁻² مم. أظهرت الإزاحات الرأسية تأثير "الخلع" (pull-out) للبراغي الخارجية وحركة للداخل للبراغي الداخلية نتيجة إجهادات الانحناء، مع ظهور أكبر الإزاحات في P1 مجدداً.

الأهمية والاستنتاجات
تخلص الدراسة إلى أن زيادة سماكة وعدد طبقات ألواح الـ CLT يحسن بشكل كبير من الأداء الحراري الميكانيكي في ظروف الحريق. توفر التكوينات الأكثر سماكة (5 و7 طبقات) عزلاً فائقاً، مما يؤخر انتقال الحرارة إلى القلب ويحمي الوصلات المعدنية من الوصول إلى درجات حرارة حرجة قد تخل بالسلامة الإنشائية.

يؤكد البحث أنه بينما تتعرض ألواح الـ CLT لتقليص في المقطع العرضي بسبب التكربن، فإن البنية متعددة الطبقات تحافظ على الاستقرار الإنشائي بشكل أفضل من التكوينات الأقل سماكة. وتشير النتائج إلى أن عناصر الـ CLT الأكثر سماكة تقلل من تدهور صلابة الخشب وقوته أثناء التعرض للحريق وتؤخر بدء الفشل في مناطق الوصلات. ومع ذلك، يؤكد المؤلفون أن الاستجابة الحرارية تظل معتمدة بشكل كبير على شدة الحريق ومدته. تعزز هذه الدراسة فائدة المحاكاة الحسابية في التنبؤ بهذه السلوكيات، حيث تقدم بيانات تتوافق مع الملاحظات التجريبية فيما يتعلق بخصائص العزل للطبقات المتفحمة والدور الوقائي لزيادة سماكة اللوح.