Experimental and Analytical Evaluation of Reinforced Concrete Beams Strengthened Using a Near-Surface Mounted CFRP U-Wrap Technique

تعد الخرسانة هي القوة العاملة الصامتة في العالم الحديث، فهي تشكل الهيكل العظمي لجسورنا ومبانينا ومنازلنا. وهي قوية بما يكفي لتحمل أوزان هائلة، ولكن مثل أي مادة أخرى، لها حدود. ومع مرور الوقت، يمكن أن تزداد المتطلبات المفروضة على هذه الهياكل، أو يمكن للمواد نفسها أن تتقادم، مما يتركها عرضة للانحناء أو الكسر تحت الضغط. وعندما يبدأ شعاع خرساني في إظهار علامات الضعف، يجب على المهندسين إيجاد طريقة لجعله أقوى دون هدم الهيكل بأك inteiro. لعقود من الزمن، كان الحل القياسي هو لصق شرائح رقيقة وعالية القوة من ألياف الكربون على الجزء الخارجي من الشعاع. ورغم فعالية هذه الطريقة، إلا أنها تعاني من عيب: وهو أن الغراء قد يفشل أحياناً، مما يتسبب في تقشر الشريحة قبل أن يصل الشعاع إلى كامل إمكاناته. ولحل هذه المشكلة، طور الباحثون تقنية تقوم بإخفاء مادة التقوية داخل الخرسانة نفسها، حيث تُوضع داخل أخدود محفور في السطح. هذا النهج، المعروف باسم "التثبيت قريب السطح"، يخلق رابطاً أكثر إحكاماً بين الشعاع والتعزيز، مما يحمي المادة ويسمح لها بالعمل بجهد أكبر.

قام فريق من الباحثين مؤخراً باختبار طريقة التقوية المخفية هذه، وتحديداً من خلال البحث في كيفية أدائها عند دمجها مع تقنية تغليف تضغط على الشعاع من الجوانب. قاموا ببناء ستة أشعة خرسانية، يبلغ عرض كل منها مائة مليمتر، وارتفاع مائتين مليمتر، وطول ألف وخمسمائة مليمتر. تُرك نصف هذه الأشعة سادة لتكون بمثابة خط أساس، بينما تم تعزيز النصف الآخر باستخدام عملية محددة. أولاً، قام الباحثون بحفر أخدود في أسفل الشعاع ومرروا شريطاً من ألياف الكربون من خلاله، وثبتوه باستخدام راتنج إيبوكسي مكون من جزأين. بعد ذلك، قاموا بلف شرائح إضافية من ألياف الكربون حول جوانب وقاع الشعاع على شكل حرف U، مما خلق فعلياً عناقاً محكماً حول الخرسانة. وأخيراً، غطوا المنطقة المعززة بالكامل بطبقة جديدة من الخرسانة لاستعادة الشكل الأصلي للشعاع. وبمجرد جفاف الخرسانة الجديدة، أخضعوا جميع الأشعة الستة لاختبار انحناء رباعي النقاط صارم، حيث طبقوا الوزن ببطء حتى انهارت الأشعة.

كانت نتائج التجربة مذهلة. فالأشعة السادة، التي لم تكن تحتوي على أي تعزيز إضافي، بدأت تنحني بشكل ملحوظ تحت حمل قدره حوالي خمسة وخمسين كيلونيوتن وفشلت في النهاية عند متوسط حمل قدره ستة وستين كيلونيترون. وعند لحظة كسرها، كانت قد انحنت بأقل من خمسة مليمترات. أما الأشعة المعززة، فقد حكت قصة مختلفة؛ فقد حافظت على شكلها لفترة أطول بكيد واستحملت حملاً أقصى قدره مائة كيلونيوتن قبل الفشل. ويمثل هذا زيادة بنسبة 51% في كمية الوزن التي يمكن للأشعة حملها. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو مدى قدرتها على الانحناء قبل الكسر؛ فقد انحنت الأشعة المعززة بمقدار ستة عشر فاصل سبعة مليمتر عند حدها الأقصى، وهو ما يزيد عن ثلاثة أضعاف تشوه الأشعة السادة. هذه المرونة الإضافية أمر بالغ الأهمية في السيناريوهات الواقعية، حيث تسمح للهيكل بامتصاص الطاقة وإعطاء تحذير قبل الانهيار الكارثي، بدلاً من الانكسار فجأة.

لاحظ الباحثون أيضاً كيف تشققت الأشعة. فقد أظهرت الأشعة السادة بعض الشقوق الكبيرة والعميقة التي صعدت بسرعة عبر الخرسانة، ووصلت أعماقها إلى حوالي مائة وخمسة وخمسين مليمترًا. في المقابل، أظهرت الأشعة المعززة العديد من الشقوق الأصغر والأقل عمقاً والتي ظلت قريبة من السطح، ولم تتجاوز عمق مائة وثلاثين مليمترًا. لقد عمل لف ألياف الكربون مثل حزام ضيق، حيث أمسك الخرسانة معاً ومنع الشقوق من الانتشار بعيداً. هذا الحصر يعني أن الإجهاد قد تم توزيعه بشكل أكثر توازناً عبر الشعاع، مما سمح للمادة بالعمل بكفاءة أكبر. ولضمان أن هذه النتائج لم تكن مجرد مصادفة للأشعة المحددة التي بنوها، قام الفريق أيضاً بإنشاء محاكاة حاسوبية مفصلة للتجربة. وقد توقع النموذج الرقمي سلوك الأشعة بدقة عالية، حيث طابق نتائج الاختبار الواقعي بشكل شبه مثالي من حيث مقدار انحنائها وكيفية فشلها في النهاية.

تؤكد الدراسة أن غرس ألياف الكربون في الخرسانة ولفها بطبقة على شكل حرف U هو وسيلة فعالة للغاية لترميم وتقوية الهياكل القديمة. فهي ترفع بشكل كبير من قدرة تحمل الحمل وتسمح للأشعة بالانحناء لمسافة أبعد دون كسر، مع الحفاظ على الشقوق صغيرة ويمكن السيطرة عليها. وأشار الباحثون إلى أنه على الرغم من أن الأشعة المعززة كانت أكثر مرونة قليلاً من الأشعة السادة، إلا أنها لم تفقد قدرتها الأساسية على التشوه بأمان، وهي صفة تُعرف بالمطيلية (Ductility). وهذا يشير إلى أن الطريقة تحسن السلامة دون جعل الهيكل هشاً. وبينما ركز العمل الحالي على أشعة ذات حجم محدد وتحت ظروف محكومة، فإن النتائج تقدم مساراً واضحاً للمهندسين الذين يتطلعون إلى إطالة عمر البنية التحتية الخرسانية. لقد أثبتت هذه التقنية أنها أداة موثوقة لتعزيز الأداء، مما يوفر طريقة لجعل الهياكل القديمة أقوى وأكثر أماناً للمستقبل.