Partial composite action in prestressed UHPC-NC composite girders: interface characterisation, prestress gain and a conservative assessment of a bond-based check

الجسور ثقيلة، وكلما زاد طول امتدادها، زاد وزنها. وهذا يخلق مفارقة محبطة: لمد مسافات شاسعة، يتعين على المهندسين بناء عوارض عميقة وضخمة لتحمل وزنها، إلا أن هذا العمق الإضافي يزيد من الوزن نفسه، مما يجبر الهيكل على النمو بشكل أكبر أيضاً. لعقود من الزمن، كان الحل يكمن في استخدام مواد أقوى، لكن الخرسانة العادية بها عيب قاتل: فهي تتشقق بسهما تحت تأثير الشد. وعندما تتشقق الخرسانة، يتسرب الماء، مما يؤدي إلى صدأ الفولاذ بداخلها ويقصر عمر الجسر. إن الخرسانة ذات الأداء الفائق للغاية، أو (UHPC)، تغير قواعد اللعبة؛ فهي مادة كثيفة معززة بالألياف تقاوم التشقق ويمكن شدها دون أن تنكسر، مما يسمح للمهندسين ببناء عوارض أكثر ضحالة وأخف وزناً. إن التصميم الأكثر كفاءة يجمع بين طبقة رقيقة من هذه الخرسانة فائقة القوة في الأسفل، حيث يكون الشد في أعلى مستوياته، وطبقة أكثر سمكاً من الخرسانة العادية في الأعلى، حيث تكون المادة تحت تأثير الضغط.

يكمن التحدي في منطقة الالتقاء بين هذين النوعين المختلفين من الخرسانة. فإذا لم يلتصقا ببعضهما البعض بشكل مثالي، فسوف ينزلقان فوق بعضهما البعض تحت الحمل، وسيفشل الجسر في العمل كوحدة واحدة قوية. لطالما افترض المهندسون أنه إذا تم ربط الطبقات بشكل صحيح، فستتحركان ككتلة واحدة صلبة، وهي حالة تُعرف بالتفاعل الكامل. ومع ذلك، فإن هذا الافتراض يصعب إثباته في جسر حقيقي، وإذا كان خاطئاً، فقد يكون الهيكل أضعف بكثير مما هو محسوب. والسؤال ليس فقط ما إذا كانت المواد تلتصق، بل كيف تتصرف عندما ينحني الجسر، وكم تبلغ نسبة تمدد الكابلات الفولاذية الداخلية أثناء ذلك الانحناء، وما إذا كان الاتصال قوياً بما يكفي لتحمل الإجهاد أو ما إذا كان سينزلق قبل أن يصل الجسر إلى نقطة الانهيار.

قام باحث باختبار هذه الافتراضات مباشرة، متجاوزاً النظرية ليقيس بالضبط ما يحدث داخل الوصلة. فقد بنى ستة وعشرين نموذجاً فيزيائياً لتمثيل ثلاثة سيناريوهات مختلفة: كتل بسيطة لاختبار الترابط نفسه، وعوارض مشدودة مسبقاً جديدة حيث تم صب الطبقات معاً، وعوارض قديمة متضررة تم تدعيمها بطبقة جديدة من (UHPC). كان الهدف هو معرفة ما إذا كان التداخل بين الطبقة السفلية فائقة القوة والطبقة العلوية العادية يمكن أن يمسك الجسر معاً حقاً، أم أن المادتين ستبدآن في الانزلاق بعيداً عن بعضهما البعض قبل انهيار الجسر بوقت طويل.

فحص الباحث أولاً طبيعة الترابط نفسه باستخدام كتل على شكل حرف (L). واكتشف أن طريقة تحضير السطح تهم أكثر من قوة الخرسانة نفسها. فعندما تم تخشين السطح ببساطة باستخدام فرشاة سلكية، تصرفت الوصلة بطريقة معينة: فقد صمدت جيداً حتى تشققت، ثم فشلت فوراً دون سابق إنذار. ولكن عندما أضاف الباحث دبابيس معدنية صغيرة، أو "أوتاداً"، عبرت الفاصل، تغير السلوك تماماً. استطاعت الوصلة أن تتشقق، لكن الدبابيس أبقت القطع متماسكة، مما سمح للجسر بحمل أكثر من خمسة أضعاف الحمل الذي كان يمكنه حمله قبل ظهور الشق. كشف هذا عن حقيقة حاسمة: الوصلة المزودة بدبابيس ليست مجرد نسخة أقوى من الوصلة الخشنة؛ بل هي آلية مختلفة تماماً يمكنها امتصاص الضرر والاستمرار في العمل، بينما لا توفر الوصلة الخشنة بدون دبابيس أي قوة احتياطية بمجرد تشققها.

بعد ذلك، اختبر الباحث عوارض مشدودة مسبقاً كاملة الحجم ليرى كيف تتصرف الكابلات الفولاذية الداخلية. في الجسور المشدودة مسبقاً، يتم شد الكابلات الفولاسية بقوة قبل أن يحمل الجسر أي حركة مرور، مما يضغط الطبقتين الخرسانيتين معاً. ومع تحميل الجسر وبدء انحنائه، تتمدد الكابلات الفولاذية، وتزداد قوة شدها. قام الباحث بقياس هذه الزيادة مباشرة عند نقاط التثبيت ووجد أن الكابلات اكتسبت نحو ثلاثة عشر بالمائة إضافية من قوة الشد بحلول الوقت الذي وصل فيه الجسر إلى حده الأقصى. أكد هذا أن الكابلات تتمدد بشكل ملحوظ، ولكنه أثار سؤالاً أيضاً: هل كان الانزلاق في الوصلة كبيراً بما يكفي لإيقاف هذا التمدد؟ كانت الإجابة لا. في كل اختبار، تحركت الطبقتان معاً بشكل مثالي. صمدت الوصلة بإحكام، وتمددت الكابلات الفولاذية تماماً كما لو كانت في عارضة صلبة واحدة.

كما بحثت الدراسة في الحالة الأكثر صعوبة، وهي تدعيم جسر قديم ومتضرر. هنا، كانت الطبقة السفلية من الجسر الأصلي متشققة بالفعل قبل إضافة (UHPC) الجديدة، مما يعني أن الطبقتين لم تكن مضغوطة معاً بواسطة الشد الأصلي. وبالرغم من ذلك، أظهرت العوارض المدعمة أداءً ممتازاً؛ فلم تفشل بسبب انزلاق الطبقات بعيداً عن بعضها البعض، بل فشلت لأن الخرسانة أو الفولاذ وصلا إلى نقطة انكسارهما، تماماً كما تفعل العارضة الصلبة. لقد تماسك التداخل بين الخرسانة القديمة والجديدة بفعالية كبيرة لدرجة أن الجسر عمل كوحدة واحدة، رغم أن الاتصال لم يكن مضغوطاً بالشد المسبق.

ثم طبق الباحث طريقة جديدة لفحص الترابط، تعتمد على مراقبة مقدار انزلاق الوصلة قبل أن تفقد تماسكها، بدلاً من مجرد قياس قوتها. ووجد أنه بالنسبة لكل جسر وعارضة اختبرهم، كان الاتصال قوياً بما يكفي لاعتباره مثالياً. لم تنزلق الوصلة أبداً بما يكفي لإضعاف الهيكل. في الواقع، كانت الهامش الأمني كبيراً لدرجة أن الباحث خلص إلى أن الوصلة لم تكن أبداً الحلقة الأضعف. العامل المحدد كان دائماً قوة الخرسانة أو الفولاذ، وليس الغراء بينهما. وهذا يعني أنه بالنسبة لأنواع الجسور التي تم اختبارها، فإن الافتراض بأن الطبقات تعمل معاً كواحدة هو افتراض صحيح.

ومع ذلك، سلطت الدراسة الضوء أيضاً على فجوة في كيفية تصميم المهندسين لهذه الهياكل حالياً. أظهرت طريقة الفحص الجديدة أن العامل الأكثر أهمية ليس مجرد قوة الترابط، بل صلابة الاتصال ومدى قدرته على الانزلاق. وجد الباحث أن قواعد التصميم الحالية، التي تركز فقط على قوة الترابط، تغفل هذا التفصيل الدقيق. وبينما كانت الجسور التي اختبرها آمنة، فإن الطريقة التي طورها تشير إلى أنه بالنسبة للجسور ذات الأشكال أو الأحمال المختلفة، قد تصبح الوصلة هي نقطة الضعف إذا لم يأخذ التصميم في الاعتبار مدى السماح للطبقات بالانزلاق. لم تجد الدراسة جسراً فشل بسبب انكسار الترابط، لكنها قدمت وسيلة دقيقة للتنبؤ متى قد يحدث ذلك في المستقبل.

تقدم النتائج صورة واضحة لأحدث ما توصل إليه العلم. إن الترابط بين الخرسانة ذات الأداء الفائق للغاية والخرسانة العادية قوي، خاصة عندما يتم تعزيزه بدبابيس معدنية. تتمدد الكابلات الفولاذية الداخلية بشكل كبير مع انحناء الجسر، لكن الطبقات تظل مقفلة معاً، مما يضمن عمل الجسر كوحدة واحدة وفعالة. تؤكد الأبحاث أنه بالنسبة للتكوينات التي تم اختبارها، فإن التداخل ليس هو المشكلة. تكمن القيمة الحقيقية للعمل في الطريقة الجديدة للنظر إلى الوصلة: فهي تنقل التركيز من مجرد مقياس للقوة إلى مقياس لكيفية حركة الوصلة ومقاومتها للانزلاق. وهذا يوفر للمهندسين أداة أكثر دقة لتصميم جسور ليست قوية فحسب، بل وفعالة أيضاً، مما يضمن استخدام المواد فائقة القوة تماماً حيث تشتد الحاجة إليها دون إهدار الموارد في هوامش أمان غير ضرورية. يقف الجسر ثابتاً، ليس لأن "الغراء" سحري، بل لأن ميكانيكا الاتصال قد فُهمت وتم التحقق منها.