مع تزايد الاهتمام في صناعة البناء والتشييد بالتوجه نحو التصميمات ذات الانبعاثات الكربونية المنخفضة، يتزايد البحث عن التصميمات الهجينة التي تجمع بين الخشب والصلب أو مواد أخرى كحلول. ونحن في شركة بورو هابولد نلاحظ ذلك وندعمه...
توفر الأخشاب كلاً من التنوع والأداء الزلزالي الممتاز؛ بينما يوفر الفولاذ القوة والتوصيلات. غالباً ما يكون الجمع بين كلتا المادتين لمشروعك هو الطريقة الأكثر فعالية للوصول إلى أفضل النتائج.
القدرة على التكيف
غالبًا ما تقدم التصميمات الهجينة مستويات أداء أعلى من الأخشاب وحدها؛ ومع ذلك، يعتمد نجاحها غالبًا على عدة عوامل بما في ذلك مدى جودة توصيل المكونات وما إذا كان قد تم اختبارها بشكل كافٍ أم لا. ونظراً لهذا التعقيد واستهلاك الوقت الذي تنطوي عليه عمليات التصميم مثل هذه، يجب على المصممين أن يأخذوا الوقت اللازم لتطوير نظام توصيل فعال واختبار الأحمال التي ستواجههم أثناء التطبيقات في العالم الحقيقي.
نظرًا لأن أصحاب المباني يركزون بشكل أكبر على الحد من آثار الكربون المتجسدة في المباني التي يبنونها، فقد سعى المتخصصون في الهندسة الإنشائية إلى تصميمات فعالة ذات استخدام أقل للطاقة المتجسدة كهدف مهم للتصميم الإنشائي. تتمثل إحدى طرق تحقيق هذا الهدف في الجمع بين ألواح الأرضيات الخشبية المصفحة المتقاطعة (CLT) مع الإطارات الفولاذية. للمساعدة في تحقيق هذا الهدف بفعالية أكبر، قيّمت هذه الدراسة المقاطع العرضية الهجينة من الخشب المصفح المتقاطع إلى الفولاذ التي توفر الكفاءة المثلى عند تقييمها وفقًا لمعايير متعددة لاتخاذ القرارات المتعلقة بخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في مرحلة الإنتاج.
ولكي يعمل ذلك بفعالية، يجب تعظيم قدرة المكونات الهجينة على حمل الأحمال. وعلى هذا النحو، تم اختبار طرق مختلفة من أجل زيادة الترابط بين الأخشاب والصلب. أثبتت المواد اللاصقة أنها طريقة مثالية لربط هذه المواد معًا عند مقارنتها بالمثبتات من نوع وتد والمثبتات ذات الألواح المعدنية المثقوبة (PMPF)، مع استخدام عينات صغيرة الحجم لتقييم قوة الرابطة بين المواد؛ حيث أثبتت الروابط اللاصقة تفوقها بما يصل إلى 82% مقارنةً بكل من المثبتات من نوع وتد والمثبتات ذات الألواح المعدنية المثقوبة (PMPF) مما أدى إلى قدرة تحمل حمولة قصوى تبلغ 82% للمكونات الهجينة!
مع ازدياد الطلب على الأخشاب والتصميم الهجين، يتكيف أصحاب المباني وفرق التصميم والسلطات ذات الاختصاص بسرعة. ستستكشف هذه الندوة المسجلة مسبقاً عبر الإنترنت المشاريع المبتكرة التي تعمل فيها أنظمة الخشب/الفولاذ الهجينة على تعظيم مزايا كل مادة؛ كما ستتم مناقشة بعض التحديات المرتبطة بإدراج العناصر الهجينة في المباني الخشبية العالية بالإضافة إلى الحلول.
كفاءة الطاقة
يؤدي استخدام التصاميم الهجينة التي تجمع بين الأخشاب والصلب أو مواد أخرى إلى مبانٍ أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. ويجمع هذا النهج بين الكفاءة الإنشائية والدفء والمرونة التي يوفرها الخشب، فضلاً عن زيادة المرونة ضد مخاطر الزلازل أو الرياح. يساعد البناء الهجين أيضاً على خفض الكربون المتجسد في المباني.
يتضمن أحد أساليب التصميم الهجين الجمع بين الغلام والأضلاع الفولاذية لتشكيل هيكل هجين من الجمالونات. يوفر الفولاذ الصلابة والقوة اللازمة لدعم الأعضاء الخشبية النحيلة. يوفر النظام الهجين حلاً اقتصاديًا يتسم بالوضوح والتنوع في التطبيق. قد لا يكون أداء الأخشاب دائمًا على النحو الأمثل مع الفولاذ؛ لذلك يجب أن يأخذ التصميم هذا الأمر في الاعتبار عند التخطيط. على سبيل المثال، من المهم جدًا أن توضع الأعضاء الخشبية بالقرب من الوتر العلوي (في حالة الضغط) بينما يبقى الفولاذ في الوتر السفلي (الشد). علاوة على ذلك، يجب تصميم الوصلات بحيث يتم تجنب حدوث فجوات التمدد الحراري بين المكونات. كما أنه من المهم للغاية العمل مع الصانعين الذين يفهمون عمليات تصنيع الأخشاب والفولاذ على حد سواء حيث تختلف تفاصيل الوصلات بشكل كبير عن معايير AESS القياسية.
لطالما استُخدمت الأخشاب الهندسية في صناعة البناء والتشييد منذ فترة طويلة، إلا أنها لم تكتسب زخمًا إلا مؤخرًا فقط كمواد مفضلة لإنشاء الهياكل واسعة النطاق. ويمكن إرجاع هذا الاتجاه إلى مزاياها مقارنةً بالخرسانة والصلب: ومن بين هذه المزايا تعدد استخداماتها في إنشاء أشكال معقدة دون زيادة التكاليف بشكل كبير. تتيح الأخشاب المصممة هندسياً للمهندسين المعماريين تحقيق رؤيتهم مع توفير التكاليف في آن واحد.
توفر الأخشاب العديد من المزايا: تخزين الكربون وحالة الموارد المتجددة، وخصائصها الجمالية التي تفوق الصلب والخرسانة؛ ومع ذلك، تفتقر الأخشاب إلى بعض الصلابة والقوة التي تحتاجها المباني الشاهقة - ومن ثم غالباً ما يجمع المهندسون بين الأخشاب ومواد أخرى توفر صلابة أو قدرة على التحمل أكثر مما يمكن أن توفره المواد التي تستخدمها.
النهج الأكثر شيوعًا لربط الأخشاب بالفولاذ هو استخدام المواد اللاصقة. وقد تم اختبار طرق مختلفة، بما في ذلك المثبتات من نوع المسامير ومثبتات الألواح المعدنية المثقوبة (PMPF). وخلصت دراسة حديثة إلى أن الروابط اللاصقة توفر أداءً فائقًا في المقاطع الهجينة بين الأخشاب والصلب مقارنةً بالمسامير (قوة الشد تصل إلى 9 أضعاف) ومثبتات الألواح المعدنية المثقوبة (قدرة قص أكبر بـ 5.55 مرة من المسامير). وعلاوة على ذلك، قد تقلل المباني الهجينة المصنوعة من الأخشاب والصلب من الكربون المتجسد في البنية الفوقية بما يصل إلى 5-351 تيرابايت 3 تيرابايت بالمقارنة مع المباني المصنوعة من الصلب والخرسانة
المرونة
توفر التصاميم الهجينة مرونة أكبر من تصاميم المواد المفردة من خلال الاستفادة من الميزات المفيدة للأخشاب عند الحاجة، واستخدام مواد أخرى عند الضرورة. قد تقلل الأرضيات المصنوعة من الخشب المصفح (CLT) من انبعاثات الكربون بينما قد تحسن الدعامات الفولاذية من الأداء الزلزالي؛ فاستخدام مواد متعددة في وقت واحد يسمح للتصميمات الهجينة بتحقيق التوازن بين الاستدامة والقوة - وهو أمر يجب أن تأخذه المشاريع المراعية للبيئة في الاعتبار.
يعد البناء الهجين مجالاً سريع التطور في الهندسة الإنشائية، ويتم إنشاء حلول تقنية جديدة باستمرار لتلبية متطلبات السوق. أصدرت شركة Peikko مؤخرًا مجموعة موحدة من عناصر التوصيل من الخشب إلى الفولاذ المصممة لجعل تصميم الهياكل الهجينة أكثر بساطة، مما يجعل إنشاء هياكل هجينة موثوقة أبسط بكثير بالنسبة للمهندسين.
لكن العديد من الخبراء يدركون أن هناك تحديات مرتبطة باعتماد الهياكل الهجينة على نطاق أوسع، لا سيما في أستراليا حيث لم تشهد المباني الشاهقة المصنوعة من الخشب إلى الفولاذ انتشاراً واسعاً. وللتغلب على هذه الصعوبات، يجري الباحثون العديد من التجارب المصممة لاستكشاف إمكانات أستراليا في مجال البناء الهجين من الخشب إلى الفولاذ.
تتضمن إحدى هذه التجارب اختبار أداء العوارض الهجينة المصنوعة من الصلب والأخشاب. وتتألف هذه العوارض من صفائح من خشب الصنوبر الرادياتا وخشب التنوب دوغلاس التي تم ربطها بأجزاء من الفولاذ المغلف، حيث تقيّم هذه الدراسات مقاومتها للانحناء، وقدرتها على تحمل الأحمال والتأثيرات الناجمة عن أنواع المواد اللاصقة، وحجمها/موقعها/نوعها وما إلى ذلك، وذلك لوضع تصميمات هيكلية أكثر كفاءة للمباني الهجينة المصنوعة من خشب الصلب والأخشاب في أستراليا.
يمكن أن يكون لهذا البحث تأثير تحويلي هائل على كيفية تصميم المباني الشاهقة في أستراليا. والهدف من ذلك هو الحد من إمكانات الاحتباس الحراري العالمي (GWP) عن طريق تقليل استخدام الخرسانة.
تشهد الصناعة الإنشائية تحولاً دولياً نحو تقنيات البناء الهجين من الصلب والأخشاب للمباني الشاهقة، مدفوعاً بعوامل مختلفة بما في ذلك الجغرافيا السائدة؛ ووظيفة المبنى؛ واعتبارات الارتفاع وغيرها من المتغيرات.
الاستدامة
مع تطور ممارسات البناء نحو أساليب أكثر صداقة للبيئة، برزت الأخشاب كمواد بناء مرغوبة ذات مزايا بيئية ومعمارية على حد سواء. ولسوء الحظ، فإن قوتها ومتانتها تحد من مدى إمكانية استخدام الأخشاب في بعض المشاريع؛ ولتعظيم استخدامها في مثل هذه الحالات، تتجه العديد من فرق التصميم نحو الهياكل الهجينة التي تجمع بين مزايا الأخشاب الضخمة وقوة الفولاذ أو الخرسانة لإنتاج هيكل هجين مثالي.
يمكن أن توفر التصميمات الهجينة أيضًا مزايا استدامة كبيرة. يمكن لتوظيف مواد مختلفة معًا أن يقلل من انبعاثات الكربون المتجسدة بشكل عام ويحسن كفاءة الطاقة مع توفير المرونة والقدرة على التكيف وتوفير التكاليف. قد يؤدي الجمع بين الخشب ومواد البناء الخرسانية إلى تقليل تكاليف البناء وتسريع عملية البناء؛ ولكن من الضروري اختيار التوليفات المناسبة من المواد لحماية السلامة الهيكلية للمباني.
توفر المباني الهجينة ما هو أكثر من مجرد توفير الكربون؛ إذ يمكنها أيضاً أن توفر مرونة معززة في مواجهة الزلازل مقارنةً بالهياكل التقليدية المصنوعة من الصلب والخرسانة. فحصت دراسة حديثة ست دراسات حالة رائدة لتصاميم هجينة تجمع بين الأطر الفولاذية والبناء الخشبي لأغراض مقاومة الزلازل. وتوضح النتائج أن الهياكل الهجينة توفر بدائل أكثر ملاءمة للبيئة مع تلبية جميع متطلبات مقاومة الزلازل في كود AEC.
يعود تاريخ الإنشاءات الخشبية إلى آلاف السنين؛ وقد عادت مؤخراً إلى الظهور من جديد بسبب الاهتمام المتزايد بالممارسات المستدامة وانخفاض انبعاثات الكربون المتجسدة. والآن يتجه المزيد من شركات الإنشاءات نحو الخشب كجزء من خطة لمكافحة تغير المناخ مع خلق بيئات أكثر صحة.
أجرت شركة Microsoft وشركة Gensler، بالتعاون مع شركة Thornton Tomasetti، بحثًا مؤخرًا أظهر كيف أن استخدام الخشب المستدام يمكن أن يقلل بشكل كبير من البصمة الكربونية لمركز البيانات مقارنةً بالبناء الفولاذي التقليدي وبنسبة 65% عند مقارنته بالبناء الخرساني مسبقة الصب. عندما يقترن البناء الهجين بالحلول الهندسية المبتكرة والتخطيط الدقيق للفريق، فإن البناء الهجين يعد خيارًا جذابًا للبناة الذين يسعون إلى تقليل الأثر البيئي لمشروعهم.
تُعد الأخشاب مادة مثالية للمباني عالية الأداء، ومع ذلك يجب مراعاة نقاط قوتها وضعفها بعناية أثناء التصميم. ويحتاج المهندسون إلى فهم نقاط قوتها (الصلابة والمتانة) ونقاط ضعفها (النفاذية) وتأثيراتها البيئية قبل الشروع في استخدامها. أصبح البناء الهجين حلًا شائعًا بشكل متزايد يجمع بين المزايا المختلفة للمواد المختلفة لإنتاج هياكل فريدة من نوعها ذات جاذبية بصرية ووظيفية دائمة.
