دعامات الركبة الهيكلية في المباني الفولاذية: ما تقاومه ومتى يتم استخدامها

دعامة الركبة الإنشائية هي عنصر قطري قصير بين العمود والرافدة العلوية، يشكل مثلثًا صلبًا عند زاوية الإطار. وتعتمد أهميتها على الدور المحدد لها في التصميم: مقاومة القوى الجانبية، أو دعم استقرار العنصر، أو تقوية ثانوية، أو دعم أثناء التركيب. ولكل دور متطلباته وأحكامه الخاصة، ويمكن لدعامة واحدة أن تؤدي أكثر من دور في آن واحد. ويُعدّ تحديد الدور خطوة أساسية قبل الخوض في تفاصيل الزاوية أو المقطع أو الوصلة.

ما يفعله دعامات الركبة الهيكلية في الإطار الفولاذي

يمكن أن تعمل دعامة الركبة في إطار فولاذي كعنصر مقاوم للقوة الجانبية، أو دعامة لاستقرار العضو، أو عنصر تقوية ثانوي، أو دعامة للتركيب، ويعتمد أي منها على ما ينسبه تحليل الإطار إليها.

في نموذج مثالي ذي نهايات مفصلية، يتحمل الدعامة قوى الشد أو الضغط المحورية، ويؤدي انعكاس اتجاه الرياح إلى عكس هذا التأثير. كما تتعرض الدعامات الحقيقية للانحناء نتيجة لصلابة الوصلات، وإزاحة العناصر، واللامركزية عند الوصلة. وتتحمل زاوية واحدة مثبتة بمسامير على أحد أوجهها هذه القوى الثلاث. وتتمثل وظيفة الدعامة في إعادة توزيع القوة المحورية، وقوى القص، والانحناء بين العارضة، والعمود، والوصلات، والأساس، بنسب مستمدة من نموذج يمثل صلابة الوصلات الحقيقية.

لا تُعدّ هذه الصفوف الأربعة حصرية. يمكن أن تستقر دعامة واحدة في صفين منها في آنٍ واحد، حاملةً قوى القصّ في الإطار ومثبتةً العمود عند نقطة معينة، وبالتالي تتواجد مجموعتا المتطلبات معًا. لا يُحدد الرسم التخطيطي عادةً الصف الذي تنتمي إليه الدعامة، بل يجب تحديد هذا الصف، لا افتراضه.

من المهم التنويه إلى نقطة هامة في البداية: تتناول هذه المقالة تطبيقات مقاومة الرياح واستقرار العناصر في هياكل المباني الفولاذية التقليدية. أما دعامة الركبة، التي تُعتبر جزءًا من نظام مقاومة القوى الزلزالية، فتُصمم بشكل منفصل. وتستند تصنيفات النظام ومعاملات الاستجابة وتفاصيل المطيلية إلى قانون البناء المعمول به، ASCE 7، وأحكام AISC الزلزالية. وتصف معظم المراجع المتعلقة بإطارات دعامات الركبة، والتي تظهر في نتائج البحث، أنظمةً زلزاليةً مُبددةً للطاقة، وليس زاوية المخزون في رسومات المستودعات.

لماذا قد يؤدي استخدام دعامة الركبة إلى زيادة الحمل على العضو الذي تُثبّت عليه؟

إن إضافة دعامة للركبة إلى إطار فولاذي تنقل الحمل بدلاً من إزالته، لذلك يجب فحص الدعامة، وكلا الوصلات الطرفية، والعضو الذي يتلقى القوة قبل قبول التفاصيل.

تتداخل عدة حالات حدية في آن واحد. قد ينثني الدعامة تحت الضغط، أو يخضع للشد، أو ينكسر عند المقطع الصافي، أو يفشل في القص الكتلي. قد تفشل الوصلات في قص البراغي أو التحميل، أو في اللحام، أو بسبب انبعاج الوصلة. قد يخضع وتر العارضة أو العمود أو الجملون المستقبل للتشوه الموضعي، أو يفشل في انحناء الشفة، أو خضوع الشبكة، أو تشوه الشبكة عند نقطة التثبيت. يتحدد العامل المسيطر من خلال الهندسة والتفاصيل، ولا يوضح الرسم ذلك.

تعتمد قوة التحمّل التي يتحملها الدعامة على صلابتها مقارنةً بجميع العناصر المؤثرة بالتوازي معها. فالوصلة الأقل صلابةً من المفترضة في النموذج تتحمل قوةً أقل من حصتها المحسوبة، بينما يتحمل المسار الأكثر صلابة الفرق. ولا يكفي عدد البراغي وحده لتحديد ذلك، بل تؤثر عوامل أخرى مثل سُمك المشبك، وطول الوصلة، ونوع الثقب، ومسافة الحافة، وتشوه التحميل، وصلابة العنصر خلف الوصلة. وتكمن المشكلة في حالة الدعامة التي يُفترض في التحليل أنها توفر تقييدًا لا توفره الوصلة فعليًا، إذ لا يوجد ما يُشير إلى هذا النقص في المبنى النهائي.

يُعدّ التوزيع المتناسب للصلابة موضع خلل في الافتراض الشائع حول المباني المكسوة. ففي نظام المباني المعدنية، ينتقل الحمل العرضي عادةً إلى الإطارات الصلبة، بينما ينتقل الحمل الطولي إلى دعامات الجدران والأسقف المخصصة أو إلى إطار البوابة عند الفتحات. ولا تُصبح الألواح غشاءً إنشائيًا إلا بعد تصميم أو اختبار قوتها وصلابتها ومثبتاتها ومجمعاتها ونقاط تثبيتها الحدودية معًا. وتشير إرشادات جمعية الإنشاءات المعدنية بشأن مشابك أسقف التماس البارز إلى أن المشابك المنزلقة المستخدمة في العديد من أسقف التماس البارز لا توفر صلابة غشاء محددة في المستوى. وبناءً على هذا المنطق، لا يُذكر أي رسم. لنأخذ مبنيين متطابقين، أحدهما بسقف مصمم كغشاء والآخر بدونه: ستتحمل دعامة الركبة نفسها حصة أكبر من الحمل في المبنى الثاني. فالمبنى المغلق ليس بالضرورة مدعمًا.

أكدت اختبارات الإطار العمودي واسعة النطاق التي أجرتها شركة هانسن بول بيلدينغز نفس النتيجة، حيث انخفضت مساهمة دعامات الركبة مع زيادة الحمل بعد تركيب السقف المغطى بألواح. استخدمت هذه الاختبارات أعمدة خشبية، وعوارض خشبية، ووصلات مثبتة بمسامير، لذا لا تنطبق النتائج على الفولاذ. لكنّ الحاجة إلى نمذجة كل مسار موازٍ تنطبق عليه.

توجد فجوة ثانية عند الحافة التي يلامسها الدعامة. يتطلب تدعيم الكمرة ضد الانبعاج الجانبي الالتوائي التحكم في الالتواء، وتُظهر أبحاث المعهد الأمريكي للإنشاءات الفولاذية (AISC) على الكمرات ذات نقاط الانعطاف أن التدعيم الجانبي المُطبق على حافة واحدة لا يمنع هذا النمط من الانبعاج بحد ذاته. تُقيد دعامة الركبة في مستوى الإطار الحركة داخل المستوى عند نقطة اتصالها. وهي لا تُقيد الحافة الداخلية خارج المستوى، ولهذا السبب توجد دعامات الطيران ودعامات الحافة كعنصر منفصل يمتد من المدادة أو العارضة إلى تلك الحافة. ​​لا يُعزى إلى دعامة الركبة في مستوى الإطار تقليل طول الجزء غير المُدعّم خارج المستوى، أو تدعيم حافة الضغط أو الالتواء، ما لم تُوفر هندستها ونظام دعمها التقييد المطلوب.

مقارنة بين دعامات الركبة والفتحات المدعمة والإطارات الصلبة ودعامات الحواف

يعتمد الاختيار بين دعامة الركبة، والفتحة المدعمة على شكل X، والإطار الصلب العرضي، وإطار البوابة الطولي، ودعامة الشفة على ما يجب أن يبقى خاليًا داخل الفتحة ومقدار الانحراف الجانبي الذي يمكن أن يتحمله الهيكل.

عند تداخل دعامة الركبة مع الفتحة المدعمة، يُعتمد عادةً على جدول الفتح. فالفتحة التي تستوعب بابًا دوارًا لا يمكنها استيعاب فتحة على شكل حرف X بارتفاع كامل. لذا، تُعد دعامة الركبة التي تتجاوز عتبة الباب أحد الخيارات المتاحة. كما أن استخدام إطار بوابة أو دعامة بوابة عند الفتحة، أو نقل الفتحة المدعمة، أو تركيب فتحة مقاومة للعزوم، أو التدعيم فوق العتبة، كلها خيارات تُحافظ على الفتحة. نقارن هذه الخيارات بجدول الفتح وحدود الانحراف قبل تثبيت تصميم الإطار، لأن تغيير هذا الخيار يصبح مكلفًا بعد تحديد تفاصيل الفتحة. أما تحديد الفتحات التي تحمل دعامات متقاطعة في المبنى فهو قرار يُتخذ على مستوى المبنى، وكذلك التصميم العام لنظام تدعيم الإطار الفولاذي ، ولا يُحسم أي منهما بشكل فردي.

المتغيرات التي تحدد زاوية دعامة الركبة وحجمها ونقطة تثبيتها

يتم تحديد هندسة دعامة الركبة من خلال أربعة متغيرات متفاعلة: نقطة التثبيت على العمود، وزاوية الدعامة المقاسة من محور محدد، والمقطع والوصلة عند كل طرف، والقوة المتاحة للعضو الذي يتلقى القوة.

لا معنى للزاوية حتى يُحدد المحور. لنفترض أن θ هي الزاوية من المستوى الأفقي، ولنعتبر الدعامة مثبتة بمفصل. لتطبيق قوة أفقية H عند الزاوية، تتحمل الدعامة قوة محورية مقدارها H / cos θ، وتدفع مركبة رأسية مقدارها H · tan θ داخل العارضة. تزداد كلتا القوتين كلما زاد انحدار الدعامة. الدعامة الأقل انحدارًا هي العنصر الأطول، وتمتد لمسافة أبعد على طول العارضة، وتشغل مساحة أكبر من المساحة الصافية أسفل حافة السقف. يقع العنصر في مكان لا يظهر في الرسم. تحمي الدعامة شديدة الانحدار المساحة الرأسية، وتتحمل قوة محورية ودفعة رأسية داخل العارضة. أما الدعامة المسطحة، فتُبقي هذه القوى منخفضة، وتشغل المساحة بدلًا من ذلك. لا يُعد أي منهما خيارًا افتراضيًا. في إطار حقيقي، تُحدد قوى انحناء العناصر، وصلابة الوصلات، وحمل الجاذبية، والاستجابة من الدرجة الثانية، القوى المؤثرة في التحليل، وليس الزاوية المُفضلة.

توجد تفاصيل محددة بزاوية 45 درجة. تنصّ أحكام قانون البناء السكني في كنتاكي، الخاصة بالهياكل الخشبية ذات الأعمدة، على استخدام دعامة ركبة خشبية بقياس 2×6 من العمود إلى الوتر العلوي للجملون بزاوية 45 درجة، مع تحديد موضع التثبيت والانخفاض وفقًا لجدول. يقتصر نطاق هذا القانون على بناء الهياكل الخشبية السكنية ذات الأعمدة في ولاية واحدة. لا تنطبق التفاصيل المحددة المكتوبة للخشب المثبت بالمسامير على الهياكل الفولاذية المثبتة بمسامير، كما أن نسخ الزاوية عبر المواد ينسخ الشكل الهندسي دون مراعاة الافتراضات الأساسية.

تُعاني نقطة التثبيت من المشكلة نفسها ولكن بشكل عكسي. يؤدي تحريك الوصلة لأسفل العمود إلى تقسيمه إلى جزأين بأطوال مختلفة، وقيود طرفية مختلفة، وتوزيع عزم مختلف: الجزء السفلي أقصر، والعلوي أطول. يتم تحديد الجزء المسيطر ونمط الانبعاج المسيطر من خلال فحص استقرار العنصر، وليس من خلال افتراض أن الوصلة السفلية تعني طولًا أقصر غير مدعوم.

حدد متغيرين من المتغيرات الأربعة قبل مناقشة الباقي. تأكد من الدور أولًا، لأن دعامة القوة الجانبية ودعامة الاستقرار تُقاس وفقًا لمتطلبات مختلفة، ويؤثر التصنيف على شكل التفصيل المناسب. ثم تأكد من قوة العنصر الذي تستند إليه الدعامة، لأن هذا الفحص هو الأكثر عرضة لإبطال التفصيل والأكثر تكلفةً لإصلاحه بعد التصنيع. لا يزال يتعين تحديد الزاوية والمقطع ونمط المسامير، لكن تعديل الرسم لا يكلف الكثير. لذلك تأتي هذه الأمور في المرتبة الثانية.

من الجدير بالذكر بوضوح: في المباني المغلقة ذات نظام التدعيم المصمم في كلا الاتجاهين، والتي تم فحص عوارضها مسبقًا للتأكد من تحملها للأحمال، غالبًا ما تُعتبر دعامات الركبة استثمارًا في تفصيل لا يُحدث تغييرًا يُذكر. تبرز أهمية دعامات الركبة في حال غياب نظام التدعيم المُخصص أو انقطاعه، أو عند ضرورة إبقاء الفتحة مفتوحة، أو عندما يحتاج عنصر معين إلى نقطة تدعيم لا يوفرها أي نظام آخر.

ما يجب التحقق منه قبل الموافقة على تفاصيل دعامة الركبة

يتم التحقق من تفاصيل دعامة الركبة في مجموعة الرسم والحساب، لأن السؤال الذي يحدد ذلك هو ما إذا كان العنصر المستقبل ووصلاته قد تم تصميمها للقوة التي توفرها الدعامة.

• الدور الهيكلي الموكل للدعامة، والنموذج الذي تستند إليه: الشد فقط، أو عنصر الجمالون، أو عنصر الإطار، أو الزنبرك.
• قوة الشد واتجاهها مكتوبة على القطعة نفسها.
• تم تسمية وتر العارضة أو العمود أو الجملون المستقبل، مع ظهور علامة التحقق الخاصة به في مكان ما في مجموعة الحسابات.
• تم تفصيل كلا الوصلتين الطرفيتين بمجموعة مسامير محددة أو لحام، بما في ذلك أي انحراف بين خط مركز الدعامة والمفصل.
• تم تحديد أبعاد انخفاض العمود وزاوية الدعامة على الرسم.
• تمت تغطية التحميل العكسي: يحتاج الدعامة القادرة على الضغط إلى فحص الاستقرار، بينما تحتاج الدعامة التي تعمل بالشد فقط إلى مسار كامل للاتجاه المعاكس.
• يتم تحديد صلابة الدعامة المطلوبة أينما تم اعتبار الدعامة نقطة تثبيت.
• تقييد خارج المستوى للعضو الموضح بشكل منفصل، حيث أن دعامة الركبة لا توفره.
• سواء كان السقف والجدران عبارة عن غشاء هندسي أو مجرد كسوة، لأن ذلك يحدد ما يشارك في الحمل.

يُغيّر شرطان للموقع معنى أي نقص في تلك القائمة. ففي مبنى ذي نظام تدعيم مُصمّم، حيث يكون الدعامة عنصرًا ثانويًا، يُعدّ غياب الحساب نقصًا في التوثيق. أما في سقيفة أو مظلة أو جناح مفتوح الجوانب لا يحتوي على نظام تدعيم للجدران أو السقف، فقد تكون الدعامة ووصلتها هما مسار الحمل، ويُعدّ هذا الإغفال نقصًا في التصميم. نتحقق من نوع المبنى قبل اعتماد التفاصيل. في إنشاء المباني المعدنية مسبقة الصنع، غالبًا ما تصل الدعامة على شكل زاوية قياسية مع وصلة مثقبة، يسهل تركيبها في الموقع، وبسهولة تامة دون الحاجة إلى تدقيق.

من أين تبدأ عملية تثبيت دعامات الركبة في المبنى الفولاذي الخاص بك؟

من المهم تحديد دعامات الركبة الهيكلية عند الحاجة إلى إبقاء الفتحة مفتوحة أو عند غياب نظام دعامات مُخصص، كما يجدر التساؤل عن أماكن وجود نظام دعامات قائم. يُحسم الأمر بأمرين: الدور المُسند للدعامة، وقوة العنصر الذي تستند إليه. تُحدد الزاوية والمقطع بناءً على هذين العاملين، ويمكن تعديلهما بسهولة أثناء مراجعة الرسم.

النمط الذي يتسبب في أكبر قدر من إعادة العمل هو إضافة دعامة متأخرة إلى إطار تم تحديد مقاس عوارضه بدونها. نوضح دور الدعامة قبل إرسال رسومات الإطار، لأن هذا التصنيف يحدد الفحوصات التي يجب أن تجتازها التفاصيل.

إذا كان دعامة الركبة موجودة بالفعل في رسوماتك، فهناك ثلاثة أمور تُشير إلى ما إذا كانت مُصممة أم مُضافة: قوة الدعامة مُدوّنة في التفاصيل، وانخفاضها وزاويتها مُحدّدة الأبعاد، وحسابات تُغطي وتر العارضة أو الجملون عند نقطة التثبيت. أما بالنسبة للدعامة المُقترحة على هيكل قائم بالفعل، فابدأ بحساب قوة العنصر الذي سترتكز عليه. ثمّ يأتي المقطع والزاوية بعد ذلك.

الأسئلة الشائعة