ما درجة البراغي عالية المقاومة التي تناسب مشاريع الجسور؟

لماذا تتطلّب مشاريع الجسور براغيًا عالية المقاومة دقيقة جدًّا؟

النتائج الإنشائية الناجمة عن تحديد قوة البرغي بشكل ناقص أو مفرط

اختيار درجة الشد غير المناسبة لمكونات الجسر قد يُلحق ضررًا جسيمًا بالسلامة الإنشائية، سواءً على المدى القصير أو الطويل. فعندما يحدد المهندسون مسامير ذات مواصفات أقل من اللازم، فإن ذلك يعرّض الهيكل لخطر حقيقي لحدوث شقوق إرهاقية تحت الأحمال المرورية العادية التي يحملها الجسر، مما قد يؤدي إلى فشل الوصلات الواحدة تلو الأخرى. ومن الناحية المقابلة، فإن استخدام مسامير من الدرجة 12.9 بدلًا من مسامير كافية من الدرجة 10.9 يُحدث مشاكل أيضًا. فالصلادة الزائدة الناتجة عنها تؤدي تدريجيًّا إلى تشكل شقوق في أجزاء الفولاذ المجاورة. وتُشير الدراسات إلى أن تجاوز نسبة 80% من حد الخضوع (Yield Strength) للمسامير أثناء عملية الشد أمرٌ شائعٌ جدًّا عند استخدام هذه الدرجات الأكبر حجمًا، وهذه الممارسة تفاقم مشكلة التآكل الناتج عن الإجهاد بنسبة تصل إلى ثلاثة أضعاف في المناطق الساحلية. أما البيانات الفعلية المستخلصة من مشاريع تحديث الجسور ذات الإطارات المثلثية (Truss Bridges) التي نُفِّذت مؤخرًا في عام 2023، فهي تُظهر أمرًا آخر أيضًا: حتى الأخطاء الصغيرة لها تأثيرٌ كبير. فخللٌ بسيطٌ قدره 0.1 مم في درجة شد المسامير يقلّل من عمر الوصلات المتوقَّع بنسبة تقارب 15%. وهذا النوع من التفاصيل الدقيقة له وزنٌ كبيرٌ حقًّا عند بناء هياكل مصمَّمة لتستمر لعقود.

كيف تُحدِّد الأحمال الديناميكية ودورات التعب وهوامش السلامة درجة التصنيف المطلوبة

تتعرَّض الجسور لإجهادات دورية ناتجة عن حركة المرور والرياح والتمدُّد الحراري— مما يتطلَّب هوامش سلامة محسوبة ومبنية على معايير أداء.

• المناطق الحساسة للتآكل بسبب التعب ، مثل المفاصل التمددية، تتطلَّب براغي من الدرجة 10.9 مع طاقة تأثير شاربي V-notch ≥27 جول عند درجة حرارة –40°م لتحمل أكثر من مليوني دورة إجهاد.
• المناطق الزلزالية تستفيد من مرونة براغي الدرجة 8.8 العالية (نسبة الاستطالة 12–15%)، ما يسمح بامتصاص طاقة التشوه بشكل خاضع للتحكم دون حدوث كسر هش.
• تنخفض هوامش السلامة كلما ازداد عدم انتظام الأحمال: فتحتاج الجسور الحضرية إلى عوامل تصميم أعلى بنسبة 1.8 مرةً مقارنةً بالجسور الريفية، وفقًا لدراسات الاهتزاز الصادرة عن الإدارة الفيدرالية لطرق الطرق السريعة (FHWA) عام 2022.

تشترط منظمة AASHTO بروتوكولات اختبار تعب مُسرَّعة تقصي البراغي غير الملائمة من عملية الاختيار— مما يوضِّح سبب كون المواصفات التي تقترب فقط من المتطلبات دون تحقيقها بدقة سببًا محتملًا لوقوع فشلات كارثية.

المعايير الأمريكية: ASTM F3125 براغي عالية الشدّ المستخدمة في تطبيقات الجسور

المعيار ASTM F3125 النوع ١ (فولاذ كربوني/سبائكي) مقابل النوع ٣ (فولاذ مقاوم للتأكل الجوي) — مقاومة التآكل والاحتفاظ بالشد الأولي في بيئات الجسور الواقعية

تحتاج الجسور إلى مسامير قوية قادرة على الصمود أمام العوامل التي تأكل المعدن، لا سيما عند وجود أملاح ناتجة عن معالجات الطرق والرطوبة المستمرة في الهواء. ومسامير المعيار ASTM F3125 من النوع ١، المصنوعة من الفولاذ الكربوني أو السبائكي، تكون أقل تكلفةً في البداية، لكنها تتطلب طلاءات خاصة لمنع صدأها. والمشكلة أن هذه الطلاءات تتآكل مع مرور الزمن وتُضعف مدى شدة احتفاظ المسامير بشدها على مدار السنوات. أما مسامير النوع ٣ المصنوعة من الفولاذ المقاوم للتأكل الجوي، فتُكوّن طبقة صدأ طبيعية خاصة بها تعمل في الواقع على حماية المعدن الكامن تحتها. وأظهرت الاختبارات أن هذه الحماية الطبيعية تقلل من سرعة التآكل بنسبة تقارب النصف مقارنةً بالمسامير العادية من النوع ١ غير المطلية، وفقًا لبحث أجرته شركة «بونيمون» العام الماضي. وما يعنيه ذلك عمليًّا هو أن الجسور المبنية باستخدام هذه المسامير المصنوعة من الفولاذ المقاوم للتأكل الجوي تحتفظ بقوتها لفترة أطول دون الحاجة إلى إصلاحات مكلفة في المستقبل.

*معدلات التآكل في البيئات الغنية بالكلوريد (NACE، ٢٠٢٣)
**بيانات ميدانية من جسور منطقة الغرب الأوسط في الولايات المتحدة**

عند التعرُّض لظروف التحميل الدوري، تحتفظ البراغي من النوع 3 بنسبة تصل إلى ٢٠–٣٠٪ من قوة الشد الأولية الأعلى خلال دورات التغير الحراري الرطبة والجافة التي تكتسب أهميةً بالغةً في الحفاظ على استقرار المفاصل عندما يصبح إجهاد الاهتزاز التعبوي مصدر قلق. ويختار معظم المهندسين البراغي من النوع ٣ للأجزاء المكشوفة من الجسور مثل الوسادات والمفاصل التوسعية. أما بالنسبة للهياكل الواقعة داخل المباني حيث يمكن التحكم في مستويات الرطوبة، فيميل المهندسون عادةً إلى استخدام البراغي من النوع ١ بدلًا من ذلك. وجميع أنواع هذه البراغي تفي بالمتطلبات الدنيا المحددة في المواصفة القياسية ASTM F3125 بالنسبة لمقاومة الشد، والتي تبلغ نحو ١٥٠ كيلو رطل/بوصة مربعة (ksi). ومع ذلك، فإن نوع المادة المختارة يؤثر تأثيرًا كبيرًا في المبلغ الإجمالي الذي سيُنفق على المدى الطويل، وفي مدى السلامة المستمرة للمشروع، لا سيما في المناطق المعرضة لمشاكل التآكل.

معايير البراغي عالية المقاومة الشد عالميًّا: مواءمة الدرجات المترية ٨٫٨ و١٠٫٩ و١٢٫٩ مع متطلبات تصميم الجسور

الدرجة ١٠٫٩ باعتبارها النقطة المثلى عالميًّا: القوة، والليونة، والأداء الميداني المثبت

أصبح البرغي عالي المقاومة من الدرجة 10.9 شيئًا يُشبه الحصان العامل في مجال بناء الجسور حول العالم. وتتميّز هذه البراغي بقدرتها الكبيرة على التحمّل، حيث تبلغ مقاومتها الشدّية ١٠٤٠ ميغاباسكال، ومقاومتها للانحناء ٩٤٠ ميغاباسكال. وما يميّزها حقًّا هو طريقة تعاملها مع الإجهادات دون أن تنكسر فجأةً؛ فهي تتمدّد بنسبة تقارب ٩٪ قبل أن تبدأ بالانهيار، ما يمنح المهندسين راحة بالٍ عند التعامل مع الاهتزازات المستمرة وتحولات الأوزان على الطرق السريعة والجسور. ويختار معظم المهندسين البنيويين براغي الدرجة ١٠.٩ دائمًا عند العمل على العوارض الرئيسية الداعمة أو المفاصل التمددية، لأن هذه المناطق لا تسمح بأي مفاجآت. أما النسخ الخاصة المقاومة للتآكل فهي تتوافق مع متطلبات المواصفة القياسية الدولية ISO 898-1، وبالتالي فإنها تبقى فعّالة سواء أُثبتت قرب الهواء المالح في المناطق الساحلية أو في أعماق الوديان الجبلية حيث تكثر التقلبات المناخية القاسية. وأفضل دليلٍ على أدائها الفعلي في العالم الحقيقي يتجسّد في البيانات المسجَّلة في أوروبا بين عامَي ٢٠١٩ و٢٠٢٣. فمن بين آلاف التركيبات التي أُنجزت، لم تفشل سوى نحو واحدة من أصل ٥٠٠٠ تركيبة. وهذه السجِّلة الممتازة تفسّر سبب استمرار تحديد العديد من المواصفات الفنية لاستخدام براغي الدرجة ١٠.٩ في الأماكن التي تكون فيها السلامة ذات أولوية قصوى.

عندما يكون استخدام الدرجة 12.9 مُبرَّرًا — حالات الأحمال القصية الاستثنائية، أو المساحات المحدودة، أو عمليات تدعيم الجسور لمقاومة الزلازل

احفظ صواميل التثبيت عالية المقاومة من الدرجة 12.9 لمواجهة التحديات المتخصصة في الجسور. فقوة الشد الخاصة بها البالغة ١٢٢٠ ميغاباسكال مناسبة للحالات التالية:

• المناطق الحرجة من حيث القص مثل أجزاء غطاء الدعامات الخرسانية تحت حركة مرور كثيفة؛
• إعادة تجهيز في أماكن محدودة المساحة حيث يكون تخفيض حجم الصواميل أمرًا ضروريًّا؛
• عمليات التحديث الزلزالي التي تتطلب أقصى مقاومة محتملة للأحمال في المناطق المعرَّضة للزلازل.

لاحظ وجود تنازلٍ مقابل ذلك: فالاستطالة النسبية لهذه الصواميل تبلغ ٨٪، ما يجعلها أكثر هشاشةً من الصواميل من الدرجة 10.9. ويجب استخدامها فقط مع معايرة دقيقة لعزم الدوران وحماية قوية ضد التآكل. وفي عمليات تدعيم الجسور لمقاومة الزلازل في كاليفورنيا (٢٠٢١–٢٠٢٣)، حقَّقت صواميل الدرجة 12.9 أداءً أفضل بنسبة ١٨٪ مقارنةً بالبدائل الأخرى في اختبارات القص، لكنها اشترطت اتباع بروتوكولات تركيب صارمة لتفادي التصدُّع الناتج عن الإجهاد والتآكل.

اختيار الصواميل عالية المقاومة المناسبة: إطار عملي لاتخاذ القرار يُطبَّق على مهندسي الجسور

يواجه مهندسو الجسور قراراتٍ بالغة الأهمية عند تحديد البراغي عالية المقاومة للشد. فالاختيار الخاطئ قد يعرّض السلامة الإنشائية للخطر أو يؤدي إلى تكاليف غير ضرورية. ويُبسِّط هذا الأمر إطار منهجيٌّ من خلال تقييم أربعة عوامل رئيسية:

قم دائمًا بالتحقق من صحة الاختيارات عبر المحاكاة الإنشائية، واستشر المورِّدين الرائدين في الحالات غير القياسية. ويضمن هذه المنهجية تحقيق هامش أمانٍ يتماشى مع الأحمال المتغيرة ودورات التعب، مع تجنُّب التصميم المفرط.