دليل الأنظمة الانشائية| كيف نختار هيكل البناء المناسب؟

تعد عملية تحديد النظام الانشائي المهمة المحورية الأولى في مسار التصميم المعماري، فهي القاعدة الهيكلية التي تضمن استقرار البناء وقدرته على أداء وظيفته المطلوبة بأعلى كفاءة ممكنة، فعلى سبيل المثال نحتاج عند تصميم المطارات أو القاعات الكبيرة الى إختيار نظام انشائي يقلل لنا عدد الأعمدة قدر المستطاع مع منحنا مسافة بحور كبيرة، الأمر الذي لا نحتاجه عند التفكير في تصميم المنازل. ويتألف أي نظام انشائي من شبكة عناصر مترابطة تعمل كمنظومة موجدة لنقل الأحمال الى التربة بأمان.

1. نظام الحوائط الحاملةWall Bearing System

يعد هذا النظام الفلسفة الانشائية الأقدم، حيث تلعب الجدران دوراً مزدوجاً كعنصر تقسيم معماري وهيكل انشائي في آن واحد، لتقوم بنقل كافة الأحمال الحية والميتة مباشرة الى التربة عبر أساسات مستمرة.

• مزايا النظام:

توفير كتلة حرارية عالية تساعد في تنظيم حرارة المبنى، وتعتبر حلاً اقتصادياً للمباني ذات الارتفاعات المنخفضة.

• المحددات التقنية:

نادراً ما يتجاوز ارتفاع المبنى في هذا النظام عن 5 طوابق، وتتطلب الأدوار السفلية سماكات جدران كبيرة تشغل مساحة واسعة، ولا يمكن اجراء تعديلات او إزالة أي جدران بعد التنفيذ.

2. نظام المنشآت الهيكلية Frame System

يعد هذا النظام التطور الهندسي لنظام الكمرة والعمود التقليدي، حيث يعتمد على تكامل العناصر الرأسية والأفقية لنقل الأحمال من الأسقف الى الكمرات، ثم الى الأعمدة والقواعد. ويكمن جوهر هذا النظام في طبيعة الوصلات Joints التي تربط العناصر ببعضها لتشكل وحدة انشائية متينة.

• نظام الكمرة والعمود Beam and Column

وهو أبسط صور هذا النظام، ويستخدم بكثرة في المباني السكنية والتعليمية، حيث تعتمد صلابته على الأعمدة في مقاومة الأوزان وقوى الرياح.

• مزايا النظام

يتميز بقدرة عالية على مقاومة الزلازل، ويسمح بمرونة عمل فتحات معمارية واسعة تصل الى 25 متراً دون الحاجة لأعمدة وسيطة.

• التصنيفات الهيكلية الفرعية

Portal Frame

اطار يتكون من قائمين ورافد صلب، يشيع استخدامه في تغطية المستودعات والمصانع.

نظام الفيرانديل Vierendeel

اطار خالي من الأعضاء المائلة، مخصص لتشييد الطوابق ذات البحور الواسعة التي تعلوها تقسيمات غرف أصغر، كما في قاعات الفنادق الكبرى.

نظام العقد الحديث Modern Arch

تحديث للأنظمة القوسية التاريخية باستخدام مواد وتقنيات انشائية معاصرة.

3. نظام الجمالونات Trusses

ويعرف بنظام الروافد المثلثية حيث يتم استبدال الكمرات الصلبة بشبكة من الأعضاء التي تعمل تحت قوى الشد والضغط فقط، وتكمن عبقرية هذا النظام في تحويل العزوم الى قوى داخلية بسيطة، مما يقلل من الوزن الكلي للمنشأ.

• مزايا النظام:

كفاءته الاقتصادية عالية في البحور الواسعة 50-60 متراً، وخفة الوزن مقارنة بالخرسانة، وسهولة النقل والتركيب.

• الهياكل الفراغية Space Frames :

تطوير ثلاثي الأبعاد للجمالونات، حيث تتصل العناصر في اتجاهات متعددة لتشكل شبكة صلبة جداً. وتعد الحل الأمثل لتغطية المساحات الشاسعة كالملاعب والمطارات بقطاعات معدنية صغيرة نسبياً.

4. المنشآت القشرية والخفيفة Shell-Light Structures

تعتمد هذه المنشآت على قوة الشكل بدلاً من كتلة المادة، وهي عبارة عن فشور رقيقة جداً مصممة لمقاومة القوى عبر الانحناءات السطحية وتتطلب حسابات انشائية دقيقة لضبط قوى القص Shear.

أهم أنواعه:

• القبو القشري Vault Shell

منشأ خرساني رقيق ذو شكل أسطواني يعمل بآلية توزيع الاجهادات على كامل سطحه المنحني لتغطية المساحات الطويلة بكفاءة. ويتطلب تصميمه كمرات تقوية طولية عند الحواف لضبط قوى القص، مع الارتكاز على أعمدة خارجية قوية أو جدران قادرة على تحمل الدفع الجانبي الناتج عن وزن القشرة.

ويراعى في تنفيذه ألا يقل سمك الخرسانة عن 6.5 سم مع تكثيف التسليح عند مناطق الانحناء لضمان الاستقرار الانشائي تحت أحمال الرياح والأمطار.

• القبة القشرية Dome Shell

منشأ فراغي مزدوج الانحناء يعمل على تحويل الأحمال الرأسية الى قوى ضغط محورية تنتشر بانتظام على كامل سطح القشرة الرقيقة مما يتيح تغطية بحور شاسعة دون الحاجة لأعمدة وسيطة. وتعتمد على استقرارها الانشائي على حلقة شد Tension Ring عند القاعدة لمقاومة الدفع الجانبي.

يشيع استخدامها في الملاعب الرياضية والمساجد وصالات العرض نظراً لكفاءتها العالية في استهلاك المواد. كما يشترط تنفيذها بسمك خرساني لا يقل غالباً عن 6.5 سم لضمان المتانة، مع استخدام حسابات تفاضلية دقيقة لتحديد مناطق تركيز الاجهادات الناتجة عن تذبذب درجات الحرارة أو الرياح.

• الشبكات الفراغية الهرمية Pyramidal Space Grids

وهي منظومة انشائية ثلاثية الأبعاد تعتمد على الهرم كوحدة هندسية متكررة لتشكيل شبكة صلبة وخفيفة الوزن، وتمتاز بقدرة فائقة على توزيع الاجهادات في اتجاهات متعددة 3D Load Path وتصنع عادة من أنابيب معدنية Tubes تتصل عند العقد Nodes لتغطية مساحات شاسعة ببحور مفتوحة، مما يوفر كفاءة عالية في مقاومة الانبعاج والالتواء مقارنة بالأنظمة التقليدية. وتعد الخيار الأمثل للمطارات والقاعات الكبرى نظراً لسهولة فكها وتركيبها.

5. أنظمة انشائية متخصصة

الى جانب الأنظمة الرئيسية، تفرض المتطلبات الوظيفية والمعمارية اللجوء الى أنظمة متقدم مثل:

• نظام الانشاء المصبوب Precast

يعتمد على تصنيع العناصر في المصانع لضمان جودة أعلى وبحور خرسانية ضخمة مع تقليل عدد الأعمدة الداخلية.

• نظام الكابلات Cable System

نظام انشائي مخصص للجسور والأسقف المائلة، حيث يتم الاعتماد كلياً على قوى الشد.

• المنشآت الخيامية Tensile Structures

تعتمد على تحويل كافة القوى الى قوى شد في النسيج المغطي، مما يلغي تماماً عزوم الانحناء ويمنح المنشأ شكلاً انسيابياً فريداً.

ان اختيار النظام الانشائي ليس مجرد قرار هندسي وانما موازنة دقيقة بين الوظيفة، التكلفة، والجمالية المعمارية، فبينما يظل نظام الكمرة والعمود هو الأنسب للمباني السكنية، تظل الأنظمة الفراغية و القشرية هي الحل الأمثل للمنشآت ذات الوظائف الخاصة والبحور المفتوحة.