تُعد هياكل الصلب خفيف السماكة، والمعروفة أيضًا بـ Cold-Formed Steel (CFS)، من الخيارات الشائعة في الإنشاءات الحديثة لما تتمتع به من خفة وزن ومتانة. لكن استقرار هذه الهياكل يعتمد بشكل رئيس على جودة وكفاءة وصلات التوصيل التي تربط القطع ببعضها. تشمل طرق التوصيل في هذه الهياكل عدة تقنيات مثل البراغي، اللحام، البراغي ذاتية الحفر والربطات الميكانيكية. يتطلب تصميم هذه الإتصالات فهمًا دقيقًا لسلوك المواد الرقيقة وقدرات التحميل المختلفة مع الانتباه لمخاطر الانحناء والقص.

جدول المحتويات

🧱 مقدمة: أهمية وصلات الصلب خفيف السماكة

تُشبه وصلات هياكل الصلب خفيف السماكة تلك للصلب المدرفل ساخنًا من حيث الأهمية، لكن الاختلاف في سماكة القطع (بين 1.0 مم و3.0 مم) يفرض تحديات فنية فريدة. تُصنّع القطع من الفولاذ بدرجة 350 ميجا باسكال في العادة، مع وجود تقنيات حديثة تسمح باستخدام الفولاذ عالي القوة حتى 550 ميجا باسكال.

تتمتع هذه القطع بأشكال هندسية متنوعة مثل القنوات (Channel)، الحروف Z، القبعات (Hat)، وغيرها. ويقرر الصناع والمقاولون طريقة التوصيل بناءً على نوع النظام الإنشائي، سهولة التنفيذ، ومتطلبات التصميم المذكورة في المعايير مثل BS 5950-5 وEN 1993-1-3.

▣ نقطة إنشائية مهمة:
اختيار طريقة التوصيل يجب أن يوازن بين قوتها الإنشائية، قابليتها للتنفيذ، وتكلفتها، مع الأخذ بعين الاعتبار تأثيرات القوى المختلفة مثل القص، الشد، والعزوم.

🌉 الأساليب الشائعة لوصل هياكل الصلب خفيف السماكة

تُستخدم في الإنشاءات الحديثة تسع طرق اتصال رئيسية معروفة وهي: الاتصالات بالبراغي، البراغي ذاتية التنصيب، المسامير العمياء (Blind Rivets)، دبابيس الدفع بالبودرة (Powder-Actuated Pins)، اللحام النقطي (Spot Welding)، اللحام السائل (Puddle Welding)، الكلينشينغ (Clinching)، الربطات ذاتية الثقب (Self-piercing Rivets)، والتدبيس (Nailing).

1. اتصال البراغي (Bolted Connection) 📐

تُعتبر البراغي وسيلة فعالة ومرنة، ويتم حفر ثقوب البراغي أثناء تصنيع القطع نفسها، مما يسهل تركيبها لاحقًا. صُممت هذه الاتصالات لتحمّل بشكل رئيسي قوى القص.
أوضاع الفشل الرئيسية تشمل:

تمزق الفولاذ حول البرغي
فشل التحمل المادي للفولاذ (Bearing Failure)
فشل القطعة الصافية تحت الشد
كسر البرغي تحت القص
أو حالات فشل مركبة تجمع اثنين أو أكثر من السابق

عادةً ما تكون قدرة الاتصال محدودة بسبب سماكة المادة الرقيقة التي تتعرض لقوى التحميل. مقاومة قص البرغي الفردي الذي يبلغ قطره 12 مم تتراوح بين 8 و12 كيلو نيوتن.

في التصميم، يفضل استخدام التحليل المرن للوصلات وفقًا لمحدّدات EN 1993-1-8، مع التنويه أن أنظمة الاتصالات في CFS لا تفرق كثيرًا بين الوصلات والمفاصل.

2. الاتصالات الملحومة (Welded Connection) 🧰

تُعد اللحامات من الأساليب القوية التي يمكنها توفير قوة قصية تكافئ قطعة الفولاذ نفسها. الطرق الشائعة:

اللحام المستمر MIG (Metal Inert Gas):
يتطلب تحكمًا عاليًا في العملية لتجنب إضرار القطع الرقيقة، خاصة عند اللحام على الفولاذ المجلفن، حيث يجب معالجة المناطق المصابة بعد اللحام بدهان غني بالزنك لمنع التآكل.
اللحام النقطي (Spot Welding):
غالبًا ما يُستخدم أثناء التصنيع في الورش، وهو يعتمد على توليد قوس كهربائي بين قطبين لضمان التصاق القطع. يشترط وجود ثلاث نقاط لحام نقرية كحد أدنى لكل وصلة لضمان السلامة الإنشائية.

▣ خلاصة هندسية:
التحكم الدقيق في جودة اللحام وصيانته بعد التطبيق يُعدان من عوامل نجاح استخدام اللحام في الهياكل خفيفة السماكة، نظراً لحساسية القطع الرقيقة للتشوهات أو التآكل.

3. البراغي ذاتية التنصيب (Screwed Connections) 🔩

تتميز هذه البراغي بقدرتها على حفر وتثبيت المادة في عملية واحدة، وهو ما يجعلها مفضلة في التجميع الميداني خصوصًا للجدران ولوحات الإطار.

يجب استخدام برغيين كحد أدنى في كل نقطة اتصال.
تُستخدم أيضًا لتثبيت مواد التشطيب مثل ألواح الجبس، العوازل، والأرضيات.
يمكن استخدام براغي ذات خيوط متقطعة (stand-off screws) لتثبيت العوازل الخلوية دون ضغطها.

لكن يجب الحذر من بعض العوامل التي قد تقلل من قدرة التحميل للبراغي مثل:

الإجهادات المركبة الناتجة عن التفاوت في التثبيت
الشد الزائد الذي قد يؤدي إلى تلف الخيوط أو رأس البرغي
عدم التنصيب بزاوية صحيحة
التأثيرات الديناميكية الناتجة عن الصدمات أثناء التنفيذ

4. البرشام العمياء (Blind Riveted Connection) 🔩

تُثبت البرشام العمياء عن طريق تمديد جسم البرشام داخل الفتحة، مما يوفر مقاومة جيدة للشد. تُستخدم هذه الطريقة بكفاءة خاصة في ربط الألواح الرقيقة كأغطية الأسقف والتكسية.

5. البرشام ذاتي الاختراق (Self-piercing Riveting) ⚙️

يتميز هذا النوع بإزالة الحاجة لحفر الفتحات مسبقًا، حيث يخترق البرشام المعدن ويربطه في خطوة واحدة باستخدام أدوات هيدروليكية تعمل على جانبي الوصلة.

تمر هذه العملية بمرحلتين:

مرحلة التوسيع (Flaring Phase): حيث يتشعب ساق البرشام في الجزء السفلي من اللوح لخلق قفل ميكانيكي.
مرحلة الثقب (Piercing Phase): حيث يخترق ساق البرشام الطبقات العلوية.

تُجرى اختبارات للتحقق من مقاومة قص البرشام، وهذا ما يضمن أمان الوصلة.

▣ لماذا هذا الحل الهندسي؟
البرشام ذاتي الاختراق يوفر سرعة في التوصيل مع تقليل الحاجة للتحضير المسبق، وهو خيار مهم في تصنيعات دقيقة وسريعة الإخراج.

6. الكلينشينغ أو اللحام الميكانيكي (Press joining or clinching)

يُستخدم الكلينشينغ لربط طبقتين من الصلب الرقيق عبر تشكيل ميكانيكي بدون الحاجة للمواد الإضافية، ويعتمد على ضغط هيدروليكي لتشكيل اللحاء المعدني وتثبيته. الأنواع الرئيسية:

Cut Clinch: تعتمد على قص المعدن جزئيًا لتشكيل تشابك ميكانيكي مزدوج الجانب.
Button (or Round) Clinch: يتم تشكيل “زر” معدني على جانب الوصلة لتثبيت الأجزاء.

هذا الأسلوب مفيد للوصلات التي تحتاج سرعة التنفيذ مع استغناء عن اللحام أو البرشام.

7. التثبيت بواسطة دبابيس الدفع بالبودرة (Powder Actuated Fastenings)

يُستخدم هذا النظام عادة لتوصيل هياكل الصلب الخفيف إلى الخرسانة أو المونة أو الفولاذ السميك، لكن لا ينصح به للوصلات بين الصفائح رقيقة السماكة بسبب التأثير الكبير لقوة الدفع على الأجزاء الدقيقة التي قد تنحني أو تتشوه.

🛣️ الخاتمة: التحديات المستقبلية والتصميم الأمثل لوصلات الصلب خفيف السماكة

تصميم وصلات القِطَع الرقيقة وفقًا لمواصفات Eurocode 3 Part 1-8 يتطلب اهتمامًا خاصًا بسبب حدوث تشوهات وانبعاج (Buckling) في هذه المواد الرفيعة. ضعف قدرة التحليل المطبق على الوصلات قد يؤدي إلى تصميمات غير دقيقة أو مفرطة في الحذر.

تُعتبر محاكاة العناصر المحدودة (Finite Element Modeling) خيارًا اقتصاديًا فعالًا لدراسة سلوك وصلات الصلب خفيف السماكة، حيث تسمح بتحليل نماذج متعددة بسرعة أكبر مقارنة بالفحوصات الميدانية المكلفة. لكن تبقى التجارب الميدانية ضرورية لتأكيد صحة النماذج الرقمية.

في المواقع، عادة ما تعتمد الوصلات بين الصلب على:

براغي ذات قطر 10-12 مم من الدرجة 4.6
براغي ذاتية التنصيب (Self-drilling, self-tapping)

وبالنسبة للوصلات من لوحة إلى أخرى:

لا يقل عدد البراغي عن 3 براغي بالقطر 10 مم موزعة بانتظام على ارتفاع القصة
أو لا يقل عدد البراغي ذاتية التنصيب عن 7 موزعة بين قاعدة اللوحة ومنتصفها ورأسها

يركز توزيع البراغي في رأس اللوحة على مقاومة قوى الرياح ونقل الأحمال اللازمة لنظام الإطار المُدعّم. كما يتم تثبيت اللوحات الأرضية باستخدام براغي عند أماكن التدعيم أو دبابيس دفع بالبودرة باستخدام قاعدة المسار.

▣ ما الذي يميّز هذا الحل الهندسي؟
تنوع طرق التوصيل يمكن أن يخدم تخصيصات المشروع المختلفة مع الحفاظ على السلامة والمتانة، شرط اتباع إرشادات التصميم واختبار أداء الاتصالات بشكل دقيق لتفادي أوجه الفشل المشترك.

الخلاصة:

وصلات الهياكل الفولاذية خفيفة السماكة تكمن أهميتها في حماية استقرار المنشأة وانسيابية عملية التنفيذ. تقنيات الربط المتنوعة مثل البراغي واللحام والبرشام تتيح مرونة في صميم تصميم هذه الهياكل، ومع ذلك تتطلب معرفة دقيقة بسلوك المواد الرقيقة وتأثيرات الأحمال المختلفة. المستقبل للتصميم الأمثل لهذه الوصلات يتجه نحو التكامل بين النمذجة الرقمية والاختبارات الميدانية لضمان سلامة وكفاءة هياكلنا المدنية.

بقلم: محرر صحفي تقني متخصص في الهندسة المدنية والإنشائية