כיצד ניתן לצמצם את כמות הברזל בבנייה באמצעות חומרים מרוכבים?

לא מזמן סיפרנו לכם על השימוש ההולך וגובר ביריעות פחמן בענף הבנייה. עכשיו אנחנו רוצים לספר לכם על מחקר שנעשה על ידי כמה סטודנטים מהמכללה האקדמית להנדסה סמי שמעון, שבדק את האפשרות להפחית את כמו חישוקי הפלדה בעמודים מבטון, באמצעות חומרים מרוכבים ובכלל זה, יריעות פחמן.  המחקר נערך על ידי חמישה: אליאב איפרח, מהנדס ביצוע בחברת מגידו, אבי כהן, מנהל פרויקטים בעיריית אופקים, נתנאל לוי, מהנדס מבנים בחברת ג.א.ש, ראובן גומה, מהנדס ביצוע בחברת י.ח דמרי ואבידור צבי, מהנדס מבנים בחברת דוד מהנדסים. הם סיימו לימודיהם במגמת הנדסת מבנים ב-2018 ושיתפו אותנו במחקר שביצעו, בהנחיית ד"ר רמי עיד. 

הרעיון לביצוע המחקר נולד מתוך הבנה ורצון לצמצם את כמות הברזל בבנייה, שכן יש חומרים מרוכבים שיכולים להוות תחליף טוב. "המחקר בוצע כחלק ממתכונת הלימודים לתואר ראשון במכללת SCE, במסגרת קורס 'נושאים מיוחדים בהנדסת מבנים' שמטרתו לחקור נושאים שונים בענף ההנדסה", מספר נתנאל לוי."את נושא המחקר העלה מרצה הקורס, ד"ר רמי עיד, שמניסיונו הבין את החשיבות בהפחתת כמויות הברזל". ד"ר עיד מציין כי הקורס נעשה בסביבת project oriented. "מטרת הקורס היא לחשוף את הסטודנטים לנושאים שנמצאים בשלב המחקר בתחום הנדסת המבנים", הוא אומר. "הקורס דן בנושאים פרקטיים עכשוויים ומשלב בין אקדמיה לתעשייה. בנוסף לכך, הסטודנטים עובדים על הפרויקט בסביבת עבודה הדומה לזו הקיימת בסביבת עבודה מעשית". 

ההשראה למחקר נעוצה בבעיה שאותה הוא נדרש לפתור. "בפרויקט מגדלי עזריאלי שרונה בתל אביב נעשה לראשונה בארץ (במבנה מסחרי בסדר גודל כזה) שימוש בבטון בחוזק גבוה (100 מגפ"ס) עבור עמודי המבנה (ד"ר עיד היה חלק מצוות הייעוץ לשימוש בבטון מסוג זה)", מספר לוי. "העמודים בקומות התחתונות הינם עמודים עגולים, הנושאים עומסים גדולים מאוד בשל גובהו הרב של המבנה וצורתו הגיאומטרית. אחת מדרישות התכן עבור עמודים הינה הדרישה לחישוקי פלדה בעמוד עבור תופעת הכליאה. עבור עמודים עשויים בטון בעל חוזק גבוה, דרישות התקינה הבינלאומיות מחייבות כמות חישוקי פלדה גדולה – כלומר קוטר חישוק גדול בצפיפות גבוהה דבר אשר יצר קושי בביצוע עמודים אלו. מנקודה זו נוצרה ההבנה שיש למצוא פתרון שייתן מענה הנדסי ויקל על תכנון וביצוע של עמודים מסוג זה"

תכנית הפעולה

לאחר הבנת הבעיה, החל תהליך החקירה. בשלב הראשון ניסחו החברים בקבוצה את הבעיה ההנדסית: כיצד ניתן להפחית את כמות חישוקי הפלדה בעמודים, מבלי לגרוע מהתכונות ההנדסיות של העמוד? כלומר, כיצד יש לשמור על הכוח הצירי המתקבל בעמוד ויחד עם זאת, לשמור על משיכות העמוד בזמן רעידת אדמה, כחלק מדרישות התקינה. לאחר הבנת הבעיה, הועלו רעיונות שונים לפתרונה על ידי שימוש בחומרים מרוכבים. הרעיון להשתמש בחומרים אלה עלה מכיוון שנעשה בהם שימוש רב לחיזוק מבנים, אולם הידע בשימוש בחומרים אלו בשלבי תכנון וביצוע של מבנים חדשים הינו דל ודרש מחקר בנושא. 

בסופו של דבר הוצע להשתמש בשני חומרים מרוכבים: FRP - Fiber Reinforced Polymer ורשת מסיבי פחמן. "עבור השימוש בחומרים הללו חיפשנו דרכים להתאמת הנוסחאות הקיימות בתקנים הזרים - אמריקאי, קנדי ואירופאי - שלהם דרישות לכליאה של עמודים והמרתם כך שיוכלו לשמש עבור שימוש בחומרים שאינם פלדה", אומר לוי. "על ידי שימוש בנוסחאות שפיתחנו, הצענו אפשרות לביצוע של עמודי בטון המשלבים בתוכם חישוקי פלדה קונבנציונליים ביחד עם שימושים שונים בחומרים המרוכבים. בדרך זו הנחנו כי ניתן להפחית באופן משמעותי את כמות חישוקי הפלדה, כך שביצוע של עמודים אלו יהיה פשוט בהרבה, אך יחד עם זאת - התכונות ההנדסיות של העמוד (חוזק לחיצה צירי, ומשיכות) נשמרות".

לצורך ביצוע הניסוי הכינו החמישה תכנית הכוללת 4 טיפוסי עמודים שונים (כפי שניתן לראות בתמונה למטה). הטיפוס הראשון היה עמודי בקרה המבוצעים על ידי שימוש בשיטת בנייה קונבנציונלית שבה כמות חישוקי הפלדה הייתה בהתאם לתקינה. שני טיפוסים נוספים היו עמודי  TRC (Textile Reinforce Concrete), שבהם יושמה רשת מסיבי פחמן בתוך גליל הבטון בשתי שיטות עיגון שונות – עיגון חיצוני שבו הרשת עוטפת את החישוקים ואת פלדת הזיון האורכי בעמוד, ועיגון פנימי שבו הרשת נמצאת בחלק הפנימי של חישוקי הפלדה, ומעוגנת בליבת הבטון בהתאם לזווית הכיפוף של החישוקים. הטיפוס הרביעי היה שימוש ברצועות FRP ששימשו כתבנית יציקה, שבה כלוב הזיון עם כמות חישוקים מופחתת, מוכנס לתוך העמוד ויוצקים את העמוד למצבו הסופי – דבר היכול לתת מענה לביצוע השיטה בצורה מתועשת.

"סך הכל נוצקו 11 עמודים", מציינים חברי הקבוצה. "כל ההכנות לביצוע הניסויים נעשו במכללת SCE בבאר שבע, ואלה כללו בין השאר הכנת תבניות יציקה מ-FRP, הכנת כלובי הזיון הדרושים ושימוש ברשת מסיבי פחמן. בכל דגם התקנו 6 מדי עיבור שתפקידם הוא לספק נתונים בנוגע לעיבור של עמוד הבטון וחישוקי הפלדה בשלבי הפעלת עומס. את העמודים יצקנו במפעל 'ישרא-בטון' באשדוד הודות לטכנולוג הראשי, מר עמי דהן, אשר נרתם למען הצלחת הפרויקט".

תבניות יציקה FRP בהכנה אישית

עמוד קונבנציונלי

עמוד TRC

כיצד נבדקו העמודים?

"העמודים נבדקו במכון הלאומי לחקר הבנייה, על ידי שימוש במכבש בעל תסבולת מקסימלית של 500 טון תוך הפעלת עומס צירי הגדל בקצב קבוע עד להרס".

עמוד במכבש

תוצאות המחקר

חברי הקבוצה מספרים כי התוצאות של המחקר היו מעניינות מאוד. "על העמודים שבהם השתמשנו ברשת מסיבי פחמן (TRC), ראינו כי התנהגות העמוד זהה מאוד לעמודי הבקרה, הכוללים זיון רוחבי בצורת חישוקים בלבד", הם מציינים. "עבור עמוד שבו רשת אחת של סיבי פחמן וכמות חישוקי פלדה הקטנה בכ-40%  מזו הדרושה בתקינה הבינלאומית, הכוח הצירי המקסימלי ומשיכות הדגם בלחיצה (עיבור הלחיצה בכשל) קרובים לאלה שהתקבלו בעמודי הבקרה.

"בעמודים עם תבניות ה-FRP, הכוח הצירי שהתקבל היה לעתים גבוה יותר מזה שהתקבל בעמודי הבקרה, אך לאחר הגעה לעומס צירי מקסימלי, העמוד הגיע לכשל פריך ולא יכל לשאת בעומסים נוספים. כשל מסוג זה התחרש משום שצורת הכשל האופיינית לבטון חזק וליריעת FRP הינו כשל פריך שבו היריעה נקרעת בפתאומיות. לאחר שהיריעה נקרעה, לא היו מספיק חישוקים שיכלאו את הבטון ולכן העמוד נכשל".

תוצאות המחקר הוצגו בכנס CICE 2018 בפריז, לשימוש בחומרים מרוכבים בענף הבנייה. בנוסף לכך, ד"ר עיד כתב מאמר מדעי בנושא המחקר ותוצאותיו. המאמר פורסם בכתב-עת בינלאומי. כמו כן, תוצאות המחקר הוצגו בכנס  ה-11 של איגוד המהנדסים לבנייה ותשתיות. 

משמאל לימין: נתנאל לוי, ראובן גומה, ד"ר רמי עיד, אליאב איפרח, אבידור צבי ואבי כהן.

לאחר ביצוע המחקר וניתוח תוצאותיו, האם השיטה הזו ישימה?

"על פי ניתוח התוצאות הראשוני, נראה כי השיטה יכולה לספק תוצאות טובות בהשוואה לעמודים קונבנציונאליים. כמובן שנדרשים מחקרים נוספים כדי להגיע למסקנות ולהמלצות בנוגע לכמות הרשתות שבהן יש להשתמש בעמודים מבטון בעל חוזק גבוה".

נתנאל, מה לקחת איתך מהמחקר שעשיתם הלאה? 

"שסביבת הלימודים הינו פלטפורמה מדהימה לפיתוח אישי. ניתן לרכוש כישורים ויכולות אישיות אשר ישמשו אותנו בחתומים שונים בחיים. לשמחתי, זכיתי לבצע את המחקר ביחד עם ד"ר רמי עיד, שהנחה אותנו לחשוב מחוץ לקופסא על מנת לייצר פתרונות חדשים, לא לקחת כמובן מאליו סטנדרטים קיימים ולחקור כל דבר אשר מעניין אותנו. תפיסת חשיבה זו מלווה אותי בחיי המקצועיים ומקדמת אותי בנקודות שונות".