هيكل البناء building structure

البناء (هيكل ـ)

تقسم العناصر المكونة للأبنية العصرية إلى قسمين أساسيين: الهيكل والإكساءات.
يعرّف هيكل البناء building structure بأنه الجزء من البناء الذي يمنح البناء متانته ويحفظ سلامته وينقل وزنه والأحمال التي يمكن أن يتعرض لها، كأحمال الاستثمار وغيرها إلى الأرض. أما الإكساءات فهي نوعان: الإكساءات المعمارية و تمديدات الخدمة، وهي توفر للبناء الخدمات والوظائف التي أقيم من أجلها وتمنحه مظهره العام. ويلاحظ في الأبنية القديمة أن الهيكل الحامل للبناء، كان يشتمل على معظم الإكساءات المعمارية، في حين لم يكن لمعظم تلك الأبنية تمديدات خدمة.
لمحة تاريخية

استعمل الإنسان منذ أن بدأت صناعة البناء ما توافر له من مواد في الطبيعة كالحجر وجذوع الأشجار والقصب وسعف النخيل وغيرها. فكان يرص الأحجار مداميك بعضها فوق بعض ليقيم الجدران بلا مونة (ملاط) أول الأمر، واستعمل قطعاً كبيرة منها لتشكيل السقف (الشكل 1). ويعدّ قدماء المصريين أول من استعمل هذا النوع من الإنشاء.
وفي مناطق الأهوار والمستنقعات، حيث تندر الحجارة والصخور، استعمل الإنسان عيدان القصب والخيزران وقوّسها ليصنع منها مساكن ذات غطاء منحن (الشكل 2)، وما يزال هذا الأسلوب في البناء مستعملا حتى اليوم في الأهوار جنوبي العراق.
وقد حدث تطور مهم في صناعة المباني بعد اكتشاف مادة «المونة» (الملاط) التي توضع بين الأحجار، فغدا من الممكن استعمال أحجار صغيرة الحجم والحجر الغشيم، المتوافر بكثرة على سطح الأرض.
وكان التطور الآخر المهم في تشييد المباني التوصل إلى طريقة صنع اللَّبِن بخلط التراب بالماء وصبه في قوالب وتركها لتجف في الشمس، وقد يضاف إلى الخليط التبن أو القش الناعم ليزداد متانة. استعمل اللَّبِن مع المونة لبناء الجدران في المناطق الزراعية التي يندر فيها وجود أحجار طبيعية بأحجام قابلة للاستعمال، وخاصة في بلاد الرافدين والجزيرة الشامية.
وفي المناطق المشجرة ذات التربة الناعمة، كما في غوطة دمشق، طور نظام آخر للجدران الحاملة استعملت فيه الأخشاب وأغصان الأشجار المتشابكة هيكلاً، ومُلئت الفراغات بينها باللَّبِن والطين. والمعروف أن الأخشاب تزيد في متانة الجدران، وتحملها للأحمال الشاقولية والأفقية (كالرياح والزلازل) في حين تحمي قطع اللبن والطين الأخشاب من التلف والحريق، وتوفر للمبنى العزل الحراري، وتمنحه الشكل الخارجي المناسب. ويسمى هذا النوع من البناء «البناء المكتف» (الشكل 3).

أما الأسقف فكانت تتألف من جوائز (جيزان) رئيسية من جذوع الأشجار، تمتد فوقها جوائز ثانوية أو بلاطات من القصب ثم يغطى الجميع بالطين المجبول بالتبن أو ألياف القنب.
ولحماية قواعد الجدران الحاملة من تأثيرات المياه، وتحمل تركيز الإجهادات حول فتحات البناء لجأ البناؤون إلى استعمال الحجر الطبيعي حول فتحات الأبواب والنوافذ، وفي الجزء من الجدار الواقع تحت جلسات النوافذ إضافة إلى الأساسات. وما يزال كثير من الأبنية المشيدة في دمشق بهذه الطريقة مستثمر حتى اليوم.
أما المناطق التي تتوافر فيها الحجارة فقد استعملها البناؤون لتغطية البناء بسقف مستو على طريقة ما يسمى «الرُّبْض والميزان»، بتثبيت حجارة كبيرة متطاولة إلى الجدران، هي الميزان، تسند إليها حجارة أخرى تسمى الرُّبْض (الشكل 4)، وهي ما تزال مستعملة في جنوبي سورية.
ولما كان سمك الجدران والأسقف كبيراً، فقد كان العزل الحراري جيداً، أما الإكساءات المعمارية فلم تكن الحاجة إليها، قد برزت بعد لأن الجدران الحاملة للمبنى تغني عن القواطع، ومشيدة من الحجر ولا تحتاج إلى طينة أو طلاء، أي أن الهيكل الحامل للبناء كان عملياً يؤلف البناء جميعه.

الهياكل الحاملة المكونة من عناصر خطية

يمكن أن يكون العنصر الخطي مستقيماً أو منحنياً، وأن يتكوّن الهيكل الحامل (الجملة الإنشائية) من عنصر واحد أو أكثر.

ارتبط تطور أشكال الهياكل الحاملة للأبنية على مدى أجيال بمواد البناء المتوافرة من جهة، وبالتقانة المتبعة وقت البناء من جهة أخرى.
ومن أجل تغطية فراغ المبنى وإيجاد فتحات في الجدران المحيطة به، طور البناؤون أربع طرق تحقق التوازن بين الجاذبية والشكل والمادة هي: العمود والعتبة (أو الجائز) post and lintel، والقوس (أو العقد أو القنطرة) arch، والجملون (أو الشبكي) truss، والظفر (أو الكابولي) cantilever.
1 ـ جملة العمود والعتبة : يتم في هذه الجملة وضع عتبة أفقية (أو جائز) فوق الفراغ بين عمودين حاملين (راجع الشكل1). فإذا كانت الأعمدة الحاملة متلاصقة وتعمل وحدة متكاملة فتسمى جداراً حاملاً، وإذا كانت العَتَب متلاصقة وتؤلف سطحاً يعمل وحدة واحدة فتسمى بلاطة، (الشكل 5).
يحمل العمود (أو الجدار) في هذا النوع من الإنشاء أحمالاً شاقولية، ويتعرض لقوى ضاغطة فقط، أما العتبة فتنحني عرضياً (بالاتجاه الشاقولي) نتيجة الأحمال المطبقة عليها وتتعرض لعزوم انعطاف تنتج منها قوى شادة في الأسفل وأخرى ضاغطة في الأعلى. وهكذا يبنى العمود من مادة مقاومة للضغط في حين يجب أن تكون العتبة (الجائز) من مادة مقاومة للانعطاف (أي مقاومة للشد والضغط معاً). ويمكن زيادة المسافة الصافية بين العمودين مع زيادة مقاومة مادة العتبة للانعطاف وزيادة ارتفاعها.

ويعيب جملة العمود والعتبة عدم قدرتها على مقاومة الأحمال الأفقية الناتجة من الرياح أو الزلازل، و يدعى ذلك بعدم الاستقرار العرضي.
2 ـ جملة القوس: كانت القوس تتألف من قطع حجرية طبيعية أو صناعية كالآجر، تُبنى على هيئة خط منحن، وتكون كل قطعة حجر على شكل إسفين لا يمكن أن تسقط إلى الداخل من غير أن تدفع القطع الأخرى إلى الخارج، فتبقى القوس مستقرة طالما وجدت قوة في القاعدة تحفظها من الانتشار إلى الخارج (الشكل 6)، وتسمى قوة الضغط الأفقي، وهي توازن ما يسمى برفس القوس.
ولأن القوس تنقل الأحمال المطبقة عليها إلى الأساسات بقوى ضاغطة، فلا يمكن إنشاؤها إلا من مواد مقاومة للضغط، فإذا شيدت سلسلة من الأقواس المتجاورة المتلاصقة التي تعمل قطعة واحدة فإن الشكل الناتج يسمى قبوة (الشكل 7).
وأول استعمال للأقواس كان في بلاد الرافدين، حيث يؤلف الآجر مادة البناء الرئيسية. أما في العصور الحديثة، بعد اكتشاف مواد إنشاء جديدة كالفولاذ و الصلب و الخرسانة المسلحة، فتستعمل الأقواس على نطاق واسع لتغطية أبهاء كبيرة الأبعاد، ولإنشاء جسور كبيرة الفتحات. ولما كانت المواد الجديدة توفر مرونة كبيرة في التنفيذ، فقد غدا من الممكن استعمال الأقواس في شروط استناد مختلفة أهمها أربع: القوس الثلاثية المفاصل، والقوس الثنائية المفاصل، والقوس الوحيدة المفصل، والقوس الموثقة النهايتين (الشكل 8). وجميع هذه الأقواس تقاوم أحمالا كبيرة إذا كانت موزعة توزيعاً جيداً، إلا أن مقاومتها للأحمال المركزة ضعيفة نسبياً لتشكل عزوم انعطاف موضعية في منطقتها.

3 ـ جملة الشبكي (الجملون): تطورت جملة الشبكي من الشكل السنمي الذي استعمل في السقف، وكان يتألف من جائزين مائلين يتصلان من الأعلى مفصلياً ويستندان من الأسفل إلى الجدران، ويطبقان عليها قوى أفقية تدفعها إلى الخارج. وقد تبين أن استعمال عنصر أفقي لوصل الجائزين من أسفلهما (يسمى شداداً لتعرضه لقوى شادة) يخلص الجدران من قوى الدفع الأفقية، وهذا هو الشبكي في صورته المبسطة، أي ثلاثة عناصر تؤلف مثلثاً (الشكل 9). يتميز الشكل المثلث بتماسكه وعدم تعرضه للتشوه إذا لم تتغير أطواله (الشكل 10).

أما أشكال الجملونات فكثيرة، بعضها ذو وتر علوي مائل يستعمل في السقف الأخير للمباني، وبعضها ذو وترين متوازيين يستعمل في الجسور غالباً، أما العناصر الداخلية فيمكن أن تكون شاقولية أو مائلة أو كليهما. وقد شاع أيضاً استعمال الأشكال الشبكية في إقامة الأعمدة، كما طورت شبكيات من الإطارات والأقواس (الشكل 11).
4 ـ جملة الظفر (الكابولي): إن هذا النوع من الإنشاء معروف منذ القديم، وتعدّ الطُّنُف الحجرية فوق رؤوس الأعمدة إنشاءات ظفرية، وكذلك الشرفات التي كانت تنشأ في السقوف الخشبية، فتترك جذوع الأشجار المستعملة في السقف بارزة عن الجدار على هيئة ظفر لتشكل شرفة (الشكل 12).
تتألف الجملة الظفرية من جائز أفقي ربطت إحدى نهايتيه بالجدار وتركت الأخرى سائبة من خارج المبنى (الشكل 13)، وبذلك يمكن زيادة المساحة المبنية في الطابق الأول على المساحة المبنية في الطابق الأرضي بمقدار البروزات الظفرية الموجودة.

وقد شاع في الأبنية الحديثة استعمال الأظفار للحصول على مساحة زائدة في الطوابق العليا.

التوقيع

وقد شاع في الأبنية الحديثة استعمال الأظفار للحصول على مساحة زائدة في الطوابق العليا.
الهياكل الحاملة للأبنية المكونة من عناصر مسطحة
يمكن أن تكون العناصرالحاملة مستوية السطح أو منحنية السطح.
1ـ العناصر المستوية السطح: إذا كان العنصر المستوي السطح أفقياً فيسمى بلاطة أما إذا كان شاقولياً فيسمى جداراً حاملاً.
تتعرض البلاطة لعزوم انعطاف وتظهر فيها إجهادات شادة وضاغطة مما يوجب أن تكون من مادة ثنائية المقاومة مثل الخرسانة المسلحة أو الفولاذ أو الخشب. ومن مزايا البلاطات المستوية السطح إمكانية استعمالها في الأسقف المتكررة والسطوح الأخيرة على حد سواء.
أما الجدار الحامل فيتعرض لقوى ضاغطة أساساً، ويمكن إنشاؤه من المواد التي تتحمل الضغط فقط أو من المواد التي تتحمل الشد والضغط معاً.
2ـ العناصر المنحنية السطح: من أبسط أشكال العناصر المنحنية السطح القبوات (الشكل 7). وثمة عناصر أخرى تستعمل للأسقف أهمها القباب، والمدورة منها أكثر شيوعاً، إذ يكون مقطعها الأفقي دائريا، يمكن أن يكون مقطعها الشاقولي دائرياً فتسمى القبة كروية أو قطعاً مكافئاً فتسمى القبة مكافئية (الشكل 14) أو غير ذلك. تتعرض القباب لإجهادات ضاغطة أساساً، وقد شاع استعمالها في الأسقف منذ القديم. وما تزال مستعملة إلى اليوم مع مواد الإنشاء الحديثة، لتغطية الأبهاء الواسعة.
كذلك شاع في القرن العشرين، إضافة إلى القباب، استخدام منشآت قشرية متعددة لتغطية القاعات الفسيحة منها القشريات التالية:
ـ المجسم المكافئ الناقصي (الشكل 15) ويتشكل من حركة قطع مكافئ على قطع مكافئ آخر، ومقطعه الأفقي قطع ناقص ويغطي مساحة مستطيلة.
- المجسم المكافئ الزائدي، ويشبه سرج الحصان (الشكل 16). يتشكل هذا المجسم من انتقال قطع مكافئ مقعر لجهة معينة على قطع مكافئ آخر مقعر للجهة المعاكسة، في حين يكون المقطع الأفقي قطعاً زائداً. ومن مميزاته إمكان تشكيله من خطوط مستقيمة، مما يسهل صنع قالب خشبي لتنفيذه بالخرسانة المسلحة.

ـ الموشور المخروطي conoid (الشكل 17) وهو سطح يمكن تشكيله أيضاً من خطوط مستقيمة، مما يعني سهولة تنفيذه من الخرسانة المسلحة.
وتجدر الإشارة هنا إلى أن العناصر المنحنية السطح لا تستعمل إلا للأسقف الأخيرة، لأن انحناءها يجعل استعمال المساحة فوقها متعذرة في معظم الحالات. ومع أنها تقاوم الأحمال الموزعة مقاومة جيدة فإن مقاومتها للأحمال المركزة ضعيفة نسبياً.

عناصر هيكل البناء
تقسم المنشأة إلى قسمين أساسيين هما: المنشأة الفوقية superstructure (أي فوق الأرض) والمنشأة التحتية substructure (أي تحت الأرض). تتألف المنشأة الفوقية من الأعمدة والجدران والأسقف، وتتألف المنشأة التحتية من الأساسات والجزء المطمور من الأعمدة والشيناجات (الجوائز الأفقية التي تربط الأساسات بعضها ببعض وتمنع حركتها الأفقية). تنفذ المنشأة التحتية بعناية فائقة لعدم إمكانية مراقبتها أو ملاحظة أي مؤشر خطر يحدث فيها.

1 ـ عناصر السقف: إن الهدف من عناصر السقف هو تغطية الفراغ الوظيفي من الأعلى لحماية داخل المبنى، وتستعمل لهذا الغرض في معظم الأحيان العناصر الإنشائية الخطية التالية: عنصر الجائز من جملة الإطار، أو جملة القوس، أو جملة الشبكي، أو جملة الظفر، ويغطى الفراغ بين الجملة والأخرى بعنصر مستوي السطح هو البلاطة (الشكل 18). وقد يستعان في تغطية السقف بعنصر منحني السطح يقوم مقام البلاطة كالقبوة أو القبة أو أحد المجسمات المختلفة.
2 ـ عناصر الجدران: إن الغرض من إقامة الجدران هو نقل أحمال عناصر السقف إلى الأساسات، وحصر جوانب الفراغ الوظيفي وحمايته. ويمكن أن تستعمل لهذا الغرض جملة الجدار الحامل (الشكل 5) أو جملة الإطار، على أن يملأ الفراغ بين أعمدة الإطار بمادة غير عاملة إنشائياً كالمكعبات الإسمنتية (البلوك) أو الآجر.
3 ـ عناصر الأساسات: إن مهمة الأساسات هي نقل أحمال البناء والقوى الأخرى المطبقة عليه إلى تربة التأسيس، ومنع هبوطات التربة تحتها أو التخفيف منها قدر الإمكان، لما يمكن أن تسببه الهبوطات من تشقق أو تشويه في البناء. فإذا استندت الأساسات إلى قاعدة صخرية فمن النادر أن يحصل تحتها هبوط، أما إذا كانت تربة عادية، فمن الممكن أن يؤدي ثقل البناء إلى انضغاط فراغات التربة و تقلص حجمها وهبوطها. وهناك حالات يؤدي وصول الماء إلى التربة إلى انتفاخها ورفع الأساسات فوقها. وأخطر ما يصيب البناء هبوط التربة غير المتساوي تحت الأساسات.
تصمم الأساسات عادة لكي تطبق على التربة إجهادات متساوية ومنتظمة تقريباً. وكانت أساسات الجدران الحاملة تنفذ قديما من الحجارة والمونة وتسمى «ركة»، بعرض يزيد قليلاً على عرض الجدار، وصولاً إلى التربة الطبيعية الصلبة. أما اليوم فإن المادة الرئيسية المستعملة في إنشاء الأساسات هي الخرسانة العادية أو المغموسة للجدران الحاملة، والخرسانة المسلحة للأعمدة وللجدران الخرسانية.
هياكل الأبنية المقاومة للقوى الأفقية
يلاحظ أن الاتصال بين العمود والجائز هو اتصال مفصلي ينقل إلى العمود أحمالاً شاقولية فقط. ويصح هذا القول أيضاً على جُمَل الشبكي والظفر والقوس، وعلى جملة الجدران الحاملة ذات الاتصال المفصلي مع الأسقف. ومع أن هذه الجمل كلها تقاوم القوى الشاقولية مقاومة جيدة، فهي ضعيفة عند تعرضها للقوى الأفقية كالرياح والزلازل، وتعد منشآت «غير مستقرة» فيما يتصل بالقوى الأفقية.
وقد تُوصل في المباني الحديثة ذات الارتفاعات العالية والأوزان الخفيفة والأسقف المستوية إلى إقامة جمل إنشائية مقاومة للقوى الأفقية، يمكن تلخيصها بما يأتي:
1ـ جملة الإطارات: تتألف جملة الإطارات من جوائز أفقية وأعمدة شاقولية، يتصل بعضها ببعض اتصالاً صلباً. وهي جملة حديثة العهد بالموازنة مع جملة الجدران الحاملة، أو مع جملة العمود والعتبة، وإن كانت تطويراً لها، وشاع استعمالها مع استعمال الفولاذ في المباني منذ القرن التاسع عشر. ولقد أمكن تنفيذ أبنية تتألف من 15 طابقا باستعمال الجملة الإطارية من الفولاذ. ومن ميزات هذه الجملة، المرونة الكبيرة التي توفرها للمعماري وللمستثمر، لأن القواطع بين الفراغات لا تُعمل إنشائياً، ويمكن إزالتها حين اللزوم من غير أن تتأثر متانة الجملة. كما أنها مرنة إنشائياً لأن حركتها الأفقية وقت الزلزال كبيرة نسبياً مما يبدد طاقة الزلزال ويخفف من قوته المطبقة على المبنى.
2ـ جملة جدران القص: تتألف جملة جدران القص shear walls من جدران حاملة وأسقف ذات اتصال صلب فيما بينها، وتصنع غالباً من مادة الخرسانة المسلحة. وقد سميت جدرانها الحاملة بجدران القص لأنها تقاوم قوى القص الناتجة عن الأحمال الأفقية المطبقة على المبنى. وقد مكن استعمال هذه الجملة في المباني الخرسانية المسلحة من تحقيق ارتفاعات زادت على 30 طابقاً.
3ـ الجملة الثنائية من إطارات وجدران قص: تتألف هذه الجملة من إطارات وجدران قص، ويكون الاتصال بين عناصر السقف والأعمدة والجدران فيها اتصالاً صلباً. وهي تتفوق على الجملتين المكونتين لها في مقاومة الزلازل، لأن الجدران تعطيها قساوة تخفف من الحركة الأفقية، وتعطيها الإطارات مرونة تخفف القوى الزلزالية. وباستعمال هذه الجملة في المباني الخرسانية المسلحة أمكن الوصول إلى ارتفاعات زادت على 45 طابقاً.
4 ـ الجمل الأخرى: درج البناؤون اليوم على استعمال جمل إنشائية أخرى في المباني العالية جداً، مثل الجملة الأنبوبية، وهي جملة جدران محيطية أسطوانية تحوي فتحات للأبواب والنوافذ. وجملة الأنبوب ضمن أنبوب وهي شبيهة بالسابقة مع استعمال أنبوبين بدلاً من أنبوب واحد. وقد أمكن تنفيذ مبان بهذه الجمل وصل ارتفاعها إلى 80 طابقاً في حالة الخرسانة المسلحة وإلى 110 طوابق في حال استعمال الفولاذ العالي المقاومة (بناء سيرز Sears في شيكاغو الذي بني عام 1972).