هيكل البناء

هيكل البناء Architectural structure يعهد بأنه الجزء من البناء الذي يمنح البناء متانته ويحفظ سلامته وينقل وزنه والأحمال التي يمكن حتى يتعرض لها، كأحمال الاستثمار وغيرها إلى الأرض. أما الإكساءات فهي نوعان: الإكساءات المعمارية وتمديدات الخدمة، وهي توفر للبناء الخدمات والوظائف التي أقيم من أجلها وتمنحه مظهره العام. ويلاحظ في الأبنية القديمة حتى الهيكل الحامل للبناء، كان يشتمل على معظم الإكساءات المعمارية، في حين لم يكن لمعظم تلك الأبنية تمديدات خدمة.

وتقسم العناصر المكونة للأبنية العصرية إلى قسمين أساسيين: الهيكل والإكساءات.

نظرة تاريخية

استخدم الإنسان منذ حتى 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، واستخدم بتراً كبيرة منها لتشكيل السقف (الشكل 1). ويعدّ قدماء المصريين أول من استخدم هذا النوع من الإنشاء.

وفي مناطق الأهوار والمستنقعات، حيث تندر الحجارة والصخور، استخدم 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 وقع 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 خلق اللَّبِن بخلط التراب بالماء وصبه في قوالب وهجرها لتجف في الشمس، وقد يضاف إلى الخليط التبن أوالقش الناعم ليزداد متانة. استخدم 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 استخدمت فيه الأخشاب وأغصان الأشجار المتشابكة هيكلاً، ومُلئت الفراغات بينها باللَّبِن والطين. والمعروف حتى الأخشاب تزيد في متانة الجدران، وتحملها للأحمال الشاقولية والأفقية (كالرياح والزلازل) في حين تحمي بتر 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 أوبلاطات من القصب ثم يغطى الجميع بالطين المجبول بالتبن أوألياف القنب.

ولحماية قواعد الجدران الحاملة من تأثيرات المياه، وتحمل هجريز 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 استخدمها البناؤون لتغطية البناء بسقف مستوعلى 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 بحاجة إلى طينة أوطلاء، أي حتى الهيكل الحامل للبناء كان عملياً يؤلف البناء جميعه.

الهياكل الحاملة المكونة من عناصر خطية

يمكن حتىقد يكون العنصر الخطي مستقيماً أومنحنياً، وأن يتكوّن الهيكل الحامل (الجملة الإنشائية) من عنصر واحد أوأكثر.

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 (أوالجائز) post and lintel، والقوس (أوالعقد أوالقنطرة) arch، والجملون (أوالشبكي) truss، والظفر (أوالكابولي) cantilever.

1 ـ جملة العمود والعتبة : يتم في هذه الجملة وضع عتبة أفقية (أوجائز) 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 (أوالجدار) 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. إلى غير ذلك يبنى العمود من مادة مقاومة للضغط في حين يجب حتى 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 أوالزلازل، ويدعى ذلك بعدم الاستقرار العرضي.

2 ـ جملة القوس: كانت القوس تتألف من بتر حجرية طبيعية أوصناعية كالآجر، تُبنى على هيئة خط منحن، وتكون جميع بترة حجر على شكل إسفين لا يمكن حتى تسقط إلى الداخل من غير حتى تدفع البتر 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 بترة 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 والصلب والخرسانة المسلحة، فتستعمل الأقواس على نطاق واسع لتغطية أبهاء كبيرة الأبعاد، ولإنشاء جسور كبيرة الفتحات. ولما كانت المواد الجديدة توفر مرونة كبيرة في التطبيق، 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 حتى مقاومتها للأحمال المركزة ضعيفة نسبياً لتشكل عزوم انعطاف موضعية في منطقتها.

3ـ جملة الشبكي (الجملون): تطورت جملة الشبكي من الشكل السنمي الذي استخدم 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 حتى استعمال عنصر أفقي لوصل الجائزين من أسفلهما (يسمى شداداً لتعرضه لقوى شادة) يخلص الجدران من قوى الدفع الأفقية، وهذا هوالشبكي 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 ذووتر علوي مائل يستعمل في السقف الأخير للمباني، وبعضها ذووترين متوازيين يستعمل في الجسور غالباً، أما العناصر الداخلية فيمكن حتى تكون شاقولية أومائلة أوكليهما. وقد شاع أيضاً استعمال الأشكال الشبكية في إقامة الأعمدة، كما طورت شبكيات من الإطارات والأقواس (الشكل 11).

4 ـ جملة الظفر (الكابولي): إذا هذا النوع من الإنشاء معروف منذ القديم، وتعدّ الطُّنُف الحجرية فوق رؤوس الأعمدة إنشاءات ظفرية، وكذلك الشرفات التي كانت تنشأ في السقوف الخشبية، فتهجر 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 وهجرت 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.

الهياكل الحاملة للأبنية المكونة من عناصر مسطحة

يمكن حتى تكون العناصرالحاملة مستوية السطح أومنحنية 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 حتى تكون من مادة ثنائية المقاومة مثل الخرسانة المسلحة أوالفولاذ أوالخشب. 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 أومن 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، إذقد يكون مبترها الأفقي دائريا، يمكن حتىقد يكون مبترها الشاقولي دائرياً فتسمى القبة كروية أوبتراً مكافئاً فتسمى القبة مكافئية (الشكل 14) أوغير 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 بتر مكافئ على بتر مكافئ آخر، ومبتره الأفقي بتر ناقص ويغطي مساحة مستطيلة.

- المجسم المكافئ الزائدي، ويشبه سرج الحصان (الشكل 16). يتشكل هذا المجسم من انتنطق بتر مكافئ مقعر لجهة معينة على بتر مكافئ آخر مقعر للجهة المعاكسة، في حينقد يكون المبتر الأفقي بتراً زائداً. ومن مميزاته إمكان تشكيله من خطوط مستقيمة، مما يسهل خلق نطقب خشبي لتطبيقه بالخرسانة المسلحة.

ـ الموشور المخروطي conoid (الشكل 17) وهوسطح يمكن تشكيله أيضاً من خطوط مستقيمة، مما يعني سهولة تطبيقه من الخرسانة المسلحة.

وتجدر الإشارة هنا إلى حتى 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 أوملاحظة أي مؤشر خطر يحدث فيها.

1 ـ عناصر السقف: إذا الهدف من عناصر السقف هوتغطية الفراغ الوظيفي من الأعلى لحماية داخل المبنى، وتستعمل لهذا الغرض في معظم الأحيان العناصر الإنشائية الخطية التالية: عنصر الجائز من جملة الإطار، أوجملة القوس، أوجملة الشبكي، أوجملة الظفر، ويغطى الفراغ بين الجملة والأخرى بعنصر مستوي السطح هوالبلاطة (الشكل 18). وقد يستعان في تغطية السقف بعنصر منحني السطح يقوم مقام البلاطة كالقبوة أوالقبة أوأحد المجسمات المتنوعة.

2 ـ عناصر الجدران: إذا الغرض من إقامة الجدران هونقل أحمال عناصر السقف إلى الأساسات، وحصر جوانب الفراغ الوظيفي وحمايته. ويمكن حتى تستعمل لهذا الغرض جملة الجدار الحامل (الشكل 5) أوجملة الإطار، على حتى يملأ الفراغ بين أعمدة الإطار بمادة غير عاملة إنشائياً كالمكعبات الإسمنتية (البلوك) أوالآجر. 3 ـ عناصر الأساسات: إذا مهمة الأساسات هي نقل أحمال البناء والقوى الأخرى المطبقة عليه إلى تربة التأسيس، ومنع هبوطات التربة تحتها أوالتخفيف منها قدر الإمكان، لما يمكن حتى تسببه الهبوطات من تشقق أوتشويه في البناء. فإذا استندت الأساسات إلى قاعدة صخرية فمن النادر حتى يحصل تحتها هبوط، أما إذا كانت تربة عادية، فمن الممكن حتى يؤدي ثقل البناء إلى انضغاط فراغات التربة وتقلص حجمها وهبوطها. وهناك حالات يؤدي وصول الماء إلى التربة إلى انتفاخها وحمل 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 أوالمغموسة للجدران الحاملة، والخرسانة المسلحة للأعمدة وللجدران الخرسانية.

هياكل الأبنية المقاومة للقوى الأفقية

يلاحظ حتى الاتصال بين العمود والجائز هواتصال 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 حتى 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، أومع جملة العمود والعتبة، وإن كانت تطويراً لها، وشاع استعمالها مع استعمال الفولاذ في المباني منذ القرن التاسع عشر. ولقد أمكن تطبيق 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 حتى 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 تطبيق مبان بهذه الجمل وصل ارتفاعها إلى 80 طابقاً في حالة الخرسانة المسلحة وإلى 110 طوابق طالما استعمال الفولاذ العالي المقاومة (بناء سيرز Sears في شيكاغوالذي بني عام 1972).