תכנון הנדסי: רביץ מהנדסים יועצים בע"מ

קבלן מבצע: בנין הארץ בע"מ

הלקוח: מקורות חברת מים בע"מ

טכנולוגיה הנדסית:  POST TENSIONING CFRP PLATES

תאריך ביצוע: 16.12.2020

תקציר

מאגר המים "בריכת מאור מודיעין" ביער בן שמן נבנה במאה הקודמת והועבר לאחריות חברת מקורות לפני למעלה מ-70 שנים. הבריכה היא מבנה מעגלי עשוי בטון מזוין לא דרוך. לאחרונה, במסגרת ביקורת שוטפת, התגלו סדקים בבטון, המסכנים את שלמות המבנה. חברת מקורות, אשר חדשנות היא אחד מערכיה, החליטה בעקבות נסיבות שונות שיפורטו בהמשך מסמך זה, להשתמש לצורך החיזוק בטכנולוגיה שטרם בוצעה עד כה בישראל – שימוש בדריכת רצועות פחמן.

במסמך זה נסקור את המיזם, נציג באופן מפורט את האתגרים שהיו כרוכים בו, הפתרון שנבחר בהתאם ותהליך היישום שבוצע בפועל באמצעות דריכת רצועות פחמן, ונפרט את החישובים שבוצעו לצורך היישום.

האתגר

בסיור שגרתי שנערך על ידי חברת מקורות, התגלו סדקים בבטון בחלק הפנימי של בריכת "מאור מודיעין", בריכת מים ישנה העשויה בטון מזוין שאינו דרוך. מדובר בבריכה קטנה יחסית, בנפח 300 קוב, שנבנתה במאה הקודמת, בתאריך לא ידוע, והועברה לאחריות חברת מקורות לפני למעלה מ-70 שנים. המיקום של הבריכה הוא ביער בן שמן, על שטח ששייך לרשות העתיקות ומצוי באזור עתיר ממצאים ארכיאולוגיים.

בפני חברת מקורות עמדו מספר אפשרויות לתיקון הליקוי באמצעים קונבנציונליים:

1. בניית מעטפת חיצונית לבריכה.
2. בניית מבנה חדש בסמוך לבריכה הישנה והריסת המבנה הישן.
3. חיזוק דופנות הבריכה באמצעות כבלי פלדה בחלקה החיצוני.

 

כיוון שמדובר בבריכה קטנה יחסית, בנפח 300 קוב, הבחירה באחת השיטות הקונבנציונליות מתבקשת לכאורה, אך בשל המיקום הרגיש של הבריכה הטילה רשות העתיקות מגבלה קריטית על מיזם החיזוק: על מקורות נאסר לחפור בשטח הבריכה מחשש לפגיעה בממצאים ארכיאולוגיים חשובים. מדובר בתנאי קשיח, אשר מנע יכולת לבצע חפירה, ולו הקלה ביותר, למשל לצורך ייצוב פיגום בשטח. כך, נשללו על הסף שתי האפשרויות הראשונות לחיזוק קונבנציונלי. האלטרנטיבה הקונבנציונלית השלישית, חיזוק באמצעות כבלי פלדה, הייתה אפשרית לביצוע, אך לאפשרות זאת היו חסרונות משלה: לאורך זמן נוטים כבלי הפלדה לקורוזיה, מה שמצריך טיפולים חוזרים הפוגמים ביעילות השיטה ומייקרים את עלות התחזוקה של הבריכה.

הפתרון

המגבלות שעמדו בפני חברת מקורות הצטרפו לצורך של החברה, שבבעלותה מאות בריכות מים בגדלים שונים הדורשות תחזוקה שוטפת ברחבי הארץ, להתקדם לשיטות חיזוק חדשניות. בהתאם, עלתה האפשרות לביצוע פיילוט ראשוני וייחודי מסוגו בישראל: חיזוק מבנה הבריכה באמצעות רצועות סיבי פחמן עם דריכת אחר – POST TENSIONNING CFRP – PLATES.

המיזם עורר עניין רב בקהילת המהנדסים האזרחיים, ובמהלך הימים שבהם בוצעה עבודת החיזוק הגיעו מהנדסים רבים ליער בן שמן כדי לצפות בתהליך היישום, שכאמור מהווה תקדים מקצועי בישראל.

חיזוק מבנים באמצעות רצועות פחמן דרוכות

דריכה באמצעות רצועות סיבי פחמן היא טכנולוגיה חדשנית המנצלת את החוזק הרב של סיבי הפחמן לצד גמישותן של הרצועות וממקסמת אותן לצורכי חיזוק שונים. יישום דריכת הרצועות בשטח יכול להתבצע על אלמנטים שונים העשויים מבטון יציב וחזק במיוחד בלבד. השיטה משמשת, בין היתר, לחיזוק גשרים, חיזוק סיסמי של מבנים ועוד. דריכת הרצועות מתבצעת בעזרת אלמנט מיוחד התופס את היריעה בכל אחד מהקצוות שלה, ומעוגן באופן ייחודי לבטון, מה שמאפשר דריכה של היריעה לאחר הדבקתה הראשונית.

הראש המיוחד התופס את היריעה הוא פטנט רשום של חברת STRESSHEAD השווייצרית. חברת בנין הארץ היא מיישמת מוסמכת של חברת STRESSHEAD ובעלת ניסיון רב בחיזוק מבנים בכלל ובשימוש בחומרים מרוכבים כמו סיבי פחמן בפרט.

את החישוב ההנדסי לחיזוק באמצעות דריכת רצועות פחמן ביצע משרד המהנדסים רביץ מהנדסים יועצים בע"מ, ואת העבודה של חברת בניין הארץ בשטח ליווה מהנדס מטעם חברת STRESSHEAD, אינג' מרסל ריי, שהגיע לצורך כך לישראל.

חישובים סטטיים

 

המטרה של דריכת הקירות ע"י רצועות CFRP בצד החיצוני היא יצירת כוחות לחיצה אופקיים בחתך הקיר לכל גובהו בכיוון רדיאלי מבחוץ פנימה כדי לנטרל את כוחות המתיחה הנובעים מהלחץ ההידרוסטטי של המים הפועלים בכיוון רדיאלי מבפנים החוצה. כאמור, דריכת הרצועות מתבצעת באמצעות רכיב מיוחד התופס את היריעה בכל אחד מהקצוות שלה ומעוגן באופן ייחודי לבטון, באופן המאפשר את דריכת היריעה לאחר הדבקה למבנה.

 

 

הקוטר הפנימי של הבריכה הוא 8 מטרים וגובהה כ-4 מטרים. גג הבריכה עשוי מכיפה מבטון מזוין בעובי 10 ס"מ הנתמכת על ידי קורת בטון היקפית טבעתית בקצה העליון של הקירות, לצורך קבלת כוחות המתיחה. קירות הבריכה נוצקו מבטון ב-40 בעובי 20 ס"מ וכוללים שתי רשתות זיון. לצורך חיזוק הבריכה, מתוכנן לדרוך את הקירות בצידם החיצוני ע"י רצועות דריכה חיצוניות CFRP  כנדרש בחישובים הסטטיים לצורך קבלת כוחות מתיחה. עובי רצפת הבריכה 35 ס"מ והיא משמשת רפסודה שאליה רתומים הקירות. הרצפה מונחת על מצעים מהודקים בשכבות.

לצורך חישוב הכוחות הסטטיים הפנימיים (מומנטי כפיפה אנכיים וטבעתיים, כוחות ציריים, דפורמציות) נבנה מודל אלמנט סופי בתוכנת SAP2000 והורץ באנליזה סטטית ליניארית.

 

על קירות הבריכה הופעלו כוחות הלחץ ההידרוסטטי של המים ועומס הדריכה המתוכנן (נלקחו בחשבון הפסדים של 30% בכוח הדריכה). על רצפת הבריכה הופעל משקל עומס המים, ועל הכיפה הופעל משקלה העצמי בלבד. נוסף לכל אלה, הופעל העומס הנובע מהמשקל העצמי של אלמנטי הבטון. באותו המודל נעשתה גם אנליזה של השפעת שינויי טמפרטורה עונתיים (C15⁰±), ושינויי גרדיינט טמפרטורה (C10⁰±) משני צידי הקיר על הכוחות הסטטיים הפנימיים הנובעים בקירות הבריכה.

 

שטח הזיון הדרוש בצד הפנימי של קירות הבריכה במגע עם מים חושב לפי הקריטריון של רוחב הסדק המותר, 0.1 מ"מ, ואילו במקומות שאינם אמורים להיות במגע עם מי הבריכה – בצד החיצוני, ייקבע הזיון לפי עקרונות התכן הנדרשים בת"י 466 (חוקת הבטון).

חישובים סטטיים: ניתוח ותוצאות

מהפילוגים שנעשו אפשר לראות שחתך הקיר במלואו נמצא בלחיצה הן בשלב הדריכה והן בשירות. כמו כן נראה שמומנטי הכפיפה האנכיים הם קטנים וניתנים לכיסוי ע"י זיון רגיל שייקבע לפי עקרון רוחב הסדק או ת"י 466. אותו הנ"ל לגבי מומנטי הכפיפה האופקיים.

 

כמו כן, נראה שהשפעת שינויי הטמפרטורה העונתיים בין חורף לקיץ על הכוחות הציריים והמומנטים בקיר היא משמעותית. ירידת טמפרטורה של 15 מעלות תגרום לכוח מתיחה צירי אופקי בחלקו התחתון של הקיר בשיעור של כ-72 טון/מ'. המשמעות היא שעל אף הדריכה, תיווצר מתיחה היקפית בתחתית הקיר בהשפעת ירידת הטמפרטורה העונתית. מתיחה זו אמורה להתקבל על ידי זיון הקיר הרגיל. כיוון שכוח המתיחה הזה דועך במהירות עם הגובה, אזי מדובר ברצועה לא רחבה מדי (פחות מ-1.0 מ') שבה הזיון האופקי ההיקפי הוא חיוני כדי לענות על הדרישה להגבלת רוחב הסדק. לעומת השפעת הטמפרטורה העונתית, נראה שהשפעת שינוי גרדיינט הטמפרטורה (הפרש הטמפרטורה בין פנים המכל וחוץ) היא קטנה.

יישום בשטח – סדר פעולות העבודה

היישום בשטח כלל שני חלקים עיקריים: תחילה, בוצעו פעולות מקדימות של שיקום הבטון וטיפול בסדקים לצורך קבלת משטח אחיד ללא בליטות ופגמים שיהווה בסיס יציב לרצועות הפחמן, ורק לאחר מכן – הדבקת רצועות הפחמן ודריכתן באמצעות מכשור ייעודי.

שיקום הבטון

לצורך שיקום הבטון נעשו הפעולות הבאות:

• • הסרת כל חלקי הבטונים הסדוקים, הרופפים והלקויים.
  • סיתות הבטון בכל האזורים החשודים כלקויים.
  • ניקוי ברזל הזיון ע"י מברשת פלדה בכלים מכניים.
  • מריחת הברזל הנקי והבטון המסותת בשתי שכבות טיח צמנטי מסוג SIKATOP ARMATEC 110 EC.
  • שיקום ושחזור הבטון באופן ידני ע"י SIKAREP POWER
  • ביצוע שכבה על כל המאגר של SIKA MONOTOP 620

טיפול בסדקים

הטיפול בסדקים כלל את הפעולות הבאות:

• • סיתות קל של הסדק.
  • ביצוע ניקוי יסודי של אזור הטיפול מאבק ולכלוך.
  • אטימה מעל הסדק באמצעות SIKADUR 31

יישום רצועות הפחמן

בשלב זה, אפשר להגיע ליישום רצועות הפחמן. פעולה זו דורשת תכנון קפדני ודיוק מרבי, מהסיבה הפשוטה שכל פגם בהצמדת הרצועות למבנה יכול לקרוע אותן ולגרום לאיבוד כוח הדריכה, ובמקרים מסוימים גם להרס ולפגיעה במבנה. על מנת להגיע לתוצאה מיטבית, תוכננה מבעוד מועד תוכנית דריכה מפורטת הלוקחת בחשבון את האתגרים הרלוונטיים לפרויקט: מבנה מעוגל הגורם לאיבוד כוח דריכה, בנייה מיושנת ולא סימטרית, בטון חלש ודק במיוחד המשליך על היכולת להתקין אלמנטים שונים על דופנות המבנה, הימצאות מים בתוך הבריכה בזמן העבודה, ועל כל אלה – איסור לפגוע בשטח המקיף את הבריכה משיקולים ארכיאולוגיים.

במסגרת תוכנית הדריכה, שתוכננה ע"י רביץ מהנדסים יועצים בע"מ, הוחלט על יישום 8 רצועות מסוג Sikacarbostress S626 במידות 60/24 מ"מ ובכוח דריכה מצטבר של 18 טון, וכן תוכננו 8 עוגנים חכמים – אחד לכל רצועה. עבודה הדריכה עצמה בוצעה בכמה פעימות על פי התוכנית ההנדסית, וארכה כחמישה ימים – משך עבודה מעט ארוך מהרגיל, בשל הצוות המקצועי הרב שנכח במקום לצורכי למידה.

יישום הרצועות כלל את הפעולות הבאות:

• • מדידת המבנה ושרטוט המיקום המדויק של כל רצועה לאורך כל היקף הבריכה (25 מ').
  • התקנת ציוד הדריכה – הכולל, בין היתר, הצמדת עוגנים ייחודיים שנוצרו במיוחד בהתאם למגבלות המבנה, בוכנות לדריכה, ועוד מספר אלמנטים ייחודיים שתוכננו על ידי בנין הארץ וסייעו במיקום הרצועות ובדריכתן.
  • הספגת כל רצועה בנפרד באפוקסי מסוג SIKADUR 31 באמצעות משפך מיוחד.
  • הדבקת הרצועה, הכוללת תפס ייחודי של חברת ,STRESSHEAD תוך הקפדה על דיוק מרבי.
  • דריכת הרצועה במספר פעימות, פעולה המסייעת גם בהצמדה הרצועה, כאשר כל רצועה נדרכת משני הכיוונים בו זמנית, ובכל פעימה ניתן כוח דריכה קטן עד להגעה לכוח הדריכה הרצוי. בין הפעימות התבצעו בקרות חוזרות שמטרתן לוודא כי הרצועות יושמו כראוי.

סיכום

פרויקט החיזוק של בריכת "מאור מודיעין" דרש יצירתיות רבה ביישום הידע המקצועי בתחום החומרים המרוכבים, מתן פתרונות לאתגרים הנדסיים וסטנדרט עבודה גבוה מאוד שיבטיח את הצלחת הפרויקט. בסופו של יום, הביצוע הראשון בישראל של דריכת רצועות פחמן לצורך חיזוק בריכת מים עבר בהצלחה מלאה ובהתאם לתכנון ההנדסי. באיזה קצב נראה את השיטה הזו נכנסת לשוק הישראלי? ימים יגידו.