תכנון הנדסי: מהנדס עימאד נסיירי, ירון אופיר מהנדסים בע"מ
לקוח: מי נתניה
מהנדסת מים מטעם מי נתניה: עינב בן הרוש
מפקח בנייה מטעם אגף הנדסה, עיריית נתניה: רומן לופטנר
חיזוק ושיקום מגדל מים: תקציר
בשנים האחרונות, כחלק ממאמץ רגולטורי ארצי, מבצעים תאגידי המים ברחבי ישראל סקרי עמידות למתקני המים שברשותם בעת רעידת אדמה. במסגרת סקירה זו, נסקרים רוחבית מאגרי המים בישראל, הכוללים בריכות, מאגרים ומגדלי מים, על מנת לזהות אלמנטים הזקוקים לחיזוק לצורך שיפור העמידות הסיסמית.
בבדיקה שערכה חברת מקורות במגדל מים בקריית נורדאו בנתניה, התגלו כמה נקודות תורפה במגדל המים, שנבנה ב-1976, ואינו עומד בתקנים המודרניים של עמידות מבנים בפני רעידות אדמה. הפתרון הנדרש היה חיזוקן של אותן נקודות התורפה שהתגלו, ושדרוג המבנה בהתאם לתקן הנדרש, זאת באמצעות שילוב של מספר שיטות חיזוק מתקדמות.
תכנון וביצוע הפרויקט כללו כמה אתגרים, וביניהם בעיות נגישות לאלמנטים שיש לחזק וכן הדרישה שמגדל המים, המופעל על ידי תאגיד המים המקומי, מי נתניה, ימשיך לתפקד כרגיל גם בזמן ביצוע העבודות. דרישה נוספת הייתה לפגום כמה שפחות באסתטיקה של מגדל המים כמונומנט עירוני בולט.
בסיפור מקרה זה, זה נסקור את הפרויקט, נציג באופן מפורט את האתגרים שהיו כרוכים בו, את החלופות שנבחנו ואת החלופות שנבחרו, ואת תהליך היישום בפועל שבוצע באמצעות שילוב של יציקות בטון, זיון בפלדה ויישום יריעות סיבי פחמן מחוזק.
רקע
מגדל מים הוא מבנה מוגבה התומך במכל מים בגובה מספיק כדי לייצר לחץ הידרוסטטי למערכת אספקת המים המקומית, ומשמש גם מאגר מים לשעת חירום, וגיבוי למשאבי כיבוי אש.
מבחינה פיזיקלית, מגדלי מים אינם רק אוגרים מים, אלא למעשה אוגרים אנרגיה. מרבית מערכות אספקת המים עושות שימוש במשאבות מכניות, המעלות את המים במעלה המגדל אל מאגר המים המוגבה, ומשום כך צוברים המים אנרגיה פוטנציאלית, או אנרגיה אגורה. אנרגיה אגורה זו מסוגלת להתבטא כאנרגיה קינטית, כאשר מאפשרים למים לזרום מתוך מכל האגירה אל מערכת צינורות אספקת המים שפרושה על פני השטח הנמוכים יותר.
יחסית לעומסי שימוש רגילים הנהוגים בתכנון אלמנטים ומבנים, אחסון מים יוצר עומסים גדולים בהרבה. כך, למשל, כמה מטרים רבועים של מים יוצרים עומסים של טונות רבות. משום כך, בריכות מים נבנות בדרך כלל על הקרקע או מתחת לקרקע.
מרכז הכובד של מבנים כגון מגדלי מים, שבהם יש מאגרי מים, הוא גבוה, והדבר מהווה אתגר כשלעצמו. ברעידות אדמה, כאשר כוחות חיצוניים מזיזים או מנענעים את המבנה הגבוה, נוצרים במבנה הגבוה מומנטים גדולים שעלולים להביא לקריסתו.
במקרה של תשתית המים, מדובר בתשתית חיונית שפגיעה בה במקרה של רעידת אדמה מייצגת סיכון ברמה אסטרטגית לאומית.
מגדל המים בקריית נורדאו, נתניה
מגדל המים בקריית נורדאו בנתניה מתנשא לגובה של 40 מטר, ומכיל בחלק העליון שלו בריכת מים של כ-1,000 קוב (מטר מעוקב). המגדל הוא מגדל מים פעיל, הממוקם בלב שכונה עירונית, ומטרתו היא לשמור על לחצי המים בעיר. מגדל המים נבנה בשנת 1976, כמבנה בטון קונוסי כפול – בצורת שעון חול.
בהתאם להנחיות נציב המים, נערכה באתר בשנת 2020 בדיקת עמידות בפני רעידות אדמה. במסגרת הבדיקה בוצעו בדיקות מודל לחיזוי התנהגות מגדל המים בעת רעידת אדמה, והתגלו בו שלוש נקודות חולשה שאותן צריך היה לחזק על מנת להשיג עמידות בפני רעידות אדמה:
- יסוד המבנה – חיבור קירות הקונוס התחתון ליסוד עצמו נמצא יחסית חלש והוערך כי עמידותו נמוכה בפני לחצים סיסמיים, שכוללים מאמצי גזירה ומתיחה. בקירות הבטון האופקיים, מנות הזיון התגלו כנמוכות מדי, כאלה שלא יהיו מסוגלות להתמודד עם כוחות המתיחה הממברנית.
- צוואר מגדל המים – בחלק הצר, באמצע המגדל, אשר מחבר בין הקונוס העליון ובין הקונוס התחתון, התגלה כי הברזל שמחבר בין שני החלקים אינו מספיק.
- תחתית הבריכה – החלק התחתון של הבריכה הנמצאת בראש המגדל, בגובה של כ-30 מטרים, שעליה מופעלים עומסי שימוש רבים בשל משקל המים, התגלה כנקודת חולשה נוספת.
המטרה: חיזוק מגדל המים על פי עקרונות ת"י 413
על פי עקרונות התכנון של ת"י (תקן ישראלי) 413, "תכן לעמידות ברעידות אדמה: הערכה ושיפור של עמידות מבנים קיימים ברעידת אדמה", מטרת העבודה הייתה ביצוע עבודות לחיזוק המבנה ולשדרוג סיסמי לכוח הצפוי ברעידת אדמה, שלגביה קיימת הסתברות של 10% שתאוצה חזקה ממנה תתרחש פעם אחת בתוך תקופה של 50 שנה, או במילים אחרות, זמן חזרה של 475 שנה.
אחת הדרישות שהציבה חברת מי נתניה לביצוע עבודות החיזוק היא לא להשבית את פעולתו של מגדל המים, כך שריקון הבריכה ממים לא היה אופציה אפשרית.
דרישה נוספת הייתה מינימום פגיעה באסתטיקה החיצונית של המגדל, שמהווה מונומנט גבוה ובולט בשטח.
פתרונות שנשקלו:
- בניית קונסטרוקציות פלדה בחלק הפנימי של המגדל: פתרון זה הוא אומנם אופרטיבי אך לא מאוד אפקטיבי. הפתרון כרוך בהתקנת כמויות גדולות של פלדה בחלקו הפנימי של המגדל ועיגונן לקירות המבנה. פתרון זה עשוי לספק עמידות רבה בפני מאמצי מתיחה וגזירה, אך הוא יוצר תוספת משקל בגובה, תופס נפח רב, ומשפיע על האסתטיקה של המבנה מבפנים.
- קשירת כבלי פלדה ודריכתם בחלק הפנימי של המגדל: עיגון כבלי פלדה בנקודות החולשה של המבנה עשוי לסייע לקירות הבטון לפזר את האנרגיה הקינטית ולספוג מאמצי מתיחה וגזירה רבים. פתרון זה מוגבל ביכולתו לספוג אנרגיה, ומשפיע אף הוא על האסתטיקה של המבנה מבפנים.
הפתרונות שנבחרו:
על מנת לענות על האתגר של חיזוק מגדל המים בשלוש נקודות תורפה משמעותיות, תוכנן ובוצע תכן המשלב טכנולוגיות מסורתיות ומתקדמות, עם ביסוסי בטון מזוין, לוחות פלדה, וחיזוק עם יריעות פולימרים מחוזקים בפחמן (CFRP) ועיגונים מתאימים. שילוב הפתרונות אפשר מתן מענה מדויק לאתגרים השונים, והוא נעשה ביישום מוקפד ומקצועי על ידי אנשי מקצוע שעברו הסמכה, ותוך מתן פתרונות לאתגרי הנגישות הבלתי צפויים שעלו במהלך העבודה.
א. חיזוק יסוד מגדל המים
הפתרון הנבחר לחיזוק יסוד מגדל המים ונקודת החיבור בין קירות מגדל המים ובין יסוד הבטון עצמו הוא יציקת טבעת בטון שמטרתה לחבר בין פלטת היסוד של המגדל לבין הקירות עצמם. על מנת להגיע ליסוד, נחפרה האדמה סביב מגדל המים, ולוחות הבטון נקשרו באמצעות קוצים ומוטות עיגון אלכסוניים. בכל מקום שבו יש מגע בין הבטון הישן לחדש, חוספסו פני שטח הבטון הקיים, ונקדחו שגמים. הקוצים והמוטות יושמו על ידי שימוש בדבק מסוג Hilti HIT RE500-V3. בדיקות מדגמי הבטון לחוזק לחיצה התבצעו לפי ת"י 26 ו-ת"י 118, בדיקות חוזק נעשו שבעה ימים ו-28 יום לאחר היציקה.
לאחר יציקת הבטון, בוצע איטום על ידי מריחת חומרי איטום, ומסביב למגדל בוצעה רולקה צמנטית (יציקת בטון מעוגלת המחברת בין החלק האופקי – הבסיס, לחלק האנכי – הקירות), לאורך מישק החיבור של היסוד החדש עם קירות הבטון של המגדל.
כתחליף זיון לחיזוק קירות הבטון של המגדל, נבחר השימוש בחומר מרוכב: יריעות פחמן מחוזק (CFRP) אשר מאפשר להתמודד עם כוחות המתיחה בתוך הקירות באזור שבו המומנט הוא מקסימלי. הסיבות לבחירה בטכנולוגיית חיזוק מתקדמת זאת הן עוביין הדק של היריעות, כמו גם גמישותן הרבה ביישומן על גבי קירות הבטון, נוסף על חוזקן הרב – שמחליפות יציקה של קו"בים רבים של בטון, שתופסים גם נפח רב ומשפיעים רבות על האסתטיקה של המבנה.
יריעות פחמן הינן דקות וקלות משקל, גמישות ועם זאת בעלות עמידות גדולה במתיחה. המבנה המולקולרי של יריעת הפחמן, ואופן האריגה שלה, מאפשרים לה להיות תחליף יעיל ופשוט לכמויות גדולות של ברזל, וליישום גם במקומות שבהם הנגישות מוגבלת.
ביריעות אלה נעשה שימוש על מנת להגדיל את תסבולת האלמנטים למאמצי גזירה, לחיצה וכפיפה, בהתאם ליישום הנדרש.
במקרה זה, התבצע חיזוק העמודים על ידי הדבקה חד כיוונית של יריעות חיזוק גמישות. מערכת החיזוק בחומרים מורכבים אלה כוללת את יריעות סיבי הפחמן ואת שרף האפוקסי, שבו משתמשים להדבקת היריעות. חומרים אלה מתוכננים לעבוד יחד ומתייחסים אליהם כאל מערכת שלמה.
היריעות שנבחרו לצורך כך הן יריעות SikaWrap-600 C. פריימר ושרף מסוג Sikadur-300.
הכנת תשתית הבטון ליישום יריעות סיבי פחמן
היבט נוסף המאתגר את יישום יריעות החוזק הוא הצורך בעבודת הכנה קפדנית בתשתית הבטון הקיימת ושימוש בחומרים מיוחדים ליישור ולהחלקה של הבטון.
הכנה זאת כוללת:
- הסרת בטון רופף או אבני סגרגציה, השחזה ושיוף של פני הבטון ובליטות כולל ניקוי יסודי מאבק, קיטום ברזלים בולטים או פגועים משיתוך (קורוזיה) וטיפול בהם על פי מפרט נפרד לעצירת תהליך הבלאי. תהליך זה מאפשר הדבקה חזקה ומדויקת של יריעות סיבי הפחמן.
- הכנת תערובת מדויקת של חומר מליטה צמנטי, דו רכיבי, מועשר בפולימרים ליישור ולהחלקה של תשתיות הבטון כהכנה ליישום היריעות.
- לצורך התקנת כפתורי העיגון של היריעות, נקדחו קדחים בבטון, ולאחר מכן מולאו בדבק.
ב. חיזוק אזור צוואר מגדל המים
על מנת לחזק את אזור צוואר מגדל המים, בחיבור בין הקונוס התחתון לבין הקונוס העליון, נבחר פתרון של שילוב אלמנטי פלדה ובורגי עיגון. בעזרת התקנת פחי פלדה, ועיגונם לאלמנטי הבטון, אפשר להבטיח את העברת העומסים הרציפה ואת עמידות העמודים בחלק הזה של המבנה.
פחי הפלדה יוצרו בהתאם לדרישות בבית מלאכה על פי הנחיות מטלורג חומרים מורשה, כולל ביצוע עיבוד תרמי והרפיה לפלדה לשחרור מאמצים.
פחי הפלדה הותקנו חיצונית למבנה, ולביצוע העבודה השתמשו המתקינים בבמת הרמה.
טרם יישום פחי הפלדה בעמודים, היה צורך לבצע עבודות ניסור קוביות בטון, יישור והחלקת פני הבטון, חספוס עדין וניקוי. להדבקת הפחים לבטון נעשה שימוש בדבק אפוקסי דו רכיבי, בהתאם להוראות היצרן.
ג. חיזוק תחתית הבריכה
הפתרון שנבחר לחיזוק נקודת התורפה השלישית של המבנה, בתחתית בריכת המים המוצבת בחלקו העליון של המגדל, בגובה של כ-30 מטרים, הוא התקנת לוחות חיזוק מפלדה ועיגונם.
העלאת לוחות פלדה אלה, השוקלים 150 ק"ג כל אחד, במעלה מגדל המים, והטייתם בזווית אלכסונית לצורך התקנתם, התבררה כאתגר לא פשוט, עקב הגיאומטריה המורכבת של מגדל המים.
האתגר שהתגלה בשטח – קשיי נגישות
תחתית הבריכה ממוקמת מעל פיר בגובה של 30 מטר בקוטר מרבי של 11 מטר, שבנקודה הצרה ביותר שלו, בנקודת החיבור בין הקונוסים, קוטרו כ-5 מטרים בלבד. גיאומטריה מורכבת זאת הקשתה על הנגישות מצידו הפנימי של המגדל, והעלאת פחי הפלדה לגובה התבררה כאתגר, ונוסף על כך, קירות הבטון של המבנה אינם ישרים אלא זוויתיים – ויש להתקין את לוחות הפלדה בזווית. שתי חלופות נבחנו לצורך העניין:
בניית פיגום קונזולי מתכוונן, תלוי באוויר: בשונה מפיגום תמיכה רגיל, אשר מעוגן בקרקע, פיגום קונזולי מתכוונן מעוגן אל קורות המבנה בגובה בעזרת ברגים ואומים מהירים, וזווית הפתיחה שלו מתכווננת וניתנת להתאמה. אף כי התכנון המקורי התבסס על פיגומים, רק כאשר הגיעו אנשי הביצוע לאתר הם הבינו כמה הדבר מסובך ויקר לביצוע. לאחר התייעצות עם מתקיני הפיגומים, הוחלט כי יש צורך במציאת פתרון אחר.
הפתרון שנבחר – ביצוע עבודות החיזוק מבפנים באמצעות סנפלינג:
על מנת לבצע את עבודת הסנפלינג בצורה בטוחה היה צורך ברישות התקרה בטבעות, שיצר מעין מסלול לאורך קירות מגדל המים בצד הפנימי שלהם.
היות שעל הלוחות לעבור דרך הצוואר הצר של המבנה, ולאחר מכן לעלות בזווית על מנת להתאים לשיפוע הקונוס העליון, כדי להתגבר על זוויתיות המבנה, נפרשה בחלק העליון של הקונוס מערכת של גלגלות שאפשרה להעלות אותם לגובה בזווית.
תחת פיקוח הדוק של מנהל העבודה, שפיקח על העבודות מגרם המדרגות שמוביל אל מרכז הפיר, גולשי סנפלינג שנשכרו למשימה מיוחדת, ועברו הכשרה, התקינו את פחי הפלדה הגדולים בחלק התחתון של בריכת המים בליווי צמוד של מהנדס בנין הארץ וצוותו.
סיכום: "פרויקט שאיכות הביצוע בו חשובה במיוחד"
פרויקט חיזוק מגדל המים בקריית נורדאו בנתניה בפני רעידות אדמה דרש שילוב של טכנולוגיות חיזוק מבנים מסורתיות וחדשניות, עם יכולות מציאת פתרונות חכמים בשטח ליישום יעיל ו-Cost Effective.
ידידיה לרמן, מנהל הפרויקט מטעם חברת בנין הארץ, מסכם: "קיבלנו לידנו פרויקט שאיכות הביצוע בו חשובה במיוחד, זאת בשל החשיבות האסטרטגית של תפקוד מגדל המים, בשגרה או בשעת חירום כגון רעידת אדמה. במחשבה נכונה, תכנון נכון ואיכות ביצוע גבוהה, הפרויקט בוצע בהצלחה לשביעות רצון המהנדס המתכנן, מזמין העבודה והפיקוח, תוך עמידה בלוחות זמנים נוקשים, וללא הפרעות לסביבת המגורים המאוכלסת סביב מגדל המים ולתפקוד השגרתי של המגדל".
