אדריכל: משה צור אדריכלים ובוני ערים

תכנון: דורון שלו הנדסה

קבלן ראשי: לוינשטין נתיב

קבלן שלד: יילמזלר (טורקיה)

קבלן דריכה: בנין הארץ

[א] תקציר

מגדל רוגובין אקרו One Tower הוא מגדל ייחודי המתבלט בקו הרקיע של מתחם העסקים בבורסה ברמת גן. המגדל תוכנן על ידי האדריכל ומתכנן הערים פרופסור משה צור, והוא מעוצב בצורה ייחודית שבה תקרת המגדל "מסתובבת" סביב גרעין המבנה, ומבצעת שתי שבירות של הרצף האנכי של המבנה.

המבנה הוא מגדל מסחר ומשרדים בן 36 קומות המתנשא לגובה של 160 מטרים, עטוף בקירות מסך לכל גובהו, ומשתרע על פני 45 אלף מ"ר – נוסף על 5 קומות חניון בשטח של 15 אלף מ"ר. צורתו הייחודית של הפרויקט ייצרה אתגרים הנדסיים משמעותיים. כך, למשל, בבניית שלד המגדל בוצעו התקרות תוך שימוש בטכנולוגיות דריכת תקרות בדריכת אחר (Post Tensioning), דריכה שמתבצעת באתר הבנייה עצמו. בסך הכול בוצעו 37 קומות של תקרות בדריכת אחר, כאשר שטח כל קומה הוא 1,200 מ"ר – סה"כ 44 אלף מ"ר של תקרות דרוכות.

ביצוע התקרות הדרוכות באתר נמשך כשנה, תוך עמידה מלאה בלוחות הזמנים כפי שנקבעו בתיאום עם קבלן השלד והקבלן הראשי. הבנייה באתר, שהחלה ב-2019, הושלמה לאחרונה, והבניין נמצא בשלבי גמרים לקראת אכלוס.

במסמך זה נסקור את טכנולוגיית דריכת אחר כפי שבוצעה בפרויקט זה, נפרט את היתרונות והתועלות של השימוש בשיטה זאת בפרויקט, ונבחן אתגרים מיוחדים שעלו במהלך הפרויקט , הן אתגרים הנדסיים והן אתגרים תהליכיים, ואת הפתרונות שנבחרו לביצוע, אשר יכולים לשמש כהשראה לפרויקטים דומים.

[ב] מבוא: בטון דרוך

דריכת בטון היא טכנולוגיה מתקדמת לחיזוק בטון ואלמנטים מבניים. בשיטה זאת, כבלי פלדה שנפרשים לאורך ולרוחב אלמנט הבטון נמתחים לאחר יציקת הבטון על מנת לייצר עומס מלאכותי על האלמנט, אשר יתנגד לעומס השימוש הצפוי של האלמנט ולמעשה יקזז אותו.

ישנן שתי שיטות מרכזיות לדריכת בטון:

1. דריכת קדם (Pre-Tensioning)

בשיטה זו משתמשים להכנת לוח"דים – לוחות דרוכים מוכנים – אלמנטי בטון שמיוצרים במפעל בטון ונדרכים מראש, המגיעים לאתר הבנייה כשהם מוכנים. יתרונה המרכזי של דריכת קדם הוא שהדריכה נעשית במפעל, בתנאי מעבדה מפוקחים ובמידת דיוק גבוהה. חסרונות השיטה הן בחוסר גמישות ביצועית בשטח, שכן חוזק הלוח"ד נקבע מראש ובהתאם לסטנדרטים קבועים, ובקושי בהובלת הלוח"דים אל אתר הבנייה.

2. דריכת אחר (Post Tensioning)

בשיטה זו מתבצעות הן יציקת הבטון והן דריכת כבלי הפלדה באתר הבנייה עצמו. דריכת האחר מתבצעת באופן הבא: נפרשים כבלי הפלדה לאורך ולרוחב תבנית התקרה, במהלך פרבולי של עלייה וירידה בכיוונים הפוכים לכיווני הקריסה של הבטון בהתאם לתוכנית הקונסטרוקטור, ולאחר יציקת הבטון, הם נמתחים (נדרכים) על ידי בוכנות מיוחדות.

הרעיון שמאחורי דריכת אחר הוא ליצור מראש לחץ במקומות נבחרים בהתאם לדרישות התכנוניות ולעומסי השימוש הצפויים על האלמנטים השונים. את הלחץ יוצרים על ידי מתיחה (דריכה) של כבלי הפלדה הייעודיים, ליצירת עומס מלאכותי שיתנגד לעומסי השימוש של האלמנט ולמעשה יקזז את חלקם. היתרון של שיטה זו טמון בדיוק התכנוני המותאם לצורך ספציפי, וביכולת ליישם בשטח ללא הקושי של הובלת לוחות גדולים וכבדים אל אתר הבנייה.

[ג] יתרונות של דריכת אחר

דריכת אחר של בטון: יתרונות על פני יציקת תקרה רגילה

לדריכת אחר של בטון יש מספר יתרונות שהופכים אותה לכלי מרכזי בבניית מגדלים רבי קומות, מבני תעשייה ומסחר ומבנים ציבור:

• מבחינה הנדסית – רכיבי בטון העשויים מבטון בדריכת אחר הם חזקים יותר, עמידים יותר בפני סדיקה, עמידים יותר בפני קריסה, ומאפשרים מפתחים גדולים היוצרים חללים מרווחים, שמאפשרים גמישות תכנונית רבה יותר בתכנון החלוקות הפנימיות.
• חיסכון תקציבי לפרויקט – על ידי חיסכון בפלדה וחיסכון בבטון.
• הקטנת עובי התקרה – לחיסכון בבטון ובפלדה יש יתרון נוסף מהיבט תכנוני – השימוש בדריכת אחר מאפשר הקטנת עובי התקרות. הפרש זה, שעשוי להגיע ל-10 ס"מ לכל קומה, עשוי במגדלים רבי-קומות להגיע להפרש של קומה שלמה בבניין – שמשמעותה עוד שטח בנוי.
• קיצור משך הבנייה – שיטה זאת מאפשרת ביצוע מהיר יותר של הפרויקט כולו בהשוואה לשיטות בנייה אחרות משום שאפשר לפרק את תבניות הטפסנות של הבטון מהרגע שבו נדרכה התקרה, לאחר ארבעה ימים – בשונה מבטון רגיל – שבו אי אפשר לפרק את תבניות הטפסנות בפחות משבעה ימים מיציקת הבטון. עובדה זאת מקצרת בכמעט מחצית את משך הזמן הדרוש לביצוע התקרות, והיא גם מקטינה את כמויות חומרי התפעול הנדרשות באתר – משום שאפשר להשתמש שוב ושוב באותם חומרים ובאותן תבניות, במקום להחזיק במלאי גדול שיספיק לשבעה ימי המתנה שבהם התבניות תפוסות.

יתרונות של דריכת אחר על פני דריכת קדם

לוח"דים (לוחות דרוכים) הם אלמנטי בטון מזוין ודרוך שמגיעים מוכנים ממפעל בטון, שיטת דריכה זאת מכונה "דריכת קדם". הלוח"דים מגיעים בדרך כלל בלוחות ברוחב של 120 ס"מ ובאורכים משתנים. מבחינה הנדסית, לוח"דים משמשים לקירוי והם בעלי יתרונות דומים בהשוואה לבטון מזוין שאינו דרוך: יכולת הנשיאה שלהם ביחס לנפחם גבוהה, והם מאפשרים יצירת מפתחים גדולים, מפחיתים את הצורך בעמודי תמך, וחוסכים מקום וזמן ביישום בשטח. העובדה שהלוח"דים מיוצרים במפעל בטון תחת בקרת איכות הדוקה מבטיחה דיוק בכושר הנשיאה המוצהר. החיסרון הבולט ביותר של שימוש בלוח"דים הוא הלוגיסטיקה המורכבת הכרוכה בתיאום ייצור האלמנטים, הבאתם לאתר ואחסונם.

יתרונות של דריכת אחר על פני לוח"דים:

• תלות בלוחות הזמנים של מפעל הבטון: ייצור הלוח"דים במפעל הבטון הוא תהליך ממושך שלוקח מספר שבועות, ובהתאם לכך מפעלי הבטון עובדים בלוחות זמנים קשיחים שנקבעים זמן רב מראש. בסביבה כזאת, הגמישות בייצור או באספקה של רכיבי הבטון כמעט שאינה קיימת.
• לוגיסטיקה – הלוח"דים הם אלמנטים גדולים ושינוע שלהם לאתר הבנייה דורש משאיות גדולות, תיאום מראש עם הרשויות, חסימות נתיב ושימוש במנופים, ובהתאם גם היכולת לאחסן כמות גדולה שלהם באתר הבנייה מוגבלת. הגבלות אלה עלולות להאט את מהירות הבנייה באתר ולגרום לשיבושים בלוחות הזמנים. כשמדובר בבנייה של מבני תעשייה נמוכים יחסית באזורי תעשייה רחבים מחוץ למרכזי הערים היבט זה פחות בעייתי, אך בבניית מגדלי מגורים רבי-קומות באזורים צפופים כגוש דן ההיבט הלוגיסטי הזה הופך להיות משמעותי ביותר, במיוחד באתרי בנייה שבהם היכולת לאחסן כמות גדולה של לוח"דים מוגבלת, ועולה צורך לשנע שוב ושוב לוח"דים לאתר.
• גמישות תכנונית – לוח"דים מגיעים בצורת מלבן או ריבוע, ואי אפשר להזמין אותם בעיגולים, בטרפזים או בצורות גיאומטריות מיוחדות, בעוד דריכת אחר מקנה את הגמישות הזאת. גם כאן, כשמדובר במבני תעשייה שהם לרוב מלבניים או מרובעים, השימוש בלוח"דים רווח יותר. אך כשמדובר במגדלי משרדים ומסחר בתכנון אדריכלי, לרוב נעשה כיום שימוש בדריכת אחר של בטון.
• גמישות ביצועית – דריכת אחר באמצעות צוות קבוע שעובד באתר מאפשרת גמישות רבה בלוחות הזמנים. בשיתוף פעולה הדוק עם קבלן השלד והקבלן הראשי, יכולה גמישות זאת לבוא לידי ביטוי בחיסכון של זמן ומשאבים.

[ד] Bonded או Unbonded, זאת השאלה

היבט נוסף של יישום התקרות הדרוכות בתקרת אחר הוא ביצוע Bonded – מודבק – שבו מושחלים כבלי הפלדה בקבוצות של 3, 5, 12 או 19 כבלים לתוך שרוולים מיוחדים המכונים דאקטים, ומותקנים עוגנים בשני הצדדים. לאחר יציקת הבטון דורכים את גדילי הפלדה בעזרת ג'ק "מולטי-סטרנד" – רב גדילי, המותח למעשה את כל הכבלים בבת אחת ולא כל כבל בפני עצמו. כשהם נדרכים בקבוצה, מקבלים הגדילים המון כוח. לאחר מכן ממלאים את הדאקטים בחומר בטון בלתי מתכווץ המכונה "דייס". כאשר הדייס ממלא את החלל ומתקשה, הוא למעשה מוסר את הכוח שהיה בכבלים לתוך הבטון דרך תערובת הדייס ה"מדביקה" את הכבלים אל הבטון – ומכאן שמה של השיטה.

על פי רוב, יעדיפו המתכננים וקבלני הביצוע להשתמש בדריכת אחר מודבקת בנקודות מסוימות שבהן רוצים לנקז הרבה כוח, או הרבה מאמצים, ואי אפשר להשיג זאת בדריכת אחר בלתי מודבקת, שבנויה יותר לשטח מפורס ומפוזר. חברת בנין הארץ מבצעת את כל השיטות בהתאם לצורכי העבודה.

לרוב, מורכבת העבודה על פרויקט דריכת אחר מכ-95% דריכה בלתי מודבקת וכ-5% של דריכה מודבקת.

[ה] היישום בשטח: אתגרים ופתרונות

שיטת הביצוע – תקרות דרוכות

כל התקרות המקשיות של המגדל מחוץ לתחום הגרעין בקומות 1 עד 36 ומרתף 1- בוצעו כתקרות דרוכות.

הדריכה הייתה בשיטת Unbonded (דריכה בלתי מודבקת) ותוכננה עבור העומסים האנכיים – כפי שצוינו בתוכניות המגדל ובפרוגרמה.

תהליך עבודה דו-שלבי

תהליך הביצוע של דריכת אחר של תקרות הוא דו-שלבי. בשלב הראשון יש לפרוש את כבלי הפלדה בהתאם לתוכנית ההנדסית. לאחר מכן, מתבצעת יציקת הבטון, ויש להמתין שלושה ימים עד שהתקרה תתחזק ותתקשה. בשלב הבא מגיעים פועלי הדריכה לביצוע דריכת כבלי הפלדה לשם יצירת עומסים מלאכותיים בבטון הטרי.

בביצוע דריכת אחר של תקרות בפרויקטים גדולים של בנייה, שיתוף הפעולה מול הקבלן הראשי ומול קבלן השלד הוא חיוני, כמו גם הדרישה לעמידה בלוחות הזמנים התובעניים של הפרויקט.

שיטת דריכת האחר נושאת יתרונות רבים, אך יישומה המוצלח כרוך בהתמודדות עם מספר אתגרים – העיקריים שבהם הם:

1. האתגר – צוואר בקבוק תהליכי

בביצוע תקרות דרוכות בדריכת אחר נוצר מעין צוואר בקבוק בתהליך הבנייה, והוא פרק הזמן הדרוש לפרישת כבלי הפלדה ולעבודה עליהם. בזמן פרישת הכבלים והטיפול בהם, העבודה על שלד הבניין נעצרת עד לתום הפרישה והיציקה. אם אין סינרגיה טובה ושיתוף פעולה פורה בין הקבלן הראשי, קבלן השלד וקבלן הדריכה, עלולים להיווצר עיכובים מיותרים ויקרים.

הפתרון – צוותים מקבילים ושיתוף פעולה תפעולי

אחד הפתרונות הביצועיים שהטמיעה חברת בנין הארץ בחלק מהפרויקטים שלה ברחבי הארץ הוא שיטת עבודה שמוצעת לקבלן השלד ולקבלן הראשי, שמטרתה לשחרר ככל האפשר את צוואר הבקבוק הזה שנוצר בין ביצוע השלד ובין דריכת התקרות.

בשיטה זאת, משתמשים אנשי הדריכה של בנין הארץ בפועלי השלד של קבלן השלד, תוך כדי ליווי ופיקוח של בנין הארץ בכל ההיבט המקצועי. שיטה זאת מאפשרת גמישות תפעולית ופעולה סינרגטית באתר, שקשה להשיגן באופן אחר.

כך, לדוגמה, אם פועלי השלד סיימו את ההכנות לביצוע דריכת התקרה בשעה עשר בלילה, במקום שקבלן הדריכה ייכנס רק בשבע בבוקר, יכולה משמרת הלילה של קבלן השלד להיכנס מייד לעבודה על דריכת התקרות וכך ליצור מצב של אפס זמן המתנה. במצב אחר, גם אם ביצוע עבודות השלד המקדימות נמשך זמן קצר יותר מהצפוי, יתקשה קבלן הדריכה לגלות גמישות בנקודות אלה, ולהקדים את ביצוע עבודות הדריכה. שיתוף פעולה כזה מאפשר לקבלן הדריכה להיות גמיש ומהיר.

2.  האתגר – ביצוע מדויק

דריכת אחר של תקרות היא עבודה הדורשת דיוק רב והיצמדות לתוכנית מהנדס היציקה, וחשוב מאוד לשמור בה על כל הפרטים הקטנים, שלב אחר שלב. היות וקשה מאוד לתקן טעויות בבטון שהתגלו לאחר היציקה, ישנה חשיבות מכרעת לעבודה מדויקת לכל אורך הדרך.

הפתרון – הסמכות מקצועיות

כוח אדם איכותי הוא המפתח להבטיח כי יישום התקרות הדרוכות יהיה מדויק ויספק עמידות וביצועים לטווח ארוך. לשם כך, מספר רב של גופים וחברות מקצועיות בארצות הברית ובאירופה מציעות הכשרות מקצועיות בדריכת אחר, לאנשי צוות המבצעים את פרישת הכבלים והמתיחה ולאנשי פיקוח.

אנשי הצוות המקצועי של בנין הארץ עוברים הכשרות והסמכות הן של חברת GTI (General Technology Inc) והן של תאגיד TTM האירופי – לשימוש בשיטות הדריכה ובציוד שלהן.

מובילי הצוות המקצועי של בניין הארץ אחראיים לכל היבטי הביצוע של העבודה, וכאשר נעשה שימוש באנשי הצוות של קבלן השלד כפי שתואר לעיל, הם מסמיכים את הפועלים בשטח לעבודת פרישת הכבלים בלבד, מלמדים אותם את העבודה ומדריכים אותם בכל ההיבטים המקצועיים. את פעולת הדריכה מבצעים אך ורק עובדי בנין הארץ המוסמכים.

3. עיצוב ייחודי – אתגר הנדסי וביצועי

העיצוב המיוחד של מגדל רוגובין אקרו One Tower, שנראה כשלוש קוביות זכוכית המונחות זאת על גבי זאת, כשהן מוסטות בתנועה סיבובית המקנה לבניין עיצוב דינמי ובולט, כלל למעשה שתי שבירות אופקיות מרכזיות שהיוו אתגר הנדסי וביצועי.

שיטת ביצוע – קומות השבירה הזוויתית

• קומות השבירה הזוויתית הינן קומות שבהן קיים שינוי בזווית העמודים האלכסוניים וכתוצאה מכך מתפתחים כוחות אופקיים.
• בקומות שבהן יש שבירה זוויתית במבנה – 2,45,11,14,17,23,26,29 – נדרשה מערכת דריכה נוספת עבור התקרות כדי לקזז את העומסים האופקיים המתווספים.
• בקומות שבהן נדרשה דריכה נוספת עבור העומסים האופקיים בוצעו שתי מערכות דריכה:
• דריכה צנטרית באמצעות דיווידאגים במרכז החתך (ראו בשרטוט סימון דריכה בתוכניות קומות השבירה)
• רצועות דריכה באמצעות כבלים בלתי מודבקים ישרים בפן העליון והתחתון של החתך.

• בכל עמוד בקומת שבירת הזווית נדרש פרט שבירה מפלדה – פרופיל שמעוגן בעמוד מלמעלה ומלמטה ופחי פלדה הנמשכים אל תוך התקרה, שנועד לקבל את העומסים האופקיים. בעמודים שבהם התבצעה דריכה באמצעות דיווידאגים, בוצעה הדריכה כנגד פרט הפלדה.

מרכיבי פרט השבירה:

1. פרופיל אנכי להעברת הכוח הצירי בעמוד – מעוגן בעמוד מלמעלה ומלמטה
2. פלטת חיבור בין פרופילים
3. פח אופקי מעוגן ברצפה
4. פח אנכי ושני פחים ניצבים – לעיגון הדיווידאגים
5. פח כפול מחוזק בצלעות הקשחה, להעברת כוחות דריכת הדיווידאגים
6. מוטות דריכה ציריים – שעוברים במרכז החתך ומעוגנים
7. רצועות דריכה באמצעות כבלים בלתי מודבקים ישרים בפן העליון והתחתון של החתך

מוטות דיווידאג (Dywidag)

מוטות הדיווידאג הם מוטות פלדה עם הברגה גסה לכל אורכם, שנועדו לחיבור שני חלקי תבנית מתועשת. המוטות עמידים בפני עומסים גדולים. מוטות הדיווידאג מתאפיינים בחתך אובלי עם שטח חלק משני צידי המוט, צורת הברגה המיועדת לאפשר תברוג קל בעזרת אומי פרפרים ואביזרים משלימים אחרים.

השימוש במוטות הדיווידאג במגדל One Tower התבצע בקומות שבהן יש שבירה בזווית של הבניין. במקומות אלה, מוטות הפלדה העבים נדרכים ומחברים את הקירוי על הגרעין המרכזי של הבניין. עבודות אלה הן מאתגרות יותר, מורכבות יותר ומצריכות מיומנות רבה יותר של אנשי הצוות.

סיכום

כפי שראינו במקרה בוחן זה, טכנולוגיית דריכת אחר של תקרות בטון היא פתרון מתאים לבניית מגדלי מגורים רבי-קומות בלב אזור עירוני. יתרה מזאת, על מנת לבצע את העיצוב האדריכלי הייחודי של המבנה, טכנולוגיית דריכת אחר היא כמעט כורח המציאות – ומספקת חוזק הנדסי וגמישות תכנונית שטכנולוגיות בנייה מסורתיות אינן מסוגלות לספק.

אחד הגורמים המכריעים ביותר בביצוע המהיר והיעיל של 37 התקרות הדרוכות בפרויקט מגדל רוגובין אקרו Tower One, תוך עמידה בלוחות הזמנים, היה שיתוף הפעולה והסינרגיה בין חברת בנין הארץ, ששימשה קבלנית הדריכה, ובין קבלן השלד והקבלן הראשי של הפרויקט.

הפוסט קייס סטאדי: דריכת אחר של תקרות במגדל רוגובין אקרו One Tower הופיע לראשונה ב-מגזין בניין הארץ.

ביצוע: אוקטובר 2020

תוכנית הניסוי והבדיקה חוברה בהשתתפות:

ד"ר בוריס מורבין (אינטגריטי דיאגנוסטיקס, ndt.co.il)

ולדימיר שפילוב (כי"ל ים המלח)

רן עקיבא (מכון תמ"י – מרכז המחקר המרכזי של כימיקלים לישראל)

בדיקות אולטראסוניות: גבי שואף

שרון אלבז (בנין הארץ)

רקע

רכיבי פלדה ובטון זקוקים לשיקום מעת לעת.

רכיבי הפלדה והבטון המבניים במפעלי ICL (לשעבר "כימיקלים לישראל – כי"ל") באתר סדום בים המלח נדרשים לשיקום בתכיפות גבוהה, שכן הם נתונים לשחיקה מואצת ולקורוזיה עקב תנאי האקלים הקיצוניים שם, המתאפיינים בריכוז מלחים גבוה באוויר ובטמפרטורות גבוהות. כתוצאה מכך, נדרש המפעל לשקם רכיבי קונסטרוקציה פגועים מדי שנה בעלות של כ-3,000,000 דולרים בשנה.

נוסף להוצאות הישירות על שיקום הרכיבים, סופגת החברה נזק משני משמעותי, בשל העובדה שעבודות השיקום מפריעות לעבודתו הסדירה של המפעל.

הפתרונות הקיימים לוקים בחסר

ישנם שני פתרונות מרכזיים לשיקום רכיבי בטון ופלדה: החלפת הרכיב בשלמותו, או תיקון על ידי ריתוך של פלטות ממתכת לגיבוי. ברוב המקרים, מוחלפים רכיבי הפלדה הפגומים בשלמותם – גם במקרים שבהם הקורוזיה היא מקומית בלבד.

1. החלפת הרכיבים הפגומים בשלמותם

לשימוש בשיטה זאת יש מספר חסרונות:

• כדי לבצע עבודות אלה, נדרש פירוק של המערכות הבנויות על רכיבי הפלדה שיש להחליף. המשמעות במקרים רבים היא הפרעה לייצור ואפילו השבתתו.
• מדובר בעבודות "חמות" הדורשות ריתוך ומסוכנות בסביבה נפיצה ודליקה. אחת הדרכים להתמודדות עם בעיה זו היא, שוב, עצירת הייצור בעת ביצוע העבודות.
• הצורך בהקמת תמיכות זמניות התופסות נפח ועלולות להפריע לפעילות היצרנית הרגילה של המפעל ולשבש עבודות תחזוקה נדרשות אחרות.
• ביצוע שיקום בשיטות המסורתיות דורש זמן רב וכרוך במספר שלבים רב במהלך הביצוע.

2. תיקון הרכיבים הפגועים על ידי ריתוך של פלטות ממתכת לגיבוי.

גם שיטה זאת כרוכה בהפרעות לייצור, מסיבות דומות לאלה שנמנו בשיטה הקודמת. מעבר לכך, קיים חיסרון נוסף והוא שפעולת הריתוך עצמה מהווה מוקד לקורוזיה ועלולה להאיץ אותה. בעבר נעשו ניסיונות רבים לביצוע תיקוני ריתוך מקומיים, אך הניסיון הראה כי התוצאות לא הצדיקו את המאמצים.

כך, למרות החסרונות הנלווים, ברוב המקרים שבהם מתגלה רמת קורוזיה מקומית בינונית מחליטים כיום על החלפת הרכיבים הפגומים בשלמותם, מבלי לנסות לתקן אותם.

צורך בכלי שיקום נוסף

בשל היקף הבעיה ובשל מוגבלות הפתרונות הקיימים והרצון להימנע מהשבתת המפעל ומעצירת הייצור, נוצר צורך בכלי שיקום נוסף לקונסטרוקציה הפגועה.

חברת בנין הארץ, המתמחה בעבודות הנדסיות מורכבות וביישום יריעות פחמן מחוזק (CFRP) לחיזוק מבנים, הציעה לכי"ל את האפשרות של חיזוק רכיבי הפלדה הפגועים על ידי שימוש בחומרים מרוכבים – יריעות סיבי פחמן. יריעות הפחמן המחוזק מאפשרות ביצוע של חיזוק נקודתי, ללא שימוש בריתוך, ותוך הפרעה מינימלית לעבודת המפעל.

יצוין כי לכי"ל כבר היה ניסיון מוצלח בעבודות חיזוק באמצעות יריעות פחמן מחוזק של אלמנטי בטון שבוצעו על ידי חברת בנין הארץ בשנים האחרונות.

רקע – פולימרים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP)

סיבי פחמן הם חומר המורכב מסיבים דקים מאוד של אטומי פחמן. סיבי הפחמן מאורגנים בגבישים זעירים הסדורים לאורך הסיב. קוטרו של כל סיב בודד אינו עולה על 0.010 מילימטרים. השימוש הבסיסי בסיבים אלה הוא שזירתם של כמה אלפי סיבים יחד, לקבלת חוט בעל חוזק רב שאותו אפשר לשזור לאריג. באמצעות טבילת אריג סיבי הפחמן בפולימר מתקבל חומר מרוכב שמתאפיין בחוזק רב יחסית לעוביו ולמשקלו, ומאפשר לעצב משטחים חזקים בעלי משקל קל ונפח קטן. שרף האפוקסי הוא דבק פלסטי רב עוצמה ויישום שלו עם היריעות יוצר מערכת המאפשרת חיזוק משמעותי של מבנים ורכיבים.

לסיבי הפחמן מספר יישומים שונים שבהם אפשר להשתמש בהתאם לצרכים ההנדסיים. בהתאם לעיצוב האריג ולכיוון הסיבים, יריעות הפחמן מסוגלות לשאת מאפיינים מבניים שונים: היריעות יכולות להיות חד-כיווניות, כלומר חזקות וקשיחות רק בכיוון מתיחת הסיבים; דו-כיווניות – הארוגות בשתי וערב שמקנים להן כוח וקשיחות זהים לכל כיווני מישור היריעה, ורב-כיווניות, המיוצרות בזוויות מדויקות בהתאם לתכנון ההנדסי הנדרש.

סיבי הפחמן מגיעים במספר תצורות:

יריעות: יריעות סיבי פחמן הן בעובי של כ-0.33 מילימטרים. היריעות מגיעות בגלילים ואפשר לפרוש אותן בהתאמה לתצורות השונות של רכיבי המבנה הזקוקים לשיקום או לחיזוק. היריעות משמשות לחיזוק ולהגדלת עומסים במבני בטון, לשיקום וחיזוק עמודי בטון תומכים, להגדלת העומס הדינמי בגשרים, ולשיקום וחיזוק של קירות סדוקים ועוד. היריעות מודבקות באמצעות שרף האפוקסי סיקה-דור 300 ופריימר מסוג סיקה-דור 330, חומר כימי המשמש להכנת המשטח ולשיפור היצמדות היריעות.

למינטים: לוחות סיבי פחמן שמגיעים בצורת רצועות גמישות שנדחסו במפעל, והן מגיעות בגליל שאפשר לחתוך ממנו פסים באורך הנדרש לפי מידה ומוכנות להדבקה על פני המשטחים או הרכיבים המבניים שאותם יש לחזק. מודול האלסטיות של הלמינטים מסדרת M של סיקה זהה לזה של פלדה, בעובי של 1.4 מילימטר בלבד. הלמינטים מודבקים באמצעות שרף האפוקסי סיקה-דור 31.

מוטות (רודים): מוטות קשיחים מוכנים של פולימר פלסטי מחוזק בסיבי פחמן. במוטות אלה נעשה שימוש בדרך כלל בטכניקת NSM – "הרכבה קרובה לפני השטח" – שבה מושחלים המוטות לחריצים ייעודיים שנחרצו לצורך כך ברכיבי הבנייה שאותם יש לחזק. היות שהממשק בין הפחמן לאפוקסי חזק יותר מזה שבין הפלדה לבטון, אפשר להתקין את המוטות בחריץ מינימלי בגבול עובי הכיסוי, ללא פגיעה בזיון הקיים, וללא צורך לכסות בחומרים מעכבי חלודה.

סיבי פחמן כפתרון שיקומי לפלדה

ככלי שיקומי – השימוש בטכנולוגיה זאת של חיזוק רכיבי פלדה בטכנולוגיית פחמן מחוזק במקומות של קורוזיה מקומית כגון מפעל כי"ל עשוי לחסוך משאבים רבים ולספק תועלת רבה.

עד כה נעשה בישראל שימוש בטכנולוגיית יריעות הפחמן בעיקר בחיזוק רכיבים של בטון או בטון מזוין. דוגמאות אפשר למצוא כאן וכאן. אך לא היה ניסיון בארץ בשימוש בטכנולוגיה זאת לחיזוק רכיבים מבניים מפלדה.

דוגמאות לחיזוק פלדה על ידי יריעות פחמן קיימות ומוצגות בחו"ל על ידי יצרן לוחות סיבי הפחמן, אך הואיל ופתרון זה טרם יושם בישראל או באזור אחר בעולם שבו תנאים אקלימיים הדומים לאלו השוררים באזור ים המלח, ולאור העובדה שהתקינה הבינלאומית לגביו אינה מקיפה דייה, הוחלט לערוך ניסוי לבדיקת חומרי החיזוק והשפעתם על האלמנטים הפגועים מקורוזיה על מנת לבחון את היתכנות החיזוק באמצעים אלה, ונוסף על כך, לחשוף קשיים אפשריים ביישום טכנולוגיה זאת בתנאי האתר.

כמו כן בוצע ניסוי נפרד שבחן את עמידות שרף האפוקסי עצמו – הדבק הפלסטי רב העוצמה שבו משתמשים להדבקת יריעות הפחמן – בתנאי מעבדה שמדמים חשיפה ממושכת לתנאי אקלים קיצוניים הדומים לאלו השוררים באתר – פירוט מלא בהמשך.

רקע: תקנים ומחקרים בעולם

אף כי בעולם בוצעו מחקרים בנושא של חיזוק רכיבי מתכת בטכנולוגיית יריעות פחמן מחוזק, ובמספר מדינות אף הוצעו תקנים לביצוע חיזוק מסוג זה, הן המחקר והן התקינה בנושא לוקים עדיין בחסר.

בבריטניה, התאחדות המחקרים והמדע של תעשיית הבנייה (CIRIA) פרסמה את דו"ח CIRIA C595: חיזוק רכיבי מתכת תוך שימוש ביריעות פחמן מחוזק מודבקות, שכולל הנחיות המקיפות את כל היבטי תכנון החיזוק ובכללם רכש, עיצוב, יישום ופיקוח.

מכון המהנדסים האזרחיים ICE הבריטי פרסם ב-2021 מחקר על התנהגות קורות פלדה שחוזקו ביריעות פולימרים מחוזקים בפחמן (CFRP). המחקר התבסס על ניסוי שבו נבדקו מאפייניהן של קורות פלדה שחוזקו בטכנולוגיה זאת, הראה כי חיזוק זה הגביר את עמידות הקורות בפני עומס ושחיקה, והוכיח כי מדובר בשיטה יעילה שמגבירה גם את עמידותן של קורות פלדה סדוקות.

במחקר מ-2006, בדקו שנרץ' (Shnerech) ואחרים את התנהגות השרף האפוקסי בחיזוק רכיבי פלדה, ודנו בשיטות להכנת פני השטח לפני היישום, ובאמצעים למניעת קורוזיה גלוונית.

באיטליה, מועצת המחקר הארצית של איטליה, גוף המחקר הממשלתי שאחראי גם על התקנים הטכניים וההנדסיים, פרסמה קו מנחה שעוסק בחיזוק רכיבי מתכת בעזרת יריעות פחמן מחוזק (CFRP) תקן CNR-DT 202 2005.

בשנת 2013 יושמה טכנולוגיה דומה לחיזוק קורות של ברזל יצוק בתקרת הרכבת התחתית של לונדון בסמוך לתחנת אמבנקמנט.

ניסוי בתנאי האתר

על רקע תנאי האקלים הקיצוניים באתר המפעל וחוסר הניסיון בשימוש בטכנולוגיית יריעות פחמן לחיזוק רכיבי פלדה בתנאים אלה, הוחלט לבצע בתנאי האתר ניסוי של חומרי החיזוק ושל השפעתם על האלמנטים הפגועים מקורוזיה.

מטרות הניסוי:

• לבדוק את אפשרות השיקום של רכיבי הפלדה על ידי סיבי פחמן
• לנתח את אופן התנהגות הרכיבים המחוזקים בתנאי האתר
• לבחון את המגבלות של ביצוע השיקום באופן זה
• לערוך בדיקת שיטה בתנאי האתר במתקני החברה באתר סדום

בניסוי נוסף שנערך במקביל, נבדקה ונותחה עמידות שרף האפוקסי בתנאי חשיפה של אלף שעות בתא מלח.

תוכנית הניסוי: השוואה משולשת בין קורות פלדה חדשות, פגועות וקורות פגועות שעברו חיזוק על ידי CFRP

תוכנית הניסוי כללה השוואה בין שמונה קורות פלדה בעלות פרופיל H – קורות שהשימוש בהן נפוץ בתעשייה הבנייה. קורות הפלדה חולקו לשלוש קבוצות:

1. קבוצה ראשונה: שלוש קורות חדשות.
2. קבוצה שנייה: שתי קורות פגועות מקורוזיה.
3. קבוצה שלישית: שלוש קורות פגועות מקורוזיה שחוזקו ביריעות פחמן מחוזק (CFRP).

חיזוק קורות הפלדה בקבוצה השלישית בוצע על ידי חברת בנין הארץ. על מנת להבטיח יישום תקני ואחיד ברמה עולמית, נערך חיזוק רכיבי הפלדה בצמוד לתקן האיטלקי CNR-DT 202 2005 בהיבטים הטכניים של יישום טכנולוגיות הפחמן המחוזק (CFRP) לחיזוק מתכות.

יישום הניסוי: הכנות, ביצוע וניטור

שלב א': מיון קורות הפלדה והכנתן לניסוי

1. בחירת הקורות: קורות הפגועות מקורוזיה פורקו ממתקן קיים של כי"ל באתר סדום שהוקם בשנות ה-80 של המאה הקודמת. הקורות שפורקו הן פרופילי פלדה בגודל 160HEA באורך 4–5 מטרים עם פגיעות קורוזיה אופייניות. בקורות התגלו שקעים עם איבוד עובי דופן עד 80%. משום שהקורות הגיעו באורכים שונים, על מנת לקבל מִפתח אחיד שיאפשר השוואה מדויקת בין התנהגות הקורות הוארכו כל הקורות בקצותיהן לאורך של 5.4 מטרים עם חיבור תקני על ידי ריתוך פלטות גיבוי.על כל הקורות נערכה בדיקת מעבדה אולטראסונית לגילוי עובי הדופן הקיים של פרופיל הפלדה במספר נקודות. הבדיקה בוצעה על ידי מעבדת גבי שואף.

2. בדיקת הקורות: דגימות של הקורות המיועדות לחיזוק נשלחו לבדיקת הרכבן הכימי והתכונות המכניות שלהם. על בסיס תוצאות הבדיקות האלה נקבע סוג הפלדה של הקורות והתבצעה הזמנה של קורות חדשות להשוואה בהתאם לתוכנית הניסוי.
3. חלוקת הקורות לקבוצות: בהתאם לתוכנית, נבדקו 8 קורות המחולקות לשלוש קבוצות: חדשות, פגועות ופגועות שחוזקו.
4. סימון ומיפוי הקורות: בכל הקורות הפגועות (המחוזקות והבלתי-מחוזקות) סומנו נקודות פגיעת הקורוזיה במרחק של 500 מילימטר ממרכז הקורה. בקורות המחוזקות בוצעו צילומים של הפגיעות לפני החיזוק וסומנו מקומות אחרי ביצוע החיזוק בצבע צהוב בולט. לפני תחילת הניסוי בוצע מיפוי עובי הדופן של הקורות על ידי קבלן מורשה, כולל הכנת תיעוד מיפוי עובי הדופן.

מתקן הניסוי להעמסה על קורות הפלדה וניטורן

מתקן הניסוי הוקם באחד ממתחמי חצר המפעל, במיקום שאִפשר מדידה ומעקב נוחים במהלך הניסוי. מתקן הניסוי עצמו יוצר על ידי קבלן קונסטרוקציה שפעל בשירות המפעל באתר סדום. המתקן כלל מסגרת עם מפתח קורה של חמישה מטרים, שבמרכזה בוכנה הידראולית שמפעילה עומס מלמעלה כלפי מטה. שיטת העמסה זאת מדמה את העומס שיופעל על האלמנט בעת שימוש בו, ולכן תוצאותיה נחשבות לאמינות.

שלב ב': חיזוק קורות הפלדה הפגועות

חיזוק קורות הפלדה הפגועות מקורוזיה בוצע לאורך כל הקורה. החיזוק התבצע באתר על ידי עובדי חברת בנין הארץ לפי מפרט יצרן הלוחות.

חומרי החיזוק

למינטים של פולימרים מחוזקים בפחמן סיקה קרבו-דור M914 בעובי 1.4 מ"מ הודבקו לקורות הפלדה באמצעות דבק אפוקסי דו-רכיבי מסוג סיקה-דור 31 S-02 SBA.

תהליך חיזוק קורות הפלדה

תהליך חיזוק קורות הפלדה הפגועות בוצע בשלבים הבאים:

1. ניקוי ראשוני והסרת חלקים רופפים. ניקוי מכני כולל שיוף במברשת פלדה עד להגעה לפלדה בריאה. הניקוי נעשה בכלים ייעודיים עם בדיקה רצופה לאיכות פני האלמנט. אחרי הניקוי בוצע סילוק חומר על ידי מפוח ייעודי.
2. בדיקות עובי דופן הקורות וסימון מקומות לשיקום או לחיזוק בהתאם להוראת מנהל הפרויקט, וחישוב אחוזי פגיעת הקורוזיה.
3. סימון מקומות לבדיקת עיבורים ושקיעות.
4. מילוי שקעים שנוצרו על ידי קורוזיה בחומר ייעודי.
5. חיתוך יריעות ולוחות פולימרים מחוזקים בפחמן (CFRP) בהתאם למידות האלמנטים המיועדים לחיזוק.
6. יישום חומרי הדבקה והדבקת הלוחות והיריעות עם הידוק ראשוני.
7. הידוק סופי והמתנה של 72 שעות לייבוש החומרים.

שלב ג': ניטור

על מנת לבחון את תפקוד הקורות בזמן ההעמסה, לווו כל בדיקות ההעמסה בניטור שהתבצע במקביל על ידי מספר חיישנים:

• מד עיבורים (סטריין גייג'): מד העיבורים מבוסס על העברת זרם חשמלי בין שני רכיבי החיישן, וזיהוי של כפיפות ומתיחות מזעריות על ידי ניטור השינויים שנגרמים לזרם החשמלי בעת ההעמסה על הרכיב.
• קראק מטר: חיישן המבוסס על סרט מדידה רגיש מאוד המתארך ומתכווץ בחזרה באמצעות קפיץ. חיישן זה מאפשר לזהות שקיעות לאורך הקורה, בדיוק של מאיות מילימטר.
• חיישן עומס – מתמר שקילה: מתמר שקילה הוא פלטה המחוברת לחיישן שמזהה כמה כוח מופעל עליו ומציג אותו כמשקל. חיישן זה מוקם בין הקורה ובין הבוכנה שהפעילה את ההעמסה.

הפרמטרים שנבדקו בעזרת החיישנים:

1. דפורמציה – שקיעות של הקורה כלפי הקרקע במרכז מפתח הקורה נמדדו כהפרש הגובה בין תחתית הקורה במצב ללא עומס ובמצבה תחת עומס בכל נקודת העמסה, ונרשמו כפונקציה של רמת ההעמסה בנקודת זמן נתונה. השקיעה נמדדה במילימטרים ברמת דיוק של מילימטר אחד, לפי נתוני יצרני ציוד המדידה.
2. עיבורים (עיוותים) – נמדדו בשני חתכים במרחק 200 מילימטרים בקורות הפגועות. נוסף על כך, לכל קורה פגועה נמדדו העיבורים בשתי נקודות עם פגיעת קורוזיה בתחום של 200 מילימטרים במרכז הקורה. בקורות החדשות, נמדדו העיבורים בחתך אחד במרכז הקורה, בשלוש נקודות בכל חתך. בכל שלב ושלב ההעמסה, בוצעה השוואה בין מדי העיבורים כדי לראות אם קיים שוני בין אזורים עם קורוזיה וללא קורוזיה. כמו כן, הותקן מד עיבורים אחד על נקודת חיזוק ה-CFRP על מנת להשוות את רמת העיבורים לזאת של הפלדה.

3. ניטור באמצעות טכנולוגיית פליטות אקוסטיות:

פליטה אקוסטית היא תופעה פיזיקלית של פליטת קול עקב דפורמציה (שינוי צורה, עיוות) או התפתחות שבר בחומר. הטכנולוגיה מבוססת על ניטור גלי מתח (Stress Waves) – גלי קול בתדרים הנמצאים מחוץ לטווח השמיעה האנושית – בין 1 קילו הרץ ל-20 קילו הרץ, הנוצרים בגוף שפועלים עליו כוח חיצוני, לחץ פנימי או שינוי טמפרטורה.

על ידי שימוש בחיישנים פיזואלקטריים, הממירים זעזועים מכניים לאותות חשמליים, ואנליזה מיוחדת של הגלים שנקלטו, טכנולוגיה זאת מאפשרת זיהוי ומיקום של האזורים הפגומים ברכיב הנבדק, וכמו כן מסייעת לאבחן את סוג הכשל, את קצב התעצמות הכשל, וכל שינוי בעומס, במאמץ (Stress) ובמצב התפעולי של הרכיב הנבדק.

ביצוע ניטור פליטות אקוסטיות

ניטור הפליטות האקוסטיות התבצע בצורה רציפה במהלך ההעמסות באמצעות חמישה חיישנים שהותקנו לאורך הקורה.

במקרים של ניטור הפליטות האקוסטיות של הקורות המחוזקות בלוחות הפחמן המחוזק CFRP התבצעה ההעמסה פעמיים – פעם אחת לעומס שירות מרבי, ובפעם השנייה עד לכשל. ההעמסה הראשונה נדרשה לצורך הרפיית/שחרור המאמצים בהדבקות יריעות הפחמן המחוזק.

מטרת בדיקת הפליטות האקוסטיות היא:

1. לזהות עומסים שבהם יתפתחו סדקים ופגמים אחרים.
2. לזהות עומס של אי-יציבות מבנית והתפתחות פגמים. בקורות עם קורוזיה שנמצאות תחת עומס, יכולים להתפתח פגמים כגון סדקים פנימיים עוד בטרם מובחנת דפורמציה פלסטית משמעותית.
3. בדיקת הדבקות CFRP, כולל זיהוי התפתחות הפרדות ושבר סיבים במהלך ההעמסה.
4. הערכת עומסי השירות הבטוחים לקורות עם פגמים ולקורות מחוזקות.

        4. בדיקה ויזואלית

מלבד הניטור באמצעים טכנולוגיים, נערכו גם בדיקות ויזואליות של הקורות, לפני ואחרי ההעמסה:

• בחינה ויזואלית של המראה החיצוני של הקורה.
• בחינה ויזואלית של אזורי החיזוק (בקורות שחוזקו).
• זיהוי שינויים חזותיים באזורים המחוזקים בשלב ההעמסה.
• הערכת פגיעות במידה שהן קיימות בחומר החיזוק (פתיחת רקעים, עיוותים).
• הערכת עיוות הקורה (פיתול וכו').
• בדיקת הקשה על יריעות החיזוק לזיהוי היפרדות במהלך ההעמסה ואחרי הניסוי.
• צילום וידיאו רציף של הניסוי, במיוחד בשלבים המתקדמים של ההעמסה.

בדיקת הקורות

בטרם בוצע הניסוי, ביצעה בנין הארץ חישוב תיאורטי הנדסי של חוזק הקורות החדשות, שצפה תזוזה של 24 מילימטרים בעומס שירות מרבי של 2.9 טונות, וגבול אלסטי של הקורה בעומס של 4.06 טון (FE).

עומס השירות הוא העומס המתוכנן על הקורות. לשם כך לוקחים בחשבון מקדמי הפחתה.

הגבול הפלסטי-אלסטי מסמן את הגבול האלסטי של קורת הפלדה. לקורת פלדה יש תחום אלסטי שבו אם יופעל עליה כוח, היא תחזור לאחר מכן לקדמותה. כאשר קורה יוצאת מתחום זה, היא הרוסה, וכבר לא תוכל להחזיק את העומסים המתוכננים עליה.

על בסיס מידע זה, בוצעה ההעמסה על הקורות בשלבים מדורגים של 40%, 60%, ו-80% מעומס השירות המרבי.

1. הוצבה קורה במתקן הניסוי.
2. חוברו סטופרים (מעצורים) בקצוות הקורה להגבלת תנועתה.
3. נמדדה השקיעה הראשונית (10 דקות לפחות אחרי שלב ההעמסה הראשון) במרכז הקורה. העמסה על ידי מרם המוצב במרכז המפתח ברמה של 40%, 60%, 70% ו-80% מהגבול האלסטי (שהתקבל במהלך הבדיקה של קורה ללא פגיעה).
4. במידה שהתקבלו עיבורים גבוהים מהגבול האלסטי בקורות עם קורוזיה, ובתנאי שהעומס הינו נמוך משמעותית (30%-20%) מזה של קורות חדשות, הורד העומס ב-20% על מנת לבדוק אם הקורה חוזרת לשקיעה שנרשמה בשלב הקודם ולבדוק שלא נוצרה דפורמציה פלסטית גלובלית בקורה. לאחר מכן חודשה ההעמסה עד כניעת הקורה.
5. בוצעה העמסה במרווחים של 10% ממאמץ הכניעה אחרי 80% מהגבול האלסטי עד לכניעה. ההעמסה הופסקה אחרי הגעת הקורה לנקודת הרס (כניעה בפועל).
6. בקורות המחוזקות ביריעות CFRP בוצעה ההעמסה פעמיים – פעם אחת לעומס השירות המרבי והשנייה לכשל.
7. בסיום הבדיקות, צולמה כל קורה ופורקה מהמתקן, ונשלחה לאחסון במקום המיועד לכך.

טבלה 1. הקורות שנבדקו

תוצאות, מסקנות והמלצות

בסיום הבדיקות הוכן דו"ח בדיקת הקורות. דו"ח הבדיקות כלל ניתוח תוצאות אנליזה, פליטות אקוסטיות ועמידות החיזוק לאורך הניסוי.

הדו"ח נכתב על ידי ד"ר בוריס מורבין, מומחה לאנליזת כשל חומרים.

הנתונים שהתקבלו מניטור העיבורים נותחו ונקבע כי:

1. בעומס שירות של 100%, כל שלוש הקורות המחוזקות הציגו רמות עיבורי מתיחה נמוכים בחלק התחתון של הקורה בהשוואה לקורות חדשות ולקורות שחוקות שלא עברו חיזוק. בה בעת, עיבורי הדחיסה בחלק העליון של הקורות היו דומים בכל הקורות שנבדקו.
2. בקורות 1–6 לא הובחן בעיבורים בלתי הפיכים בעומס שירות של 100%.
3. בקורה 7 נרשמה פליטה אקוסטית רבה בעומס שירות של 60%. כמו כן, נצפו עיבורים בלתי הפיכים בעומס שירות של 60%.
4. בקורה 8 הובחן בדפורמציה בלתי הפיכה בחלק העליון של הקורה (הבלתי מחוזק) אך עם זאת, רמות העיבורים בצד המחוזק היו נמוכות יותר והקורה הצליחה להמשיך לשאת בעומסים גבוהים יותר.
5. מהשוואת נתוני העיבורים שנמדדו בחלק התחתון של הקורות בעומס שירות של 100% עולה כי בכל הקורות השחוקות וגם באחת מהקורות החדשות נרשמה רמת עיבורים של יותר מ-1,250 מיקרו-סטריין. בקורות המחוזקות נרשמו רמות נמוכות מזו.
6. מהשוואת נתוני העיבורים בחלק התחתון של הקורות בעומס של 6 טון, עולה כי רמות העיבורים בכל הקורות החדשות היו גבוהות מ-1,250 מיקרו-סטריין. בקורות המחוזקות נרשמו רמות נמוכות מזו.

תוצאות ניטור פליטות אקוסטיות

מניתוח הנתונים שהתקבלו מניטור הפליטות האקוסטיות במהלך הניסוי נקבע כי:

1. פעילות אקוסטית שעשויה להעיד על התפתחות פגמים בקורות, הכוללת התפתחות עיוותים פלסטיים, נזק כתוצאה משחיקה, היסדקות במתכת ושברים בסיבי הפחמן, נרשמה בשלבי העמסה שונים (ראו תרשים).
2. המקור העיקרי של הפליטה האקוסטית בכל הקורות שנבדקו נמצא במרכז הקורה. נוסף על כך, הקורות הפגומות הראו התפזרות משמעותית של פליטות אקוסטיות לכל אורך האזורים השחוקים.
3. פעילות פליטות אקוסטיות המעידה על התפתחות נזק נרשמה ברמות עומס שונות בקורות השונות.
4. לא נצפתה היפרדות של לוחות הפחמן מן הפלדה (דה-למינציה) באף אחת משלוש הקורות שחוזקו, גם לא בעומסים שקרובים לכשל.

מסקנות: קורות פגועות שחוזקו על ידי CFRP תפקדו כקורות חדשות

בהתבסס על ניתוח תוצאות הניסוי, התקבלו המסקנות הבאות:

1. קורות פגועות מקורוזיה שלא חוזקו קרסו תחת עומסים נמוכים בהרבה בהשוואה לקורות חדשות.
2. קורות פגועות מקורוזיה שחוזקו ביריעות פחמן מחוזק (CFRP) הראו שיפור משמעותי ביכולות נשיאת ההעמסה, שאינן נופלות מיכולותיהן של קורות חדשות ובחלקן אף עולות עליהן. על בסיס התוצאות אפשר להניח שחיזוק החלק העליון של הקורות הפגועות (שלא בוצע במסגרת הניסוי) יוכל להגביר עוד יותר את יכולת הנשיאה שלהן.
3. לוחות הפחמן המחוזק לא הראו כל פגיעה משמעותית בעת העמסה של 100% FE ולא הראו כל אינדיקציה להיפרדות או לחוסר יציבות מבני אחר כפי שתועד תוך שימוש בטכנולוגיות פליטות אקוסטיות.

ניסוי עמידות שרף האפוקסי

בניסוי נפרד, נבדקה עמידות הדבקים – שרפי האפוקסי המשמשים להדבקת לוחות הפחמן ומהווים חלק מהחומר המרוכב. עמידות השרפים נבדקה במעבדות כי"ל על ידי חשיפתם של קופונים – לוחות פלדה – שצופו בשרף האפוקסי, בתא מלח, שבו ריכוז גבוה של מלחים באוויר, למשך אלף שעות, השוות ערך לחשיפה בתנאי האתר למשך מספר שנים.

השרף שנבדק

השרף האפוקסי שנבדק היה Sikadur 31 SBA S-02, המשמש להדבקת יריעות הפחמן.

החשש שלאורו בוצע הניסוי היה לאזורים שבהם אין חפיפה מלאה בין יריעות הפחמן, והחציצה היחידה בין התנאים האטמוספריים השוררים במפעלי ים המלח ובין הפלדה היא דבק האפוקסי.

כך, הוכנו קופוני פלדה עם ציפוי של שרף האפוקסי שבו נעשה שימוש לצורך הדבקת יריעות הפלדה באותו עובי – כשני מילימטרים. הציפוי בוצע על ידי חברת בנין הארץ.

יצירת הסביבה הכימית

מאחר שבמפעלי ים המלח הציוד נחשף לאשלגן כלורי יותר מאשר לנתרן כלורי, הוחלט להפעיל את תא המלח עם אשלגן כלורי.

הבדיקה בוצעה לפי תקן ASTM D 4541 בתא מלח. הבדיקה נמשכה אלף שעות, שבמהלכן בוצע מעקב אחר התקדמות מצב הקורוזיה אחרי 250, 500 ו-750 שעות. קביעת מצב הקורוזיה הסופי (לאחר ניקוי) נערכה אחרי אלף שעות חשיפה.

כמו כן נערכו בדיקות אדהזיה לפי תקן ASTM D 4541.

בוצעה הדבקת דולים בקוטר 20 מילימטרים לציפוי העליון – הודבקו שלושה דולים לכל מערכת צבע. נעשה שימוש בדבק מסוג אפוקסי דו-רכיבי של חברת 3M מסוג DP 460.

לאחר 48 שעות ייבוש, בוצ קידוח כוס ותלישת הדולים בעזרת המכשיר.

טבלה 1: ממוצע עובי הדגמים וסטיית התקן לפני ואחרי חשיפה לאלף שעות בתא מלח
טבלה 2: תוצאות בדיקת אדהזיה לדגמי בלנק

מסקנות והמלצות

לא נראה שינוי בפני השטח של דבק האפוקסי, לא הובחן בסדקים, בבועיות או בהתרוממות של הדבק ממצע הפלדה.

אדהזיית שרף האפוקסי למצע הפלדה גבוהה: MPa 10-15.

מומלץ לחשוף את קופוני הפלדה עם ציפוי Sikadur 31 SBA S-02 בשטח מפעלי ים המלח.

סיכום

השימוש בטכנולוגיית יריעות פחמן מחוזק (CFRP) לחיזוק קורות פלדה פגועות מקורוזיה נבדק בניסוי מבוקר ונמצא יעיל ביותר.

הקורות המחוזקות התגלו כחזקות לא פחות מקורות פלדה חדשות והטכנולוגיה הוכחה כמתאימה לשיקום רכיבים מבניים גם בתנאי מזג אוויר קיצוני כמו אלו השוררים באזור ים המלח. כמו כן, שרף האפוקסי שבו משתמשים להדבקת רצועות הפחמן התגלה כמתאים לשימוש ועמיד גם הוא בתנאי האקלים באזור.

לאור היתרונות הנוספים של טכנולוגיה זאת כשיטת שיקום – עוביין הדק של היריעות והשינוע הפשוט שלהן, והיכולת ליישם אותן על פני הרכיבים המותקנים ללא צורך בעבודות ריתוך כלשהן או בהחלפת הקורות בשלמותן תוך הקמת פיגומי תמיכה מגבילים – אפשר לומר כי פתרון זה מהווה כלי שיקומי חדש ויעיל לקורות פלדה במפעלים, שמאפשר חיסכון משמעותי בהוצאות הישירות והעקיפות של מבצע שיקום כזה ומספק תוצאות עמידות ביותר.

הפוסט ניסוי: שיקום קונסטרוקציית פלדה על ידי יריעות פחמן (CFRP) במפעלי כי"ל ים המלח הופיע לראשונה ב-מגזין בניין הארץ.

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:

1. 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.
2. צוואר מגדל המים – בחלק הצר, באמצע המגדל, אשר מחבר בין הקונוס העליון ובין הקונוס התחתון, התגלה כי הברזל שמחבר בין שני החלקים אינו מספיק.
3. 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:

1. 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.
2. 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".

הפוסט שיקום מגדל מים וחיזוקו מפני רעידות אדמה – קריית נורדאו, נתניה הופיע לראשונה ב-מגזין בניין הארץ.

מהנדסי קונסטרוקציה: דוד מהנדסים

מהנדסי שימור: שפר רונן מהנדסים

מהנדס תלייה מטעם הקבלן: מהנדס ברוך ירמולינסקי מחברת ברוך ירמולינסקי מהנדסי מבנים; ד"ר בוריס פיקס מחברת ב.פ. ניטור מבנים כבישים ותשתיות.

אדריכל השימור: אורי פדן

ביצוע:

קבלן מבצע: אשטרום ירושלים

מנהל הפרויקט מטעם אשטרום: עופר ענבר

הלקוח: קבוצת JTLV בשיתוף קבוצת ב.ס.ר.

מנהל הפרויקט מטעם ב.ס.ר: שמעון טרלצקי

ביצוע תלייה וניטור: בנין הארץ

מנהל הפרויקט מטעם בנין הארץ: שרון אלבז

טכנולוגיות הנדסיות: קונסטרוקציות פלדה, יציקות בטון, הזרקות סיד הידראולי, ג'קטינג לחיזוק הפתחים, מערכת הרמה הידראולית ממוחשבת, חיישנים וכלי ניטור מתקדמים

תאריך ביצוע: 2021

משך הפרויקט: כשנה (עבודות החיזוק, הניתוק וההרמה)

רחוב יפו 115 ירושלים, גוש 30076 חלקה 190

תלייה והרמה של מבנה לשימור – תקציר:

מבנה גן הילדים במתחם ישיבת "עץ החיים" בירושלים הוא בניין בן שתי קומות בעל ערך היסטורי, שנבחר לשימור במסגרת פרויקט פיתוח גדול במתחם. כחלק מאותו פרויקט פיתוח, תוכננו מתחת לבניין הישן שבע קומות של חניון תת-קרקעי. כדי לבצע את החפירות מתחת לבניין, מבלי לפגוע בו, התעורר צורך "לתלות" את הבניין, כלומר לנתק אותו מהקרקע, ולייצב אותו זמנית באוויר על גבי קונסטרוקציית פלדה וכלונסאות חדשים, שנמצאים מחוץ להיקף הבניין.

נוסף על כך, היות שהמבנה נמצא במפלס נמוך ממפלס הרחוב, היה צורך להעלות את המבנה כולו ב-50 ס"מ, באמצעות מערכת הידראולית מיוחדת בהתאם לצורכי תכנון הפרויקט המלא.

המבנה עצמו נבנה מאבנים, טיט וברזל בשיטת בנייה עות'מאנית האופיינית לתקופה של לפני יותר מ-100 שנה, ולא חוזק בבטון או בפלדה. בבדיקה שנערכה הוא נמצא כבלתי תקין הנדסית בסטנדרטים המקובלים, ודרש חיזוק ושימור בטרם יבוצעו תוכניות אחרות.

ביצוע הפרויקט, הגדול מסוגו בישראל עד כה, היה כרוך בתכן מקצועי המבוסס על יישום טכנולוגיות מתקדמות בשילוב עם אמצעי ניטור מתקדמים למעקב רציף אחר מצבו של הבניין במהלך תלייתו והרמתו, ובביצוע קפדני של צוות של מהנדסים ואנשי מקצוע מהשורה הראשונה.

חברת בנין הארץ נבחרה כדי לתכנן ולבצע את הרמת הבניין על ידי תכנון ובניית מערכת בוכנות הידראוליות והרמת הבניין תוך ניטור מלא ורציף של מצב הבניין ותפקוד הבוכנות ההידראוליות.

במסמך זה נסקור את הפרויקט המורכב של תליית והרמת המבנה בשלמותו, נציג את האתגרים ההנדסיים והביצועיים שהיו כרוכים בחיזוק המבנה, בהרמתו ובתלייתו, נראה שרטוטים שונים מתוך התוכנית ונצרף כמה מהחישובים הסטטיים שבוצעו לצורך הפרויקט.

[א] רקע – פרויקט בסר מחנה יהודה

במתחם שבו פעלה ישיבת עץ החיים בירושלים, המשתרע על פני 6.2 דונם בסמוך לשוק מחנה יהודה, אושרה תוכנית פיתוח מקיפה, כחלק מהתוכנית לפיתוח לב העיר ירושלים וחיזוק אזור השוק. לפי התוכנית, יוקמו במקום שני מגדלי מגורים בני 30 קומות כל אחד, בית מלון, מרכז מסחרי, ספרייה ציבורית ומרכז ספורט תת-קרקעי, וכמו כן שבע קומות של חניון תת-קרקעי.

בשל הרצון לשמר את אתרי המסורת ההיסטוריים של העיר, הוחלט לשמר ולחדש מספר מבנים במתחם, ביניהם מבנה גן הילדים.

[ב] האתגר: חפירה מתחת מבנה לשימור – גן הילדים

המבנה שנבחר לשימור שימש גן הילדים העברי השני בירושלים. זהו מבנה אבן בן שתי קומות ובמשקל 4,000 טון שנבנה בשנת 1890.

המבנה בנוי כולו מאבן והוא נבנה בשיטות בנייה מסורתיות האופייניות לתקופה העות'מאנית. בקומת הקרקע במבנה קיימת תקרה מקמרונות צולבים ובקומה השנייה תקרה עשויה קורות ברזל (רלסים) וביניהן מילוי קמרונות אבני גוויל. הקירות הרחבים, כ-120 ס"מ, בנויים מאבן משני צדדיהם וממולאים באבנים קטנות, בעפר ובמלט. המבנה נבנה על הקרקע (סלעית) ללא ביסוס בטוני.

כיוון שתחת הבניין תוכננו שבע קומות חניה, התעורר צורך לחפור מתחתיו. אחד הפתרונות האפשריים הוא לפרק את המבנה ולבנותו מחדש במיקום אחר. אולם, על מנת שלא לפגוע במבנה העדין, הוחלט לשמרו במקומו, וכדי לאפשר את החפירה תחתיו, לבצע "תלייה" של הבניין בשלמותו באוויר על יסוד זמני של כלונסאות קונסטרוקציית פלדה, מה שיאפשר לחפור את שבע קומות החניונים התת קרקעיים מתחתיו.

נוסף על כך, המבנה נבנה בגובה נמוך ב-50 ס"מ מגובה הקרקע של המתחם הסובב אותו. משום כך, עלה הצורך להרים את כל הבניין בכ-50 ס"מ על מנת ליישרו עם מפלס הפרויקט בהתאם לצורך התכנוני של המתחם החדש.

אתגר נוסף שהתגלה הוא מצבו ההנדסי של המבנה. בניתוח הנדסי של מצב הבניין, הוא נמצא כבלתי-תקין הנדסית באופן אובייקטיבי, ללא קשר לתוכניות האחרות לגביו. את הליקויים והמפגעים שספג הבניין היה צורך לתקן בדחיפות, כדי לא לעכב את העבודות ההנדסיות של הרמת ותליית הבניין.

אפשר לומר כי הפרויקט העמיד בפני המבצעים אתגר מרובע:

1. חיזוק: שימור וחיזוק הבניין הבלתי-תקני כדי שיעמוד בעומסי ההרמה והתלייה.
2. כליאה והרמה: כליאת המבנה בקונסטרוקציית פלדה והעלאתו ב-50 ס"מ לקו האפס של המתחם על ידי בוכנות הידראוליות.
3. תלייה: תליית המבנה בגובה של 22 מ' על יסודות זמניים, לצורך חפירת קומות החניון תחתיו.
4. ניטור רציף: על מנת לבצע את האמור לעיל בהצלחה היה צורך גם בניטור מדויק ורציף של מצב הבניין ושל תפקוד הבוכנות ההידראוליות, על מנת לתת מענה מיידי בשטח לכל סימן שעשוי להעיד על פגיעה אפשרית בשלמות המבנה.

אין זו הפעם הראשונה בישראל שמרימים או תולים מבנה לשימור, אך זוהי הפעם הראשונה שבה מבנה אבן כה גדול וכבד הורם לגובה כה רב.

[ג] ביצוע הפתרונות הנבחרים:

שלב א' – שימור וחיזוק המבנה

כאמור לעיל, היות שתחזוק הבניין הוזנח במשך שנים רבות, מה שיצר פגמים הנדסיים במבנה, היה צורך בביצוע עבודת הכנה לקראת התלייה וההרמה, כדי לאפשר את הרמת המבנה בשלמותו ומבלי שייסדק או יתפורר בנקודות החולשה שלו. עבודות החיזוק כללו:

1. טיפול בסדקים בחזיתות הבניין.
2. השלמת אבנים חסרות בקירות.
3. חיזוק אבנים רופפות.
4. טיפול בסדקים בקירות ובקמרונות בקומת הקרקע.
5. טיפול בתקרת קורות הפלדה שבקומה א'.
6. שיקום גג העץ, חיזוק והחלפת הרכיבים הרקובים והפגומים.

כמו כן עלה צורך בביצוע עבודות הכנה שלא קשורות ישירות לשימור המבנה, כגון פינוי הריצוף ולוחות השיש בקירות, פינוי חפצים שונים ופסולת מהבניין, וביצוע חפירות גישוש במטרה למדוד את עומק הסלע שעליו נבנה הבניין.

חיזוק הפתחים – חלונות ודלתות

לצורך חיזוק הפתחים נעשה שימוש בטכנולוגיית "ג'ט גראוטינג": הרכבת רשתות זיון בשני צדדיו של קיר בלוקים קיים, קידוח והחדרה של מוטות קשירה בקיר, וביצוע התזת בטון בעובי 7 ס"מ מכל צד. עם זאת, לא את כל הפתחים במבנה אפשר היה לסגור, זאת על מנת לאפשר מעבר חופשי לצורך ביצוע העבודות.

תמיכה בגמלונים

גמלון הוא אלמנט אדריכלי בצורת משולש שווה-שוקיים בחזית של מבנה, שנועד בעיקר למטרות עיצוביות. במבנה גן הילדים, חוברו הגמלונים באמצעות קורות עץ בלבד, ועל מנת לחזקם הורכבו קורות קשר מפלדה לאורך הגמלונים, שחוברו לקירות בעזרת הזרקות סיד הידראולי.

שלבים ב' וג': – העלאת המבנה ותלייתו

הפתרון הנבחר להעלאת המבנה ולתלייתו הוא כליאת המבנה בקונסטרוקציית פלדה, ביסוסו על כלונסאות והרמתו על בוכנות הידראוליות.

1. קונסטרוקציית פלדה

קונסטרוקציית הפלדה אשר "כלאה" את המבנה הורכבה במקום מאגדים של פלדה – אלמנטים כבדים מפלדה אשר מיוצרים במפעל המתמחה בפלדה ומועברים בחלקים לאתר להרכבה סופית. גובה רכיבי האגד – 3.70 מטר בהיקפם ו-11 מטר באורכם – דרש הסדרי תנועה מיוחדים ביום הובלתם לאתר.

2. ביסוס כלונסאות

בהיעדר ביסוס למבנה, ובהינתן הקרקע הסלעית בבסיס המבנה, הפתרון שנבחר לביסוס הבניין לצורך הרמתו ותלייתו היה קידוח ויציקת כלונסאות מיקרופייל, אשר מאפשרים את העברת העומסים מהמבנה לקרקע באמצעות חיכוך בין מעטפת הכלונס לקרקע ובאמצעות לחץ תחתית הכלונס על האדמה.

כלונסאות המיקרופייל נוצקו במבנים של "גרעיני כלונסאות" – בסידור של ארבעה כלונסאות שעליהם נוצקו פלטות בטון, שעליהן הוצבו בוכנות ההרמה.

לביסוס סמך אגדי הפלדה להרמה ולתלייה של הבניין, בוצעו עשרה גרעיני כלונסאות בעומק של 30 מ'. כל גרעין הורכב מארבעה כלונסאות מיקרופייל בקוטר 60 ס"מ ומפלטת יסוד בקוטר של 300/300 ס"מ שנוצקה מעליהם. בפלטות היסוד נעשה שימוש כמשטח להרכבת הבוכנות להרמת הבניין.

3. הרמת קונסטרוקציית הפלדה

ההרמה התבצעה בשיטה של חמישה אגדים מפלדה, שכל אחד מהם ניצב על שתי בוכנות, התומכים בקונסטרוקציית פלדה שאפשרה את כליאתו של המבנה ואת העברת העומסים לביסוס החדש.

4. הרכבת האגדים והקורות

לצורך ביצוע הרכבת האגדים, נחפרה סביב הבניין תעלה בעומק כ-150 ס"מ, ובוצעו תושבות בצורת מזלג להתקנת האגדים הפנימיים. לאחר מכן, נגררו האגדים לתוך התושבות באמצעות מנוף, ונקשרו ביניהם באמצעות קורות קשר.

5. מערכת קורות פלדה לתמיכת הקירות

אחרי הרכבת האגדים וקורות הקשר מתחת לבניין, הורכבה מערכת קורות נפרדת לתמיכת הקירות החיצוניים והפנימיים של הבניין. מערכת קורות התמיכה נבנתה במנותק ממערכת האגדים, כך שמדובר למעשה בשתי קונסטרוקציות נפרדות. קורות הקשר חוברו אל הקירות במתודה של חיכוך לכל אורך המגע בין הקורות לקיר, על ידי הזרקת סיד הידראולי NHL 7.5.

6. ניתוק הבניין הקיים מהיסודות

אחרי ביצוע עבודות ההכנה, הרכבת וחיבור האגדים, הקורות וקורות הקשר, ולאחר אישור ביצוע על ידי המהנדס המתכנן, בוצע ניתוק של קירות הבניין מהיסודות הקיימים והעברת העומס על המערכת הקונסטרוקטיביסטית החדשה. כדי להעביר את העומס למערכת החדשה, בוצע בקירות הפנימיים והחיצוניים סיתות חורים עדין, ובתוך החורים הושחלו קורות פלדה. ברווחים שנותרו בין קורות הפלדה לבין הדפנות שנחצבו הוזרק סיד הידראולי NHL 7.5 למילוי הרווחים. הצורך בחיזוק בעזרת קורות פלדה שהושחלו לרוחב כל הקיר נבע מכך שחומר הקירות הוא חומר רך ופריך – וכדי להרים קיר מסוג זה יש צורך במתן תמיכות לכל רוחב הקיר, ולא בעזרת תמיכה נקודתית, שלא הייתה מספקת את התמיכה הנדרשת לקיר, בשל תסבולת נמוכה של מאמץ מגע של חומר הקיר – אשר עשוי להתפורר בתגובה למאמצים שמופעלים עליו. למעשה, קירות אבן שנבנו באופן זה אינם יודעים כלל להתמודד עם מומנטים. לכן היה צורך בייצור ערסול לקיר והרמה עם פני שטח רחבים מלמטה.

כדי לבצע את הניתוק עצמו, ולנטר את התקדמותו, נעשה שימוש בשילוב של מספר אלמנטים, בתהליך הדרגתי ומבוקר.

חיישני LVDT – Linear Variable Differential Transformer – הפועלים על בסיס מגנטיות ופלט דיגיטלי, שהורכבו על אגדי הפלדה, בשני קצותיהם ובמרכזם. חיישנים אלה סיפקו משוב באשר לתזוזת הבניין.

סטריין גג'ים – (Strain Gauge) חיישנים לזיהוי מתיחת האגדים.

בדיקה פיזית-ויזואלית – עם התקדמות מאמצי הבוכנות, בדיקה ויזואלית אפשרה לראות את הסדיקה במישור החיבור של המבנה לסלע, עד לניתוק מלא.

מדד נוסף להתקדמות הניתוק היה נתונים ממדדי לחץ הבוכנות. כל עוד הלחץ בבוכנות ממשיך לעלות, פירוש הדבר כי ההתנגדות משתנה, עד לנקודה שבה התייצב הלחץ על הבוכנות והפסיק לעלות.

כמו כן, נקבעה נקודת מדידה קבועה מחוץ למגרש על ידי מודד חיצוני, ולפיה נעשו בדיקות שקיעות האגדים.

עוד על מערכת הניטור המשולבת, בהמשך.

7. מערכת בוכנות ממוחשבת להרמת הבניין

לצורך הרמת הבניין הישן, תכננה חברת בנין הארץ מערכת בוכנות ייחודית שנבנתה במיוחד לצורכי הפרויקט, לצד מערכות ניטור מתקדמות, שיכולה לתת מענה להבדלים בין העומסים השונים והבלתי צפויים במקומות שונים במבנה, תוך שמירה על רמת דיוק גבוהה בין הבוכנות, רמת דיוק של עשירית המילימטר.

על רקע הצורך בדיוק גבוה מאוד בין הבוכנות, והשאיפה למנוע כל אפשרות להיווצרות של פערים בין הבוכנות, הותקנו שתי מערכות שונות הפועלות על עקרונות פעולה שונים – האחת הידראולית והשנייה מכנית.

המערכת ההידראולית היא זאת שביצעה את ההרמה, והמערכת המכנית של בורג שהסתובב על ידי מנוע, שימשה מנגנון אל-חוזר.

בוכנות הידראוליות

בוכנה הידראולית היא התקן שמשתמש בלחץ של נוזל על מנת לדחוף גליל שמבצע עבודה מכנית שדורשת כוח רב. בוכנות הידראוליות משמשות למספר תחומים בהנדסה אזרחית, כמו למשל בעת בניית גשרים ושיפוצם, כדי להרים גשרים ולהחליף להם את הסמכים או כדי לשפר עמידות של מתקנים לרעידות אדמה.

חמישה זוגות של בוכנות הותקנו מתחת לקונסטרוקציית הפלדה, שכל אחת מהן מסוגלת לשאת משקל של עד 600 טון ולהרימו לגובה של עד 600 מ"מ. הבוכנות מבוקרות ומנוהלות על ידי מחשב ייעודי – בקר – שמנהל את ההרמה לפי הגדרות תנאי הסף (Threshold) שנקבעו מראש על ידי המבצעים והמתכננים. תחת הגדרות אלה, המבוססות על מדדים כגון מהירות ההעלאה, גובה ההעלאה והלחצים בבוכנות, המערכת יודעת לעצור לבד את ההרמה כאשר מתגלית חריגה בערכי הסף שנקבעו.

8. שדרוג מערכת התליה וחיזוקה

לאחר שהונח המבנה במצב סטטי על קוביות פלדה בגובה של חצי מטר, הושלם למעשה חלקה של חברת בניין הארץ בפרויקט. בהמשך העבודות, על מנת לאפשר את חפירת החניון מתחת למבנה, נדרש שדרוג מערכת תליית המבנה וחיזוקה. זאת משום שככל שמעמיקים לחפור, חושפים את מצע הקרקע שבו היו עמודי הכלונס, והם הופכים להיות חופשיים, ללא חיכוך של אדמה שיאפשר להם להחזיק את העומס.  

הדבר נעשה באמצעות קונסטרוקציית קורות פלדה אנכית שחוברה לכלונסאות וחוזקה על ידי יציקת בטון, בעומק של כעשרה מטרים מתחת למבנה (בוצע על ידי אחרים). 

שלב ד' – אתגר הניטור

על מנת לקבל ניטור מדויק ודינמי הן של מצב המבנה עצמו והן של תהליך ההרמה, שיאפשר למנהלי הפרויקט לקבל החלטות ולטפל באלמנטים שונים בבניין בהתאם לתגובת הבניין למאמצי ההרמה, בזמן אמת ובאופן רציף, נפרשו כ-200 חיישנים מחמישה סוגים שונים לאורך ולרוחב המבנה וקונסטרוקציית הפלדה, אשר שידרו תמונת מצב עדכנית ומדויקת היישר אל חדר הבקרה, משם נוהלה הפעלת הבוכנות.

שימוש בקורות ייחוס

מכשירי מדידה מיוחדים הותקנו על קורות ייחוס סמוכות לבוכנות, וסיפקו נתונים לגבי תנועת הקורות הן כלפי מעלה והן כלפי מטה, על מנת לוודא שאין כל שגיאה באופן שבו הבוכנות עולות. ניטור מערכת הבוכנות כלל כמו כן את ניטור הלחצים בתוך הבוכנות.

מערכת הניטור הורכבה מחמישה סוגי חיישנים:

• חיישנים מסוג Tiltmeter (טילטמטר) – חיישני זווית לבדיקת נטיית המבנה. טילטמטר הוא חיישן זווית רגיש שנועד למדוד שינויים מזעריים ממפלס אנכי, על פני הקרקע או על מבנים, על מנת למדוד שאין נטייה של הקורות ממצב מאוזן.
• חיישנים לרעידות (Vibrations monitors) – חיישנים רגישים מאוד המודדים תנודות ומאפשרים להעריך את מידת ההשפעה שיהיו לתנודות אלה על המבנה, בזמן אמת.
• ניטור מדי עיבורים (Strain Gauge) (סטריין גג'ים) – שיטה המאפשרת זיהוי דפורמציות בעמודים ובקירות בטון, וזיהוי כשלים במבנה. בשיטה זאת, מדביקים פרופיל פלדה לעמודי הבטון, ועליו מדביקים חיישנים, המאפשרים מדידה והערכה של עיבורים (עיוותים) המתהווים בקורות. חיישנים אלה מיועדים למדוד את המתיחה של הקורות, ומאפשרים לדעת מהו המתח שבו נמצאות הקורות וכמה כוח מופעל עליהן.
• ניטור התפתחות סדקים באמצעות LVDT – מתמרי מרחק מסוג Linear Variable Differential Transformer הפועלים על בסיס מגנטיות ופלט דיגיטלי, ואינם מושפעים משינויים תרמיים. החיישנים מאפשרים לעקוב אחר שינויים מזעריים בהתרחבות סדקים. בחיישנים אלה נעשה שימוש לבדיקת כפף הקורות ולבדיקה שאין שקיעה בכלונסאות.
• חיישנים מסוג Crackmeter (קראקמטר) – משמשים לניטור תנודות בנקודות חיבור ובסדקים. בחיישנים אלה נעשה שימוש לבדיקת עליית הקורות בעת העלאת הבניין, ולווידוא שנקודות רגישות מבחינה הנדסית אינן קורסות תחת הלחץ.

מהלך הניתוק וההרמה ארך כשמונה ימי עבודה. בחלקו הראשון – ניתוק איטי ומדורג של המבנה בקצב של כ-1–1.5 מ"מ בשעה עם הפסקות לבדיקות והמתנה לתגובת המבנה, עד לגובה של 30–40 מ"מ, עד שקונסטרוקציית הפלדה שכלאה את הבניין נמתחה והתנתקה מהקרקע.

בשלב השני המשיכה העלאת הבוכנות בקצב של כ-15–20 מ"מ ביום, כאשר בפועל נדרש הצוות לעצור מדי פעם את פעולת הבוכנות ולטפל באלמנטים שונים על מנת לוודא שההעלאה מתקדמת באופן יציב ומאוזן שאינו גורם להלם בלתי-הפיך במבנה.

באופן זה הועלה הבניין לגובה 53 ס"מ, כשבגובה זה הוכנסו תחת הבניין קוביות פלדה המשמשות תמכים זמניים, ואז הורד בחזרה ב-3 ס"מ לגובה 0, שלאחריו נוצקה רצפת הבטון.

אחרי הרמת הבניין, נוצקה רצפת בטון בעובי 18 ס"מ במישור קורות היסוד. תפקיד הרצפה הוא לשמש בסיס קשה ואופקי להעברת העומסים מקירות הבניין ליסודות הזמניים, על מנת למנוע את קריסת הקירות. לחיזוק הרצפה, הועברו מוטות זיון מפלדה דרך הקורות, לקשירת הרצפה התלויה בשני צידי הקירות הקיימים.

סיכום: "פרויקט רב מימדי של הנדסת בניין עם דיוק של הנדסת מכונות"

פרויקט ההעלאה והתלייה של מבנה גן הילדים לשימור במתחם עץ החיים בירושלים היה מבצע הנדסי לא פשוט, שביצועו היה כרוך בתכן מקצועי המשלב בין טכנולוגיות בנייה מסורתיות וחדשניות, ובביצוע קפדני על ידי מהנדסים ואנשי מקצוע אחרים מהשורה הראשונה. תליית הבניין הושלמה ב-2021 בהתאם לתוכניות, ופיתוח הפרויקט מתקדם וצפוי להגיע לסיומו ב-2024.

"לחברת בנין הארץ יש היסטוריה של יכולת להתמודד גם עם אתגרים טכנולוגיים וגם עם אתגרים הנדסיים. הם לא חוסכים בשום ציוד, בשום חומר, ומגיעים בסוף לתוצאות מדהימות", סיכם שחר רפאל, מהנדס ראשי בדוד מהנדסים.

"העבודה נעשתה בצורה מאוד מקצועית, מאוד יסודית. בנין הארץ תקפו את האתגרים מכל הכיוונים, גם מבחינת הניטור, גם מבחינת הביצוע עצמו", אמר אבי ברדח, מחברת ההנדסה האזרחית והתשתיות ירון שמעוני שחם שהוזמן להתרשם מהפרויקט.

ידידיה לרמן, מנהל הפרויקט מטעם חברת בנין הארץ, סיכם: "זהו פרויקט דגל, פרויקט ראשון מסוגו בארץ, ויוצא דופן במורכבותו, שהתיאור הכי קרוב להמחשתו הוא ביצוע משימה של הרמת ארמון חול באוויר בלי שיתפרק. האתגרים בפרויקט היו רב מערכתיים: בהנדסה אזרחית, בהנדסת מכונות, ואף בהנדסת אלקטרוניקה ובקרה. בנינו צוות שיודע להתמודד עם האתגר ולעבור את הקשיים והשינויים במהלך הפרויקט, מה שהביא את הפרויקט לידי סיום בהצלחה רבה".

נספח – קובץ חישובים סטטיים

במהלך הפרויקט נערך חישוב סטטי סופי, ממוחשב. בקובץ החישובים המצורף תוכלו לראות את החישובים הסטטיים עבור פתרון התלייה באמצעות אגדים. כמו כן נעשו חישובים של שאר האלמנטים של המערכת הקונסטרוקטיביסטית, הקורות הראשיות ואחרות.

קרדיטים:

יזם: ב.ס.ר

קבלן ראשי: אשטרום ירושלים

קונסטרוקטור: דוד מהנדסים

מהנדס השימור: אינג' עופר כהן

אדריכל השימור: אורי פדן

מהנדסי התלייה: ברוך ירמולינסקי, ד"ר בוריס פיקס, ב.פ ניטור מבנים כבישים ותשתיות

קבלן תלייה והרמה: בנין הארץ

מערכת הניטור בשיתוף סקאן אין

הפוסט תלייה והרמה של מבנה לשימור: מתחם עץ החיים, ירושלים הופיע לראשונה ב-מגזין בניין הארץ.

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.

הפוסט חיזוק בריכת "מאור מודיעין" באמצעות דריכת רצועות פחמן POST TENSIONING CFRP PLATES הופיע לראשונה ב-מגזין בניין הארץ.

מגמה שהולכת ומתחזקת בתחום הקמעונאות היא לאפשר במקביל לרכישות בחנויות, גם רכישה מקוונת – E-commerce (מסחר אלקטרוני). משבר הקורונה, המלווה אותנו מתחילת שנת 2020, האיץ את המגמה משמעותית והעלה את מספר הרכישות המקוונות בעשרות אחוזים. כך, למשל, מחקר עדכני של חברת אדובי (Adobe) מראה כי ההוצאות בתחום הרכישות המקוונות הגיעו בחודש מאי 2020 להיקף של 82.5 מיליארד דולר, עלייה של 77% לעומת השנה שעברה. המעבר למסחר אלקטרוני צפוי לגדול ב-15.5% נוספים עד לשנת 2022, ולכן הוא מצריך חברות ועסקים להסתגל לדרכים חדשות של ניהול לוגיסטי, ובעיקר: לחשוב מחדש על הדרך שבה הן מאחסנות ומפיצות מוצרים.

רשת שופרסל, האחראית על כ-75% מרכישות ה-online בתחום הקמעונאות בישראל, נחשבת למובילת שוק בכל הנוגע למסחר מקוון בישראל. במסגרת ההיערכות לעידן המסחר המקוון, נדרשה הרשת לבצע התאמות ולהקים מרכזי הפצה ייעודיים המסוגלים לעמוד בדרישות הגוברות והולכות של השוק.

במסגרת התאמות אלה החליטה רשת שופרסל להסב את אחד המרלו"גים (מרכז לוגיסטי) העומדים לרשותה למרכז הפצה אוטומטי, מה שחייב לבצע התאמות במבנה, לרבות ביצוע חיזוקים נדרשים.

במסמך זה נסקור את הפרויקט, האתגרים שנלוו לו, החלופות שנבחנו במסגרתו, ולבסוף נציג את תהליך היישום שבוצע בפועל באמצעות יריעות סיבי פחמן.

המיזם בוצע בחודש אוגוסט שנת 2019 ומשכו עמד על כשלושה שבועות.

הפרויקט: הקמת מרכז הפצה חכם בקדימה-צורן

בשנים האחרונות חוותה רשת שופרסל זינוק משמעותי בהיקף הרכישות המקוונות של לקוחותיה: היקף המכירות השנתי של הרשת עומד כיום על כ-2 מיליארד ₪ בשנה, לעומת 300 מיליון ₪ בלבד בשנת 2015. כרשת קמעונאית המספקת מוצרי מזון ומוצרי צריכה ביתיים בהיקפים עצומים, נדרשה שופרסל להיערך לכך מבחינה לוגיסטית, ובכלל כך החליטה על הקמה מהירה של מרכז הפצה חכם, המסוגל לעמוד בעומסים ובהיקפי הרכישה הגדולים של לקוחותיה. לצורך כך החליטה הרשת על הסבת מבנה מרלו"ג הממוקם בקדימה-צורן למרכז הפצה חכם.

מטרת מרכז ההפצה החכם היא לייעל את שרשרת האספקה. אם בעבר הרכישות המקוונות של לקוחות היו מועברות לסניפים פיזיים של שופרסל, מלוקטות ונארזות בכל סניף ומשם נשלחות לצרכנים, מרכז ההפצה החכם מבצע את ליקוט המוצרים, אריזתם ומשלוחם כבר במרכז הפצה ולא בסניפים.

כדי לאפשר את היעילות הזו נדרשו אחסנה של כמות גדולה ומגוונת מאוד של מוצרים וכן תהליך אוטומטי, יעיל ומתוחכם לליקוט הסחורה לפי הזמנת הלקוח, המתבצעת ONLINE. תהליך זה כולל, בין השאר, הצבת מכונות ליקוט ואריזה כבדות במיוחד, וכן ניצול מקסימלי של נפח המרכז הלוגיסטי. בשל אופי המבנה הקיים, בהשוואה לאופי החדש ולציוד הנדרש לתפעולו, הפך הפרויקט לאתגר מורכב בהיבט ההנדסי.

המטרה: הכפלת העומסים המתוכננים על תקרות המבנה

מבנה המרלו"ג בקדימה-צורן מתפרשׂ על שטח של 5,500 מ"ר, ומכיל בנוסף 2 גלריות בשטח של כ-1,000 מ"ר כל אחת. תקרות הגלריות נבנו באמצעות לוחות טרומיים דרוכים (לוח"דים) בעלי עומס שירות מרבי של 250 ק"ג למ"ר, המותאם לתפקידו הראשוני של המבנה, שהכיל בעיקר משרדים.

עומס השירות שתוכנן למרכז ההפצה החכם גדול משמעותית מן העומסים הקיימים, והרצפות צפויות לאחסן מקררים כבדים ומכונות אוטומטיות לליקוט סחורה, שמשקלן רב מאוד. נוסף על כך, בגלריות נעשה שימוש בכל גובה החלל לאחסון, עובדה שמוסיפה עומסים נוספים על הרצפה וכן מצריכה חיזוק באופן שאינו פוגע בגובה חללי האחסון.

עומס השימושים הנדרש לצורך פעילות המערכת אוטומטית עמד על יותר מ-500 ק"ג למ"ר, לפחות כפול מן העומס המקורי. כך, התאמת המבנה לעומסים החדשים דרשה ביצוע חיזוקים משמעותיים ללוח"דים, לקורות המבנה וגם לרצפה.

כידוע, ללוח"דים מאפיינים ייחודיים: הם מיוצרים כפלטות טרומיות בעלות רוחב קבוע (120 ס"מ בדרך כלל) ואורכים משתנים, בהתאם לדרישות המבנה בעת תכנונו. לשימוש בלוח"דים שני יתרונות מרכזיים: האחד, הם מיוצרים תחת בקרת איכות גבוהה ומגיעים אל אתר הבנייה מוכנים לשימוש באופן מדויק ומהיר. השני, שימוש בלוח"דים מאפשר יישום תקרות במפתחים גדולים ובעובי קטן יחסית בהשוואה לשיטות ביצוע אחרות.
האתגר: חיזוק לוח"דים תוך ניצול מקסימלי של שטח המבנה

לצורך הגדלת העומסים על התקרות בחנה רשת שופרסל בשלב הראשון את הפתרון של חיזוק באמצעות פרופילי פלדה, או בהגדרתם המקצועית קורות I או U. מדובר בקורות המיוצרות במפעלי פלדה לפי מידות ופרופילים סטנדרטיים, וצורתן הדומה לאותיות הלטיניות I או U נועדה לספק מענה מיטבי לצרכים הסטרוקטורליים של הקורה.

לשימוש בקורות פלדה מספר חסרונות:

1. קושי יישומי: פרופיל פלדה הינו אלמנט כבד, המצריך אמצעי הרמה כבדים שלא תמיד אפשר להכניס לשטח בנוי. מעבר להיותו כבד, פרופיל הפלדה הוא גם אלמנט קשיח, ועל מנת להרימו יש צורך בפינוי המרחב שבו יעבור. כאשר מדובר במבנה קיים, המשמעות של חיזוק באמצעות פלדה עלולה להיות השבתה של המבנה בתקופת היישום, לרבות פינוי ציוד וכוח אדם. מעבר לכך, הפתרון אינו אסתטי שכן קורות הפלדה בולטות.
2. עובי החתך: המכונות האוטומטיות שיועדו להיכנס למבנה הינן כבדות ודורשות שטח רחב לצורך תפעולן, זאת כאשר חלל המבנה נדרש במלואו לטובת אחסון מוצרים. בשל העובי הרב של חתך הקורות, חיזוק באמצעות קורות פלדה היה מנמיך את גובה החלל משמעותית, ובשל הצורך להוסיף עמודים – גם מקטין את שטח החלל, וכך פוגע בתפעוליות המבנה ובהגשמת מטרותיו כמרכז הפצה חכם.

בשל החסרונות הכרוכים בביצוע החיזוק באמצעות קורות פלדה כאמור, ובשל זמינות פתרון טוב ופשוט יותר, המשלב שימוש בחומרים מרוכבים, כפי שיתואר להלן, נפסל הפתרון של חיזוק באמצעות מוטות פלדה.

הפתרון: חיזוק באמצעות יריעות סיבי פחמן CFRP

בדומה לפרויקטים רבים נוספים שבהם נדרש ניצול מלא של החלל, גם כאן הגיעו המתכננים למסקנה כי הדרך המיטבית לתכנון ביצוע החיזוק הינו באמצעות יריעות סיבי פחמן CFRP.

יריעות סיבי פחמן הן חומר ארוג מסיבים דקים במיוחד המכילים בעיקר אטומי פחמן. קוטר הסיבים נע בין 0.005 ל-0.010 מילימטר, והסיבים מאורגנים בגבישים זעירים במבנה המעניק להם חוזק רב ביותר ביחס לקוטרם הקטן. כאשר שוזרים כמה אלפי סיבים יחד, מתקבל חוט בעל חוזק רב שאותו אפשר לשזור לאריג, שגם הוא נהנה מחוזק רב וממשקל קל יחסית. יישום נוסף מתקבל באמצעות טבילת אריג סיבי פחמן בתרכובת מותכת כדוגמת אפוקסי לשם יצירת חומרים מרוכבים המאפשרים לעצב משטחים חזקים בעלי משקל קל. כיוון שיריעות או רצועות סיבי פחמן הן דקות ביותר וקלות מאוד מצד אחד, אך מסוגלות לייצר כושר עמידה במאמצים גדולים יחסית מצד שני, נעשה בהן שימוש הולך וגובר לצורך חיזוק מבנים.

יריעות סיבי פחמן הן חזקות בצורה יוצאת דופן: חוזק הקריעה של סיב פחמן הוא 2,300 מגה פסקל, פי שבעה יותר מפלדה. מדובר בחומר יציב, שהינו קל, גמיש, חזק מאוד ולא קורוזיבי, ולכן, במקומות שבהם יש אתגר הכרוך במשקל, צורה גיאומטרית המצריכה יישום גמיש, ניצול חלל גבוה או אסתטיקה ונדרש חוזק מתיחה גבוה, נעשה שימוש ביריעות סיבי פחמן.

כאשר מדובר בחיזוק מבנה קיים, סיבי פחמן הינם בעלי יתרונות רבים: הם חזקים מאוד במתיחה בכיוון הצירי, גמישים, קלים, ויישומם בשטח אומנם מצריך דיוק רב ובקרה, אך לא ציוד כבד. תכונת הגמישות מועילה במקרים של יישום בצורות גיאומטריות סבוכות: אפשר לעקם ולשחק בסיב באופן הרצוי והמתאים לקונסטרוקציה הקיימת עד לשלב היישום הסופי, מה שמקל את התהליך ומאפשר יישום קל ומדויק יותר.

יתרונות השימוש ביריעות סיבי פחמן עלו בקנה אחד עם דרישות המבנה: הצורך לבצע את העבודה ללא פגיעה בגובה החללים ובשטחם, בשל גודל המכונות והצורך לנצל באופן מיטבי את חלל האחסון, מנע את האפשרות של חיזוק ברלסים מפלדה או ביציקות משלימות בבטון, אך התאים היטב לאופציה של חיזוק בעזרת סיבי פחמן. חיזוק באמצעות CFRP יכול להתאים גם כאשר האלמנט המחוזק הוא רכיב דרוך כמו לוח"ד.

תכנון הפתרון של סיבי פחמן במסגרת הפרויקט הנוכחי

התכנון בוצע על ידי ד"ר דורון שלו, מדורון שלו הנדסה בע"מ, תוך שימוש באמצעי חיזוק מחומרים מרוכבים של חברת סיקה.
תכנון החיזוק באמצעות הפתרון של CFRP תואם את הדרישות הבסיסיות של תקן מבני בטון 466 על חלקיו השונים וכן, בהיעדר תקינה ישראלית בנושא, את הדרישות המוצגות בתקינה האירופית והאמריקאית לגבי שימוש בחומרים מרוכבים לחיזוק מבני בטון, כולל חיזוק רכיבים דרוכים.
ד"ר דורון שלו: "נדרש לבצע חיזוק תקרת לוח"דים במבנה קיים של חברת שופרסל לאור הצורך בהעמסת עומסים גדולים מהתכנון המקורי. הבחירה בחיזוק באמצעות רצועות של חומרים מרוכבים מסוג CFRP נכונה הן מפני שזו דרך נבונה הנדסית לבצע חיזוק כזה והן מפני שההפרעה הפונקציונלית למבנה הקיים הינה מינימלית עד בלתי מורגשת לחלוטין".

יישום בפועל: תהליך ביצוע העבודה

תהליך יישום סיבי הפחמן מחייב עבודה מקצועית ומדויקת. עבודה לא מדויקת, או כזו שנעשית ללא בקרה תהליכית צמודה, לא תספק את החיזוק הרצוי, לא תקנה עמידות במאמצים כמתוכנן ותסכן את יציבות המבנה.

תהליך העבודה של חיזוק מבנה באמצעות סיבי פחמן כולל שלושה שלבים:

שלב א' – הכנת פני האלמנט

כדי לוודא הדבקת CFRP העומדת בתקן להדבקת סיבי פחמן (מעל 1.5 מגה פסקל בשליפה), יש לוודא שפני האלמנט שאליהם מדביקים את החומר הם אחידים, נקיים וחלקים. לכן, כהכנה ראשונית של הבטון, בוצע ליטוש מיוחד באמצעות התזת כדוריות פלדה, ולאחר מכן שיוף באמצעות דסקיות יהלום. הליטוש מבטיח יישור והחלקה של הבטון במקרה של בליטות, ואילו השיוף מבטיח יציבות: על החלק החיצוני של הבטון מצטבר נוזל המכונה "מיץ בטון", שצמיגותו הנמוכה יחסית אינה מאפשרת הדבקה טובה של החומר. לכן, כהכנה מקדימה מתבצע ליטוש יסודי שמסיר את החלק הזה בבטון ומאפשר עבודה על משטח יציב. לאחר הליטוש והשיוף התקבל משטח חלק, נקי ויציב להדבקה. לסיום, בוצע ניקוי בלחץ אוויר חזק, המנקה את הבטון משאריות האבק ומחומרים שנותרו עליו משלב הליטוש ומאפשר הדבקה אופטימלית. בסיום עבודת הניקיון היסודית של הבטון, סומנו המיקומים להדבקת סיבי הפחמן בדיוק מרבי ובעזרת סמני לייזר.

שלב ב' – הכנת ה-CFRP

הכנת חומר מרוכב מחייבת דיוק, ובמיוחד במינון של הרכיבים המרכיבים אותו. התהליך כולל ערבוב פולימר דו רכיבי ביחס נכון ולאחר מכן הספגה של יריעת הפחמן בכמות מדודה של דבק.

חשוב מאוד לדייק במינוני החומרים בהתאם להוראות היצרן, שכן חריגה מהם פוגעת בחיזוק המתקבל. כך, למשל, באם הפולימר שב-CFRP הוא במינון יתר – החומר המתקבל יהיה חלש מדי, כיוון שהפולימר הוא החוליה החלשה בחומר המרוכב. לעומת זאת, באם הפולימר נמצא במינון חסר – ההדבקה לא תהיה חזקה דייה. כדי לדייק בהכנת החומר משתמשת חברת בנין הארץ במכונות שפיתחה, המערבבות ומספיגות את החומרים באופן מדויק במיוחד.

ישנן שתי צורות נפוצות ליישום סיבי פחמן לחיזוק:

1. יריעות סיבי פחמן: יריעות ברוחב של כ-50 ס"מ, שאפשר ליישמן במיקומים מאתגרים, זאת לאור הגמישות שלהן טרם תהליך ההקשיה.
2. למינטים: רצועות סיבי פחמן מוכנות לשימוש, שכבר הוטבלו בחומר מקשה במפעל, ומורכבות ממספר שכבות של יריעות סיבי פחמן. רצועות אלה צרות יותר ונוקשות. היתרון של למינט הוא בדיוק וביעילות היישום בשטח.

במקרה הנוכחי החליט המהנדס המתכנן על שימוש בשני סוגי רצועות למינט: Sika CarbuDur, מסדרת S 1014, ו-Sika CarbuDur, גם הוא מסדרת S, 1214. עובי הלמינטים היה 1.4 מ"מ ואורכם 11 מטר. בניגוד לפרופילי פלדה שבאורכים כאלה מהווים אלמנט כבר מאוד, הלמינטים אינם כבדים, ובעלי גמישות מספקת ליישום נוח למדי בשטח, על אף אורכם.

הכנת הלמינטים להדבקה כללה מדידה וחיתוך מדויקים מאוד באורכים הנדרשים, ולאחר מכן ניקוי באמצעות טינרים מיוחדים לשם הימנעות מפני נקודות כשל על גבי הלמינט. נקודות כשל יכולות לנבוע מגרגירי אבק או מלכלוך, והימצאותן עלולה לפגום באיכות ההדבקה ובתוצאת החיזוק הסופית. לאחר שהלמינטים נוקו, בוצעה מריחת אפוקסי בכמות מדודה מסוג סיקדור 31 של חברת Sika.

שלב ג' – הצמדה לפני האלמנט

לאחר עבודת ההכנה הגיע שלב ההדבקה על פני האלמנט. שלב זה כלל הצמדה של הלמינטים לתקרת הבטון, ולאחר מכן הידוק באמצעות מכונה ייעודית הכוללת גלגיליות שמטרתן להבטיח הצמדה טובה ומבוקרת לפניו של האלמנט תוך התאמה מלאה לתוכנית הקונסטרוקציה. בסיום עבודת ההדבקה בוצע ניקיון סופי של סביבת העבודה ושל הלמינטים עצמם.

מאחר שבמבנה נדרשה תוספת עומס גדולה, ובהתאם להוראות המהנדס המתכנן, הודבקו על הלוח"דים והקורות שלוש שכבות של למינטים בעובי כולל של 5 מ"מ, ולאחר היישום התקבל עומס קבוע של 400 ק"ג למ"ר ועומס שימושי של 750 ק"ג למ"ר.
תהליך היישום כולו לווה במנגנוני בקרה קפדניים, כדי לוודא יישום נכון ומדויק בהתאם להוראות המהנדס ולהוראות היצרן וכדי להבטיח את איכות ביצוע העבודה.

לאחר הביצוע קבע המהנדס כי החיזוק בוצע בהתאם לנדרש וכי המבנה מתאים עתה לייעודו החדש.

תקציר – מרלו"ג שופרסל ONLINE: 

• במסגרת הסבת מבנה מרלו"ג של רשת שופרסל למרכז הפצה חכם עבור מערך ה-ONLINE, התעורר צורך להגדיל את העומס על המבנה כך שיתאים לשימוש החדש הכולל מכונות אוטומטיות, גופי קירור כבדים ונפח אחסון רב.
• כדי לאפשר שימוש בכל נפח חללי המבנה היה צורך בפתרון שלא פוגע בחללים אלה ומאפשר שימוש מיטבי בהם.
• חיזוק תקרות המבנה באמצעות קורות פלדה היה מוביל להגדלה משמעותית של משך הפרויקט, מייצר פגיעה סביבתית רבה למבנה ומוביל לאיבוד ניכר של גובה ושטח החללים במבנה, ולכן נדרש פתרון חלופי.לצורך חיזוק התקרות נבחר הפתרון של חיזוק באמצעות חומר מרוכב: הדבקת למינטים של סיבי פחמן.
• כדי לבצע את החיזוק, נערכו חישובים הנוגעים לעומסים הנדרשים, לסוג סיבי הפחמן האופטימלי ולכמות הנדרשת. הפתרון יושם בהצלחה תוך שימוש במתודולוגיית עבודה סדורה.
• תקרות המבנה חוזקו באופן שאפשר את שינוי הייעוד שתוכנן עבורו, תוך שמירה על מקסימום גובה ומינימום סרבול בתהליך היישום.
• התובנה המרכזית שנלמדה מהפרויקט: במקרים של מבנים הזקוקים לחיזוק ולהוספת עומסים, בעיקר כאשר קיימת מגבלה של אי פגיעה בשטח או בגובה החללים או כאשר נדרש ביצוע מהיר ואסתטי, שיטת החיזוק המיטבית הינה באמצעות חומרים מרוכבים CFRP. השימוש ב-CFRP גמיש ויעיל בטיפול במגוון רחב של כוחות, מפתחים וחתכים, ואפשר להתאים את סוג החומר, מספר השכבות וכיוון היישום לצורך הספציפי.

תודות:
ד"ר דורון שלו, דורון שלו מהנדסים בע"מ
אינג' יצחק מורדל, מנהל מחלקת פרויקטים, שופרסל
תום פרלמן, מסד עוז ניהול ופיקוח בע"מ
ידידיה לרמן, מנהל מקצועי בניין הארץ

הפוסט חיזוק והסבת מבנה מרלו"ג למרכז הפצה חכם תוך שימוש בחומרים מרוכבים CFRP עבור רשת שופרסל ONLINE הופיע לראשונה ב-מגזין בניין הארץ.

חברת בנין הארץ היא חברה קבלנית רשומה המתמחה בביצוע עבודות הנדסיות מיוחדות כגון חיזוק מבנים, חיזוק תקרות פל-קל ועבודות קידוח מיוחדות. החברה מתמחה, בין השאר, בחיזוק מבנים תוך שימוש בחומרים מרוכבים. אחד החומרים המתקדמים שבהם אפשר לחזק מבנים הוא סיבי פחמן. השימוש בסיבי פחמן לחיזוק מבנים הוא הפתרון המתאים ביותר בקשת רחבה של מקרים.

בcase study זה נבחן את השימוש בסיבי פחמן במסגרת מיזם להסבת מבנה משרדים למבנה המתאים לפעילותו של בית חולים. במסגרת ההסבה התעורר צורך להגדיל את עומסי השירות כך שיתאימו לשימוש החדש ואף לפתוח פתחים בתקרות הקומות השונות במבנה כדי להעביר בהן תשתיות הנדרשות לפעילותו של בית חולים. פתיחת הפתחים באמצעות ניסור, כמו גם הגדלת עומס השירות הצפוי, הצריכו חיזוק מקדים של התקרות שנבנו באמצעות לוח"דים.

נסקור את מהות המיזם, האתגרים הייחודיים לו, הפתרונות התיאורטיים השונים, והיישום של פתרון חיזוק באמצעות סיבי פחמן.

המיזם בוצע בחודשים יוני–יולי בשנת 2018.

הפרויקט: בי"ח נארא-מדיקה

רשת בתי החולים הפרטיים נארא-מדיקה בחרה להסב בניין משרדים ברמת החייל שבתל אביב למרכז רפואי. משמעות ההחלטה היא, בין השאר, להסב חדרים משרדיים קיימים לחדרי ניתוח וטיפולים מסוגים שונים. כדי לענות על הדרישות הרפואיות היה צורך להתאים את הבניין כך שתהיה אפשרות להעביר בו סדרה ארוכה של מערכות חדשות, כמו סניטריה, גזים וכדומה בין הקומות השונות במבנה. נוסף על כך, אופי השימוש השוטף בבית חולים שונה מאופי של שימוש משרדי, עקב הצורך בהכנסת ציוד רפואי כבד לחדרים או שינועו בין חדרים. שינוי הייעוד הביא איתו אתגרים הנדסיים.

המטרה: להגדיל את העומסים המרביים של תקרות המבנה

הסבת בניין המשרדים לבית חולים פעיל הביאה עימה מספר אתגרים. ראשית, למבנה תקרות אשר עשויות מלוחות טרומיים דרוכים (לוח"דים), המתאימים לסוג מבנה ולמפתחים אשר תוכננו במקור ואשר יכולת השינויים שבהם כמו הגדלת עומסים או הוספת פתחים וכו' מוגבלת. הלוח"דים מגיעים כפלטות טרומיות בעלות רוחב קבוע (120 ס"מ בדרך כלל) ואורכים משתנים, בהתאם לדרישות המבנה בעת תכנונו.

לשימוש בלוח"דים שני יתרונות מרכזיים:

1. יעילות: הלוח"דים מיוצרים במפעל תחת בקרת איכות גבוהה, ומגיעים אל אתר הבנייה מוכנים לשימוש. כך, מתאפשר יישום מהיר ומדויק בשטח תוך שימוש בכוח עבודה קטן יחסית.

2. יישום במפתחים גדולים: שימוש בלוח"דים מאפשר יישום תקרות במפתחים גדולים ובעובי קטן יחסית בהשוואה לשיטות ביצוע אחרות.

מנגד, לשימוש בלוח"דים גם חיסרון: חוסר גמישות בביצוע שינויים לאחר הייצור. הלוח"דים מתוכננים במדויק לעמוד בעומסים שאליהם תוכנן המבנה מלכתחילה, ולא להגדלת עומסים. נוסף על כך, מאחר שרוחבם של הלוח"דים קבוע ושכיוון נשיאת התקרות הוא אחד, קיימת בעיה הנדסית לבצע בהם שינויים במקרה שבו נוצר צורך לשנות את אופייה ותפקודה של התקרה.

במסגרת הסבת המבנה לבית חולים, התעורר צורך להתאים את עומסי השירות במבנה לזה של בית חולים. נוסף על כך, התעורר צורך להעביר מערכות חדשות של תשתיות בין קומות במבנה, וליצור מעברים אנכיים בין הקומות על ידי ביצוע ניסור בתקרה. ניסור הבטון מחליש את התקרה, כמו גם חיתוך כבלי הדריכה אשר מקטין את יכולת העמידות של התקרה לעומסים שתוכננו בעבר וכל שכן לצרכים החדשים, במיוחד נוכח השימוש בלוח"דים במבנה המקורי.

כדי לבצע את פתיחת הפתחים האמורה בין הקומות, התעורר צורך לחזק, קודם לניסור, את התקרות.

האתגרים בחיזוק מבנה במסגרת הסבתו לבית חולים

האופן המסורתי לחיזוק תקרה במקרה שבו מתעורר צורך לפתיחת מעברים אנכיים בין קומות הוא הוספת פרופילי פלדה בתחתית הלוח"דים בניצב לכיוונם הראשי. כך, העומסים מועברים מהלוח"ד המוחלש אל פלטות שכנות ובריאות יותר.

החסרונות באופן חיזוק זה הם:

1. אופן חיזוק מסוג זה גורם להחלשה, לעיתים קריטית, בלוח"דים ה"בריאים" אשר כעת מקבלים עומסים נוספים שלא תוכננו במקור עקב הסכֶמה הסטטית החדשה.

2. הוספת פרופילי פלדה בתחתית התקרות יוצרת שינוי ופגיעה באופי האדריכלי של המבנה.

נוסף על כך, בבית החולים נארא-מדיקה משמעות העיבוי בקורות פלדה או בתוספת בטון הייתה להנמיך את התקרות, והנמכה שכזו עומדת בסתירה לתקנים המשפיעים על גובה התקרה בחדרי ניתוח. כך, למשל, קובע משרד הבריאות בישראל כי בחדר ניתוח שבו מתבצעת פעולה כירורגית בינונית, יש לוודא כי "גובה החדר מאפשר התקנת מערכת מיזוג אוויר עם החלפת אוויר, וסינון בתנאי יתר לחץ" וכי על התקרה להיות "תקרה אקוסטית" ייחודית. במילים אחרות, התנאים הבסיסיים במבנה שיועד לחיזוק לא אפשרו את הנמכת התקרה ונוצר צורך למצוא פתרון לחיזוק שלא יבוא על חשבון גובה התקרה.

נוסף לכול, בפרויקט מסוג זה, כמו כמעט בכל פרויקט מסחרי, כל האטה ועיכוב בעבודה הם הפסד של פעילות מסחרית ועל כן המטרה היא שפרויקט כזה יתבצע במהירות רבה ככל האפשר, ועם מינימום הפרעות לעבודות נוספות שמתבצעות במבנה.

הפתרון: חיזוק באמצעות סיבי פחמן

מבוא – סיבי פחמן

כדי לחזק מבנה, לעיתים אפשר לנקוט שיטה של הוספת קורות פלדה או עיבוי בבטון. אולם, במקרים רבים המהנדס ושאר אנשי המקצוע שסביבו אינם יכולים להיעזר בפתרונות ה"מסורתיים" הללו, כיוון שהמציאות בפרויקט מורכבת יותר, כפי שהדגמנו לעיל במיזם הסבת מבנה משרדים למבנה רפואי.

במקרים כאלה, וברבים נוספים, מתאים הפתרון ההנדסי הגמיש ורב היכולת של חיזוק באמצעות יריעות סיבי פחמן (CFRP).

יריעות פחמן הן חומר ארוג מסיבים דקים במיוחד המכילים בעיקר אטומי פחמן. קוטר הסיבים נע בין 0.005 ל-0.010 מילימטר. הסיבים מאורגנים בגבישים זעירים במבנה המעניק להם חוזק רב ביותר ביחס לקוטרם הקטן. כאשר שוזרים כמה אלפי סיבים יחד, מתקבל חוט בעל חוזק רב שאותו אפשר לשזור לאריג, שגם הוא נהנה מחוזק רב וממשקל קל יחסית. יישום נוסף מתקבל באמצעות טבילת אריג סיבי פחמן בתרכובת מותכת כדוגמת אפוקסי לשם יצירת חומרים מרוכבים המאפשרים לעצב משטחים חזקים בעלי משקל קל.

סיבי הפחמן מוכרים בעולם משימוש בתעשיות התעופה, מכוניות ואופני מרוץ ובשנים האחרונות נעשה בהם שימוש מסיבי בהנדסה אזרחית. השימוש בסיבי פחמן בהנדסה אזרחית נעשה בעיקר לצורך חיזוק מבנים, כיוון שיריעות או רצועות סיבי פחמן הן דקות ביותר מצד אחד, אך מסוגלות לייצר כושר עמידה בעומסים גדולים יחסית מצד שני. כדי להתאים את העומס הנדרש לכמות סיבי הפחמן הנדרשת, המהנדס בוחר את מספר השכבות הנדרש ואת תוואי החיזוק וההדבקה של יריעות הפחמן כדי ליצור עמידה בעומסים המבוקשים, כולל מקדמי בטיחות.

בחינת הפתרון של סיבי פחמן במיזם הנוכחי

כדי לבדוק את ישימות הפתרון של סיבי פחמן לצורך חיזוק לוח"ד במבנה המדובר, יש לבצע חישוב סטטי שבוחן עמידה בעומסים לאור התקינה הישראלית והבינלאומית: הן עומס שימושי (העומס שעבורו תוכנן המבנה – אנשים, ציוד וכדומה), והן עומס במצב המוגדר בתקינה הישראלית כ"מצב גבולי של הרס" (ת"י 412).

בחינת העומסים האמורה בוצעה בידי אינג' אהרון רביץ ממשרד המהנדסים "א. רביץ מהנדסים", המתמחה בחיזוקים מסוג זה, אשר בדק לעומק את ישימות הפתרון של שימוש בסיסי פחמן לחיזוק לוח"דים.

הבדיקות שבוצעו הותאמו לתקנים הישראליים הרלוונטיים (בעיקר תקן 466 על חלקיו השונים) כמו גם לתקן האמריקאי לחיזוק באמצעות FRP – ACI 440.2R-08. בין השאר, בוצעו בדיקת מאמצים בבטון הדרוך למצב גבולי של שירות ובדיקת תסבולת החתך למצב גבולי של הרס. נוסף על כך בוצעה בדיקה לוודא שהכוח בכבלים הנותרים, שלא נחתכו, לא עולה על הכוח המותר.

בחינת העומסים הביאה למסקנה שסיבי פחמן שייושמו בשטח לפני ביצוע הרס (פתיחת פתח) יאפשרו למנוע את הפגיעה בתקרה.

החישובים הנדרשים העלו כי היישום של סיבי פחמן במקרה זה הוא פשוט, מהיר וזול יחסית – ועונה על כל הדרישות האדריכליות המוקפדות.

לקובץ החישובים לחצו כאן.

תהליך ביצוע העבודה

ביצוע עבודה של חיזוק מבנה באמצעות סיבי פחמן מצריך יישום מדויק במתודולוגיה סדורה. בניגוד לשיטה של חיזוק מבנים על ידי בטון או ברזל, שבה גם עבודה לא מדויקת מספקת חיזוק מסוים, הרי שחיזוק באמצעות סיבי פחמן מחייב דיוק מרבי.

תהליך העבודה של חיזוק מבנה באמצעות סיבי פחמן כולל, בין השאר:

1. בחירה מדויקת של סוג סיבי הפחמן, המידות ואמצעי ההדבקה.
2. מדידות בשטח – וסימול מדויק של מסלולי ההדבקה.
3. יישור משטחי ההדבקה וניקוים מאבק.
4. הדבקת סיבי הפחמן באופן מדויק – וללא יצירת בועיות.
5. ביקורת הדבקה ותיקונים נדרשים.

שלב א' – תוכנית חיזוק מפורטת

כעבודה מקדימה, תיעדו אנשי בניין הארץ את כל סימוני הפתחים המבוקשים בתקרות, עם מיקומם, גודלם ומיקומי הכבלים המדויקים בלוח"דים. תהליך התיעוד נעשה תוך השוואה מדויקת בין המצב בשטח לבין תוכניות המבנה ודרישות הניסורים. במקום שבו כבלים של הלוח"ד צפויים להיפגע עקב הניסור, חושב כמה כבלים ייפגעו והיכן – ומה המשמעות מבחינת חוזק המבנה.

על פי התיעוד שנעשה נבנתה תוכנית חיזוק מפורטת במיוחד בכל נקודה במבנה שבה אמור להתבצע ניסור. התוכנית כללה את אורך ומספר היריעות וכן את מיקומם המדויק של מסלולי ההדבקה. (תוכנית פתח-הפנייה)

כחלק מתהליך ביקורת תהליכית, נערכה בדיקה חוזרת במקום, כדי לוודא את התאמת התוכניות למצב בשטח ובתקשורת עם מהנדס החברה. לאחר עדכונים והתאמות אחרונים של התוכנית, אפשר היה להתחיל את העבודה עצמה.

שלב ב' – הכנה בשטח

ראשית סומנו מסלולי ההדבקה ומיקומי היריעות המדויקים על התקרה. הסימול נעשה בעזרת פלס לייזר וצ'וקליין שסימן את הפסים על התקרה.

לאחר מכן בוצעה עבודת הכנה בנקודות המיועדות להדבקה כדי לוודא הדבקה מקסימלית:

• הבטון שויף באמצעות מלטשות יהלום ליצירת משטח הדבקה אחיד;
• אזור השיוף נוקה באמצעות לחץ אוויר, להסרת שאריות ואבק שעשויים לפגום בטיב ההדבקה.

שלב ג' – ההדבקה של סיבי הפחמן

סיבי פחמן לחיזוק מבנים יכולים להגיע במגוון צורות יישום, והמהנדס האחראי הוא זה שבוחר את הסוג הרלוונטי לכל פרויקט בהתאם לממצאים בשטח.

שתי צורות נפוצות ליישום סיבי פחמן לחיזוק הן "יריעות סיבי פחמן" ו"למינט":

1. יריעות סיבי פחמן: יריעות ברוחב של כ-50 ס"מ, שאותן יש להטביל בחומר אפוקסי כחומר מקשה טרם השימוש בהן. היתרון של יריעות סיבי פחמן הוא היכולת ליישמן במיקומים קשים ליישום, וזאת לאור הגמישות שלהן טרם תהליך ההקשיה.

2. למינט: רצועות סיבי פחמן מוכנות לשימוש, שכבר הוטבלו בחומר מקשה במפעל. רצועות אלה צרות יותר ונוקשות. היתרון של למינט הוא בדיוק וביעילות היישום בשטח – כיוון שהרצועות מוטבלות כבר במפעל – ולא בתנאי שטח – הביצוע הוא מדויק מאוד. נוסף על כך, נחסך שלב בעבודה בשטח.

במקרה זה בחר המהנדס לעשות שימוש ברצועות למינט מסוג1214  Sika CarboDur S (חוזק סיבים S, רוחב יריעה 12 ס"מ, עובי 1.4 מ"מ). רצועות אלה תואמות את העומס שיש להשיג בהתאם לחישובים הסטטיים. את הרצועות חתכו אנשי בניין הארץ במידות הנדרשות.

לפני ההדבקה עברו רצועות הלמינט ניקוי יסודי באמצעות מדלל לאפוקסי ופוליאוריטן (סיקה טינר C) וגם וידוא נוסף שכל שטח היריעה נקי מאבק, לכלוך או חומרים כימיים כלשהם.

בשלב זה נמרחה כמות מדויקת של דבק אפוקסי דו-רכיבי (SikaDur 31), שעורבב בהתאם להוראות היצרן. מריחת הדבק נעשתה בפיזור אחיד ומדויק.

כעת הודבקו הרצועות לפי התוואי שבתוכנית החיזוק, והוצמדו במיקום שלהן על התקרה. באמצעות רולר ייעודי הודקו הסיבים באופן אחיד ושווה, כך שלא יהיה אף חלל ולא ייווצרו בועיות לאורך הרצועה.

במקומות מסוימים כללה תוכנית החיזוק הדבקת רצועת למינט נוספת להגדלת העומס הנדרש. במקומות אלה נוקתה הרצועה שוב באמצעות טינר, כהכנה להדבקת השכבה הבאה. בסוף ההדבקות, נדרשו 72 שעות לייבוש הדבק האפוקסי.

עם סיום תהליך הדבקת הרצועות הקפדני, וכחלק מתהליך ביקורת תהליכית קפדני, נערכה מדידה נוספת (דבר שיכול להתבצע תוך כדי הייבוש), זאת כדי לדעת בדיוק מה בוצע, מהו מיקום הרצועות המדויק לאחר ההדבקה, האורך שלהן ומספר השכבות שהוצמדו למבנה. המהנדס שתכנן את תוכנית החיזוק הגיע לשטח ובחן בעצמו אם הכול בוצע לפי התוכנית שיצר.

שלב ד' – פתיחת הפתחים

לאחר אישור המהנדס כי החיזוק בוצע בהתאם לתוכניות, ניתן האישור לקדוח ולנסר פתחים בתקרה כדי להעביר בהם את התשתיות הנדרשות.

תקציר

• במסגרת הסבת מבנה משרדים למרכז רפואי הכולל חדרי ניתוח, התעורר צורך להגדיל את העומס השימושי כך שיתאים לשימוש החדש, וכן להעביר תשתיות בין הקומות השונות במבנה. העברת התשתיות הצריכה ניסור פתחים אנכיים בין הקומות במבנה.

• כיוון שתקרות המבנה נבנו בלוחות דרוכים, ניסור הפתחים עלול היה לפגוע ביציבות המבנה. על כן, נדרש חיזוק לתקרות בטרם ביצוע הניסור.

• ביצוע חיזוק לתקרות המבנה באמצעות מוטות פלדה או בטון לא היה אפשרי מסיבות שונות, טכניות ורגולטוריות.

• לצורך חיזוק התקרות נבחר הפתרון של הדבקת סיבי פחמן. כדי לבצע את החיזוק, נערכו חישובים הנוגעים לעומסים הנדרשים, לסוג סיבי הפחמן האופטימלי ולכמות הנדרשת. הפתרון יושם בהצלחה תוך שימוש במתודולוגיית עבודה סדורה.

• הפתחים הרלוונטיים בלוח"דים נוסרו, התשתיות הועברו, והסבת המבנה למבנה רפואי הושלמה בהצלחה.

• התובנה המרכזית שנלמדה מהפרויקט: החיסרון הבולט של שימוש בלוח"דים לבנייה – חוסר הגמישות בעמידה בעומסים נוספים או בניסורים לצורך העברת תשתיות – יכול להיפתר בקלות על ידי שימוש במוצרי סיבי פחמן לחיזוק המבנה.

תודות:

א.רביץ מהנדסים, מהנדס רוני רביץ

אנונו רפי הנדסת מבנים, מהנדס רפי אנונו

אלקטרה דנקו: מנהל פרויקט: יואב אריאלי, מנהל פרויקט: משה אלעד

ב.א אייכנבאום ניהול ופיקוח, יאיר עין גדי

לקובץ החישובים לחצו כאן.

הפוסט הסבת בנין משרדים לבית חולים תוך שימוש בסיבי פחמן לצורך חיזוק תקרת לוח"ד הופיע לראשונה ב-מגזין בניין הארץ.