الخشب يمثل الماضي والمستقبل للبناء.. ثورة في صناعة البناء.. خشب جديد يحل محل الفولاذ أو الخرسانة

لقد كنا نستخدم الخشب لبناء الأشياء لفترة طويلة جدًا، وفقاً للبقايا المكتشفة مؤخراً لهيكل خشبي عمره نصف مليون عام في أفريقيا، فقد كنا نبني بالخشب قبل أن نصبح بشراً بشكل كامل.

منذ تلك البدايات المبكرة إلى الكنائس الصخرية في الدول الاسكندنافية إلى مقصورة لينكولن الخشبية، تم تفضيل الخشب كمواد بناء لوفره وقابليته للتشغيل وجماله.

ومع ذلك، في السنوات الـ 150 الماضية، مع ازدهار المدن وناطحات السحاب، طغت المواد الأحدث مثل الخرسانة والصلب على الخشب، يمكن لهذه المواد أن تتحمل وزنًا أكبر، مما يسمح ببناء مباني أكبر، كما أنها ليست عرضة للحرائق والزلازل والأضرار الناتجة عن الرطوبة، ومع ذلك، فإن إنتاجها يكلف أكثر، وهي غير متجددة وتتسبب في بصمة كربونية ثقيلة؛ يمثل إنتاج الصلب والخرسانة أكثر من 10% من الانبعاثات العالمية.

لكن تحدث إلى كريس بانتيليدز، أستاذ الهندسة في جامعة يوتا، وسيخبرك أنه لا ينبغي لنا أن نقبل هيمنة الغابة المصنوعة من الفولاذ والخرسانة حتى الآن. بفضل عمل المهندسين المدنيين مثل بانتيليدز، تشهد أقدم مواد البناء لدينا انتعاشًا، وهي مادة يمكنها حتى مقاومة الزلازل.

يمثل الخشب الماضي والمستقبل للبناء

أثناء جلوسه في مكتبه في قسم الهندسة المدنية والبيئية بكلية جون ومارسيا برايس للهندسة، رفع كتلة من الخشب المركب، يبلغ طولها حوالي 12 بوصة وعرضها 10 بوصات، وابتسم، وقال بانتيليدز “ما تنظرون إليه هنا هو المستقبل”.

إن قطعة الخشب البسيطة المخادعة هي مثال على تكنولوجيا “الأخشاب الجماعية”، وهي فئة من “المنتجات الخشبية الهندسية” التي من المقرر أن تحدث ثورة في صناعة البناء والتشييد، والتي قضى بانتيليدز السنوات السبع الماضية في دراستها وتطويرها.

على المكتب الذي أمامه، من بين قطع أخرى من الخشب ومسامير معدنية طويلة، جلس أحدث بحث له بعنوان “التصميم والتجارب الدورية لإطار خشبي ضخم مع دعامة مقيدة للتواء الخشب”، نُشر في مجلة الهندسة الإنشائية.

إنه يستكشف أفضل الطرق لبناء دعامة مقيدة ملتوية (BRB) – وهي نوع من دعم البناء الذي يحمي من أضرار الزلازل – باستخدام الأخشاب الضخمة.

باعتبارها تقنية بناء، يتم تعريف كتلة الأخشاب من خلال استخدامها للأعمدة والعوارض والألواح، المصنوعة من طبقات خشبية متعددة أو قطع مغلفة بإحكام أو مرتبطة ببعضها البعض. يُعرف النوعان الخشبيان اللذان تعمل بهما شركة Pantelides بألواح الخشب الرقائقي الشامل وألواح الخشب الرقائقي الضخمة، والتي تتمتع بالعديد من المزايا، البيئية والهيكلية، مقارنة بمواد البناء المعتادة.

وأوضح بانتيليدز أن “الخشب الذي نتحدث عنه قوي للغاية، ويمكن أن يحل محل الفولاذ أو الخرسانة في العديد من إطارات المباني، لكنه أخف بكثير”، “يبلغ وزن المبنى الخشبي الكبير ربع وزن المبنى الخرساني أيضًا، مما يتطلب أساسًا أصغر بكثير.”

بفضل تركيبتها المضغوطة للغاية، فإن الأخشاب الجماعية مقاومة للحريق بشكل فعال، ومقاومة للتلف الناتج عن الرطوبة، ومتينة للغاية. ومع تقنيات الغابات المستدامة الحالية، أصبح استخدام الخشب أكثر استدامة و”قابلية للتجديد” من أي وقت مضى.

يحبس الخشب الكربون بينما تنبعث منه الخرسانة

وقال بانتيليدز: “تستغرق الغابات الأوروبية سبع ثوانٍ فقط لزراعة ما يكفي من الأخشاب اللازمة لشقة مكونة من ثلاث غرف نوم”. “كندا وحدها لديها ما يكفي من الأخشاب لإيواء مليار شخص إلى الأبد، مع تجديد أشجار الغابات بشكل أسرع من السكان.”

كل طن من الأخشاب المزروعة يحتجز 1.8 طن من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. يمكن أن يكون بناء مبنى خشبي ضخم أسرع بنسبة 25% مقارنة بالمبنى الخرساني ويؤدي إلى تقليل حركة البناء بنسبة 90%، بمجرد الانتهاء من البناء، يتحول الخشب من الاستفادة من الطبيعة إلى الاستفادة من الفوائد الطبيعية.

وقال بانتيليدز: “يحب الناس ببساطة أن يكونوا في المباني التي تحتوي على الكثير من الأخشاب المكشوفة”، “إن الشعور بالارتباط بالطبيعة، والتصميم المحب للحيوية، يجعل من بيئة المعيشة والعمل أكثر صحة.”

بفضل قدرته على الانحناء وعدم الانكسار تحت الضغط، يظل الفولاذ هو الحل الأمثل للمباني الشاهقة، خاصة في المناطق المعرضة لخطر الزلازل أو الأعاصير.

ويعتمد الحفاظ على السلامة الهيكلية للمبنى على الفهم العميق لمثل هذه الخصائص، وهو الفهم الذي لا نملكه مع الأخشاب ذات الكتلة الأكبر، هذا هو المكان الذي يأتي فيه بحث Pantelides.

بفضل تركيباتها المتنوعة، فإن كتلة الخشب بعيدة كل البعد عن كونها مقاسًا واحدًا يناسب الجميع؛ إن نوع الخشب المستخدم، وحجم وشكل جزيئات الخشب، وكيفية التصاقها ببعضها البعض، أو حتى ما إذا كانت الطبقات الفردية مكدسة بالتوازي أو متعامدة مع بعضها البعض سوف تؤثر بشكل كبير على كيفية تفاعل المنتج النهائي تحت الضغط.

منذ أن بدأ لأول مرة في دراسة كتلة الأخشاب، كان بانتيليدز يستكشف الأخطاء ويجرب “وصفات” مختلفة، وتوصل في النهاية إلى وصفة تدعو إلى حلق خشب التنوب الداكن إلى رقائق، وضغط الرقائق معًا بإحكام في ألواح أو ألواح ثم تصفيح تلك الطبقات معًا بألواح خشبية. غراء قوي للغاية، يمكن بعد ذلك تثبيت الخشب الرقائقي الناتج بشكل آمن على قطع أخرى من الخشب باستخدام وصلات مصنوعة من مسامير وألواح فولاذية.

باستخدام هذه الصيغة، قام Pantelides وفريقه بتجربة إصدارات خشبية ضخمة من العناصر المعمارية المقاومة للزلازل، بما في ذلك Timber Buckling Retrained Brace (T-BRB) – محور أحدث منشورات Pantelides.

كيفية جعل الأخشاب الكبيرة تصمد في الكوارث الطبيعية

في الهندسة المعمارية التقليدية، تمتص BRBs غير الخشبية القوة الزلزالية للزلزال بعيدًا عن إطار المبنى وتعيد توجيهها إلى قلب فولاذي داخل الدعامة، والتي عادة ما تكون مغطاة بأنبوب فولاذي مملوء بالخرسانة، بدلاً من تعريض السلامة الهيكلية للمبنى بأكمله للخطر، فإن الدعامات فقط هي التي ستتعرض لأضرار جسيمة وتحتاج إلى الاستبدال.

ركزت Pantelides على تطوير BRB الذي – بينما لا يزال يستخدم شريطًا من الفولاذ للقلب – مصنوع من الخشب الكتلي ومصمم خصيصًا للإطارات الخشبية الضخمة.

ويتطلب هذا التركيز معدات متخصصة. في أحد مختبرات الكلية التي تشبه حظيرة الطائرات في مبنى لايتون، يوجد برج معدني ضخم مستطيل الشكل، ومشغل، يمتد من السقف إلى أسفل الأرضية الخرسانية، يحاكي هذا الجهاز الأحمر العملاق تأثيرات النشاط الزلزالي على كل ما يوضع بداخله عن طريق هزه ذهابًا وإيابًا. وهنا يمكن لـ Pantelides وفريقه اختبار “أنظمة مقاومة القوة الجانبية” (LFRS)، مثل T-BRB.

قام هو وطالبة الدراسات العليا إميلي ويليامسون، وهي مؤلفة مشاركة في الورقة الجديدة، بتطوير عدة تكوينات مختلفة لـ T-BRB قبل إدخال كل منها على حدة في إطار خشبي، والذي تم وضعه بعد ذلك داخل المشغل، ثم، الاهتزاز الأفقي، والكثير منه – بقوة تعادل زلزالًا بقوة 7.0 درجة، في تسعة اختبارات، سجلت المستشعرات الملحقة بـ T-BRB والإطار مدى تشوه العناصر المختلفة أو تحركها مع تقدم الاختبارات.

تسريع استخدام الأخشاب الجماعية

بعد ذلك، تم تفكيك الإطار والدعامات وإجراء المزيد من الفحص والقياس. تعرض دراسة Pantelides، التي شارك في تأليفها باحثو الصناعة Hans-Erik Blomgren من Timberland وDouglas Rammer من مختبر منتجات الغابات، البيانات الناتجة، وتحليلها ورسمها بيانيًا ومقارنتها بين المجموعات الفرعية المختلفة، ستساعد هذه المعلومات في تسريع استخدام الأخشاب الجماعية، مما يمكنها من أن تصبح أكثر صلابة وأطول.

وفي حين أن البناء الخشبي بكميات كبيرة كان مستخدماً في أوروبا لعدة عقود من الزمن، فإن الولايات المتحدة كانت أبطأ في تبنيه، ويرجع ذلك جزئياً إلى أن قوانين البناء الصارمة كانت تركز على الفولاذ والخرسانة، وتتعامل بحذر مع أي استخدام للخشب في تشييد المباني الشاهقة.

الأخشاب في المناطق المعرضة للكوارث

ولكن الآن، وبفضل التغييرات الأخيرة في هذه القواعد، إلى جانب البحث في مكونات مثل T-BRB من Pantelides، من المتوقع أن تتكاثر الأخشاب بكميات كبيرة حتى في المناطق المعرضة للكوارث، استجابة للطلب المتزايد على مواد بناء أكثر استدامة. تضمنت أحدث نسخة من قانون البناء الدولي، وهي المجموعة المركزية للوائح البناء في الولايات المتحدة، نوع البناء في المباني التي يصل ارتفاعها إلى 18 طابقًا، تم بناء مبنى هجين من الخشب والخرسانة مكون من 25 طابقًا قياسيًا في ولاية ويسكونسن، ويوجد في ولاية يوتا مبنى من خمسة طوابق قيد الإنشاء في دريبر.

وأضاف: “العالم كله يستيقظ. الناس سوف ينظرون إلى الوراء ويقولون: لماذا لم نبني ذلك بكمية كبيرة من الأخشاب؟”، “أعتقد أنه في العشرين عامًا القادمة، لن يكون هناك العديد من المباني التي يقل ارتفاعها عن 12 طابقًا أو ربما حتى 18 طابقًا مبنية بالفولاذ والخرسانة، لن يكون هذا ممكنًا بعد الآن، وفي المستقبل القريب، سنرى حتى ناطحات السحاب، بارتفاع أكثر من 50 طابقًا، تم بناؤها باستخدام كميات كبيرة من الأخشاب”.