البناء بالأكياس الترابية

هي تقنية بناء طبيعية مُستمدة من تقنيات بناء المخابئ العسكرية التاريخية وأساليب بناء السدود المؤقتة للتحكم في الفيضانات . تتطلب هذه التقنية مواد بناء بسيطة للغاية: أكياس متينة مملوءة بمواد عضوية متوفرة عادةً في الموقع.

تتميز مواد حشو الأكياس الترابية القياسية بثباتها الداخلي. ويُستخدم إما تربة رطبة تحتوي على كمية كافية من الطين لتتماسك عند دكها، أو حصى زاوي مقاوم للماء أو صخور بركانية مطحونة . تُبنى الجدران تدريجياً بوضع الأكياس في صفوف، مما يُشكل نمطاً متداخلاً يُشبه بناء الطوب .

يمكن أن تكون الجدران منحنية أو مستقيمة، مقببة بالتراب أو مغطاة بأسقف تقليدية . توفر الجدران المنحنية ثباتًا جانبيًا جيدًا، مما يشكل غرفًا دائرية و/أو أسقفًا مقببة مثل الإيغلو .

تحتاج المباني ذات الجدران المستقيمة التي يزيد طولها عن 5 أمتار (16.4 قدمًا) إلى جدران متقاطعة أو دعامات تقوية. توجد معايير دولية لأحجام جدران التقوية والمسافات بينها في الإنشاءات الترابية في مختلف مناطق المخاطر الزلزالية، وأبرزها معايير الأداء في نيوزيلندا ^{[ 1 ]} الموصى بها من قبل معايير البناء الترابي الصادرة عن الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM International ) ^{[ 2 ]} . تُظهر اختبارات القص الساكن أن أكياس التراب يمكن أن تصل إلى قوى مماثلة لمعايير الطوب اللبن المقوى في نيوزيلندا، وذلك باستخدام قوى تربة محددة وتدعيم معين ^{[ 3 ]،} على الرغم من أن أكياس التراب غير المقواة في التربة الضعيفة قد تكون أقل مقاومة للقص من الطوب اللبن غير المقوى.  

لتحسين الاحتكاك بين الأكياس وقوة شد الجدار، يُوضع عادةً سلك شائك بين الصفوف. كما يُستخدم الخيط أحيانًا لربط الأكياس ببعضها، ولتثبيت الهياكل قيد الإنشاء معًا، ولضمان ثبات الصفوف على شوكات السلك الشائك. ^{[ 4 ]} ويمكن دقّ قضبان التسليح في الجدران لتقوية الزوايا وحواف الفتحات، ولتوفير مقاومة ضد الانقلاب.

تُغطى البنية عادةً بالجص ، إما جص أسمنتي على طبقة شبكية متينة أو جص طيني أو جيري، لتصريف المياه ومنع تلف الأقمشة بفعل الأشعة فوق البنفسجية. وتختلف التشطيبات باختلاف التطبيقات، من التطبيقات الداخلية المحمية إلى التطبيقات الخارجية المكشوفة.

تُعدّ هذه التقنية الإنشائية من أكثر أساليب البناء الطبيعية تنوعًا، ويمكن استخدامها في بناء المقاعد، والجدران القائمة بذاتها، والملاجئ الطارئة ، والمساكن المؤقتة أو الدائمة ، أو الحظائر والمباني التجارية. ويُفضّل استخدام أكياس الرمل في العديد من المنشآت المؤسسية الصغيرة والمتوسطة الحجم في الدول النامية. ويمكن بناء هياكل الأساسات، بما في ذلك المساكن تحت الأرض والمساكن المحاطة بسواتر ترابية (مثل منازل الأرض )، والخزانات ، وصناديق الينابيع ، وأقبية تخزين المحاصيل، والجدران الاستنادية، باستخدام تربة مُثبّتة أو مع تدعيم إضافي وحشو من الحصى أو الرمل المقاوم للماء.

على الرغم من أن جوزيف كينيدي هو على الأرجح من ابتكر مصطلح "البناء بالأكياس الترابية" (وكذلك "البناء بالتربة المحصورة")، إلا أن باولينا فويتشوفسكا ألّفت أول كتاب حول موضوع البناء بالأكياس الترابية عام ٢٠٠١ بعنوان " البناء بالتربة: دليل للبناء بالأكياس الترابية ذات القوالب المرنة ". وقد طوّرت كيلي هارت قاعدة بيانات ضخمة على الإنترنت تضم معلومات عن الأكياس الترابية، مما شجع على تبادل الأفكار. وعملت كاكي هنتر ودوني كيفماير على مشاريع متنوعة بعد دراستهما مع خليلي، وأطلقتا على الأكياس الترابية اسم "التربة المدكوكة ذات القوالب المرنة". كتابهما الصادر عام ٢٠٠٤ بعنوان " البناء بالأكياس الترابية: الأدوات والحيل والتقنيات " متوفر ككتاب إلكتروني. ^{[ ٥ ]}

قام مؤلفون مختلفون، من بينهم أوين جايجر وباتي ستوتر، بتطوير كتيبات إلكترونية مجانية. تتضمن هذه الكتيبات أبحاثاً هيكلية وتقنيات اختبار ميدانية مصممة للمناطق الريفية. ^{[ 6 ]}

يقدم كتاب إلكتروني صدر عام 2011 من تأليف جايجر بعنوان " دليل بناء الجدران الترابية: الجدران العمودية خطوة بخطوة" ، صوراً توضيحية للعملية ومناقشات حول التقنيات الجديدة للمناطق منخفضة المخاطر. ^{[ 7 ]}

قام العديد من الأشخاص، مثل أكيو إينوي من جامعة تينري في اليابان وسكوت هوارد من شركة إيرثن هاند، باختبار وبناء مبانٍ. وشجع هارت، بالتعاون مع جايجر، ^{[ 8 ]} على تطوير استخدام أكياس الرمل في البناء بأشكال مختلفة تتناسب مع السياقات الثقافية والمناخية. بنى روبرت شير منزلًا مستوحى من تصميم "إيرث شيب" باستخدام أكياس الرمل في ولاية يوتا، كما تعمل مورغان كارواي من مدرسة الحياة المستدامة على بناء منزل يدمج مبادئ تصميم "إيرث شيب".

بينما قام غيرنوت مينكه، الأستاذ الألماني للعمارة الطينية، بتطوير تقنية استخدام الأكياس المملوءة بالخفاف لبناء الجدران، ساعد المهندس المعماري والبنّاء نادر خليلي في إعادة تقديم تقنية البناء بالأكياس الترابية كتقنية حديثة تسمى "سوبر أدوبي" لأغراض إنسانية (خاصة للمباني السكنية) وكذلك للسيطرة الطبيعية على الفيضانات. ^{[ 9 ]}

قام الدكتور جون أندرتون من جنوب إفريقيا باختبار نسخة من الكيس ثلاثي القنوات يقلل من مشاكل الانهيار المتأصلة في مواد الحشو غير المتماسكة مثل الرمل، ^{[ 10 ]} وقام بريادة العمل في نظام رملي محصور بجدار ضيق يطلق عليه اسم E-khaya.

كان فرناندو باتشيكو من البرازيل رائدًا في استخدام أنابيب شبكية من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) أخف وزنًا لجدران الطوب اللبن المبسطة. ^{[ 11 ]}

شملت عمليات إعادة الإعمار بعد الكوارث الطبيعية وفي المناطق ذات الدخل المنخفض حول العالم استخدام الأكياس الترابية. ورغم أن الجدران الترابية الثقيلة عادةً ما تكون خطيرة أثناء الزلازل، إلا أن زلازل نيبال في ربيع عام 2015 أبقت المباني المبنية بالأكياس الترابية في حالة جيدة بالقرب من المباني المدمرة.

وضع المهندس نبيل طه أول مواصفات عامة لنوع من أنواع التسليح الخارجي المناسب للمناطق الأكثر عرضة للزلازل. ^{[ 12 ]} وقد اختبر العديد من طلاب الهندسة أكياس الرمل غير المعالجة أو ذات المقاومة المنخفضة، كما اختبرت مؤسسة "بيلد سيمبل" الجدران المتماسكة المعالجة. ^{[ 13 ]} وتعمل المنظمات العاملة في مجال البناء في نيبال حاليًا مع المهندسين لتحسين وتطوير خيارات التسليح لأكياس الرمل المقاومة للزلازل.

يُعد البولي بروبيلين ذو النسيج المتين الأكثر شيوعًا، وهو متوفر في جميع أنحاء العالم لنقل الأرز أو الحبوب الأخرى. يتميز البولي بروبيلين بانخفاض تكلفته ومقاومته للتلف الناتج عن الماء والعفن والحشرات . غالبًا ما تُباع الأنابيب من قِبل الشركات المصنعة التي تقوم بخياطتها على شكل أكياس. كما تُستخدم أنابيب شبكية مصنوعة من ألياف بولي ناعمة محبوكة بالكروشيه، على الرغم من إمكانية استخدام أكياس شبكية صلبة مبثوقة أو أكياس شبكية منسوجة.

يمكن استخدام مواد عضوية/طبيعية مثل القنب والخيش (مثل " أكياس الخيش "). ونظرًا لأن هذه المواد قد تتعفن ، فينبغي استخدامها فقط مع مواد حشو متماسكة (تحتوي على نسبة كبيرة من الطين) تُشكّل كتلًا صلبة عند دكّها.

أصبحت تقنية الأكياس الترابية الآن مجموعة متنوعة من التقنيات. ولكل نوع من أنواع الردم والحاويات متطلبات قوة وتدعيم مختلفة.

في المواقع الخطرة، يلزم استخدام مصطلحات دقيقة. تعتمد تقنية التربة المحصورة (CE) على التقنية الأصلية، ولكن مع اختيار خصائص التربة والتقوية المناسبة لمستويات الخطورة. تستخدم هذه التقنية تربة رطبة ومتماسكة ومضغوطة في أكياس، تلتصق بقوة بالأسلاك الشائكة وغيرها من مواد التقوية أثناء تصلب الجدار.

لا يُعدّ البناء بالرمل المحصور (CE) مجرد "أكياس رمل". يستخدم البناء بالرمل المحصور (CS) رملًا أو أي مادة رديئة جافة جدًا أو ضعيفة التماسك، تؤدي وظيفة هيكلية مشابهة لأكياس الرمل. يجب بناء جدران CS باستخدام أكياس قماشية متينة النسيج، مع توفير حماية جيدة من تلف القماش، حيث يعتمد البناء على قوة نسيج الكيس في تقوية الجدران. ^{[ 14 ]} يحتاج CS إلى تدعيم رأسي أكبر لمقاومة القص والانحناء خارج مستوى الجدار مقارنةً بالبناء بالرمل المحصور، أو قد يتطلب غلافًا هيكليًا. يستخدم بعض البنائين أكياسًا ضيقة من الرمل المحصور كحشو للجدران.

يستخدم نظام الحصى المحصور (CG) أي ركام أكبر من الرمل الخشن، وعادةً ما يكون في أكياس أرز مزدوجة، على الرغم من إمكانية استخدام شبكة قوية. يحد نظام الحصى المحصور من انتقال الرطوبة من الأساسات.

يُبنى نظام البناء المعياري (CE) داخل أكياس الحبوب أو أنابيب مماثلة. وتعتمد الجدران على التثبيت بين أسلاك شائكة و/أو دبابيس إضافية بين الصفوف. أما نظام البناء الصلب (CE) فهو عبارة عن طوب طيني فائق الكثافة يُبنى داخل نوع من أنابيب شبكية محبوكة ، بحيث يتصلب الطين الرطب بين الصفوف.

بشكل عام، تُستخدم المواد غير العضوية كحشو، ولكن يمكن استخدام بعض المواد العضوية (مثل قشور الأرز) إذا كانت هناك مادة أساسية قوية مثل شبكة الأسلاك تدعم الجص.

قد تحتوي التربة الردمية على نسبة طين تتراوح بين 5 و50%، ويمكن أن تكون من "النفايات الناعمة"، أو "طبقة أساس الطريق"، أو "الردم الهندسي"، أو التربة التحتية المحلية. تتصلب التربة "الخام" أو غير المستقرة كوحدات صلبة، لكنها لا تتحمل التشبع بالماء لفترات طويلة. تتشكل التربة التحتية الطينية بإحكام وتلتصق جيدًا بأطراف الأسلاك الشائكة وقضبان التسليح.

يمكن أن تحتوي التربة المستخدمة في الردم على نسبة عالية من الركام، شريطة أن يتم دكها وتصلبها جيداً. يمكن استخدام الزجاجات المسحوقة أو الأنقاض الصلبة أو النفايات البلاستيكية، ولكن الخلطات الغنية بالركام قد تعيق إدخال حديد التسليح.

يمكن للرمال وغبار الحجر والحصى أن تتحمل ظروف الفيضانات المطولة، لكن معظمها يتطلب دعامات خاصة أثناء البناء، بالإضافة إلى نوع من الغلاف الهيكلي. قد يكون ردم الرمل مناسبًا لعدة طبقات لتوفير قاعدة بناء ماصة للاهتزازات، ولكنه يصبح غير مستقر في الأكياس العادية التي يزيد ارتفاعها عن 60-100 سم (24-39 بوصة) .  

يمكن أن تُسهم معالجة التربة الطينية بالأسمنت أو الجير أو البيتومين في جعلها أكثر مقاومة للفيضانات، أو في استخدام الرمال في الأكياس التقليدية ذات الطبقة الخارجية غير الإنشائية. ونظرًا لأن سماكة جدران الأكياس الترابية تبلغ عادةً 38 سم (15 بوصة)، فإنها تتطلب كمية كبيرة من المُثبِّت.  

تُعدّ خصائص العزل الحراري مهمة في المناطق ذات المناخات شديدة الحرارة. وترتبط قيمة العزل الحراري للمادة ارتباطًا مباشرًا بمساميتها وسُمك الجدار. وتُعطي الصخور البركانية المسحوقة ، أو الخفاف ، أو قشور الأرز قيمة عزل حراري أعلى من الطين أو الرمل. ولا يُنصح باستخدام المواد العضوية غير المعالجة القابلة للتحلل كجزء من الجدار الإنشائي، مع إمكانية استخدامها كحشو.

قامت شركة United Earth Builders بتجربة استخدام طين القش الخفيف في أنابيب شبكة الطوب اللبن لتشكيل طبقة  بسمك 200 مم (8 بوصات) خارج القبة. ^{[ 15 ]}

تُساهم الخصائص الحرارية للطوب الطيني في تخفيف تقلبات درجات الحرارة في المناطق ذات المناخات التي تشهد تقلبات كبيرة في درجات الحرارة بين الليل والنهار. هذا التأثير الحراري يجعل الجدران الطينية الضخمة مثالية للمناخات المعتدلة أو الحارة والجافة. كما يتميز الطين أو الرمل بخصائص ممتازة في الاحتفاظ بالحرارة، وعند عزلهما بشكل صحيح عن الجدران الخارجية للمنزل، يمكن استخدامهما ككتلة حرارية في تصميم المباني الشمسية السلبية في المناخات الباردة، مما يحافظ على استقرار درجات الحرارة الداخلية على مدار العام.

يمكن بناء الجدران الصلبة باستخدام أسلاك شائكة أقل في المناطق منخفضة الخطورة، لأن الجدران تتصلب بين الطبقات. أما الجدران الترابية المصنوعة من أكياس أو أنابيب منسوجة، فتحتاج إلى أسلاك شائكة في جميع مستويات المخاطر الطبيعية، نظرًا لأن أسطح الأكياس زلقة. ولا تُسهم المسامير بين الطبقات في زيادة قوة الجدران بشكل ملحوظ. ^{[ 16 ]} تتميز جدران الأكياس الترابية المزودة بأسلاك شائكة بمرونة أكبر من جدران الطوب اللبن، وقد تقاوم الانهيار عند تصميمها بعناية.

قد تصل مقاومة القص للجدران المبنية من تربة ضعيفة بدون تسليح إلى نصف مقاومة جدران الطوب اللبن غير المدعم، والتي تتضرر بسهولة في الزلازل. تسمح مواصفات البناء في نيوزيلندا للجدران غير المدعمة من الطوب اللبن بتحمل قوى تصل إلى 0.6 g (وهي قيمة مماثلة لقيمة Ss لاحتمالية تجاوز 2% خلال 50 عامًا)، ولكن الجدران المبنية من التربة تحتاج إلى تربة أقوى لتحقيق هذه المقاومة. وقد تجاوزت مقاومة الجدران المبنية من التربة في نيبال هذه القيمة قليلاً، حيث قاومت قوى تزيد عن 0.7 g في أوائل عام 2015. ^{[ 17 ]} وقد قاومت القباب التي تم اختبارها في كاليفورنيا قوى تصل إلى 1 g تقريبًا، وذلك بفضل شكلها المستقر الذي يقل قطره عن 7 أمتار (23 قدمًا) . ^{[ 18 ]}  

قد لا تقاوم تقنيات بناء الأكياس الترابية الحالية، التي تعتمد على إدخال قضبان التسليح غير المثبتة بالقاعدة وتداخلها دون وصل، سوى 1.2 غرام أو أقل، حتى مع استخدام تربة شديدة الصلابة. لذا، يلزم استخدام تسليح خاص.

تتمتع الخرسانة المسلحة الصلبة للتربة القوية بمقاومة قص ومقاومة خارج المستوى أعلى من الخرسانة المسلحة المعيارية. ^{[ 19 ]} وقد يسمح ذلك أيضًا باستخدام شبكة للتسليح الأفقي بالإضافة إلى الأسلاك الشائكة أو بدلاً منها.

قد يكون استخدام الحصى أو الرمل المحصور في الجدران هو الأمثل، مع لفّ الأسلاك حول جوانب الأجزاء المستقيمة من الجدران، بالتناوب مع لفّ الأسلاك الشائكة أسفل وفوق نفس الأجزاء المستقيمة في الصف التالي. قد تحتاج الجدران الأساسية للخرسانة المسلحة في المناطق عالية الخطورة إلى دعامات إضافية عند مستوى الأساس، حيث لا يستطيع البناؤون تحمّل تكلفة استخدام عوارض أو قواعد خرسانية مسلحة. يمكن ملء أنبوب شبكي بلاستيكي أضيق، يُستخدم عادةً للتحكم في التعرية، بالحصى للسماح بوضع عارضة حلقية خرسانية مسلحة بنصف العرض أسفل الجدران العريضة.

يمكن تشكيل السقف عن طريق إمالة الجدران تدريجيًا نحو الداخل لبناء قبة. ويمكن بناء الأسقف المقببة على قوالب. أو يُستخدم جسر ربط أسفل نوع السقف التقليدي. وقد تكون هناك حاجة إلى أسقف هرمية أو جمالونات جملونية أو عوارض خشبية لتقليل الضغط الخارجي على الجدران الترابية.

تُعد القباب الترابية غير مكلفة في البناء، لكن عزلها ضد الماء أمر معقد أو مكلف في المناطق الرطبة.

يمكن تشكيل النوافذ والأبواب باستخدام عتبة حجرية تقليدية أو بتقنيات الكوربلينغ أو الأقواس الطوبية ، على قوالب مؤقتة. كما يمكن إدخال الضوء عن طريق المناور أو الأنابيب ذات الأغطية الزجاجية أو الزجاجات الموضوعة بين صفوف الطوب أثناء البناء.

يُغطى الجدار لحماية الأكياس من أضرار الأشعة فوق البنفسجية أو الرطوبة باستخدام الجص الإسمنتي أو الجير أو الطين . أما إذا كانت الجدران من الطين الخام، فيُستخدم مزيج من الطين والقش لملء الفراغات بين الأكياس أو الصفوف، ثم يُوضع طبقة نهائية من الجص.

تُعدّ بروزات السقف مفيدة لتقليل متطلبات عزل الجص ضد ​​الماء ، على الرغم من أن الجص الموجود على الجدران السفلية قد يكون أقوى وأكثر مقاومة للماء من الجص الموجود على الجدران العلوية.

تستخدم بعض المباني "سقفًا حيًا" مزروعًا بالتربة ("سقفًا أخضر") لتغطية الهيكل، بينما تستخدم مبانٍ أخرى إطارًا وسقفًا أكثر تقليدية موضوعًا فوق جدران من أكياس التراب.