ما هي السمات المقاومة للزلازل التي تمتلكها المباني ذات الهياكل الفولاذية؟

المطيلية والأداء الزلزالي لهياكل المباني الفولاذية

فهم مطيلية هياكل الصلب في المناطق الزلزالية

تُبنى المباني باستخدام الهياكل الفولاذية عادةً لتكون أكثر قدرة على التحمل أثناء الزلازل، لأن الفولاذ يمكنه الانحناء بشكل كبير قبل أن ينكسر. أما الخرسانة من ناحية أخرى، فإنها ببساطة تتشقق وتنكسر عند الاهتزاز. في الواقع، يقوم الفولاذ بامتصاص طاقة الاهتزاز من خلال الانثناء والتمدد بطريقة مضبوطة. كما أظهرت دراسة حديثة أجراها تشانغ وزملاؤه أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. فقد وجدوا أن الوصلات بين العوارض والأعمدة في الهياكل الفولاذية تحافظ على نحو 85 بالمئة من قدرتها الاستيعابية حتى بعد تمددها لما بعد الحدود الطبيعية. وهذا يجعل هذه الهياكل فعالة جدًا في تحمل جميع أنواع الحركات الناتجة عن الزلازل.

كيف تمنع اللدونة الفشل الهش أثناء الزلازل

تساعد قدرة الفولاذ على التمدد والانحناء تحت الضغط في جعل المباني المصنوعة منه تحوّل طاقة الزلزال إلى حركة فعلية بدلاً من الانهيار الكلي دفعة واحدة. فعلى سبيل المثال، أظهرت دراسة نُشرت العام الماضي أن مواد الفولاذ عالية القوة مثل Q690 يمكنها التمدد بنسبة تصل إلى حوالي 22٪ قبل أن تنكسر نهائياً. وهذا يعني أنه عندما تبدأ الأرض بالاهتزاز بقوة، فإن الفولاذ ينحني بطرق يمكننا التنبؤ بها فعلاً. وما يحدث بعد ذلك ذكيٌّ أيضاً: حيث تتحرك هياكل الفولاذ المرنة وتنقل الإجهاد بعيداً عن النقاط الأهم، وهي نقاط الاتصال الحيوية بين أجزاء المبنى المختلفة. ولهذا السبب لا نشهد كوارث كاملة في كثير من الأحيان عند استخدام الفولاذ المطاوع مقارنةً بالمواد الأكثر صلابة التي تنكسر بدلاً من أن تعطي تدريجياً.

التصميم الزلزالي القائم على الأداء باستخدام المطيلية

تشدد الشِّيَع الحديثة مثل ASCE 7-22 على التصميم الزلزالي القائم على الأداء ، حيث يقوم المهندسون بتعديل مطيلية المبنى لتناسب خطر الزلازل المحدد له. وتشمل المعاملات الرئيسية:

• نسب المطيلية (µ ≥ 6 للمناطق عالية الخطورة) لقياس قدرة التشوّه
• عوامل القوة الزائدة (Ω ≥ 3) تضمن قوة متبقية بعد الوصول إلى حد الخضوع
  أظهرت هذه المقاربة تقليل تكاليف الإصلاح بعد الزلزال بنسبة 40٪ مقارنةً بالتصاميم التقليدية (Fang وآخرون، 2022).

دراسة حالة: هياكل فولاذية عالية المطيلية في أنظمة التصميم الزلزالي في اليابان

تتطلب قانون معايير البناء لعام 2022 في اليابان استخدام فولاذ SN490B للمنشآت العالية الواقعة في المناطق المعرضة للزلازل. ويتميّز هذا النوع من الفولاذ بمقاومة خضوع تبلغ حوالي 325 ميجا باسكال، وتصل مقاومته الشدّية إلى 490 ميجا باسكال. وبعد الزلزال الهائل الذي ضرب توهوكي عام 2011، لاحظ المهندسون أمرًا مثيرًا بشأن المباني المبنية باستخدام هذا الدرجة الخاصة من الفولاذ مقارنةً بالمواد الإنشائية العادية. فقد وجدوا أن هذه المنشآت أظهرت انحرافًا متبقيًا أقل بنسبة 30 بالمئة تقريبًا بعد أحداث الاهتزاز. فلماذا يحدث ذلك؟ حسنًا، طوّر المهندسون المعماريون اليابانيون ما يُعرف بإطارات هجينة مطيلة. وتجمع هذه الأنظمة بين دعامات مقاومة للتقوس مع وصلات مقاومة للعزم في جميع أنحاء هيكل المبنى. وتفصّل الوثيقة القياسية JIS G 3136:2022 بالفعل كيفية عمل هذه العناصر معًا بالتفصيل.

أنظمة الإطارات المقاومة للعزم والإطارات المشدودة في المباني الفولاذية

مبدأ الإطارات المقاومة للعزم في تصميم المباني ذات الهيكل الصلب

غالبًا ما تعتمد المباني الفولاذية على الإطارات المقاومة للعزم (MRFs) كوسيلة رئيسية للحماية من الزلازل. يعمل هذا النظام بفضل الوصلات القوية بين الكمرات والأعمدة التي تسمح للهيكل بالانحناء بدلاً من الانهيار عند التعرض لقوى جانبية. وعند حدوث زلزال، تتيح هذه الوصلات الملحومة للمبنى التأرجح ضمن حدود تبلغ حوالي 4 بالمئة من ارتفاعه الكلي، مع الحفاظ على استقراره. ويُساعد هذا الحركة المنضبطة في امتصاص جزء كبير من طاقة الاهتزاز قبل أن تتسبب في أضرار حقيقية أو، الأسوأ من ذلك، انهيار كامل للهيكل.

الوصلات الصلبة والمرونة المنضبطة تحت الأحمال الزلزالية الجانبية

ما يجعل الهياكل المقاومة للانحناء (MRFs) تعمل بشكل جيد للغاية هو التوازن الدقيق الذي ت logه بين الصلابة والمرونة. وعند النظر إلى تفاصيل الإنشاء، فإن اللحام الكامل الاختراق مقترنًا بمسامير التثبيت عالية القوة يُشكّل وصلات تظل ثابتة نسبيًا خلال الاستخدام اليومي، ولكنها في المقابل تنكسر بطريقة مضبوطة عندما تصبح الظروف شديدة جدًا. وفقًا لبعض المحاكاة الحديثة التي أجراها اتحاد المهندسين الإنشائيين في كاليفورنيا عام 2023، فإن المباني المزودة بهذا النوع من الأنظمة تتعرض إلى ذروات إجهاد أقل بنسبة تتراوح بين 25 إلى 40 بالمئة مقارنة بالإطارات الخرسانية التقليدية أثناء الأحداث الكبرى. هذا الفارق الكبير في الأداء له أهمية كبيرة بالنسبة للسلامة الإنشائية على المدى الطويل.

أقواس مقاومة الانبعاج (BRBs) والتفتت الطاقي في الإطارات المدعمة

تحسّن عناصر المقاومة بالانحناء (BRBs) الهياكل المرتكزة من خلال دمج لب فولاذي يُستخدم في امتصاص الطاقة مع غلاف مملوء بالخرسانة يمنع حدوث الانبعاج. خلال زلزال توهوكو 2011، سجّلت المباني المجهّزة بعناصر BRB هبوطًا متبقٍ أقل بنسبة 60٪ مقارنةً بالمبنية باستخدام الدعامات التقليدية. كما أن الأعمدة القياسية القابلة للاستبدال في هذه العناصر تسهّل عمليات الإصلاح بعد وقوع الكوارث، مما يحسّن الكفاءة التكلفة والقدرة على الصمود.

المزايا التصميمية للإطارات ذات الدعامات غير المركزية (EBF) من أجل الاستجابة المطيلة

توضع الدعامات في الإطارات ذات الدعامات غير المركزية (EBFs) بشكل غير مركزي لتكوين مناطق مخصصة تشبه "الصمامات" تتعرض للتشوه اللدن أثناء النشاط الزلزالي، مما يحمي المفاصل الإنشائية الحرجة. وفقًا لمجلس التكنولوجيا التطبيقية (2023)، تقلل أنظمة EBF تكاليف الإصلاح بنسبة تتراوح بين 30٪ و50٪ بعد الزلازل المتوسطة مقارنةً بالتصاميم التي تعتمد فقط على الإطارات المقاومة للعزم (MRF)، ما يوفر تحكمًا أفضل في الأضرار وفوائد اقتصادية.

دراسة حالة: تنفيذ عناصر المقاومة بالانحناء (BRB) في تايبيه 101

يقف برج تايبيه 101 الأيقوني البالغ ارتفاعه 508 أمتار، ويضم شيئًا فريدًا إلى حد ما في تصميمه. يحتوي المبنى فعليًا على 16 نظام دعم خاص يُعرف باسم الدعامات المقاومة للانبعاج، موزعة على ثمانية طوابق مختلفة. وقد تم تركيب هذه العناصر تحديدًا لمساعدته على مقاومة رياح الإعصار القوية، وكذلك لحمايته من هزات الزلازل. وبعد إضافة هذه التعزيزات، أظهرت الاختبارات نتائج مثيرة للإعجاب. فقد انخفضت الحركة الناتجة عن الرياح بنسبة حوالي 35٪، في حين انخفضت كمية الطاقة الزلزالية التي تصل إلى الأشخاص داخل المبنى بنحو النصف، أي بنسبة 50٪. ويشير هذا إلى مدى فعالية أنظمة BRB في جعل المباني الفولاذية الشاهقة أكثر استقرارًا خلال الظروف الجوية المتطرفة، وفقًا لأبحاث مركز تايوان للهندسة الزلزالية الصادرة عام 2022.

تقنيات امتصاص الطاقة والوقاية من الأضرار

مخففات الشقوق، ومخففات اللوحات القصية، ومشابك هيكلية في المباني الفولاذية

غالبًا ما تحتوي الهياكل الفولاذية اليوم على تقنيات متقدمة لاستهلاك الطاقة، تشمل أشياء مثل مخففات الشقوق، واللوحات القصية، والصمامات الهيكلية المصنوعة من مواد فولاذية عالية المطيلية. ما يجعل هذه المكونات ذات قيمة كبيرة هو قدرتها على امتصاص الطاقة الزلزالية عندما تنثني بطريقة مضبوطة، مما يساعد في حماية الأجزاء الرئيسية الحاملة للوزن في المبنى. تشير الأبحاث إلى أن الأنظمة المصممة بشكل صحيح يمكنها بالفعل تحمل نحو 70 بالمئة من القوة الناتجة أثناء الزلازل قبل أن تصل تلك القوى إلى المكونات الإنشائية المهمة. وقد دفع هذا النوع من الأداء العديد من المهندسين إلى اعتماد هذه الحلول في مشاريع البنية التحتية الحرجة التي تحتاج إلى تضخيم هامش الأمان.

الصمامات القابلة للتبديل وكفاءة الإصلاح بعد الزلزال

تحدد المصهرات الهيكلية الضرر في مكونات تم تصميمها مسبقًا ويسهل استبدالها، مما يسرع بشكل كبير من عملية الاستعادة. في مشاريع التطوير الحديثة في كاليفورنيا، قللت المباني المجهزة بمصهرات قابلة للاستبدال من الجدول الزمني لإعادة الفتح بنسبة 58%. تسمح التصاميم الوحدوية باستبدال الوحدات التالفة خلال ساعات، مما يقلل من تعطل العمل والتعقيدات الإصلاحية إلى الحد الأدنى.

أنظمة ذاتية المركز تقلل من الانحراف المتبقي في الهياكل الفولاذية

تعمل أنظمة التمركز الذاتي من خلال دمج كابلات فولاذية مشدودة مسبقاً مع سبائك ذاكرة الشكل الخاصة التي نسميها SMAs. تساعد هذه الأنظمة المباني على العودة إلى موقعها الأصلي بعد وقوع زلزال. وفقاً للبحث الذي نشرته جامعة نيفادا في عام 2023، تحافظ هذه الأنظمة على عدم انحراف المباني أكثر من نصف بالمئة بعد انتهاء الاهتزازات، ما يعني استمرار عمل المصاعد بشكل صحيح وبقاء واجهات المباني سليمة دون تلف. ما الذي يجعل ذلك ممكناً؟ إن التوتر الموجود في الكابلات الفولاذية بالإضافة إلى كيفية تغير سبائك الذاكرة الشكلية (SMAs) لشكلها عند التسخين أو التبريد يُنشئ نوعاً من الزر الداخلي لإعادة الضبط للهياكل، مما يجعلها أكثر قدرة على العمل بمرور الوقت رغم الاهتزازات المتكررة.

بصيرة بيانات: انخفاض بنسبة 40٪ في التشوهات بعد الزلزال باستخدام الصمامات الوقائية (NIST، 2022)

أظهرت اختبارات أجرتها المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا أن الهياكل الفولاذية المزودة بمشابك تالفة تُعرضت لتشوه دائم أقل بنسبة 40 بالمئة تقريبًا مقارنة بالتصاميم التقليدية. والسبب؟ تتمركز عمليات الربط البلاستيكية في أجزاء قابلة للاستبدال محددة بدلاً من انتشار الضرر عبر البنية بأكملها، وبالتالي يبقى الهيكل الرئيسي مرنًا حتى بعد التعرض لإجهاد شديد. وعندما قام الباحثون بمحاكاة ما يحدث أثناء زلزال بقوة 7.0 درجات في ظروف معملية، اكتشفوا أمرًا مثيرًا للغاية أيضًا: كانت هذه المباني تحتاج إلى إصلاحات أقل بنحو الثلثين مقارنةً بالنماذج القياسية. هذا النوع من الفروق يجعلها أكثر متانة على المدى الطويل ويوفّر المال على تكاليف الصيانة مستقبلًا.

عزل القاعدة والمواد الذكية في الهياكل الفولاذية الحديثة

أنظمة عزل القاعدة للانفصال الزلزالي في المباني الفولاذية

تعمل أنظمة العزل القاعدي على فصل الجزء العلوي من المبنى عن الاهتزازات الناتجة عن الزلازل. وعادةً ما تستخدم هذه الأنظمة طبقات من المطاط أو ألواح انزلاقية يمكنها امتصاص نحو 80 بالمئة من طاقة الزلزال وفقًا لأبحاث معهد أبحاث هندسة الزلازل عام 2023. ويساعد النظر إلى أمثلة من الواقع في فهم هذا المفهوم بشكل أفضل. عندما درس الباحثون مباني صناعية تقع في مناطق عرضة للزلازل، اكتشفوا أمرًا مثيرًا للاهتمام. فقد أظهرت المباني المجهزة بنظم العزل هذه تضررًا أقل بنسبة 68% تقريبًا في هيكلها مقارنة بالمباني العادية التي لا تمتلك مثل هذه الحماية. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا من حيث السلامة وتكاليف الإصلاح بعد حدوث زلزال.

السبائك ذات الذاكرة الشكلية (NiTi SMA) في تصميم الفولاذ المقاوم للزلازل

تُمكّن سبائك النيكل-تيتانيوم ذات الذاكرة الشكلية، والمعروفة بشكل شائع باسم NiTi SMA، أجزاء الفولاذ من العودة إلى شكلها الأصلي بعد تشوهها أثناء الزلازل. يمكن لهذه المواد تحقيق ما يقارب 94٪ من استعادة الشكل حتى عند تمديدها بنسبة تصل إلى 6٪. وقد بدأ المهندسون في دمج هذه المواد الذكية في وصلات العوارض بالأعمدة، حيث تساعد في إبقاء المباني صامدة مع تقليل الأضرار الدائمة الناتجة عن الهزات. وتشير العديد من كودات البناء الرائدة للمناطق الزلزالية الآن إلى استخدام تعزيزات SMA في المناطق المعرضة للهزة، وهي ممارسة أصبحت قياسية وفقًا للتحديثات الحديثة في مواصفات المواد الذكية عبر صناعات البناء.

دمج أجهزة الاستشعار وتكنولوجيات التخميد التكيفية

تستخدم المباني الفولاذية المتقدمة أجهزة استشعار الاهتزاز المقترنة بمثبطات نصف نشطة تقوم بتعديل درجة الصلابة في الوقت الفعلي. تستجيب هذه الأنظمة للحركة الزلزالية خلال 0.2 ثانية، مما يحسّن تبدد الطاقة. وتحلل خوارزميات التعلّم الآلي بيانات المستشعرات للتنبؤ بتجمعات الإجهاد وإعادة توزيع الأحمال بشكل استباقي أثناء تسلسلات الاهتزاز الممتدة، ما يعزز المرونة الشاملة.

الأسئلة الشائعة

1. ما المقصود باللدونة، ولماذا هي مهمة في الهياكل الفولاذية أثناء الزلازل؟
تشير اللدونة إلى قدرة المادة على الخضوع لتشوه كبير قبل الفشل. في الهياكل الفولاذية، تسمح اللدونة بالانحناء والتمدد أثناء حدوث الزلزال، مما يؤدي إلى تبديد الطاقة ويمنع الفشل الهش.

2. كيف تستفيد المباني الفولاذية من الإطارات المقاومة للعزم (MRFs) أثناء الأحداث الزلزالية؟
توفر الهياكل المقاومة للانحناء (MRFs) اتصالات قوية بين الكمرات والأعمدة، مما يسمح بالانحناء المتحكم فيه أثناء الزلازل. هذه المرونة تمتص طاقة الاهتزاز وتقلل من الأضرار، مع الحفاظ على سلامة المبنى الإنشائية.

3. ما هي العناصر المقاومة للانبعاج (BRBs) وما دورها في البناء؟
تتكون العناصر المقاومة للانبعاج (BRBs) من نواة فولاذية وغلاف خرساني يمنع الانبعاج. وتساعد في تبدد الطاقة في الهياكل المشدودة، وتقليل الانحراف المتبقي أثناء الزلازل، وتُسهّل إصلاحات ما بعد الحدث.

4. كيف تساعد أنظمة العزل القاعي في المناطق المعرضة للزلازل؟
تفصل أنظمة العزل القاعي هيكل المبنى عن النشاطات الزلزالية باستخدام طبقات مطاطية أو زلقة. وهي تمتص جزءًا كبيرًا من طاقة الزلزال، مما يقلل من الأضرار المحتملة للهيكل.