الطريقة التي ينثني بها الفولاذ بدلاً من أن ينكسر تجعله مناسبًا جدًا للمناطق التي تحدث فيها الزلازل بشكل متكرر. فالمواد الهشة تنكسر ببساطة عند التعرض للإجهاد، لكن الفولاذ يتمدد فعليًا ويمتص طاقة الاهتزاز من خلال ما يُعرف لدى المهندسين بالانحناء المتحكم فيه. تستفيد تصميمات المباني الحديثة من هذه الخاصية باستخدام عناصر مثل الإطارات المقاومة للعزم وأنظمة التدعيم المركزي التي تساعد في توزيع القوى عندما تتحرك الأرض. على سبيل المثال، أنظمة العزل القاعدي التي تُثبت بين المبنى وأساسه. وقد أثبتت هذه الأنظمة أنها تقلل الحركة الجانبية بنسبة تقارب ثلاثة أرباع في المناطق المعرضة للزلازل مثل اليابان وأجزاء من كاليفورنيا، حيث نجت المباني من هزات كبيرة بفضل هذه الابتكارات.
يمكن للأطر الفولاذية المطيلة أن تمتص وتوزع الطاقة فعليًا عند حدوث الزلازل، مما يمنع انهيارها دفعة واحدة. تعني فكرة التكرار إدخال طرق دعم إضافية بحيث يظل الهيكل بأكمله قائمًا حتى عند تلف بعض أجزائه. وفقًا لأبحاث منشورة في وثيقة FEMA رقم P-750، فإن المباني المصنوعة باستخدام هذه الأطر الفولاذية المرنة لديها فرصة أقل بثلثين في الانهيار مقارنةً بتلك المبنية بالخرسانة الصلبة. تصبح هذه الشبكة الأمنية مهمة جدًا في المناطق المحيطة بحلقة النار في المحيط الهادئ، حيث تتعرض المباني مرارًا وتكرارًا لهزات أرضية متتالية بعد الزلازل الكبرى.
| المعايير | الهياكل الفولاذية | الهياكل الخرسانية |
|---|---|---|
| الوزن | أخف بنسبة 60% | ثقيلة، وتزيد الحمل الزلزالي |
| إمكانية الإصلاح | أضرار محلية؛ إصلاحات سهلة | الفشل الكارثي شائع |
| تبدد الطاقة | مرتفع (عن طريق الانحناء) | منخفض (كسر هش) |
تقلل طبيعة الفولاذ الخفيفة من القوى القصورية أثناء الاهتزاز، في حين أن صلابة الخرسانة تؤدي في كثير من الأحيان إلى أضرار مكلفة ولا يمكن إصلاحها. وأظهرت التقييمات بعد الزلزال في تركيا (2023) أن المباني ذات الهياكل الفولاذية تكبدت تكاليف إصلاح أقل بنسبة 40% مقارنةً بنظيراتها من الخرسانة.
ال FEMA P-750 تؤكد المبادئ التوجيهية على تفوق الفولاذ، وتبين أن الهياكل المرنة المصممة بدقة تقلل احتمالات الانهيار من 1 لكل 50 إلى 1 لكل 167 خلال الزلازل الكبرى. وهذا يتماشى مع المعايير العالمية مثل ASCE 7-22، التي تعطي أولوية لقدرات الفولاذ على التخميد الاسترخي في المنشآت الحيوية الواقعة في المناطق النشطة زلزاليًا.
غالبًا ما تستخدم مباني الصلب المقاومة للزلازل في يومنا هذا ما يُعرف بالتصميم القائم على الأداء أو PBD باختصار. يضمن هذا النهج أن تكون الهياكل قادرة فعليًا على الأداء حسب الحاجة عند حدوث الهزات، مع الالتزام بمعايير السلامة المحددة واستمرار العمليات بشكل سلس. إن التعليمات البرمجية التقليدية للبناء لا تفعل سوى إخبار المهندسين بما يجب فعله خطوة بخطوة، لكن التصميم القائم على الأداء يتبع منظورًا مختلفًا. فهو ينظر إلى مدى الأضرار المقبولة أثناء الزلازل مع السماح للمبنى بالعمل بشكل صحيح في الوقت نفسه. فكّر في أماكن مثل المستشفيات التي يحتاج الناس فيها إلى الرعاية حتى بعد وقوع زلزال، أو مراكز البيانات التي يجب أن تبقي الخوادم متصلة بالإنترنت بغض النظر عن الظروف. تشير دراسات أجرتها عدة شركات هندسية إلى أن استخدام التصميم القائم على الأداء يمكن أن يقلل من تكاليف الإصلاح بنسبة تقارب 40 بالمئة مقارنةً بالتقنيات القديمة. تأتي هذه التوفيرات من اختيار مواد أكثر ذكاءً دون المساس بالسلامة، وهي نتيجة مثيرة للإعجاب للغاية إذا أخذنا في الاعتبار المخاطر المرتبطة بالأحداث الزلزالية.
إن طريقة تعامل المباني مع قوى الزلازل تعتمد بشكل كبير على وجود مسارات تحميل مستمرة تمتد من السقف حتى مستوى الأساس. وتُحقَّق المباني الفولاذية هذا الشرط أساسًا من خلال هياكل مقاومة العزوم إضافةً إلى جدران القص الموضعية عند نقاط رئيسية في جميع أنحاء المبنى للتحكم في الاهتزازات الجانبية. وبالنسبة للمباني المرتفعة خاصةً، ظهر اهتمام متزايد بالأساليب الهجينة التي تجمع بين الهياكل المدعمة التقليدية وجدران القص الفولاذية الصفيحية. ويمكن لهذه التركيبات أن تزيد من صلابة الهيكل بنسبة تتراوح بين 25٪ و35٪، مما يُحدث فرقًا كبيرًا أثناء حدوث زلازل شديدة. ومع ذلك، فإن التفاصيل الدقيقة تُعد أمرًا بالغ الأهمية، إذ يمكن لأخطاء بسيطة في كيفية اتصال هذه المكونات أن تُضعف فعاليتها عند حدوث نشاط زلزالي حقيقي.
يقوم التصميم الزلزالي الفعّال على تحقيق توازن بين ثلاثة مبادئ:
تتيح المرونة الطبيعية للصلب حدوث تشوه بلاستيكي محكوم عند الوصلات، مما يمتص الطاقة الزلزالية دون فشل مفاجئ. كشف تحليل أُجري في عام 2023 على هياكل تم ترقيتها أن دمج عناصر الدعم المقاومة للتقوس يحسن امتصاص الطاقة بنسبة 50٪ مقارنةً بالتصاميم التقليدية.
تُعد الميزات المتقدمة مثل أجزاء الفيوز القابلة للتبديل عاملًا يعزز بالتأكيد من قدرة المباني على مقاومة الزلازل، لكن ما يقارب ثلثي المقاولين لا يزالون يعارضون ذلك لأنهم يعتبرونها تكلفة غير ضرورية. ومع ذلك، عند النظر إلى الصورة الأكبر، تُظهر الأبحاث المتعلقة بتكلفة دورة الحياة أمرًا مثيرًا للاهتمام حول الاستثمار السليم في التفاصيل المقاومة للزلازل في المباني الفولاذية. تشير الأرقام إلى أن إنفاق مبلغ إضافي في البداية يمكن أن يوفر في الحقيقة ما يعادل أربع مرات هذا المبلغ لاحقًا، عندما لا تصبح هناك حاجة لإعادة بناء كبيرة بعد وقوع زلزال. وهذا يشكل حجة قوية جدًا لتطوير طرق قياسية لحساب هذه الفوائد، بحيث يتمكن المهندسون وصانعو القرارات المتعلقة بالميزانيات أخيرًا من الاتفاق حول الأمور الحقيقية المهمة في مشاريع البناء.
تعتمد الهياكل الفولاذية على وصلات وروابط مصممة بدقة للحفاظ على سلامتها أثناء الأحداث الزلزالية. تقوم الإطارات المقاومة للعزم مع وصلات صلبة بين الكمرات والأعمدة بتوزيع القوى بشكل متساوٍ، في حين أن التفاصيل المعززة عند نقاط الربط تمنع حدوث فشل موضعي. وتقلل الوصلات الفولاذية المصممة بشكل مناسب تكاليف الإصلاح بعد الزلزال بنسبة تصل إلى 40٪ مقارنةً بالتصاميم التقليدية.
تتضمن الآن الروابط المربوطة المتطورة واجهات حساسة للانزلاق ومثبتات عالية القوة مشدودة مسبقًا، مما يسمح بحركة مضبوطة دون تشوه دائم. وتجمع التكوينات الهجينة الملحومة-المربوطة بين سرعة التركيب والمتانة الزلزالية، حيث تحقق أوقات بناء أسرع بنسبة 25٪ مع الالتزام بمتطلبات الأداء وفق ASCE 7-22.
تم في عام 2022 تحديث تقاطع طريق I-395 في كاليفورنيا، حيث تم استبدال وصلات الدبوس والمعلق الهشة بأنظمة كمرات صندوقية فولاذية تستخدم وصلات مطيلة تمتص الطاقة. وقد صمد هذا المشروع الذي كلف 85 مليون دولار أمام سبعة هزات ارتدادية بلغت قوتها 4.0 درجات فأكثر في عام 2023 دون أي أضرار هيكلية، مما يُظهر نسبة العائد على التكلفة لمشاريع التحديث الفولاذية المتقدمة في البنية التحتية الحيوية.
تمتص مخففات بالل الاحتكاكية المثبتة في دعامات الشكل V ما يصل إلى 35٪ من الطاقة الزلزالية في المباني متوسطة الارتفاع. وعند دمجها مع مخففات اللزوجة المرنة في الجدران الأساسية، تقلل هذه الأنظمة من الانحراف بين الطوابق بنسبة 50–70٪ وفقًا لبيانات اختبارات طاولة الاهتزاز من المؤسسات البحثية الرائدة.
على عكس الدعامات التقليدية التي تفشل فجأة تحت الضغط، فإن الدعامات المقاومة للانبعاج (BRBs) تستخدم نوى فولاذية مغلفة بأنابيب مملوءة بالخرسانة. يزيد هذا التصميم من قدرة امتصاص الطاقة بنسبة 300٪ مع الحفاظ على حلقات الهستيريس المستقرة، كما هو موثق في إرشادات FEMA P-795.
يستخدم برج طوكيو المؤلف من 55 طبقة في تورانومون-أزابوداي وحدات تخميد كتلية مُعدَّة بوزن 1200 طن تعمل بالتعاون مع وحدات تخميد حائطية لزجة. وقد حققت هذه الطريقة الهجينة انخفاضًا قياسيًا بنسبة 60٪ في الاهتزازات الناتجة عن الرياح والزلازل خلال إعصار نانمادول في عام 2023.
أكثر من 78٪ من الأبراج الشاهقة ذات الهيكل الفولاذى التي بُنيت منذ عام 2020 في المناطق الزلزالية تضم شكلًا ما من أشكال تقنية التخميد، مقارنة بـ 42٪ في عام 2010. ومن المتوقع أن يصل سوق أجهزة التخميد الزلزالي العالمية إلى 4.2 مليار دولار بحلول عام 2028، مدفوعًا بتشديد معايير البناء في المناطق المعرضة للزلازل.
تُعد سبائك النيكل-التيتانيوم ذات الذاكرة الشكلية، المعروفة باسم NiTi SMAs، مغيّرة لطريقة بنائنا للهياكل الفولاذية المقاومة للزلازل، لأنها قادرة على العودة إلى شكلها الأصلي بعد تشوهها. فعند اهتزاز المباني أثناء الزلازل، تمتص هذه المواد الخاصة جزءًا من تلك الطاقة ثم تعود إلى وضعها الطبيعي بمجرد استقرار الأمور، مما يعني تقليل الأضرار الدائمة بشكل عام. تشير الدراسات إلى أنه عندما يدمج المهندسون تقنية SMA في وصلات العوارض بالأعمدة، يمكن لتلك الوصلات تحمل قوة جانبية تزيد بنسبة 12 بالمئة تقريبًا مقارنة بالوصلات الفولاذية العادية. ولكن ما يجعلها أكثر إثارة للاهتمام هو قدرتها على الاستجابة لتغيرات درجة الحرارة، ما يسمح لأجزاء معينة من المباني بإصلاح نفسها تلقائيًا بعد حدوث أضرار طفيفة. وهذا يعالج أحد أكبر نقاط الضعف في الهياكل الواقعة بالقرب من خطوط الصدوع النشطة.
تُصمم الهياكل الفولاذية المخصصة للتوسيط الذاتي عادةً باستخدام كابلات مشدودة مسبقاً أو كمرات مزودة بعوامل تخفيف الاحتكاك، والتي تساعد المباني على العودة إلى موقعها الأصلي بعد الاهتزاز الناتج عن الزلازل. تقلل هذه التكنولوجيا من الانحراف المتبقي بشكل كبير، وتصل إلى حوالي 80٪ في بعض الحالات، بحيث لا تنتهي حالة المباني بالميلان كما نراه غالبًا مع أساليب البناء القديمة. خذ على سبيل المثال حديثاً في طوكيو حيث قام المهندسون باختبار هذا الأسلوب على مبنى مكوّن من 40 طابقًا العام الماضي. بعد وقوع زلزال، كان هيكل المبنى شبه ثابت تمامًا، ولا يزال قابلاً للاستخدام بنسبة تصل إلى نحو 92٪ من طاقته قبل الحدث. يكون هذا النوع من الأداء منطقيًا عند النظر إلى معايير البناء الحالية التي تركز ليس فقط على إبقاء المنشآت قائمة، بل أيضًا على تمكين الناس من الدخول إليها بسرعة بعد وقوع الكوارث، بدلاً من الاكتفاء بتجنب الانهيار الكامل.
استخدام أجزاء قابلة للاستبدال تمتص الطاقة أثناء الزلازل، مثل الدعامات الخاصة المقاومة للانبعاج أو نهايات العوارض التضحية، يجعل من الممكن تركيز الإصلاحات على مناطق محددة بعد وقوع الزلزال. تخيّل الأمر كصندوق المصهرات في منزلك؛ فهذه الأجزاء تتلقى الجزء الأكبر من الضرر بحيث يمكن استبدالها خلال نحو ثلاثة أيام بدلاً من الانتظار أسابيع أو حتى شهور للإصلاحات التقليدية. تحتوي معظم المباني الحديثة على ربع إلى ثلث أنظمة الدعم الجانبية المكونة من هذه المكونات القابلة للاستبدال، مع الحفاظ على سلامة الهيكل العام للمبنى. توفر هذه الطريقة الوقت والمال عند وقوع الكارثة، لأن المهندسين لا يحتاجون إلى هدم أقسام كاملة فقط لإصلاح ما تضرر.
تُعد أنظمة الفولاذ ذاتية الشفاء أكثر تكلفة بنسبة تتراوح بين 18 و22 بالمئة مقارنة بالخيارات التقليدية عند النظر إليها للوهلة الأولى. ولكن عند دراسة ما يحدث على المدى الطويل، تُظهر الدراسات انخفاض تكاليف الصيانة بنحو 40 بالمئة على مدى خمسين عاماً. يشير بعض الأشخاص إلى أن التكلفة الإضافية المبدئية تُعيق انتشار هذه الأنظمة في المناطق الفقيرة حيث تكون التكلفة عاملًا حاسمًا منذ البداية. من ناحية أخرى، بدأت شركات التأمين تقدّم خصومات تتراوح بين 15 و20 بالمئة للمباني المجهزة بهذه المواد الذكية، لأنها ببساطة تقلل المخاطر بشكل أفضل. وقد دار مؤخرًا نقاش واسع حول تحديث قوانين البناء لجعل استخدام هذه التكنولوجيا إلزاميًا في المناطق المعرّضة للزلازل، حتى لو تطلّب ذلك دفع تكاليف أعلى في البداية. ويظل السؤال قائماً حول ما إذا كانت فوائد السلامة تفوق الاعتبارات المالية في هذه المواقع الحساسة.
تصنف تقييمات المخاطر الزلزالية اليومية المناطق إلى فئات خطر مختلفة بناءً على تنبؤات حركة الأرض والسجلات التاريخية للزلازل. وعند النظر إلى الأماكن التي تنطوي على مخاطر جسيمة مثل صدع سان أندرياس الشهير في كاليفورنيا أو المنطقة البركانية النشطة حول إندونيسيا المعروفة بحلقة النار، يميل معظم المهندسين إلى استخدام البناء الفولاذي لأنه يتمتع بمرونة أفضل وقدرة أعلى على امتصاص الصدمات. وأظهرت أبحاث حديثة من عام 2024 أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا، حيث تبين أن المباني ذات الهيكل الفولاذي الواقعة في المناطق التي تُسمى بالمنطقة 4، والتي تحدث فيها الزلازل بشكل متكرر، سجلت أقل من 40 بالمئة من الأضرار مقارنةً بالمباني الخرسانية المماثلة في الحجم عند اختبارها ضد زلازل اصطناعية بقوة 7 درجات. إن جميع هذه النتائج تشكل بشكل كبير اختيار المواد المستخدمة في مشاريع البناء. في الواقع، شهدنا زيادة في استخدام الفولاذ تقدر بنحو 18 بالمئة سنويًا في مدن كبرى مثل طوكيو ولوس أنجلوس منذ بداية العقد.
كشف زلازل تركيا-سوريا لعام 2023 (7.8 درجة) عن عيوب حرجة في البناء القائم على الخرسانة، حيث استخدم 92% من المباني المنهارة هياكل خرسانية غير مرنة. بالمقابل، أظهر زلزال توهوكو في اليابان عام 2011 (9.1 درجة) مرونة الفولاذ — حيث لم تتجاوز نسبة المباني الشاهقة ذات الهيكل الفولاذي في سينداي التي احتاجت إلى هدم 0.3%. الدروس الرئيسية:
تواجه الاقتصادات الناشئة تحديات فريدة، تتمثل في تحقيق توازن بين الميزانيات المحدودة ومتطلبات السلامة الزلزالية. وتجمع طريقة فعالة من حيث التكلفة بين:
أشار تقييم أُجري في عام 2023 لأنظمة التخميد الذكية إلى أن الدول النامية مثل شيلي ونيبال بدأت الآن بتطبيق دعامات فولاذية مقاومة للانبعاج بطريقة مبسطة وبتكلفة أقل بنسبة 60٪ من الأنظمة التقليدية. تتيح هذه المنهجية للمدن مثل كاتماندو إعادة تأهيل أكثر من 150 مبنى حيويًا سنويًا مع الحفاظ على 85٪ من الميزانية الإنشائية الأصلية.
يُفضَّل الفولاذ بسبب مرونته وقدرته على امتصاص وتبدد الطاقة أثناء الأحداث الزلزالية، مما يمنع الانهيار ويقلل من الأضرار.
تكون الهياكل الفولاذية أخف بـ 60٪، وأسهل في الإصلاح، وتمتص الطاقة بشكل أفضل من الخرسانة التي غالبًا ما تتعرض لأضرار لا يمكن إصلاحها.
تضمن الوصلات المتقدمة مثل الواجهات المربوطة بالمسامير أو الملحومة السلامة تحت الضغط، مما يعزز المتانة أثناء الزلازل وبعدها.
توفر المواد الذكية مثل سبائك الذاكرة الشكلية قدرات إصلاح ذاتي، مما يقلل من الصيانة على المدى الطويل ويعزز سلامة الهيكل.
حقوق النشر © 2025 بواسطة باو-وو (تيانجين) للاستيراد والتصدير المحدودة. - سياسة الخصوصية
EN
