الطريقة التي ينثني بها الفولاذ بدلاً من أن ينكسر عند التعرض للإجهاد تجعله خيارًا جيدًا حقًا للمناطق المعرّضة للزلازل. فبينما يميل الخرسانة إلى التصدع والانهيار بسهولة تحت الضغط، فإن الهياكل الفولاذية تنثني فعليًا وتوزع القوة عبر هيكلها. يمكن للمباني المصنوعة من الفولاذ أن تتحرك جانبًا إلى جانب بنسبة تتراوح بين 10 إلى 15 بالمئة من ارتفاعها أثناء الزلازل قبل أن يحدث أي ضرر. هذه المرونة تنقذ الأرواح لأنها تمنع انهيار الهياكل بالكامل بشكل مفاجئ عندما تبدأ الأرض بالاهتزاز حولها.
تستخدم الهياكل الفولاذية الحديثة أنظمة مستهلكة للطاقة مثل مثبطات الانحناء ودعامات مقاومة التقوس. تعمل هذه المكونات كعناصر تضحية، حيث تمتص ما يصل إلى 70٪ من القوى الزلزالية قبل وصولها إلى الأعضاء الرئيسية الحاملة للحمل. ومن خلال تركيز الضرر في أجزاء يمكن استبدالها، تضمن هذه التصاميم بقاء الهيكل الكلي سليمًا حتى في حال حدوث تشوه دائم.
تحصل الهياكل الفولاذية على حماية إضافية من خلال تقنيات مثل الأطر المدعمة ونُظُم العزل القاعدية التي تفصل المبنى بشكل أساسي عن حركات الأرض. عند تنفيذ ذلك فعليًا، غالبًا ما يقوم المهندسون بتركيب ما يُعرف بالمحامل المرنة أو عوازل البندول الاحتكاكية التي تسمح للمباني بالحركة بشكل جزئي وبشكل مستقل عما يحدث تحتها. يمكن أن تقلل هذه الأنظمة القوى الجانبية الناتجة عن الزلازل بنسبة تتراوح بين النصف والثلاثة أرباع وفقًا لأغلب الدراسات التي رأيناها. كما توجد أيضًا نُهُج هجينة تجمع بين طرق مختلفة، مثل الأطر المدعمة اللامركزية، والتي تنجح في تحقيق توازن بين الكفاية في الصلابة لتحقيق الاستقرار مع السماح بقدر معين من المرونة عند الحاجة. تساعد هذه الأنظمة في التحكم في مدى الضرر الذي يحدث أثناء حدوث هزات قوية جدًا.
أظهر زلزال نورثريدج عام 1994 متانة الفولاذ — حيث أدى الأداء الأفضل للمنشآت المزودة بإطارات فولاذية مُعدَّلة إلى تفوقها بشكل كبير على الهياكل الخرسانية. وبالمثل، صمد برج طوكيو البالغ ارتفاعه 346 مترًا في تورانومون هيلز أمام زلزال توهوكو عام 2011 دون أن يصاب بأذى بفضل نظام الشبكة القطرية الفولاذية والكابح الكتلي المُهيأ، رغم تعرضه لانزلاقات أرضية بلغت 6.5 أمتار.
كشفت دراسة أجريت عام 2023 حول الأداء الزلزالي أن الهياكل الفولاذية تستعيد وظائفها أسرع بثلاث مرات من الخرسانية بعد الزلازل الكبرى. وعلى الرغم من أن الخشب يوفر بعض المرونة بسبب خفة وزنه، فإنه يفتقر إلى قوة الخضوع الموحدة (275–450 ميجا باسكال) التي يتمتع بها الفولاذ، ما يجعل الفولاذ أكثر فاعلية بنسبة 40٪ في تحمل الأحمال المحورية والأفقية معًا في المباني المتعددة الطوابق.
يعني نسبة قوة الفولاذ إلى الوزن أن المباني يمكنها الصمود أمام رياح تتجاوز سرعتها 150 ميلاً في الساعة، وهي تقريبًا السرعة التي نشهدها خلال الأعاصير من الفئة الرابعة، دون أي ضرر حقيقي في هيكل المبنى نفسه. ما يجعل الفولاذ مميزًا هو أنه ينثني عندما تتزايد الضغوط بدلًا من أن ينكسر بشكل مباشر. ويساعد هذا الانحناء فعليًا في امتصاص جزء من القوة ويمنع عقد الربط من الفشل التام. عند النظر إلى الأرقام الفعلية للأداء، وُجد أن الألواح الفولاذية تقاوم اختراق الحطام الطائر بنسبة أفضل تصل إلى 72 بالمئة مقارنة بمواد البناء الشائعة الأخرى، وفقًا لبحث نشره معهد السلامة من الرياح عام 2022. ولأي شخص يعيش في مناطق تزورها العواصف بانتظام، فإن هذا الفارق في الحماية له أهمية كبيرة جدًا من حيث السلامة.
بعد إعصار مايكل (2018)، ظلت 92٪ من المباني ذات الهيكل الفولاذي في مدينة بنما بفلوريدا تعمل بشكل طبيعي على الرغم من الرياح التي بلغت سرعتها 160 ميلاً في الساعة والدمار الواسع النطاق. وفي المناطق المعرضة لل tornados مثل مقاطعة مور بولاية أوكلاهوما، تشهد المباني الفولاذية حدوث أعطال في السقف بنسبة 40٪ أقل مقارنة بالمباني الخشبية، وفقًا لتقييم أداء المباني الصادر عن FEMA عام 2021.
قد يزن التسقيف الفولاذي حوالي 2.1 رطل لكل قدم مربع مقارنة بوزن الخرسانة البالغ 6.5 رطل، ولكن ما ينقصه في الوزن يعوّضه بقوة أكبر ضد قوى الرفع. يمكن للفولاذ أن يتحمل هذه الظروف بشكل أفضل بثلاث مرات بفضل كفاءته في نقل الأحمال وبقائه مثبتًا بإحكام. وقد أظهرت الاختبارات أنه عند استخدام أنظمة تثبيت متقدمة، فإن احتمالية انفصال الوصلات أثناء الإجهاد الناتج عن الرياح تقل بنسبة 58 بالمئة وفقًا لتجارب النفق الهوائي. وهذا يعني أن المباني تظل مستقرة حتى عندما تواجه أقصى الظروف القاسية من الطبيعة.
لتعظيم مقاومة الرياح، تدمج المباني الفولاذية الحديثة عناصر تصميم هوائية:
بال kếtن مع برامج النمذجة التنبؤية، تمكن هذه المزايا الهياكل الفولاذية من تجاوز متطلبات حمل الرياح ASCE 7-22 بنسبة 15–25٪ في المناطق الساحلية.
لا يحترق الفولاذ وينصهر عند حوالي 1300 درجة مئوية، وهي درجة حرارة مرتفعة جداً. وهذا يعني أنه لن يشتعل أو يطلق غازات خطرة عند اندلاع حريق. وفقاً لبعض الأبحاث التي أجرتها NIST عام 2022، فإن المباني المبنية بإطارات فولاذية تظل صامدة لفترة أطول بنسبة 42 بالمئة مقارنة بتلك المبنية بإطارات خشبية. يمكن أن تُحدث هذه الفترة الإضافية فرقاً كبيراً أثناء حالات الإخلاء الطارئة. وعلى الرغم من أن الفولاذ يبدأ بفقدان قوته عندما تصل درجات الحرارة إلى حوالي 530 درجة مئوية، إلا أن الأنظمة الحديثة للبناء لديها طرق للتعامل مع هذه المشكلة. حيث يتم دمج أنظمة احتياطية وتقسيم الهياكل إلى أقسام منفصلة بحيث تبقى المناطق الأخرى مستقرة بما يكفي للسماح للأشخاص بالخروج بأمان حتى لو تضرر جزء من المبنى.
تنتفخ هذه الطلاءات المتورمة الخاصة عندما تتعرض لدرجات حرارة عالية، مما يُكوّن طبقة واقية من الكربون تُبطئ بشكل كبير من سرعة تسخين الفولاذ. عند دمجها مع مواد عازلة للحريق قائمة على الأسمنت، يمكن للعناصر الإنشائية مثل العوارض والأعمدة أن تجتاز اختبارات الحريق الصارمة مثل ASTM E119 والتي قد تستمر من ساعتين إلى أربع ساعات قبل حدوث أي انحناء. تُظهر بعض الدراسات الحديثة أن الفولاذ المطلي بشكل صحيح يحتفظ بحوالي 90 بالمئة من قدرته على التحمل عند درجات حرارة تصل إلى حوالي 800 مئوية، في حين ينخفض أداء الفولاذ العادي غير المحمي إلى 35 بالمئة فقط تحت نفس الظروف وفقًا لنتائج نُشرت في مجلة الهندسة الوقائية من الحرائق العام الماضي.
عندما تصل الخشب إلى درجة حرارة تبلغ حوالي 300 درجة مئوية أو 572 فهرنهايت، يبدأ في الاشتعال وينتج غازات قابلة للاشتعال تؤدي إلى انتشار الحرائق بشكل أسرع. وتشير بيانات الجمعية الوطنية للحماية من الحرائق الصادرة العام الماضي إلى أن هذه الغازات هي المسؤولة فعليًا عن نحو ثلثي جميع الحرائق المميتة في المباني. ويحدث تغيير المواد فرقًا كبيرًا في هذا السياق. إذ لا يوفر الفولاذ نفس نوع مصدر الوقود الذي يوفره الخشب، ما يعني أن النيران لا تنتقل عبر الهياكل بسهولة كبيرة. وتُظهر الاختبارات أن الفولاذ يبطئ بشكل كبير من سرعة انتشار الحريق، حيث يقلل معدلات الانتشار بنحو 83 بالمئة وفقًا لأبحاث مؤسسة أبحاث الحماية من الحرائق. وعلى الرغم من أن الطبقات المحروقة من الخشب يمكن أن تحمي من الأضرار الحرارية الفورية لفترة من الوقت، فإن سلوك الفولاذ يكون أكثر تنبؤًا بكثير عند التعرض لدرجات الحرارة العالية. ويتيح هذا التنبؤ للمهندسين الإنشائيين التخطيط لأنظمة دعم أفضل في المباني. ونتيجة لذلك، تتعرض المباني الشاهقة المصنوعة من هياكل فولاذية لمخاطر أقل بكثير من الانهيار أثناء الحرائق الشديدة. وتشير دراسات أجرتها لجنة مقاومة الحريق التابعة للجمعية الأمريكية للخرسانة (ACI) إلى أن مثل هذه التصاميم تقلل من احتمالات الانهيار بنسبة تقارب 91 بالمئة مقارنةً بالمنشآت الخشبية التقليدية.
إن قابلية التكيف التي يتمتع بها الصلب تمنح المهندسين مجالاً لتكييف تصاميمهم وفقًا لنوع الكوارث التي قد تضرب المناطق المختلفة. فعلى سبيل المثال، في الأماكن المعرّضة للفيضانات، تُرفع دعامات الصلب أعلى من مستويات الفيضان العادية. وغالبًا ما تتضمن المباني الواقعة على طول السواحل سبائك خاصة تقاوم الصدأ الناتج عن الهواء المالح. وأظهرت بعض الدراسات الحديثة التي تناولت مدى قدرة المنشآت على الصمود خلال الكوارث أنه عندما يتم تصميم الهياكل الفولاذية بشكل مخصص لكل موقع، يمكنها خفض تكاليف الإصلاح بنسبة تقارب 40 بالمئة مقارنة بالطرق التقليدية للبناء. ولا تقتصر فوائد هذه الأساليب المخصصة على توفير المال فحسب، بل تسهم أيضًا في الامتثال للوائح البناء وتقديم أداء أفضل أمام أي تحديات تفرضها الطبيعة بمرور الوقت.
تتيح تقنيات التحليل العددي (FEA) ونماذج المحاكاة المختلفة للمهندسين رؤية كيفية استجابة المباني الفولاذية للتحديات الكبيرة مثل الزلازل أو الرياح التي تبلغ سرعتها نحو 150 ميلاً في الساعة الناتجة عن الأعاصير. وتساعد هذه النماذج في تحديد مناطق المشكلات قبل بدء أي عملية بناء فعلية بفترة طويلة. وقد أظهر بحث حديث أُجري في عام 2024 أن دمج الذكاء الاصطناعي في برامج المحاكاة يزيد الدقة التنبؤية بنسبة تقارب 28 بالمئة مقارنة بالأساليب القديمة. وتعني التطبيقات العملية أن المهندسين الإنشائيين يمكنهم تعديل أحجام الكمرات، وتحسين تفاصيل الوصلات، وإعادة تصميم أنظمة الدعامات استنادًا إلى ما يتم اكتشافه. والنتيجة؟ مباني تحقق أداءً أفضل في ظل ظروف الضغط الخاصة بمنطقة موقعها، سواء كانت مناطق نشطة زلزاليًا أو مناطق ساحلية عرضة للعواصف.
تتيح مرونة الفولاذ طرقًا متعددة لتحمل الأحمال عبر عناصر هيكلية مختلفة مثل الإطارات المدعمة، والوصلات العزمية، والأسطح الصلبة. وتعمل هذه العناصر معًا على استيعاب القوى وتوزيعها عند وقوع كارثة. ما يميز الفولاذ حقًا هو قدرته على الانحناء قليلًا قبل الكسر، مما يمنح المهندسين هامشًا إضافيًا من الخطأ. أظهرت دراسة حديثة أجريت العام الماضي أنه بعد الزلازل الكبيرة، حافظت المباني الفولاذية على نحو 89 بالمئة من قوتها الأصلية، في حين لم تتمكن الهياكل الخرسانية سوى من الحفاظ على حوالي 67 بالمئة. ويُصمم المهندسون أنظمة احتياطية وفق قواعد تصميم معينة، بحيث إذا تضرر جزء ما، فإن باقي الأجزاء تتولى العمل تلقائيًا للحفاظ على بقاء المبنى قائماً. وتساعد هذه الطريقة في تفسير سبب اعتماد العديد من المباني الحديثة على الفولاذ رغم التكاليف الأولية الأعلى.
ما الذي يجعل الفولاذ خيارًا فعّالاً للمناطق المعرّضة للزلازل؟
يُعد الفولاذ فعالًا للغاية في المناطق المعرضة للزلازل بسبب مرونته، حيث يسمح له بالانحناء وامتصاص القوى الزلزالية، ومنع الانهيار المفاجئ.
كيف تؤدي الهياكل الفولاذية أثناء الأعاصير؟
يساعد نسبة قوة الفولاذ إلى وزنه في مقاومة الرياح العالية وتأثير الحطام، ويظل المبنى قابلاً للاستخدام حتى بعد العواصف الشديدة.
هل الفولاذ مادة مقاومة للحريق؟
نعم، الفولاذ مقاوم للحريق بطبيعته ولا يحترق، مما يجعله خيارًا أكثر أمانًا مقارنةً بمواد مثل الخشب.
هل يمكن تخصيص الفولاذ لمخاطر إقليمية معينة؟
يمكن تكييف تصميمات الفولاذ لمواجهة التهديدات الإقليمية المحددة، مما يعزز متانته أمام الكوارث المحلية مثل الفيضانات والتآكل في المناطق الساحلية.
حقوق النشر © 2025 بواسطة باو-وو (تيانجين) للاستيراد والتصدير المحدودة. - سياسة الخصوصية
EN
