دور الهيكل الفولاذي في التصميم المقاوم للزلازل

لماذا تتمتع الهياكل الفولاذية بطبيعتها بمرونة زلزالية عالية

نسبة القوة إلى الوزن العالية والليونة: المزايا الأساسية للمواد في الهياكل الفولاذية

يتميز الفولاذ بنسبة قوة إلى وزن أفضل بكثير مقارنةً بأنظمة الخرسانة أو الحجر، حيث يزن حوالي 30% أقل وفقًا لأحدث الدراسات. ويؤيد هذا الاستنتاج برنامج تقليل مخاطر الزلازل الوطني (NEHRP) في تقريره لعام 2023. وبفضل خفة وزن الفولاذ وقوته في آنٍ واحد، يمكن للمباني المُنشأة منه أن تكون مرنةً مع الاحتفاظ بقدرتها على تحمل الأحمال الثقيلة. أما ما يميّز الفولاذ حقًّا فهو سلوكه عند التحميل. فعلى عكس المواد الهشة التي تنكسر فجأةً، فإن الفولاذ ينحني ويمتد بشكلٍ كبيرٍ قبل أن ينكسر. وهذا يعني أنه أثناء الزلازل، يمكن لإطارات المباني الفولاذية أن تتحرك مع الاهتزاز بدلًا من التصدع والانهيار. وقد لوحظ ذلك عمليًّا بعد زلازل ريتشكريست عام 2019، حيث سجّلت المباني ذات الإطارات الفولاذية انخفاضًا في حالات الانهيار بلغ نحو 40% مقارنةً بمبانٍ مماثلة أُنشئت بالخرسانة، وفقًا لتقارير هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) الصادرة عقب الكارثة.

أداء التحميل الدوري: التصلب الانفعالّي والسلوك الحلقي المستقر في الهياكل الفولاذية

يُظهر الفولاذ أداءً مذهلاً من حيث الاتساق عند التعرض لقوى الزلازل المتكررة، وهي خاصية بالغة الأهمية أثناء الهزات الارتدادية والفترة الممتدة من الاهتزاز. وما يميز الفولاذ حقاً هو ازدياد مقاومته كلما بدأ في الانحناء والتمدد. فبعد أول علامات الانهيار، يصبح هذا المادة في الواقع أكثر مقاومةً للتلف الإضافي مع استمرار تشوهها. وعندما تتمايل المباني ذهاباً وإياباً أثناء الزلازل، يُنشئ الفولاذ أنماطاً موثوقةً لتبدد الطاقة تُعرف بـ«حلقات الهستيريزيس»، والتي تعمل بشكل متوقع عبر العديد من دورات الحركة. وتُظهر الدراسات التي أجراها خبراء هندسة الزلازل أنه إذا بُنِيَت الإطارات الفولاذية بشكلٍ صحيح، فإنها قادرة على تحمل أكثر من ٥٠ دورة اهتزاز شديدة مع فقدان أقل من ٥٪ من قوتها الأصلية. وتكمن هذه الموثوقية في البنية الداخلية الموحدة للفولاذ. فعلى عكس المواد المصنوعة من مكونات مختلفة أو ذات الخصائص غير المتجانسة، لا يحتوي الفولاذ على نقاط ضعف تتراكم فيها الإجهادات فجأةً مما يؤدي إلى انهيار غير متوقع.

الأنظمة الهيكلية الفولاذية الرئيسية لمقاومة الزلازل

إطارات مقاومة للعزم (MRFs): منطق التصميم والتكيف مع المناطق الزلزالية للهياكل الفولاذية

إطارات مقاومة للعزم، أو ما تُعرف اختصارًا باسم MRFs، تعمل عن طريق مقاومة قوى الزلازل الجانبية من خلال وصلات العوارض والأعمدة الخاصة بها. وتُصمَّم هذه الوصلات بحيث تنحني وتتشوَّه وفق ترتيب معيَّن أثناء حدوث الهزات، مما يساعد في امتصاص تلك الطاقة العنيفة دون أن ينهار المبنى بأكمله. والصلب مادة ممتازة جدًّا لهذا الغرض، لأنه قادر على التمدد والمرونة بشكل آمن بدلًا من الانكسار تمامًا. وعندما ننظر إلى المناطق التي تتعرَّض لزلازل كثيرة مثل كاليفورنيا، يقوم المهندسون بإجراء تعديلات معينة على هذه الإطارات: فيولون اهتمامًا إضافيًّا بتفصيل المفاصل، ويوفِّرون دعمًا احتياطيًّا أكبر في جميع أجزاء المنشأة، ويوازنون بعناية بين درجات الصلابة المطلوبة للأجزاء المختلفة. والنتيجة؟ المباني المزوَّدة بإطارات فولاذية مقاومة للعزم (MRFs) المناسبة تستطيع تحمل حركات أرضية تصل تسارعها إلى نحو ٠٫٤g. وتبيِّن الدراسات أن هذه المنشآت تتعرَّض لأضرار تقلُّ بنحو النصف مقارنةً بالمباني الخرسانية العادية أثناء الزلازل. وهذا يجعل الإطارات الفولاذية المقاومة للعزم (MRFs) ليست أكثر أمانًا فحسب، بل وأقل تكلفةً أيضًا على المدى الطويل في إنشاء المباني المتوسطة والمرتفعة القامة القريبة من الصدوع النشطة التي تحدث فيها الزلازل بانتظام.

الدعائم المقاومة للانبعاج (BRBs) والأطر المدعومة بشكل غير متمركز (EBFs): حلول هياكل فولاذية مُبددة للطاقة

تم تطوير أعمدة مقاومة للانحناء (BRBs) جنبًا إلى جنب مع الإطارات المدعومة بشكل غير متماثل (EBFs) خصيصًا لتوجيه طاقة الزلازل وتحريرها عند النقاط التي يكون فيها الضرر ضئيلًا. وتعمل أعمدة مقاومة الانحناء (BRBs) عن طريق إغلاق قلب فولاذي داخل غلاف من الخرسانة أو الفولاذ لا ينحني بسهولة. ويمنع هذا الترتيب انحناء القلب الفولاذي، ويسمح بامتصاص متوازن للطاقة سواء تحت تأثير قوى الشد أو الضغط. أما بالنسبة للإطارات المدعومة بشكل غير متماثل (EBFs)، فيقوم المهندسون عمداً بوضع وصلات الدعائم غير متمركزة لكي توجّه الطاقة نحو أقسام صغيرة تُسمى «روابط القص». وتُصمَّم هذه الروابط لتتشوّه تشويهاً دائمًا عند الحاجة، مما يمكّنها من امتصاص الطاقة مع الحفاظ على سلامة الهيكل الإنشائي الرئيسي. ويمكن للمباني الفولاذية التي تتضمّن هذه الأنظمة أن تتحمّل فعليًا أكثر من ٧٠٪ من طاقة الاهتزاز الناتجة عن الزلازل، ما يساعد في الحد من حركة الطوابق بعضها بالنسبة لبعضها الآخر أثناء الزلزال، ويقلل من التشوهات المتبقية بعد انتهاء الزلزال. وما يميّز هذه الحلول هو سهولة إصلاحها واستبدالها. ولذلك فإن العديد من المباني الحيوية مثل المستشفيات والمدارس تختارها، لأن العودة السريعة إلى الخدمة بعد وقوع زلزالٍ أمرٌ لا يمكن الانتظار فيه.

ابتكارات تقلل من الأضرار وتسرّع من عملية الاستعادة في الهياكل الفولاذية

أنظمة الهياكل الفولاذية ذاتية التمركز باستخدام أجهزة الاحتكاك والسبائك ذات الذاكرة الشكلية

تجمع أنظمة التمركز الذاتي مثبّطات الاحتكاك مع سبائك الذاكرة الخاصة التي نسميها «السبائك ذات الذاكرة الشكلية» (SMAs) لمعالجة ما يُعتبر على الأرجح أكبر مشكلة تواجه المباني بعد الزلازل، ألا وهي الانزياح المتبقي. وتؤدي هذه الأجهزة الصغيرة القائمة على الاحتكاك أداءً جيدًا جدًّا لأنها تبدد الطاقة بطريقة خاضعة للتحكم عند بدء انزياح العناصر عن بعضها البعض بعد تجاوز نقاط محددة مسبقًا. ويساعد هذا في تخفيف الضغط الواقع على الأجزاء الإنشائية الرئيسية للمباني. أما السبائك ذات الذاكرة الشكلية (SMAs)، فهي توجد غالبًا في حبال إعادة التمركز أو في الوصلات بين مختلف أجزاء الهياكل. وما يميزها هو تلك الخاصية المذهلة المعروفة باسم «المرونية الفائقة»، والتي تسمح لها بالعودة إلى شكلها الأصلي بشكل شبه كامل حتى بعد تمددها أو انحنائها بشكل كبير. وعند دمج هاتين التقنيتين معًا، يمكن خفض حجم الحركة المتبقية بنسبة تقارب ٨٠٪، وتخفيض تكاليف الإصلاح بنسبة تقارب ٤٠٪، وفقًا لبحث أجرته «هيئة هندسة الزلازل» عام ٢٠٢٣. وفي المنشآت الحيوية مثل المستشفيات ومراكز الطوارئ، حيث يُقاس الوقت بالدقائق، فإن ذلك يعني العودة إلى الخدمة التشغيلية بسرعةٍ أكبر بكثير دون إنفاق مبالغ طائلة لإعادة محاذاة المباني أو إعادة بنائها من الصفر. وبذلك تستمر الخدمات الحرجة في العمل دون أن تتوقف فجأة.

دروس مستفادة من الممارسة العملية: كرايستشيرش ٢٠١١ — التحقق من مرونة الهياكل الفولاذية في العالم الحقيقي

عندما ضرب زلزال كرايستشيرش عام ٢٠١١، أثبت ذلك عمليًّا ما كان المهندسون يُصرُّون عليه دائمًا بشأن قوة الفولاذ أثناء الأحداث الزلزالية، لا سيما عند دمجه مع أنظمة امتصاص الطاقة الجديدة تلك. ونتيجةً لذلك، تعرَّضت المباني ذات الإطارات الفولاذية المزوَّدة بتلك الدعامات الخاصة المقاومة للانحناء الانضغاطي (BRB) لأضرار أقل بنسبة تقارب ٣٠٪ مقارنةً بالهياكل الخرسانية المماثلة. أما ما لفت الانتباه حقًّا فهو سهولة إصلاح معظم هذه الأضرار. فلم ينهار أيٌّ من المباني الفولاذية المزودة بأنظمة الإطارات المقاومة للانحناء (MRF) أو الدعامات المقاومة للانحناء الانضغاطي (BRB)، وبقي نحو ثلاثة أرباعها قيد التشغيل مرةً أخرى خلال نصف سنة، بل وكان كثيرٌ منها عائدًا للعمل في وقتٍ أقصر من ذلك بكثير. وعند تحليل ما جرى بعد الزلزال، أشار الخبراء إلى مرونة الفولاذ باعتبارها السبب الرئيسي وراء قدرة هذه المباني على الصمود بشكلٍ ممتاز، على عكس الخرسانة التي تميل إلى التصدُّع المفاجئ تحت الإجهاد إن لم تُصمَّم تصميمًا سليمًا. وقد أدَّت التجربة المكتسبة من كرايستشيرش إلى تغييرات جوهرية في لوائح البناء النيوزيلندية الخاصة بالزلازل، وما زالت تؤثِّر حتى اليوم في الطريقة التي تتبعها الدول حول العالم في التعامل مع السلامة الزلزالية. وبصورةٍ أساسية، فإنَّ المباني التي يوليها المعماريون عنايةً كافيةً في تفصيل هياكلها الفولاذية، ويُكمِّلونها بأنظمة أداءٍ ذكية، تكون مبانيًّا تحمي الأرواح وتبقى قادرةً على العمل بعد وقوع الكوارث.

قسم الأسئلة الشائعة

ما الذي يجعل الهياكل الفولاذية أكثر مقاومةً أثناء الزلازل؟ تتميّز الهياكل الفولاذية بنسبة عالية من القوة إلى الوزن ومرونة تسمح لها بالانحناء وامتصاص الطاقة أثناء الأحداث الزلزالية دون أن تنهار.

كيف تسهم الإطارات المقاومة للعزم (MRFs) في مقاومة الزلازل؟ تستخدم الإطارات المقاومة للعزم (MRFs) وصلات متخصصة بين العوارض والأعمدة قادرة على امتصاص الطاقة الزلزالية العنيفة عن طريق الانحناء والتشوه بطريقة خاضعة للتحكم، مما يمنع انهيار الهيكل.

ما الدور الذي تؤديه الركائز المقاومة للانبعاج (BRBs) والإطارات ذات الركائز المُرخَّصة بشكل غير مركزي (EBFs) في التصميم المقاوم للزلازل؟ تركّز الركائز المقاومة للانبعاج (BRBs) والإطارات ذات الركائز المُرخَّصة بشكل غير مركزي (EBFs) على تبديد الطاقة الزلزالية عند نقاط محددة لتقليل الأضرار، ما يسمح للهياكل بتحمل الاهتزازات الشديدة دون حدوث فشل كارثي.