أثر الثلج و ألعاب الثلج على السلامة الهيكلية

فهم المخاطر الهيكلية للسنو والثلج على الجسور

وتُستخدم الجسور كشعائر أساسية للتجارة، وخدمات الطوارئ، والسفر اليومي، ولكن الطقس الشتوي يُطرح تحديات فريدة لسلامتها الهيكلية، وعلى عكس الحمولات الساكنة من المركبات أو الرياح، فإن التجليد والجليد دينامية، وتتفاوت مع كثافة التهطال، ودورات الحرارة، والانجراف المدفوع بالرياح، وعندما تتجاوز هذه الحمولات الصارخة حدود التصميم، فإنها يمكن أن تؤدي إلى تركيزات الإجهادية، بل وإلى الفشل الضاري.

أنواع قوارب الثلج و الثلج على الجسور

ويتراكم الثلج والجليد في أشكال مختلفة، وكل منهما له كثافة مختلفة، وخصائص الارتقاء والتوزيع، ويكتسي فهم هذه الأنواع أهمية حاسمة في وضع نماذج دقيقة للحمّل.

تراكم الثلج

فثلوج الجاف المتدفق يمتد إلى حد كبير حيث يتراوح بين ٠,٥ و ٠,١٥ غ/كميل٣، ولكن مع تقلصه أو تقلصه، يمكن أن تقترب كثافة الثلج منه من ٠,٤ غ/كغ/٣ أو أعلى، والثلوج الرطب من العواصف القريبة من درجات الحرارة المتجمدة خطر بوجه خاص لأنه يجمع بين الكثافة العالية وبين الصود القوي في السطح المتجمد.

الثلج من ممر فريزينج

وتنتج عواصف الجليد الجليد جلياً وكثيفاً (تخصيص 0.9 غ/سم3) يلتزم بكل من الطوابق السطحية والكابلات والسكك الحديدية والسطح، ويمكن أن تزيد حمولات الجليد من الأمطار المتجمدة من الحمولة الميتة لجسر واحد بنسبة 20 في المائة أو أكثر، كما يتبين في مناطق مثل شمال غرب المحيط الهادئ والولايات المتحدة الشمالية الشرقية، ويزيد وزنها من المساحة الكبيرة من الصلب والخرسانة.

السدود الجليدية والمركبات

وعلى الجسور التي توجد بها شبكات الصرف، يمكن للجليد أن يشكل سداً يحجب تدفق المياه، مما يؤدي إلى تكبيرها ويزيد من الحمولة الحية ويعجل بضرر المناشير، وتشكل العناق المعلقة من البنى التحتية الأساسية كتلة مركزة يمكن أن تكسر وتطرح مخاطر على حركة المرور في الأسفل، ولكن وزنها يضيف أيضاً إلى التحميل المحلي.

العوامل الحاسمة التي تؤثر على الثلج و الجليد

ويتطلب التنبؤ الدقيق بالثلوج والجليد المحاسبة على متغيرات بيئية وتصميمية متعددة.

الموقع الجغرافي والمناخ

وتعاني الجسور في خطوط العرض الشمالية والمناطق الجبلية وأحزمة الثلج التي تصيب البحيرات من ارتفاع مستمر في الحمولات، فعلى سبيل المثال، ترى جبال سييرا نيفادا وجبال روكي أن حمولات الثلج تتجاوز 300 بيزو (14.4 كيلوباسكال)، بينما تواجه الجسور الساحلية، بينما تتلقى أقل من الثلج، عواصف جليدية من أجسام الهواء الرطبة التي تلتقي الجبهات الباردة.

جسر الهندسة الجيولوجية والتوجيه

وتظهر الجسور الطويلة المدى، والثدييات العالية، والهياكل التي ترتكز على الكابلات، أسطحا أفقية كبيرة ونوك معقدة حيث يتجمع الثلج والجليد بشكل غير متساو، وينظم الاتجاه الفائز بالقصور البري أنماطا من الانجراف؛ ويمكن أن يتراكم الثلج على الريح في أعماقه من السكك الحديدية، مما ينتج عنه حمولات غير متماثلة تسبب الاندثار.

التقلبات المزمنة

وتتسبب دورات الجذور المكررة في تضاؤل الثلج وازدياد الجليد، وعندما تتجمد مياه المذوبان في الشقوق، فإنها تتوسع ويمكن أن تكسر وصلات الخرسانة أو الفولاذ، كما تزيد هذه الدورات كثافة الثلج المتراكم، وترفع قيم الحمولة على مدى أيام أو أسابيع.

المادة السطحية والتدريب

وتحتفظ أسطح الأسفلت بالحرارة بشكل مختلف عن الخرسانة، مما يؤثر على تراكم الثلج، ويؤدي ضعف الصرف إلى تجميع المياه التي تتجمد في صحائف الجليد السميكة، مما يضيف مخاطر على الوزن والزهور المحتملة، كما أن استخدام أسطح الأحواض المفتوحة على بعض الجسور القديمة يسمح بالهبوط من خلال الحد من الحمولات، ولكنه يعرض أيضا الهياكل الفرعية لتقطير المياه التي تشكل الجليد.

الأثر الهيكلي للزهور المفرطة في الثلج وقطع الثلج

وتؤثر حمولات الثلج والثلج على كل عنصر من عناصر الجسر من سطح السفينة إلى المؤسسة، وتشمل الشواغل الهيكلية الرئيسية الإفراط في تكوين الأعضاء في الهياكل الأساسية، وثقل المؤسسات، والإجهاد الناجم عن الحمل الدوري.

سطح البحر وفوق سطح البحر

مخزون الجسر مصمم لشحنات حية من حركة المرور لكن الجليد يمكن أن يخلق أثقل، و المزيد من الحمولات المميتة

Girder and Beam Buckling

وتعاني محركات الصلب من الضعف بوجه خاص إزاء التكتل الجانبي تحت حمولات الجاذبية المشتركة، إذ يمكن أن يؤدي التوزيع غير المتساوي للثلوج على جانب واحد من السطح إلى تمزقات تلوي العشائر، وتضاعف الضغوط على الاتصالات بين الفينج والشبكات، وتزيد تراكمات الجليد على الأعالي من التوترات المحلية ويمكن أن تبدأ في التلويث في الأعضاء ذوي الجدران الرقيقة.

Cable and Suspender Stress

وعلى الجسور التي تُثبت برقياتها وتُعلقها، فإن تراكم الجليد على الكابلات يزيد بشكل كبير من الحمولة المميتة ومقاومة الرياح، ويمكن للثلج أن يضاعف قطرة الكابلات التي تضاعف وزنها وسحبها من الرياح، علاوة على أن الكتلة المضافة تقلل من الترددات الطبيعية، مما يجعل الجسر أكثر عرضة للارتطامات الهوائية ورفوف دودة دودة.

الأضرار المشتركة

وتقييد الحركة الحرارية، عندما يحاول الجسر التعاقد في درجات حرارة باردة، تنقل المفاصل المقفلة قوات كبيرة إلى فطائر وقطع، مما قد يتسبب في فشل أو تفكك ملموس، كما أن الجليد داخل الجيوب المشتركة يمكن أن ينهار أثناء الدورات الحرارية.

عبء العمل على المؤسسة والأبوة

ويجب على المؤسسات أن تدعم الحمولة الكاملة للهيكل الخارق بالإضافة إلى الثلج والجليد، وفي المناطق التي تخترق فيها بشدة، يمكن أن تشكل عدسات الجليد في التربة تحت أقدامها، وترفعها إلى أعلى، وعلى العكس من ذلك، يمكن للخياطة أن تقلل من القدرة على تحملها، مما يؤدي إلى الاستيطان، مع الجمع بين الأحمال الجليدية الرأسية، فإن هذه التحركات من التربة قد تتعرض للتسوية والتشوه الهيكلي.

معايير التصميم وأحكام المدونة الخاصة بأماكن الثلج والثلج

ويعتمد مهندسو الهياكل على الرموز الثابتة لحساب الحد الأدنى من الثلوج والجليد، وفي الولايات المتحدة، تتمثل وثيقة الإدارة الرئيسية في مواصفات تصميم جسر الرابطة، التي تتضمن أحكاماً بشأن أحمال الثلج المتماثلة والمنحرفة استناداً إلى خرائط التجليد الأرضية من المجموعة 7-22، وتشترط مواصفات الرابطة أن يكون هناك عدد من رموز الثلج المتجانسة من 20 بوصاً (0.96 كغم/م2)

وفيما يتعلق بالكميات الجليدية، توصي منظمة آشاتو بحملة قدرها 5 رصفات للتراكم الرأسي للجليد وحمولات إضافية للجليد على الكابلات وخطوط المرافق والسكك الحديدية، وتُعامل الحمولة من الأمطار المتجمدة كعبء طارئ، مقترنة بتقليص الحمولات الحية، كما يجب على المهندسين أن ينظروا في عوامل الجمع بين الحمولة والريح والثلج في آن واحد، حيث يمكن للجليد أن يزيد من التعرض للريح.

خارج الولايات المتحدة، رموز مثل الأوركود 1991-1-3 ورمز الجسر الكندي توفر أساليب مماثلة، ولكن كثيرا ما تتضمن عوامل تحميل أعلى لتراكم النسر، وتشمل مواصفات رابطة الطرق اليابانية لجسور الطرق السريعة توجيها مفصلا بشأن الثلوج والجليد للمناطق الجليدية الثقيلة في هوكايدو وآب اليابان.

وتجدر الإشارة إلى أن العديد من الجسور القديمة (قبل السبعينات) قد تكون لها تقديرات حمولة لا تُحسب لخرائط التجليد المعاصرة التي زادت بسبب تحديث البيانات المناخية.() ويمكن لتحليل تقدير الحمولة باستخدام ] إدارة الطرق الرئيسية الاتحادية [FHWA] أن تحدد المبادئ التوجيهية المسافات الهشة.

دراسات حالة عن تخلف جسر سنو و الجليد

وهناك عدة حوادث بارزة توضح الإمكانات التدميرية للثلوج والجليد.

Schoharie Creek bridge Collapse (1987)

وفي حين أن الشورت كان السبب الرئيسي، فإن بطيخ الثلج الثقيل وجمود الجليد ساهم في الفشل، فقد زاد تراكم الثلج والجليد على الهيكل من الحمولات المميتة، وأصابت بزهور الجليد بفخارات، وزادت من حدة البخار، مما أدى إلى إحداث تغييرات في ممارسات التفتيش على الجسر.

جسر نهر ميسيسيبي (I-35W) (2007)

وعلى الرغم من أن الانهيار يعزى أساسا إلى عيوب في التصميم، لاحظ المحققون أن الثلوج الثقيل وتراكم الجليد على سطح السفينة وقت الفشل قد زاد من الحمولة الكبيرة، وأن اللوحات التي تحمل الغوست كانت غير مصممة أصلا، وأن الحمولة الشتوية دفعتهم إلى تجاوز حدودهم.

قناة "سنوي" اليابانية

وفي شمال اليابان، شهدت عدة قنوات من الصلب تلالاً محلياً من الشعاعات الصليبية والسلاسل بعد حدوث تساقط جليد في عامي 2011 و 2015، وجد المهندسون أن ثلوج الانجراف يلتهم عمقين يزيد طولهما عن مترين، مما أدى إلى ظهور حمولات تتراوح بين ضعفين وثلاثة أضعاف قيم التصميم، وشملت إعادة التصفيق إضافة السياج الجليدية وكابلات التدفئة.

نظم الرصد والإنذار المبكر

ويمكن للرصد الاستباقي أن يكشف عن وجود ثلوج وجليد خطير قبل أن يصبح الفشل وشيكاً، وتشمل شبكات الاستشعار الحديثة خلايا تحميل وقياسات ضالة ونظم وزن في الحركة التي تتبع حمولات حية وتساعد على التمييز بين حركة المرور ومساهمات الثلج.

رصد حركة السفن والحراسة

وباستمرار قياس السلالة في المواقع الحرجة (الحجم من الغرير، ومراسي الكابلات)، يمكن للمهندسين حساب مجموع الحمولة على الجسر، وترشيحات الألغوريثم لشحنات المرور لعزل الثلج والثلج، ويمكن إرسال تنبيهات في الوقت الحقيقي عند تجاوز عتبات الحمولة.

محطات الطقس وأجهزة الاستشعار

وتوفر محطات الطقس في الموقع التي تقيس التهطال ودرجات الحرارة وسرعة الرياح والرطوبة النسبية نماذج تنبئ بتراكم الثلج ومعدلات الذوبان، وتوفر أجهزة الاستشعار التي تعمل على سطح السفينة لقياسات مباشرة، وتدمج هذه البيانات مع نظم رصد الصحة الهيكلية عمليات الإزالة في الوقت المناسب.

التصوير الحراري وكشف الجليد

ويمكن للكاميرات ذات الأشعة تحت الحمراء أن ترسم خرائط لدرجات الحرارة السطحية لتحديد مكان تكوين الجليد، لا سيما في أماكن إقامة الكابلات وثدييات الفولاذ، كما تستخدم أجهزة الاستشعار التي تستخدم في قياس التغيرات في الترددات في أسلاك التهوية على الجسور التي تُستخدم في تنبيه أطقم الصيانة عندما تصل سميك الجليد إلى مستوى حرج.

استراتيجيات التخفيف من آثار تغير المناخ

إن الحد من الجليد والجليد المتراكمين أو القضاء عليهما هما أكثر الطرق مباشرة لحماية الجسور، وتتراوح الاستراتيجيات بين تعديلات مراحل التصميم وإلغاء النسيج النشط خلال العواصف.

تعديلات التصميم الهيكلي

ويمكن للمهندسين أن يحددوا المواد والتشكيلات التي تساقط الثلج بشكل أكثر فعالية، فعلى سبيل المثال، فإن استخدام منحدر مقطعي يبلغ ٢ في المائة على سطح الأرض يشجع على تشغيل المياه المزروعة ويقلل من تراكم الجليد، وتسمح حواجز الشبكة المفتوحة )حيثما يسمح( بأن تسقط الجليد، وتخفض بشكل كبير الحمولة الحية، ويمكن رسم هياكل أساسية ذات حمولات منخفضة تمنع التسخين الجليدي.

نظم التخلص من الألغام

وقد تم تركيب أسطح جسر مسخنة تستخدم كابلات مقاومة كهربائية أو أنابيب سوائل مسخنة على جسور حرجة في المناطق الباردة، وفي حين أنها باهظة الثمن، فإنها تمنع أي تكديس للجليد أو الثلج، وتحافظ على الحمولة المميتة.

إزالة الميكانيكية

وتستخدم مدافن الثلج المجهزة باللوحات المطاطية لتطهير الطوابق دون الإضرار بالسطح، أما بالنسبة للهياكل المرتفعة، فلا بد من تنسيق إزالة الثلج مع مراقبة الحركة لتجنب تحميل الجسر بمعدات إزالة الثلج الثقيلة، ويتطلب إزالة العضلات من أماكن إقامة الكابلات والأبراج موظفين متخصصين يستخدمون أدوات محاطة لتجنب المخاطر الكهربائية من التيارات المضجرة.

Snow Fences and Wind Shields

ويمكن لتركيب السياج الجليدي على مشارف النهوج وعبر أسلاك الجسر أن يقلل من الانجرافات، فالدروع الريحية الصلبة على طول الجانبين تمنع الثلوج من التصادم مع السكك الحديدية، ولكنها قد تزيد من تكوين الجليد عن طريق الحد من التداول الجوي، ويتطلب التنسيب الاستراتيجي إقامة ديناميات سائل حاسوبي لكل موقع.

Climate Change Considerations: Increasing Load Uncertainty

إن تغير المناخ العالمي يغير أنماط التهطال، مما يجعل بيانات التساقط التاريخي للثلوج أقل موثوقية، إذ تعاني مناطق كثيرة من عواصف شتوية أكثر كثافة، مع ارتفاع محتوى الرطوبة، مما يؤدي إلى تطاير الثلج، فقد شهدت الولايات المتحدة الشرقية مثلا زيادة بنسبة 15-20 في المائة في أحداث الثلج المتطرفة على مدى السنوات الخمسين الماضية، وفقا للتقييم الوطني للمناخ.

وفي الوقت نفسه، تتسبب درجات الحرارة في زيادة دورات المناشف المجمدة، وزيادة كثافة الثلج والجليد وتساقطهما، وقد تحتاج الجسور في المناطق التي لم تتأثر من قبل بعبء ثلج كبير إلى النظر فيها في تصميمها، وينبغي للمهندسين أن يتشاوروا مع خرائط حديثة لتحميل الثلج الأرضية من ASCE 7 Hazard Tool] وأن يدمجوا سيناريوهات تغير المناخ عند تقييمها.

وبالنسبة للجسور الجديدة، ينبغي أن يُعزى النهج إلى الزيادات المحتملة في حمولات الثلج على مدى فترة تصميم تتراوح بين 50 و75 سنة، مما قد يعني زيادة حجم التصاميم الجليدية بنسبة 20 إلى 30 في المائة أو يتطلب نظماً نشطة لإزالة الألغام، كما أن رصد الإدارة التكيفية للشحنات الفعلية وتعديل خطط الصيانة - يُعد استراتيجية فعالة من حيث التكلفة.

الاستنتاج: دعوة لإدارة جسر الشتاء الشامل

إن حمولات الثلج والجليد ليست مجرد إزعاج شتوي؛ فهي عامل خطير للسلامة الهيكلية يمكن أن يتعدى الحدود التصاميم، وفي حين أن المدونات الحديثة توفر أساسا صلبا للتصميم، فقد بنيت العديد من الجسور القائمة في إطار متطلبات أقل صرامة، وأصبحت الآن عرضة لأنماط الطقس المتغيرة، والحل يكمن في مزيج من درجات الحمولة المستكملة والرصد المستمر وصيانة الشتاء العنيف.

ويجب على المهندسين ومديري الأصول وإدارات الأشغال العامة التعاون لتحديد الهياكل المعرضة للخطر، وتحديد أولويات المتخلفين، وتنفيذ نظم دعم القرار في الوقت الحقيقي، وتزيد تكلفة إزالة الجليد والثلوج كثيرا عن تكلفة فشل الجسر، سواء من الناحية المالية أو في السلامة العامة، وبمعاملة الثلج والجليد بنفس الحافة التي تسودها الأعباء السيزمية أو الرياح، يمكننا أن نكفل بقاء شبكتنا في الشتاء مرنة.

For further reading, the American Society of Civil Engineers (ASCE) publishes the Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE 7), and the ]American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) Specifications