أثر المناخ التغير في تحديات التوسع الحراري في مجال الهياكل الأساسية

Urban Heat Island Amplification

وتركيز تأثيرات الجزيرة الحرارية الحضرية على المدن حيث يستوعب السقف المتصاعد والخرساني والظلام الحرارة ويعيد إشعالها، وقد أدت دراسة أجريت في عام 2023 نشرت في مدن الطبيعة إلى أن السطح الحضري يمكن أن يصل إلى درجات الحرارة أعلى من 30 درجة مئوية خلال أحداث حرارة شديدة، مما يؤدي إلى فقدان القدرة على إحداث الاحترار المحلي لتقلبات البنية التحتية الميسرة.

المشكلة ليست مقصورة على المناخ الساخن المدن في المناطق المعتدلة بما فيها لندن وباريس وبرلين، قد شهدت هياكلها الأساسية التي تم دفعها إلى الحد خلال الموجات الحرارية الأخيرة، في تموز/يوليه 2022، درجات الحرارة في المملكة المتحدة تجاوزت 40 درجة مئوية لأول مرة، مما تسبب في تساقط خطوط السكك الحديدية، والطرق المميتة، وسقف المستشفيات التي تم تصميمها في هذه المدن

نظم الهياكل الأساسية الضعيفة تحت الضغط

فالهياكل الأساسية للنقل ضعيفة بصفة خاصة لأنها معرضة للعناصر التي لا توجد بها مظروف للبناء، ففي صيف عام 2021، تسببت قبعة حرارية غير مسبوقة على شمال غرب المحيط الهادئ في فشل طرق عديدة، وأبلغت ولاية واشنطن وحدها عن حدوث انفجارات حادة في السكك الحديدية، حيث ترتفع مسدودات الخرسانة دون إنذار، مما أدى إلى حدوث تلالات خطيرة في عدة مواقع ضغط عالية.

إن الأثر الاقتصادي لهذه الإخفاقات فوري، فكل مشبك من المسارات يمكن أن يغلق خطا رئيسيا لساعات، ويكلف الاقتصاد ملايين من حالات التأخير في الإنتاجية والشحن، وتقدّر وزارة النقل الأمريكية أن التعطلات المتصلة بالطقس في شبكة النقل في البلد تتراوح بين بليوني دولار و 5 بلايين دولار سنويا، وهو رقم يزداد مع ازدياد تواتر الأحداث الحرارة الشديدة، وفي أوروبا، فإن الوضع مماثل.

نظم المباني والصلاحيات

كما أن المباني غير محصنة من الضغط الحراري، كما أن الهياكل التجارية الكبيرة، ولا سيما تلك التي لها أسطح طويلة أو نظم متتالية مستمرة، تشهد توسعا كبيرا خلال الموجات الحرارية، كما أن حوائط الستائر التي تتسع بشكل متزايد في البنيان الحديث، تتسم بالحساسية بوجه خاص، وعندما يتسع الإطار بسرعة أكبر من الزجاج، فإن تركيزات الإجهاد يمكن أن تسبب في انقطاع الأسطح في عام 2022.

وتواجه البنية التحتية للقوى العاملة، بما في ذلك خطوط الكهرباء، وخطوط الأنابيب، وكابلات الاتصالات السلكية واللاسلكية، تحديات حرارية خاصة بها، وتشهد خطوط الكهرباء العامة عندما ترتفع درجات الحرارة، وتخفض درجة حرارة الأرض، وتزيد من خطر الارتطام أو الاتصال بالنباتات، وتبرز هذه العلامات عامل مساهم في حرائق كاليفورنيا البرية لعام 2020، حيث تتواصل خطوط الكهرباء مع الغطاء النباتي الجاف خلال ظروف حرارة القصوى.

الحلول الهندسية للارتقاء الحراري

وتستلزم معالجة تحديات التوسع الحراري مزيجا من المواد المتقدمة، والتصميم الأذكى، والرصد في الوقت الحقيقي، ومن الوسائل الحاسمة تطوير مواد البناء ذات المعامل الأقل بطبيعتها في التوسع الحراري، كما أن الخرسانة ذات الأداء العالي والبوليمرات المجهزة بالألياف والمتصلة بالأقساط المتحركة بالفلور، تؤدي إلى خفض تكاليف التكتل الحراري إلى جانب ارتفاع درجة الحرارة في كل من الفولاذ.

المواد المتقدمة مع فريق التكنولوجيا الحيوية الأدنى

(أ) أن تكون هياكل الطاقة [المركبة الجديدة] قد أسفرت عن مرشحين واعدين من أجل المرونة الحرارية، بينما يمكن أن تُعدّ أجهزة إعادة ضبط الألياف المعززة من الألياف الكربونية (CFRP) على نحو منتظم، بحيث تُزيل مشكلة التوسع في الهياكل الأساسية المعززة، وتُختبر مسارات الذاكرة في مفاصل التوسع؛ ويمكن لهذه المواد أن تستعيد شكلها الأصلي بعد حدوث تشوهات كبيرة نتيجة لتقلبات البنية التحتية.

كما أن استخدام السكك الحديدية الحديدية المعالجة بالأشعة الحرارية يتوسع عبر شبكات السكك الحديدية، وتصنع هذه السكك الحديدية بدرجة أعلى من درجة الحرارة، وتراوحت عادة بين 35 درجة مئوية و 40 درجة مئوية، مقارنة بالمعيار 27 درجة مئوية، مما يسمح لها بتحمل درجات حرارة عالية من الكسور قبل التكسير، وقد استبدلت تدريجياً خطوط التعزيز الوطنية للسك الحديدية التي تستخدم باستمرار.

النظم المشتركة التكييفية والتصميم

وهناك مجال آخر للابتكار يكمن في تصميم المفاصل والعلامات، حيث يمكن الاستعاضة عن هذه المفاصل التقليدية للتوسع في الوحدات، التي تعتمد على لوحات الصلب المتدهورة والأختام الفاشلة، بمفاصل عالية من الإصابع ونظم قفزية يمكن أن تستوعب قدرا أكبر من الحركة بينما تبقى من المياه، ويوضح مصممو الجسور بصورة متزايدة العزلة التي تفكك البنى التحتية من حركة الهياكل الفرعية، مما يتيح التوسع الحراري.

وفي مجال تصميم المباني، يجري إعادة تصميم مفاصل التوسع بحيث تستوعب نطاقات درجات الحرارة الأوسع، وقد بدأ قانون البناء الدولي في إدراج أحكام تتعلق بالتصميم المكيف مع المناخ، ولكن التبنّي يختلف اختلافا كبيرا حسب الولاية القضائية، حيث تحدد الآن أطباء الهندسة والنظم الهندسية نظما مشتركة ذات قدرة أكبر على الحركة، باستخدام مواد تحافظ على المرونة عبر نطاق حرارة أوسع، ويمكن أن تستوعب المواد ذات الترددات القائمة على الحروف، على سبيل المثال، حركة تتجاوز حدود الحرارة 150 درجة مئوية.

البنية التحتية الذكية والرصد الافتراضي

وتوفر التكنولوجيا الرقمية تكملة قوية للتكيف المادي، ويمكن الآن دمج أجهزة الاستشعار الضوئية الموزعة باللياف في الخرسانة أو المرابطة مع أعضاء الفولاذ لقياس الإجهاد ودرجة الحرارة والتشريد في الوقت الحقيقي على طول كامل طول الهيكل، ويمكن لنظام الرصد الهيكلي أن يكشف عن توقيع تنبيه غير عادي قبل أن يظهر التشقق المرئي، مما يتيح التنبؤ بالأمور المتعلقة بالتشريد في المستقبل.

كما يجري نشر خوارزميات التعلم الماكنة لتحليل درجة الحرارة التاريخية والبيانات الإجهادية، مما يكشف عن أنماط توقع الفشل، ومن خلال ترابط التنبؤات الجوية مع الاستجابة الهيكلية، يمكن للمشغلين أن يفرضوا بشكل استباقي قيودا سريعة على خطوط السكك الحديدية أو على الممرات الضعيفة للجسور قبل بلوغ ذروة الموجات الحرارية، ومنع وقوع حوادث كارثية، وهذا الخلط بين النفقات المتراكمة والصيانة الواعدة،

دراسات الحالة العالمية: عندما يُصمم التوسع الحراري

وقد أدى فشل العالم الحقيقي إلى الإلحاح في التكيف، ففي حزيران/يونيه 2021، أدى سد جسر فولاذي حراري في هولندا إلى رفع أحد عواصفه بعدة سنتيمترات، ووقف حركة المرور في القطارات لساعات، وكشفت التحقيقات عن أن ثغرات التوسع قد صُممت لدرجات حرارية قصوى تبلغ 46 درجة مئوية، ولكن درجة حرارة السك الحديدية الفعلية تجاوزت 55 درجة مئوية.

في جنوب غرب أمريكا حيث تتخطى درجات حرارة الصحراء بشكل منتظم 45 درجة مئوية، مهندسو الطرق السريعة يتعاملون مع الأسفلت الذي يصبح ضعيفاً جداً،

مناطق (الفاروث) في (ألاسكا) و(كندا) و(روسيا) تقدم حالة فريدة حيث يختلط التوسع الحراري مع عدم الاستقرار الأرضي، كما أن الأرض تستقر، وتخلق حركة متمايزة تضغط على خطوط الأنابيب والطرق والمباني، نظام خط الأنابيب الحرارية العابرة للألاسكا، الذي يحمل زيت نقدي على بعد 800 ميل من التضاريس البرفي، مصمم مع وجود توقعات حرارية.

الأبعاد الاقتصادية والسياساتية للارتقاء الحراري

والمواءمة مع تحديات التوسع الحراري هي مشكلة تتعلق بالسياسة العامة والتخطيط، حيث أنها مشكلة هندسية، إذ أن مدونات البناء ومعايير المواد التي تم تحديث العديد منها منذ عقد أو أكثر، تستند إلى حد كبير إلى بيانات تاريخية عن الأحوال الجوية لم تعد تمثل الظروف الحالية أو المقبلة، وقد دعت الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين إلى تحديث أساسي لمعايير التحميل لإدراج التوقعات المناخية من نماذج مثل تصميم مسارات التركيز على نحو فعال.

كما أن آليات التمويل هذه تحتاج إلى التحول، إذ أن الإصلاحات التفاعلية بعد الفشل الناجم عن الحرارة تكون في كثير من الأحيان أكثر تكلفة من عمليات الاسترداد الاستباقية بثلاثة إلى خمس مرات، كما أن برنامج رصد البنية التحتية المجهزة بمبنى الوكالة الاتحادية لإدارة الطوارئ، يحفز الآن المشاريع التي تعالج المخاطر المناخية في المستقبل، بما في ذلك التوسع الحراري، وعلى المستوى البلدي، اعتمدت مدن مثل روتردام وكوبنهاغن خططا للتكيف مع تغير المناخ تسند صراحة إلى مشاريع البنية التحتية الحرارية.

The Cost of Inaction Versus Investment

ويُعزى إلى إبطال أثر تغير المناخ على التوسع الحراري تكلفة اقتصادية باهظة، ويقدر البنك الدولي أن الأضرار التي تلحق بالهياكل الأساسية ذات الصلة بالمناخ قد تُكلِّف البلدان النامية ما بين 15 بليون دولار و30 بليون دولار سنوياً إذا لم تتخذ تدابير التكيف، وفي البلدان المتقدمة، فإن المسؤولية تعادل القسوة: فيوم واحد من إغلاق الجسر على ممر حضري كبير يمكن أن يكلف الاقتصاد الإقليمي الملايين من الأصول المفقودة، ويستجيب قطاع التأمين من خلال تحديد مخاطر التكيف مع متطلبات المناخ.

وعلى العكس من ذلك، فإن الاستثمار في المواد المسببة للصدمات الحرارية والرصد الذكي يوفران عائدات قوية، وقد وجدت إدارة النقل الأمريكية الرائدة في مجال التكيف مع تغير المناخ أن كل دولار ينفق على تدابير المرونة للطرق والجسور يوفر ستة دولارات في الصيانة والتعافي من الكوارث في المستقبل، وأن إدراج مواد خفيضة التكلفة ومفاصل التكيف في مرحلة التصميم لا يزيد إلا عن نسبة هامشية في التكلفة الإجمالية للمشروع ولكن يمكن أن يمدد حياة الخدمات بعقود.

إنشاء مستقبل متجدد

إن تقاطع تغير المناخ والتوسع الحراري ليس شاغلا نظريا بعيد المنال، بل هو تحد هندسي في الوقت الحاضر يتطلب اتخاذ إجراءات فورية ومنسقة، إذ أن الأدوات موجودة: المواد ذات الاستقرار الحراري الأعلى، والنظم المشتركة التكييفية، وشبكات الرصد في الوقت الحقيقي، ومدونات التصميم المستنيرة بالمناخ، وما يلزم هو الإرادة السياسية، والإصلاح التنظيمي، والالتزام المالي بنشرها على نطاق واسع، وذلك بمعالجة القدرة على البقاء على قيد الحياة كمقياس للتصميم الأساسي بدلا من أن تكون مظلة.

وفي نهاية المطاف، يكشف التحدي الذي يواجهه التوسع الحراري عن مدى ما يبدو من تغير تدريجي - بضع درجات من متوسط سلسلة الاحترار - الكان في أوجه الضعف الهيكلية التي تتردد عبر الاقتصادات والمجتمعات المحلية، إذ أن مواجهة التحدي القائم على الابتكار، والبصر، والطابع الملح، ليس مجرد واجب هندسي؛ بل هو التزام اجتماعي، كما أن جسورنا، وسكات حديداتنا، ومبانيها هي العمود الفقري من قواعد الاختيار في مجال الحضارة.