تأثير الرنين على السلامة الهيكلية للسكايسكرارز خلال الزلازل

The Historical Significance of Riveting in Skyscraper Construction

إن الرنين يمثل أحد أساليب الانضمام المحددة في تطور بناء الإطار الصلب، فمن أواخر القرن التاسع عشر وحتى منتصف القرن العشرين، اعتمد كل مخترق رئيسي تقريبا على الأضلاع ذات الدفع الساخن لربط الشعاعات والأعمدة والجشعات، وسخّر العمال أحواض الحافة إلى درجات الحرارة المرتدة، وأدخلوها عبر فتحات متماسكة في الأعضاء الصلبين، ثم اخترقوا أدوات الارتباط النهائية الثانية.

وقد أدى الاعتماد الواسع النطاق للدغ إلى موثوقيته واتساقه، فخلافاً للصوم المكبوتة في وقت مبكر، فإن الأضلاع قد ملأت كامل قطر الحفرة عند التبريد، مما أدى إلى تشديد التباطؤ والتنقل تحت أعباء الخدمات، وقد يؤدي هذا التميز إلى إقامة صلات مضللة بشكل خاص تناسب أنماط التحميل المتكررة التي تشهدها المباني الطويلة التي تتعرض للنشاط الريحي والاحتلالي.

وقد اعتمدت جميع السحابات التاريخية مثل مبنى وولورورث ومبنى كريسلر ومبنى الدولة الامبراطورية على ملايين الأضلاع لتحقيق ارتفاعاتها المحطمة للسجلات، وقد اعترفت جمعية الأمريكيين للمهندسين المدنيين ] بالعديد من هذه الهياكل باعتبارها علامات تاريخية على وجه التحديد بسبب أساليب البناء المبتكرة التي استخدمتها.

فهم تاريخ الإثارة مهم لأنه يحدد خط الأساس لتقييم كيفية أداء هذه الروابط في إطار أحداث متطرفة مثل الزلازل والكثير من أطول المباني في العالم في المناطق النشطة الزلزالية تم تشييدها خلال الحقبة الضارية، واستمرار احتلالها الآمن يتوقف على معرفة دقيقة بمدى استجابة المفاصل المزروعة للقوات الأفقية.

Mechanical Properties of Riveted Joints Under Seismic Loading

وتخضع أكاذيب الأرض لأطر بناء للتشريد الأفقي الدورية التي يمكن أن تسبب ضرراً تدريجياً إذا لم تكن الاتصالات مصممة على النحو الصحيح، فالسلوك الميكانيكي للمفاصل المزروعة يختلف عن السلوك الميكانيكي للوصلات المبللة أو المزروعة بطرق عدة تؤثر مباشرة على الأداء السيزمي، ويجب على المهندسين الذين يقيمون الهياكل الممزقة القائمة أن ينظروا في خصائص مثل القدرة على التخصيب، والقدرة على اختلال الطاقة، والثبات، والارتطام، والضعف، والفشل.

دال - العوامل المتصلة بالدوافع وتبريد الطاقة

ويصف التقلب قدرة المواد أو الصلة على الخضوع لتشوه بلاستيكي دون كسر، وفي التصميم السيزمي، تتيح وصلات الخلايا للهيكل استيعاب الطاقة الزلازلية من خلال الغلة الخاضعة للرقابة بدلا من مقاومة القوى بشكل كبير إلى أن يحدث الفشل المفاجئ، وتظهر المفاصل المزخرفة خللا ملحوظا لأن الأضلاع نفسها يمكن أن تثمر في الخندق أو تحمل قبل فشل اللوحات الصلبة المحيطة.

وقد أظهرت البحوث التي نشرت في Journal of Structural Engineering] أن الأضلاع التي تحركها الحركة تُحدث ضغوطاً متبقية بقدر ما هي باردة، مما يزيد من قوة القذف بين لوحات متصلة، وهذه القوة المضللة تعزز عنصر الاحتكاك المشترك، مما يسمح لها بتفكيك الطاقة عن طريق التآكل أثناء عملية إبادة السيزمية.

توزيع القروض والإعادة إلى الوطن

ويستخدم الرابط المضلل نموذجياً أحجاراً متعددة مرتبة في أنماط على طول خطوط الجايات للأعضاء المترابطة، ويخلق هذا التعددية فائضاً أصيلاً: إذا بدأ أحد الأضلاع بالفشل، فإن الأضلاع المتبقية يمكن أن تعيد توزيع الحمولة على أجزاء أخرى من الصلة، وتوزيع الحمولة ليس بالزي الرسمي تماماً بسبب آثار الخروط الفموجة، ولكن وجود عتائل متعددة يوفر هامش أمان أسرع.

وتكمن زيادة الروابط المزروعة في ميزة هيكلية أثناء الزلازل، حيث يمكن أن تحدث أحداث الإجهاد المحلي في مسارات البناء، وتظل مواصفات ISC لمبنى الصويا البنى الهيكلية تعترف بأهمية التكرار في نظم صدع الضغط التي تمزقها القوى الزلزالية، نظراً إلى أن هذه الدراجات ذات الطبيعة العالية، تجسد هذا المبدأ.

الاستقرار والقابلية للخدمة

فالمفاصل المتجمعة أكثر ثروات من الروابط المزدحمة، ولكنها أقل حدة من الروابط المبللة بالشبكة الكاملة، وتؤثر التفاؤل على كيفية استجابة المبنى للاقتراحات الأرضية الزلزالية لأنه يؤثر على الفترة الطبيعية للهيكل، ويجتذب مبنى العصي قوى ساسية أعلى، ولكنه يختبر حالات تشرد أصغر، وتوفر الروابط المهددة مستويات من الظواهر الطبيعية الوسيطة التي تنجم في العديد من السمات التاريخية.

إن التأقلم الشديد من الأضلاع التي تحركها الحركة الساخنة يزيل الكثير من الزلازل التي تحدث في علاقات مكتظة بالثقوب القياسية، وهذا الضيق يضمن أن المبنى لا يمر بنوبات مفاجئة خلال الزلازل المعتدلة، مما قد يلحق الضرر بالعناصر غير الهيكلية والانتهاء من العمل الداخلي، ولهذا السبب، كثيرا ما تحافظ الأطر المزروعة على قدرتها على الخدمة حتى بعد أحداث ساوثة تؤدي إلى إقامة صلات أكثر مرونة.

Comparative Analysis: Riveted vs. Welded vs. Bolted Connections

ويستخدم البناء الحديث في المناطق المرتفعة أساساً وصلات مبللة ومزخرفة، ولكن لكل طريقة مزايا وقيود متميزة عند تقييمها لمقاومة الزلازل، فمقارنة الروابط المزروعة بهذه البدائل توفر سياقاً لفهم الدور الذي يمكن أن يؤديه الاستشهاد في كل من البناء الجديد وإصلاح الهياكل القائمة.

ربطات ملطخة

فالحصبة تخلق رابطة معدنية مستمرة بين أعضاء الفولاذ، مما يؤدي إلى وجود صلة عالية جداً بالضغط والقوة، وفي التطبيقات السيزمية، يمكن للوصلات ذات اللحظات الملتوية أن تطور القدرة البلاستيكية الكاملة للشعاع، وهو أمر مستصوب لتفكك الطاقة من خلال مشرق الشعاع، غير أن الروابط المبللة تتطلب مراقبة دقيقة للجودة لتجنب عيوب مثل عدم اكتمال الاندماج، وقلة التكليل.

وقد كشف زلزال شمالريدج لعام 1994 عن أوجه ضعف كبيرة في وصلات اللحظات المبللة التي استخدمت على نطاق واسع في أطر البناء، وشهدت العديد من الروابط كسوراً في واجهة البلد والكلومون قبل أن تتمكن الحزم من تطوير قدرتها البلاستيكية، مما أدى إلى تغييرات كبيرة في تصميم الاتصالات السيزمية، بما في ذلك متطلبات الربط المؤهل مع تحسين قابلية النقاش.

Conlted Connections

فالوصلات المزدحمة العالية هي أكثر الطرق شيوعا في التجمع الميداني في مجال بناء الصلب الحديث، ويمكن تركيب البولتات بسرعة مع الحد الأدنى من متطلبات المهارات مقارنة باللحام أو التنظيف، وتستخدم الاتصالات المزخرفة ذات الأهمية القصوى المكثفة التي تربط الأطباق المتشابكة معا، مما يؤدي إلى الاحتكاك الذي يقاوم التعثر تحت حمولات الخدمة.

فالوصلات المزروعة تفتقر إلى التأشيرات الساخنة لأن قطر الفولط أصغر قليلا من الحفرة التي تسمح بالتركيب، وهذا التطهير يخلق نطاقا زلقا قبل أن تصيب الدببة المزدحمة بالطبق، مما قد يؤدي إلى تشوهات في الاتصال قد لا تكون مرغوبة في بعض نظم إعادة تشكيل القوة السيزمية، بالإضافة إلى أن الروابط المزروعة تعتمد على تشديد الرؤوس في الازدراء.

Reiveted Connections in Context

فالوصلات المرتدة تتيح مزيجا فريدا من الممتلكات التي لا تذوب ولا تغليب كامل، بينما تؤدي طريقة التركيب المتحركة إلى ارتفاع سريع يملأ الحفرة بالكامل، ويوفر سطحا متينا على طول طول الشق الأدح، وتظهر الضغوط المتبقية من التبريد قوى كثيفة التخميد مقارنة بالموجات المبتذلة، وسلوك المذيبات البطيء في الطاقة.

بالنسبة للمباني الموجودة التي تم تقطيعها أصلاً، فإن الحفاظ على نوع الاتصال الأصلي أثناء إعادة التقلبات السيزمية يمكن أن يكون مفيداً لأنه يحافظ على خصائص الحمولة وخصائص الخصوبة التي أثبتها الهيكل بالفعل على مدى عقود من الخدمة، ويستحدث تطهير وصلات مائلة مع ربطات محمومة أو مثبتة بمتغيرات جديدة تتصل بتصلب الصمامات وخصوبة الماشية التي قد تغير طرق الارتحال.

دراسات الحالة: سكاكر مُنَزَّع الذي نجى من الرائد الأرضي

وتوفر بيانات الأداء في العالم الحقيقي من الزلازل الفعلية أكثر الأدلة إلحاحاً على قدرة الهياكل المزروعة على مقاومة الزلازل، ودراسة مدى تعرض الساطحين الذين يقطنون في التاريخ أثناء الأحداث السيزمية الكبرى لبصيرة عملية للمهندسين ومالكي المباني.

مبنى ولاية الإمبراطورية

تمّ إكمال مبنى (إمباير ستيت) عام 1931 باستخدام 10 ملايين ريفيت في إطاره الصلب، نظام البناء الهيكلي يتألف من إطار صلب من الصلب مع ربطات دقيقة مضللة بمفاصل الشعاع والكلومون، وقد شهد هذا الهيكل العديد من أحداث الزلازل على تاريخه الذي يمتد نحو قرن، بما في ذلك زلزال ماسينا لعام 1944 وزلزال فرجينيا لعام 2011 الذي دمر الكثير من الولايات المتحدة الشرقية.

بعد كل زلزال، لم يكشف تفتيش مبنى (إمباير ستيت) عن أي ضرر هيكلي كبير للوصلات الممزقة، فترة المبنى الطبيعية الطويلة، بالإضافة إلى خصوبة مفاصلها الممزقة، سمحت له بالرد على الطلبات الأرضية دون الإفراط في شدّة الاتصالات، ويؤكد أداء المبنى على المبدأ القائل بأن وجود إطار مصمم جيداً يمكن أن يوفر مقاومة سيزمية قوية حتى عندما تكون مصممة قبل فترة طويلة من الزلازلية عصرية.

أمثلة ملحوظة أخرى

وقد أظهرت عدة متطرفات أخرى مقاومة الزلازل، حيث اكتملت في سان فرانسيسكو في عام 1972، حيث استخدمت مجموعة من الاتصالات المزروعة والمزخرفة في نظامها الهيكلي الابتكاري، ورغم وجودها بالقرب من قصر سان أندرياس، فقد كان المبنى جيدا خلال زلزال لوما بريتا في عام 1989 وزلزال نابا في عام 2014، حيث شكل المبنى وأثبت وجوده في مواقع مقاومته للتطورة، مع وجود قوات رئيسية في وقت لاحق.

وكان مركز كولومبيا في سياتل، الذي اكتمل في عام 1985، واحدا من أطول المباني في شمال غرب المحيط الهادئ، ويستخدم وصلات مضللة في هيكله الأساسي، وقد نجا المبنى من الزلزال الذي وقع في عام 2001 والذي تسبب في إلحاق أضرار واسعة النطاق بهياكل ماسوني غير معززة في المنطقة، ولم يكشف سوى عن حدوث أضرار طفيفة في إطار الفولاذ، ولم يُبلغ عن حدوث أي إخفاقات في الاتصالات.

The Science of Rivet Failure Modes During Seismic Events

إن فهم كيفية فشل الاتصالات المزروعة في التحميل السيزمي أمر أساسي لتقييم سلامتها وتصميم المخلفات، وعادة ما ينطوي الفشل في الارتفاع على إحدى الآليات الرئيسية الثلاثة: الفشل في الماشية، أو الفشل، أو التشقق المفقود، ولكل طريقة من طرق الفشل خصائص متميزة يجب على المهندسين تقييمها عند تحليل الهياكل القائمة.

Shear Failure

ويحدث الفشل في الطلقات عندما تتعرض الشقان الشقية لقصف قوات تتجاوز قوتها القذيفة، وفي مفاصل ممزقة، يمر الشرايت من خلال فتحات متماسكة في اللوحات ذات الصلة، وتميل الحمولة التطبيقية إلى غلاف الصخرة عند الوصل بين اللوحات، وتتوقف قوة الصمامات على مقياسها، وممتلكات الفولاذ الضاري المصفف، وعددها.

وخلال الزلزال، يمكن أن تصبح قوات الماشية في الأضلاع كبيرة بسبب التشريدات الجانبية الدورية للإطار، غير أن الأضلاع عادة ما تظهر سلوكاً منقوصاً في الماشية، مما يعني أنها ستنحرف وتشتت كثيراً قبل كسرها، وهذا الرد على الخلايا يسمح باستمرار حملها حتى بعد أن يكون الشبح قد تعرض لتشوه بلاستيكي كبير.

عدم التعرض

مع تحطيم أو إبطال مواد لوحات الصلب حول حفرة الضلع، بينما تضغط الضلع على اللوحة، يمكن أن تُنتج مواد اللوحة وتُغلق الحفرة، وتزيد من التطهير، وتُقلل من فعالية الاتصال، مع الفشل غالباً ما يرتبط باللوحات الرقيقة أو المواد ذات القوة المضغوطة المنخفضة مقارنةً بالمقياس الضئيل.

وفي التحميل السيزمي، يمكن أن يتراكم الفشل على امتداد دورات متعددة بينما يُحمل الضلع مراراً ضد اللوحة في اتجاهات التناوب، وقد يؤدي الطول التدريجي للثقوب الضارية إلى تشوهات كبيرة في الاتصال وإلى انخفاض في التكتل، وينبغي للمهندسين الذين يقيّمون الروابط المزروعة من أجل المقاومة السيزمية أن يفحصوا القدرة على تحمل اللوحات لضمان قدرتهم على مقاومة أقصى قدر ممكن من القوى المتوقعة.

تعقب المفاصل

إن التشقيق المفاجئ هو أسلوب فشل يحدث عندما تختبر مادة اللوحات الضلعية أو المحيطة بها دورات ضغط متكررة تسبب التصدع والتكاثر، وعادة ما ينطوي التحميل السيزمي على درجة منخفضة من الدراجات العالية، حيث لا تكفي سوى بضع مئات من الدورات لإحداث صدع، ويمكن أن تشهد الاتصالات المتحركة تشقق في التحولات التي تتجه نحو الصدع، حيث تكون تركيزات الإجهاد أعلى.

إن مقاومة الصعاب للوصلات المزروعة تتأثر بنوعية التركيب الضاري، والأضلاع التي لا تملأ الحفرة بالكامل أو التي تكون رؤوسها سيئة الشكل يمكن أن تؤدي إلى انخفاض الحياة الدهنية، وعلى العكس من ذلك، يمكن أن تحقق الأضلاع التي تم تركيبها بشكل سليم مع قوة صداع مناسبة وكافية مقاومة للعضلات مثل تلك التي تؤدي إلى اختلالات.

تحديث الهياكل الثابتة من أجل التكيف السيزمي

العديد من المباني الموجودة ذات الإطارات الصلبة الممزقة تم تصميمها قبل وضع الرموز السيزمية الحديثة إعادة تصميم هذه الهياكل للوفاء بمعايير الأداء السيزمية الحالية غالبا ما يتطلب تعزيز الاتصالات الحالية أو استكمالها بعناصر إضافية هدف إعادة التقويم هو زيادة قوة المبنى أو الجمود أو الخصال لضمان قدرته على تحمل الحركة الأرضية المتوقعة دون انهيار

أساليب التقييم

وقبل تصميم نظام إعادة التشكيل، يجب على المهندسين تقييم الحالة الراهنة للوصلات الممزقة، ويمكن للتفتيش البصري أن يحدد علامات التآكل أو التشوه أو التشقق التي قد تدل على وجود ضائقة، ويمكن للاختبارات البنفسجية أن تكشف عن عيوب داخلية في الأضلاع واللوحات، في حين يمكن لفحص الجسيمات المغناطيسية أن يحدد الشق السطحي في رؤوس الأضلاع والمواد المحيطة بها.

ويمكن لأساليب التقييم التحليلي، بما في ذلك نماذج العناصر المحددة، أن تحاكي سلوك الاتصالات المزروعة في إطار التحميل السيزمي وأن تحدد أساليب الفشل المحتملة.() وتُقدِّم وثيقة FEMA P-750] مبادئ توجيهية للتقييم السيزمي وإعادة تصميم المباني القائمة، بما فيها المباني ذات الإطارات الصلبة المزروعة.() وتساعد هذه المبادئ التوجيهية المهندسين على تحديد ما إذا كانت ضرورية.

تقنيات تعزيز

عدة تقنيات متاحة لتعزيز الاتصالات المزروعة في المباني القائمة إضافة لوحات غطاء مبلّغ أو مزيّفات مُزدّدة يمكن أن تزيد من قدرة وصلات الصيد وخصوبة الصمامات، ويمكن أن تُضخّم الزوايا أو القنوات إلى الحزم والأعمدة الموجودة لخلق مسارات تحميل إضافية تقلل من الطلب على المفاصل الأصليّة، في بعض الحالات، استبدال أضلاع مُختارة ذات صلة عالية.

ومن بين النهج الرجعي المشترك للوصلات التي تُثار في الوقت الراهن إضافة شوارع أو أضلاع ملحمة في منطقة الاتصال، وهذه العناصر تزيد عمق الشعاع في الرابط، وتخفف من الضغط على الأضلاع وتبعد البلاستيك عن وجه العمود، وقد استخدمت هذه التقنية بنجاح في العديد من المباني في مناطق نشطة من الزلازل، بما فيها قوات الاحتكاك المهددة بالهزجية، بما في ذلك كاليفورنيا واليابان.

إعادة تشكيل الهياكل التاريخية الممزقة تتطلب توازن السلامة السيزمية مع اعتبارات المحافظة على الروابط المرتدة يمكن الاحتفاظ بها وتعزيزها بطريقة تحترم الطابع التاريخي للمبنى مع استيفاء معايير السلامة الحديثة.

أفضل الممارسات للمهندسين العاملين مع الروابط المتجمعة

وينبغي للمهندسين المسؤولين عن تصميم السحابات المزروعة أو تقييمها أو إعادة استخدامها أن يتبعوا أفضل الممارسات القائمة لضمان السلامة الهيكلية خلال الزلازل، وتشمل هذه الممارسات الاحتفاظ بوثائق دقيقة عن الصلات القائمة، واستخدام الممتلكات المادية المناسبة في التحليل، والنظر في السلوك الفريد للمفاصل المزروعة تحت التحميل الدوري.

الوثائق يجب أن تتضمن حجم ودرجة الأضلاع، وسماكة ودرجة اللوحات الموصله، ونمط وفترة التباعد بين الأضلاع، وأي تعديلات أجريت على الأتصالات حول حياة المبنى، ويمكن لوحات البناء الأصلية، عندما تكون متاحة، أن تقدم معلومات قيمة عن القصد التصميمي وممتلكات المواد المستخدمة، ولكن يجب على المهندسين التحقق من أن ظروف البناء مطابقة للرسومات، مع التعديلات الميدانية.

ويمكن الحصول على الخواص المادية للأضلاع التاريخية من مراجع منشورة أو من اختبارات على العينات التي أزيلت من المبنى، وعادة ما يكون للصلب الرايفتي قوة غلة تتراوح بين 200 و 350 ميغا وقوّة متزنة نهائية تتراوح بين 400 و 500 ميغاباي، على الرغم من أن هذه القيم يمكن أن تتباين تباينا كبيرا حسب الحقبة والمصنّع.

عندما يقوم المهندسون بتحليل الأربطة المزروعة للتحميل السيزمي يجب أن ينظروا في الآثار المشتركة للخنزير والحمل والقوى المتشابكة التي يمكن أن تحدث في وقت واحد خلال الزلزال التفاعل بين هذه القوات يمكن أن يقلل من قدرة الاتصال مقارنة بالتحميل في اتجاه واحد، فالمعادلات التفاعلية القائمة على المدونة توفر طريقة رشيدة للتحقق من ظروف الحمل المتجمعة.

الاتجاهات المستقبلية في التصميم السيزمي المتصاعد

وفي حين أن الاستشهاد لم يعد الوسيلة الرئيسية للربط الفولاذي في البناء الجديد، فإن البحث لا يزال يُبلغ كيف يمكن صيانة وإعادة تصميم الهياكل المزروعة، كما أن التقدم في علوم المواد والنمذجة الهيكلية يوفر رؤية جديدة لسلوك الاتصالات المزروعة تحت التحميل الشديد، كما يقوم الباحثون باستكشاف استخدام المواد المتقدمة، مثل البوليمرات المقوى الألياف، لتعزيز الروابط القائمة أو الممزقة دون إضافة وزن كبير.

وقد أدى تزايد التركيز على القدرة على التكيف والاستدامة في البيئة المبنية إلى تجدد الاهتمام بالحفاظ على الهياكل القائمة، إذ أن الاحتفاظ بسحابة سماوية تاريخية ممزقة وتحسينها يقلل من الأثر البيئي المرتبط بالهدم والبناء الجديد مع الحفاظ على التراث الثقافي للمبنى، ومع اعتماد مدن في العالم مدونات بناء قائمة على القدرة على التكيف، ستحتاج الأوساط الهندسية إلى أدوات متزايدة التطور لتقييم وتعزيز الأداء السيزمي للهياكل الممزقة.

خاتمة

وقد أدى الأرصفة دورا أساسيا في بناء السحابات وما زال يؤثر على سلامتها الهيكلية خلال الزلازل، إذ إن الخصائص الميكانيكية للمفاصل المزروعة، بما في ذلك طلاءها، وقدرتها على تفريق الطاقة، وتوزيع الحمولة، وتكرارها، توفر مقاومة زلزالية متأصلة ثبتت نتيجة أداء المباني التاريخية في الزلازل الفعلية، في حين أن البناء الحديث قد انتقل إلى توفير خدمات الهندسة المأهولة والمزخرفة.

إن علم الفشل الجذري أثناء الأحداث السيزمية مفهوم تماما، وتوجد تقنيات فعالة لإعادة التقلب لتعزيز أداء الهياكل القائمة المزروعة، وينبغي للمهندسين الذين يقيّمون ويصممون للوصلات المزروعة أن يعتمدوا على معايير التصميم المعمول بها، وأساليب التفتيش الشاملة، وعلى فهم شامل لسلوك الاتصال في إطار التحميل الدوري، وبجمع المعارف التقليدية مع الأدوات التحليلية الحديثة، يمكن للمجتمع الهندسي أن يكفل بقاء الأجيال الممزقة في السحاب.