Table of Contents
فهم علوم مراقبة التأشيرات الهيكلية
ويجب أن تتحمل المباني الحديثة قوى دينامية من الزلازل، والرياح القوية، وحتى النشاط البشري، ولا تشكل حلول مراقبة التأشيرات الإضافات الاختيارية، بل هي عناصر أساسية للتصميم الميسر، وتعمل هذه النظم بقطع نقل الطاقة الحركية من الأرض أو الرياح إلى الإطار الهيكلي، وبدون حدوث انكماش فعال، قد يتعرض مبنى للجمع المفرط، أو للضرر غير الهيكلي، أو لسقوط مصممين مصممين مكثفين.
How Ground Motion Affects Structures
فخلال الزلزال، تسبب موجات الزلازل الأرض في التحرك في اتجاهين متعددين في وقت واحد، ويحدد التردد الطبيعي للهيكل كيف سيستجيب، وعندما يضاهي تردد الحركة الأرضية تواتر التواتر الطبيعي للمبنى، ويمكن أن يؤدي إلى الفشل، كما أن أجهزة التحكم في الاحتراق تغير الخصائص الدينامية للمبنى، وتتحول فترة عملها الطبيعية بعيدا عن الطاقة الغالبة للزلزال، وتزيد من الانهيار إلى الانهيار.
مقاييس الأداء الرئيسية
(ب) تقييم المهندسين للحلول المتعلقة بمراقبة الاهتزاز باستخدام بارامترات مثل سرعة الحد الأقصى للطابق، والنسب العائمة بين الأسبقية، وتخفيض المقار الأساسية؛ وينبغي أن يحد النظام المصمم جيداً من الانجراف بين الخوارق إلى أقل من 1.5 في المائة من طول القصّة وأن يحافظ على سرعة الذروة دون العتبات التي تسبب ضرراً في الاضطرابات أو المعدات (نحو 0.5 غرام أو أقل من المباني المكتبية).
الأنواع الأساسية لنُسخ مراقبة التأشيرات
ويتوقف اختيار الجهاز على طول المبنى وشغله وظروف الموقع وأهداف الأداء، فيما يلي الفئات الأكثر اعتمادا، وكلها مبادئ تشغيلية متميزة.
نظم عزل القاعدة
وتحلل المعاقين في القاعدة من الأرض، وهي تتألف من طبقات من الرواسب الفلزية (المطاط الطبيعي أو التركيبي) مع لوحات تعزيز الصلب، مقترنة في كثير من الأحيان بقاعدة أساسية لإضافة الرطوبة، وفي إطار الحركة السيزمية، يسمح الموصلات للمبنى بالهبوط في وقت لاحق، مما يقلل من سرعة الانتقال إلى الهيكل الخارق بنسبة 70-80 في المائة مقارنة بتصميم نموذجي ثابت.
دبابات الكتلة المتوطنة
ويتكون الرابط الجماعي المدروس من كتلة ضخمة )لكل من الفولاذ أو الخرسانة( مجهزة في الربيع والمستودعات بالقرب من أعلى مبنى طويل، ويخصص التردد الطبيعي لدار الرطب ليطابق الأسلوب الأساسي للمبنى، وعندما ينتقل أسلوب البناء، فإن درجة الارتفاع في الأرضيات المولدة في الاتجاه المعاكس، يلغي الطاقة، والمثال الكلاسيكي هو تابي ١٠١، التي تقلل فيها سرعة الارتون الذهبية ال ٣٠٧ في المائة.
مصاصي دماء فيش
ويستخدم الرعاة الفاسدون مثل ممتصات الصدمات الآلية، وتتألف من خلية مليئة بزيوت السيليكون ومسدس مع أورام مجهزة بعناية، حيث أن المقاومة الهيدروليكية تولد حرارة وتوزع الطاقة اليقظة ويمكن التحكم بدقة في قوى التدمير بواسطة الحد الأدنى من القياسات الأرضية وأجهزة الضبط المتوازية.
سداسات فيسكولستية
وتجمع أجهزة التفريغ الفلزية بين المواد المتعددة الزمركية ولوحات الصلب، وتحت التحميل الدوري، يُحدث البلمر تشوهات في الخراف، ويحول الطاقة الحركية إلى حرارة، وهذه الرطامات أخف من الأنواع المتأصلة، وتُؤدّي جيدا عبر نطاق الترددات الواسعة، وتُطبَّق عادة في المباني ذات الكتل الصلبة التي يكون فيها الفضاء محدوداً وحيث لا يمكن استنشاقه.
نظم الرقابة النشطة والهاجينة
وتستخدم النظم النشطة أجهزة الاستشعار والتحكم والملجئين لتطبيق القوى المضادة في الوقت الحقيقي، ويمكنها التكيف مع مختلف الاقتراحات الأرضية، ولكنها تتطلب طاقة خارجية وخوارزميات رقابة متطورة، وتجمع النظم الهجينة بين أجهزة سلكية (مثل أجهزة الإيزواد الأساسية) وعناصر نشطة، وعلى سبيل المثال، تستخدم برج يوكوهاما لاندرمارك في اليابان صبغة مغناطيسية متطورة تحت السيطرة الفعلية)
اعتبارات التصميم المتعلقة بالمبنى المقاوم للكوارث
ويتطلب اختيار نظام مراقبة الاهتزاز الصحيح اتباع نهج قائم على الأداء في موقع محدد، ويجب على فريق التصميم أن يقيّم متغيرات متعددة تتجاوز مجرد الامتثال للمدونة.
تقييم الأخطار السيزمية
أولاً، يميز المهندسون الخطر السيزمي في الموقع باستخدام تحليل مخاطر الزلازل المحتملة، ويعتبرون المسافة من حيث الذنب، ونوع التربة، ومشهد التعجيل المتوقع، على سبيل المثال، فإن المباني التي تُستخدم في التربة اللينة (الفئة هاء) تُعدّ نماذج متطورة أطول من حيث الفترة تُفضّل العزلة الأساسية، في حين أن المواقع المتفشية (الدرجة باء) قد تتيح استراتيجيات بسيطة لتشغيل.
الاحتياجات من الوظائف والمهنة
ويجب أن تظل المرافق الحرجة مثل المستشفيات ومراكز الإطفاء ومراكز البيانات جاهزة للعمل بعد وقوع كارثة، وبالنسبة لهذه الهياكل، ينبغي أن تستهدف نظم مراقبة الاهتزاز ] شغلها على نحو سريع مستويات الأداء، وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن يقبل مبنى المكاتب مستوى ] من حيث القدرة على الإصلاح.
تكامل النظام الهيكلي
وتتفاعل أجهزة مراقبة التأشيرات مع نظام الترسيخ الأفقي للمبنى، إذ يمكن في الوقت الحاضر تركيب أجهزة لضبط العينات في شكل أشجار أو في شكليات للزجاج، وكثيرا ما تكون جدران الشير مقترنة بموجات أساسية في المؤسسة، ومن الأهمية بمكان أن يُنظّم التفاعل بين الهياكل الأساسية باستخدام تحليلات غير محدودة زمنيا، وسدّل من البرمجيات، وارتقاء الثغرة في عام 2000.
تحليل التكاليف والفوائد والحياة
وفي حين أن مراقبة الاهتزاز تضيف ١-٥ في المائة إلى مجموع تكاليف التشييد للمباني العادية، فإن الوفورات الناتجة عن تجنب أوقات الانكماش والإصلاحات والإصابة كثيرا ما تبرر الاستثمار، ويقارن تحليل تكاليف دورة الحياة النفقات الأولية بالخسائر المتوقعة باستخدام منحنى الهشاشة وفترات الخطر، وقد تبين أن المباني التي لها عزلة أساسية تقلل تكاليف إصلاح الزلازل بنسبة ٦٠-٨٠ في المائة على مدى فترة تصميم مدتها ٥٠ سنة.
أفضل الممارسات في مجال التنفيذ والتشييد
وتتطلب المراقبة الفعالة للاهتزاز التكامل الدقيق أثناء التصميم والبناء، إذ أن مراقبة الجودة في الميدان هي الجوهر، حيث أن التركيب المخطئ يمكن أن يبطل حتى أكثر النظم تطورا.
إغلاق المبنى للعزل في القاعدة
أما بالنسبة للمباني المجمدة من القاعدة، فإن الموصلات توضع بين فراش من القاعدة الدنيا وقاعة صلبة عالية، ويبدأ البناء بالطن السفلي، ثم وضع الموصلات ذات المستوى الدقيق، وتقام البنية الخارقة على رأسها، وكثيرا ما تستخدم الدعم المؤقت حتى يستعمل الوزن الكامل للعلامات، ويجب حماية المبنى أثناء عملية الارتداد بسبب التحميلات الريحية قبل أن يتم تأمين الموصلات.
التثبيت والتجربة
ويجب توجيه أجهزة الاستنشاق بالأجهزة الضوئية تماماً كما هو مصمم عادة مع وصلات النسيج في كلا النهايتين التي تسمح بالتناوب، وقبل التركيب، يخضع كل فرد من الراقصين لاختبار قبول المصنع يؤكد سلوك القوة وسرعة العمل على مدى 10 إلى 20 دورة، وفي الموقع، يعاد اختبار عينة من أجهزة الحفر للتحقق من عدم حدوث أي ضرر في الشحن، كما يتم فحص السمة الاصطناعية لأن القيم المرنة يمكن أن تجعل من الغليظات.
الرصد على أساس اللجنة وباطن الأرض
وبعد البناء، يخضع النظام المكتمل للتكليف، ويشمل ذلك اختبارات تهوية مأمونة لقياس الترددات الطبيعية الفعلية للمبنى وشكلاته، ومقارنة هذه المقاييس بالتنبؤات التحليلية، وبالنسبة للنظم النشطة، تُعدّل المكاسب التي يحققها المتحكمون، وكثيرا ما يتم تركيب شبكة رصد دائمة (بما في ذلك أجهزة التكليل ومنتجات التشريد) لتتبع الأداء الطويل الأجل وتوفير البيانات لعمليات التقييم اللاحقة.
دراسات حالة في تصميم المباني المقاومة
وتوضح الأمثلة على العالم الحقيقي مدى اختلاف استراتيجيات مراقبة اليقظة في ظل ظروف متطرفة.
تايبي 101، تايوان
وقد احتفظت تايبيي 101، التي اكتملت في عام 2004، بحقيب أطول مبنى في العالم لعدة سنوات، حيث أوقفت مسدّساتها الجماعية المثقفة من الطابق الثاني والعشرين، حيث تراوحت بين 1.5 متر خلال الرياح القوية أو الزلازل، وأظهرت البيانات المستمدة من الزلزال الذي ضرب فينغوان عام 2008 (700 كيلومترا) أن الرطبة قد خفضت من سرعة الذروة بنسبة 30 في المائة، وأن نجاح المبنى قد أدى إلى ظهور أجهزة مماثلة في جميع أنحاء العالم.
مركز سان فرانسيسكو للنقل العابر التابع لقوة المبيعات
ويقع هذا المركز العابر من مسافة 1.4 مليون قدم فوق خط الزلازل الرئيسي مباشرة، وقد استخدم فريق التصميم أكثر من 200 من الرعاة المتميزين الموزعين عبر الإطار الدياغريدي للفولاذ، وأظهر التحليل غير التاريخي الذي يحفز حدوث زلزال ضخام على مقربة من سان أندرياس أن الرعاة المحدودة بين العواصف المتشابكة إلى أقل من 0.5 بوصة، مما يبقي الهيكل الأساسي جاهزا للعمل بعد وقوع الحدث مباشرة.
The U.S. Bank Stadium, Minneapolis
وفي حين أن هذا الملعب معروف بسقفه المائي، فإنه يميز أيضا نظاما شاملا لمراقبة الاهتزاز ضد كل من الريح والسيزمية، حيث توجد في هيكل السقف مجموعة من المصابين بالطيور السائلة (تختلف باستخدام أعمدة المياه بدلا من الكتلة الصلبة)، وهي تخفف من حدة المسافات أثناء الريح العالية، كما أنها تقلل من الاستجابات للزلزال الطويل الأجل، وقد أدى هذا النظام إلى حدوث تعطيل هيكلي يبلغ الحد الأدنى 2019 زلا، حيث الحجم، حيث لا يوجد مقرونا، حيث التآكل.
الصيانة والرصد وإعادة التأقلم
ويجب تفتيش وصيانة أجهزة مراقبة التأشيرات طوال حياة المبنى، ويمكن أن يؤدي التخلف إلى تقويض الأداء في اللحظة التي تمس الحاجة إليها.
بروتوكولات التفتيش الروتينية
وتحتاج الأجهزة السلبية مثل المؤثرات غير الطبيعية والناشطين المتناثرة إلى تفتيش بصري كل خمس سنوات أو بعد أي حدث سيزمي هام، ويبحث المفتشون عن عمليات التفكيك، وتسرب النفط، والتشوه المفرط، وعلامات التآكل، وتتطلب النظم النشطة إجراء عمليات تفتيش أكثر تواتراً - شهرياً لإمدادات الطاقة وأجهزة الاستشعار، وإجراء اختبارات سنوية كاملة في وظائف المباني.
رصد الحالات الحساسة
وتتزايد اشتمال المباني الحديثة على شبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي ترصد باستمرار تشرد الرطوبة، والتسريع، ودرجات الحرارة، ويمكن للخوارزميات التي تتعلم المعادن أن تكشف عن حدوث تغييرات طفيفة في القدرة على الترميم أو التشدد، وتخطر مديري المرافق قبل حدوث الفشل، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي أجهزة التكليل التي توضع على مشغلات القاعدة إلى انطلاق إنذار إذا تحركت الجهة إلى ما بعد تشردها.
إعادة تشكيل الهياكل القائمة
ويمكن إعادة تجهيز العديد من المباني القديمة بأجهزة التحكم في الاهتزاز لجعلها تصل إلى المعايير السيزمية الحديثة، وتشمل البقايا المشتركة إضافة حمالات فولاذية مع أجهزة إطفاء بصرية، وتركيب أجهزة تعليب قاعدية (التي غالبا ما تتطلب سرقة المبنى بأكمله)، أو إضافة جدران مكملة مصنوعة من مواد متوازية، وتكون القاذورات فعالة من حيث التكلفة مقارنة بخيارات التدمير وإعادة البناء.
التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية
ويمضي الميدان بسرعة نحو نظم أذكى وأكثر كفاءة تتوقّع الكوارث بدلا من الاستجابة لها.
نظم التكيف والتوحيد الذاتي
ويقوم الباحثون بتطوير أجهزة تكييفية تغير خصائصها الخاصة بالتشهير أو التخثر على ذبابة، ويستخدم نهج واعد ما بين سوائل المغناطيسية التي تترسخ في دولة شبه موحدة في غضون ثوان عندما تتعرض لمجال مغناطيسي، ثم تعود إلى السائل عندما يُزال الحقل، وباختلاف القوة الميدانية المغناطيسية، يمكن أن تُستخدم أجهزة مقاومة الرابط في العقود المقبلة في المباني التي يتم نشرها باستمرار.
أجهزة الشدة السلبية
ويمكن لآليات التشدد السلبي أن تقاوم قوة إعادة البناء إلى ما هو عليه، وأن تقلل من مدى قوتها الفعلية والفترة دون التضحية بها، مما يسمح للمبنى بأن يظل متسلطا أثناء عمليات التشرد الأكبر، ويمكن أن تؤدي أجهزة التشدد السلبية، التي تجمعها مع الرعاة التقليديين، إلى تخفيض حجم القاع الأساسية بنسبة 50 في المائة مقارنة بالتصميمات التقليدية، وقد تم التحقق من هذا المفهوم في اختبارات مصافحة في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو.
العناصر الهيكلية الأساسية ذات الأبعاد الثلاثة دال - العناصر المكونة للدمود
فالصناعة المضافة تتيح إنشاء أعضاء هيكليين يدمجون مواد الرطب مباشرة في قياسها الجيولوجي، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يعمل شعاع فولاذي مطبع بثلاثة دنانيات مع قنوات داخلية لللفلينات المحتوية على سوائل واضحة كعنصر تحميل وغطاء، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة منفصلة وتشييد هياكل بسيطة، وتركز البحوث الحالية على استخدام قياسات هندسية في مواقع معينة.
خاتمة
إن إيجاد حلول لمكافحة التهوية تتسم بالتصميم يتطلب بذل جهود متعددة التخصصات تجمع بين الهندسة الهيكلية وعلوم المواد وتحليل المخاطر، وبفهم الفيزياء الأساسية للحركة الأرضية والديناميات الهيكلية، يمكن للمهندسين أن يختاروا ويدمجوا مشغلي القاعدة، وأجهزة الاستعلام، وأجهزة التحكم الفعالة التي تضمن بقاء المباني على حالها من الكوارث بأقل قدر من الضرر، كما أن دراسات الحالات المتعلقة بنظم الصيانة الحيوية في تايبي 101، والبنى التحتية المثبتة للبيعات، وغيرها