تصميم رسومات الأيرودينامية للتقليل إلى الحد الأدنى من مقاومة الرياح في هيكل الأساتيوم

ومن ثم فإن تصميم الملعب الحديث يواجه تحديا فريدا وملحا: الحاجة إلى إنشاء هياكل مفتوحة كبيرة يمكنها أن تصمد أمام قوى الطبيعة، مع توفير تجربة مثلى لعشرات الآلاف من المشاهدين، ومن بين هذه القوى الطبيعية، فإن الريح هي أحد أهم وخيارات التصميم، وبدون اعتبار جوي دقيق، يمكن للرياح العالية أن تحفز على إحداث ذبذبذبات هيكلية هيكلية خطيرة، وتتسبب في أضرار لا يمكن أن تخلق نظما حقيقية للارتداد وتصفح.

أهمية الديناميكا الهوائية في تصميم الملعب

فالأجزاء المستقرة هي هياكل مكشوفة بطبيعتها، حيث أن مساحاتها السطحية الكبيرة، التي غالبا ما تكون مفتوحة، وأجهزة قياس سطحية خفيفة الوزن تجعلها عرضة بشكل خاص لشحنات الرياح، وتمتد أهمية الديناميكا الهوائية في هذا السياق إلى ما يتجاوز مجرد البقاء الهيكلي؛ وهي تؤثر مباشرة على راحة المشاهدين، وتكاليف التشغيل، بل وحتى على أداء الرياضيين في الأماكن الخارجية.

السلامة الهيكلية والطول

فالشاغل الرئيسي هو السلامة الهيكلية، إذ يمارس الرياح ضغوطاً وقوى للضغط على كل سطح معرَّض، وبالنسبة إلى الملعب النموذجي، يمكن أن يصل مجموع عبء الرياح إلى آلاف الأطنان، حيث يمكن للهياكل المصممة بطريقة سيئة أن تُحدث تذبذباً، وتُحدث في حالات شديدة الفشل الكارثوي، ويقلل تشكيلات الهوائية من حجم الرياح، ويقلل من الضغط على أُطر صيانة الصلب، ويُقدِّمُها، ويُها، ويُها، ويُتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَ

المنتصر

داخل وعاء الملعب، يمكن للريح أن تخلق مسودة و اضطراب التي تهتز بها المشاهدات المبردة، وتعطل النظر، بل وتطرح مخاطرة في الحطام الجوي، كما أن الملامح الأيرودينامية المصممة تصميما جيدا، مثل حواف السقف المشكل وشاشات الرياح التي توضع على نحو استراتيجي، تساعد على التحكم في تدفق الهواء داخل مناطق الجلوس، مما يحافظ على وجود ميكلوت أكثر استقرارا وراحة.

كفاءة الطاقة وتكاليف التشغيل

كما أن التصميم الهوائي يؤثر على حمولات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، ومن خلال التحكم في التهوية الطبيعية وتخفيض المشاريع غير المرغوب فيها، يمكن للملاعب أن تقلل من استهلاكها للطاقة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن انخفاض حجم الرياح يعني وجود عناصر هيكلية أخف، مما يقلل من تكاليف المواد ووقت البناء، وعلى مدى حياة الملعب، يمكن أن تكون هذه الوفورات كبيرة.

المبادئ الأيرودينامية الأساسية المطبقة على الملاعب

ففهم كيفية تفاعل الرياح مع الهياكل الكبيرة يتطلب تطبيق المبادئ الأساسية للملاحة الجوية، وفي حين تستخدم ديناميات السوائل الحاسوبية الكاملة لتحليل مفصل، فإن الفيزياء الأساسية لا تزال ثابتة.

تبسيط وخفض الدراج

إن التمدد يقلل من معامل جر الجسم بإتاحة الهواء الناعم حوله بسهولة، وهذا يعني تجنب الزوايا الحادة، والتغييرات المفاجئة في الزاوية السطحية، والمناطق الكبيرة المسطحة التي تواجه الرياح السائدة، بدلا من ذلك، التصفيات المكشوفة، وخطط الطوابق الشائكة، والحواجز الملصقة تساعد على متابعة الهواء في مواضع البناء ذات الحد الأدنى من الفصل.

إدارة شؤون رعي الفوتكس

وعندما تتدفق الرياح من جسم مخادع مثل الملعب، يمكنها أن تُلقي دوارة متناوبة من جوانب مختلفة، وهذه الظاهرة، المعروفة بـ "الدُفَرِّف الدُفَس"، تخلق قوى مُنَفَّذة يمكنها أن تُبطل الهيكل في ترددها الطبيعي، وإذا تطابقت الترددات الطبيعية الهيكلية، يمكن أن تحدث الارتدادات، مما يؤدي إلى حدوث تغيرات كبيرة مُضرة في الرواسب.

التحكم في رفع مستوى القوات وهدمها

وتواجه الرووف صعوبة خاصة في رفع مستوى الضغط بسبب الفرق بين السطح العلوي والجانب السفلي، حيث تبرز في كثير من الأحيان قبة ضحلة أو رياح متحركة من أجل الإسراع في أعلى المستويات، والحد من الضغط، وإنشاء قوة نزهة صافية أو رفع مستوى أعلى، وتشتمل بعض سقف الملعب الحديث على منحنى طفيف في الطرف المؤدي إلى زيادة تشجيع التثبيت في الهواء.

أهم رسوم التصميم الجوي

ويتم تحقيق الأداء الأيرودينامي من خلال مزيج من العناصر الشكلية والنسيجية والميكانيكية، وتدمج السمات التالية بشكل عام في تصميمات الملعب المعاصرة.

إطار مهيمن للمبنى

الشكل العام للملعب هو خط الدفاع الأول ضد الرياح، والخطط الأرضية الشقلبية أو الدائرية هي في جوهرها أكثر إيرودناميكية من الخطط الخفية لأنها تمثل منطقة جبهية أصغر وتتيح للرياح التدفق حول الجانبين بسلاسة، كما أن الملعب الوطني في بيجين (المهرجان البرد) يجسد هذا بضغطه الممزق والمشابه للرياح يساعد على الحد من الحساسية المستمرة.

ملامح رووف على الوجه الأمثل

ربما شكل الرووف هو أهم سمة هوائية واحدة، تصميمات مثل شكل "الثقوب" مع فتحة مركزية (مثل ستاد ميرسيدس - بينز في أتلانتا) أو شكل "البولينغ" (مثل منطقة ألينز في ميونخ) تُفضل لكفاءتها الهوائية، وغالبا ما تُصمم الحافة كشعار لحجم العجلات على محرك الريح.

حواجز وشاحية

أما بالنسبة للملاعب التي تُجرى في مواقع الرياح بشكل خاص، فإن الشاشات الريحية الدائمة أو القابلة للسحب تُركَّب، وهي ليست جدران صلبة بل هي مناورة نسيجية أو معدنية تسمح بمرور بعض التدفق الجوي، وتخفض من الحمولة الصافية بينما تقطع الغواصات المضطربة، ومن الأمثلة على ذلك الألواح المخربة حول المستوى الأدنى من ملعب توتنثبور في لندن، ويمكن تعديل هذه الشاشات أو إزالتها.

التنسيج السطحي والغطاء

يمكن أن تؤثر نسيج التصفيق الخارجي على طبقة الحدود من الهواء بالقرب من السطح، فالأسطح المسطحة (مثل لوحات المعادن الضئيلة، أو الجلود المجهرية، أو الأغشية النسيجية) تشجع الانتقال من التدفق إلى التدفق المضطرب، بينما يزيد هذا من جر الاحتكاك الجلدي، فإنه يمكن أن يقلل من الضغط العام عن طريق تشجيع إعادة تسلب التدفق المفصل والحد من الديد غير المستقر.

الافتتاح وموانئ الاختراع

فتحات استراتيجية في مظرف الملعب تسمح للرياح بالدخول بدلاً من الضغط عليها هذا "القابلية للتشغيل" يقلل الضغط الصافي على الهيكل

دراسات الحالة: الملاعب المخروطية وحلولها الأيرودينامية

وتوضح عدة مستطيلات عالمية كيف تترجم المبادئ الأيرودينامية إلى شكل مبني.

ملعب بيجين الوطني (مهرجان بيرد)، الصين

"مُعدّل من قبل "هيرزوغ دي ميرون في الأولمبياد عام 2008 هذا الجزء الخارجي من الملعب ليس مجرد بيانٍ مُحترف، إنّ مُعدّد الفولاذ غير المُنظم الذي يُغلف الهيكل يُخلق "مُخزّر يسمح بالرياح بالتخطي، ويُقلل بشكلٍ جذري من حجم الرياح عموماً

أليانز آرينا، ميونيخ، ألمانيا

"أليانز آرنا" يميز نسيج "إي تي" مع شكل سلس و مدور، وعاء "الستيديوم" يغرق جزئياً في الأرض، مما يقلل من ارتفاعه المكشوف، ومن ثمّ يُحمّل الريح، والسقف هو قبة ضحلة تُحنّل على الحواف، مما يُحدث تحولاً سلساً لزهرة الرياح"

Mercedes-Benz Stadium, Atlanta, USA

هذا السقف قابل للسحب، مصمم كثمانية "أجزاء" مُتحوّلة مثل عدسة الكاميرا، هو تحفة من تصميمات الهواء، عندما يكون مغلقاً تماماً، يُنشئ السقف المُستمر، عندما يكون مفتوحاً جزئياً أو كلياً، يُعتبر الصمام الرئيسي لضغط الضغط، ويمنع تراكم الفوارق الكبيرة في الضغط.

Tottenham Hotspur Stadium, London, UK

The lower and partially attachedd by a transparent wind screen that reduces wind speeds at bitf while maintaining a sense of openness. The roof, a light weight cable-net structure, is shaped with a gentle curve that directs wind upward. The entire stadium is designed to minimize thewind harmony

أساليب المحاكاة والاختبار

إن تحقيق تصميم ملعب إيرودينامي يعتمد اعتمادا كبيرا على المحاكاة المتقدمة والاختبارات المادية قبل أن يبدأ البناء بفترة طويلة.

الديناميات الفولطية الحاسوبية

ويمكن لبرامجيات البرمجيات الخاصة بالبرمجيات التجارية من أجل تنمية القدرات للمهندسين أن يصمموا تقريباً الملعب وضواحيه، وأن يحفزوا تدفق الرياح بمختلف السرعة والاتجاهات، ويمكن أن تتنبأ نماذج الارتداد العالية للضغط وأنماط الدوافع والأحشاء الدينامية، بل إن أدوات التعبئة السريعة يمكن أن تحاكي آثار المباني المجاورة والأرض والمواقف الحرارية، وهي عملية تُعدلُ في العادة.

اختبار النفق الفائز

ورغم قوة الديوكسين الرئوي، لا يزال اختبار النفق الريح خطوة أساسية للتحقق، إذ وضعت نماذج من الطراز (من 1 إلى 1 إلى 1 إلى 500) في نفق ريحي ذي طبقة حدودية يحفز التغير الطبيعي لسرعة الرياح مع ارتفاعها واضطرابات البيئة المحلية، وتؤكد أجهزة الاستشعار على ضغط القياس النموذجي على مئات النقاط، بينما تقوم الخلايا المحممة باستكمال القوى الكلية على الهيكل.

الرصد الكامل النطاق

وبعد البناء، كثيرا ما تكون الملاعب المصنوعة من المصابيح، ومستشعرات الضغط، ومطياف التسارع لرصد الأداء الريحي الفعلي، وتستخدم هذه البيانات للتحقق من افتراضات التصميم ويمكن أن تُبلغ الصيانة أو التعديلات في المستقبل، فعلى سبيل المثال، أكد الرصد الطويل الأجل للستاد الوطني في بيجين أن الجزء الخارجي من المواهب يخفض من كميات الرياح القصوى إلى مستويات تنبأ بها مرحلة التصميم.

التحديات وأوجه التجارة في التصميم الأيرودينامي

وفي حين أن فوائد السمات الأيرودينامية واضحة، فإن إدماجها في تصميم الملعب لا يخلو من تحديات.

الموازنة بين الشكل والوظيفة

إن تحقيق الاستخدام الأمثل للهوائيات يتطلب في كثير من الأحيان أشكالاً محددة - حُفرات، نقانق، زوايا مُدورة - قد تتعارض مع رؤية المُهندس المُصممة أو متطلبات الملعب الوظيفية (مثلاً، زيادة القدرة على الجلوس، المعالم) وقد لا يستوعب الشكل الهوائي المثالي العدد المرغوب من البذلات الكمالية أو قد يخلق تغيراً في الأماكن الداخلية.

اعتبارات التكاليف

كما أن التكاليف الإضافية لمحاكاة الديونيوم المضغوطة، ومسحات السقف المعقدة، والشاشات القابلة للسحب يمكن أن تكون باهظة التكلفة بدرجة كبيرة من الألواح الثابتة الموحدة أو المنحدرات البسيطة من السقف، كما أن التكلفة الإضافية لمحاكاة واسعة النطاق من قبل القوات المسلحة الكندية وفحص الأنفاق الريحية تضيف أيضا إلى الميزانية، غير أن هذه التكاليف الأولية كثيرا ما يقابلها انخفاض في استخدام المواد الهيكلية، وانخفاض أقساط التأمين، وانخفاض تكاليف الطاقة الاقتصادية على حياة الملعب.

تعقيدات التشييد

تنفيذ سقف مزدوج أو فاسد مُتكرر يتطلب تقنيات مُتقدمة للتصنيع وتجمعات دقيقة في الموقع، التسامح أكثر صرامة، ومراقبة الجودة أكثر طلباً، بالنسبة لسقف البترول في مركب ميرسيدس - بينز، كل من الألواح الثمانية كان يجب تصنيعها بدقة مليمتر لضمان حسن الإحكام والأداء الهوائي.

التكيف مع الظروف المتغيرة للرياح

فالرياح متغيرة بطبيعتها، إذ أن تصميماً جيداً لتوجه الرياح السائد قد يكون أقل فعالية بالنسبة للرياح المتقاطعة أو العواصف، فالستاد في المناطق ذات الاتجاهات الريحية القوية المتعددة (مثل المناطق الساحلية) يتطلب حلولاً جوية متماثلة أكثر، وبالإضافة إلى ذلك، قد يغير تغير المناخ أنماط الرياح المحلية، بحيث يتعين على المصممين النظر في السيناريوهات المقبلة بدلاً من الاعتماد فقط على البيانات التاريخية.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم الملعب الأيرودينامي

ومع تقدم علوم المواد والطاقة الحاسوبية، بدأت تظهر فرص جديدة لزيادة كفاءة تصميمات الديناميا الهوائية والاستجابة لها.

سطح ذكور وعقلاني

ويستكشف الباحثون استخدام أسطح المورفين التي يمكن أن تتغير في مواجهة سرعة الرياح، فعلى سبيل المثال، قد تحتوي حافة السقف على رف صغير أو عجلات صغيرة تفتح بسرعة الرياح العالية لتعطيل رفوف الدوافع، ولكنها تظل مغلقة أثناء الطقس الهادئ للاستمرارية الجمالية، وتستخدم نظم مماثلة بالفعل في أجنحة الطائرات ويمكن توسيعها لتطبيقات السباتيوم.

النُهج الكيمائية الحيوية

الطبيعة تقدم دروساً كثيرة في الديناميكا الهوائية الهيكل المُخرب لعُش الطيور أو النسيج السطحي لبشرة القرش مجرد مثالين، مصممي المُستبد يدرسون كيف تُدير الأشجار والشعاب المرجانية تدفق الرياح والمياه عن طريق إنشاء هياكل مُشابهة للكسرات، و "مُتفجرات البرد" تُستمد الإلهام من أشكال طبيعية، ولكن حتى من المُخدّرات المُطوّرة

تكامل الطاقة المتجددة

ويمكن أن تضاعف السطح الهوائي كمواد لجلب الطاقة، ويمكن تجهيز السقف الممنوع من الملعب بلوزن خفيف، وألواح فلطية مرنة تتبع المكونات الهوائية، ويمكن إدماج التوربينات المريحة في فتحات تتدفق الرياح (على أنبوب فينتوري)، ويمثل الجمع بين التصميم الهوائي وتوليد الطاقة المتجددة نهجاً شمولياً.

التفعيل الإلكتروني المتقدم

وتستخدم الآن خوارزميات التعلم الماكنة لتعظيم أشكال الملعب لمقاومة الرياح، وبإجراء آلاف المحاكاة في إطار برنامج الـ ديوان الـ دي، بالتوازي، يمكن للمبادرة تحديد التباينات غير المقصودة في التصميم التي تقلل من حمولات الرياح بنسبة 5 في المائة إلى 10 في المائة إضافية مقارنة بالتصميم المتكرر الذي يرسمه الإنسان، ويمكن لعملية التصميم الإبداعي أن تنتج أشكالاً عضوية معقدة جداً ولكنها ستكون فعالة جداً.

خاتمة

إن التصميم الجوي تطور من الاهتمام بالركيزة المركزية للهيكل العصري للملعب، وحتمية تقليل مقاومة الرياح إلى أدنى حد، تحفز الابتكارات في شكلها ونسيجها ونظمها الميكانيكية التي تحمي كلا الهيكل وصاحبها، وبتطبيق المبادئ الأساسية للديناميات السوائل، ومراقبة الطوفان، ومحركات الضغط والمهندسين المعماريين، التي تؤدي إلى تحقيق نجاح أكثر أمانا وأكثر راحة.