مواد متقدمة تحول إلى هندسة سكايسكرابر

وتشهد هندسة السحاب الحديثة تحولا عميقا مع ظهور مواد متقدمة من المختبرات والبناء التجاري، وهذه الابتكارات - التي تنجم عن الخرسانة العالية الأداء إلى مركبات الكربون - هي التي تمكن المصممين والمهندسين من تجاوز حدود الطول التقليدي، وتحسين القدرة على التكيف الهيكلي، وتحقيق أهداف الاستدامة الطموحة، وتشهد خطوط سماء دبي، نيويورك، وشنغهاي بالفعل على هذا التحول، وتتسارع وتيرة هذا التحول.

ثورة المواد في البناء العالي

وبالنسبة لمعظم القرن العشرين، اعتمد تصميم السحاب على شتلة من الصلب ومصنوعات معززة، وفي حين أن هذه المواد تظل أساسية، وتقييدها للوزن الذاتي العالي، وإمكانية التآكل، وضخامة انبعاثات الكربون، وحفز البحث عن بدائل، وتعطي المواد المتقدمة اليوم نسبا أعلى من القوة إلى الوزن، وتعزيز القابلية للدوام، وزيادة حرية التصميم.

واعتماد هذه المواد ليس موحداً، بل يعتمد على المدونات المحلية، وهياكل التكلفة، والظروف المناخية، ومع ذلك فإن المسار الأساسي واضح: فالجيل القادم من السوبرال والميغاتال سيبنى بمواد كانت نظرية فقط منذ عقد من الزمان، وفهم هذه المواد أمر أساسي لأي شخص يشارك في الهندسة الهيكلية أو الهندسة الهيكلية أو إدارة البناء.

التكهن بالمستوى الرفيع المستوى

ولا يزال التكهن هو مجموعة أعمال البناء في المناطق المرتفعة، ولكن التركيبات الحديثة تجاوزت بكثير الميكنة التقليدية، كما أن الخرسانة ذات الأداء العالي، مثلا، تحقق قوة ضغط تتجاوز 150 إم بي أي أكثر من ضعف قوة الخرسانة التقليدية العالية الارتداد، ويتم ذلك عن طريق التعبئة الكثيفة للجسيمات، ونسب الضعف في المضادات من المياه إلى الآلات، واضافة الفولاذية.

فالفوائد العملية كبيرة، إذ أن خفض أحجام الأعمدة وسماكة الأرضيات، يتيح المركز الألماني لشؤون البيئة في المناطق الساحلية، تحرير حيز قابل للارتفاع، ويقلل من وزن المبنى عموما، وفي المناطق الزلزالية، يؤدي تفككه في الطاقة، ومن الأمثلة البارزة على ذلك خليط بورج خليفة من النوع الكبير (C80/C100) واستخدام الفيلق الجيني الموحد في المزجات الأساسية لعدة من المتفوقين الآسيويين.

ويتمثل أحد التحديات في التكلفة: يمكن أن تكون البرمجيات الأكثر تكلفة من الخرسانة التقليدية أكثر من أربعة إلى خمس مرات، غير أن مدخرات دورة الحياة من خلال تخفيض الصيانة وتوسيع نطاق الحياة في الخدمة كثيرا ما تعوض عن هذه القسط، ومع تحسن مستويات الإنتاج وتقنيات العلاج، فإن البرمجيات الموحدة من أجل الصحة على استعداد لأن تصبح أكثر سهولة بالنسبة للمشاريع الرئيسية.

البوليمرات المدعمة من قبل القوات المسلحة

ويحول البوليمرات المجهزة بالمركبات المجهزة بالمركبات، والتي عادة ما تكون زجاجا أو ألياف الكربون، والتي تجسد في مصفوفة متعددة، كيفية معالجة المهندسين للتعزيز الهيكلي وإعادة التقويم السيزمي، ويمكن تطبيق اللفافات المحتوية على هذه المادة خارجيا على الأعمدة والمسامير الملموسة القائمة، وزيادة قدرتهم على التحميل دون إضافة وزن كبير، وفي البناء الجديد، فإن إعادة زراعة الملح تؤدي إلى إيجاد بدائل غير مربوطة للفولاذ.

وقد ثبتت فعالية هذه المركبات في تحديد حجم النقل والتركيب في إطار مشروعات الارتداد السيزمي، مثل تعزيز نهج جسر خليج سان فرانسيسكو، وكشفت السترات التي تستخدمها هذه المركبات في تحديد مواقع الخرسانة وتعزيز القدرة على الصنادل، واستخدمت في بعض الأحيان مقاومة الارتداد في الرواسب الأرضية، ومع ذلك، نقل الحمولات إلى أجهزة التحلل.

وتهدف التطورات الأخيرة في نظم البصل - غلوب وكربون - نظارات الهجين إلى معالجة هذه أوجه القصور، ويختبر الباحثون في مؤسسات مثل جامعة تكساس تركيبات ذات قدرة عالية على مقاومة الترددات، يمكن أن تحافظ على القوة لمدة تصل إلى أربع ساعات أثناء تعرضهم للحرائق، مما قد يفتح الباب أمام استخدام أوسع في الجدران الأساسية وجدران القذيفة.

Carbon Fiber Composites

وتعطي تركيبات الألياف الكربونية أعلى نسبة من حيث القوة إلى الوزن لأي مواد عملية للبناء تتجاوز في كثير من الأحيان مادة الفولاذ بعامل عشرة، وفي هندسة السحاب، تستخدم هذه المواد بصورة انتقائية في المكونات التي تتطلب قدراً كبيراً من النور والثبات - مثل الثوران السطحية، والصدر الخارجي، والعناصر التي تصب في عينات الرياح، وفي شكلها البالغ 82 متراً، يدمج البوليمر المعززه الكربون (C).

وفيما عدا الثوران، فإن الألياف الكربونية تجد طريقها إلى نظم الأرضيات والجدارات الأساسية، فمفهوم برج الكربون الذي وضعه مهندس معماري بيتر ستيتا، يتوخى بناءاً من 40 طابقاً لهيكل أولي تماماً من ألياف الكربون، وفي حين أن هذا المبنى لم يتحقق بعد، فقد طُبِّق في صناعة الألياف الكربونية ذات المحرك الحاد في منطقة الـ 24 درع (4 سيسون) في ميامي، مما يقلل من وفورات في إنتاج الكاربون.

To learn more about the latest carbon fiber innovations in civil engineering, visit the American Society of Civil Engineers] resources on advanced composites.

الأخشاب المعمارية

وربما كانت أكثر المواد إثارة للدهشة في مجموعة الأدوات في السماء هي الخشب ولكن ليس الخشب البُعدي الذي مضى قرون، والأخشاب التي تُعدُّ عبر المحيط، والزرق، وغيرها من منتجات الأخشاب الجماعية، تتيح للمباني ما يصل إلى ٢٥ قصارا وما بعدها، وتصنع هذه الألواح المصممة بغسل طبقات الخشب في الاتجاهات العديمية، مما يخلق مادة ذات قدرة مماثلة للخرسانة ولكن بحجم من الوزن.

ويقف برج ميوست في بروموندال، النرويج، على 85.4 متر (280 قدما) حتى عام 2024، مما يجعله أحد أطول المباني الخشبية في العالم، ويستخدم هيكله الأعمدة الخشبية المهيمنة على الغلولام والأحزمة ذات الرقبة الأرضية CLT، وقد أثبت المشروع أن الأخشاب يمكن أن تفي بمتطلبات صارمة للسلامة من الحرائق عن طريق تصميمات على نطاق واسع.

ويقوم المهندسون الآن باستكشاف مركبي لقطع الأخشاب ومركبات الخشب - المركب الخرساني للجمع بين أفضل خصائص كل مادة، وقد دعم ارتفاع الأخشاب الجماعية بمدونات البناء المستكملة، بما في ذلك إدراج أحكام الأخشاب الطويلة في مدونة البناء الدولية لعام 2021، وللمزيد من القراءة، يقدم مجلس منتجات الخشب WoodWorks Wood Products Council أدلة تقنية بشأن تصميم الأخشاب.

مواد الصحة الذكية والنفسية

فبعد المواد الهيكلية الثابتة، بدأ يظهر صنف جديد من المواد " الذكية " يمكن أن يشعر أو يستجيب أو حتى يصلح نفسه، ويمكن أن تعود مسارات الذاكرة الشاكية، مثلا، إلى شكل محدد مسبقا عندما تسخن، مما يتيح لها التصرف كأجهزة للضغط الذاتي بعد وقوع زلزال، ويجري اختبار الرعاة المرتكزين على العلم والتكنولوجيا في المباني الأولية في اليابان والولايات المتحدة، مما يبشر بتخفيض تكاليف التصليح المتبقية.

وتمثل الخرسانة ذاتية الحد الآخر، إذ إن الباحثين، بدمج البكتريا التي تهيمن على الكالسيت، أو بضم كبائن مجهرية من الراتنج المتعدد المقاييس، قد طوروا خرسانة يمكن أن تغلق بشكل مستقل، وتبين التجارب أن التلقيح الذاتي يمكن أن يعيد إلى 90 في المائة من القوة الأصلية في الشقوق الصغيرة.

أما المواد التي تولد رسوما كهربائية تحت الضغط الميكانيكي، فهي تُدرج في أغطية الأرض والأعمدة لتحصيل الطاقة من حركة السير والهتزازات الهيكلية، وفي حين أنها لا تزال غير فعالة على نطاق واسع، فإنها يمكن أن تكمل الطاقة البناءية للمستشعرات والضوابط ذات الطاقة المنخفضة، وإدماج هذه المواد الذكية في التوأم الرقمي ونظم إدارة المباني مجال نشط من مجالات البحث.

الاستدامة والكفاءة في استخدام الطاقة

ولا تقتصر المواد المتقدمة على القوة والسلامة فحسب، بل هي أيضاً حاسمة في تحقيق أهداف خفض الكربون، إذ إن إنتاج الإسمنت وحده يمثل نحو 8 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، كما أن البدائل مثل خرسانة البوليمر التي تستخدم منتجات صناعية فرعية مثل رماد الذبابة والرقائق يمكن أن تخفض الانبعاثات بنسبة 50-80 في المائة مع الحفاظ على أداء مماثل.

وفي ظرف المبنى، توفر الأفرقة العاملة في مجال العزل الجوي المرتكز على الأيروديل أداء حراري أعلى (تقيم بنسبة تصل إلى 10 في النش) دون التضحية بالشفافية، ويمكن للزجاج الذكي الذي يحمل اللصان الديناميكية أن يقلل من حمولات التبريد بنسبة تصل إلى 20 في المائة في أبراج الأزهار الزجاجية، وتستوعب مواد تغيير المرحلة في السقف والأحرار درجات الحرارة الزائدة أثناء النهار، وتطلقها في أعاليها.

ويمكن أن تؤدي هذه المواد إلى إنشاء مبان للطاقة الصفرية الصافية التي تولد الطاقة بقدر ما تستهلكه، فالدج في أمستردام، الذي كثيرا ما يسمى أخضر مبنى للمكاتب في العالم، يستخدم العديد من هذه الابتكارات، حيث أن السحابات تنمو أطول وتستهلك طاقة أكبر للمتر المربع، فإن دور الاختيار المادي في الاستدامة يصبح أكثر أهمية.

التحديات في مجال التبني

وعلى الرغم من الوعد الذي قطعته المواد المتقدمة، فإن عدة حواجز تبطئ من اعتمادها على نطاق واسع في هندسة السحاب، ولا تزال التكلفة هي العقبة الرئيسية: إذ يمكن أن تكلف هذه المركبات أكثر من الخرسانة العادية أربع مرات، ويمكن أن تزيد تكلفة الألياف الكربونية على الفولاذ الهيكلي عشر مرات، وفي حين أن تحليلات دورة الحياة كثيرا ما تُفضل المواد المتقدمة، فإن أقساط التكلفة الأولى تُر العديد من المطوري.

كما أن العقبات التنظيمية ذات أهمية مماثلة، إذ أن مدونات البناء متحفظة بطبيعتها، كما أن الموافقة على مواد جديدة للاستخدام الهيكلي الأولي يتطلب إجراء اختبارات واسعة النطاق واستعراض من جانب الأقران، وأحياناً إجراء انتصافات خاصة من السلطات المحلية، كما أن أداء الحرائق، والقدرة على تحملها في الأجل الطويل، والسلوك الدهني، هي مجالات لا تزال البيانات فيها متفرقة، فعلى سبيل المثال، فإن سلوك القوة في مجال الحرائق لم يُضبط إلا مؤخراً في معايير مثل ACI 440.

كما أن القيود المفروضة على التصنيع وسلسلة الإمداد تحد من الاستخدام، إذ يتركز إنتاج ألياف الكربون في عدد قليل من البلدان، كما أن الوقت المتاح يمكن أن يمتد، وبالمثل، يتطلب الخشب الجماعي مرافق نسيجية كبيرة ومكرسة لم تكن متاحة بعد في كل منطقة، كما أن العمالة الماهرة بتركيب المواد المتقدمة هي اختناق آخر، وبرامج التدريب وخطط التصديق آخذة في الظهور ولكنها تحتاج إلى التوسع.

وأخيرا، هناك مسألة التكامل، إذ أن الجمع بين المواد المتقدمة المتعددة في مبنى واحد يتطلب تحليلا متطورا للتفاعلات، وممرات التحميل، والحركات الحرارية المتمايزة، ويجب على المهندسين الاعتماد على نماذج العناصر المحددة، وتصميم قائم على الأداء، وأحيانا على أساس التكتل الكامل، مما يزيد من رسوم التصميم ومن مخاطر الجدول الزمني.

التوقعات المستقبلية

وفي المستقبل، تعد عدة تكنولوجيات ناشئة بزيادة تحويل هندسة السحاب، وقد تحقق النانوميات مثل الخرسانة المحسنة من الرسوم البيانية زيادات في القوة بنسبة 30 في المائة أو أكثر مع الحد من محتوى الأسمنت، وقد أظهرت البحوث التي أجريت في جامعة إكستر أن إضافة جزء ضئيل من الغرافينيين إلى الخرسانة يؤدي إلى تحسين كبير في خصائصها الميكانيكية ومقاومة المياه.

كما أن التشييد المطبعي ٣ دال يمضي قدما، ففي حين يقتصر حاليا على المباني الصغيرة والجسور المشاة، فإن التدمير الآلي باستخدام الخرسانة المقوى بالألياف يمكن أن ينتج في نهاية المطاف هياكل ذات صبغة معقدة لبؤر السحاب، وقد يؤدي مفهوم " برج الديباي كريك " المقترح إلى عناصر ذات طابع ثلاثي الأبعاد، رغم أن المشروع قد تأخر.

ويجري البحث في المواد البيولوجية، بما فيها المركبات التي تستخدم الأسيوليوم والطوب المزروعة باللغات، من أجل الهياكل المؤقتة والجزأين الداخليين، حيث إن انخفاضها في الكربون والتحلل الأحيائي يجعلهما يناشدان البناء الدائري، غير أن قدرتهما على الحمل والاستمرارية تحدانهما حاليا من أدوار غير الهياكل الأساسية.

وربما يكون إدماج الاستخبارات الاصطناعية في تصميم المواد هو أكثر الحدود إثارة، ويمكن لنماذج التعلم الماكنة أن تتنبأ بتصميمات مختلطة مثالية للخرسانة، وأن تحدد أفضل توجهات الألياف للمركبين، بل وأن تكتشف كيميائيات جديدة متعددة المقاييس، مما يمكن أن يعجل في تطوير المواد المصممة خصيصا لتطبيقات السحاب - أبسط والأقوى وأكثر استدامة من أي شيء متاح اليوم.

خاتمة

ومن هذا المنطلق، فإن هذه الابتكارات لا تسمح بالهياكل الأطول والأكثر كفاءة من أي وقت مضى، كما أن المواد الذكية والمتولدة عن السحابة الذاتية لن تكون أقوى فحسب، بل أكثر استقلالاً ومرونة، كما أن الطريق إلى الاعتماد الواسع النطاق لا يزال دون وجود عقبات أمام صناعة المواد ذات الطول والشفرة.