Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings
تقترح هذه الورقة طريقة محاكاة احتمالية لتقييم موثوقية الحريق في المباني المكتبية ذات الهياكل الخشبية الكتلية المكشوفة، مما يوضح كيفية تحسين تدابير السلامة النشطة ومساحات التعرض الخشبي المسموح بها لتلبية أهداف المخاطر الخاصة بالمعيار الأوروبي الإنشائي (Structural Eurocode).
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تعود الأخشاب لتفرض حضورها بهدوء ولكن بقوة في آفاق المدن الحديثة. فعلى مدى عقود، فضلت صناعة البناء الفولاذ والخرسانة، وهي مواد لا تحترق، بينما انحصر استخدام الخشب في المنشآت الصغيرة. ومع ذلك، يتجه المهندسون اليوم بشكل متزاما نحو "الخشب الكتلي" (mass timber)، وهو مادة مصنوعة من طبقات من ألواح الخشب الصلب لإنشاء عوارض وجدران قوية بما يكفي لدعم المباني الشاهقة. ويأتي هذا التحول مدفوعاً بالرغبة في خفض البصمة الكربونية للبناء، حيث يقوم الخشب بتخزين الكربون بدلاً من انبعاثه أثناء الإنتاج. ومع ذلك، يظل هناك سؤال جوهري: إذا احترق مبنى مصنوع من الخشب، فكيف سيكون سلوكه؟ فخلافاً للفولاذ الذي يضعف عند تسخينه، يحترق الخشب بطريقة يمكن التنبؤ بها، حيث يشكل طبقة متفحمة على سطحه تعمل كعازل لللب الداخلي، مما يسمح للهيكل بالصمود لفترة طويلة. ويتمثل التحدي أمام منظمي السلامة في تحديد مقدار هذا الخشب الذي يمكن تركه معرضاً للهواء داخل الغرفة دون المساس بسلامة الأشخاص بالداخل أو المباني المجاورة.
لقد تصدى فريق من الباحثين من فرنسا وكندا والسويد لهذا السؤال عبر تطوير طريقة جديدة لحساب سلامة الحريق لهذه الهياكل الخشبية. وبدلاً من الاعتماد على قواعد جامدة وموحدة تتطلب غالباً تغطية كل الخشب بالجص المقاوم للحريق، استخدموا محاكاة حاسوبية لنمذجة آلاف السيناريوهات المختلفة للحريق. لقد تعاملوا مع الحريق ليس كحدث واحد، بل كحدث عشوائي يعتمد على متغيرات كثيرة: كمية الأثاث والورق في الغرفة، حجم النوافذ، سرعة وصول فرق الإطفاء، ومدى تعرض الخشب للهواء مقابل الأجزاء المغطاة. ومن خلال تشغيل هذه المحاكاة مراراً وتكراراً، تمكنوا من حساب الاحتمالية الإحصائية لصمود المبنى أمام الحريق دون الانهيار أو انتشار اللهب إلى الخارج. ويركز عملهم تحديداً على المباني المكتبية، وهي نمط شائع حيث يشتد الجدل حول التوازن بين السلامة والرغبة في إبراز جماليات الخشب المكشوف.
قام الباحثون ببناء أداة رقمية تحاكي فيزياء الحريق في غرفة ما. بدأوا بالإقرار بأن الحريق أمر لا يمكن التنبؤ به؛ ففي عمليات المحاكاة الخاصة بهم، قاموا بتغيير كمية الوقود، وحجم الغرفة، والوقت المستغرق لوصول رجال الإطفاء. كما أخذوا في الاعتبار السلوك الفريد للخشب الكتلي. فعندما يحترق الخشب، يتفحم، وتعمل طبقة التفحم هذه كدرع. ومع ذلك، إذا كان الخشب مغطى بألواح واقية مثل الجبس، فإن هذه الحماية قد تفشل إذا سقطت الألواح بسبب الحرارة. ويتتبع نموذج الفريق هذا الأمر بدقة، حيث يحسب متى قد تفشل الطبقة الواقية ومدى مساهمة الخشب المكشوف بعد ذلك في شدة الحريق. كما تضمنوا دور رشاشات المياه، التي يمكنها السيطرة على الحريق قبل أن يكبر، وأفعال رجال الإطفاء، الذين تقل قدرتهم على إخماد الحريق كلما أصبح الحريق أكثر حرارة وشدة.
ولاختبار طريقتهم، طبق الفريق هذا النهج على مقصورة مكتبية قياسية. أجروا 15,000 محاكاة منفصلة لكل سيناريو، وكأنهم يطلبون من الحاسوب تخيل 15,000 حريق مختلف يحدث في تلك الغرفة على مدار عمر المبنى. وضعوا هدفاً صارماً للسلامة: يجب أن تكون فرصة فشل المبنى أقل من حد معين يعتبر مقبولاً للسلامة العامة. ويتوافق هذا الحد مع مستوى السلامة المستخدم في جميع أنحاء أوروبا للمباني التي يتجمع فيها الناس. وقد اختبروا ثلاثة مستويات مختلفة من مقاومة الحريق الهيكلية، والتي تمثل المدة التي يحتاج فيها المبنى للبقاء صامداً أثناء الحريق: 60 دقيقة، و90 دقيقة، و120 دقيقة. ولكل مستوى، اختبروا نسباً مختلفة من الخشب المكشوف، تتراوح من 30% إلى 90% من سطح الجدار، مع وجود أو عدم وجود رشاشات مياه.
قدمت النتلائج مساراً واضحاً للمصممين. فبالنسبة للمباني التي تتطلب مقاومة للحريق لمدة 60 دقيقة، أظهرت عمليات المحاكاة أن ترك 30% من سطح الجدار كخشب مكشوف هو أمر آمن، حتى بدون رشاشات. وإذا تمت إضافة الرشاشات، يمكن زيادة هذه النسبة إلى ك 60%. أما بالنسبة للمباني التي تتطلب مقاومة لمدة 90 دقيقة، فقد ارتفع الحد الآمن للخشب المكشوف إلى 60% بدون رشاشات و75% مع وجودها. وكانت الحالة الأكثر تعقيداً هي متطلب الـ 120 دقيقة، المعتاد في المباني الشاهقة جداً. هنا، وجد الباحثون أن ترك 75% من سطح الجدار مكشوفاً يعد آمناً، بشرط وجود الرشاشات. وبدون الرشاشات، يصبح خطر انتشار الحريق خارج المبنى مصدر قلق، ولكن مع وجود الرشاشات، صمد النظام أمام أهداف السلامة.
كان أحد النتائج الجوهرية للدراسة هو أن خطر انتشار الحريق إلى المباني المجاورة أو إلى جانب المبنى كان منخفضاً بشكل عام، طالما بقي مقدار الخشب المكشوف ضمن هذه الحدود المحسوبة. وفي عمليات المحاكاة للمباني الأكثر طولاً، وصلت الحرارة المشعة من النوافذ أحياناً إلى مستوى يمكن أن يشعل الهياكل القريبة، لكن هذا لم يحدث إلا في سيناريوهات قصوى ونادرة حيث يكون الحريق ضخماً بشكل استثنائي وتفشل الرشاشات في السيطرة عليه. وعندما عدل الباحثون المسافة إلى 15 متراً، وهي مسافة أكثر واقعية للمباني العالية، انخفض الخطر إلى مستوى مقبول. وهذا يشير إلى أن القواعد الصارمة الحالية، التي غالباً ما تتطلب تغطية كل الخشب، قد تكون أكثر تحفظاً مما ينبغي. وتوضح الدراسة أنه مع الجمع الصحيح بين الرشاشات وكمية محددة من الخشب المكشوف، يمكن للمباني الخشبية الشاهقة أن تستوفي نفس معايير السلامة العالية للمنشآت التقليدية.
وقد أشار الباحثون بعناً إلى أن عملهم يعتمد على نماذج حاسوبية، وليس على تجارب حريق فيزيائية في كل سيناريو. لقد تحققوا من صحة أداتهم مقابل 54 تجربة حريق واقعية أُجريت حول العالم، وطابقت تنبؤات الحاسوب النتائج الواقعية عن كثب، وغالباً ما كانت تميل إلى جانب الحذر. وهذا يمنح الثقة في نتائجهم، لكنهم حددوا أيضاً مجالات للتحسين المستقبلي. فعلى سبيل المثال، أشاروا إلى أن سلوك الألواح الواقية والطريقة التي تنتقل بها الحرارة عبر الخشب خلال مرحلة تبريد الحريق يمكن نمذجتها بدقة أكبر. كما اقترحوا أن القواعد المستقبلية يجب أن تأخذ في الاعتبار عوامل مثل سرعة الرياح والموقع المحدد للحريق داخل المبنى، والتي يمكن أن تؤثر على سرعة تدخل رجال الإطفاء.
في نهاية المطاف، توفر هذه الدراسة أساساً علمياً لنهج أكثر مرونة في البناء بالخشب. إنها تثبت أن السلامة لا تتطلب إخفاء المادة؛ بل تتطلب فهم كيفية سلوك المادة تحت الضغط. ومن خلال استخدام الأساليب الاحتمالية، يمكن للمهندسين الآن تصميم مبانٍ تكشف المزيد من الخشب الجميل والمستدام مع ضمان عدم فشل الهيكل وعدم انتشار الحريق. ويشير العمل إلى أنه بالنسبة للمباني المكتبية، من الممكن ترك نسبة كبيرة من الجدران والأسقف الخشبية مكشوفة، طالما وُجدت تدابير سلامة نشطة مثل الرشاشات واتبع التصميم حدوداً محددة وفق هذه الطريقة الجديدة. وهذا يفتح الباب أمام المعماريين لإنشاء مساحات تبدو أكثر دفئاً وطبيعية، دون التضحية بمعايير السلامة الصارمة التي تحمي الجمهور.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.