An Open-Source OpenSeesPy Framework for Simplified Micro-Modeling and OMA-Based Model Updating of Masonry Infill Walls under Cyclic Loading

تخيل أنك تبني بيتاً من ورق اللعب، ولكن بدلاً من الورق الهش، أنت تستخدم طوباً ثقيلاً وهيكلاً فولاذياً. في العالم الحقيقي، معظم المباني ليست مجرد إطارات فولاذية فارغة؛ بل هي مليئة بجدران الطوب التي تعمل كقواطع. هذه الجدران تشبه "لحم" المبنى، بينما الهيكل الفولاذي هو مجرد "العظام". عندما يهز الزلزال الأرض، يجب أن يرقص هذان الجدار الطوبي والعظام الفولاذية معاً. أحياناً يمسكان بأيدي بعضهما بقوة، وأحياناً ينزلقان بعيداً عن بعضهما. إذا أخطأ المهندسون في خطوات الرقص، فقد يتأرجح المبنى كثيراً أو حتى ينهار. لفهم هذه الرقصة، يستخدم العلماء برامج الكمبيوتر لمحاكاة الزلازل. إنهم يريدون معرف التالي: ما مدى قوة الجدار؟ كيف يتشقق؟ وكيف يهتز عندما تهتز الأرض؟ الجزء الصعب هو أن الجدار يتصرف بشكل مختلف تماماً عندما يتم وخزه برفق مقابل عندما يتم ضربه بقوة.

هذه الورقة البحثية تشبه قصة تحقيق رقمية حيث يبني المؤلفون نسخة افتراضية من جدار طوبي داخل إطار فولاذي ليروا كيف سيتفاعل مع الاهتزاز. لقد استخدموا برنامج كمبيوتر مجانياً ومفتوح المصدر يسمى OpenSeesPy، وهو يشبه مجموعة "ليغو" رقمية ضخمة للمهندسين. بدلاً من شراء برامج باهظة الثمن ومغلقة، كتبوا الكود الخاص بهم لمحاكاة الجدار. اختبروا طريقتين مختلفتين للنظر إلى الجدار: أولاً، دفعوه ذهاباً وإياباً ليروا مقدار القوة التي يمكن أن يتحملها قبل أن ينكسر (مثل مسابقة للرجل القوي)، وثانياً، استمعوا إلى كيفية "طنينه" عندما تهتز الهوائيات حوله (مثل النقر على كأس نبيذ لسماع رنينه). المفاجأة الكبيرة التي وجدوها هي أن "صلابة" الجدار — أي مدى تيبسه — تتغير تماماً اعتماداً على مدى قوة دفعك له. عندما يكون الجدار يصدر طنيناً ناعماً، فإن الطوب والإطار الفولاذي لا يتلامسان تقريباً، وكأنهما غريبان. ولكن عندما يتم دفع الجدار بقوة، فإنهما يتلاحمان مثل أعز الأصدقاء. هذا الاكتشاف حاسم لأنه يعني أنه لا يمكنك استخدام صوت الطنين "الناعم" للتنبؤ بكيفية تعامل الجدار مع زلزال "قوي".

الجدار الطوبي الرقمي: مغامرة من جزأين

قرر المؤلفان، شوكت أتيش وأدامو مارو سيني سامبورو، بناء نسخة مكررة افتراضية لتجربة حقيقية شاهداها في المختبر. أرادا التأكد من أن نموذج الكمبيوتر الخاص بهما دقيق للغاية بحيث يمكن لأي شخص آخر تحميله، وتشغيله، والحصول على نفس النتائج تماماً. لم يريدا مجرد التخمين؛ أرادا الإثبات.

الجزء 1: مسابقة الرجل القوي (التحميل الدوري)
أولاً، أعدوا محاكاة حيث دفعوا الجدار ذهاباً وإياباً، محاكيين اهتزاز الزلزال. استخدموا "نموذجاً مجهرياً مبسطاً"، وهي طريقة منمقة لقول إنهم عاملوا الطوب ككتل صلبة غير قابلة للكسر وركزوا كل الحركة على "الغراء" (المونة) بينها. تخيل أن الطوب مثل مكعبات الثلج الصلبة، والمونة مثل شريط لاصق لزج ومطاطي. عندما يهتز الجدار، لا تنكسر مكعبات الثلج؛ بدلاً من ذلك، يتمدد الشريط اللاصق، وينقطع، ويحتك بنفسه.

دفعوا الجدار حتى وصل إلى ذروة قوة بلغت حوالي 96 كيلو نيوتن (كيلو نيوتن). توقع نموذج الكمبيوتر الخاص بهم 97.4 كيلو نيوتن. هذا قريب بشكل لا يصدق — بفارق 1.5% فقط! كما أظهر النموذج أن الجدار يتشقق بنفس النمط الذي ظهر في الاختبار الواقعي: فواصل المونة انفتحت، وانزلق الطوب فوق بعضه البعض، وبدأ الجدار ينفصل عن الإطار الفولاذي عند الزوايا. كان تطابقاً مثالياً. ومع ذلك، واجهوا عقبة: ارتبك برنامج الكمبيوتر عندما بدأ الجدار في التفكك بسرعة كبيرة (عدم استقرار "الارتداد للخلف"). ولإصلاح ذلك، اضطروا إلى إبطاء المحاكاة، مثل تشغيل فيديو بالحركة الببطيئة، للحصول على الصورة الكاملة لفشل الجدار.

الجزء 2: الزجاج الطنان (تحليل النمط التشغيلي)
بعد ذلك، غيروا المسار. بدلاً من دفع الجدار، استمعوا إليه. أرادوا معرفة كيف يهتز الجدار عندما يكون مستقراً هناك، طنّيناً مع الاهتزازات الصغيرة للأرض (التي تسمى الاهتزاز المحيط). قاموا بقياس ثلاث "نغمات" أو ترددات محددة أصدرها الجدار: 12.62 هرتز، و25.02 هرتز، و38.36 هرتز.

هنا تعمق الغموض. عندما حاولوا استخدام نموذج الجدار "القوي" (الذي نجح في حالة الزلزال) للتنبؤ بهذه الأصوات الناعمة للطنين، قال الكمبيوتر إن الجدار يجب أن يهتز عند أكثر من 130 هرتز. هذا مرتفع جداً! كان الأمر أشبه بمحاولة ضبط تشيللو ثقيل ليعزف مثل كمان صغير. كان النموذج صلباً جداً.

لحل هذه المشكلة، لعبوا لعبة "الضبط الرقمي". قاموا بتعديل الأرقام في كود الكمبيوتر الخاص بهم، وتحديداً صلابة "الغراء" بين الجدار والإطار، ووزن معدات الاختبار المتصلة بالجدار. استخدموا طريقة رياضية تسمى "المربعات الصغرى" لإيجاد الإعدادات المثالية.

الاكتشاف الكبير: للجدار شخصيتان
بعد بعض الضبط الرقمي، وجدوا الأرقام السحرية. طابق النموذج المحدث أصوات الطنين الحقيقية بشكل مثالي تقريباً، مع أخطاء بلغت +2.4%، و**-5.8%، و+12.1%**. لكن السحر الحقيقي كان فيما أخبرتهم به تلك الأرقام.

اكتشفوا أنه عندما يكون الجدار يصدر طنيناً ناعماً فقط (عند مستويات الارتجاف الدقيق)، فإن الاتصال بين جدار الطوب والإطار الفولاذي يكون في الأساس "غير مقفل". "الغراء" مرتخٍ جداً لدرجة أن الصلابة تكون أضعف بنحو 100,000 مرة (خمس مراتب عشرية) مما هي عليه عندما يتم دفع الجدار بقوة أثناء الزلزال.

فكر في الأمر مثل الباب. عندما تدفع الباب برفق، فإنه يتأرجح بحرية على مفصلاته لأن المزلاج غير مشغول. ولكن عندما تغلق الباب بقوة، يضغط المزلاج في مكانه، ويصبح الباب حاجزاً صلباً لا يمكن تحريكه. وجد المؤلفون أن الاهتزازات "الناعمة" لا ترى إلا تأرجح الباب بحرية، بينما قوى الزلزال "الصلبة" ترى الباب مغلقاً بإحكام.

لماذا هذا مهم

تثبت هذه الورقة أنه لا يمكنك استخدام الطنين "الناعم" للمبنى للتنبؤ بكيفية تعامله مع زلزال "قوي". إذا حاول المهندسون استخدام بيانات الاهتزاز اللطيفة لتصميم مبنى لزلزال كبير، فقد يعتقدون أن المبنى أضعف بكثير مما هو عليه بالفعل عندما تصبح الهزات شديدة.

حل المؤلفون أيضاً لغزاً صغيراً يتعلق بحجم الطوب. كانت تقارير المختبر الأصلية تحتوي على قياسات متضاربة (بعضها قال إن سمك الطوب 100 ملم، والبعض الآخر قال 130 ملم). ومن خلال اختبار كلا الحجمين في نموذج الكمبيوتر الخاص بهم، أثبتوا أن السمك البالغ 185 ملم (والذي يأتي من طوبة بسمك 130 ملم موضوعة بشكل مسطح) هو الوحيد الذي طابق أصوات الطنين في العالم الحقيقي.

في النهاية، تقدم هذه الدراسة لعالم الهندسة أداة مجانية مفتوحة المصدر يمكن لأي شخص استخدامها لمحاكاة جدران الطوب. وهي توضح أنه بينما يبدو الجدار شيئاً واحداً صلباً، إلا أنه يمتلك في الواقع شخصيتين مختلفتين تماماً اعتماداً على مدى قوة دفعك له. والأفضل من ذلك؟ لست بحاجة لشراء برامج باهظة الثمن لرؤية ذلك؛ كل ما تحتاجه هو تحميل الكود الخاص بهم وتشغيل المحاكاة بنفسك.