A State-Dependent Fragility Framework for Seismically Isolated Reinforced Concrete Bridges under Sequential Earthquake Loading

تُعد الجسور شرايين الحضارة الحديثة، فهي تنقل الناس والبضائع عبر الأنهار والوديان والصدوع. وفي المناطق التي تهتز فيها الأرض، اعتمد المهندسون منذ زمن طويل على استراتيجية تُسمى "العزل الزلزالي" لحماية هذه الهياكل الحيوية. تخيل مبنى أو جسراً يستقر على مجموعة من الوسائد المرنة، تماماً مثل شخص يقف على ترامبولين بدلاً من الوقوف على خرسانة صلبة. فعندما تتحرك الأرض، تتمدد هذه الوسائد وتمتص الطاقة، مما يسمح للهيكل الموجود فوقها بالتمايل بلطف بدلاً من الانكسار. وقد أثبتت هذه التقنية، التي تستخدم غالباً كراسي تحميل مطاطية رصاصية، فعاليتها في الحفاظ على صمود الجسور أثناء زلزال واحد هائل. ومع ذلك، نادراً ما تقدم الطبيعة صدمة واحدة فقط؛ ففي أجزاء كثيرة من العالم، يتبع الزلزال الرئيسي القوي سلسلة من الهزات الارتدادية القوية، أو قد تشهد منطقة ما عدة هزات كبرى في تتابع سريع. والسؤال الحاسم للمهندسين هو ما إذا كان الجسر الذي نجا بالفعل من اهتزاز عنيف واحد يمكنه الصمود أمام الهزة التالية، خاصة إذا ترك خلفه شقوقاً خفية، أو فولاذًا منحنياً، أو أساسات انزاحت بشكل دائم.

لقد تصدى فريق من الباحثين في المعهد الوطني لعلوم التكنولوجيا "مولانا آزاد" في الهند لهذه المشكلة المعقدة من خلال إنشاء محاكاة رقمية متطورة لجسر صُمم ليصمد أمام سلسلة من الزلازل. ويتجاوز عملهم الممارسة القياسية المتمثلة في اختبار الجسر كما لو كان جديداً تماماً قبل كل زلزال. وبدلاً من ذلك، قاموا ببناء نموذج افتراضي يتذكر كل جزء من الضرر الذي يلحق به. ففي محاكاتهم، عندما يضرب الزلزال الأول، تتشقق الخرسانة، ويتمدد حديد التسليح، وتتحرك التربة تحت الأساسات. والأهم من ذلك، أن النموذج الحاسوبي لا يعيد ضبط نفسه أو يصلح نفسه قبل وصول الزلزال التالي؛ بل يحمل حالة الضرر الدقيقة، والتشوهات المتبقية، والصلابة الضعيفة الناتجة عن الحدث الأول إلى الحدث الثاني، ومن ثم إلى الثالث. ويسمح هذا النهج للباحثين بمراقبة كيفية سلوك الجسر حقاً عندما يتعرض لضربات متكررة، بدلاً من افتراض أنه يبدأ من جديد في كل مرة.

قام الباحثون بإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد مفصل لجسر طريق سريع نموذجي مكون من أربعة مجازات، باستخدام منصة برمجية قوية مفتوحة المصدر معروفة بقدرتها على التعامل مع الفيزياء الهيكلية المعقدة. ويتميز الجسر في دراستهم بأعمدة خرسانية مسلحة، وسطح يحمل حركة المرور، وأساسات مغروسة بعمق في الأرض لتتفاعل مع التربة المحيطة. ولحماية الجسر، قاموا بتركيب كراسي تحميل مطاطية رصاصية بين السطح والأعمدة. تعمل هذه الكراسي كممتصات للصدمات، وهي مصممة لإطالة الوقت الذي يستغرقه الجسر للاهتزاز، مما يقلل من القوة المنتقلة من الأرض المهتزة إلى الأعمدة الخرسانية. كما راعى النموذج حقيقة أن الأرض ليست صلبة؛ فالتربة حول الركائز العميقة تنثني وتتشوه، مما يضيف طبقة أخرى من التعقيد إلى كيفية حركة الجسر. ومن خلال الجمع بين هذه العناصر، أنشأ الفريق "توأماً رقمياً" واقعياً قادراً على محاكاة الآثار التراكمية لعدة أحداث زلزالية.

ولاختبار مرونة الجسر، أخضع الباحثون نموذجهم الرقمي لثلاثة سجلات تاريخية لزلازل، طُبقت الواحد تلو الآخر دون انقطاع. كان الأول زلزالاً كبيراً من الهند، تبعه حدثان تاريخيان كبيران آخران. وبين كل حدث اهتزاز، كان النموذج يُسمح له بالاستقرار، لكن الضرر ظل قائماً. وأظهرت النتائج أن نظام العزل نجح بشكل ملحوظ في حماية الأعمدة الخرسانية الرئيسية؛ فخلال السلسلة بأكملها، ظلت الأعمدة الخرسانية سليمة إلى حد كبير، مع وجود القليل جداً من الانحناء الدائم أو التشققات. ومع ذلك، تحملت الكراسي المطاطية الرصاصية الجزء الأكبر من العقاب؛ فمع وقوع الزلازل بالتتابع، تمددت الكراسي أكثر فأكثر، ممتصة الطاقة التي كانت ستدمر الجسر لولاها. وبحلول وقت وقوع الزلزال الثالث، كانت الكراسي قد تمددت لتصل إلى ما يقرب من 97% من سعتها التصميمية القصوى، واحتفظت بقدر كبير من التشوه الدائم، مما يعني أنها لم تعد إلى شكلها الأصلي بالكامل.

كما استكشفت الدراسة ما يحدث عندما تزداد شدة الاهتزاز إلى مستويات تفوق المستويات الطبيعية بكثير. وباستخدام طريقة ترفع قوة الزلازل تدريجياً، وجد الباحثون أن قدرة الجسر على الصمود تتدهور مع كل حدث متتالٍ. فالجسر الذي قد يصمد أمام زلزال واحد قوي جداً، وُجد أنه أكثر عرضة للخطر عندما يسبقه زلزال أصغر. وقد انزاحت النقطة التي ينهار عندها الجسر إلى مستوى أقل من شدة الاهتزاز مع تقدم السلسلة. وهذا يشير إلى أن ترتيب وتاريخ الزلازل لا يقل أهمية عن قوة الضربة النهائية. كما طور الباحثون طريقة لحساب احتمالية فشل الجسر عند مراحل مختلفة من الضرر، ووجدوا أنه بعد ثلاثة زلازل متتالية، انخفضت قدرة الجسر على تحمل الاهتزاز بشكل كبير، مع زيادة احتمالية حدوث ضرر جسيم مقارنة بجسر لم يتعرض لهزات سابقة.

إن أحد أهم نتائج هذا العمل هو التأكيد على أن نظام العزل يركز الضرر بفعالية في مكون قابل للاستبدال بدلاً من الهيكل الدائم. فبينما عانت الكراسي المطاطية الرصاصية من تدهور تدريجي وتشوهات دائمة متراكمة، ظلت الأعمدة الخرسانية المسلحة قوية بشكل مفاجئ. وهذا يؤكد فلسفة تصميم العزل الزلزالي، حتى في ظل ظروف التحميل القاسية المتكررة. ومع ذلك، تسلط الدراسة الضوء أيضاً على قصور حرج في تقييمات السلامة الحالية؛ فالممارسة الشائعة المتمثلة في تحليل كل زلزال كحدث معزول قد تعطي شعوراً زائفاً بالأمان. فمن خلال تجاهل الضرر التراكمي والتشوه المتبقي الناجم عن الهزات السابقة، قد تبالغ الطرق التقليدية في تقدير القوة المتبقية للجسر. إن إطار العمل "المعتمد على الحالة" الذي وضعه الباحثون، والذي يحتفظ بسجل مستمر لحالة الجسر، يقدم طريقة أكثر واقعية وتحفظاً لتقييم السلامة.

تمتد آثار هذا البحث إلى كيفية تصميم وإدارة الجسور في المناطق النشطة زلزالياً. فهي تشير إلى أنه بعد زلزال كبير، حتى لو بدا الجسر غير متضرر، فإن قدرته على الصمود أمام الهزة التالية قد تكون معرضة للخطر بسبب التغيرات غير المرئية في صلابته والتمدد الدائم لكراسي العزل الخاصة به. توفر الدراسة أداة حاسوبية يمكن أن تساعد المهندسين في التنبؤ بهذه الثغرات الخفية، مما يسمح باتخاذ قرارات أفضل بشأن ما إذا كان الجسر يحتاج إلى إصلاح فوري أو يمكن إبقاؤه مفتوحاً. ومن خلال فهم كيفية تراكم الضرر بمرور الوقت، يمكن لمديري البنية التحتية تحديد أولويات الصيانة وضمان بقاء روابط النقل الحيوية وظيفية، ليس فقط لكارثة واحدة، بل للسلسلة الطويلة وغير المتوقعة من الأحداث التي قد تفرضها الطبيعة. ويؤكد هذا العمل أن المرونة الحقيقية لا تكمن فقط في النجاة من ضربة واحدة كبيرة، بل في القدرة على الصمود أمام إيقاع الأرض المتواصل.