Seismic analysis of steel beam encased column composite – Open vs closed geometry

تخيل أن الأرض تحت أقدامنا قررت فجأة أن ترقص رقصة "التشا تشا". في عالم الهندسة المدنية، يعد هذا هو الاختبار النهائي للإجهاد. فعندما يضرب الزلزال، لا تكتفي المباني بالوقوف صامتة؛ بل يجب أن ترقص، وتلتوي، وتنحني دون أن تكسر أرجلها. لعقود من الزمن، كان الراقص المعتاد هو الخرسانة المسلحة (RC)—وهي مزيج من الإسمنت الصلب كالحجر وقضبان الفولاذ. إنها قوية، لكن لديها نقطة ضعف سرية: فهي تشبه إلى حد ما قطعة البسكويت الصلبة الهشة. فعندما يصبح الاهتزاز جامحاً للغاية، تميل إلى الانكسار فجأة بدلاً من الانحناء بمرونة، مما قد يؤدي إلى انهيارات كارثية.

ولإصلاح ذلك، يتطلع المهندسون إلى المنشآت "المتراكبة" (composite). فكر في هذه المنشآت كفريق من الأبطال الخارقين يتعاونون معاً. أنت تأخذ هيكلاً فولاذياً (وهو ممتاز في التمدد والانحناء) وتغلفه بالخرسانة (وهي ممتازة في القوة ومقاومة السحق). الهدف هو الحصول على أفضل ما في العالمين: هيكل قوي بما يكفي للوقوف، ومرن بما يكفي ليتمايل خلال الزلزال دون أن يتفكك. ولكن هنا يبرز السؤال الكبير: هل شكل ذلك الهيكل الفولاذي المخفي يهم؟ هل الشكل المسطح والمفتوح (مثل عارضة على شكل حرف "I") أفضل، أم أن الشكل المغلق الشبيه بالصندوق (مثل الأنبوب المجوف) هو البطل الحقيقي؟ هذا هو اللغز الذي سعى الباحثون لحله.

مواجهة طاولة الاهتزاز

في مختبر في سالم، الهند، قرر باحثان، ف. شاندريكا ود. شوبا راجكومار، وضع هذه النظرية قيد الاختبار. لم يكتفيا ببناء ناطحة سحاب كاملة الحجم والأمل في الأفضل؛ بل بنيا نموذجاً مصغراً بمقياس 1:3 لمبنى مكون من ثلاثة طوابق. وُضع هذا العالم المصغر على "طاولة اهتزاز" ضخمة وعالية التقنية—وهي في الأساس منصة متحركة ضخمة يمكنها محاكاة الاهتزازات العنيفة لزلزال حقيقي.

لقما ببناء ثلاث نسخ مختلفة من هذا المبنى المصغر لمعرفة كيف ستصمد:

1. الكلاسيكي: إطار خرساني مسلح (RC) قياسي.
2. اللاعب المفتوح: عارضة فولاذية مغلفة بالخرسانة، باستخدام "مقطع على شكل I" (شكل مفتوح ومسطح).
3. اللاعب المغلق: عارضة فولاذية مغلفة بالخرسانة، باستخدام أنبوب مربع مجوف (شكل صندوقي مغلق).

ولجعل التجربة واقعية، لم يهزوا الطاولة بشكل عشوائي. بل قاموا ببرمجة الطاولة لمحاكاة زلزال "إل سنترو" الشهير عام 1940، وهو حدث تاريخي حقيقي تمت دراسته لعقود. كما بنوا محاكاة حاسوبية باستخدام برنامج يسمى SeismoStruct للتحقق من نتائجهم الفيزيائية، ليعمل كتوأم رقمي للتجربة.

حركات الرقص: التسارع، والسرعة، والإزاحة

عندما بدأ الاهتزاز، حكت النتائج قصة رائعة حول كيفية تعامل الأشكال المختلفة مع الفوضى.

أولاً، دعونا نتحدث عن التسارع (مدى سرعة تسارع المبنى وتباطؤه). كان المبنى الخرساني المسلح (RC) صلباً ولكنه هش، حيث وصل إلى ذروة تسارع بلغت 1.7 g. أما المقطع "على شكل I" (المفتوح) فكان الراقص الأكثر عدوانية، حيث سجل تسارعاً هائلاً بلغ 2.16 g. وهذا يعني أنه كان صلباً للغاية لدرجة أنه جذب قوة هائلة، تماماً مثل لوح صلب يحاول الارتداد بقوة. ومع ذلك، كان الأنبوب المربع المجوف (المغلق) هو الراقص الهادئ والمتزن؛ فقد حافظ على تسارع أقل وأكثر انتظاماً، حيث بلغت ذروته 1.88 g. وجد الباحثون أن الشكل المغلق عمل مثل هدية مغلفة جيداً، حيث وفر ضغطاً متساوياً من جميع الجوانب، بينما كان شكل "I" المفتوح متذبذباً بعض الشيء في اتجاهات معينة.

بعد ذلك، جاءت السرعة (مدى سرعة حركة المبنى). كان المبنى الخرساني المسلح هو الأسرع، حيث وصلت سرعاته إلى 607.13 ملم/ثانية. أشارت هذه السرعة العالية إلى أن الطاقة الناتجة عن الزلزال كانت تتدفق مباشرة عبر الخرسانة الهشة، مما تسبب في تشوهها بسرعة. ومع ذلك، كانت المباني المتراكبة أفضل بكثير في إبطاء الأمور؛ فقد حافظ كل من المقطع "على شكل I" و"الأنبوب المجوف" على سرعات أقل (حوالي 580 ملم/ثانية كحد أقصى). يبدو الأمر كما لو أن القلب الفولاذي داخل الخرسانة يعمل كممتص للصدمات، حيث يمتص الطاقة ويمنع المبنى من التأرجح بعنف.

أخيراً، كانت هناك الإزاحة (مدى مسافة تحرك أو تمايل المبنى فعلياً). وهنا كان الفرق صارخاً. فقد تمايل المبنى الخرساني المسلح بجنون، حيث تحرك مسافة تصل إلى 180.34 ملم. هذا قدر كبير من التمايل لنموذج صغير! كان المقطع "على شكل I" أفضل حالاً، حيث ظل يتراوح بين 44 و76.8 ملم. لكن الأنبوب المربع المجوف كان بطل الاستقرار، إذ تمايل بأقل قدر، بنطاق يتراوح بين 50 و60.2 ملم فقط. بدا أن الهندسة المغلقة تمسك بكل شيء بإحكام، مما منع المبنى من التمدد بعيداً.

ما بعد العاصفة: من أصيب بالأذى؟

عندما توقف الاهتاز، نظر الباحثون في الأضرار. بدا المبنى الخرساني المسلح كقطعة بسكويت محطمة؛ فقد عانى من شقوق هشة وفشل مفاجئ. وكان مبنى "الشكل I" صمد بشكل أفضل، حيث أظهر سلوكاً مطيلياً (انحنى قبل أن ينكسر)، ولكن بسبب شكله المفتوح، ظل يعاني من بعض الإجهاد غير المتساوي والبعج الموضعي.

أما الأنبوب المربع المجوف، فقد كان نجم العرض. فقد أظهر السلوك الأكثر استقراراً ومطيلية. ولأن الخرسانة كانت مغلفة بصندوق مغلق، فقد كانت "محصورة" بشكل متساوٍ، مثل حضن ضيق. وقد منع هذا الخرسانة من التفتت أو التقشر (التشظي) قبل الأوان. وكانت الشقوق التي ظهرت صغيرة ويمكن السيطرة عليها، ولم يعانِ الهيكل من الانهيارات المفاجئة والكارثية التي شهدتها الأنواع الأخرى.

الحكم النهائي

قارن الباحثون بين نتائج طاولة الاهتزاز الفيزيائية ومحاكاتهم الحاسوبية، وتطابقت النتنان بشكل مذهل، مع هامش خطأ قدره ±5% فقط. وقد منحهم هذا ثقة عالية في نتائجهم.

إذاً، ما هي الخلاصة؟ في حين أن المقطع "على شكل I" (الهندسة المفتوحة) قوي، إلا أنه قد يكون غير متوقع وغير متماثل الخواص (يتصرف بشكل مختلف اعتماداً على الاتجاه). أما المقطع الأنبوبي المربع المجوف (الهندسة المغلقة)، فقد قدم أداءً أكثر موثوقية وانتظاماً واستقراراً. لقد وفر توازناً أفضل بين الصلابة والمرونة، ومنع المبنى من التمايل كثيراً، وتعامل مع طاقة الزلزال ببراعة.

باختة، إذا كنت تبني في منطقة زلزالية وتريد هيكلاً يمكنه تلقي الضربات والاستمرار في الرقص، فإن تغليف الفولاذ بصندوق مربع مجوف يبدو هو الخطوة الرابحة. الأمر لا يتعلق بالقوة فحسب؛ بل يتعلق بالذكاء الكافي للانحناء دون انكسار.