Analytical and Numerical Investigation of Frequency-Independent Tuned Inerter Outrigger Systems for Seismic and Wind Vibration Control of Tall Buildings

تعد المباني الشاهقة معجزات في الهندسة الحديثة، لكن ارتفاعها يجعلها عرضة للقوى غير المرئية للطبيعة. فعندما تهتز الأرض أثناء الزلزال أو عندما تلتف الرياح القوية حول ناطحة سحاب، يتأرجح الهيكل. وللحفاظ على سلامة هذه المباني وراحة الأشخاص بداخلها، غالبًا ما يقوم المهندسون بتثبيت أنظمة تعمل مثل ممتصات الصدمات. وتتضمن إحدى الاستراتيجيات الشائعة وضع عارضة أفقية صلبة، تُعرف باسم "الطرف المساعد" (outrigger)، في مكان ما على جانب المبنى لربط اللب المركزي بالأعمدة الخارجية. يساعد هذا الإعداد المبنى على مقاومة الانحناء. وغالبًا ما يتم إقران هذه الأطراف المساعدة بمخمدات (dampers) — وهي أجهزة تمتص الطاقة لإيقاف التأرجح. ومع ذلك، فإن المخمدات التقليدية لديها نقطة ضعف كبيرة: فهي عادة ما تكون مضبوطة للعمل بأفضل أداء عند سرعة اهتزاز محددة واحدة. فإذا بدأ المبنى في الاهتزاز بسرعة مختلفة، أو إذا حدثت سرعات متعددة في آن واحد، يصبح المخمد أقل فعالية بكثير.

قام فريق من الباحثين من معهد إس جيه بي للتكنولوجيا (SJB Institute of Technology) في الهند بتطوير نهج جديد لحل هذه المشكلة. فقد صمموا نسختين متطورتين من نظام الطرف المساعد لا تعتمدان على سرعة ضبط واحدة. وبدلاً من ذلك، تم تصميم هذه الأنظمة الجديدة لتعمل عبر نطاق واسع من سرعات الاهتزاز، مما يجعلها أكثر قوة في مواجهة الطبيعة غير المتوقعة للزلازل والرياح. أنشأ الباحثون نموذجًا رياضيًا مفصلاً لفهم كيفية سلوك هذه الأنظمة، ثم اختبروها على مبنى محاكى مكون من ستين طابقًا. وتظهر أعمالهم أنه من خلال الجمع بين مكونات ميكانيكية محددة، يمكنهم إنشاء نظام يمتص الطاقة بكفاءة أكبر بكثير من الطرق الحالية، بغض النظر عن سرعة تأرجح المبنى.

ركز الباحثون على تصميمين محددين أطلقوا عليهما اسم "الطرف المساعد بمخمد التردد المستقل للمؤثر" (Frequency-Independent Tuned Inerter Damper Outrigger) و"الطرف المساعد بمخمد الصلابة السالبة المستقل للتردد" (Frequency-Independent Negative Stiffness Damper Outrigger). ولفهم كيفية عملهما، من المفيد النظر إلى المكونات التي أضافوها إلى الطرف المساعد القياسي. أولاً، قاموا بدمج "مؤثر" (inerter)، وهو جهاز يعمل مثل حدافة (flywheel) للاهتزاز. وبدلاً من إضافة وزن ثقيل إلى المبنى، وهو أمر غير عملي، يخلق المؤثر شعورًا بالمقاومة الثقلة للحركة من خلال ميكانيكياته الداخلية. وهذا يسمح للنظام بالتفاعل بقوة مع الحركة دون جعل المبنى أثقل. ثانيًا، استخدموا آلية "الصلابة السالبة" (negative stiffness). وبينما تدفع معظم النوابض للخلف عندما تسحبها، فقد تم تصميم جهاز الصلابة السالبة ليدفع في نفس اتجاه الحركة لمسافة قصيرة. هذا السلوك غير المعتاد يساعد في إلغاء الصلابة الطبيعية للمبنى بطريقة تسمح للمخمد بالعمل بجهد أكبر وأكثر فعالية. وأخيرًا، استبدلوا المخمدات التقليدية القائمة على السوائل بنوع من المواد التي تبدد الطاقة بمعدل ثابت، بغض النظر عن سرعة حركتها.

في دراستهم، بنى الباحثون نموذجًا حاسوبيًا لمبنى مكون من ستين طابقًا، يشبه ناطحات السقاب الحقيقية، وأخضعوه لمحاكاة الزلازل والرياح العرضية القوية. وقارنوا أنظمتهم الجديدة بالإعداد التقليدي للطرف المساعد. كانت النتائج مذهلة؛ ففي ظل ظروف الزلزال المحاكية، زاد النظام الجديد من قدرة المبنى على تخميد نمط اهتزازه الرئيسي الأول إلى نسبة 24.32 بالمائة. وفي المقابل، تمكن النظام التقليدي من الوصول فقط إلى 2.89 بالمائة. هذا التحسن الهائل يعني أن النظام الجديد يمكنه التعامل مع الاهتزاز المعقد متعدد السرعات لزلزال حقيقي بشكل أفضل بكثير من النظام القديم. وعندما أجرى الباحثون المحاكاة عبر أحد عشر سجلًا مختلفًا لزلازل قريبة من الصدع، قلل النظام الجديد متوسط الحركة بين الطوابق بنسبة 32.5 بالمائة وخفض الاهتزاز الذي يشعر به الناس في الطوابق بنسبة 23.45 بالمائة مقارنة بالإعداد التقليدي.

كما بحثت الدراسة في كيفية أداء هذه الأنظمة تحت أحمال الرياح. فالمباني العالية تتأرجح غالبًا بسبب الرياح التي تخلق نمطًا دواميًا من الهواء، يُعرف باسم "تذرية الدوامات" (vortex shedding)، والذي يمكن أن يتوافق مع الإيقاع الطبيعي للمبنى ويسبب اهتزازه بعنف. ولأن الأنظمة الجديدة ليست مضبوطة على سرعة واحدة، فإنها تظل فعالة حتى عندما تتغير سرعة الرياح وتتغير ترددات الاهتزاز. أظهرت عمليات المحاكاة أن الأطراف المساعدة الجديدة حافظت على قدرتها على التحكم في حركة المبنى عبر نطاق واسع من ظروف الرياح، بينما تفقد الأنظمة التقليدية فعاليتها إذا انحرفت سرعة الرياح عن نقطة الضبط الخاصة بها. وتعد هذه الاستمرارية أمرًا بالغ الأهمية للمباني الطويلة والنحيفة حيث قد يهتز أجزاء متعددة من الهيكل بسرعات مختلفة في وقت واحد.

كما استقصى الباحثون المكان الأمثل لتثبيت هذه الأطراف المساعدة. ووجدوا أن وضع الطرف المساعد بالقرب من قمة المبنى يوفر عمومًا أفضل النتائج للتحكم في التأرجح العام. واختبروا مواقع مختلفة ووجدوا أنه بينما يهم الموقع الدقيق، فإن الأنظمة الجديدة كانت متفوقة باستمرار بغض النظر عن الموقع. وأكدت الدراسة أن الجمع بين المؤثر، وآلية الصلابة السالبة، والمخمد المستقل للتردد يخلق تأثيرًا تآزريًا. فالصلابة السالبة تساعد في تضخيم التخميد، بينما يوفر المؤثر المقاومة اللازمة دون إضافة كتلة، ويضمن النوع المستقل للتردد امتصاص الطاقة دائمًا، بغضًا عن كيفية تحرك المبنى.

وبينما تعد النتائج من عمليات المحاكاة الحاسوبية واعدة للغاية، يحرص الباحثون على الإشارة إلى أن هذا العمل هو حاليًا استقصاء نظري وعددي. فقد استخدمت النماذج سلوكًا خطيًا، مما يعني أنها افترضت أن مواد المبنى لن تنحني أو تنكسر بشكل دائم تحت الضغط، كما أنها لم تأخذ في الاعتبار التفاعل المعقد بين المبنى والتربة الموجودة تحته. كما ركزت الدراسة على اتجاه واحد للاهتزاز ولم تتضمن حركات الالتواء التي يمكن أن تحدث أثناء زلزال حقيقي. وبالرغم من هذه القيود، فإن الإطار الرياضي الذي طوروه يوفر أداة قوية للمهندسين؛ فهو يسمح بالتصميم السريع والتحسين لهذه الأنظمة المتقدمة قبل بنائها. وتشير النتائج إلى أنه من خلال الابتعاد عن الضبط أحادي السرعة وتبني هذه الآليات المستقلة للتردد، يمكن للجيل القادم من ناطحات السحاب أن يكون أكثر أمانًا وراحة لسكانها، صامدًا أمام اهتزاز الأرض من تحتهم والرياح التي تهب حولهم.