Research on dynamic response law and impact performance of steel pipe concrete rock-socketed pile under horizontal impact load

في عالم البنية التحتية الثقيلة، تُعد بعض الهياكل الأكثر حيوية هي الجذور العميقة والخفية التي تثبت الجسور والأرصفة. غالبًا ما تكون هذه الجذور عبارة عن ركائز تُدق في أعماق الأرض أو الصخور، مصممة لتحمل أوزان هائلة. ومن بين أكثر هذه الركائز متانة هي الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة، حيث يعمل أنبوب فولاذي سميك كغلاف واقٍ، بينما توفر الخرسانة الكتلة والقوة. يعتمد المهندسون على هذه الأعمدة المركبة لأنها قوية ومرنة وسهلة البناء نسبيًا. ومع ذلك، تواجه هذه الهياكل تهديدًا فريدًا وعنيفًا: الاصطدامات العرضية. فعندما ينحرف سفينة عن مسارها أو تندفع صندل (بارجة) بفعل تيار قوي، يمكنها أن تصطدم برصيف أو بدعامة جسر بقوة هائلة. وخلافًا للوزن البطيء والمستمر للمبنى، فإن هذا الاصطدام هو ضربة أفقية مفاجئة ترسل موجات صدمة عبر المادة. إن فهم كيفية تفاعل هذه الركائز العميقة المثبتة في الصخور مع مثل هذه الضربة أمر حيوي للسلامة، ومع ذلك، ظل الرقص المعقد بين الغلاف الفولاذي والقلب الخرساني أثناء اصطدام في جزء من الثانية لغزًا غامضًا إلى حد ما.

ولحل هذا اللغز، لجأ فريق من الباحثين من شركة "تشونغ مينغ تشونغ تشينغ للتكنولوجيا والبحث والتصميم" وجامعة "تشونغ تشينغ جياوتونغ" إلى قوة المحاكاة الحاسوبية. لقد بنوا نموذجًا رقميًا مفصلاً لركيزة أنبوب فولاذي ضخم القطر مملوءة بالخرسانة، مثبتة بإحكام في كتلة تحاكي الصخر. لم تكن هذه الركيزة الافتراضية مجرد صورة ثابتة؛ بل كانت نظامًا ديناميكيًا حيث تمت برمجة الفولاذ والخرسانة وقضبان التسليح بداخلها للتفاعل مع الإجهاد، والانفعال، والتغيرات السريعة للاصطدام. أخضعوا هذا النموذج الرقمي لسلسلة من الاصطدامات الأفقية، مما يحاكي اصطدام سفينة بالركيزة بسرعات مختلفة. ومن خلال مراقبة كيفية انتقال القوى عبر الهيكل في حواسيبهم، استطاعوا رؤية ما يحدث بالضبط داخل الركيزة في كل جزء من الثانية، وهو أمر يصعب قياسه للغاية في حادث اصطدام حقيقي.

اكتشف الباحثون أنه عندما تُضرب الركيزة، فإنها لا تنحني وتتوقف فحسب. بدلاً من ذلك، يبدأ الهيكل بأكمله في الاهتزاز، مرتجفًا ذهابًا وإيابًا مثل وتر جيتار تم نقره، ولكن بإيقاع سريع ومخمد يتلاشى بمرور الوقت. يحدث هذا الاهتزاز في مرحلتين متميزتين. أولاً، هناك طفرة مفاجئة وحادة في القوة مع اصطدام طاقة التأثير بالركيزة، مما يؤدي إلى اندفاع القوى الداخلية. ثم يدخل الهيكل في مرحلة اضمحلال تدريجي، حيث يهدأ الاهتزاز وتستقر القوى. داخل الركيزة، لا يتحرك الأنبوب الفولاذي والقلب الخرساني في تناغم تام. وبينما يهتزان معًا، فإن طريقة تعاملهما مع الإجهاد الداخلي تختلف بشكل مدهش. وجد الباحثون أن القلب الخرساني يتحمل الجزء الأكبر من العمل الشاق. ففي أي لحظة أثناء الاصطدام، تكون قوة القص — وهي قوة الانزلاق التي تحاول قطع الركيزة إلى نصفين — وعزم الانحناء — وهي القوة التي تحاول كسرها كغصن — أكبر بكثير في الخرسانة منها في الغلاف الفلزي. وتحديدًا، يساهم الأنبوب الفولاذي بنحو 26% من قوة القص وحوالي 26% من عزم الانحناء مقارنة بالقلب الخرساني، مما يعني أن الخرسة تتحمل الغالبية العظمى من الحمل.

ولعل النتيجة الأكثر إثارة للدهشة كانت كيفية تفاعل الفولاذ والخرسانة. قد يفترض المرء أن الغلاف الفولاذي يساعد في مشاركة الحمل، ليعمل كشريك للخرسانة. وبينما يساهم الفولاذ بجزء ملموس من القوى الداخلية، أظهرت عمليات المحاكاة أن الأنبوب الفولاذي لا يعمل كشريك بسيط في مشاركة الحمل كما هو متوقع. في الواقع، غالبًا ما تؤدي وجود الأنبوب الفولاذي إلى جعل القلب الخرساني يتعرض لقوى داخلية أكبر مما لو كان بمفرده. يبدو أن المادتين تعملان ضد بعضهما البعض من حيث توزيع القوى؛ فبينما ترتفع قوة القص في الخرسانة، تتحرك القوة في الفولاذ غالبًا في الاتجاه المعاكس. وهذا يعني أن الأنبوب الفلزي يعمل أساسًا كقيد يغير كيفية تحمل الخرسانة لوطأة الاصطدام، بدلًا من مجرد مشاركة العبء بالتساوي. كما كشف نمط هذه القوى على طول الركيزة عن شكل محدد. إذ تشكل القوى في القلب الخرساني شكلًا ضيقًا في الأعلى وعريضًا في الأسفل، يشبه ثمرة القرع، حيث تتركز شدة الإجهاد بالقرب من النقطة التي تدخل عندها الركيزة في الصخر. وعلى العكس من ذلك، يظهر الأنبوب الفولاذي نمطًا مختلفًا، حيث تنتشر قواه في شكل عريض في الأسفل وضيق في الأعلى، مثل بوق مقلوب.

وقد ثبت أن سرعة الاصطدام عامل حاسم. فعندما زاد الباحثون من سرعة الاصطدام المحاكى، نمت القوى داخل الركيزة بشكل كبير. ومع ذلك، لم تكن العلاقة بين سرعة الضربة والضرر الناتج خطًا مستقيمًا بسيطًا. كما بحثوا في كيفية تأثير "معامل القيد" على النتيجة. وهذا المعامل هو مقياس لمدى إحكام الغلاف الفولاذي لضغط الخرسانة، والذي يتحدد من خلال سمك الفولاذ وقوة الخرسانة. وكشفت الدراسة أن تغيير سمك الفولاذ أو قوة الخرسانة يغير كيفية استجابة الركيزة، ولكن ليس دائمًا بطريقة يمكن التنبؤ بها. فعلى سبيل المثال، جعل الفولاذ أكثر سمكًا يزيد من القيد، مما قد يؤدي أحيانًا إلى انخفاض في أقصى قوة انحناء تتعرض لها الخرسانة، ولكن حتى نقطة معينة فقط. فبعد تجاوز حد معين، تنعكس العلاقة. وبالمثل، إذا كانت الخرسانة أضعف، يتعين على الغلاف الفولاذي العمل بجهد أكبر، لكن السلوك العام للركيزة يتغير بطرق معقدة اعتمادًا على سرعة الاصطدام.

في نهاية المطاف، توفر هذه الأبحاث خريطة واضحة لكيفية سلوك هذه الأساسات العميقة تحت الإجهاد الشديد لاصطدام السفن. لقد أكدت عمليات المحاكاة أن القلب الخرساني هو المدافع الرئيسي، حيث يمتص معظم طاقة الاصطدام والقوى الداخلية، بينما يلعب الغلاف الفولاذي دورًا أكثر تعقيدًا يتمثل في التقييد الذي يؤثر على توزيع القوى بدلاً من مجرد مشاركة الحمل. وقد أرست الدراسة علاقة ثابتة ومتوقعة بين أقصى حركة جانبية للركيزة وأقصى قوة انحناء في الأنبوب الفولاذي بناءً على سرعة الاصطدام وإحكام قيد الفولاذ. تقدم هذه النتائج للمهندسين فهمًا أوضح للميكانيكا الخفية التي تحدث عند اصطدام رصيف أو جسر، مما يسمح بتصاميم ليست قوية فحسب، بل مضبوطة خصيصًا للنجاة من الصدمات المفاجئة والعنيفة في العالم الحقيقي. ومن خلال معرفة كيفية تدفق القوى بدقة وأين تكون الهياكل أكثر عرضة للخطر، يمكن للمهندسين بناء بنية تحتية أكثر أمانًا وصمودًا، تصمد بثبات حتى عندما يحدث ما هو غير متوقع.