Influence of leg inclination angle and configuration on the capacity of v-shaped steel fiber reinforced concrete bridge bents

الجسور هي أكثر من مجرد امتدادات من الخرسانة والفولاذ؛ فهي أنظمة معقدة حيث تختبر الجاذبية والرياح باستمرار حدود المواد. في العديد من التصاميم الحديثة، يستخدم المهندسون دعامات على شكل حرف V، تُعرف باسم "المنحنيات" (bents)، لحمل سطح الطريق. هذه الهياكل فعالة لأن أرجلها المائلة تساعد في نقل الوزن الثقيل للجسر إلى الأرض، بينما تقاوم أيضاً القوى الجانبية الناتجة عن الرياح أو الزلازل. ومع ذلك، فإن شكل هذه الأرجل والزاوية التي تلتقي بها يشكلان لغزاً فريداً؛ فإذا كانت الأرجل ضيقة جداً أو واسعة جداً، أو إذا وُجهت في اتجاه محدد، فقد يصبح الجسر قوياً ولكنه هش، أو مرناً ولكنه ضعيف. إن فهم كيفية تأثير هذه الخيارات الهندسية بدقة على قدرة الجسر على الانحناء دون انكسار أمر بالغ الأهمية لبناء بنية تحتية أكثر أماناً، خاصة في المناطق المعرضة للنشاط الزلزالي.

ولحل هذا اللغز، أجرى فريق من الباحثين من جامعات في كينيا والجزائر سلسلة من التجارب الفيزيائية على نماذج مصغرة لهذه الدعامات التي تأتي على شكل حرف V. لقد بنوا أربعة إصدارات مختلفة من هذه الهياكل باستخدام نوع خاص من الخرسانة المخلوطة بألياف فولاذية دقيقة، والتي تساعد المادة على التماسك حتى بعد تشققها. كان الهدف هو معرفة كيف يؤدي تغيير زاوية حرف V واتجاه الأرجل إلى تغيير قوة الهيكل وقدرته على التمدد. أنشأ الفريق نماذج تبلغ أحجامها تقريباً جزءاً واحداً من واحد وعشرين (1/21) من حجم منحنى الجسر الحقيقي، وهو مقياس تم اختياره ليتناسب مع مختبرهم مع تمثيل فيزياء الهيكل الكامل بدقة. واختبروا شكلين رئيسيين: الأرجل المربعة والأرجل المستطيلة، وقاموا بتغيير زاوية فتح الأرجل بين 30 درجة و60 درجة. وبالنسبة للأرجل المستطيلة، اختبروا اتجاهين مختلفين: أحدهما حيث يواجه الجانب العريض اتجاه الدفع، والآخر حيث يواجه الجانب الضيق ذلك الاتجاه.

أخضع الباحثون كل نموذج لدفع جانبي ثابت ومتزايد مع وضع وزن ثقيل فوقه لمحاكاة وزن سطح الجسر. وقاسوا بدقة مقدار القوة التي يمكن أن يتحملها الهيكل قبل أن يبدأ في الفشل، ومقدار الانحناء الذي يمكن أن يصل إليه قبل أن يفقد قوته. وكشفت النتائج عن وجود مقايضة واضحة بين القوة والمرونة. فعندما قارن الباحثون النماذج ذات الأرجل المربعة، وجدوا أن النموذج ذو الزاوية الأوسع (60 درجة) كان أقوى بشكل ملحوظ، حيث قاوم قوة جانبية تزيد بنسبة 30 بالمائة عن نسخة الـ 30 درجة الأضيق. ومع ذلك، جاءت هذه القوة الإضافية على حساب آخر؛ إذ كان النموذج الأوسع والأقوى أقل قدرة على الانحناء والاستعادة؛ فقد استطاع التمدد بنسبة أقل بنحو 13 بالمائة من نظيره الأضيق قبل الوصول إلى حده الأقصى. يشير هذا إلى أن جعل شكل حرف V أعرض لا يجعل الدعامة بالضرورة أفضل دعامة شاملة، لأنه يضحي ببعض القدرة على امتصاص الطاقة من خلال الحركة.

أصبحت القصة أكثر إثارة للاهتمام عندما نظر الباحثون في الأرجل المستطيلة. ففي زاوية 60 درجة، صنع اتجاه الرجل فرقاً هائلاً. فعندما واجه الجانب العريض من الرجل المستطيلة اتجاه الدفع، كان الهيكل قوياً تقريباً مثل النموذج المربع. ولكن عندما واجه الجانب الضيق اتجاه الدفع، انخفضت القوة بنسبة تقارب 40 بالمائة. ومن المثير للدهشة أن التكوين الأضعف من حيث القوة الخام كان هو الأكثر مرونة؛ حيث استطاع النموذج الذي يواجه فيه الجانب الضيق اتجاه الدفع أن ينحني لمسافة أكبر بكثير من غيره قبل الفشل، مظهرًا قدرة على التشوه أعلى بنسبة 74 بالمائة تقريبًا من النموذج المربع. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على رؤية نقدية للمهندسين: الهيكل الذي يكون الأقوى ليس بالضرورة هو الذي يمكنه الانحناء أكثر، والهيكل الذي ينحني أكثر قد لا يكون الأقوى.

نظر الفريق أيضاً فيما يحدث داخل المواد أثناء تعرضها للدفع. ووجدوا أن زاوية شكل حرف V تغير كيفية توزيع الوزن بين الساقين. ففي التصميم الأضيق (30 درجة)، خلق الدفع الجانبي عدم توازن هائلاً، مما دفع إحدى الأرجل إلى ضغط عميق بينما سحب الأخرى نحو الشد، أو التمدد. وكان عدم التوازن هذا أقل حدة في تصميم الـ 60 درجة الأوسع. وخلص الباحثون إلى أن الزاوية واتجاه المقطع العرضي للرجل يعملان معاً لتحديد مصير الجسر. فالزاوية الأوسع تساعد الأرجل على مشاركة الحمل بشكل أكثر توازناً، مما يزيد القوة، لكنها أيضاً تجعل الهيكل أكثر صلابة، مما يقلل من قدرته على الانحناء. وعلى العكس من ذلك، يمكن ضبط اتجاه الرجل المستطيلة لإعطاء الأولوية إما للقوة أو للمرونة، اعتماداً على الاتجاه الذي تلتف فيه الرجل.

في النهاية، توضح هذه الدراسة أنه لا يوجد شكل واحد "أفضل" لدعامة الجسر التي تأتي على شكل حرف V. فالخيار يعتمد تماماً على ما يحتاجه المهندس من الجسر. فإذا كانت الأولوية هي مقاومة قوة جانبية هائلة، فإن الزاوية الأوسع واتجاه الرجل المحدد يكونان أفضل. أما إذا كانت الأولوية هي السماح للجسر بالتأرجح وامتصاص الطاقة أثناء الزلزال دون انكسار، فقد يتطلب الأمر تكويناً مختلفاً. وقد أكد الباحثون أن هذه النتائج تستند إلى اختبارات محددة ومسيطر عليها على نماذج مصغرة، وأن الجسور في العالم الحقيقي تتضمن متغيرات أكثر بكثير، مثل حجم الخرسة والسلوك الدقيق لتعزيز الفولاذ. ومع ذلك، فإن الأنماط الواضحة التي لاحظوها توفر دليلاً حيوياً للتصاميم المستقبلية، حيث تظهر أن هندسة دعامة الجسر هي توازن دقيق بين أن تكون قوية بما يكفي للوقوف بثبات ومرنة بما يكفي للنجاة من الظروف غير المتوقعة.