Energy-based plastic design and seismic evaluation of doubly buckling-restrained knee-braced frames

لا تكتفي الزلازل بهز الأرض فحسب؛ بل تضخ نهراً هائلاً وغير مرئي من الطاقة في المباني القائمة عليها. ولكي يصمد أي هيكل، يجب أن يكون قادراً على امتصاص هذه الطاقة دون الانهيار، تماماً مثل ممتص الصدمات في السيارة الذي يخفف من حدة الرحلة الوعرة. لطالاً ما سعى المهندسون لإيجح طرق لتصميم مبانٍ يمكنها الانحناء والالتواء، وتشتيت هذه القوة المدمرة من خلال أضرار محكومة في أجزاء معينة قابلة للاستبدال، مع الحفاظ على الهيكل الرئيسي سليماً. هذا النهج، المعروف باسم "التصميم القائم على الأداء"، يبتعد عن مجرد جعل المباني أكثر قوة ويركز بدلاً من ذلك على التحكم في كيفية تشوهها. ويتمثل التحدي الرئيسي في هذا المجال في إيجاد نظام يوفر قوة ومرونة عاليتين دون التضحية بمخططات الطوابق المفتوحة التي تتطلبها العمارة الحديثة. فغالباً ما تتطلب أنظمة التدعيم التقليدية عوارض قطرية سميكة تقطع الغرف، لكن مفهوماً أحدث يسمى "إطار الركبة المدعم" يضع هذه الدعامات بالقرب من الوصلات حيث تلتقي العوارض بالأعمدة، مما يحافظ على المساحات المفتوحة. ويستكشف الباحثون الآن نسخة مطورة من هذا النظام، تستخدم دعامات خاصة مصممة لمقاومة الانبعاج، مما يضمن قدرتها على التمدد والضغط بشكل متكرر دون الفشل.

في دراسة حديثة، بحث فريق من المهندسين من كمبوديا وتايلاند في مدى كفاءة نوع معين من هذه الإطارات، يسمى "إطارات الركبة المدعمة مزدوجة الانبعاج"، تحت وطأة الزلازل الكبرى. وقد ركزوا على طريقة تصميم تحسب القوة اللازمة للمبنى من خلال موازنة الطاقة التي يطلقها الزلزال مقابل الطاقة التي يمكن للمبنى امتصاصها بأمان من خلال التشوه اللدن. طبق الباحثون هذه الطريقة على أربعة نماذج مختلفة من المباني، تتراوح من ثلاثة طوابق إلى اثني عشر طابقاً، واختبرتهم ضد مستويين من المخاطر الزلزالية: زلزال بمستوى التصميم يُتوقع حدوثه من حين لآخر، وزلزال بمستوى أقصى يمثل حدثاً كارثياً نادراً. ولرؤية كيف ستتصرف هذه الهياكل فعلياً، لم يكتف الفريق بالحسابات النظرية فحسب؛ بل أجروا محاكاة حاسوبية متطورة تحاكي اهتزاز الأرض، مراقبين كيفية خضوع المكونات الفولاذية، وأين تتركز الأضرار، ومدى تمايل الطوابق.

بدأت الدراسة بتصميم نماذج المباني الأربعة لتلبية أهداف سلامة محددة. فبالنسبة للزلزال المتكرر (مستوى التصميم)، كان الهدف هو الحد من تمايل المبنى عند نسبة إزاحة قدرها 2%، بينما بالنسبة للحدث الأقصى النادر، تم تحديد الحد عند 3%. وضمنت طريقة التصميم أن تكون الدعامات الخاصة وقواعد الأعمدة هي الأجزاء التي تخضع للتشوه وتمتص الطاقة، بينما تظل العوارض والأجزاء العلوية من الأعمدة صلبة ومرنة. ثم أخضع الباحثون هذه النماذج لسلسة من الاختبارات. أولاً، دفعوا المباني جانبياً بحركة بطيئة وثابتة لرؤية استجابتها للقوة المتزايدة. ثم أخضعوا النماذج لـاثنتين وعشرين مجموعة مختلفة من حركات الأرض المسجلة للزلازل، والتي تم قياسها لتناسب شدة مستويات الخطر التصميمي والأقصى. سمح هذا الاختبار الديناميكي لهم برؤية كيف تتصرف المباني تحت تأثير الاهتزاز المعقد والسريع لزلزال حقيقي، بدلاً من مجرد دفع بطيء.

أظهرت النتتائج أن طريقة التصميم نجحت بشكل جيد جداً في المباني الأقصر؛ حيث تصرفت الإطارات المكونة من ثلاثة طوابح وستة طوابق تماماً كما أراد المهندسون. فخلال عمليات المحاكاة، بدأت الدعامات الخاصة وقواعد الأعمدة في الخضوع لامتصاص الطاقة في اللحظات المناسبة، بينما ظل بقية الهيكل قوياً. تمايلت المباني ضمن الحدود الآمنة، وتركز الضرر في الأجزاء المصممة لتحمله، مما أكد أن النهج القائم على الطاقة نجح في التحكم في استجابة المبنى للمنشآت منخفضة ومتوسطة الارتفاع. وكشفت عمليات المحاكاة أن الأعمدة في هذه المباني القصيرة خضعت عند القاعدة كما هو مخطط، مما خلق آلية مستقرة منعت انهيار المبنى.

ومع ذلك، تغيرت القصة بالنسبة للمباني الأكثر طولاً. فعندما فحص الباحثون نماذج التسعة طوابق والاثني عشر طابقاً، أظهرت عمليات المحاكاة أن نمط الضرر المقصود لم يتطور بالكامل. فبينما خضعت الدعامات الخاصة كما هو متوقع، لم تخضع قواعد الأعمدة في هذه المباني الأكثر طولاً ضمن حدود التمايل المستهدفة. ووجد الباحثون أن المباني الأكثر طولاً تأثرت بـ "تأثيرات الأنماط العليا"، وهي ظاهرة حيث تتمايل الطوابق العليا بشكل مختلف عن الطوال السفلى، مما يعقد طريقة توزيع الطاقة. وفي اختبارات الدفع (pushover tests)، ظلت قواعد الأعمدة في إطارات التسعة والاثني عشر طابقاً في الحالة المرنة حتى وصل المبنى إلى نسبة الإزاحة المستهدفة، مما يعني أن آلية امتصاص الطاقة الكاملة لم يتم تفعيلها. ورغم ذلك، أظهر تحليل السجل الزمني الديناميكي، الذي استخدم سجلات الزلازل الفعلية، أن المباني الأكثر طولاً لا تزال تعمل بأمان. فقد خضعت الدعامات وقواعد الأعمدة في النهاية للتشوه أثناء الاهتزاز، وظل التمايل الإجمالي ضمن حدود السلامة، مما يشير إلى أن المباني ستصمد، حتى لو اختلف نمط الضرر قليلاً عن التصميم المثالي.

تخلص الدراسة إلى أن طريقة التصميم اللدن القائمة على الطاقة هي أداة موثوقة لإنشاء إطارات ركبة مدعمة آمنة ومرنة، لا سيالما للمباني التي يصل ارتفاعها إلى ستة طوابق. فبالنسبة لهذه الهياكل، تضمن الطريقة بنجاح أن يخضع المبنى بطريقة محكومة، مما يحمي الهيكل العام من الفشل الكارثي. أما بالنسبة للمباني الأكثر طولاً، فلا تزال الطريقة توفر تصميماً آمناً، لكن المهندسين يشيرون إلى أن السلوك أكثر تعقيداً؛ إذ لم تخضع قواعد الأعمدة في الإطارات الأكثر طولاً للتشوه كما كان متوقعاً في مرحلة التصميم الأولية، مما يشير إلى ضرورة مراعاة تأثير أنماط الاهتزاز العليا بشكل أكثر دقة في التصميمات المستقبلية للمباني الشاهقة. ويقترح الباحثون أنه بينما ينجح النهج الحالي، إلا أن هناك حاجة لمزيد من الدراسة لتطوير تصميم المباني الطويلة لضمان تفعيل آلية تبديد الطاقة المقصودة بالكامل تحت أقسى ظروف الزلازل. إن هذا العمل يثبت أنه من خلال الموازنة الدقيقة بين مدخلات الطاقة وقدرة المنشأ على امتصاصها، يمكن للمهندسين إنشاء مبانٍ تصمد بثبات أمام قوى الطبي، مما يحمي الهيكل والناس بداخله على حد سواء.