علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
How to Engineer Buildings That Withstand Earthquakes
(بقلم: أندريا طومسون – Andrea Thompson)
على الرغم من أنه لا يمكن منع الزلازل المدمرة ، إلا أنه من الناحية العلمية هناك بعض التقنيات لحماية المباني من الانهيار – وحماية من بداخلها أيضًا.
كوكبنا الأرضي مليء بصفائح تكتونية تتحرك ببطء أو تدفع بعضها بعضًا أو تنزلق على بعض البعض الآخر على طول صدوع (فوالق)(1). الاحتكاك بين هذه الصفائح تتسب أحيانًا في أن تعلق صفيحتان من هذه الصفائح ببعضهما على جانبي الصدع مما يمنعهما من الانزلاق على بعضهما ويسبب ذلك شدًا / سحبًا [tension(2)] ، يتراكم هذا الشد على مدى سنوات أو عقود أو حتى قرون قبل أن ينزلق الصدع فجأة، ويسبب زلزالًا.
من مكان انشقاق الصدع، تنتقل هذه الموجات الزلزالية من الأسفل إلى الأعلى في جميع الاتجاهات. عندما تصل إلى سطح الأرض تحدث اهتزازات عنيفة ومدمرة إذا كان الزلزال قويًا ومركزه قريبًا مكانيًا من المباني بدرجة كافية، مثل الزلزالين الهائلين اللذين ضربا تركيا وسوريا في 6 فبراير 2023(3)، وأعقبتهما هزة ارتدادية كبيرة في نفس اليوم،
تسببت هذه الزلازل في مقتل أكثر من 45 ألف شخص، العديد منهم قتلوا تحت ركام مبانٍ منهارة. مع أنه لا يمكن منع الزلازل من الحدوث ولا يمكن التنبؤ بحدوثها(4)، فإن هناك بعض الطرق العلمية لحماية المباني من الانهيار وحماية من بداخلها من السكان. تحدث موقع ساينتفيك أمريكان (Scientific American) مع العديد من خبراء هندسة الزلازل لمعرفة كيف يمكن استخدام أساليب البناء المناسبة لحفظ المنازل والمكاتب وغيرها من المباني من السقوط نتيجةً للزلازل التي تأتي على حين غرة.
ماذا يحدث للمباني أثناء الزلزال؟
تخيل أنك تقود سيارة على أحد الطرق، واحتجت فجأة أن تتوقف. ولما ضغطت على الفرامل، تطايرت واندفعت الأغراض من على مقعد الراكب الأمامي (وأي شيء آخر غير مربوط بالحزام)، في نفس الاتجاه وبنفس سرعة السيارة قبل توقفها. حدث كل هذا بسبب ما يسمونه يـ القصور الذاتي – وهو نزعة أي جسم للبقاء في الحالة التي هو عليها سابقًا: إما الاستقرار لو كان مستقرًا أو السير بنفس السرعة والمسار إذا كان سائرًا أم محمولًا على متحرك [كما هو حال الأغراض في السيارة حينما كانت تسير] ما لم تؤثر فيه قوة أخرى. نفس تلك النزعة هي التي جعلت المبانى معرضة للخطر أثناء الزلازل.
أثناء الزلزال، تتحرك الأرض أسفل المباني إلى الأمام وإلى الخلف بسرعة. ولكن لأن المبنى له كتلة، فلا بد أن يكون له قصور ذاتي أيضًا. “الزلزال يهز الأرض وما عليها من مبانٍ ومنشآت، ولكن المباني تحاول البقاء في مكانها”، حسب ما قال إرتوغرول تاشيروغلو (Ertugrul Taciroglu)، مهندس منشآت في جامعة كاليفورنيا في مدينة،لوس أنجلوس. ولكن بمجرد أن تبدأ الأرض في الحركة، تستمر المباني في الحركة في الاتجاه الذي يسحبها اليه الزلزال – المباني تتحرك دائمًا في أعقاب حركة الأرض. تأخر حركة المباني عن حركة الأرض ينتج عنه قوى قصور ذاتي أفقية على المبنى، مما يتسبب في انحراف (تشوه) في شكل أي عامود رأسي أو جدار بزاوية ميل (منشئًا شكل متوازي أضلاع لو نظرت إلى منظر المبنى الجانبي على شكل مستطيل). عندما يكون المبنى متكونًا من عدة طوابق، فإن كل طابق منها يتحمل ثقل الطوابق التي فوقه. وهذا يعني أن الطوابق السفلية يجب أن تتحمل قوى قصور ذاتي أكبر من الطوابق التي فوقها. إذا لم تصمم أو تُقوَّى الجدران والأعمدة بشكل مناسب، فقد لا تتمكن من تحمل الثقل الذي كانت تستطيع تحمله في السابق.
كلما كان الزلزال أقوى وكلما اقترب من سطح الأرض – وكلما اقتربت المباني من انشقاق الصدع – زاد مقدار قوى القصور الذاتي على ذلك المبنى أثناء الزلزال. نوع تربة الأرض المُقامة عليها المباني تلعب دورًا أيضًا: مقارنةً بالأرض الصخرية الصلبة، فإن التربة الرخوة (المفككة)(5) تزيد من حركة الأرض.
كيف نبني المباني حتى لا تنهار أثناء الزلزال؟
حتى تبقى المباني سالمة عند وقوع زلزال، يجب بناؤها لمقاومة قوى القصور الذاتي الأفقية. كيف تبنى تلك المباني بالضبط يعتمد على مواد البناء المستخدمة. دعنا نركز على مادتين من مواد البناء الأكثر شيوعًا: الخرسانة والحديد الصلب. جزء كبير من مخزون مواد البناء استخدم في المنطقة المتضررة من تركيا.
في ظل الظروف العادية، تعتبر الخرسانة مادة بناء ممتازة لتحمل ثقل المبنى لأنها تؤدي أداءً جيدًا في ظل ما يسميه المهندسون بـ الانصغاط [compression(6)]. بإمكان البناء الخرساني أن يستمر بسهولة لعقود إذا كان عليه فقط أن يتحمل ثقله. ولكن، قوى القصور الذاتي الناتجة عن الزلزال، والتي تجعل الجدران والأعمدة الرأسية تتمايل، تعرض الخرسانة إلى حالة من الشد / السحب، وهي قوة تعتبر عكس الانضغاط. على الرغم من أن قوى القصور الذاتي تحاول سحب الخرسانة، إلا أنها تقاوم السحب، وتمنع المبنى من الحركة وتحاول الخرسانة التماسك بقوة في مكانها، ولذلك تتولد قوى القصور الذاتي الكبيرة. يقول بيري أديبار (Perry Adebar)، مهندس الانشاءات في جامعة بريتش كولومبيا. قد تتصدع الأعمدة والجدران الخرسانية التي تعرضت للشد (السحب) وتفشل في النهاية لأنها لم تعد قادرة على تحمل ما فوقها من ثقل.
الخرسانة تبقى من أكثر مواد البناء استخدامًا في العالم، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنها رخيصة ومتوفرة ولأنها تستطيع تحمل الأثقال الإنشائية. لجعل الخرسانة متوافقة أكثر مع المناطق النشطة زلزاليًا، يضيف المهندسون الحديد الصلب (على شكل حديد تسليح(7)) ، وهو أكثر مرونة. “عليك أن تستخدم الصلب على أي أرض معرضة للشد (السحب)” ، يقول أديبار.
حديد الصلب مرن حين يتعرض لقدر معين من السحب. لو سحبت الجانب التحتي لعلَّاقة معطف سلكية ستراها ترتد إلى شكلها الطبيعي عندما تتركها. ولكن عندما يتعرض الحديد الصلب لمقدار كبير من السحب، كما هو الحال في الزلزال القوي جدًا، “يصبح الحديد الصلب” مرنًا ومشوهًا (منحرف الشكل)”، كما يوضح أديبار. في حالة المباني أثناء وقوع زلزال ، “هذا هو بالضبط ما ترغب فيه”، كما يقول أديبار ، لأن حديد الصلب المشوه قد يمتص بفعالية قوى القصور الذاتي تلك ولكنه يبقى متحملًا للثقل.
ألا يعني ذلك أن المبنى قد تضرر؟
في الزلازل القوية، نعم. من الممكن أن تتعرض المباني الخرسانية المسلحة بالحديد الصلب لأضرار جسيمة، ربما لدرجة تصبح فيها غير صالحة للاستعمال / للسكنى بعد الزلزال. هذا كله يتعلق بالطريقة التي تضع بها الحكومات مواصفات (كود) البناء، والتي يصمم المهندسون المباني على أساسها لتحمل قوة معينة من الزلازل. كود البناء، بما فيها تلك المعتمدة في الولايات المتحدة وتركيا، يتطلب عمومًا أن يحقق المبنى ما يسمى بـ كود “سلامة الحياة” [المترجم: هي الإجراءات المتخذة لحماية الناس من الأخطار والحوادث التي تعرض حياتهم للخطر] في ظل أقصى قوة زلزال متوقعة في أحد المناطق. يقول سيسي نيكولاو، مهندس أبحاث الزلازل في المعهد الوطني للمعايير والتقنية: “مواصفات المباني المقاومة للزلازل التي نستخدمها هي فقط الحد الأدنى من المتطلبات”. “يريد المرء فقط أن تعطيه هذه المباني على الأقل فرصة للخروج منها على قيد الحياة عندما يحدث الزلزال الكبير، على افتراض أن المباني قد تضررت بشكل خطير”. الوضع أشبه بسيارة تكومت في حادث تصادم: هذه السيارة امتصت تأثير الصدمة لتحمي الركاب ، مع أنها تضررت كليًا إلى درجة لا يمكن اصلاحها.
هناك طرق للحفاظ على المباني صالحة للسكن والاستخدام بعد الزلزال. بعض الطرق تنطوي على تصميمات أكثر ذكاءً باستخدام مواد سائدة، مثل الخرسانة المسلحة بالحديد الصلب. بعض الطرق قد يتطلب أيضًا المزيد من التقنيات، مثل “عزل المبنى عن القواعد الأرضية”. باستخدام هذه التقنية، يكون المبنى غير متصل بالقواعد الأرضية، ولكنه يجلس فوق هياكل مرنة تفصله عن تلك القواعد الأرضية – وبالتالي تفصله عن التعرض للاهتزازات الأرضية. لكن هذا النوع من الترتيب يضيف تكلفة إلى تكاليف البناء، وبعض مالكي المباني لا يستطيعون دفع هذه التكاليف الاضافية أو لا يرغبون في دفعها. في الولايات المتحدة، استخدمت تقنية البناء هذه لحماية المباني المهمة مثل المستشفيات ولإدخال اصلاحات على المباني التاريخية حتى تبقى محافظة على هندستها المعمارية الأصيلة. بعض المستشفيات في تركيا لديها أنظمة عزل المباني عن القواعد مما جعلها صامدة أمام الزلازل الأخيرة هناك.
لماذا ربما ينهار المبنى حتى لو شُيد وفقًا لكود (مواصفات) البناء المقاوم للزلازل؟
صُممت المباني لتتحمل درجة معينة من الاهتزازات الزلزالية، بناءً على احتمال حدوث زلزال في تلك المتطقة. على سبيل المثال، بما أن مدينة لوس أنجلوس واقعة على خط زلازل [صدع سان أندرياس]، فالابنية هناك من شأنها أن تُبنى مقاومة لزلزال أكبر من زلزال قد يقع في مدينة نيويورك [والتي لا تقع على خط زلازل]. لكن علماء الزلازل لا يعرفون دائمًا بالضبط قوة الزلزال قبل أن يقع. يقول تاشيروغلو (Taciroglu): “الصعوبة الرئيسة المتعلقة بالتصميم الهندسي للبناء تتمثل في عدم التأكد من حجم الزلازل المستقبلية، لأننا لا نعرف ما سيحدث على وجه الدقة”. وكلما زادت قوة الزلزال كلما زادت ندرة حدوثها. قد تحدث بعض أكبر الزلازل فقط كل بضع مئات أو آلاف السنين – لكن قياس حجوم الزلازل الحديثة لا تعود إلا إلى عقود قليلة مضت. يعتقد العديد من علماء الزلازل أن صدع شرق الأناضول – الذي كان السبب في الزلازل التي حدثت في تركيا وسوريا – كان متوقعًا أن يتسبب في زلزال بقوة قصوى تبلغ 7.4 أو 7.5 على مقياس ريختر. لكن زلزال 6 فبراير 2023 كان بقوة 7.8 – وهو ما يكافيء حوالي أربعة أضعاف على المقياس اللوغاريتمي لقوة الزلزال المتوقعة [7.4 أو 7.5] . لذلك من المحتمل أن تكون بعض المباني التي تم إنشاؤها حسب المواصفات المقاومة للزلازل في تركيا حينئذ قد تعرضت ببساطة لقوة أكبر مما تتحمله، كما يقول تاشير أوغلو.
تتطور مواصفات البناء أيضًا كلما تطور فهمنا العلمي لاحتمالات وقوع الزلازل والتغييرات الهندسية، لذلك المباني المبنية حسب مواصفات البناء المقاوم للزلازل في زمن انشائها فيه قد لا تفي بالمعايير المحدثة. غالبًا ما يكون تعديل هذه المباني حسب المعايير المحدثة باهظ التكلفة. يقول تاشيروغلو (Taciroglu) أن هذا كان على الأرجح السبب وراء تعرض العديد من المباني في تركيا لأضرار بالغة أو انهيار تام.
يمكن أن تلعب الأخطاء البشرية أيضًا دورًا في عدم مقاومة المباني للزلازل وانهيارها. قد تتراوح بين انجاز بناء بأسرع وأرخص طريقة بشكل عمدي بقصد الربح وبين أخطاء بريئة يمكن أن تحدث في مراحل مختلفة في عملية التصميم أو البناء – ولا يتم الكشف عن ذلك ما لم يحدث شيء كبير، كزلزال هائل.
مصادر من داخل وخارج النص:
1- https://ar.wikipedia.org/wiki/فالق
2- https://ar.wikipedia.org/wiki/شد
3 https://www.scientificamerican.com/article/why-the-earthquake-in-turkey-was-so-damaging-and-deadly/
4- https://www.scientificamerican.com/article/can-we-predict-earthquakes-at-all1/
5- https://ar.wikipedia.org/wiki/تربة
6- https://ar.wikipedia.org/wiki/انضغاط_(فيزياء)
7- https://ar.wikipedia.org/wiki/حديد_تسليحالمصدر
