التصنيف: هندسة

هل يجب أن نتخلّى عن تصميم المباني المقاومة للزلازل؟ أم يجب أن نصممها؛ بحيث لا يحدث ضرر في أثناء الزلازل القوية؟ من الواضح أن النهج الأول يمكن أن يؤدي إلى كارثة كبيرة، والنهج الثاني مكلف للغاية. وبالتالي، يجب أن تقع فلسفة التصميم الزلزالي في مكان ما بين هاتين الحالتين. [1]

فلسفة التصميم الزلزالي

يمكن تلخيصها كالآتي:

1. عند الاهتزاز الطفيف، يجب ألّا تتضرر العناصر الرئيسية للمبنى؛ والتي تحمل قوىً شاقولية وأفقية، أما أجزاء المبنى غير الحاملة؛ فقد تتعرض لأضرار يمكن إصلاحها.
2. وعند الاهتزاز المتوسط، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار يمكن إصلاحها، أما الأجزاء الأخرى للمبنى فقد تتضرر لدرجة أنه قد يتعين استبدالها بعد الزلزال.
3. وعند الاهتزاز القوي، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار شديدة (لا يمكن إصلاحها حتى)، ولكن يجب ألّا ينهار المبنى.

فبعد الاهتزاز الطفيف، سيعمل المبنى بكل قوته خلال زمن قصير، وستكون تكاليف الإصلاح قليلة. وبعد اهتزاز متوسط، سيعمل المبنى بمجرد الانتهاء من إصلاح وتقوية العناصر الرئيسية المتضررة. أما بعد حدوث زلزال قوي، فقد يصبح المبنى معطلًا غير قابل للاستخدام مرة أخرى، ولكنه يجب أن يبقى قائمًا حتى يمكن إجلاء الأشخاص واستعادة الممتلكات.

يجب أخذ عواقب الضرر في الحسبان في فلسفة التصميم الزلزالي. على سبيل المثال؛ تلعب المباني المهمة مثل المستشفيات ومحطات الإطفاء، دورًا مهمًا في أنشطة ما بعد الزلزال، ويجب أن تعمل فور حدوثه. يجب ألّا تتعرض هذه المنشآت إلّا لأضرار قليلة جدًا، وأن تصمّم لتوفير مستوى حماية أعلى ضد الزلازل. يمكن أن يسبب انهيار السدود في أثناء الزلازل حدوث فيضانات، يمكن أن تكون بذاتها كارثة ثانوية. لذلك، يجب تصميم السدود (وبالمثل، محطات الطاقة النووية) لأجل مستويات كبيرة من الحركة الزلزالية. [1]

لا مفرّ من الأضرار الزلزالية

يتضمن تصميم المباني لمقاومة الزلازل التحكم في مستويات مقبولة من الأضرار والتكلفة. تحدث أنواع مختلفة من الأضرار –تظهر بشكل رئيسي من خلال التشققات؛ خاصة في المباني الخرسانية والحجرية- في أثناء الزلازل. بعض هذه الشقوق مقبول (من حيث الحجم والموقع)، أما بعضها الآخر فغير مقبول. على سبيل المثال؛ في مبنى إطاري من الخرسانة المسلحة ذي جدران حجرية بين الأعمدة، تكون الشقوق بين الأعمدة والجدران الحجرية مقبولة، لكن الشقوق القطرية التي تمر عبر الأعمدة غير مقبولة.

لذلك، يهتم التصميم المقاوم للزلازل بضمان كون الأضرار الزلزالية من النوع المقبول، وكذلك أنها تحدث في الأماكن الصحيحة وبالكميات المناسبة. يشبه هذا النهج كثيرًا استخدام «الصمامات الكهربائية-Fuses» في المنازل؛ فلحماية الأسلاك والأجهزة الكهربائية بالكامل في المنزل، فإنك تضحّي ببعض الأجزاء الصغيرة من الدارة الكهربائية، والتي تسمى الصمامات. تستبدل هذه الصمامات بسهولة بعد زيادة التيار الكهربائي. وكذلك، لإنقاذ المبنى من الانهيار، فإنك ستسمح لبعض الأجزاء المحددة مسبقًا بالخضوع لنوعٍ ومستوى مقبولٍ من الضرر. [1]

المطاوعة

لنأخذ قضيبَين بنفس الطول ونفس المقطع العرضي، أحدهما مصنوع من مادة «مطاوعة-Ductile» والآخر من مادة «هشة-Brittle». الآن، شدّهما حتى ينكسرا! ستلاحظ أن القضيب المطاوع يستطيل بمقدار كبير قبل أن ينكسر، بينما ينكسر القضيب الهش فجأةً عند الوصول إلى مقاومته القصوى مع استطالة صغيرة نسبيًا. بالنسبة للمواد المستخدمة في التشييد؛ يعتبر الفولاذ مطاوعًا، أما حجر البناء والخرسانة مادتان هشتان. [2]

يعرّف المهندسون الخاصة التي تسمح للمادة بالانحناء للخلف والأمام بمقدار كبير، بـ«المطاوعة-Ductility». يجب تحديد الأشكال المقبولة للضرر والسلوك المرغوب للبناء في أثناء الزلزال. كما يجب تصميم وتشييد «المباني المقاومة للزلازل-Earthquake-Resistant Buildings»، ولا سيما عناصرها الرئيسية، لتكون مطاوِعةً. تتمتع هذه المباني بالقدرة على التأرجح ذهابًا وإيابًا في أثناء الزلزال، ومقاومة تأثيراته مع بعض الأضرار، ولكن دون الانهيار. تعتبر المطاوعة من أهم العوامل المؤثرة في أداء المبنى. وبالتالي، يسعى التصميم المقاوم للزلازل إلى التحديد المسبق للمواقع التي يحدث الضرر فيها، ثم تقديم تفاصيل تصميمية جيدة في هذه المواقع لضمان سلوكٍ مطاوِعٍ للمبنى. [1]

تصميم الأبنية لمقاومة الزلازل

تنتقل قوى العطالة الزلزالية المتولدة عند مستويات أرضيات الطوابق عبر الجيزان والأعمدة المختلفة إلى الأرض. يجب أن تكون مكونات البناء الصحيحة مطاوِعةً. يمكن أن يؤثر «فشل أو انهيار-Failure» العمود على استقرار المبنى بأكمله، أما فشل الجائز فيسبب تأثيرًا موضعيًا. لذلك، من الأفضل تصميم الجيزان لتكون حلقاتٍ مطاوِعةً أضعف من الأعمدة (يمكن تحقيق ذلك بتحديد الحجم المناسب للعناصر، وتزويدها بالكمية المناسبة من فولاذ التسليح). تسمى هذه الطريقة في تصميم المباني الخرسانية المسلحة؛ طريقة العمود القوي والجائز الضعيف. [2]

المصادر

[1] What is the Seismic Design Philosophy for Buildings?

[2] How to make Buildings ductile for Good Seismic Performance?

تكمن قدرة الروبوتات على الحركة وأداء المهام في المحركات الخاصة بها، فبدون هذه المحركات لا يمكن أن يسمّى الروبوت ذكياً. عن طريق المحركات يمكننا فتح الصمامات وإغلاقها، وتحريك عجلات روبوت أو إدارة أذرعه. يوجد العديد من أنواع المحركات التي تستخدم مع الروبوتات والتي تختلف من روبوت لآخر حسب بعض معايير التصميم، مثل خصائص الدقة والتكلفة ومتطلبات عزم الدوران والتسارع.

• المحركات الكهربائية

من أهم أنواع المحركات هي المحركات الكهربائية وهي أجهزة كهروميكانيكية تنتج الحركة عن طريق تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. هذه المحركات هي الخيار المفضل في الروبوتات، ويرجع ذلك إلى عدة أسباب:

1. الكهرباء مصدر إمداد متاح على نطاق واسع.

2. مناسبة لجميع أحجام الروبوت.

3. مدمجة وخفيفة الوزن، بالإضافة إلى أنها تتميز بنسبة تحويل طاقة كبيرة ودقة ممتازة.

4. أنظمة التشغيل الكهربائية قوية وسهلة الصيانة. [1]

أشهر أنواع المحركات الكهربائية وأكثرها استخدام

1. محرك التيار المستمر dc motor

له عدة أشكال، ويمتاز محرك التيار المستمر بالتكلفة القليلة والأداء الجيد وسهولة التحكم في سرعة المحرك. كما يمتاز بالقدرة على التحكم في سرعة الدوران باستخدام تقنية PWM (تعديل عرض النبضة). إذ يحوّل محرك DC الطاقة الكهربائية الحالية المباشرة إلى طاقة ميكانيكية وتعمل محركات التيار المستمر بشكل جيد في الروبوتات لأنها تسمح للروبوت بأن يعمل بالبطارية، مما يوفر مزايا رائعة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الروبوتية، وخاصة الروبوتات المتنقلة.[2]

2. محرك السيرفو servo motor

السيرفو عبارة عن محرك يمكنه الدوران بزاوية محددة من خلال برمجته مسبقا عبر الأردوينو أو أي متحكم. يستخدم السيرفو في العديد من التطبيقات الصناعية الصغيرة والكبيرة منها. ويمكن استخدام هذا المحرك لتشغيل سيارات الألعاب التي يتم التحكم فيها عن بُعد، والروبوتات والطائرات، وخطوط الانتاج، والصناعات الغذائية. لهذه المحركات فوائد عديدة في التطبيقات الروبوتية، فهي صغيرة وقوية وسهلة البرمجة ودقيقة. علاوة على أنها تسمح بتكرار الحركة شبه التام. غالباً ما يتم استخدامها في الأذرع الروبوتية والتطبيقات التي تحتاج دقة في العمل.[3]

3. المحرك الخطوي stepper motor

تختلف هذه المحركات بعض الشيء عن محركات التيار المستمر سواء في التطبيق أو التركيب على الرغم من اعتماد فكرة عمل كليهما على الفيض المغناطيسي المتولد في الملفات. و رغم ما يشوب هذا النوع من المحركات من صعوبة استخدام وعدم توفرها وارتفاع تكلفتها؛ فإنها تتمتع بالعديد من المميزات التي تتطلبها الروبوتات ومن ذلك: – استجابة سريعة لبدء التشغيل والتوقف وعكس اتجاه الحركة. – الدقة العالية في الحركة والقدرة التكرارية، حيث تتراوح دقتها بين 3- 5% من الخطوة وهو خطأ غير تراكمي من خطوة إلى أخرى. – توفر مدى كبير من السرعات الدورانية حيث تتناسب السرعة مع تردد نبضات الدخل.[4]

إضافةً إلى المحركات المذكورة هناك الكثير من المحركات الممكن استخدامها في صناعة الروبوتات ولكن المحركات الثلاثة السابقة هي الأشهر الأكثر وفرة.

المصادر:

1-rozum.com

2-Electronics tutorials

3-sciencebuddies.com

4-Sciencedirect.com

التصميم الميكانيكي هو عملية تتضمن تصميم آلة جديدة تمامًا أو تحسين وظيفة آلة سابقة. والجزء التصميمي هو أهم وأول جزء في عملية تصنيع وإنتاج أي آلة، ويتم عن طريق تصميم الأجزاء أو القطع أو المنتجات ذات الطبيعة الميكانيكية مثال: تصميم عناصر الآلية المختلفة كالأعمدة أو القوابض أو المسننات.

معايير التصميم الميكانيكي

يوجد العديد من المعايير في عملية التصميم الميكانيكي، إذ يجب صياغة مشكلة التصميم ببيانات واضحة وكاملة للوظائف والمواصفات. ويتم ذلك عن طريق الخطوات التالية:
أولًا: تحديد الوظائف المطلوبة من المنتج والتي يمكن له تنفيذها.
تتمثل مثلًا: وظيفة الشاحن النموذجية في شحن الطاقة للإلكترونيات، وتتمثل وظيفة المكنسة الكهربائية في تنظيف الأرضيات، وهناك العديد من الأمثلة الأخرى.
ثانيًا: تحديد المواصفات والمتطلبات بدقة. حيث يجب تحديد مواصفات المنتج من حيث الحجم أو الوزن أو الدقة أوحجم العمل المطلوب أو السرعة أو سعة الحمولة.
ثالثًا: معايير التقييم، وهي بيانات الخصائص أو النوعية المرغوبة المحددة من قبل العميل، ويتم التعامل معها كأهداف في التصميم. إذ يقلل تعيين معايير التصميم من عيوبه المحتملة.
على الرغم من أن المواصفات والمعايير تختلف من تصميم منتج إلى آخر؛ إلا أن بعض المعايير الشائعة تنطبق على أي أنظمة ميكانيكية. تشمل هذه المعايير قدرة التحميل والتشوه والاستقرار والمتانة [1].

أقسام التصميم الرئيسية

1. قسم تطوير المنتج:
   يركز هذا القسم على شكل المنتج العام ويعمل على إنشاء رسم يدوي لشكل المنتج أو التصميم المطلوب من العميل.وينتهي العمل في هذا القسم بعد إنشاء نموذج أولي مستوفٍ للعناصر الرئيسية.
2. قسم التصميم:
   يعمل هذا القسم على إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد انطلاقًا من الرسم ثنائي الأبعاد الذي تم رسمه مسبقًا.
3. قسم التحليل:
   في هذه المرحلة يتم التحقق من إمكانيات وأساسيات التصميم. فيحول ويعالج ملف التصميم المعطى من خلال تحليل العناصر، والتأكد من صحة التصميم وكيفية عمله كي لا يفشل التصميم عند تنفيذه على أرض الواقع[2].

مهارات يجب أن يكتسبها مهندسي التصميم الميكانيكي

1-الاهتمام بأدوات التصميم بمساعدة الحاسوب والمحاكاة

يجب على المهندس أن يركز على تعلم بعض الأدوات المتعلقة بـ CAD، مثل CATIA V5 و Solidworks و Autocad وما إلى ذلك. يستطيع استثمار الأموال في برامج التعلم ومحاولة الحصول على شهادات لها . يمكنه حتى محاولة القيام بمشاريع صغيرة باستخدام برامج CAD والتحليل. إذا كان بإمكانه تعلم أي أداة تحليل ومحاكاة مثل Ansys و Matlab فستكون مفيدة للغاية.

2-معرفة المواد

يجب أن يدرك المصمم جيدًا خصائص المواد وتطبيقاتها. ويجب أن يعرف أيضًا أن العمليات تكمن في المعالجة الحرارية، وطلاء المسحوق على المادة.

3. الرسم الصناعي ومعاييره

يجب أن يكون مصمم الآلة على دراية جيدة بالتفاوتات الهندسية والملاءمة والحدود. لأن أي تفصيل خاطئ يسبب تغييرًا كبيرًا في دقة عمل الآلية.

4-معرفة الميكاترونكس

غالبًا ما يتعاملالمهندسون الذين يحرصون على التخصص في الميكاترونكس مع هندسة أنظمة التحكم. ولتصميم نظام التحكم، يحتاج المرء إلى أن يكون على دراية جيدة بـ MATLAB / Simulink. لأنه سيساعد أثناء محاكاة حركة الهيكل الخارجي للآلة باستخدام إشارة مرجعية.

5-إتقان الرياضيات

إذا كان المصمم يعمل في مجال CAE، يجب أن يتقن الرياضيات المستخدمة في البرنامج بحيث يكون لديه ميزة إضافية عن مجرد تشغيل البرنامج.

6. الإبداع

تشمل الهندسة الميكانيكية إنشاء وتصميم المنتجات التي تمتد من البطاريات إلى المولدات الكهربائية إلى الأدوات الطبية. ويتضمن اختراع المنتجات قدرًا كبيرًا من الخيال والإبداع.

7-التحسين

يجب أن يتعلم المصمم كيفية التحسين، فقد يحتاج إلى تقليل الوقت والمال وكذلك تقليل الهدر.

8-الجمالية وبيئة العمل

يجب أن يؤخذ في عين الاعتبار ما إذا كانت أولوية التصميم أن يبدو جماليًا ، أي أن المنتج يجب أن يكون قابلاً للتسويق .[3]

مميزات التصميم الميكانيكي

• من الممكن تحليل التصميم بكل سهولة وإجراء أي تغييرات في وقت قصير وبدون خسارة مادية.
• يمكن للعديد من الأشخاص العمل معًا على فكرة واحدة.
• التصميم الميكانيكي يوضح بشكل كامل حركة الآلية ويساعد المصممين على تصحيح أي خطأ.
• يمكن للعملاء أو المعنيين فحص التصميم المطلوب قبل تنفيذه.

مجالات التصميم الميكانيكي

1. ميكانيك الموائع الطبية والهندسية.
2. أنظمة المركبات الأرضية.
3. نقل الحرارة والديناميكا الحرارية.
4. أنظمة الطاقة.
5. أنظمة النقل.
6. التحكم ومراقبة الجودة.

يعتبر التصميم الميكانيكي مجالًا مطلوبًا في عدد كبير من الصناعات مثل صناعة السيارات، وهو مطلوب أيضا في المعامل ومجال الفضاء فكل هذه الأماكن تحتاج لمهندس ميكانيكي يقوم بتصميم المكونات والأنظمة فيها.
مثلاً: تحتوي الطائرة أو السيارة أو القمر الصناعي على آلاف المكونات التي تشكل الأنظمة الفرعية وفي النهاية تشكل النظام الكامل. [4]

المصادر :

1. Sciencedirect.com
2. Learnmech.com
3. Learnmech.com
4. Mtech.edu

تدفع الرغبةُ في إنشاء مبنىً جميلٍ وفعّالٍ وظيفيًّا المهندسين المعماريّين لتصوّر منشآت رائعة وخياليّة. أحيانًا، يلفتُ شكل المبنى انتباه الزائر، وأحيانًا يلفته «النظام الإنشائي-Structural System»، وفي حالاتٍ أخرى يعمل كلٌّ من الشكل والنظام الإنشائيّ معًا لجعل المُنشأ أعجوبةً.
إنّ لكلٍّ من خيارات الشكل والنظام الإنشائيّ هذه؛ تأثيرًا كبيرًا على الأداء الزلزالي للمنشآت أثناء الزلازل القويّة. وتعدّ المجموعة الواسعة من الأضرار الإنشائيّة الملاحَظَة أثناء الزلازل الماضية في جميع أنحاء العالم؛ مفيدةً للغاية في تحديد التصاميم الإنشائيّة المرغوبة، وتلك التي يجب تجنّبها. [1]

قياسات المُنشأة

يكون الأداء الزلزالي للمنشآت التالية سيّئًا:

في المباني الشاهقة ذات نسبة (الارتفاع إلى مساحة القاعدة) الكبيرة، تكون الحركة الأفقيّة للطوابق أثناء اهتزاز الأرض كبيرة. (الشكل 1a). وفي المباني قصيرة الارتفاع ذات الامتداد الأفقيّ الطويل، تكون الأضرار أثناء اهتزاز الزلزال كثيرة؛ (الشكل 1b). وفي المباني ذات المساحة الكبيرة كالمستودعات، يمكن أن تكون القوى الزلزاليّة الأفقيّة كبيرةً جدًّا بحيث لا تستطيع الأعمدة والجدران تحمّلها؛ (الشكل 1c). [1]

التخطيط الأفقيّ للمنشأة

بشكلٍ عام، كان الأداء الزلزالي للمنشآت ذات الشكل الهندسي البسيط جيّدًا أثناء الزلازل القويّة؛ (الشكل 2a). أمّا المباني ذات الزوايا (أي التي يكون مسقطها الأفقيّ بشكل U, V, H أو+)؛ فقد تعرّضت لأضرار كبيرة؛ (الشكل 2b). كثيرًا ما نتجنّب التأثيرات السيّئة لهذه الزوايا الداخليّة في المساقط الأفقيّة للمباني بتقسيم المبنى إلى قسمين (كتلتين). على سبيل المثال، يمكن تقسيم المخطّط ذي الشكل L إلى مستطيلَين بفصلهما عند موضع التقاطع (الشكل 2c). غالبًا ما يكون المخطّط بسيطًا، لكنّ الأعمدة و/أو الجدران غير موزّعة بشكل مناسب. تميل هذه المنشآت إلى «الالتواء-Twisting» (الدوران حول المحور الشاقوليّ Z) أثناء اهتزاز الزلزال. [1]

التخطيط الشاقوليّ للمنشأة

تحتاج القوى الزلزاليّة التي تطوّرت في مستويات طوابق مختلفة أن تنزل إلى الأرض بأقصر مسار. يؤدّي أيّ انحراف أو «انقطاع-Discontinuity» في مسار نقل الحمولة هذا؛ إلى ضعف أداء المبنى. وتسبّب المباني ذات الانتكاسات الشاقوليّة (مثل مباني الفنادق ذات الطوابق القليلة الأعرض من البقيّة) قفزةً مفاجئة في قوى الزلازل عند مستوى الانقطاع؛ (الشكل 3a).

تميل المباني التي تحتوي على عدد قليل من الأعمدة أو الجدران في طابق محدّد أو ذات طوابق عالية بشكل غير عادي -كالأبنية ذات الطوابق الأرضيّة المخصّصة لوقوف السيارات- إلى الانهيار بدءًا من ذلك الطابق؛ (الشكل 3b).

أما المباني على «الأرض المنحدرة-Slopy Ground» فلها ارتفاعٌ غير متساوٍ للأعمدة على طول المنحدر. يسبّب هذا الارتفاع غير المتساوي تأثيرات سيّئة مثل الانفتال والتضرّر في الأعمدة القصيرة؛ (الشكل 3c). وللمباني ذات الأعمدة المستندة على جيزان في طابق متوسّط، ولا تصل إلى الأساس، انقطاعاتٌ في مسار نقل الحمولة؛ (الشكل 3d).

تمتلك بعض المباني جدران خرسانيّة مسلّحة لنقل حمولات الزلزال إلى الأساس. والمباني التي لا تصل فيها هذه الجدران إلى الأرض، وتتوقّف عند مستوى أعلى؛ معرّضة للتضرّر الشديد أثناء الزلازل؛ (الشكل e3). [1]

تجاور المنشآت

عند وجود مبنيَين قريبَين جدًّا من بعضهما، فقد يصدمان بعضهما البعض أثناء الاهتزاز الشديد. ومع زيادة ارتفاع المبنى، يمكن أن يكون هذا الاصطدام مشكلةً أكبر. عندما لا يتطابق ارتفاعا المبنيَين (الشكل 4)، فقد يصدم سقف المبنى الأقصر أحد أعمدة المبنى الأطول في منتصفه؛ يمكن ان يكون هذا خطيرًا جدًّا. [1]

الفتل في المنشآت

يطلق المهندسون الإنشائيّون على الالتواء (الالتفاف) في المباني اسم «الفتل-Torsion». إذ يحرّك الفتل أجزاءً مختلفة في نفس مستوى الطابق أفقيًّا بقيم مختلفة. يؤدّي هذا التحريك إلى مزيد من الضرر في «الإطارات-Frames» (وهي جملة الأعمدة والجيزان) والجدران في الجانب الذي يتحرّك أكثر.

تأثّرت العديد من المباني بشدّة من هذا السلوك الالتوائيّ المفرط أثناء الزلازل الماضية. لذلك، من الأفضل تقليل هذا الالتواء (إن لم نتمكّن من تجنّبه تمامًا)؛ بضمان تناظر المباني في المسقط (أي توزيع الكتلة والنظام الإنشائيّ المقاوم للحمولات الجانبيّة، بانتظام). إذا تعذّر تجنّب هذا الالتواء، فيجب إجراء حسابات خاصّة لقوى القصّ الإضافيّة عند تصميم المباني. ولكن بالتأكيد، سيكون أداء المباني ذات الالتواءات سيّئًا أثناء الاهتزاز القويّ للزلزال. [2]

المصادر
[1] How Architectural Features affect Buildings during Earthquakes?
[2] How Buildings twist during Earthquakes?

عندما تنطلق الحافلة فجأةً، تتحرّك قدماك معها، لكنّ الجزء العلويّ من جسمك يميل للبقاء في موضعه الأصليّ -أي في موضعه قبل الانطلاق- ممّا يجعلك تسقط للوراء. تُعرَف هذه النزعة للاستمرار في البقاء في الوضع السابق بـ«العطالة أو القصور الذاتيّ-Inertia». إنّ ذلك الموقف الذي تواجهه في الحافلة يشبه كثيرًا ما تتعرّض له المنشآت عند حدوث الزلازل. فما هي قوى العطالة الزلزاليّة وأثر الزلازل في المنشآت؟

قوى العطالة في المنشآت

يسبّب الزلزال اهتزاز الأرض، فتتعرّض المنشآت لحركة في أساساتها. ومن القانون الأوّل لنيوتن في الحركة، يميل «سقف-Roof» المُنشأة للبقاء في موضعه الأصليّ، على الرغم من أنّ أساساته تتحرّك مع الأرض. ولكن بما أنّ الجدران والأعمدة متّصلة بالسقف، فإنّها تسحبه معها عندما تتحرّك. ونظرًا لكونها «مرنة-Flexible»، فإنّ حركة السقف تختلف عن حركة الأرض.

بالعودة إلى مثال وقوفك في الحافلة؛ عندما تنطلق الحافلة فجأةً، فإنّك تُدفَع للوراء. كما لو أنّ أحدًا طبّق قوّة على الجزء العلويّ من جسمك. وبالمِثل، عندما تتحرّك الأرض، يُدفَع المبنى للوراء، ويخضع السقف لقوّة تُسمّى قوّة العطالة.

إذا كان للسقف «الكتلة-(m) Mass» وتعرّض لـ«تسارع-(a) Acceleration»، تكون قوّة العطالة F_I المؤثّرة فيه مساوية لحاصل ضرب الكتلة في التسارع؛ وذلك وفق القانون الثاني لنيوتن في الحركة. ويكون اتّجاه تلك القوة معاكسًا لاتّجاه التسارع.

من الواضح أنّ الزيادة في الكتلة تعني زيادةً في قوّة العطالة. ولذلك، تتحمّل الأبنيةُ الأخفّ اهتزازَ الزلازل بشكل أفضل.

تأثير التشوّهات في المنشآت

تنتقل قوى العطالة المؤثّرة في السقف إلى الأرض عبر الأعمدة، ممّا يسبّب تولّد قوىً داخليّةً فيها. تخضع الأعمدة أثناء الزلزال لـ«حركة نسبيّة-Relative Movement» بين نهاياتها، وهي الانتقال u بين السقف والأرض. ولكنّها قد تُظهِر نزعةً للعودة إلى وضعها الرأسيّ المستقيم؛ أي أنّها تقاوم «التشوّهات-Deformations».

لا تحمل الأعمدة قوىً زلزاليّة أفقيّة في الوضع الرأسيّ المستقيم. ولكن عندما تُجبَر على الانحناء، فإنّها تطوّر «قوى داخليّة-Internal Forces». وتزداد هذه القوى الداخليّة بزيادة «الإزاحة-Displacement» الأفقيّة النسبيّة u بين نهايَتَي العمود. كما تزداد بزيادة صلابة العمود (أي كلما زاد حجمه). ولذلك، تسمّى هذه القوى بـ«قوى الصلابة-Stiffness Forces»، وهي تساوي حاصل ضرب صلابة العمود في الإزاحة النسبيّة بين نهايتَيه u.

الاهتزاز الأفقيّ والرأسيّ

يسبّب الزلزال اهتزازًا أرضيًا في الاتّجاهات الثلاثة (X,Y,Z) عشوائيًّا ذهابًا وإيابًا. تُصمّم كلّ المنشآت بشكلٍ أساسيّ لتحمل «حمولات الجاذبيّة-Gravity Loads». أي أنّها مُصمّمَة لتحمل قوّة مساوية للكتلة m (وتتضمّن: كتلة البناء ذاته، بالإضافة إلى كتلة الحمولات المفروضة عليه كالسكّان والأثاث وغيرها) مضروبةً في تسارع الجاذبيّة الأرضيّة g. إنّ التسارع الرأسيّ أثناء اهتزاز الأرض، إمّا أن يزيد من تسارع الجاذبيّة الأرضيّة أو يُنقِصَه. وبسبب استخدام عوامل الأمان في تصميم المنشآت لمقاومة حمولات الجاذبيّة (الحمولات الشاقوليّة)، تكون معظم المنشآت مناسِبةً لمقاومة الاهتزاز الرأسيّ. لكنّها -بشكلٍ عامّ- قد لا تكون قادرةً على تحمّل تأثيرات الاهتزازات الزلزاليّة الأفقيّة بأمان. لذلك، من الضروريّ ضمان كفاية المنشآت ضدّ التأثيرات الأفقيّة.

تدفّق قوى العطالة إلى أساسات المُنشأ

تتولّد قوى العطالة الأفقيّة في مستوى كتلة المُنشأة (تتوضّع هذه الكتلة عادةً عند مستويات أرضيّات الطوابق). تُنقَل قوى العطالة الجانبيّة بواسطة «بلاطة-Slab» الطابق إلى الجدران (إذ قد تكون الجدران مبنيّة من الخرسانة المسلّحة) أو الأعمدة، ثمّ إلى «الأساسات-Foundations»، وأخيرًا إلى «نظام التربة-Soil System» الذي يتموضع المبنى فوقه. ولذلك، يجب تصميم كلٍّ من هذه «العناصر الإنشائيّة-Structural Elements» و«الوصلات-Connections» بينها؛ بطريقة تساعد على نقل قوى العطالة عبرها بأمان.

تُعَدّ الجدران أو الأعمدة أهمّ العناصر في نقل قوى العطالة. ولكن في البناء التقليديّ، تلقى البلاطات و«الجيزان أو العوارض-Beams» اهتمامًا أكثر من الأعمدة والجدران أثناء التصميم والتشييد. هذا ما يؤدّي إلى نتائج كارثيّة عند حدوث زلزال، فالجدران عناصر رقيقة نسبيًّا، وضعيفة في مقاومة قوى العطالة الزلزاليّة الأفقيّة وفق اتّجاهها العرضيّ (أي وفق اتّجاه سماكتها). كما أنّ «الأعمدة الخرسانيّة المسلّحة-Reinforced Concrete Columns» المُصمّمَة والمبنيّة بشكلٍ سيّئ تكون خطيرةً جدًّا.

المصدر

Nicee.org: What are the Seismic Effects on Structures?

يكمن الفرق بين مقياس ريختر ومقياس ميركالي المُعدّل في أنّ مقياس ريختر يُستخدَم لتحديد مقدار الزلزال، أمّا مقياس ميركالي المعدّل فيُستخدَم لتحديد شدّة الزلزال. فما هذان المقياسان؟ وما الفرق بين مقدار الزلزال وشدّته؟

مقدار الزلزال

• «مقدار أو قدر-Magnitude» الزلزال هو مقياسٌ كمّيّ للحجم الفعليّ للزلزال. لاحظ البروفيسور «تشارلز ريختر-Charles Richter» أنّ:

1. عند المسافة ذاتها من المركز السطحيّ للزلزال، تزداد «السعة الموجيّة-Wave Amplitude» لمخطّطات الاهتزاز الأرضيّ للزلازل الأكبر عنها في حالة الزلازل الأصغر.
2. بالنسبة لزلزال ما، تكون السعة الموجية للسجلّات الزلزالية عند مسافات أبعد أصغر منها عند مسافات أقرب.

دفع ذلك تشارلز ريختر إلى اقتراح مقياس مقدار الزلازل والمعروف باسمه؛ «مقياس ريختر-Richter Scale». ونحصل عليه من سجلّات أجهزة السيسموجراف. يتضمّن مقياس ريختر قياس سعة أكبر موجة مسجّلة على مسافة محدّدة من الزلزال تُسمّى «المسافة المركزية-Epicentral Distance». والمسافة المركزية هي المسافة من المركز السطحيّ للزلزال إلى النقطة المعتبرة من سطح الأرض. ويُسمّى هذا المقياس أيضًا «مقياس المقدار المحلّيّ-Local Magnitude Scale».

تشير زيادة قدر الزلزال (M) بمقدار 1 في مقياس ريختر إلى سعة موجة أكبر بـ 10 مرّات وإطلاق طاقة أكبر بحوالي 31 مرّة. على سبيل المثال؛ الطاقة المنبعثة من زلزال M7.7 أكبر بحوالي 31 مرّة من تلك المنبعثة من زلزال M6.7، وأكبر بحوالي 31×31=961 مرّة من تلك المنبعثة من زلزال M5.7.

القياس الأفضل لحجم الزلزال هو كمّيّة الطاقة المنبعثة منه. وقد أعطى ريختر العلاقة التالية لتقديرها:

حيث: E هي الطاقة المنبعثة مقدّرةً بوحدة erg، وM هو مقدار الزلزال (قدر ريختر).

كي نفهم الأمر بصورة أبسط، إنّ الطاقة المنبعثة من زلزال مقداره M6.3 مساوية للطاقة التي أُطلِقَت من القنبلة الذرّيّة الملقاة على «هيروشيما -Hiroshima» عام 1945 م. ولحسن الحظّ، يصرَف معظم تلك الطاقة في هيئة حرارة وفي تكسير الصخور. ولا يذهب إلّا جزء صغير منها إلى الموجات الزلزاليّة التي تنتقل مسافات كبيرة مسبّبة اهتزاز الأرض وتضرّر المنشآت. [1] [2]

متوسط حدوث الزلازل عالميًّا

• إنّ مقاييس مقدار الزلازل غير محدودة بحدٍّ أعلى أو أدنى. [1] [2]

شِدّة الزلزال

هي مقياس نوعيّ للاهتزاز الفعليّ في موقع ما أثناء الزلزال، وتحدَّد بالأرقام الرومانية. وتوجد عدّة مقاييس للشدّة، وأكثرها شيوعًا «مقياس ميركالي المُعدّل-Modified Mercalli Intensity (MMI) Scale». يتراوح مقياس ميركالي المُعدل بين الدرجة I (لا يشعر الناس بأي حركة أرضيّة) والدرجة XII (حالة دمار شامل). وتعتمد مقاييس الشدّة على ثلاث سمات للاهتزاز: إحساس البشر والحيوانات به، وأداء المباني والمنشآت، والتغيّرات في البيئة المحيطة الطبيعيّة. إذ يطبَّق مقياس ميركالي المُعدّل بعد حدوث الزلزال بإجراء مسح للدمار، ولاستجابة الناس لشدّة اهتزاز الأرض. [1] [2]

الفرق الأساسيّ بين مقدار الزلزال وشدّة الزلزال أو الفرق بين مقياس ريختر ومقياس ميركالي المُعدّل

مقدار الزلزال مقياسٌ لحجمه. على سبيل المثال؛ يمكن قياس حجم الزلزال بكمّيّة طاقة التشوّه المنبعثة نتيجة انكسار الفالق. هذا يعني أنّ لمقدار زلزال ما قيمة واحدة. من ناحية أُخرى، تعتبر الشدّة مؤشّرًا لشّدة الاهتزاز المتولّد في موقع ما. من الواضح أنّ شدّة الاهتزاز بالقرب من المركز السطحيّ للزلزال أكبر بكثير منها في المواقع الأبعد. وبالتالي؛ أثناء نفس الزلزال ذي المقدار المعيَّن، تتعرّض مواقع مختلفة لمستويات مختلفة من الشدّة.

ولتوضيح هذا الفرق، نشبّه الزلزال بالمصباح الكهربائيّ. تكون الإضاءة في مكان قريب من مصباح 100 واط أشدّ منها في مكان بعيد عنه. بينما يطلق المصباح 100 واط من الطاقة، فإنّ شدّة الإضاءة في موقع ما تعتمد على القوّة الكهربائيّة للمصباح وبعدها عنه. حجم المصباح (100 واط) يشبه مقدار الزلزال، والإضاءة في مكان ما تشبه شدّة الاهتزاز في ذلك الموقع. [1]

المقدار والشدّة في التصميم الزلزاليّ

تصمَّم الأبنية والمنشآت لمقاومة مستويات معيّنة من شدّة الاهتزاز وليس اعتمادًا على مقدار الزلزال. ويعدّ «التسارع الأرضيّ الأعظميّ–Peak Ground Acceleration (PGA)» طريقة لتحديد شدّة اهتزاز الأرض. وهو التسارع الأعظميّ الذي تتعرّض له الأرض أثناء الاهتزاز.

وتتوفّر العلاقات التجريبيّة التقريبيّة بين شدّات مقياس ميركالي المُعدّل والتسارعات PGA التي يُحتمل التعرّض لها. وتُعطى PGA كنسبة من تسارع الجاذبيّة الأرضيّة g.

اعتمادًا على بيانات زلازل سابقة، قدّم العالمان «جوتنبرج-Gutenberg» وريختر علاقةً تقريبيّة بين المقدار المحلّي للزلزال M_L والشدّة I₀ عند منطقة المركز السطحيّ له.

ولاستخدام المعادلة السابقة تُستبدَل الأرقام الرومانيّة الدالّة على الشدّة بمقابلاتها من الأرقام العربيّة. [1]

المصادر
NICEE.org: What are Magnitude and Intensity? [1]

[2] Earthquakes: Causes and Measurements

مقدمة عن الموجات الزلزالية وكيفية قياسها بالسيسموجراف

أثناء الزلزال، تنتقل طاقة التشوّه الكبيرة المنطلقة في كلّ الاتّجاهات عبر طبقات الأرض في هيئة موجات زلزاليّة، منعكسةً ومنكسرةً عند كل سطح بينيّ. وتُسجّل تلك الموجات بواسطة جهاز يُسمّى «السيزموجراف-Seismograph».
[1]
فما أنواع هذه الموجات؟ وكيف يحدّد المركز السطحيّ للزلزال اعتمادًا على تسجيلات محطّات الرصد؟

أنواع الموجات الزلزالية

1- «موجات مرنة-Body Waves»

تنطلق من البؤرة، وتنتقل في كل الاتجاهات عبر جسم الأرض. وهي نوعان:

• «موجات رئيسية-Primary Waves» أو P-waves: تخضع جسيمات المادّة -التي تنتقل هذه الموجات عبرها- لتشوّهات انضغاطية وتمدّدية وفق منحى انتقال الطاقة. وتعتمد سرعتها على خصائص مرونة المادّة من صلابة وكثافة وسهولة انضغاط. والموجات الرئيسية هي أسرع أنواع الموجات الزلزالية، لذلك تصل إلى أجهزة تسجيل الزلازل أوّلًا.
• «موجات ثانوية-Secondary Waves» أو S-waves: وتسمّى أيضًا موجات القصّ. تهتزّ جسيمات المادة -في هذه الحالة- باتجاه عمودي على منحى انتقال الطاقة. تعتمد سرعتها على صلابة وكثافة المادة فقط، ولا تنتقل عبر السوائل. والموجات الثانوية أبطأ من الرئيسية P-waves، لذلك تصل إلى أجهزة تسجيل الزلازل بعدها.

على سبيل المثال؛ تبلغ سرعة P-waves في «الجرانيت-Granites» 4.8 كم/ثانية تقريبًا، وسرعة S-waves تساوي 3 كم/ثانية تقريبًا.

2– «موجات سطحية-Surface Waves»

لا تنتقل عبر جسم الأرض، بل وفق مسارات موازية تقريبًا لسطحها. والموجات السطحية أبطأ من الثانوية S-waves، وغالبًا ما تكون سبب الحركة الأرضية الأشدّ أثناء الزلزال. وهي نوعان:

• «موجات لوف-Love Waves»: تسبّب موجات لوف حركات سطحية كالتي تحدثها الموجات الثانوية S-waves ولكن بدون حركة شاقولية.
• «موجات ريلي-Rayleigh Waves»: تهز موجات ريلي جسيمات المادة في مسار إهليلجيّ في المستوي الرأسيّ، مع حركة أفقية وفق منحى انتقال الطاقة.
  
  تسبّب الموجات الثانوية S-waves -بالإضافة إلى تأثيرات موجات لوف- الضرر الأكبر للمنشآت بالتحريك الذي تحدثه على سطح الأرض في كِلا الاتجاهَين الأفقيّ والرأسيّ. عندما تصل الموجات الرئيسية P-waves والثانوية S-waves إلى السطح، تنعكس معظم طاقتها. ثمّ يعود بعض هذه الطاقة إلى السطح بسبب الانعكاسات عند طبقات مختلفة من التربة والصخور.
  
  يكون الاهتزاز أشدّ -بحوالي الضعف تقريبًا- على سطح الأرض منه في الأعماق الكبيرة. وغالبًا ما يكون هذا أساسًا في تصميم المنشآت المطمورة (المنشآت تحت سطح الأرض) وفق تسارعات أصغر من تلك التي فوق الأرض. [1] [2]

ما هو السيسموجراف وكيف يعمل؟

جهازٌ يستخدَم لتسجيل اهتزازات الزلازل، و يعمل –منذ اختراعه- وفق مبدأ بسيط. عبارة عن قلم مثبّت في طرف «نوّاس أو بندول-Pendulum» بسيط متأرجح (كتلة معلّقة بخيط متدلٍّ من دعامة)، ومغناطيس محيط بالخيط لتوفير «التخامد-Damping» اللازم للتحكّم بسعة الاهتزاز. بالإضافة إلى ورقة رسم بيانيّ مثبّتة على أسطوانة تدور بسرعة ثابتة. يشكّل البندول والخيط والمغناطيس والدعامة مستشعرَ الجهاز، أمّا المُسجِّل فيتكوّن من الأسطوانة والقلم وورقة الرسم. ويتكون المؤقِّت من المحرّك الذي يدير الأسطوانة بسرعة لف ثابتة.

يَلزم جهاز سيسموجراف في كِلا الاتجاهَين المتعامدَين في المستوي الأفقي، بمعنى أنّنا نحتاج إلى جهاز باتجاه شمال-جنوب مثلًا، وآخر باتجاه شرق-غرب. أمّا لقياس الاهتزازات الرأسية فيُستبدَل البندول الخيطيّ بآخر نابضيّ يتأرجح حول نقطة ارتكاز.

تطوّرت هذه الأجهزة عبر الزمن، وأصبح استخدام الأجهزة الرقمية المُعتمِدة على الحواسيب أكثر شيوعًا اليوم. [1] [2]

تحديد موقع المركز السطحيّ للزلزال

من أجل تحديد المركز السطحي للزلزال، نحتاج إلى تسجيلات ثلاث محطّات رصد -على الأقلّ- تقع على مسافات مختلفة من المركز السطحيّ المُراد تحديده. كما نحتاج إلى معرفة الزمن الذي استغرقتْه الموجات الرئيسية P-waves والثانوية S-waves للانتقال عبر الأرض والوصول إلى كلّ محطّة رصد. جُمعَت هذه المعلومات عبر العقود الماضية، وهي متوفّرة في هيئة منحنيات مسافة-زمن.

يحسَب الفارق الزمنيّ بين وصول أوّل الموجات الثانوية S-waves ووصول أوّل الموجات الرئيسية P-waves، ثم تحدّد المسافة بين محطّة الرصد والمركز السطحي اعتمادًا على تلك المنحنيات.

وهكذا نرسم على الخريطة -من كلّ محطّة رصد- دائرة نصف قطرها مساوٍ للمسافة بين المحطّة والمركز السطحي. وتتقاطع الدوائر الثلاث في نقطة تحدّد موقع المركز السطحي للزلزال كما هو مبين في الصورة الأخيرة. [2]

المصادر

[1] How the ground shakes?
[2] Earthquakes: Causes and Measurements