الجسور الهندسية الحديثة

ما هو فن تصميم الجسور؟

فن تصميم الجسور هو السعي الحافل بالوقت، والذي شهد على مر القرون، تطورات كبيرة في الهندسة والتكنولوجيا نتيجة لشغف الجنس البشري للتغلب على تحديات أي معبر معين، لقد تطورت من خلال قبول الممارسات والقواعد وتقنيات البناء الراسخة، في الواقع عندما يتم طرح مواد أو منهجيات جديدة في السوق، غالبًا ما يستغرق الأمر سنوات عديدة حتى يتم تضمين التقنيات في الممارسة الحديثة لتصميم الجسور.

على سبيل المثال، حتى بعد التعرف على الخصائص عالية القوة للحديد، بالمقارنة مع الأخشاب لا يزال الحديد يستخدم كبديل أخف وزنًا، لقد مرت سنوات قبل أن تصبح مادة هيكلية قائمة بذاتها لتصميم الجسر، كما خضع الفولاذ لعملية تحول مماثلة قبل أن يتم استخدامه كبديل للحديد، واستبدال اللحام والمسامير، وفي العصر الحديث اليوم حل التحليل الحاسوبي وCAD (من أساليب المصفوفة على الرغم من FEMs) محل الحسابات اليدوية والصياغة اليدوية.

البنى التحتية هي عامل رئيسي للاقتصاد، من بينها، تعتبر البنية التحتية للمواصلات حيوية لحياة الإنسان والاقتصاد، وضمن شبكات النقل، تعد الجسور عناصر أساسية لربط الناس وتسليم البضائع، لهذا السبب، تم بناء الجسور منذ عدة قرون، بطريقة ما، وقد ارتبط التقدم (وأحيانًا التوسعات الجغرافية!) للثقافات القديمة في جميع أنحاء العالم بقدرتها على بناء جسور دائمة، قد تكون الإمبراطورية الرومانية هي الأكثر تمثيلا لذلك، بعد عدة قرون من بناء الجسور، نواجه في الوقت الحاضر تاريخًا طويلًا من التجارب التي تسمح لنا بالنظر إلى تطور هندسة الجسور على مدى سنوات، وبناءً على ذلك، لمحاولة استقراء ما هو الأكثر جدوى في المستقبل المقبل.

المواد المتاحة وعمليات البناء للجسور:

مع المواد المتاحة اليوم وعمليات البناء والنمذجة وأدوات الكمبيوتر، وإضافة بعض التحسينات المذكورة، يبدو أنه من الممكن الوصول إلى جميع التحديات التي يواجهها مجتمع هندسة الجسور في السنوات القادمة، فيما يتعلق بتصميم وبناء الجسور الجديدة بأطوال تمتد بعيدًا عن الرقم القياسي العالمي اليوم الذي تم توقيعه بواسطة جسر أكاشي كايكيو (الامتداد الرئيسي لعام 1991 م)، يبدو أن نطاق الطول الممتد من 2000-3000 متر (جسر ستورفجورد في النرويج، جسر ميسينا في إيطاليا) يمكن الوصول إليه في المستقبل المقبل دون التطورات الرئيسية في المواد وعمليات البناء وطرق الحساب.

كيف ستبدو جسور المستقبل؟

ستبدو جسور المستقبل متشابهة إلى حد ما مع الجسور الحالية، مستقبل الجسور في حالة مستقرة، ولا يتوقع حدوث تغييرات كبيرة، ولن يأتي أي تقدم كبير !! هل هذا صحيح؟ ربما نعم، إذا ركزنا هدفنا على مجالات التصميم والبناء، كانت هذه المجالات، حيث كان التركيز الرئيسي تقليديًا يتركز من قبل مجتمع هندسة الجسور في الماضي، يبدو هذا الموقف منطقيًا وطبيعيًا، حيث أن الشغل الشاغل للمجتمع كان بناء جسور جديدة لحل المشاكل المتزايدة للتنقل والاتصال، ربما لا على الإطلاق، إذا قمنا بتوسيع بصرياتنا، منذ وقت قصير ظهر موقف جديد يتطلب تركيزًا أكثر انفتاحًا على مجالات صيانة الجسر وجوانب الخدمة والحياة نتيجة للحقائق التالية:

– في البلدان المتقدمة، يوجد مخزون ضخم من الجسور ويجب صيانتها بشكل صحيح لضمان السلامة لمستخدميها، ومع ذلك، فإن المشكلة لا تكمن فقط في ارتفاع عدد هذه الجسور، ولكن في عمرها، على سبيل المثال في الولايات المتحدة، يشير تقرير من ASCE (الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين) إلى أنه في عام 2013 سجل (National Bridge Inventory NBI) ما مجموعه 607،380 جسراً بمتوسط ​​عمر 42 سنة، 11٪ من تعتبر معيبة هيكليا، تتراوح التكلفة السنوية للإصلاح والصيانة في حدود 12 مليار دولار أمريكي، على الرغم من أن الإدارة الفيدرالية للطرق السريعة (FWHA) تعتبر أن الإنفاق الأمثل يجب أن يكون مرتين.

– في البلدان الخاضعة للتطوير السريع، لا يزال عدد الجسور القائمة منخفضًا، لكنه يتزايد بسرعة، على سبيل المثال في الصين، تجاوز إجمالي عدد الجسور الولايات المتحدة، حيث احتلت المرتبة الأولى في العالم، بحلول نهاية عام 2011، وصل عدد جسر الطرق السريعة في الصين إلى 689400 جسر بطول إجمالي يبلغ 33000 كم، لكن تحدث حقيقة مهمة، على الرغم من أن متوسط ​​عمر الجسور في الصين أقل بكثير من مثيله في الولايات المتحدة، إلا أن نسبة الجسور المعيبة هيكليًا قد تجاوزت بالفعل الولايات المتحدة، مع وضع هذا الوضع الفعلي في الاعتبار، قد نتوقع وضعًا أكثر مأساوية في تلك البلدان النامية في السنوات القادمة.

الاتجاهات الجديدة في مجالات التصميم:

لكن نهج دورة الحياة الجديد لن يؤدي فقط إلى زيادة الجهود في إدارة الجسور القائمة، إنها تغذي بالفعل اتجاهات جديدة في مجالات التصميم والبناء أيضًا، المفاهيم المتعلقة بالأداء أثناء الخدمة للجسور مثل المتانة (القدرة على الرد على الإجراءات غير المتوقعة، لم يتم أخذها في الاعتبار أثناء مرحلة التصميم، مع استجابة تتناسب مع الإجراء غير المتوقع) والمرونة (القدرة على التعافي من الكوارث بطريقة فعالة والطريقة السريعة) في رموز وممارسات التصميم بسبب الحاجة الرئيسية؛ لتصميم جسور أكثر أمانًا واستمرارية، ولكن أيضًا بسبب المخاوف المتزايدة بشأن تغير المناخ والأخطار الطبيعية والكوارث والحاجة إلى تقليل آثارها إلى الحد الأدنى لتوصيل الأصول وتخفيف التهديدات التي تتعرض لها المناطق الحضرية، وبالتالي لا يجب أن تكون جسور المستقبل آمنة فحسب.

كما ظهرت المخاوف المتزايدة بشأن الاستدامة والتدخلات الصديقة للبيئة في مشهد الجسر، وبهذا المعنى ظهر مفهوم تقييم دورة الحياة (LCA) المستخدم بالفعل في المجالات الهندسية الأخرى في مجال الجسر كأداة مفيدة لصنع القرار للاستجابة للحاجة إلى تحسين الموارد الاقتصادية المتاحة، لا يشمل تقييم دورة الحياة تكاليف دورة الحياة (LCC) فحسب، بل يشمل أيضًا التكاليف البيئية والاجتماعية.

يعتبر التصميم المستند إلى الأداء مقابل التصميم المستند إلى الكود أيضًا مفهومًا جديدًا بشكل أساسي للتصميم الكبير أو الإصلاح وتقوية مشاريع الجسور، يعتمد المفهوم على نهج الاستثمار (المنفعة) وربما يكون أحد أكثر المشكلات تحديًا المتعلقة بتصميم الجسور، ليس للجسور القياسية ولكن للمشاريع الكبيرة، حيث القيود التي يفرضها استخدام رمز الممارسة (عادةً ما يتم معايرتها من أجل المواقف “العادية”) للاستجابة لتحديات التصميم والبناء الجديدة، نظرًا لأن المتطلبات الجديدة الصعبة ستصل إلى مصممي الجسور من المجتمع والمستخدمين في المستقبل القريب (مسافات أطول، إجراءات أعلى مرتبطة بتغير المناخ، عمر خدمة أطول، مواد جديدة، تأثيرات بيئية).

تصميم قائم على الأداء ستصبح حاسمة في تلبية الاحتياجات الناشئة، بالنسبة لمشاريع الجسور الكبيرة، سيتم توجيه الاتجاه في احتياجاتهم المالية للبناء والصيانة بشكل متزايد نحو أساس التصميم والبناء (DB) والشراكة بين القطاعين العام والخاص (P3) سيشمل المثلث “التصميم المستند إلى الأداء، ومشروع DB، والشراكة بين القطاعين العام والخاص” مزيدًا من التمويل الخاص في مجال الجسور، حيث يتم استثمار الأموال العامة تقليديًا من قبل وكالات النقل.

وستكون القدرة على الحصول على تمويل خاص، مرة أخرى بناءً على تقييم دورة الحياة وتحليل المخاطر من قبل مستثمري القطاع الخاص، سيكون لنهج P3 الجديد لتمويل الجسور تأثير قوي على الجماليات والتصميم المفاهيمي للجسور أيضًا، سيتطور مفهوم DB أيضًا إلى فلسفة صيانة DB الأكثر عمومية، سيضع المستثمرون من القطاع الخاص أموالهم على معظم الجسور الاقتصادية، ليس فقط للبناء، ولكن أيضًا للإدارة والاتجاه هو على المشتريات الفعالة من حيث التكلفة، من منظور دورة الحياة، لتحسين قرارات الاستثمار الجسر في المستقبل، هناك حاجة إلى أدوات تحليل تكلفة دورة الحياة.

أن تأثير جوانب الخدمة والحياة المتنامية في مناهج التعليم والجامعة، حتى الآن كان حاجة المجتمع لبناء جسور جديدة صدى على محتوى دورات هندسة الجسور، حيث تعامل فقط مع قضايا التصميم والبناء، ومع ذلك للاستجابة للاحتياجات المستقبلية، يتعين علينا تعليم مهندسي الجسور المستقبليين بمهارات جديدة، مما يسمح لهم بمواجهة التحديات الجديدة المتعلقة بجوانب الصيانة، من التصميم النظري إلى الهدم لذلك، يجب أن يوازن محتوى دورات الجسر بين جميع جوانب عمر خدمة الجسر، سينتج عن هذا أيضًا أهمية أكثر توازنًا ذاتيًا بين “الموضوعات الأساسية” (الميكانيكا الإنشائية، قوة المواد) وما يسمى بـ “المهارات الشخصية” (الاقتصاد، الاستدامة).