هندسة الزلازل

ما هي هندسة الزلازل؟

هندسة الزلازل: هي إحدى أقسام الهندسة المدنية والتي تتكوّن من عمليات متعددة المراحل تتراوح من وصف مصادر الزلازل، إلى توصيف آثار الموقع والاستجابة الهيكلية ووصف تدابير الحماية من الزلازل. تتعلق مكونات هذه الدراسات بالمراحل الفردية وربما الأهم من ذلك، للجوانب التي تتضمن بعض أو كل مراحل هندسة الزلازل.

ماذا يفعل مهندس الزلازل:

يقوم مهندس الزلازل بنمّذجة الحركة الأرضية وذلك باستخدام محاكاة نماذج الحركة الأرضية لتحليل المخاطر الزلزالية ونماذج عملية التمزّق العشوائي المادي للتنبؤ بالحركة الأرضية والتنبؤ بالحركة الأرضية للتطبيقات الهندسية، ثم ودراسة الخصائص غير الثابتة للحركات الأرضية المحاكاة والمسجلة للتحليل غير الخطي للهياكل. يتم النظر في نماذج جيوفيزيائية مُختلفة لمحاكاة حركة أرضية قوية، ويتم دراسة الحركات المسجلة من الزلازل الأخيرة لخصائصها وإمكانات التلف. ركّزت دراسات الزلازل الأخيرة على فهم وتوصيف الحركة الأرضية القوية في المجال القريب. لوحظ أن تأثير الحركات القريبة من المجال على الهياكل من الزلازل السابقة له أهمية خاصة ومع ذلك، لم تُجرَ دراسات منهجية لهذه التأثيرات حتى الآن وهي محور البحث الحالي.

وظائف هندسة الزلازل ووصف الوظيفة:

تقوم هندسة الزلازل على التصميم والتجريب حيث يتم تكريس جُهد كبير لتصميم البحوث التي يُمكن تنفيذها مباشرة في المُمارسة الهندسية. يشمل هذا البحث، الذي يتعلّق بأساليب تقييم وتحسين سلوك الهياكل الجديدة والحالية في الزلازل الشديدة، تطوير منهجية التصميم الزلزالي القائم على التشوّه، اعتبارات الاستقرار الديناميكي وتأثيرات دلتا، تقييم آثار التفاوتات في الصلابة والقوة في المخطط والارتفاع، نمذجة الضرر التراكمي، تدابير التحديثية للهياكل القائمة واستكشاف مواد جديدة وأنظمة هيكلية جديدة لمقاومة الزلازل.

تشمل مرافق البحث مختبرًا به معدات للاختبار الثابت والديناميكي للمواد الهيكلية والمكونات ونماذج النظام. حيث يُركز الاختبار الهيكلي الحالي على البحث للتحقق من صحة النماذج الحسابية للتنبؤ بالإستجابة الديناميكية غير الخطية للهياكل ولتطوير تقنيات مُراقبة الصحة. يتضمن هذا اختبارات جدول الاهتزاز لفحص ظاهرة الانهيار الهيكلي التي تتأثر بالتفاعلات المعقدة للاستجابة الهيكلية المتدهورة وحركات إدخال الزلزال العشوائية. يُعَدّ اختبار الطاولة المهززة أيضًا مكونًا مهمًا في البحث لتطوير أجهزة استشعار الحركة اللاسلكية القوية الأكثر قوة. تتضمن المشاريع الأخرى اختبارًا شبه ثابت للمكونات والمواد الإنشائية لتقييم أجهزة استشعار الألياف الضوئية والتحقيق في تأثير آليات الفشل الموضعية على الأداء الهيكلي.

الضرر المحتمل لحركة الأرض:

أظهرت التجربة في الزلازل السابقة أن مهنة الهندسة لم تنجح بعد في تحديد مَعلمات الحركة الأرضية التي ترتبط بشكل جيد بالضرر الملحوظ. من منظور هندسي ونسعى إلى تمثيل الطلب الزلزالي الذي يُمكن استخدامه، من خلال الالتقاء مع القدرة الهيكلية لتقييم الموثوقية الهيكلية. وبالتالي، يجب تقييم كل من الطلب والقدرة، وهذا الأخير مع إيلاء الاعتبار الواجب للخصائص الهيكلية وآثار الأضرار التراكمية التي تعتمد على مُدة الحركة القوية. إذا كان من المُمكن تحقيق ذلك، يُمكن أن يستند تحليل المخاطر الزلزالية إلى مفاهيم الموثوقية ويُمكن اشتقاق معلومات التصميم التي تتوافق مع إمكانات الضرر للحركات الأرضية.

يتم التعامل مع الدراسات البحثية حول تحليل المخاطر الزلزالية وتوصيف المدخلات والاستجابة والموثوقية الهيكلية والتصميم كمواضيع مترابطة من خلال نهج مُتّسق ومُنسّق. المكونات الرئيسية لهذا البحث هي تطوير نماذج الضرر للاستجابة الهيكلية، توصيف الحركات الأرضية على أساس الضرر المحتمل، تقييم الموثوقية تحليل مخاطر الزلازل وتطوير معايير التصميم.

تطور هندسة الزلازل:

تطورت هندسة الزلازل من استخدام مجموعة من الأحكام الإرشادية، التي تهدف بشكل غير مباشر إلى توفير سلامة الحياة، إلى النهج القائمة على الأداء مع مراعاة مباشرة لمجموعة من أهداف الأداء، مثل تقليل تكلفة إصلاح المنشأة تحت مجموعة من شدة اهتزاز الزلزال. إنَّ النهج القائم الآن على الأداء له مزايا عديدة، أنه يوفر طريقة أكثر فعالية لتصميم النظم الهيكلية لتحقيق أهداف أداء أعلى ويأخذ بعين الاعتبار بشكل أكثر شمولاً مقاييس الأداء المُختلفة التي تسمح لأصحاب المصلحة باتخاذ قرارات مستنيرة على أساس المخاطر.

في حين أن المهندسين على دراية بمقاييس الأداء مثل الإنجراف والتسارع والضغط ويفضل العديد من صانعي القرار مقاييس الأداء التي تتعلق بشكل مباشر أكثر بقرارات العمل، مثل التوقف عن العمل أو تكاليف الإصلاح. كان التحدي الهندسي هو النظر باستمرار في مخاطر الزلازل والاستجابة الهيكلية والأضرار والعواقب، بحيث يُمكن تقديم بيان احتمالي كامل للأداء المتوقع للهياكل.

خطر الزلازل على المباني:

على الرغم من أن حركات الزلزال مُخيفة، إلا أنها وحدها تسبب خسائر فادحة في الأرواح. هناك قول مأثور هندسي قديم يقول: الزلازل لا تقتل الناس المباني تقتل. حيث يُعَد نوع المباني الموجودة بالقرب من مركز الزلزال أحد أهم العوامل الحاسمة في ما إذا كان الزلزال سيؤدي إلى سقوط العديد من القتلى أم القليل.

تُصنع المباني لتحمل قوة الجاذبية وقُوى التصميم الهيكلي الخاص بها. هذه قوى لا تتحرك ولكن تختلف القوى الناتجة عن الزلازل، لا سيما الحركات الجانبية الأُخرى إختلافًا تامًا. ما لم يتم بناء مبنى ليكون مَرنًا بما يكفي للإنحناء مع هذه القوى أو قوي بما يكفي لتحملها، فسوف ينهار في زلزال قوي، أو يقتل أو يحاصر من بداخله بشكل مأساوي. كان هذا هو الحال في هايتي حيث أدّت الظروف الفقيرة في البلاد إلى بناء هياكل هشَّة وضعيفة لا يُمكنها تحمل التحركات الأرضية للزلزال. في حين أن تشيلي تمتلك وهي دولة أكثر تقدمًا، نسبة أعلى من المباني الأقوى والأكثر مرونة والتي كانت قادرة على البقاء بشكل أفضل خلال هذا الزلزال، ممّا أدّى إلى إنقاذ الأرواح داخلها.

كيفية منع مثل هذه الخسائر:

بفهم هذا، يمكننا أن نبدأ في إيجاد إجابات حول كيفية مَنع مثل هذه الخسائر الفادحة في الأرواح في الزلازل المستقبلية. من خلال هندسة الزلازل، التي نشأت على مدى المائة عام الماضية، في مجال مُخصص للتخفيف من مخاطر الزلازل. يبحث مهندسو الزلازل في أسباب فشل البُنية التحتية والمباني أثناء الزلازل، ثم يُطبّقون معرفتهم على تخطيط وتصميم وإنشاء وإدارة الهياكل والمرافق المقاومة للزلازل.