أنظمة التحكم الزلزالي في هياكل المبنى

ما هي أنظمة التحكم الزلزالي في هياكل المبنى؟

التحكم الهيكلي له تاريخ طويل وناجح في الهندسة المدنية للتخفيف من المخاطر الديناميكية. حيث تتمثل الطريقة التقليدية لتقليل الاهتزازات الناتجة عن الزلزال وأحمال الرياح في تصميم هياكل ذات قوة كافية وقدرة تشوه بطريقة مطيلة.

يوفر هذا النهج، الذي يعتمد على ضمان مزيج القوة، الليونة، الرياح القوية أو العمل الزلزالي كأحمال نهائية ويقبل عددًا معينًا من التدهور الهيكلي أو غير الهيكلي. وعادةً، بالنسبة للهيكل الفولاذي، فإنّ تبديد الطاقة التي يتم إدخالها في الهيكل بفعل ديناميكي يحدث فقط في المفصلات البلاستيكية.

مع الأخذ في الاعتبار الطريقة التي تعمل بها العناصر الهيكلية الحاملة لنظام الفولاذ معًا، يتم إنشاء آلية بلاستيكية عالمية. وفي السنوات الأخيرة، تم إيلاء اهتمام كبير للمفاهيم الجديدة للتحكم الهيكلي بما في ذلك مجموعة كبيرة من التقنيات التي يمكن تعريفها في أربع فئات: المبني للمجهول، النشط، الهجين وشبه النشط.

من وجهة النظر التاريخية، فإنّ تقنيات التحكم السلبي مثل أجهزة العزل الأساسي والتحكم السلبي هي أول ما تم تنفيذه. ولقد تم دراسة الكثير من الأبحاث الهياكل المجهزة بهذه التقنيات السلبية وقد تم بالفعل تنفيذ الكثير من الإنجازات العملية في العديد من البلدان.

لا تحتاج هذه الأجهزة إلى مصدر طاقة خارجي وهي أكثر اقتصادية وسهلة في التطبيقات. كما قد تستبعد المفاهيم الجديدة للتحكم النشط، المصممة بطريقة توفر قوى التحكم للهيكل من خلال استخدام المشغلات، التشوهات غير المرنة في عناصر النظام الهيكلي.

تتطلب هذه الأنظمة مصادر طاقة خارجية كبيرة قد تصل إلى عدة ميغاوات للهيكل الكبير. كما تم تطوير البديل الواعد بين التقنيات السلبية والنشطة مؤخرًا في شكل يسمى التقنية شبه النشطة. وبطريقة أخرى، فإنّ تقنيات التحكم شبه النشطة تجعل إعادة تأهيل أنظمة التحكم السلبية، في حين أنها يمكن أن تحقق أداءً مشابهًا لأنظمة التحكم النشطة.

أنواع أنظمة التحكم الزلزالي في هياكل المبنى:

يتم استخدام أنواع مختلفة من أنظمة التحكم في الزلازل في التصميم المقاوم للزلازل والذي يخدم غرض تقليل تأثير قوى الزلازل على النظام الهيكلي الرئيسي. وبشكل عام، هناك ثلاثة أنواع من أنظمة التحكم في الزلازل وهي أنظمة التحكم في الزلازل السلبية والفعالة والهجينة. حيث سيتم شرح كل نظام بإيجاز في هذه المقالة.

1. نظام التحكم السلبي في الزلازل:

نظام التحكم السلبي الزلزالي هو طريقة لتخفيف الصدمات تستخدم تقنيات سلبية. كما أن هذه لا تتطلب مصادر طاقة إضافية لخدمة أغراض التخفيف. بدلاً من ذلك، يستخدم حركة إدخال الزلزال لتنشيط التحكم الزلزالي. والأمثلة الرئيسية لأنظمة التحكم في الزلازل السلبية هي:

• أجهزة تبديد الطاقة.

• نظام عزل القاعدة.

• المذبذبات الديناميكية.

1. أجهزة تبديد الطاقة:

هذه أنظمة ميكانيكية مرتبطة بهيكل المبنى الذي يخضع للتشوه وينتج عن طريق امتصاص جزء كبير من طاقة مدخلات الزلازل، وبالتالي حماية هيكل المبنى. حيث هناك مجموعة متنوعة من أجهزة تبديد الطاقة التي يتم تصنيفها بناءً على قدرتها على تعزيز تبديد الطاقة في الأنظمة الهيكلية. زتستند هذه الأعمال على مبادئ مثل:

• تشوه المواد الصلبة اللزجة المرنة.

• التحول الطوري للمعادن.

• إنتاج المعادن.

بشكل أساسي، هناك أربع أنواع من أجهزة تبديد الطاقة:

• مخمدات إنتاج معدنية.

• مخمدات الاحتكاك.

• مخمدات سائلة لزجة.

• مخمدات مرنة.

2. نظام عزل القاعدة:

في هذا النظام، يتم تقديم واجهة مرنة بين الهيكل والأساس. هذا يعزل الهيكل الرئيسي عن هز الأرض. يعمل هذا النظام على زيادة الفترة الطبيعية للهيكل وبالتالي تقليل التردد الطبيعي للاهتزاز.

3. المذبذبات الديناميكية:

تستخدم المذبذبات الديناميكية لتحويل الطاقة بين أوضاع الاهتزاز. كما تستخدم هذه التقنية المذبذبات التكميلية. وهذه بمثابة مذبذبات ديناميكية. حيث أن أحد المذبذبات الديناميكية الشائعة المستخدمة في البناء هو (Tuned Mass Damper أو TMD).

2. نظام مراقبة الزلازل النشط:

تتضمن هذه الطريقة عملية فرض قوى على الهيكل من أجل موازنة قوى الزلزال التي تعمل على هيكل المبنى. حيث يتطلب هذا النظام مصدر طاقة إضافيًا ومشغلات يتحكم فيها الكمبيوتر للعمل. وبالتالي، فإنّ هذا النظام معقد مقارنة بأنظمة التحكم الزلزالية السلبية.

نظام التحكم النشط هو اختراع جديد مقارنة بالأنظمة السلبية. وَعندما يضرب الزلزال مبنىً ما، تحدد مستشعرات نظام التحكم النشط اتجاه ووزن قوة الموازنة التي يتم إحداثها في الاتجاه المعاكس بحيث يظل المبنى ثابتًا ويظل الهيكل آمنًا. ومن ثم، فإنّ الترتيب الكامل ومتطلبات نظام التحكم الزلزالي النشط معقد ومكلف.

3. نظام التحكم الزلزالي الهجين:

كما يوضح الاسم، فهو نظام تحكم زلزالي هجين يجمع بين كل من النظام الزلزالي النشط والسلبي. بحيث يتمتع نظام التحكم الزلزالي الهجين بالميزة التالية على النظام النشط والسلبي:

• موثوقية محسنة.

• تكلفة مخفضة.

• الطلب على الطاقة أقل.

بدأ نظام التحكم الزلزالي الهجين من خلال الاستفادة من مزايا كل من أنظمة التحكم في الزلازل النشطة والهجينة.