تصميم المنشآت لمقاومة الرياح

[زلزال]

حمولات الرياح :

إن السبب الرئيسي لإهمال قوى الرياح في بلادنا هو انخفاض ارتفاع المباني بحيث تغدو قيم حمولات الرياح بسيطة و مهملة .
لكن تأثير الرياح يظهر جلياً في المنشآت المرتفعة مثل ( خزانات الماء العالي - الأبراج " أكثر من 7 طوابق " - مآذن الساجد .. الخ ) .

كيف تحسب الرياح ؟؟ .

من أين نحصل على سرعة الرياح في منطقة ما :
هناك خرائط في الكودات تبين السرعة العظمى المتوقعة للرياح في كل منطقة و تقسم الكرة الأرضية إلى أربع مناطق تختلف فيها سرعات الرياح تتجاوز بعضها ( 150 كم/سا ) في الوطن العربي أكبر سرعة متوقعة 100 كم | سا .

و قد حسبوا هذه القيم بناء على شدة الرياح التي حصلت خلال المائة عام الأخيرة في بلادنا بحيث يأخذون الوسطي بين أكبر عشر هبات رياح خلال 100 عام .

هناك طريقتين لحساب قوى الرياح :
1 - الطريقة الستاتيكية : و هي التي تعتبر الرياح قوة ثابتة ذات قيمة على شكل مثلث رأسه عند القاعدة يؤثر على المبنى ، و هذه الطريقة هي المعتمدة في الكود الأمريكي ،

أ - يهمل الكود تأثير الرياح على المباني ذات أربع طوابق و ما دون .
ب - و يشترط الكود أن يكون ارتفاع المبنى أقل من أربع أضعاف عرض الواجهة .
بمعنى أن يكون ارتفاع المبنى قليل نسبة لعرضه و هو ما ينطبق على المنشآت العادية .

طيب ماذا لو أن ارتفاع المبنى كبير نسبة لعرضه كما هو الحال مع ( المآذن - الخزانات - الأبراج - الهنكارات المعدنية - بسبب خفة وزنها نسبة لحجمها و عرض واجهتها - )... الخ .

2 - الطريقة الديناميكية من الكود الفرنسي لرياح و الثلوج : تحسب هذه الطريقة الرياح على أساس أنها تضرب المنشأ على شكل صدمات متلاحقة و أن المنشأ يتأرجح بتأثير الرياح - و هذا أكثر واقعية - و هنا يؤخذ بالحساب موضوع - حادثة الطنين - .
و هي حادثة تحصل فيما لو تساوى دور الاهتزاز للمنشأ مع دور الاهتزاز لصدمات الرياح . تنشأ عن ذلك قوى عظيمة لا يمكن مقاومتها لذلك نحرص على أن لا نصل لدرجة حادثة الطنين .

للأسف فنادراً ما يلجأ المهندسون إلى التصميم على الرياح و يهملون هذه القوى و لإن فعلوا فهم يعتمدون الطريقة الستاتيكية ( الأكثر سهولة ) .. و قد قمت بتصميم برج للإذاعة و التلفزيون في إدلب بارتفاع 56 متر لمقاومة الرياح بالطريقة الديناميكية مع الأخذ بعين الاعتبار قوى التمدد و التقلص و قوى الزلازل التي سنرد على تفصيلها لاحقاً .

الموضوع واسع لكنني أحاول تلخيص أهم النقاط الرئيسية و بانتظار استفساراتكم حول ما تقدم مبدئياً

--------------------------------------------------------------------------------




لو لاحظت معي أن جميع الحمولات التي تتعرض لها المنشآت هي عادة حمولات شاقولبة ( ميتة أو حية ) و هي تنتقل من البلاطات إلى الجسور فالأعمدة فالأساسات بشكل شاقولي ناظمي ( VERTICAL ) .

لكن قوى الرياح و الزلازل تؤثر أفقياً HORIZONTAL على المبنى و هنا يظهر الفارق .

تخيل لو أننا ثبتنا وتداً في الأرض لوجدنا أن هذا الوتد قادر على تحمل حمولات شاقولية كبيرة .. لكن ماذا لو دفعنا الوتد أفقياً .. سيقع و ينهار تحت قوة بسيطة .. مما يدفعنا لزيادة عمق التأسيس حتى يقاوم الوتد الحمولة الأفقية .

نفس المبدأ ينطبق على المباني فالأعمدة و الأساسات صممت عادة لمقاومة الحمولات الشاقولية فقط و في حال وجود قوة أفقية ( رياح – زلازل ) ستنشأ في الأعمدة و الأساسات عزوم كبيرة تساوي ( القوة × الذراع ) فكلما كان ارتفاع المبنى أكبر كانت العزوم عند الأساسات أكبر .
و سنضطر إلى حساب المنشأ لمقاومة حاللات جديدة هي :

1 – انقلاب المبنى بالكامل .( و هذا يظهر خطره في المنشآت الرفيعة " خزانات ماء عالية – مآذن .. الخ )
2 – انزلاق المبنى مع قواعده . 0 و هذا يظهر أكثر في المنشآت المسطحة مثل ( الهنكارات ذات الوزن الخفيف " معدنية " ) .
3 – انكسار العمود فوق القاعدة نتيجة العزم المطبق و هي حالة شائعة في الزلازل أكثر من الرياح .

ها نحن وضحنا طرق حساب قيمة قوة الرياح فأين المشكلة .؟؟

المشكلة في التصميم ...
النقطة الرئيسية التي يقف عندها المصمم هي تحويل سرعة الرياح إلى قوة ..

و هنا فإن الكودات أعطت للرياح في كل منطقة من العالم معامل C و مجموعة معاملات أخرى تدخل في الحساب Q .

بعد حساب قوة الرياح نحدد الطريقة التي سنستخدمها مثلاً ( ستاتيكية في المنشآت العادية أو ديناميكية في المنشآت الخاصة )

الطريقة الستاتيكية تستخرج قيمة قوة الرياح حسب ارتفاع المبنى و حسب شكل الواجهة المعامدة لاتجاه الريح ( مستطيلة – دائرية ) .



بعد العثور على القوة هناك سؤال يحرج المهندسين و هو توزيع هذه القوة على المنشأ .. كيف سيتوزع .



الحقيقة سؤال وجيه حيث يتوجب على المهندس رسم Plan للمبنى و التأمل في مراكز الكتلة ( و ليس المركز الهندسي ) .. و هذا يتم باستخدام نظرية العزم الستاتيكي حول نقطة ثابتة ينتج منها مركز كتلة المبنى و هو المكان الذي تنعدم فيه القوى و الذي لو ركزنا فيه العزم الرئيسي لتوزع على كافة قواعد المنشأ . و ذلك بحسب صلابتها و بحسب بعدها عن مركز الكتلة .



هذه العملية بالذات هي الأصعب لأن البرامج الهندسية لا تفي عادة بالغرض و يطلب هذا العمل يدوياً و يحتاج إلى بعض الخبرة .



عندما نتحصل على القوى و العزوم على الأعمدة و القواعد نصممها بشكل متناظر لماذا ..؟

لأن الرياح قد تضرب المنشأ من الجهة الثانية و عليه تحسب القواعد على القوة و العزم و من ثم تصمم بشكل متناظر كأن الرياح قد تضرب المنشأ من أية جهة كانت .



عن مثال حي حول هذا الكلام .. فنحن سنحتاج إلى الكثير من العلاقات و الجداول الموجودة في الكودات و حبذا لو عاد الأخوة إلى أحد الكودات المعتمدة ( الكود الأمريكي – الكود الفرنسي للرياح و الثلوج ) للاطلاع مبدئياً على طريقة حساب الرياح و كيفية حساب دور الحركة للمنشأ تحت تأثير ضربات الرياح و هو يساوي تقريبياً ( جذر ( عدد الطوابق / 10 ) .



نقارن هذه القيمة مع قيمة دور الحركة للتربة الذي يحسب من نظريات علم الجيوتكنيك و دور الحركة للرياح له علاقاته أيضاً .. يجب أن لا يتساوى هذا الدور أبداً .. و في حال التساوي نقوم بزيادة صلابة المبنى أو تغيير توزيع الهياكل الحاملة للرياح

[بـــو أحــمــد]

زلزال
بالفعل ..
مقاومة الرياح من أهم الأمور التي لابد من أخذها بعين الإعتبار عن بناء منشأة عالية الإرتفاع

شكراً جزيلاً لك