بينما يستعد سكان ساحل الخليج الشمالي للتعزيز السريع إعصار إشعياء (عاصفة من الفئة 3 اعتبارًا من بعد ظهر يوم الجمعة)، ومن المحتمل أن يتطلع الكثيرون إلى أسطح منازلهم وجدرانهم بترقب عصبي. مكتب الميزانية بالكونجرس التقديرات قوة الإعصار الرياح والفيضانات المرتبطة بالعواصف وتكلف الأسر في الولايات المتحدة مجتمعة نحو 34 مليار دولار سنويا. وفي حين أن الزوايا المستديرة والجدران المنحدرة والبناء المعزز يمكن أن تساعد في تخفيف بعض أضرار الرياح، إلا أن هذه الإضافات غالبًا ما تكون باهظة الثمن أو غير عملية بالنسبة للمطورين الذين يتطلعون إلى خفض التكاليف. المهندسين في جامعة فلوريدا إيه آند إم وجامعة ولاية فلوريدا، يعتقدون أنهم وجدوا بديلاً واسع الحيلة، وهو يتضمن تبني جمالية المحيط المتموجة.
لدراسة نشرت مؤخرا في المجلة الهياكل الهندسية, قام الفريق ببناء نماذج مطبوعة ثلاثية الأبعاد للعديد من المباني منخفضة الارتفاع بجدران وأسقف على شكل موجة واختبرها في نفق الرياح. التصميمات التي تحتوي على أعمق الأمواج (في هذه الحالة 10 بالمائة من الارتفاع الإجمالي للمبنى) تقلل من ضغط الرياح الأقصى بالقرب من السقف وزاوية الجدار بنسبة تصل إلى 60 بالمائة. تلك الزوايا والحواف هي المكان الذي تتركز فيه القوى الضارة عادةً. من الممكن أن تصبح مثل هذه التصميمات البسيطة بشكل مدهش جذابة بشكل متزايد للتطوير في السنوات القادمة، حيث تستعد المزيد والمزيد من المجتمعات لتحمل عواصف أقوى وأكثر تكرارًا.
“إن أشكال البناء غير التقليدية هذه تقلل من الأضرار الناجمة عن أسوأ سيناريوهات الطقس القاسية” بيدرو فرنانديز كابان، مؤلف مشارك في الدراسة ومهندس مدني بجامعة ولاية فلوريدا، قال في بيان. “إنها أداة أخرى للمهندسين والمصممين للحماية من أضرار الرياح.”
الموجات الأكبر تعني حماية أفضل
ولاختبار فكرتهم، بدأ فرنانديز كابان وزملاؤه بالطباعة ثلاثية الأبعاد لنماذج مختلفة من المباني منخفضة الارتفاع. كانت بعض المباني ذات جدران وأسقف متموجة، في حين تم بناء البعض الآخر بنموذج أساسي أكثر تقليدية مع أسطح مسطحة ومستقيمة. لقد صنعوا ثلاث نسخ متموجة، بسعات موجة تبلغ 5%، و7.5%، و10%. تقيس السعة حجم الموجة بما يتناسب مع الارتفاع الإجمالي للمبنى بالقدم. لذلك، بالنسبة لمبنى يبلغ ارتفاعه 20 قدمًا، فإن سعة 10 بالمائة تعني موجات تمتد حوالي 2 قدم.
وبمجرد طباعة النماذج، قام الفريق بوضعها في نفق الرياح في الجامعة. وقاموا بقياس بيانات ضغط الرياح على أسطحها عندما كانت الرياح تقذف واضعي النماذج من اتجاهات مختلفة. شهدت جميع الطرازات ذات الأسطح الموجية انخفاضًا في حمل الرياح مقارنة بالإصدار المسطح. كان أداء نموذج الموجة الأعمق هو الأفضل، حيث قلل من ضغط الرياح الأقصى بالقرب من زوايا السقف والجدران بنسبة تتراوح بين 40 و60 بالمائة مقارنة بالإصدار المسطح. من الناحية النظرية على الأقل، هذا يعني أن المبنى بهذا التصميم يمكن أن يشهد أضرارًا أقل بكثير عند تعرضه لرياح بقوة الإعصار.
تتضمن الورقة رسمًا تخطيطيًا مفيدًا (أعلاه) يوضح سبب نجاح هذا التصميم المتموج. عندما تتدفق الرياح على سطح مستو مثل السقف، فإنها تنفصل عند الحافة الأمامية ومن دوامة كبيرة واحدة. يؤدي ذلك إلى إنشاء منطقة ذات ضغط منخفض، بينما يندفع الضغط المرتفع الموجود أسفل المبنى إلى السطح. ويؤدي ذلك إلى تأثير يشبه الشفط، والذي، في السيناريوهات القصوى، يمكن أن يؤدي إلى تقشير الأسطح من المبنى. فوق سطح متموج، تقفز الريح مثل حجر عبر بحيرة، لتشكل سلسلة من الدوامات الأصغر حجمًا بدلاً من واحدة كبيرة. يمكن أن يؤدي هذا التعطيل للرياح إلى منع تكون اللقطات عالية الشفط. والنتيجة هي مبنى مع تعرض أقل لأقوى قوى الرياح، فإنه يشير إلى العديد من قوى الرياح الضارة مقارنة بالمبنى المسطح.
وقال فرنانديز كابان: “إن تغيير شكل المبنى يمكن أن يقلل بشكل كبير من شدة قوى الرياح التي يتعين عليه تحملها”.
وينبه الباحثون إلى أن هذه الدراسة ركزت بشكل خاص على ضغط الرياح على أسطح النموذج. وهم الآن يجرون تجارب إضافية لفهم كيفية تدفق الرياح حول الهياكل المتموجة بشكل أفضل، ويخططون لاستخدام النمذجة الحاسوبية لضبط أنماط الموجات واختبار الأشكال الأخرى. إذا كان هذا العمل مشابهًا للنتائج المبكرة، فقد يجعل الجدران والغرف المتموجة أكثر جاذبية للمهندسين المعماريين والمهندسين الذين يبحثون عن حلول بسيطة لحماية المباني في المناطق المعرضة للعواصف.
