كيف يتم إنشاء مبان وهياكل أكثر مقاومة للأضرار خفيفة الوزن تتحمل أشد الصدمات؟
تشكل التأثيرات الباليستية المجمعة تحديًا كبيرًا للمهندسين الذين يبنون هياكل يجب أن تتحمل الضغوط الشديدة.
يؤدي الجمع بين ضغط الانفجار والتأثير على السرعة العالية إلى زيادة فرص حدوث ضرر أكبر، بما يوصف بأنه أكثر الضغوط رعبا، “هذه التأثيرات مجتمعة تعمل بنفس الطريقة التي تعمل بها قنابل الشظايا”، وفقا لدراسة حديثة.
البنية التحتية من ضخمة إلى خفيفة
في الماضي، شكلت المباني العسكرية الخرسانية الضخمة الجزء الأكبر من الهياكل التي تم بناؤها لتكون واقية من الانفجارات، في العقود الأخيرة، ظهرت تهديدات جديدة، وازدادت الحاجة إلى حماية المباني والهياكل المدنية في المناطق الحضرية.
وقد أدى ذلك إلى زيادة الاهتمام بالحلول الأخف وزنا وذات الجدران الرقيقة التي يمكنها تحمل قدر كبير من التشوه دون التصدع والانهيار، اللوائح لا تعكس بعد هذه الاحتياجات المتغيرة، لا توجد معايير لهذا النوع من الحمل حتى الآن، والبحث في هذا المجال محدود للغاية.
حقق باحث الدكتوراة إلفيلي بنيامين ستافنار،الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا ،في كيفية تصرف الأنواع المختلفة من الألواح الفولاذية الرقيقة عند تعرضها لأحمال ضغط شديدة، يمكن أن يساعد هذا في وضع مبادئ توجيهية لكيفية تصميم الهياكل المقاومة وخفيفة الوزن.
المقذوفات الأولية هي التي تحدث أكبر قدر من الضرر
سواء حدثت في حوادث أو عن قصد، يمكن للانفجارات أن تسبب أضرارًا جسيمة، يمكن أن يتمزق الحطام والشظايا من أجزاء من المباني أو السيارات أو الحصى أو الحجارة، عندما يضربوا ، يمكنهم التصرف مثل المقذوفات.
يقول ستافنا، الذى أجرى الأبحاث في وكالة الدفاع النرويجية، إن أي مبانٍ أو سيارات أو أشياء أخرى في المنطقة المجاورة ستتعرض لحمل أكثر خطورة مما لو حدث أي حمل إجهاد بمفرده، يُعتقد أن الضرر يكون أكبر عندما تضرب الشظايا أولاً.
كما يقول “هذا لأن الهيكل به عيب أو ضعف بالفعل من القذيفة، ومن ثم يجب أن يتحمل موجة الصدمة نفسها”، “في أغلب الأحيان، يبدأ التشقق والدمار في النقاط الضعيفة.”
هياكل أكثر أمنًا ومجتمعًا أكثر أمانًا
حاول الباحث الاعتماد على أكثر من 80 اختبار انفجار صغير الحجم على ثلاثة أنواع مختلفة من الفولاذ، من خلال الجمع بين التجارب الفيزيائية والنظرية والنمذجة الرياضية، أعاد إنشاء الأحمال المتفجرة في محاكاة الكمبيوتر، بهدف الحصول على أكبر قدر ممكن من التحكم في كيفية تفاعل الهياكل مع مثل هذه الأحمال.
كلما زاد فهم العلماء للفيزياء الفعلية لهذه الأحمال، زادت دقة الحلول الآمنة والمستدامة التي يمكن لمهندسي البناء في المستقبل تقديمها.
خطر المبالغة في تقدير القوة
يمكن أن تستمر موجة الصدمة لعدة أجزاء من الثانية وتسبب دمارًا كبيرًا على مساحة كبيرة، يتحرك الجزء بشكل أسرع وينتج عنه ضررًا مركّزًا، تعني محاكاة هذا التأثير المشترك أنه يجب عليك وصف ظاهرتين مختلفتين تمامًا في نفس النموذج فهي معقدة.
كما يقول ستافنا “غالبًا ما ينتهي بك الأمر بنوع من المقايضة، من أجل التقاط نقاط الضعف المحلية التي تحدث أثناء الانفجار، نحتاج إلى تحديد مدى دقة أوصاف تأثير الشظايا، إذا لم نفعل ذلك لتحقيق السيطرة الكاملة على هذا ، يمكن للنموذج المبالغة في تقدير قوة المبنى لتحمل الضغط”.
بحاجة إلى حلول يمكن الوثوق بها
المبالغة في تقدير القوة يمكن أن يكون لها عواقب وخيمة. يجب أن تكون الحلول التي يقدمها مهندسو البناء موثوقة، كان جزء كبير من العمل هو التحقق من مدى دقة النماذج التي يجب أن تكون لضمان مبانٍ موثوقة.
كان النهج الشائع هو افتراض أن الشظايا ضربت قبل حدوث موجة الصدمة، يجب بعد ذلك تقسيم التجارب الفيزيائية إلى تسلسلين مختلفين يتبع كل منهما الآخر، غالبًا ما تستخدم مثل هذه الدراسات نهجًا مبسطًا، حيث تحتوي قطع الاختبار على ثقوب يتم طحنها بواسطة الآلة لتقليد الضرر الناجم عن الشظايا الحقيقية.
المبالغة في تقدير المرونة
قارنت الدراسة، التي نُشرت الدراسة في مجلة Engineering Failure Analysis سلوك الألواح المشكّلة مع الصفائح المصابة بمقذوفات حقيقية، خلقت المقذوفات الحقيقية شقوقًا صغيرة تشبه البتلة وتشوهًا حول نقاط التأثير، في حين أن العيوب المشكلة مسبقًا لها حواف متساوية تمامًا.
وأظهرت اختبارات الانفجار، أن الدمار بدأ في الشقوق وانتشر إلى الخارج، وبالتالي يوضح الباحث أن النهج المبسط به نقاط ضعف.
كما يقول “العيوب المثالية، كما هو الحال في الألواح المشكّلة، أسهل في الاختبار والمحاكاة، ولكن نظرًا لأنها تفتقر إلى التشوهات والأضرار التي تحدث في الانفجارات الحقيقية، فهناك خطر المبالغة في قوة المواد في هذه النماذج”.
حاجة كبيرة لمحاكاة الكمبيوتر
إن فهم الحاجة إلى تطوير عمليات محاكاة حاسوبية دقيقة أمر سهل بما فيه الكفاية، لا يمكن للباحثين الذين يعملون بحسابات القوة تفجير المباني الفعلية لاختبار مرونتها.
لقد بذل الباحث الكثير من العمل في تصميم اختبارات انفجار صغيرة الحجم يمكن التحكم فيها وموثوقة، ويعتقد أن أبحاثه ستكون مفيدة للباحثين العسكريين والمدنيين الآخرين، وتعد عمليات المحاكاة الدقيقة والموثوقة للاستخدام الصناعي مكلفة حاليًا وتستغرق وقتًا طويلاً.
أنتجت الاختبارات العديدة كميات كبيرة من البيانات التي قد تهم أقسام البحث والتطوير في الشركات الكبيرة. يتيح العمل إمكانية محاكاة سلوك الهياكل عند ثنيها أو شدها أو تشوهها.
في المجموع، أجرى 110 اختبارًا ، منها 82 تجربة انفجار، التقطت الكاميرات عالية السرعة التي تصور 37000 إطار في الثانية التفاصيل نظرًا لتلف الألواح الفولاذية.
