الجدران الخارجية والأسقف ذات الشكل الموجي يمكن أن تقلل ضغط الرياح الإعصارية بنسبة تصل إلى 60%

أظهرت المباني ذات الجدران الخارجية والأسقف ذات الشكل الموجي أداءً أفضل بكثير من الهياكل التقليدية في مقاومة الرياح القوية للأعاصير، حيث يمكن تقليل ضغط الرياح الأقصى بنسبة تصل إلى 40% إلى 60%. ويوفر هذا الاكتشاف للمهندسين المعماريين والمهندسين طريقة سلبية قائمة على الهندسة لتحسين مرونة الهياكل دون الحاجة إلى إضافة المزيد من المواد أو تقوية المباني.

كيف تضر الرياح بالمباني عندما تهب الرياح نحو هيكل مسطح، فإنها تنزلق فوق السطح وتنفصل عند الحواف الحادة، مشكلة دوامات تتركز في زوايا الأسقف وحوافها لتوليد قوى شفط قوية. وتولد مناطق الضغط المنخفض المركزة هذه قوى رفع قوية تسحب ألواح الأسقف للأعلى. وخلال الأعاصير، تحدث أعلى أحمال الشفط في المباني منخفضة الارتفاع النموذجية في هذه الزوايا والحواف تحديداً. وتشمل استراتيجيات التخفيف الحالية تدوير الزوايا، وإمالة الجدران، والتصاميم المتراجعة، وبناء جدران أكثر سمكاً وقوة فحسب. وجميع هذه الأساليب تزيد التكلفة، وغالباً ما لا تناسب تعديل الهياكل القائمة.

منهجية بحث الهندسة الموجية

طور فريق بحثي بقيادة Pedro Fernandez-Caban، الأستاذ المساعد في الهندسة المدنية في كلية FAMU-FSU للهندسة، نماذج مطبوعة ثلاثية الأبعاد لنفق رياح لمباني منخفضة الارتفاع ذات أسقف وجدران خارجية موجية، لتحل محل التصاميم المسطحة التقليدية. واختبروا تصاميم تتراوح فيها سعة الموجة من 5% إلى 10% من ارتفاع المبنى، وقارنها بالتصاميم المسطحة القياسية. وقاس الباحثون بيانات ضغط الرياح على أسطح النماذج عند هبوب الرياح من اتجاهات متعددة. وقدم النموذج ذو أعمق موجة أفضل أداء.

عند وصول سعة الموجة إلى 10% من ارتفاع المبنى، انخفض ضغط الرياح الأقصى بالقرب من زوايا الأسقف والجدران بنسبة 40% إلى 60% بغض النظر عن اتجاه الرياح.

آلية هذا التحسين ديناميكية هوائية. فبدلاً من الانزلاق بسلاسة فوق الأسطح المسطحة والانفصال عند الحواف لتشكل دوامة كبيرة متماسكة، يواجه الهواء المتدفق فوق الأسطح الموجية سلسلة من التلال والوديان. يتدفق الهواء فوق التضاريس المتموجة، متكسراً إلى مناطق انفصال متعددة أصغر بدلاً من تشكيل دوامة مهيمنة واحدة. وتولد هذه المناطق الأصغر والمتناثرة شفطاً مركزياً أقل بكثير في أي نقطة مفردة مقارنة بالتصاميم التقليدية. و وصف Fernandez-Caban هذا التأثير قائلاً: "تقلل هذه الأشكال المعمارية غير التقليدية من الأضرار في أشد حالات الطقس قسوة.

إنها أداة أخرى للمهندسين والمصممين للوقاية من أضرار الرياح."

التأثيرات الأوسع للهندسة الموجية

أشار فريق البحث إلى أن المبادئ الديناميكية الهوائية الكامنة وراء الهندسة الموجية لا تقتصر على هندسة الرياح فحسب. فطريقة تأثير الديناميكا السائلة على تفاعل الهواء مع الأسطح المتموجة تشترك في نفس المبادئ الفيزيائية الأساسية مع مجالات أخرى مثل الملاحة الجوية، والعلوم البيئية، والمحيطات الفيزيائية. وقال Fernandez-Caban: "نحن نتعامل مع الهواء، بينما قد يتعامل مهندسون وعلماء آخرون مع الأمواج والماء، لكن فهم الديناميكا السائلة يمكن أن يوجه التصميم والهندسة عبر المجالات المختلفة."

يجري فريق البحث حالياً تجارب إضافية في نفق الرياح لتوصيف سلوك تدفق الهواء حول أنظمة المغلفات الموجية بشكل أفضل، وليس فقط قياس ضغوط الأسطح. كما يخططون لاستخدام نمذجة الديناميكا الحسابية للسوائل لتحسين الهندسة الموجية بشكل أكبر، واختبار ملامح الأسطح التي لم يغطها البحث الأولي. وشارك في تأليف الدراسة الأستاذ المساعد Qian Zhang، وطالبة الدكتوراه Arezoo Bakhshizadeh، والخريج Peter Tsouroukdissian، بدعم من جامعة ولاية فلوريدا وكلية FAMU-FSU للهندسة.

مع ازدياد شدة الأعاصير بسبب ارتفاع درجات حرارة المحيطات، يمثل الاعتماد على حلول ديناميكية هوائية سلبية بدلاً من زيادة الكتلة الهيكلية خطوة نحو تصميم مباني أكثر مرونة. ونُشر البحث في مجلة "Engineering Structures".

أهمية التصميم الموجي لسلامة المباني

مع زيادة شدة الأعاصير بسبب تغير المناخ، تواجه تصاميم المباني التقليدية تحديات أكبر. إن تصميم الجدران الخارجية والأسقف ذات الشكل الموجي لا يقلل ضغط الرياح بشكل فعال فحسب، بل يعزز أيضاً مرونة الهياكل دون زيادة تكاليف المواد. وتوفر هذه الطريقة المبتكرة القائمة على الديناميكا الهوائية منظوراً جديداً للمهندسين المعماريين والمهندسين، لا سيما في تعديل الهياكل القائمة. وفي المستقبل، قد تلعب هذه التقنية دوراً مهماً في مجالات هندسية أخرى أيضاً، مما يدفع نحو ابتكارات تصميمية أوسع.