الأنظمة الإنشائية للأبراج الملتوية

تحدَّثنا في مقالٍ سابقٍ عن (الأبراج الملتوية - Twisting Towers) من ناحيةٍ معمارية، وذكرنا أن هذا النوع من الأبراج هو نتيجة تكامل الحاجة المعمارية مع الإنشائية، فما هو الدور الإنشائي لهذه الأبراج؟

يُعدُّ تحمُّل التأثير الديناميكي للرياح من أكثر الوظائف الإنشائية للأبراج الملتوية شيوعًا، إذ يُعدُّ من أبرز التحديات الإنشائية كونه يتعلق بظواهرَ تعتمد على الكثير من العوامل التي لا يمكن توقعها، وتعد (صلابة المبنى - stiffness) من المؤشرات غير المباشرة على قابلية المبنى لتحمُّل التأثيرات الديناميكية، إذ تعمل على زيادة تردد الاهتزاز الطبيعي للمنشأة وتقليل مقدار التسارع المرتبط بـ(الإزاحة الأفقية - horizontal displacement) للمنشأة(1) وتخفيف الاهتزازات عن طريق تشتيت الدَّوَّامات المنتظمة الهوائية الناتجة بتأثير الرياح(2).

وعلى النقيض من الاستجابة الديناميكية؛ فلا تُعدُّ الأشكال الملتوية مفيدةً إنشائيًا بالنسبة للاستجابة الاستاتيكية (السكونية)، وبالمقارنة مع الأبراج العادية المستقيمة؛ فإن عزم العطالة لن يتغير بغض النظر عن زاوية الالتواء، بينما تتفوق الأبراج المستقيمة على الملتوية من ناحية الصلابة الجانبية(2).

من الأنظمة الإنشائية الفعالة في الأبراج التقليدية: (نظام الشبكة الوترية - diagrids) و(النظام الأنبوبي - braced tubes)، إلا أن فعاليتها تقلُّ في الأبراج الملتوية بسبب تناقص الصلابة الجانبية، وتزداد حساسيتها لمعدل الالتواء كلما زاد ارتفاع المبنى(2).

والآن لنستعرض بعض الحلول الإنشائية لأبراجٍ ملتويةٍ عدةٍ تكلمنا عنها سابقا.

«برج البِدع - Al Bidda Tower»، الدوحة، قطر:

يتكون النظام الإنشائي لـ«برج البِدع» من نواةٍ خرسانيةٍ دائرية الشكل، وبلاطاتٍ خرسانيةٍ لاحقة الشد (الإجهاد) مُثبَّتةٍ في الطابق 30، ومُدعَّمةٍ بجسورٍ تصل بين النواة الدائرية والأعمدة الخارجية - التي يبلغ عددها 9- شعاعيا، وتتفاوت الأعمدة بشكل (مقطعها العرضي - cross section) ومساحته، وتميل كلما زاد التواء المبنى، وكذلك توجد (دعامةٌ وتريةٌ - diagrid) من الفولاذ ترتبط بالمحيط الخارجي للمبنى، وتتحول الأعمدة والجسور الحاملة للبلاطة إلى معدنيةٍ بعد الطابق الثلاثين.

تنقل الأحمال الجانبية بوساطة النواة وجمل التربيط الفولاذية، وهي نفس الطريقة التي تنقل بها (أحمال الفتل - torsional loads) الناتجة عن الأعمدة المائلة، (1)، ومن أجل تقليل آثار التحميل على الدعامة الفولاذية؛ تأخر تثبيتها 56 يومًا بعد صبِّ الخرسانة، إذ قُدِّرَ أن تصل قيمة الزحف في هذه الفترة إلى 45% من القيمة الكلية (3).

«برج التطور -  Evolution Tower»، موسكو، روسيا:

يتكون النظام الإنشائي للبرج من بلاطاتٍ ملتويةٍ مربعة الشكل مُحاطَةٍ بإطارٍ خرسانيٍّ مُدعَّمٍ بنواةٍ مركزيةٍ وثمانية أعمدةٍ وفق توزيعٍ مُثمَّنٍ، ويتكون الإطار الخرساني من جسورٍ مستمرةٍ وأربعة أعمدةٍ جانبية، أما الجزء العُلْوي من ناطحة السحاب؛ فهو مُكوَّنٌ من قوسين من الفولاذ الملتوي بطول 41 مترًا و4 دعاماتٍ أصغر حجمًا أسفل الشريط الفولاذي، ويوفِّر التصميم المقترَح الكفاءة والاقتصادية والبساطة (1).

«برج كيان - Cayan Tower»، دبي، الإمارات العربية المتحدة:

تنقل الأعمدة المتدرجة حمولتها عبر بلاطةٍ أرضيةٍ خرسانية، وتميل الأعمدة المحيطية للأمام أو الخلف بزاوية 10 درجاتٍ وفقًا لإزاحة البلاطة، أما النظام المقاوم للحمل الجانبي؛ فهو عبارةٌ عن مزيجٍ من أعمدةٍ خرسانيةٍ محيطية (وجسورٍ رابطةٍ - Spandrel Beams)، بالإضافة إلى نواةٍ مركزيةٍ دائرية. إذ تتكون النواة المركزية  من جدارٍ متصلٍ في كل طابقٍ من خلال بلاطاتٍ إسمنتيةٍ ثنائية الاتجاه تمتد كـ(الغشاء الرابط (diaphragm-  (1)، واستُخدِمَت النماذج الحاسوبية ثلاثية الأبعاد و اختبار نفق الرياح لتحليل ضغط الرياح المؤثِّر على المبنى وتحديد شكل الأعمدة وحجمها (4).

على الرغم من الصعوبات والتحديات التي تواجه هذا النوع من المباني: كصعوبة التنفيذ والتكلفة العالية؛ إلا أنها تقدم فرصةً لاختبار تقنياتٍ جديدةٍ للبناء، ومن المؤكد أن العلم سيستمر في إيجاد حلولٍ لجميع الصعوبات.

المصادر: