ناطحات سحاب تتحرك ولا تسقط.. ماذا يحدث عندما تضرب الرياح المباني الشاهقة؟

في كل مرة ننظر فيها إلى ناطحة سحاب شاهقة، يبدو المبنى للعين ثابتًا وصلبًا، وكأنه قطعة واحدة صماء لا يمكن أن تتزعزع مهما بلغت سرعة الرياح؛ لكن الحقيقة الهندسيّة مختلفة تمامًا؛ فالأبراج العملاقة تتحرك بالفعل، وتتعرض للاهتزاز والانحناء المستمر تحت تأثير الرياح، إلا أن هذه الحركة تكون محسوبة بدقة ومراقبة ضمن التصميم الإنشائي للمبنى.

وتكتسب هذه الحقيقة أهمية خاصة مع الاحتفال باليوم العالمي لناطحات السحاب في 3 سبتمبر سنويًا، وهو التاريخ الذي يسلط الضوء على تاريخ المباني الشاهقة والهندسة المعمارية المذهلة، ويرتبط بميلاد المهندس المعماري الأمريكي لويس سوليفان، أحد أبرز رواد العمارة الحديثة.

فيزياء الارتفاع

كلما ازداد ارتفاع المبنى مقارنة بعرضه، أصبح أكثر تأثرًا بالقوى الجانبية، وعلى رأسها الرياح العاتية، فعندما تضرب الرياح واجهة البرج، لا تنتقل القوة إلى الأسفل في خط مستقيم فقط، بل تتسبب في حركة جانبية واهتزازات ديناميكية تتغير بحسب سرعة الرياح، واتجاهها، وشكل المبنى الخارجي.

ولا يعني تحرك البرج بأي حال أنه معرض للانهيار؛ فعلى العكس تمامًا، تسمح التصميمات الهندسية الحديثة بدرجة معينة ومدروسة من الحركة، لأن محاولة جعل مبنى شاهق صلبًا وقاسيًا تمامًا قد تؤدي إلى زيادة الأحمال والضغوط الهائلة التي تمزق الهيكل من الأساس.

وفي هذا السياق، توضح دراسة منشورة في دورية "Nature Communications" أن التعامل الاحترافي مع حركة المباني الشاهقة أصبح ركيزة أساسية لتطوير تصميمات أكثر استدامة وكفاءة.

وتشير البيانات إلى أن أنظمة التخميد الحديثة قادرة على تقليل الاستجابة الناتجة عن الرياح بصورة جذريّة؛ ففي اختبارات أجريت على نموذج مبنى بارتفاع 300 متر، نجح النظام المدروس في خفض ذروة التسارع بأكثر من 70% في بعض الحالات الحرجة.

ابتكار هندسي: كيف يتغلب المهندسون على "تأثير البندول"؟

وحسب دراسة في Nature Communications، تعتمد ناطحات السحاب على منظومة هندسية متكاملة لمقاومة تأثير الرياح، تبدأ من شكل المبنى نفسه ولا تنتهي عند التقنيات الدقيقة.

ويأتي في مقدمة هذه الأساليب تغيير شكل البرج مع الارتفاع تدريجيًا؛ فبدلاً من بناء هيكل مستطيل طويل بواجهة مستوية وثابتة، يتم اللجوء إلى التدرج، أو الانحناءات الحلزونية، أو تغيير اتجاهات الواجهات لكسر دوامات الرياح المنتظمة وتقليل تذبذبها.

ويُعد برج خليفة في دبي مثالاً عالميًا بارزًا على فاعلية هذا النهج؛ فقد خضع المبنى لأكثر من 40 اختبارًا في أنفاق الرياح خلال مراحل التصميم المختلفة، وذلك لدراسة تأثير التيارات الهوائية والتأكد من قدرة البرج الكاملة على التعامل مع الأحمال الشديدة والاهتزازات.

«مكابح» السماء.. مخمدات الكتلة المضبوطة

إلى جانب الشكل الخارجي، تطرقت الهندسة الحديثة إلى تقنية متطورة تعرف باسم مخمد الكتلة المضبوطة (Tuned Mass Damper)، والتي تعتمد على تعليق كتلة ضخمة وهائلة داخل الطوابق العليا لتتحرك بعكس اتجاه تأرجح المبنى.

وتبدو الفكرة للوهلة الأولى غير معتادة: عندما يميل البرج في اتجاه معين، تتحرك الكتلة المعلقة بدقة لتمتص الصدمة وتعمل بمثابة «مكابح» طبيعية للاهتزاز.

وتتطور الأبحاث المعاصرة نحو أنظمة أذكى تستفيد حتى من الكتلة الإنشائية الداخلية للمبنى نفسه بدلاً من إضافة أوزان ضخمة منفصلة.

راحة السكان.. المعيار الخفي للتصميم

وفقًا لموقع nature، لا يقتصر الهدف الهندسي على منع انهيار المبنى فحسب، بل يمتد ليشمل عنصرًا لا يقل أهمية وهو راحة الأشخاص الموجودين داخله؛ فحتى وإن كانت الحركة آمنة تمامًا من الناحية الإنشائية، فإن الاهتزاز الشديد قد يسبب شعورًا مزعجًا أو بالغ القلق للسكان والعاملين في الطوابق العليا.

ولهذا السبب، يولي المهندسون اهتمامًا بالغًا بقياس معدلات التسارع والحركة المريحة للجسم البشري، وليس فقط قدرة الفولاذ والخرسانة على التحمل.

وفي اليوم العالمي لناطحات السحاب، لا تبدو الأبراج العملاقة مجرد إنجاز معماري يمكن رؤيته من بعيد، بل أنظمة هندسية ضخمة مصممة لتتفاعل مع البيئة المحيطة بها.