بناء جسر مقاوم للزلازل
إن تشييد جسر يمكنه تحمل الزلازل أمر في بساطة بناء نواسة أو أرجوحة فوق بركة مياه في ملعب
البالغ طوله 102 ميل هو الأطول في العالم
”تفتخر منطقة سان فرانسيسكو بخط أفقها، لكنها تشتهر أيضاً بنشاطها الزلزالي“
كيف يمكنك بناء جسر مقاوم للزلازل عندما تكون الظروف الجيولوجية من التقلب بحيث لا يمكن دعمها بالطرق التقليدية، ويطالبك السكان المحليون بأعجوبة معمارية تنافس جسر غولدن غيت؟ كان هذا هو التحدي الفريد الذي واجهته وزارة النقل في كاليفورنيا عندما كلّفت ببناء جسر جديد يربط أوكلاند Oakland بجزيرة يربا بوينا Yerba Buena Island. كثيراً ما تفتخر منطقة سان فرانسيسكو بخط أفقها Skyline، لكنها تشتهر أيضاً بنشاطها الزلزالي. لذلك توجب أن يتمتع هذا الامتداد الجديد بالقوة والجمال. لحسن الحظ، عُثر على إجابة، مأخوذة مباشرة من الملعب. إن أبسط طريقة لفهم كيفية عمل جسر خليج سان فرانسيسكو-أوكلاند هو التفكير في المبادئ الهندسية للنوّاسات Seesaws والأراجيح Swings. تخيل بناء نواسة في ملعب موحل ومشبع بالمياه. لا يتطلب الأمر سوى بقعة صغيرة من الأرض الصلبة لبناء عمود الدعم المركزي الوحيد لتحمل وزن الامتدادين المتساويين. يجلس طفلان على طرفي النوّاسة وأقدامهما على الأرض. يمكن للطفلين الحفاظ على توازنهما بسهولة عن طريق توليد قوى صغيرة نسبياً برجليهما، دون الحاجة إلى حمل وزن النوّاسة أو نفسيهما.
أقدم جسر معروف في العالم هو جسر
أركاديكو Arkadiko Bridge في اليونان
لكن ماذا عن النجاة من زلزال، حيث تنتقل القوى الزلزالية المهتزة من الملعب، عبر عمود الدعم المركزي، لتدمير العارضتين الملحقتين؟ صار عمود الدعم المركزي أطول، وربطت كلا العارضتين في نقاط متعددة بطول كل منهما ومن ثم صارتا معلقتين. الآن، مثل أرجوحة معلقة من شجرة، من الممكن أن يهتز هيكل الدعم بعنف في حين تظل العارضتان المختلفتي الطول بالأسفل ثابتتين نسبياً.
معبر آمن
كيف يمكن لجسر أن يظل ثابتا عند وقوع زلزال
1 عارضة مزدوجة DUAL SPAN
يبلغ طول أطول جسر وحيد العارضة في العالم 385 م. وإلى جانب الجسر المجاور له البالغ طوله 180 م، يتكون من عوارض صندوقية مزدوجة Dual box girders معلقة بكبلات يبلغ طولها 10 م. هذه الكبلات مربوطة من كلا الطرفين ومدعومة فوق سرج البرج المركزي.
2 برج مركزي CENTRAL TOWER
تغطي طبقة سميكة من الطين Mud – يبلغ سمكها أحياناً عشرات الأمتار- والتي تكون أكثر نشاطاً من الصخر الزيتي Shale خلال زلزال، الأساس الصخري للجانب الشرقي من الخليج. يقع البرج المركزي الحامل للوزن بعيداً عن الطين على قاعدة صخرية آمنة بالقرب من جزيرة يربا بوينا.
3 منظومة الدعم SUPPORT SYSTEM
هناك 16 دعامة بطول 100 م وقطر 2.5 م تدعم الرصيف الشرقي East Pier عبر الطين، والمستقرة فوق الصخور أسفلها. تعلو الدعامة محامل Bearings تسمح للطريق بالالتواء في مستوى أفقي أثناء وقوع زلزال، مع مفاتيح قصية Shear keys تمنع الإزاحة الجانبية.
4 تصميم مهتز SHAKY DESIGN
يدعم البرج المركزي البالغ طوله 160 م معظم الحمولة الساكنة Dead load للجسر، لكنه غير متصل مباشرة بالطرق التي تمر معلقة على جانبي البرج. صمّم البرج ليظل مرناً وأن يهتز بشكل مستقل عن الطرق أثناء وقوع الزلزال.
5 إرساء ذاتي SELF-ANCHORING
يؤدي لا تناظر الجسر إلى إخضاع الرصيف الغربي لقوة رافعة Lifting force يرتبط هذا الرصيف بقواعد ثقالية Gravity footings مصبوبة في الصخور أسفله، مع تثبيت إضافي بأربعة دعامات يبلغ طول كل منها 10 م. يوازن الإجهاد الناتج عن الدفع العلوي Uplift بواسطة عارضة سقف خرسانية مسبقة الإجهاد Pre-stressed، مما يعني أن يظل الجسر متوازناً دون الاعتماد على هذا الرصيف لتحمل التوتر.
هل يمكن لهذه الجسور البريطانية أن تنجو من زلزال بقوة 7.0 درجة؟
جسر البرج، لندن (1894) TOWER BRIDGE, LONDON
ستتشقق معظم الجسور الحجرية الصلبة وتفقد سلامتها الهيكلية وتنهار. لكن الكسوة الحجرية لهذا الجسر هي مجرد مظهر تجميلي، تخفي تحتها شبكة قوية ذات هيكل فولاذي. من غير المرجح أن ينهار جسر لندن هذا، على الرغم من أنه قد يحتاج إلى إعادة كسوته بالملاط Repointing.
تقاطع السباغيتي، برمنغهام (1972) SPAGHETTI JUNCTION, BIRMINGHAM
في وجود 559 عموداً خرسانياً يحمل 2.5 ميل من الطريق، لم يصمّم هذا الطريق لتحمل حجم الحركة الجانبية المتوقعة من الطرق السريعة حول صدع سان أندرياس San Andreas Fault. من المرجح أن ينبعج الطريق ويلتوي، مع سقوط أعمدته بشكل كارثي.
جسر فورث، اسكتلندا (1890)
FORTH BRIDGE, SCOTLAND
عبر مسافة تزيد عن 1.5 ميل، يحمل جسر السكك الحديدية الكابولي Cantilever هذا خط إدنبرة-أبردين عبر خور فورث Firth of Forth وهناك جسر جمالوني Truss bridge آخر، هو جسر ميناتو Minato Bridge في اليابان، جار تطويره وتحديثه بخصائص مقاومة للزلازل. من دون إجراء تعديلات مماثلة، قد ينتهي الأمر بالجسر الرابع بالسقوط في الخور.
بقلم: بريندان ووكر
