يثير اصطدام سفينة الشحن الذي دمر جسر فرانسيس سكوت كي في بالتيمور في 26 مارس 2024، تساؤلات حول مقدار ما يمكن للمهندسين القيام به لمنع حدوث مثل هذه الكوارث في المستقبل. هنا، يناقش مايكل ج. تشاجيس، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ديلاوير، كيف تغيرت قوانين تصميم الجسور على مر السنين والتحديات المتمثلة في بناء هياكل جديدة، وتعديل الهياكل الحالية، حتى تتمكن من البقاء على قيد الحياة في الأحداث المتطرفة
ما مدى صعوبة تصميم جسر يتحمل القوة التي أسقطت جسر فرانسيس سكوت كي؟
بمجرد أن يفهم المهندسون القوى التي سيتعرض لها الهيكل، يمكنهم تصميم هيكل يتحمل هذه القوى. ومع ذلك، فإننا نعلم أن كل قوة لها نطاق من المقادير التي يمكن أن تحدث. على سبيل المثال، ليست كل الشاحنات على الطرق تزن نفس المقدار، وليست كل الزلازل بنفس القوة، وليست كل السفن لها نفس الوزن. نحن ندمج هذا التباين في القوى في التصميم.
حتى لو تم بناؤها وفقًا لمجموعة معينة من الخطط، فإن القوة النهائية للهيكل يمكن أن تختلف. المواد المستخدمة لها اختلافات في القوة. على سبيل المثال، سيكون للخرسانة التي يتم تسليمها في يومين متتاليين قوة نهائية مختلفة تمامًا. يتم أيضًا أخذ هذا التباين في قوة الهيكل النهائي بعين الاعتبار في عملية التصميم لضمان سلامة الجسر أو المبنى. من المستحيل أن نتمكن من بناء جسرين من نفس مجموعة الخطط وينتهي بهما الأمر بنفس القوة بالضبط.
استنادًا إلى وزن وسرعة السفينة التي اصطدمت بجسر فرانسيس سكوت كي، فإن قانون تصميم الجسر الأمريكي الحالي يدعو إلى تصميم الجسر لمقاومة قوة جانبية تبلغ 11500 طن. وهذا يعني أن الجسر لديه القدرة على تحمل ضربة جانبية بهذا الحجم. ويعادل ذلك وزن حوالي 50 طائرة بوينغ 777 محملة أو وزن برج إيفل. وفي حين أن هذه قوة جانبية كبيرة جدًا، إلا أنه يمكن تصميم الهياكل لمقاومة مثل هذه القوى. يتم تصميم المباني الشاهقة بشكل روتيني لمقاومة الأحمال الجانبية بهذا الحجم والتي تنتج عن الرياح أو الزلازل. ومع ذلك، فالأمر يتعلق بالمبلغ الذي يريد المرء إنفاقه على الهيكل، ويجب موازنة العديد من أهداف وقيود التصميم مع بعضها البعض.
ماذا يفعل المهندسون لضمان السلامة في الأحداث المتطرفة؟
إن معرفتنا بكيفية تأثير الأحداث المتطرفة على الهياكل تتطور باستمرار. أحد المجالات التي يظهر فيها هذا الأمر واضحًا جدًا هو هندسة الزلازل. بعد كل زلزال، يتعلم المهندسون الإنشائيون ما الذي نجح وما لم ينجح، ومن ثم تتطور قواعد تصميم البناء والجسور. يحاول مالكو البنية التحتية أيضًا تعديل الهياكل الحالية التي تم تصميمها وفقًا للرموز السابقة.
تعد اصطدامات السفن وتأثيرها على الجسور مجالًا مشابهًا للفهم المتطور ورموز التصميم المحسنة. كان هناك أكثر من 35 انهيارًا كبيرًا للجسور على مستوى العالم نتجت عن اصطدام السفن في الفترة من 1960 إلى 2015. يقوم المهندسون بتقييم الأعطال، ويقومون بتحديث الرموز الهندسية بحيث تأخذ في الاعتبار تأثيرات اصطدامات السفن بشكل أفضل.
كيف تطور تصميم الجسر منذ بناء جسر بالتيمور؟
تم تصميم جسر فرانسيس سكوت كي في أوائل السبعينيات. بدأ البناء في عام 1972، وافتتح أمام حركة المرور في عام 1977. وقد سبق ذلك انهيار طريق صن شاين سكايواي في فلوريدا عام 1980، والذي نتج عن اصطدام سفينة، على غرار ما حدث في بالتيمور. وأدى انهيار الجسر إلى بدء مشاريع بحثية بلغت ذروتها في تطوير مواصفات الدليل الأمريكي في عام 1991، والتي تم تحديثها في عام 2009.
بناءً على تلك المواصفات الإرشادية، تم تغيير رموز تصميم الجسور لتشمل القوى الناتجة عن اصطدام السفن. لم يكن تصميم جسر فرانسيس سكوت كي مطلوبًا للنظر في تأثير اصطدام السفن. ينص قانون تصميم الجسور الحالي في الولايات المتحدة على ما يلي:
“حيثما يكون اصطدام السفن متوقعًا، يجب أن تكون الهياكل:
• مصممة لمقاومة قوى اصطدام السفينة و/أو
• محمية بشكل مناسب بواسطة المصدات، أو الدلافين، أو السواتر، أو الجزر، أو غيرها من الأجهزة القادرة على التضحية.
ومن التغييرات الأخرى منذ السبعينيات أن سفن الشحن زادت في الحجم والوزن. السفينة التي أسقطت طريق صن شاين سكايواي عام 1980 كانت تزن 35 ألف طن، بينما السفينة التي اصطدمت بجسر فرانسيس سكوت كي كانت تزن 95 ألف طن.
مع زيادة وزن سفن الشحن، فإن استراتيجية التصميم الأكثر فعالية من حيث التكلفة لمنع انهيار الجسور بسبب اصطدام السفن قد تكون حماية أرصفة الجسور من التأثير. ويتم ذلك عن طريق بناء نظام الحماية من الاصطدام بالجسر، والذي غالبًا ما يكون عبارة عن هيكل خرساني أو صخري يحيط بالرصيف ويمنع السفينة من الوصول إلى الرصيف، كما يتم ذلك لحماية العديد من آثارنا الوطنية.
تم تركيب نظام حماية الرصيف عند إعادة بناء جسر Sunshine Skyway، وتم استخدامه في العديد من الجسور الأخرى. يتم تطبيق نفس النهج حاليًا من قبل هيئة نهر وخليج ديلاوير بتكلفة 93 مليون دولار أمريكي لحماية أرصفة جسر ديلاوير التذكاري.
ولكن ماذا عن الجسور الموجودة مثل جسر فرانسيس سكوت كي؟ يواجه أصحاب الجسور تحديًا هائلاً في العثور على الموارد المالية اللازمة لتحديث جسورهم لتلبية أحدث قوانين التصميم ولمراعاة أحمال التأثير المتزايدة المتوقعة بسبب السفن الأثقل والأثقل. كلا الأمرين حدثا هنا. وهذا يعني أن رموز التصميم قد تغيرت وتحسنت، وأصبحت الأحمال أكبر بكثير. يبذل المهندسون وأصحاب البنية التحتية قصارى جهدهم لتحديد الأولويات حيث يمكن استخدام أموالهم المحدودة لزيادة السلامة الهيكلية وتقليل فرصة الفشل الهيكلي.
ماذا يمكن للجامعات أن تفعل؟
الوظيفة الأولى للمهندسين الإنشائيين هي حماية الجمهور وتقليل مخاطر الأعطال الهيكلية التي تشكل تهديدًا لحياة الإنسان. وللقيام بذلك، يجب أن يكون المهندسون قادرين على حساب القوى التي قد تتعرض لها هياكلنا. ويشمل ذلك الحالات التي تصطدم فيها سفينة كبيرة بجسر عن طريق الخطأ، أو عندما يضرب زلزال كبير أو إعصار.
في هذه الحالات القصوى، من المؤكد تقريبًا أن الهيكل سيتعرض للضرر، ولكن إذا كان ذلك ممكنًا، فيجب أن يكون مرنًا بدرجة كافية حتى لا ينهار. يتم تحديث رموز التصميم باستمرار لتأخذ في الاعتبار المعرفة الجديدة والمواد الجديدة وتقنيات التصميم الجديدة. تتحسن موثوقية هياكلنا طوال الوقت.
إن إعادة تأهيل الهياكل المبنية على الرموز السابقة هي عملية مستمرة، وهي العملية التي انتقلت بها هذه الكارثة إلى الواجهة. تتمتع الولايات المتحدة بالكثير من البنية التحتية التي تم تصميمها وفقًا للقواعد القديمة، ولدينا شاحنات أكبر تعبر جسورنا، وسفن أكبر تمر تحتها.
لا يمكن للمهندسين أبدًا تقليل احتمالية الفشل إلى الصفر، ولكن يمكنهم تقليلها إلى النقطة التي تحدث فيها حالات الفشل بشكل نادر جدًا وفقط في الحالات التي تجتمع فيها العديد من الظروف غير المتوقعة لتجعل الهيكل عرضة للانهيار.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: مايكل ج. شاجيس، جامعة ديلاوير.
اقرأ أكثر:
لا يعمل Michael J. Chajes لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.