السر وراء مقاومة البناء باليابان للزلازل

تعتبر اليابان موطنًا لبعض أكثر الهياكل مرونة في العالم. بما في ذلك ناطحات السحاب الشاهقة في مدن مثل طوكيو وأوساكا ويوكوهاما. وتقف هذه المباني، التي تبدو ثابتة، كشهادة على الإبداع البشري. مع ذلك، عندما يضرب الزلزال، تكشف عن طبيعتها الحقيقية، فهي مصممة ليس فقط لمقاومة الطاقة الزلزالية ولكن أيضًا للتأرجح وامتصاصها. تستكشف هذه المقالة التقنيات الرائعة المستخدمة لضمان بقاء ناطحات السحاب في اليابان شامخة أمام الزلازل المتكررة والشديدة في كثير من الأحيان في البلاد، فضلاً عن الاستعداد للكوارث الأوسع نطاقًا التي تحدد التخطيط الحضري والثقافة في اليابان.

التهديد المستمر للزلازل في اليابان

يضع الموقع الجغرافي الفريد لليابان على حلقة النار في المحيط الهادي، حيث تلتقي 4 صفائح تكتونية – الأوراسية والفلبينية والمحيط الهادي وأميركا الشمالية. حيث تؤدي التفاعلات بين هذه الصفائح إلى نشاط زلزالي متكرر. في المتوسط، تشهد اليابان نحو 1500 زلزال ملحوظ سنويًا. وبعض الهزات صغيرة جدًا لدرجة أن الناس لا يلاحظونها حتى. ومع ذلك، تسببت الزلازل الأكثر قوة تاريخيًا في دمار هائل وخسائر في الأرواح، مثل زلزال كانتو العظيم عام 1923، والذي قتل أكثر من 140 ألف شخص ودمر طوكيو ويوكوهاما. إن ضعف اليابان في مواجهة الزلازل هو حقيقة حاضرة دائمًا، مما يستلزم التقدم المستمر في الهندسة والتخطيط الحضري للتخفيف من المخاطر.

الهندسة الزلزالية: البناء للحركة وليس الصلابة

تم بناء ناطحات السحاب في اليابان للبقاء على قيد الحياة في الزلازل من خلال احتضان الحركة بدلاً من مقاومتها. هذا النهج غير البديهي متجذر في فهم عميق لكيفية تفاعل القوى الزلزالية مع الهياكل. فعلى عكس المباني التقليدية التي قد تنهار تحت مثل هذه القوى، تم تصميم ناطحات السحاب اليابانية لامتصاص وتبديد الطاقة.

•  العزل الزلزالي

يعد العزل الزلزالي أحد أهم الابتكارات في البناء المقاوم للزلازل. حيث تتضمن هذه التقنية وضع المباني على ممتصات صدمات كبيرة، غالبًا ما تكون مصنوعة من المطاط أو مواد أخرى، يمكنها مقاومة الحركات الأفقية والرأسية الناجمة عن الزلزال. تعمل محامل العزل الزلزالي هذه على فصل المبنى عن الأرض المهتزة، مما يسمح له بالبقاء مستقرًا نسبيًا بينما تتحرك الأرض تحته. يتم وضع وسادات مطاطية، يبلغ سمكها عادةً ما بين 30 إلى 50 سنتيمترًا، بين أساس المبنى وأعمدته لامتصاص قدر كبير من حركة الأرض. تُستخدم هذه التقنية بشكل شائع في ناطحات السحاب في جميع أنحاء اليابان وقد أثبتت فعاليتها في تقليل الأضرار الناجمة عن الزلازل.

• مثبطات الحركة

تتمثل تقنية أخرى بالغة الأهمية تستخدم في ناطحات السحاب المقاومة للزلازل في اليابان في تضمين مخمدات الحركة. تعمل هذه الأجهزة، التي غالبًا ما تكون مملوءة بالسوائل بدلاً من الهواء، مثل مضخة الدراجة. مع تأرجح المبنى، تمتص المخمدات الطاقة الحركية، مما يقلل من الحركة الكلية. في المباني الشاهقة، غالبًا ما يتم وضع هذه المخمدات على فترات على طول ارتفاع المبنى. على سبيل المثال، قد يتحرك مبنى ما لمسافة تصل إلى 1.5 متر أثناء الزلزال، ولكن مع تركيب المثبطات، يمكن تقليل هذه الحركة بشكل كبير، مما يمنع حدوث أضرار هيكلية.

ومن الأمثلة على هذه التكنولوجيا في العمل برج روبونجي هيلز موري في طوكيو. هذا المبنى المكون من 53 طابقًا مزود بمثبطات زيت مصممة لتقليل الاهتزاز وحماية سلامته الهيكلية أثناء الزلازل.

الهندسة والعمارة: التناغم بين التصميم والوظيفة

إن تطوير المباني المقاومة للزلازل هو تفاعل معقد بين الهندسة والعمارة. في حين يهدف المهندسون إلى ضمان مرونة الهيكل، غالبًا ما يعطي المهندسون المعماريون الأولوية للجماليات والإبداع، مما يؤدي إلى صراعات محتملة بين التخصصين. ومع ذلك، في اليابان، تعلم المهندسون المعماريون والمهندسون التعاون بشكل وثيق، وغالبًا ما يدمجون عناصر زلزالية في التصميم العام للمبنى بطرق تعزز كل من الشكل والوظيفة.

على سبيل المثال، يشتمل برج طوكيو سكاي تري، ثاني أطول مبنى في العالم، على عمود مركزي يعتمد على الباغودا اليابانية التقليدية، مما يسمح له بامتصاص طاقة الزلزال بشكل أفضل. يجمع برج سكاي تري بين الهندسة الحديثة وعناصر التصميم التقليدية لإنشاء هيكل مذهل بصريًا ومرن للغاية في مواجهة الزلازل.

أيضا الهياكل الشبكية المعمارية هي حل مبتكر آخر للمباني المقاومة للزلازل. يمكن لهذه الهياكل أن تساعد في منع الدعامات من الانحناء أثناء الزلزال من خلال توزيع امتصاص الطاقة عبر الهيكل بأكمله. لا تضيف تصميمات الشبكة عنصرًا من الجمال إلى المبنى فحسب، بل تساهم أيضًا في مرونته. يمكن رؤية مثال على ذلك في جامعة هاكوداتي المستقبلية، حيث تساعد الجدران الشبكية في منع الفشل الهيكلي أثناء الأحداث الزلزالية.

تطور قوانين الزلازل في اليابان

لا تتجلى استعدادات اليابان للزلازل في مبانيها فحسب، بل وأيضًا في قوانين البناء الصارمة. وقد تطورت هذه القواعد على مر العقود، حيث تضمنت الدروس المستفادة من الكوارث السابقة.

تم تقديم أول قوانين الزلازل استجابة لزلزال كانتو العظيم المدمر في عام 1923. وعزز قانون معايير البناء لعام 1950 هذه القواعد، حيث وضع معايير دنيا للمباني للبقاء على قيد الحياة في الزلازل التي تصل قوتها إلى 7 درجات. ومع ذلك، جاء أحد أهم التعديلات في عام 1981، عندما تم تقديم معايير البناء المقاومة للزلازل الجديدة. حيث نص هذا التعديل على أن المباني يجب ألا تتحمل سوى أضرار طفيفة أثناء زلزال بقوة 7 درجات مع الحفاظ على وظائفها بالكامل. وفي حالة الزلازل الأقوى، كان لزامًا على المباني تجنب الانهيار، حتى لو كان الضرر واسع النطاق بحيث لا يمكن إصلاحه اقتصاديًا.

تمثل هذه القوانين تحولًا في التركيز من مجرد منع الانهيار الهيكلي إلى ضمان استمرار المباني في العمل بعد الزلزال. وقد أدى هذا التطور إلى إنشاء بنية تحتية أكثر مرونة، مما ساعد في الحد من الإصابات والخسائر الاقتصادية أثناء الأحداث الزلزالية الكبرى.

قانون البناء الياباني (2020)

قانون البناء الياباني لعام 2020 هو دليل شامل مصمم لضمان سلامة المباني وسلامتها البنيوية، وخاصة في مواجهة النشاط الزلزالي. وفيما يلي أهم النقاط:

1. معايير التصميم الزلزالي

•  التصميم الزلزالي الإلزامي:

 يجب أن تلتزم جميع المباني في اليابان بمعايير التصميم الزلزالي الصارمة لضمان قدرتها على تحمل الزلازل. تنطبق هذه القواعد على الإنشاءات الجديدة والتجديدات الكبرى.

• أهداف السلامة ذات المستويين:

• الزلازل الطفيفة: يجب ألا تتعرض المباني لأضرار في الزلازل الطفيفة.
• الزلازل الكبرى: في حالة الزلازل الأقوى، يُسمح للمباني ببعض الأضرار ولكن لا ينبغي أن تنهار، مما يحمي شاغليها.

2. المتطلبات الهيكلية

• عزل القاعدة والمثبطات:

يؤكد قانون البناء على استخدام أنظمة عزل القاعدة والمثبطات. تساعد هذه الأنظمة في تقليل الاهتزاز أثناء الزلزال، وحماية المبنى من الإجهاد الهيكلي المفرط.

• الهياكل الخرسانية المسلحة والصلب:

 يلزم استخدام الهياكل الخرسانية المسلحة أو الفولاذية في المباني لتعزيز المتانة والمرونة، وهو أمر بالغ الأهمية في تحمل القوى الزلزالية.

3. تصنيف المباني

يتم تصنيف المباني إلى فئات بناءً على استخدامها، مع متطلبات مختلفة لمقاومة الزلازل لكل منها. فمثلا يجب أن تتمتع المرافق العامة مثل المستشفيات والمدارس ومراكز الطوارئ بمرونة أعلى بسبب وظيفتها الحرجة أثناء حالات الطوارئ.

4. تجديد المباني القديمة

التحسينات الإلزامية: يتضمن القانون متطلبات تجديد المباني القديمة لتلبية معايير الزلازل المحدثة. وهذا مهم بشكل خاص للهياكل التاريخية والمباني السكنية التي تم بناؤها قبل وضع لوائح أكثر صرامة.

5. مرونة التصميم

يسمح القانون للمهندسين المعماريين والمهندسين بالمرونة في التصميم طالما تم استيفاء معايير السلامة الزلزالية. وهذا يتيح إنشاء هياكل مبتكرة وجميلة تتوافق أيضًا مع معايير السلامة.

6. التصميم القائم على الأداء

يتم تشجيع المهندسين على استخدام التصميم القائم على الأداء، حيث يتنبؤون بكيفية استجابة المبنى لقوى زلزالية محددة، بدلاً من الاعتماد فقط على القواعد الموصوفة. يؤدي هذا النهج إلى حلول أكثر كفاءة وتفصيلاً.

7. التقييم والتفتيش

• الفحوصات المنتظمة:

 يجب أن تخضع المباني، وخاصة البنية التحتية الحيوية، لتقييمات منتظمة لضمان الامتثال للمعايير الزلزالية. وهذا يضمن أن تظل تدابير السلامة فعالة بمرور الوقت.

• الفحوصات بعد الزلزال:

 بعد زلزال كبير، يلزم إجراء فحوصات إلزامية للمباني لتقييم أي ضرر وضمان السلامة قبل إعادة إشغالها.

8. لوائح خاصة للمباني الشاهقة

تتمتع المباني الشاهقة بمتطلبات تصميم إضافية للتعامل مع الاهتزاز والأضرار المحتملة الناجمة عن القوى الزلزالية على ارتفاعات أعلى. وغالبًا ما تكون مجهزة بمثبطات كتلة مضبوطة وأساسات مرنة لامتصاص الصدمات.

9. التركيز على مخاطر تسونامي

في المناطق الساحلية، يجب أن تأخذ المباني أيضًا في الاعتبار مخاطر تسونامي، بالإضافة إلى الزلازل. يتضمن ذلك الأساسات المرتفعة، والتخطيط الاستراتيجي للموقع، ومسارات الإخلاء المدمجة في تصميم المبنى.

10. التصميم الأخضر والمستدام

في السنوات الأخيرة، كان هناك تركيز على دمج الاستدامة البيئية في تصميمات المباني. وهذا ينطوي على استخدام المواد والتقنيات التي لا تضمن السلامة فحسب، بل تساهم أيضًا في كفاءة الطاقة والحد من البصمة الكربونية.

تقنيات البناء الحديثة: التعلم من الماضي

تعكس تقنيات البناء الحديثة المقاومة للزلازل في اليابان الدروس الصعبة المستفادة من الكوارث السابقة. على سبيل المثال، بعد زلزال كوبي عام 1995، الذي قتل أكثر من 6000 شخص ودمر أكثر من 100.000 مبنى، بدأت الحكومة اليابانية جهودًا واسعة النطاق لإعادة تأهيل الهياكل القديمة بتقنيات أحدث وأكثر مرونة.

كما تتضمن إحدى طرق إعادة التأهيل الشائعة تعزيز المباني القديمة بإطارات فولاذية وتثبيت أنظمة عزل القاعدة. لا تعمل هذه الأنظمة على تقليل الاهتزاز فحسب، بل تمنع أيضًا المبنى من السحق بوزنه في حالة وقوع زلزال شديد. يعد إعادة التأهيل أمرًا بالغ الأهمية في اليابان، حيث تكون العديد من المنازل الخشبية التقليدية عرضة للانهيار أثناء الزلازل.

إن التزام اليابان بإعادة تأهيل المباني القديمة هو جزء من جهد أوسع لإنشاء مجتمعات أكثر أمانًا. ولكن إعادة التجهيز قد تكون مكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً، لذا فإن تقنيات البناء الأحدث غالباً ما تكون مفضلة عند إعادة البناء بعد الكارثة.

العيش مع الزلازل: الاستعداد الثقافي في اليابان

في اليابان، لا يقتصر الاستعداد للزلازل على بناء هياكل مرنة. حيث أن ثقافة الاستعداد في البلاد راسخة بعمق في الحياة اليومية. التدريبات أمر شائع، حيث تمارس المدارس والشركات والمراكز المجتمعية بانتظام عمليات الإخلاء في حالات الزلازل والتسونامي.

يتم تنظيم التخطيط للإخلاء بدقة، مع وجود مراكز مخصصة – غالبًا مدارس أو مباني مجتمعية – مزودة بإمدادات الطوارئ مثل الطعام والماء والبطانيات. في المنازل، تحتفظ العديد من الأسر بمجموعات الطوارئ في متناول اليد، مما يضمن إمكانية إخلائها بسرعة إذا لزم الأمر.

و يعد نظام الإنذار المبكر بالزلازل الشامل في اليابان جزءًا حيويًا آخر من استعداد البلاد. يمكن للنظام، المرتبط بشبكة من أجهزة قياس الزلازل في جميع أنحاء البلاد، اكتشاف الاهتزازات المبكرة للزلزال وإرسال تنبيهات إلى السكان قبل أن تضربهم الأمواج الأكثر تدميراً. إن هذا الوقت الثمين – والذي غالباً ما يكون مجرد ثوانٍ أو دقائق – قد يكون كافياً لكي يتمكن الناس من اللجوء إلى المأوى أو إخلاء المناطق عالية الخطورة.

دور التعليم والبحث

يعد التعليم والبحث من المكونات الأساسية لاستعداد اليابان للزلازل. فبعد زلزال وتسونامي شرق اليابان المدمرين في عام 2011، كان هناك تركيز متزايد على كل من استراتيجيات التخفيف الصارمة، مثل تحسين البنية الأساسية، واستراتيجيات التخفيف الناعمة، مثل تعزيز التعليم العام والتوعية بالكوارث.

وتقوم الجامعات اليابانية، مثل معهد أبحاث الزلازل بجامعة طوكيو، بإجراء أبحاث مكثفة حول تقنيات مقاومة الزلازل واستراتيجيات الاستجابة للكوارث. وغالبًا ما يتضمن هذا البحث مسوحات ميدانية للمناطق المتضررة من الزلازل الأخيرة، مما يساعد المهندسين والعلماء على فهم آثار النشاط الزلزالي على المباني والبنية الأساسية.

التطلع إلى المستقبل: هل يمكننا بناء مبانٍ غير قابلة للكسر؟

نظرًا لتعرض اليابان المستمر للنشاط الزلزالي، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو: هل يمكننا بناء مبانٍ مقاومة للزلازل؟ في حين قطعت تقنيات الهندسة الحديثة خطوات هائلة، فلا يوجد شيء مثل البنية المقاومة للزلازل تمامًا. لأن الزلازل غير متوقعة بطبيعتها، وكل منها يمكن أن يفرض تحديات جديدة.

ومع ذلك، يعتقد الخبراء أن الجمع بين التقنيات الحالية – مثل أنظمة عزل القاعدة، ومثبطات الحركة، والهياكل الشبكية – يمكن أن يخلق مبانٍ شديدة المرونة حتى في مواجهة أكبر الزلازل. ومع استمرار المهندسين في اختبار وتحسين هذه التقنيات، فمن المرجح أن تصبح المباني المستقبلية أكثر قدرة على تحمل القوى الزلزالية.

إن بعض التصاميم التجريبية تدفع بالفعل حدود ما هو ممكن. على سبيل المثال، تم تصميم جناح ناوشيما، وهو هيكل شبكي متعدد السطوح تجريبي في كاغاوا، لمقاومة الانحناء أثناء الأحداث الزلزالية. تسمح هذه المشاريع الصغيرة للمهندسين بتجربة مفاهيم جديدة وتطبيق تصميمات ناجحة في النهاية على هياكل أكبر.

إعداد و تقديم  Somaya Chan لمزيد من المحتوى المقدم من الكاتبة، بالإمكان الانضمام لمجموعتها الخاصة عبر فيسبوك.

انضم الآن مجاناً لتصبح عضواً متميزاً في مجلة اليابان للحصول على آخر المستجدات والأخبار من الموقع. مع العديد من العروض والمفاجآت! (اضغط هنا)

صورة المقال الرئيسية:
Photo by Robby McCullough on Unsplash