كيفية تحسين مقاومة أبراج نقل الطاقة للرياح؟

آليات حمل الرياح المؤثرة على أبراج نقل الطاقة

تُسبِّب آليات حمل الرياح إجهادات حرجة على أبراج نقل الطاقة، ما يستدعي فهماً دقيقاً لتصميم مقاومٍ للرياح بكفاءة. وتؤدي التفاعلات الهوائية إلى أنماط معقدة من القوى — وبخاصة في هياكل الأبراج الشبكية المفتوحة — حيث تتقاطع تيارات التدفق المضطرب، وانفصال الدوامات، والتكبير الديناميكي لتُشكِّل تحدياً للسلامة الإنشائية أثناء أحداث الرياح العالية.

انفصال التدفق المضطرب واختلال الضغط حول أسطح البرج الشبكي

عندما يمر الرياحُ على أبراج الشبكة، فإنها تُحدث مناطق اضطراب وتفاوت في توزيع الضغط على السطح. وتؤدي هذه الفروق في الضغط إلى قوى سحبٍ كبيرة تُثقل كاهل المفاصل الإنشائية والأجزاء الرقيقة من الهيكل، خاصةً عندما تعلق تدفقات الهواء داخل البنية الداخلية للبرج. وخلال الهبات القوية، نلاحظ عادةً فروقًا في الضغط تتجاوز 30% بين الجانبين المتقابلين من البرج، ما يُسرّع من عملية التآكل والانهيار في تلك النقاط الاتصالية الحيوية. وتدعم الأبحاث التي أُجريت في أنفاق الرياح هذه الملاحظة، حيث أظهرت أن هذه الاختلالات في الضغط تُعدُّ إحدى الأسباب الرئيسية وراء دورات الإجهاد المتكررة في هياكل خطوط النقل ذات الشبكة، وفقًا للنتائج المنشورة في مجلة هندسة الرياح عام 2017. وللمواجهة هذه المشكلة، يبدأ المهندسون بتعديل المسافات بين الأذرع العرضية. وهذه التعديلات التصميمية تساعد في تفكيك أنماط تدفق الهواء المنظمة وتقليل الفروق في الضغط قبل أن تنتشر عبر هيكل البرج بأكمله.

ظواهر انفصال الدوامات، والظل الهوائي، والتضخيم الديناميكي

عندما يمر تيار الهواء على عناصر البرج، فإنه يُحدث ظاهرة تُعرف باسم «انفصال الدوامات»، والتي تؤدي إلى قوى رفع وسحب تؤثِّر ذهابًا وإيابًا على المنشآت. وأحيانًا تتزامن هذه القوى مع التردد الطبيعي لاهتزاز المنشأة، ما يؤدي إلى حدوث مشكلات. أما العوامل الواقعة في اتجاه مجرى الهواء مثل الأبراج الأخرى القريبة أو حتى الملامح الطبيعية للتضاريس، فهي تُشكِّل ما يسمِّيه المهندسون «الظلال khíوديناميكية». وهذه الظلال تُخلُّ بالنمط الطبيعي لتيارات الرياح، بل وتزيد من شدة الاضطراب في مناطق معيَّنة فعليًّا. ويتسبب هذا التكامل من العوامل في تضخيم الاستجابة الإنشائية بشكلٍ كبير. وقد أظهرت الاختبارات الميدانية أن هذه الظاهرة قد تؤدي — وفقًا للدراسات المشار إليها في دليل جمعية المهندسين المدنيين الأمريكية (ASCE) رقم 74 الصادر عام 2010 — إلى ازدياد إجهادات المواد بنسبة تصل إلى نحو ٤٠٪. كما أن هبوب الرياح بزاويةٍ مائلةٍ يجعل تأثيرات هذه الظلال أكثر وضوحًا. ولذلك، يجب على المهندسين تركيب أنظمة امتصاص الاهتزازات مثل «الشريكات الحلزونية» الملفوفة حول الأعمدة، أو «المثبِّتات الكتلية المُهيَّأة» التي نراها في المباني الشاهقة. وهذه الأنظمة تساعد في تفكيك أنماط الدوامات قبل أن تخرج عن السيطرة وتسبِّب أضرارًا عبر تأثير السلسلة التفاعلية هذا.

أنماط الفشل الحرجة والثغرات الهيكلية في الأحداث ذات الرياح العالية

انبعاج الوصلات وعدم استقرار العناصر: الدروس المستفادة من إعصار مانغخوت (٢٠١٨)

كشفت الرياح التي بلغت سرعتها ٢٠٠ كم/ساعة الناجمة عن إعصار مانغخوت عن ضعفٍ جسيمٍ في طريقة توصيل أبراج الشبكة المعدنية، ما أدى إلى سلسلة من الانهيارات عبر شبكة الكهرباء في مقاطعة قوانغدونغ. وأدّت القوى الرياحية المؤثرة خارج المركز على الوصلات المُثبتة بالبراغي إلى انحناء تدريجي في العناصر الإنشائية المائلة، وبخاصة عند نقاط التقاء الأذرع العرضية، حيث تجاوزت إجهادات الانحناء والقوى الانضغاطية معًا قوة التوصيل. وعند تحليل آثار الإعصار، تبيّن أن نحو ثلاثة أرباع حالات انهيار الأبراج خلال إعصار مانغخوت كانت ناجمةً عن مشاكل هذه الوصلات، مما تسبّب في أضرارٍ تجاوزت ١,٢ مليار دولار أمريكي وفقًا لبحثٍ نشره تشين وزملاؤه عام ٢٠٢٢. وما يميّز هذه الحالة عن الفشل البسيط في المكونات هو أن مشاكل التوصيل تنتشر بسرعة عبر الهيكل المعدني الكامل. ولذلك فإن المعايير الصناعية الحديثة مثل المعيار الدولي IEC 61400-24 الصادر عام ٢٠١٩ تُلزم المهندسين الآن بأداء تحليلات ديناميكية غير خطية عند تصميم الوصلات للمواقع التي تتعرّض بشكل متكرر للأعاصير.

التدهور الناتج عن الإرهاق مقابل الانهيار الثابت: لماذا يجب أن تتطور عمليات تقييم الأبراج الحديثة؟

تركز معظم الطرق التقليدية على حدود الانهيار الثابت، بينما تغفل الضرر التدريجي الناتج عن الإرهاق الذي تسببه التعرُّض المتكرِّر للرياح. ووفقًا لأحدث الدراسات، فإن نحو ٦٠٪ من حالات الفشل المرتبطة بالرياح تعود في الواقع إلى انتشار شقوق دقيقة عند نقاط تركُّز الإجهاد، وليس إلى أحداث تحميل مفاجئة كما ورد في تقرير المرونة السنوي لمعهد أبحاث الكهرباء (EPRI) لعام ٢٠٢٣. ويتفاقم هذه المشكلة على طول السواحل، لأن تآكل مياه البحر المالحة يتفاعل مع دورات الإجهاد المستمرة، مما يقلل من المدة التي يمكن أن تقاوم فيها المواد هذه القوى بنسبة تقارب النصف. وانطلاقًا من هذا الفهم، بدأت العديد من شركات المرافق الرائدة في تبني منهجيات تقييم تراعي التحمُّل للعُطب بدلًا من الاقتصار على التحقق من مقاومة المواد فقط. كما أنها تستبدل تقنيات الفحص القديمة باختبارات فائقة الدقة بالموجات فوق الصوتية ذات المصفوفات المُرحَّلة، والتي تكشف العيوب المخفية تحت السطح قبل أن تنمو هذه الشقوق إلى حجمٍ لا يمكن تجاهله.

استراتيجيات مُثبتة في التصميم لتحسين مقاومة البرج للرياح

تحسينات هوائية: تحسين هندسة الذراع العرضي وتقنيات خفض المساحة

عندما يقوم المهندسون بتعديل شكل الأذرع العرضية، يمكنهم تقليل مقدار الهواء المُصطدم بالسطح الأمامي ومنع تشكل تلك الدوامات المزعجة. وتدعم الأرقام هذه الفكرة أيضًا: فبحسب بحث أجرته «المختبر الوطني للطاقة المتجددة» (NREL) في عام ٢٠٢٣، فإن الأشكال البيضاوية تخفض بالفعل الاهتزازات الناجمة عن تيارات الهواء الدوّارة بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٢٠٪ مقارنةً بالتصاميم التقليدية ذات الشكل المكعب. أما الحيلة الأخرى فهي تقليص المساحة الإجمالية المعرَّضة لتأثير الرياح، وذلك عبر إزالة بعض العناصر الإنشائية عند الإمكان، وحفر ثقوب في الأجزاء غير المُلزَمة بتحمل أي أحمال. وتؤدي هذه التعديلات إلى خفض مقاومة الهواء بنسبة تتراوح بين ١٠٪ و١٤٪ مع الحفاظ على نفس درجة القوة والاستقرار. وتُستخدم نماذج حاسوبية تُسمى «محاكاة ديناميكا الموائع الحاسوبية» (CFD) للتحقق من أن جميع هذه التحسينات تعمل بكفاءة حتى عندما تهب الرياح بزوايا مختلفة، بدءًا من الزاوية صفر درجة (أي مواجهة مباشرة) وحتى الزاوية ١٨٠ درجة (أي مواجهة من الجهة المقابلة تمامًا). أما بالنسبة للأبراج المرتفعة جدًّا التي يزيد ارتفاعها عن خمسين مترًا في المناطق المعرَّضة لإعصارات، فإن الحفاظ على نسبة المواد الصلبة ضمن قيمة أقل من ٠٫٣ عبر زيادة المسافات بين العناصر الإنشائية يُحدث فرقًا كبيرًا. ويُسهم هذا في تقليل الاهتزازات غير المرغوب فيها، لا سيما في ظروف الطقس الفوضوية التي تهب فيها الرياح من اتجاهات متعددة في آنٍ واحد.

تعزيز الهيكل: تحسينات في العناصر الداعمة، وتصلب المفاصل، ودمج أنظمة التخميد

عند تعزيز الهياكل لمقاومة الفشل، يركّز المهندسون على المناطق المشكلة باستخدام أنظمة الدعم المثلثي التي تساعد في توزيع قوى الرياح القادمة من الجوانب. ويمكن أن يؤدي ترقية الأعمدة القطرية إلى زيادة الصلابة الجانبية بنسبة تتراوح بين ٢٥٪ وربما تصل إلى ٣٠٪. وتعمل تركيبة الدعم على شكل الحرف «ك» (K-bracing) بشكل خاص فعّال في منع عناصر الضغط من الانبعاج عند مواجهة هبات رياح شديدة جدًّا، وفقًا للمعايير مثل المعيار الدولي IEC 61400-24 لعام ٢٠١٩. أما تقوية الوصلات فهي تشمل أمورًا مثل إضافة ألواح التقوية (gusset plates)، وتشديد البراغي عالية القوة قبل التركيب، وتدعيم ألواح القواعد. ويؤدي هذا النهج إلى الحد من مشاكل الدوران، وتقليل احتمال ظهور الشقوق الناتجة عن الإجهاد المتكرر (التعب) بنسبة تبلغ نحو ٤٠٪. وللحصول على حماية إضافية ضد الاهتزازات الناجمة عن الرياح، تُطبَّق طرق امتصاص اهتزازية تكميلية، ومنها أجهزة المثبِّتات الكتلية المُهيَّأة (tuned mass dampers) أو الأجهزة المملوءة بسوائل لزجة التي تمتص ما بين ١٥٪ و٢٥٪ تقريبًا من الطاقة الحركية أثناء تلك الاهتزازات المزعجة الناتجة عن الرياح. وبمجملها، تدفع هذه الأساليب المختلفة نقطة انهيار الهياكل إلى ما بعد سرعات الرياح التي تبلغ ٥٥ مترًا في الثانية. وقد أكّدت الاختبارات الكاملة الحجم هذه الفعالية تحت ظروف إعصار مُحاكاة، ما يمنح المهندسين ثقةً في تصاميمهم.

الأسئلة الشائعة

ما هو انفصال الدوامات؟

يحدث انفصال الدوامات عندما يمر الرياح فوق هيكل ما، مما يؤدي إلى تشكُّل مناطق منخفضة الضغط تتبدَّل بشكل دوري، وتُسبِّب حركة تذبذبية ذهابًا وإيابًا، وبالتالي تولِّد قوى رفع وسحب تؤثِّر على الهيكل.

كيف يمكن أن يؤثر التظليل khíوديناميكي على برج النقل؟

يُخلِّف التظليل khíوديناميكي اضطرابًا في أنماط الرياح الطبيعية، فيُفاقم من شدة الاضطرابات الجوية ويزيد من الإجهادات المؤثِّرة على هياكل الأبراج، لا سيما في المناطق الواقعة خلف العوائق مثل الأبراج الأخرى أو الملامح الطبيعية للتضاريس.

ما هي بعض الاستراتيجيات التصميمية لتحسين مقاومة الرياح في أبراج النقل؟

تشمل استراتيجيات التصميم تحسين هندسة الذراع العرضي، وتقنيات خفض المساحة، وإضافة عناصر دعم مُحسَّنة، وتقوية المفاصل، ودمج أنظمة امتصاص الاهتزازات لتوزيع قوى الرياح ومنع حدوث نقاط ضعف هيكلية.