أسرار ناطحات السحاب المقاومة للزلازل في اليابان

توجد في اليابان بعض أكثر المباني مرونة في العالم بقدر يجعلها تصمد في وجه الزلازل. ويكمن السر في ذلك في قدرة تلك الأبنية على "التمايل" عندما تهتز الأرض من تحتها.

تهيمن ناطحات السحاب المنتشرة في طوكيو وأوساكا ويوكوهاما على الصورة العامة لهذه المدن. وتعطي الأبراج عادةً انطباعاً بأنها راسخةٌ وثابتةٌ، كما يمكن لبناءٍ من صنع الإنسان أن يكون.
وتمثل هذه الأبراج الشاهقة خلفيةً ثابتةً لمشهد الحياة اليومية في المناطق الحضرية اليابانية، كما تفعل في أي مدينة كبيرة ومتقدمة في أي مكان آخر في العالم. وبينما يتحرك الناس وكذلك السيارات بصخب حول هذه الأبنية، تظل راسخةٌ لا تتحرك، وكأنها تربط باقي أرجاء المدينة المفعمة بالنشاط المتواصل والمحموم، وتُبقيها في مكانها.
لكن لا يتطلب الأمر سوى وقوع زلزال كي يتضح أن هذا المنظور ما هو إلا وهم. المسألة تختلف على أي حال في اليابان، إذ يتعين على ناطحات السحاب هناك أن تصبح قادرةً على التمايل مع الزلازل لا أن تنهار بفعلها.
رغم أن زلزال توهوكو الذي ضرب اليابان عام 2011، يُعرف بأنه أحد أكثر الزلازل التي وقعت في الآونة الأخيرة تدميراً، فإنه ليس سوى واحد من الأحداث المشابهة الكثيرة التي يشهدها هذا البلد سنوياً.
فأرخبيل اليابان يقع على طول ما يُعرف بـ "حزام النار حول المحيط الهادئ"، على حافة الصفائح التكتونية لمناطق أوراسيا والمحيط الهادئ والفلبين. وعند الحافة الفاصلة ما بين كل صفيحةٍ وأخرى، تنضغط إحداها تحت الثانية مما يؤدي إلى تراكم ضغوط غير عادية في كثافتها. ويمثل الزلزال تنفيساً لهذه الضغوط، مما يقود لحدوث هزات تصل في قوتها إلى حدٍ كافٍ لتسوية مدينة متوسطة الحجم بالأرض.
لكن الأبراج المُقامة في اليابان ليست بالمباني العادية. فبحسب جِن ساتو، وهو مهندس إنشاءات وأستاذٌ مساعدٌ في جامعة طوكيو، لا بد أن تتمتع كل الأبنية هناك - حتى وإن كانت صغيرةً أو مؤقتةً - بالمرونة اللازمة للصمود في وجه الزلازل التي تضرب هذا البلد.

مصدر الصورة  وهناك مستويان رئيسيان من المرونة يسعى المهندسون بِجد لضمانهما؛ أولهما هو ذاك الضروري للصمود في وجه الزلازل الأقل قوة، من النوع الذي يمكن أن يضرب أي مبنى ياباني ثلاث أو أربع مرات خلال عمره الافتراضي.
وفي إطار هذا المستوى، يتمثل هدف مهندسي الإنشاءات في الحيلولة دون حدوث أي أضرارٍ تحتاج لإصلاحٍ في المبنى جراء هذه الزلازل ضعيفة القوة، وهو ما يعني أن يكون التصميم مُحكماً على نحو يُمَكِّنُ البناء من مواجهة أيٍ من هذه الهزات الزلزالية دون أن تُلْحِق به أذى.
أما المستوى الثاني من المرونة، فهو ذاك اللازم لمواجهة الزلازل شديدة القوة، وهي أقل عدداً وفرصاً في الحدوث بكثير مُقارنةً بالنوع السابق. وتم تحديد مستوى مثل هذه الهزات بناءً على شدة ما يُعرف بـ "زلزال كانتو الكبير 1923".
وكان هذا الزلزال قوياً للغاية، وبلغت شدته 7.9 درجة على مقياس ريختر، ما أدى لتدمير مدينتيْ طوكيو ويوكوهاما، ومقتل أكثر من 140 ألف شخص.
وبالنسبة للزلازل الأكثر قوة من ذلك الزلزال، لا يسعى المهندسون للحفاظ على المبنى في حد ذاته، ويهتمون في المقام الأول بتجنب وقوع خسائر بشرية، ما يعني تسامحهم مع حدوث أي أضرارٍ لا توقع ضحايا.
ويقول زيغي لوبكوفسكي، الخبير في الزلازل في كلية لندن الجامعية، "المرء يصمم المباني لحماية أرواح الناس.. هذا هو الحد الأدنى المطلوب".
حتى يتسنى للمبنى الصمود في وجه القوى الهائلة الناجمة عن الزلازل، يتعين عليه امتصاص أكبر قدرٍ ممكنٍ من الطاقة الزلزالية. ويقول ساتو في هذا الشأن: "لا ينهار المبنى إذا ما كان بمقدوره امتصاص كل الطاقة" التي يوّلدها الزلزال.
ويحدث ذلك في الأساس من خلال ما يُطلق عليه عملية "العزل الزلزالي"، التي يتم فيها وضع المباني أو الهياكل الإنشائية على حوامل أو أسطح تتحمل الصدمات أو تمتصها. وفي بعض الأحيان، تتسم مثل هذه الأسطح ببساطة التكوين، إلى حد كونها مجرد كتلٍ من المطاط يتراوح سمكها ما بين 30 إلى 50 سنتيمتراً تقريباً (من 12 إلى 20 بوصة)، وذلك بهدف تحمل الهزات الناجمة عن الزلزال ومقاومتها.
ويتم وضع هذه البطانات المطاطية تحت الأعمدة الحاملة للمبنى، مهما كان موقعها في أساسات البناء.
ورغم أن مسألة تهيئة وضع الأعمدة الخرسانية وجعلها تستقر على مثل هذه البطانات المطاطية - الموضوعة بدورها فوق قاعدة المبنى - تشكل إحدى الوسائل الرئيسية التي تمكن الأبنية من الصمود في وجه الزلازل؛ فإن اللجوء إلى استخدام صماماتٍ لتثبيط الحركة والاهتزازات وتخفيفها، ونشر هذه الصمامات في نقاطٍ بالطوابق العليا من المبنى، يمكن أن تزيد كذلك من مستوى مرونته.
ويقول لوبكوفسكي: "يمكن أن يتحرك المبنى المرتفع لمسافة 1.5 متر (5 أقدام)، ولكن إذا وضعت صماماتٍ على مستويات علوٍ معينة - بواقع كل طابقين مثلاً وصولاً إلى أعلى البناء - فسيكون بوسعك أن تقلص الحركة إلى مسافةٍ أقل بكثير، ما يمنع حدوث تدمير للبنى الموجودة فوق قاعدة المبنى".
وتبدو هذه الصمامات أشبه بالمضخات التي تُستخدم مع الدراجات الهوائية، باستثناء أنها مملوءةٌ بالسوائل لا بالهواء. وتقوم فكرة عملها على أنها تضغط على السائل الموجود بداخلها، عندما تنضغط هي دون أن يؤدي الضغط الواقع عليها إلى تحريكها سوى بمقدارٍ طفيف. وتقود هذه العملية إلى تقليل الاهتزازات التي تحدث بين جنبات