أيهما أفضل انشائياً العمود الدائري أم العمود المستطيل وما ميزات ومساوئ كل منهما؟ ..إليك الإجابة من المهندسين

يهتم الفن المعماري بتكوين وإنشاء الحجوم والفراغات المخصّصة من أجل احتضان الوظائف والنشاطات الإنسانيّة والاجتماعيّة على مختلف أنواعها وما هو إلا انعكاس لأشكال وسمات الإنجازات الماديّة و الحضاريّة.

واختلف الطراز المعماري حسب كل حقبة أو مرحلة زمنيّة فانقسم إلى انواع مختلفة وعُرفت العمارة العاميّة، والقديمة، والإسلاميّة، وفنّ العمارة الآسيويّة، إضافة إلى عمارة العصور الوسطى، ولا ننسى فنّ عمارة النهضة.

إضافة لوجود عمارة الحداثة، وما قبل الحداثة، وما إلى هنالك من عمارة بيزنطية ورومانيّة وأندلسيّة وغيرها الكثير..

ولكل طراز معماري ما يميزه من شكل الأعمدة والنوافذ والقبب والأسقف وغيرها من التفاصيل المعمارية المدهشة مما قد يجعل المهندسون يشعرون بالإرتباك نتيجة وجود الكثير من الأشكال الهندسيّة،لتصميم الأعمدة مثلا..

ولماذا لازلنا نستخدم حتى يومنا هذا نوعين فقط من الأعمدة في البُنى العمرانية إما العمود الدائري أو العمود المربع؟هذا ما سنسلط عليه الضوء في مقالنا.

بداية سنتكلم عن الفرق المشترك بين أشكال الأعمدة

جميع الأعمدة ذات الأشكال الهندسيّة مثل الشكل المستطيل والشكل المربع والشكل الدائري، ليس لها فرق في السّعة الهيكليّة

حيث أنّ تصميمها يتم بطريقة تحمل كافة الأحمال بشكل مثالي.

ولهذا، فإن الأمر يتوقف على المصمّم، لننسَ شكل الأعمدة ونركّز فقط على الأجزاء الهندسية لفهم السؤال أعلاه بشكل أفضل.

الشكل الدائري أو الأسطواني هو شكل متماثل ومتناظر، بينما يحتوي الشكل المربع على 4 محاور للتناظر، والمستطيل له محوري تناظر, لذلك يكون للأعمدة الدائريّة نفس العطالة في جميع المحاور وذلك يُجنب الانحناء الناتج عن فشل التحميل.

ما هو التناظر؟

يُعتبر الشكل الهندسي متناظراً إذا كان من الممكن تقسيمه إلى قطعتين متطابقتين مرتّبتين بطريقة منظّمة

فروقات بين العمود الدائري والعمود المربع

يشغل العمود الدائري مساحة أصغر: أي إذا قمت بإنشاء عمود دائري قطر مقطعه يساوي قطر مقطع العمود المربع، فإن العمود الدائري يشغل مساحة 0.785 من مساحة العمود المربع.قضبان التسليح: يحتاج العمود الدائري إلى ستة قضبان تسليح كحدٍ أدنى، بينما يحتاج العمود المربع أو المستطيل إلى أربعة قضبان تسليح.قوالب الإنشاء: قوالب الصّنع للعمود المستطيل تعتبر سهلة الإنشاء بسبب جوانبه المستقيمة، بينما قوالب العمود الدائري تعتبر صعبة الإنشاء.الجمالية: الأعمدة الدائرية مُرضية من الناحية الجمالية مقارنة بأنواع الأعمدة الهندسيّة الأخرى.

الإستخدام: تُستخدم الأعمدة الدائرية عندما لا يكون هناك حاجة لبناء جدران على جانبي العمود، وذلك لإعطاء إضافة من الناحية الجمالية.المرافق العامة: يُفضّل استخدام الأعمدة الدائرية عند بناء المنشآت المزدحمة مرورياً مثل الجسور نظراً لأن مساحة المقطع العرضي لها أصغر من غيرها.اختلافات معالجة الأحمالالأحمال في العمود الدائري متساوية على محيط العمود، لكن في العمود المستطيل قد تختلف في كلا المحورين.يحتوي العمود المستطيل أو المربع على أربع نقاط ضعف (عند حافّة كل زاوية)، لكن في العمود الدائري لا توجد نقاط ضعف.العمود الدائري قوي في الضّغط مقارنة بالعمود المربع في نفس منطقة المقطع العرضي.

أيّهما أفضل؟

جميع الأعمدة ذات الأشكال الهندسية السابقة مناسبة، يتم تحديد الاختيار حسب موقع العمود أو من قبل المصمّم أو المهندس المعماري.

 اقرأ أيضاً: لماذا تم تصميم عنفات الرياح بثلاث شفرات فقط وليس أكثر عكس باقي التوربينات؟ ..إليك السر

لماذا تم تصميم عنفات الرياح بثلاث شفرات فقط وليس أكثر عكس باقي التوربينات؟ ..إليك التفسير العلمي

يتم تزويد مزارع الرياح في جميع أنحاء العالم منذ أول اختراعها إلى يومنا هذا بعنفات ريحية ثلاثية الشفرات على شكلها القياسي المعروف لدينا جميعا لإنتاج الطاقة النظيفة.

لم يطرأ على العروض التصميمية الموجودة أي تعديل يذكر كزيادة عدد الشفرات إلى أربعة أو أكثر مثلا ..بل حافظت العنفات الريحية على 3شفرات في تصميمها مع حفاظها على الكفاءة العالية في الأداء لتوليد الطاقة الكهربائية من الرياح.

فهل جال في خاطرك يوماً تساؤلا عن سبب عدم التعديل أو الزيادة في عدد الشفرات للعنفات الريحية عن ثلاثة فقط رغم كل التطورات حولنا! وهل الزيادة في عددها يرفع كفاءتها في العمل ! أم أن هناك سبب علمي بحت وراء سر الرقم السحري ثلاثة!

هندسة العنفات الريحيةتدرس الهندسة التصميمية للعنفة إمكانية الحصول على أعظم طاقة من الرياح بهدف إنتاج أكبر قدرة كهربائية ممكنة وبكفاءة عالية أيضا وهناك عدة أمور يجب أن تؤخذ في الحسبان.

كيف تعمل العنفات الريحية؟

إن الحصول على الكهرباء عن طريق طاقة الرياح أقدم مما يعتقد البعض ، فأن أول عنفة ريحية ركِّبت عام 1888

تم اختراعها من قبل كارلوس فبروش و كانت مكوَّنة من 144 شفرة من الخشب ذات شكل ملفت للنظر و كانت تولِّد ما يقارب 12 كيلو واط من الاستطاعة.

وفي أواسط عام 1930 تقريباً بدأت العديد من المساكن الريفية في الولايات المتحدة الأمريكية بالاعتماد على طاقة الرياح كمصدر لتوليد الكهرباء

وكان ذلك بواسطة عنفات سهل الوصول إليها نسبياً و ذات تكلفة منخفضة ومن الممكن من خلالها تغذية أماكن أخرى بالطاقة لم تكن متصلة بخطوط التغذية الرئيسية.

بعد توسع و انتشار خطوط نقل الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة تراجع الاهتمام بالعنفات الريحية وأصبحت طاقة الرياح من الماضي ومنذ عدة عقود فقط عاد الاهتمام بالرياح كمصدر بديل رخيص مقارنة ببقية أشكال الطاقة.

إن مبادئ إنتاج الطاقة من الرياح عملية بسيطة نسبياً ولا تزال على نفس المبدأ من القرن التاسع عشر

حيث أن الرياح ببساطة هي هواء يتحرك وحيثما توجد حركة توجد طاقة حركية والعنفات الريحية صمِّمت لتواجه وتعيق حركة الهواء التي تحمل طاقة حركية و تبطُّئها و تحوِّلُها إلى طاقة كهربائية

وهذه الإعاقة تتمثل بالشفرات المصممَّة خصيصاً للحصول على أعلى قدر من الطاقة.

إن طريقة تصميم وكيفية استخدام شفرات العنفة قائمة على علوم دقيقة تعتمد على عدد من العوامل أهمها ديناميك الهواء و مقاومته.

عوامل تصميم شفرات العنفة:السرعة.ديناميك الهواء.سرعة الصوت.هناك عدة عوامل تلعب دوراً هاماً عند تصميم العنفات ولعل أبرزها ديناميك الهواء

حيث أن ديناميك الهواء هو علم يحكي عن خصائص الجسم الصلب و الهواء المتحرك حوله و تأثيره على الجسم ، وبأخذها بعين الاعتبار نصمِّم العنفة والشفرات بشكل قريب لتصميم أجحنة الطائرة.

فالجانب الخلفي من الشفرة يكون أكثر انحناءً من الجانب الأمامي بنفس طريقة تصميم جناح الطائرة فالانحناء فيها يكون إلى الأعلى في النهاية

وهذا الاختلاف بالشكل يسبب اختلاف بالضغط على جانبي الشفرة عندما يتحرك الهواء عبر الشفرة وهذا ما يجعل الشفرة تتحرك.

بسبب دفع الهواء للشفرة إذ تكون سرعة الهواء خلف الشفرة أكبر من مقدمتها مما يجعل الجزء الدوّار من العنفة يبدأ بالدوران لتبدأ عملية توليد الكهرباء

لكن هذا ليس كافياً للشفرات كي تدور فعلى المهندسين أن يضعوا بعين الاعتبار أيضاً السرعة و إعاقة الهواء أثناء التصميم لضمان أعلى مستوى من الكفاءة.

قوة الدفع في العنفات الريحيةإذا تشكلت قوة دفع كبيرة من الشفرات فإن كمية قليلة من الطاقة سوف تُنتج و الشفرات ستتحرك بسرعة كبيرة مما قد يسبب اختراق حاجز الصوت واحدة من أبرز إيجابيات العنفات الريحية هي كيفية.

الاختيار الأمثل لعدد الشفرات في العنفات الريحية ولماذا ثلاثة؟إن معظم العنفات الريحية تعمل بثلاث شفرات وهذا هو العدد القياسي لها ، لكن قرار اختيار العنفات الريحية بثلاث شفرات أمر يحتاج إلى المرونة في الاختيار بسبب تقليلها لإعاقة حركة الهواء

على سبيل المثال من الممكن بشفرة واحدة يتحقق رقم مثالي عندما نأتي لاستخلاص أكبر قدر من الطاقة

لكن بشفرة واحدة تكون العنفة غير متوازنة وهذا ليس خياراً عملياً لاستقرار التوربين.

وبنفس الطريقة فإن شفرتين تولد طاقة أكبر من ثلاث شفرات و لكن أيضاً لها مشكلاتها ومعوقاتها الخاصة

فالعنفات ذات الشفرتين هي أكثر عرضة لظاهرة تدعى بالاستباق الجيروسكوبي

والتي تنتج ذبذبة بشكل غير طبيعي وهذه الذبذبة قد تسبب مشكلة باستقرار العنفة ككل و تسبب ضغط على مكونات العنفة مما يجعلها تنخفض كفاءتها بشكل طردي مع مرور الزمن.

وأي عدد أكبر من ثلاث شفرات يسبب ممانعة كبيرة جداً لحركة الرياح مما يخفض إنتاج الكهرباء ولذلك فهي أقل كفاءة من العنفات ذات الثلاثية الشفرات

لهذه الأسباب صمِّمت العنفات الريحية بثلاثة شفرات وهو الحل المثالي الأكثر مرونة ما بين الطاقة العالية المستخلصة وأعظم استقرار و متانة مناسبة للعنفة.

المصدر: أنا مهندس