استجابة الزجاج المصفح المنحني تحت أحمال شبه ثابتة وانفجارية

لماذا يهم انحناء الزجاج للسلامة

تجعل جدران ونوافذ الزجاج المباني الحديثة مضيئة ومفتوحة، لكن عندما يضرب انفجار أو صدمة شديدة، يمكن أن تتحوّل تلك الألواح نفسها إلى شظايا خطيرة. تطرح هذه الدراسة سؤالًا بسيطًا ذو تبعات كبيرة للسلامة: هل يمكن للزجاج السلامي المنحني بلطف أن يحافظ على سلامة الناس أفضل من الزجاج المسطح عند تعرضه لأحمال شديدة وسريعة الارتفاع مثل الانفجارات؟ باستخدام اختبارات بالحجم الكامل ومحاكاة حاسوبية، يوضّح الباحثون كيف أن إضافة الانحناء يمكن أن تغيّر طريقة حمل الألواح للقوى، مما يساعدها على البقاء في مكانها فترة أطول والانحناء أقل حين تكون الحاجة أكبر.

من الألواح المسطحة إلى الألواح المقوسة برفق

تركّز الدراسة على الزجاج المصفح، وهو النوع المستخدم في زجاج السيارات والعديد من النوافذ الواقية. يتكوّن الزجاج المصفح من ورقتين زجاج مرتبطتين بطبقة بينية شبيهة بالبلاستيك تُبقي الشظايا ملتصقة بعد التشقق. فحوصات سابقة تناولت معظَمها الألواح المسطحة، على الرغم من أن المعماريين والمهندسين يستخدمون الزجاج المنحني بشكل متزايد في الواجهات والأسقف والزجاج الوقائي. بنى الفريق ثلاثة ألواح اختبار كبيرة بنفس الحجم والمادة: واحد مسطح، واحد منحني بخفة، وآخر بانحناء أقوى. كان الانحناء في اتجاهين، مشكلاً قبة ضحلة يمكن أن تعمل كقوس. كان الهدف رؤية كيفية استجابة هذه الأشكال تحت ضغط بطيء ومتحكم فيه وتحت أحمال شبيهة بالانفجار المفاجئ.

اختبارات الضغط البطيء التي تكشف القوة الكامنة

أولًا، اختُبرت الألواح في حجرة مملوءة بالماء تضغط بشكل متساوٍ على الزجاج. سمح هذا الإعداد شبه الثابت للفريق بزيادة الضغط ببطء وتتبع مدى انحراف كل لوح قبل أن يتشقق الزجاج وبعدها قبل أن تنهار الطبقة البينية نهائيًا. تفوّقت الألواح المنحنية بوضوح على المسطحة. رفع الانحناء الطفيف ضغط التشقق بنحو عشرة بالمئة، في حين رفع الانحناء الأقوى هذا الضغط بنحو خمسين بالمئة، على الرغم من استخدام جميع الألواح لنفس نوع الزجاج والطبقة البينية. كما امتص اللوح الأكثر انحناءً انحرافات أكبر بكثير بعد التشقق قبل الفشل التام. يفسّر الباحثون ذلك بالتحول من الانحناء البسيط، الذي يتركز فيه الشد في وسط اللوح المسطح، إلى عمل يشبه القوس يوزّع القوى عبر السطح ويتيح للطبقة البينية تحمل جزء أكبر من الحمولة.

اختبارات شبيهة بالانفجار تحاكي التهديدات الحقيقية

بعد ذلك، انتقل الفريق إلى مرفق أنبوب صدمة كبير يستخدم شحنات متفجرة لإرسال موجات ضغط مُتحكّم بها تجاه الألواح، مقلدًا التحميل الحاد والقصير لانفجار قريب. سجّلت الحساسات والكاميرات عالية السرعة تاريخ الضغط وحركة مركز الزجاج ونماذج الضرر. بتعديل الشحنة تدريجيًا، دفعوا كل لوح حتى الفشل. تحت ضغط ونبضة مكافئة، انحنت الألواح المنحنية أقل بكثير من اللوح المسطح. بعد معادلة البيانات بعناية، أظهر اللوح المنحني قليلاً انحراف منتصف أقل بنحو سبعين بالمئة مقارنة باللوح المسطح، وأظهر اللوح الأكثر انحناءً نحو خمسة وثمانين بالمئة أقل. وعلى الرغم من أن الألواح المنحنية قد تفشل فجأة في نهاية المطاف عندما تستنفد سعتها، إلا أنها قاومت التشوه الأولي بشكل أفضل بكثير.

نماذج حاسوبية توسّع الرؤية

للاطلاع على ما إذا كانت هذه الاتجاهات تنطبق خارج نطاق عينات الاختبار المحددة، بنى الباحثون نماذج حاسوبية مفصّلة للزجاج المصفح باستخدام قوانين مادية راسخة للزجاج الهش والطبقات البينية المرنة. طابقت النماذج استجابات الانفجار المقاسة ضمن نسبة خطأ قليلة، ثم استُخدمت لاستكشاف نطاق أوسع من أشكال الألواح ومنحنياتها تحت نفس حمل الانفجار. مع زيادة الانحناء من المسطح إلى القوس الطفيف ثم إلى القبب الأكثر وضوحًا، انخفضت قيمة الانحراف الأقصى في المحاكاة بشكل حاد، بنسبة تتراوح بين ثلاثين إلى أكثر من تسعين بالمئة. كما أوضحت المحاكاة كيف يتحول سلوك حمل الحمولة من انحناء في الألواح المسطحة إلى استجابة غشائية-قوسية في الألواح المنحنية بقوة، مما يحدّ الحركة خارجة المستوي ويغيّر أنماط الشقوق.

ما يعنيه كل هذا لزجاج أكثر أمانًا

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة مباشرة: يمكن أن يجعل ثني لوح زجاج مصفح برفق منه أكثر متانة بكثير ضد الانفجارات والأحمال القصوى الأخرى دون تغيير المواد الأساسية. تتشقق الألواح المنحنية عند ضغوط أعلى، وتنحني أقل تحت نفس الانفجار، ويمكنها امتصاص طاقة أكبر قبل أن تتخلى الطبقة البينية أخيرًا. يجعل هذا الزجاج المصفح المنحني خيارًا جاذبًا للنوافذ الواقية والواجهات وزجاج المركبات في البيئات عالية المخاطر، موفّرًا للمصممين وسيلة لدمج الشفافية والحرية المعمارية وتحسين السلامة في عنصر واحد.

الاستشهاد: Elgholmy, L., Elbelbisi, A., Elsisi, A. et al. Response of curved laminated glass under quasistatic and blast loads. Sci Rep 16, 15427 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45171-3

الكلمات المفتاحية: زجاج مصفح, زجاج منحني, مقاومة الانفجار, تغليف واقٍ, السلامة الهيكلية