از نظر مهندسی؛ سازه بلند به سازه ای اطلاق می شود که نسبت ارتفاع به ابعاد دیگر آن باعث شود نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله ، بر طراحی آن تاثیر قابل توجهی بگذارد و یا از دیدگاهی دیگر ساختمان های بالای ده طبقه و زیر صد طبقه را ساختمان بلند و بالای صد طبقه را آسمان خراش می نامند. در گذشته ساختمانهای بلند از مصالحی مانند سنگ و یا مصالح بنایی ساخته میشدند ولی اکنون از مصالح کارامدتری در این زمینه استفاده میشود که فولاد و بتن از مهمترین آنها است.
اهمیت سازه‌های بلند برای چیست؟ بعد از انقلاب صنعتی رقابتی بین مهندسین کشورهای مختلف برای ساخت سازه‌های بلند مرتبه بوجود آمد. این ساختمان‌ها به نوعی نماد قدرت و تکنولوژی کشورها به حساب می‌آید. در بیشتر کشورهای جهان مراکز مالی و بانک‌ها در ساختمانهای بلند فعالیت دارند
سیستم سازه‌ای یعنی چه؟ مجموعه ای از المان های سازه ای (مانند تیر، ستون) با چیدمانهای متفاوت که وظیفه جذب و انتقال نیروهای ساختمان را بر عهده دارند سیستم سازه‌ای می‌گویند. در این مطلب قصد داریم یکی از مهمترین این نوع سیستم ها را که در طراحی سازه‌های بلند و آسمان خراش‌ها استفاده میشود تشریح نمائیم.
سیستم لوله‌ای
با وقوع انقلاب صنعتی و مدرنیته رویکرد برای زندگی در ساختمانهای بلند افزایش یافت. سیستم‌های سازه‌ای موجود(قاب خمشی دیوار باربر سازه ای و…) جوابگوی این خواسته مهندسی نبودند زیرا در ساختمانهای بلند،صلبیت و پایداری ضوابط مهمتری را نسبت به مقاومت(مشخصه اصلی سازه های کوتاه) بیان میکنند.جهت پاسخگویی به نیازهای فوق، سیستم جدیدی تحت عنوان سیستم لوله ای ابداع شد. این سیستم دارای چنان قابلیتی است که در بیشتر حالات مقدار مصالح سازه ای مورد استفاده در این سیستم به نسبت ساختمانی که در آن از سیستم‌های قابی متداول استفاده شده باشد به نصف تقلیل پیدا میکند. ازجمله مزایای دیگراین سیستم ، انعطاف پذیری زیاد آنها در تقسیم بندی فضاهای داخلی و کاهش تغییر مکان جانبی سازه میباشد.در این سیستم، ستونها و تیرهای خارجی ساختمان چنان مجاور هم قرار داده می‌شوند که نمای ساختمان ظاهراً شبیه دیواری یا سوراخ‌های متعدد میباشد. مانند ساختمان شکل زیر که نمای مشبک آن جلب نظر میکند.
ایده اولیه مفهوم لوله ای به دکتر فضلور خان، نسبت داده می شود. به طور کلی این سیستم ترکیبی از ستون های نزدیک به هم و تیرهای عمیق است که در محیط پیرامونی ساختمان قرار گرفته اند. رفتار سیستم لوله ای تحت اثر بارهای جانبی مانند خمش یک طره توخالی می باشد که در اثر آن تارهای سمت مخالف نیروهای جانبی کوتاه شده و تارهای سمت نیروی جانبی طویل می گردد. این سیستم سختی جانبی و مقاومت پیچشی بالایی دارد ولیکن به علت توزیع غیر یکنواخت نیرو در ستون های بال (عمود بر بار جانبی) لنگی برش خواهد داشت. اثرات لنگی برشی در لوله های قابی، استفاده از حداکثر ظرفیت سختی و مقاومت سازه را محدود کرده و لنگر مقاوم و صلبیت خمشی را کاهش می دهد. لنگی برش در واقع ایجاد خمش در ستون‌هاو تیرها بواسطه وارد شدن نیروی برشی در آنها است که باعث توزیع غیر یکنواخت نیروی محوری بین ستونهای سازه میشود.
رفتار قاب های لوله ای تحت اثر بارهای جانبی در شکل زیر نشان داده شده است، که بیانگر توزیع نیروهای محوری در ستون های خارجی است. همچنین تغییر شکل برشی در روی عمل قاب محیطی منجر به توزیع غیر خطی فشار در یک سمت و کشش در سمت مقابل در امتداد پوش ستون ها می گردد، ستون هایی که در گوشه های ساختمان قرار دارند مجبور می باشند که سهم بیشتری از بار را نسبت به ستون های ما بین آنها تحمل کنند.همچنین اثر تاخیر برشی در توزیع غیر یکنواخت نیروی محوری بین ستونهای سازه دیده میشود.
ویژگیهای معماری
- نمای ساختمان شبیه دیواری یا سوراخ‌های متعدد
- فضاهای محدود معماری در نمای ساختمان
- محدودیت در قرارگیری دربها و پنجره‌ها در نمای ساختمان
- عدم نیاز به ستون های میانی که با باعث می شود فضای آزاد خیلی بیشتری از نظر معماری ایجاد شده و دست مهندسین برای طراحی های خلاقانه باز باشد.
- مناسب بودن برای ساختمان های اداری تجاری چراکه فضای مفید بیشتری ایجاد می کند.
- بیشتر سازه های بلند جهان این سیستم را دارند.
ویژگیهای سازه‌ای
- ستون های با فواصل نزدیک وتیرهای عمیق درپیرامون ساختمان
- تحمل بارجانبی بطور کامل به کمک قاب پیرامونی با رفتار کنسولی
- تمام ساختمان مانند یک لوله توخالی که از زمین طره شده باشد عمل میکند.
- فاصله ستونها از ۱/۵تا ۴/۵ متر است.
- عمق تیرهای محیطی بین ۰/۹تا ۱/۵ متر است.
- هسته(لوله) داخلی با لوله نما در حمل بارها سهیم می‌باشند و بر سختی ساختمان می‌افزایند.
- می تواند از بتن مسلح، فولاد سازه ای و یا ترکیبی از این دو تحت عنوان سازه مختلط یا کامپوزیت ساخته شود.
پروژ‌های نمونه
برج های مرکز تجارت جهانی
- شهر نیویورک
- نوع سازه: فولادی
- تعداد طبقات: ۱۱۰
- ارتفاع از زمین۵۲۶ متر
مرکز اداری آئون سنتر
- شهر شیکاگو
- نوع سازه: فولادی
- تعداد طبقات: ۸۳
- ارتفاع از زمین۳۴۶متر
مزایای سیستم لوله‌ای
- مصالح مورد استفاده در سازه با این سیستم تقریبا نصف سازه با قاب متداول است.
- رفتاری شبیه به یک کنسول سه بعدی دارند.
- بهره برداری از حداکثر ابعاد پلان سازه
معایب سیستم لوله‌ای
- استفاده از ستون های قطور پیرامونی
- نزدیک شدن ستون های پیرامونی به هم دیگر تا حداکثر ۴/۷۵ متر از یکدیگر
- کاهش دید از داخل سازه
- مشکلات مربوط به ایجاد باز شو در ورودی ساختمان
- لنگی برشی
جابجایی ستون ها در سیستم لوله ای
در سیستم لوله‌ای بنا به نیازهای معماری فواصل ستونها در ورودی ساختمان باید افزایش یابد این کار با استفاده از شاه تیرهای خرپایی با عمق ۱یا ۲ طبقه صورت می‌گیرد.
سیستم لوله دسته شده(لوله سلولی)
سیستم لوله‌های دسته شده را میتوان بصورت مجموعه‌ای از لوله‌های انفرادی تجسم کرد که تشکیل یک لوله چند واحدی را میدهند. بدین ترتیب آشکار است که بر سختی سازه افزوده میگردد. این سیستم بلندترین ارتفاع و بیشترتین سطح کف را امکان پذیر میسازد. پدیده لنگی برش در سیستم لوله ای دسته بندی شده بطور قابل توجهی مرتفع میشود. این سیستم متشکل از دسته ای از لوله هاست که با فاصله خیلی کم از همدیگر قرار گرفته و با شاه تیر به هم متصل شده اند است. در شکل مقابل و در پلان ساختمان یک لوله تشکیل شده از چند واحد لوله مشابه دیده میشود.
رفتار سیستم لوله دسته شده(سلولی)
- کاربرد مجموعه ای از لوله ها با ارتفاع های مختلف درکنار هم بدون کاهش یکپارچگی سازه
- افزایش فاصله بین ستون ها، کاهش عمق تیرهای محیطی در مقایسه با سیستم تک لوله
- دادن تنوع معماری بیشتر له بنا با کم کردن لوله در هر ارتفاع دلخواه(مانند برج خلیفه)
- یکنواخت تر بودن تنش های قائم و نیروهای غیر یکنواخت ستون و در نتیجه کاهش پدیده لنگی برشی
پروژه‌های نمونه
برج خلیفه
- شهر دبی
- نوع سازه: فولادی و بتنی
- تعداد طبقات: ۱۶۳
- ارتفاع از زمین۸۲۹ متر
- بلندترین برج دنیا
ساختمان امپایراستیت
- شهر نیویورک
- نوع سازه: فولادی و بتنی
- تعداد طبقات: ۱۰۲
- ارتفاع از زمین۴۴۳ متر
۰ دیدگاه