سیستم‌های سازه‌ای برای ساختمان‌های بلند (بخش دوم)

سیستم‌های لوله‌ای

سازه لوله‌ای یک سیستم سازه‌ای سه بعدی است که از سیستم قاب‌بندی پیرامونی شامل ستون‌هایی با فاصله‌های نزدیک به هم برای مقاومت در برابر بارهای جانبی استفاده می‌کند. فضلورخان در سال 1961 به این سیستم فکر کرد  و مدل ریاضی آن را توسعه داد. او ساختمان آپارتمان 43 طبقه چسنات در شیکاگو، یک ساختمان لوله‌ای شکل که در سال 1965 تکمیل شد، را طراحی کرد. فضلورخان منطق مفهوم لوله را ایجاد کرد. معرفی سیستم‌های لوله‌ای برای ساختمان‌های بلند، یک انقلاب بود؛ زیرا برای اولین بار، واکنش سه‌بعدی سازه‌ها به صراحت شناخته شد و از سیستم قاب صلب معمولی فاصله گرفته شد. این سیستم به ستون‌های داخلی کمتری برای حمل بارهای گرانشی نیاز داشت و به فضاهای باز بزرگ با دهانه‌های داخلی وسیع، یک هسته، یک شبکه ستون مشخص اجازه ظهور داد که منجر به یک معماری شفاف شد. ظهور کامپیوترهای دیجیتال پرسرعت در این دوره، همچنین امکان تجزیه و تحلیل سازه‌های لوله‌ای با ارتفاع بسیار زیاد و پیچیدگی رفتاری را فراهم کرد. فضلورخان اولین فرم‌های سازه‌ای سیستم لوله‌ای را توسعه داد و آن‌ها را در ساختمان‌های واقعی به کار برد. این فرم‌ها شامل لوله قاب‌بندی شده و همچنین لوله مهاربندی‌شده، لوله دسته‌بندی شده و لوله در لوله بودند.

لوله قاب‌بندی شده

این سیستم مشابه یک لوله دیواری صلب است که در آن “سوراخ‌های پانچ شده” برای ایجاد بازشوها می‌باشند. در این سیستم، ساختمان دارای ستون‌هایی با فاصله نزدیک به هم و تیرهای عمیق است که در سرتاسر قاب‌های بیرونی به یکدیگر به طور صلب متصل شده‌اند. هدف، طراحی سازه‌ای است که به رفتار یک طره عمودی در محدوده‌های عملی نزدیک شود. ماهیت یکپارچه بتن مسلح برای این سیستم ایده آل است، اگرچه می‌توان از آن برای ساختمان‌های فولادی نیز استفاده کرد. فاصله ستون‌های پیرامونی باید بین 1.5 تا 4.5 متر و عمق تیر باید از 0.6 متر تا 1.2 متر باشد. این سیستم بیانی سازه‌ای از نما را ارائه می‌دهد و با حذف نیاز به جرز بین پنجره‌ها، علاوه بر صرفه جویی در مصالح به دلیل کارایی ذاتی فرم لوله‌ای، پنجره‌بندی و هزینه را کاهش می‌دهد.

هدف از طراحی کارآمد یک لوله قاب‌بندی شده، به حداقل رساندن اثر تاخیر برشی در سازه است. نیروهای محوری در ستون‌های گوشه، که تحت نیروهای جانبی قرار می‌گیرند، حداکثر است. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، توزیع نیروهای محوری هم در قاب جان (یعنی قاب موازی با جهت باد) و هم در قاب بال (یعنی قاب عمود بر جهت باد) غیرخطی است. برای یک لوله دیواری صلب، توزیع نیروهای محوری در امتداد قاب جان خطی و در امتداد قاب بال خطی و یکنواخت است. توزیع غیرخطی زمانی اتفاق می‌افتد که دیوارها به دلیل “تاخیر برشی” با بازشوهای پنجره سوراخ می شوند.

پس از دهه 1980، رواج لوله‌های قاب‌بندی شده به دلیل دخالت در طراحی نما، کمتر شد. با این حال، آن‌ها دوباره در نمونه‌های اخیر ظاهر می‌شوند، مانند ساختمان 432 پارک اونیو با ارتفاع 426 متر در نیویورک و ساختمان مارینا 106 با ارتفاع 445 متر در دبی. قابل ذکر است که این برج‌ها، مسکونی هستند و طراحی نما آن‌ها را می‌توان به تناسب سیستم‌های لوله قاب‌بندی شده انجام داد.

لوله مهاربندی شده

سازه‌های بلند با مهاربندی‌های مورب جدید نیستند. سازه‌های بلند مانند برج ایفل یا برج‌های فولادی دیگر، نمونه‌هایی از این امر هستند. مایرون گلداسمیت در اوایل سال 1953 برای پایان‌نامه کارشناسی ارشد خود در مؤسسه فناوری ایلینویز، یک ساختمان بلند فولادی با نمای بیرونی مورب طراحی کرد. ساختمان پیتسبورگ جان اسکیلینگ در سال 1957، همچنین دارای مهاربندی مورب در محیط ساختمان بود. با این حال، در دهه 1950 مشخص نبود که چنین سیستمی می‌تواند به عنوان یک سازه لوله‌ای عمل کند.

مفهوم لوله مهاربندی شده برای اولین بار در ساختمان 100 طبقه مرکز جان هنکاک (1970) در شیکاگو به کار گرفته شد (شکل 8). در چنین لوله‌ای، به جای استفاده از ستون‌هایی با فاصله نزدیک در پیرامون ساختمان، ستون‌های با فاصله زیاد توسط مهاربندهای مورب تقویت می‌شوند تا ویژگی‌های دیوار مانند پیدا کنند. لوله قاب‌بندی شده در بیشتر از حدود 60 طبقه ناکارآمد می‌شود، زیرا رفتار طره‌ای سازه تضعیف شده و اثرات تاخیر برشی تشدید می‌گردد. یک لوله مهاربندی شده، به شدت قاب بیرونی را در صفحه خودش محکم می‌کند و به قاب اجازه می‌دهد مانند یک دیوار رفتار کند و در نتیجه ساختمان را قادر می‌سازد تا ارتفاع بلندتری داشته باشد. مهاربندها همچنین بارهای ثقلی را از کف طبقات جمع‌آوری کرده و به عنوان ستون‌های مایل عمل می‌کنند. مفهوم لوله مهاربندی شده در سازه‌های بتنی نیز اجرا شد. ساختمان 58 طبقه مرکز اونتری در سال 1985 در شیکاگو نمونه‌ای از این مورد است.

لوله دسته‌بندی شده

هنگامی که دو یا چند لوله مجزا به یکدیگر متصل می‌شوند و یک لوله دسته شده ایجاد می‌کنند، با هم‌افزایی به صورت یک واحد یکپارچه عمل می‌کنند و به یک ساختمان بلند اجازه می‌دهند تا ارتفاعی بیشتر از یک لوله منفرد داشته باشد. برای ساختمان‌های بسیار بلند، یک لوله منفرد کارایی سازه‌ای‌ خود را از دست می‌دهد زیرا عرض ساختمان در پایه برای حفظ نسبت مناسب ارتفاع به عرض باید زیاد شود، به طوری که ساختمان بیش از حد انعطاف پذیر نباشد و نوسان شدید نداشته باشد. برای چنین ساختمانی، به واکنش لوله‌ای سازه آن می‌توان با ایجاد دیوارهای متقاطع یا قاب‌های متقاطع در ساختمان، یعنی ایجاد یک لوله دسته‌بندی شده، استحکام و بهبود بیشتری بخشید. یک سیستم لوله دسته‌بندی شده برای ساختمان‌هایی با مساحت‌های بزرگ مناسب است. اولین کاربرد این مفهوم در برج سیرز 109 طبقه در سال 1974 در شیکاگو بود. در این ساختمان، نه عدد لوله قاب‌بندی شده در پایه قرار گرفته‌اند که برخی از آن‌ها در سطوح مختلف خاتمه یافته‌اند و دو عدد لوله از طبقه 90 تا پشت بام ادامه دارند (شکل 9).

چنین انعطاف‌پذیری سازه‌ای، مزیت وجود مساحت کف را از بسیار بزرگ تا بسیار کوچکتر در بالا ایجاد می‌کند. علاوه بر این، انعطاف‌پذیری ویژه آن، واژگان معماری جدیدی را خلق کرد. یک لوله دسته شده بتنی برای ساختمان وان مگنیفیسنت مایل در سال 1983 در شیکاگو استفاده شد. در این ساختمان، لوله‌های منفرد با هر پیکربندی در ارتفاعات مختلف خاتمه می‌یافتند. دسته‌بندی لوله‌ها با اعضای مورب یا دسته‌بندی یک لوله قاب‌بندی شده با لوله‌ای مورب امکان‌پذیر است. علاوه بر این، برای داشتن رفتاری به عنوان لوله‌های دسته‌بندی شده، لوله‌های منفرد می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند، مانند مستطیل، پنج ضلعی یا شش ضلعی.

سیستم لوله در لوله

یک سازه لوله‌ای را می‌توان با استفاده از یک هسته لوله‌ای سخت (صلب، قاب‌بندی شده یا مهاربندی شده) که می‌تواند بخشی از بار جانبی را تحمل کند، تقویت کرد. هسته به عنوان لوله داخلی و ستون‌های بیرونی نزدیک به هم به عنوان لوله بیرونی عمل می‌کنند. چنین سیستمی لوله در لوله نامیده می‌شود که نمونه‌های آن پلازای 52 طبقه وان شل در سال 1971 در هیوستون تگزاس و ساختمان 70 طبقه مرکز المپیا در سال 1986 در شیکاگو هستند. هر دو سازه‌های بتن مسلح هستند. به دلیل همزمانی رشد لوله‌های قاب‌بندی شده و ساختمان‌های مسکونی بلند دارای هسته در دهه‌های اخیر‌، که هر دوی آن‌ها معمولاً از بتنی ساخته می‌شوند که فناوری آن به‌عنوان یک ماده مدرن به طور قابل‌توجهی پیشرفت کرده است، سیستم لوله در لوله کاربردهای زیادی در مواردی که به خوبی با پلان‌های مسکونی ادغام می‌شوند، پیدا کرده‌ است.

سیستم‌های لوله‌ای پیشرفته

ساختمان‌های بلند قبلی دارای اشکال هندسی ساده و نتیجه ارتفاع دادن به پلان‌های مربع و مستطیل بودند. اشکال هندسی ساده با سیستم‌های لوله‌ای سازگار هستند. به عنوان مثال می‌توان به مرکز جان هنکاک و برج سیرز در شیکاگو و مرکز تجارت جهانی در نیویورک اشاره کرد. هر سه بنا قبل از دهه 1980 ساخته شده‌اند. بعدها، معماران و مهندسان به جستجوی فرم‌های جدید پرداختند که شامل فرم‌های غیرمستقیم الخط و منحنی‌، عقب‌نشینی‌ها (فرم پله‌ای) و بام‌های پیچیده بود. نیاز به پارکینگ زیرزمینی، لابی‌های ورودی مرتفع و فراخ، و تمایل به تعداد ستون‌های کمتر در محیط ساختمان، باعث ایجاد سیستم هسته با بازوی طره شده گردید. به طور همزمان، سیستم‌های لوله‌ای شاهد پیشرفت‌های قابل‌توجهی برای برآورده کردن این معیارها و نیازهای طراحی جدید بوده‌اند. در مجموع، این سیستم‌های جدید امکان ساخت ساختمان‌های بلندتر را فراهم کرده‌اند.

ابرقاب‌ها

ابرقاب برای ساختمان‌های بلند امکانات زیادی دارد. از آنجایی که قاب پیرامونی، مقاومت در برابر بار جانبی را فراهم می‌کند، این سیستم یک سیستم لوله‌ای توسعه یافته است. مایرون گلداسمیت ایده اولیه یک ابرقاب را در پایان‌نامه کارشناسی ارشد خود در سال 1953 در IIT، شیکاگو، که در آن بر روی یک ساختمان اداری بتنی کار می‌کرد، مطرح کرد. ابرقاب او دارای هشت عدد ستون بود که سه دهانه را تشکیل داده و هفت ابرطبقه را با فاصله 15 طبقه از هم پشتیبانی می‌کردند. از هر ابرطبقه، هفت طبقه آویزان شده بود و هفت طبقه در بالای آن نگه داشته شده بود؛ کف طبقه وسط این 15 طبقه، بدون ستون بود. در سال 1973، مهندسان سازه پاپارونی و هولوما برج‌های مرکزی پارک را طراحی کردند که شامل دو برج 56 طبقه در کاراکاس، ونزوئلا بود. فضلورخان در سال 1981 با ایجاد مجموعه‌ای از ابرقاب‌های تلسکوپی که به‌صورت عمودی روی هم چیده شده‌ و شامل چهار ابرستون در گوشه‌ها بودند، مفهوم ابرقاب را به‌طور متفاوتی پیش برد (شکل 10). او این مفهوم را در ساختمان 168 طبقه مرکز تجارت جهانی شیکاگو به کار برد. فضلورخان در این ساختمان از چهار ابرستون گوشه استفاده کرد که به صورت لوله‌های خرپایی طراحی شده بودند. ابرقاب، پتانسیل بسیار خوبی برای ساختمان‌های بسیار بلند و فوق بلند دارد. با استفاده از برج‌های بهم پیوسته که در آن چند ابرقاب به‌صورت افقی توسط سازه‌های پل لوله‌ای به هم متصل می‌شوند، می‌توان ارتفاع ممکن را به طور قابل ملاحظه‌ای به ارتفاعات بسیار زیاد افزایش داد.

دایاگرید‌ها

سازه دایاگرید، یک سیستم لوله مهاربندی شده اصلاح شده است و اخیراً محبوبیت پیدا کرده است. در لوله مهاربندی شده که یک سیستم بسیار سخت است، ستون‌های پیرامونی وجود دارند و از مهاربندهای بزرگی نیز استفاده می‌شود. در دایاگریدها، عناصر مورب سبک‌تر روی نمای بیرونی و در گره‌هایی که در آن ستون‌ها حذف می‌شوند، ظاهری شبکه‌مانند ایجاد می‌کنند. سیستم بیرونی به طور موثری مانند پوسته‌ای با سختی بسیار زیاد درون صفحه‌ای عمل می‌کند و رفتار ساختمان بلند را به رفتار یک لوله صلب تبدیل می‌نماید. ساختمان هرست در سال 2003 در شهر نیویورک (شکل 11) و ساختمان سنت مری آکس در سال 2004 در لندن اولین ساختمان‌های بلندی هستند که از سیستم دایاگرید استفاده کردند.

علاوه بر مزایای سازه‌ای، سیستم‌های دایاگرید بیان زیبایی‌شناختی جدیدی را ارائه می‌دهند. این موضوع را می‌توان با بررسی چندین عنصر، از جمله مقیاس، شیب، مصالح، فرم، جزئیات سازه‌ای، طراحی نما، رنگ و سیستم‌های روشنایی تجزیه و تحلیل کرد. در واقع، سازه‌های دایاگرید برای پیکربندی‌های متنوع، انعطاف‌پذیر هستند. به عنوان مثال، عناصر مورب را می‌توان با زوایای یکنواخت یا متغیر قرار داد و از این رو برای فرم‌های پیچیده ساختمانی مناسب هستند. اندازه واحدهای دایاگرید برای مقاصد مختلفی به کار می‌روند. واحدهای بزرگتر، مفاهیم جسورانه‌تری را بیان می‌کنند. به عنوان مثال، برج کمان در کلگری، کانادا (شکل 12). به این ترتیب، سیستم‌های دایاگرید در مقیاس بزرگ برای ساختمان‌های بلندتر مناسب هستند. دایاگریدهای واحد کوچکتر امکان تولید فرم‌های مجسمه‌وار را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، ساختمان 35 طبقه کپیتال گیت از واحدهای دایاگرید کوچک برای دستیابی به شکل پیچشی که 18 درجه انحراف دارد (بیشتر از برج کج پیزا در ایتالیا) استفاده می‌کند (شکل 13).

زوایای مختلف عناصر مورب، مفاهیم متفاوتی را ایجاد می‌کنند. به طور کلی، زوایای کمتر، دیاگریدهای متراکم‌تری ایجاد کرده و سیستم‌های سنگین‌تری را تحمل می‌کنند و بالعکس. شیب‌های تندتر، دایاگریدهای پراکنده‌ای ایجاد کرده و سیستم‌های سبک‌تری را می‌سازند (شکل 14). مصالح مختلف برای سیستم دایاگرید منجر به مفاهیم بصری متفاوتی می‌شود. به عنوان مثال، دایاگریدهای فولادی مفاهیم تکنولوژی بالا را منتقل می‌کنند. انتظار می‌رود فولاد برای ساختمان‌های بلندتر مناسب باشد. در برخی موارد می‌توان از دایاگریدهای متراکم‌تر در بخش پایه ساختمان‌های بلند استفاده کرد، جایی که در آن بارهای جانبی اعمال شده توسط نیروهای باد بیشترین میزان را دارد.

به کار بردن دایاگریدها در فرم‌های مختلف ساختمانی منجر به بیان‌های زیبایی شناختی مختلفی می‌شود. به عنوان مثال، سیستم دایاگرید در ساختمان سنت مری آکس در لندن، یک فرم پویا ایجاد می‌کند (شکل 15). به طور مشابه، دایاگرید به کار رفته در دفتر مرکزی الدار در ابوظبی، کیفیت زیبایی‌شناسی بدیعی ایجاد می‌کند (شکل 16). علاوه بر این، استفاده از رنگ‌های مختلف منجر به خلق انواع مفاهیم بصری می‌شود. به عنوان مثال، سیستم دایاگرید ساختمان کمان در کلگری کانادا از رنگی روشن استفاده می‌کند که به خوبی با دیوار پرده‌ای تیره تضاد دارد. مجتمع نئوبنک ساید با استفاده از رنگ‌های گرم‌تر، عملکرد مسکونی جذابی را منتقل می‌کند. جالب توجه است که سیستم‌های سازه‌ای با رنگ‌های تیره‌تر مورد استفاده در قرن گذشته، مفاهیم صنعتی را منعکس می‌کردند. به عنوان مثال می‌توان به پلازای وان مری‌تایم (1964) در سانفرانسیسکو، کالیفرنیا، مرکز جان هنکاک (1970) در شیکاگو، ایلینویز، و پلازای بانک آمریکا (1976) در سنت لوئیس، میسوری اشاره کرد.

ادامه این مقاله را در پست بعدی بخوانید…