سیستم‌های سازه‌ای برای ساختمان‌های بلند (بخش اول)

تعریف

سیستم‌های سازه‌ای برای ساختمان‌های بلند، فرآیندی تکاملی را طی کرده‌اند. سیستم قاب صلب در نیمه اول قرن بیستم رایج شد، اما ثابت شد که از نظر سازه‌ای برای بیش از ارتفاع معینی ناکارآمد است. اختراع سیستم سازه‌ای لوله‌ای در دهه 1960 باعث شد تا ساختمان‌ها با ارتفاع بیشتر و با مصرف مصالح کم ساخته شوند. با توجه به ماهیت بازدارنده ستون‌های بیرونی نزدیک به هم لوله‌های قاب‌بندی شده و مهاربندی‌های لوله‌های مهاربندی‌شده، سیستم هسته با بازوهای طره شده مورد پذیرش معماران قرار گرفت زیرا به آن‌ها اجازه طراحی آزادانه نما را می‌داد. با این حال، سازه‌های لوله‌ای متعارف به میزان کمتری برای ساختمان‌های بلند مورد استفاده قرار گرفتند و بعدها با فرم‌های اصلاح‌شده احیا شدند. این سازه‌ها و سایر فرم‌های لوله‌ای پیشرفته که بعدها توسعه یافتند، همچنان در دوران مدرن کاربرد دارند. این مقاله شرح مفصلی از سیستم‌های سازه‌ای مختلف برای ساختمان‌های بلند را ارائه می‌کند و انتظار می‌رود به مهندسان سازه و معمار کمک کند تا به طور هماهنگ سیستم‌های سازه‌ای مناسب را برای ساختمان‌های بلند انتخاب کنند.

مقدمه و پیشینه تاریخی

ویژگی اصلی تمام ساختمان‌های بلند، عمودی بودن یا کیفیت بلندی آن‌هاست. با بلندتر شدن ساختمان‌ها، هم بارهای ثقلی و هم بارهای جانبی بر روی آنها افزایش می‌یابد. یکی از اساسی‌ترین ویژگی‌هایی که ساختمان‌های بلند با ارتفاع‌های رو به افزایش را از نظر فیزیکی ممکن می‌سازد، ایجاد کارایی سازه‌ای است، یعنی استفاده از قاب‌های اسکلتی. ساختمان‌های چند طبقه اولیه، عمدتاً با استفاده از مصالح بنایی با مقاومت فشاری کم ساخته می شدند. بنابراین، دیوارهای تحمل کننده وزن طبقات فوقانی باید بسیار ضخیم و سنگین می‌بودند، تا ساختمان‌ها تحت وزن خود فرو نمی‌ریختند؛ در نتیجه در بیش از یک ارتفاع معین ناکارآمد می‌شدند.

اختراع و به کارگیری سیستم قاب فلزی اسکلتی، هرچند به شکل ابتدایی، توسط ویلیام بارون جنی برای ساختمان بیمه در سال 1885 در شیکاگو، که عموماً به عنوان اولین آسمان‌خراش جهان شناخته می‌شود، آغاز عصر جدیدی برای ساختمان‌های بلند بود. اگرچه شورای ساختمان‌های بلند و زیستگاه شهری (CTBUH) ساختمان‌های «بلند»، «بسیاربلند» و «فوق بلند» را تعریف کرده است، به طور رسمی تعریفی برای «آسمان‌خراش» ارائه نکرده است. مورخان معماری، نظرات مختلفی در مورد اینکه اولین آسمان‌خراش کدام است دارند. علی و مون چند معیار اساسی را برای توصیف یک ساختمان بلند به عنوان یک آسمان‌خراش ارائه کردند و ساختمان بیمه را به عنوان اولین آسمان‌خراش جهان که این معیارها را برآورده می‌کند مجدداً تأیید نمودند. سیستم اسکلتی، نیاز به یک توده بنایی بزرگ برای پشتیبانی از ساختمان‌های بلند را کاهش داد. این سیستم همچنین امکان وجود دیوار پرده‌ای اولیه و نور روز داخلی را فراهم کرد. بعدها یک قاب مقاوم در برابر خمش (MRF) که در آن اتصالات تیر به ستون، صلب هستند، ساخته شد و وجود ساختمان‌های بلندتر و سبک‌تر را ممکن ساخت. با این حال، ساختمان‌های بلندتر و سبک‌تر با مشکل جدیدی مواجه شدند که نیاز به مصالح کافی برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی باد و کاهش نوسان ساختمان بود. برای ساختمان‌های بلند بیشتر از 10 تا 15 طبقه، نوسان جانبی ناشی از نیروهای باد، به معیار طراحی غالب و دغدغه اصلی عملکرد سازه تبدیل می‌شود. در غیاب یک سیستم سازه‌ای بهتر، همه ساختمان‌های بلند آن دوره، از جمله ساختمان وولورث نیویورک در سال 1913، ساختمان کرایسلر در سال 1930، و ساختمان امپایر استیت در سال 1931، در صورت لزوم از قاب‌های خمشی و مهاربندها برای پایداری جانبی استفاده کردند.

قبل از سال 1965، طراحی سیستم‌های سازه‌ای برای ساختمان‌های بلند با استفاده از قاب صلب با اتصال تیرها و ستون‌ها به یکدیگر برای ایجاد یک شبکه ساختاری محکم برای مقاومت در برابر بارهای باد انجام می‌شد. فضلورخان در سال 1961 این موضوع را زیر سوال برد و به کلیت حوزه سیستم‌های سازه‌ای برای ساختمان‌های بلند پرداخت. او متوجه شد که با بلندتر شدن ساختمان‌ها به دلیل بارهای جانبی، «ضریب اطمینان برای ارتفاع» باید درنظر گرفته شود. تقاضا برای سیستم سازه‌ای به طور چشمگیری افزایش می‌یابد، و منجر به افزایش تصاعدی در مصرف مصالح می‌شود. فضلورخان نمودار مبتنی بر ارتفاع خود را برای سیستم‌های سازه‌ای به ترتیب سلسله مراتبی برای ساختمان‌های بلند فولادی و بتنی توسعه داد. این امر راه را برای تولید سیستم‌های سازه‌ای متعدد هموار کرد و امکان طراحی و ساخت ساختمان‌های بلندتر و اقتصادی‌تر را فراهم کرد. بسیاری از سیستم‌های سازه‌ای و اصلاح‌شده برای تسخیر آسمان ظاهر شدند و خطوط آسمان بلندتری برای شهرها مشخص کردند. علاوه بر سازه لوله‌ای و فرم‌های مختلف اصلاح‌شده آن که فضلورخان ایجاد کرد، او همچنین «سازه نهایی» را توصیف کرد و با آن نشان داد که حداکثر کارایی را می‌توان با جابجایی تدریجی ستون‌های بیرونی به گوشه‌های یک لوله مهاربندی شده مستطیلی به دست آورد.

در آغاز دهه 1980، ساختمان‌های بلند با نمای باز به جای لوله‌های قاب‌بندی و مهاربندی‌شده بسته، مورد پسند معماران قرار گرفتند. در اواخر دهه 1980 و 1990 و بعد از آن، بازوهای بیرونی(طره شده) که هسته‌ها و ستون‌های محیطی را به هم متصل کرده و سیستم هسته با بازوهای طره شده را ایجاد می‌کردند، مقبولیت بیشتری در میان معماران به دست آوردند. در این میان، سیستم‌های سازه‌ای مانند سازه‌های مرکب، دیاگریدها و انواع سیستم‌های لوله‌ای نیز شروع به ظهور کردند. از حدود سال 2000، بسیاری از نوآوری‌های سازه‌ای دیگر برای مقابله با چالش افزایش ارتفاع ساختمان‌های بسیار ‌بلند و فوق بلند پدیدار شدند.

جزئیات تکامل سیستم‌های سازه‌ای

منطق پشت توسعه سیستم‌های سازه‌ای مبتنی بر عمل‌گرایی عقلانی، صرفه‌جویی در مصرف مصالح، سادگی و ظرافت و توجه به قابلیت ساخت است. در بحث پیشرفت سیستم‌های سازه‌ای برای ساختمان‌های بلند، دگردیسی را می‌توان در زمان‌های مختلف در بین آن‌ها مشاهده کرد. در ابتدا، یک ساختمان بلند از مصالح بنایی ساخته شده بود که گاهی اوقات با عناصر فلزی تکمیل می‌شد. به دنبال آن ساخت‌و‌ساز اسکلتی با ساختمان 10 طبقه بیمه در سال 1885 آغاز شد که نشانگر آغاز سازه اسکلت فلزی آسمان‌خراش‌ها بود. در سال 1903، ساختمان 15 طبقه اینگالز در سینسیناتی، اوهایو، طراحی و ساخته شده توسط A.O. الزنر، اولین ساختمان بلند بتن مسلح بود. اولین مطالعه دقیق «اثرات مقیاس» توسط مایرون گلداسمیت در پایان‌نامه کارشناسی ارشد در مؤسسه فناوری ایلینویز (IIT)، شیکاگو، در سال 1953، تحت نظر میس وندر روهه انجام شد. زمانی که در طی سال‌های 1961-1969، برهمکنش قاب-برشی و مهم‌تر از آن، سیستم‌های لوله‌ای توسط فضلورخان توسعه یافتند، عصر جدیدی برای ساختمان‌های بلندتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر آغاز شد. طی سال های 1969-1966، نمودارهای پیشگامانه سیستم‌های سازه‌ای مبتنی بر ارتفاع برای ساختمان‌های بلند فولادی و بتنی توسط فضلورخان توسعه یافتند. ساختمان 38 طبقه بتن مسلح برانزویک (Brunswick) با استفاده از اصل برهم‌کنش دیوار برشی و قاب و ساختمان آپارتمان 42 طبقه بتن مسلح دویدچسنات (Dewitt-Chestnut) با استفاده از مفهوم لوله قاببندی شده، که هر دو در شیکاگو واقع شده و در سال 1965 ساخته شده‌اند، توسط فضلورخان مهندسی شدند. اگرچه ساختمان برانزویک شبیه سازه لوله در لوله است، اما بدون توجه به هیچ گونه عملکرد لوله‌ای، به عنوان یک سیستم برهم‌کنشی دیوار برشی-قاب طراحی شده است، جایی که قاب‌های بیرونی موازی با جهت باد برای گسیختگی برشی طراحی شده اند، و رفتار سه‌بعدی قاب های بیرونی نیز با تجزیه و تحلیل طره، ثبت شد[5]. در همین حال، در سال 1964، ساختمان 47 طبقه بتن مسلح بورس در مونترال توسط پیر نروی به عنوان اولین کاربرد مفهوم هسته با بازوهای طره شده ساخته شد.

ساختمان 100 طبقه مرکز جان هنکاک در شیکاگو که در سال 1970 تکمیل شد، توسط فضلورخان به عنوان اولین سازه لوله مهاربندی شده فولادی طراحی شد. ساختمان 20 طبقه مرکز داده در هیوستون، طراحی شده توسط فضلورخان، اولین ساختمان مرکب فولادی-بتنی مدرن بود که در سال 1971 ساخته شد. در سال 1973، مرکز تجارت جهانی در شهر نیویورک (تخریب شده در سال 2001) اولین ساختمان لوله قاب‌بندی شده فولادی بود که توسط لزلی رابرتسون طراحی شده بود. اندکی پس از آن، برج 109 طبقه سیرز در شیکاگو در سال 1974 توسط فضلورخان به عنوان اولین سازه لوله فولادی دسته‌بندی شده اجرا شد. ساختمان وان مگنیفیسنت (One Magnificent) 57 طبقه فضلورخان در سال 1983 در شیکاگو اولین سازه لوله‌ای دسته‌بندی شده بتنی بود. در سال 1985، ساختمان اونتری 58 طبقه در شیکاگو، که همچنین توسط فضلورخان طراحی شده بود، اولین ساختمان لوله مهاربندی شده بتنی بود. تقریباً از سال 1985 و به ویژه از سال 1990 به بعد، سیستم‌های سازه‌ای مختلفی برای ساختمان‌های بلند مورد استفاده قرار گرفته‌اند تا خواسته‌های پست‌مدرنیسم و سبک‌های معماری کثرت‌گرای بعدی را برآورده کنند.

سیستم های قاب بندی کف

در ساختمان‌‌های بلند فولادی، بارهای ثقلی توسط طبقات و ستون‌ها تحمل می‌شوند. سیستم کف استاندارد، یک عرشه فلزی و روکش بتنی است که بر روی تیرهای فولادی، تیرچه‌ها، خرپاها و شاه‌تیرها که توسط ‌اتصال‌دهنده‌های برشی یا ناودانی‌های تعبیه شده در بتن به هم متصل می‌شوند. در ساختمان‌های بلند بتنی، کف‌های بتنی اغلب شامل دال‌های مسطح، صفحات مسطح، تیرچه‌های بتنی یک طرفه و دال‌های وافل هستند. علاوه بر تحمل بارهای ثقلی عمودی، طبقات حاوی عرشه کف ورق فلزی با روکش بتنی به عنوان دیافراگم عمل کرده و یک سیستم مهاربندی موثر را به اعضای قاب سازه عمودی اضافه می‌کند و بارها را به عناصر مقاوم در برابر برش مانند مهاربندی‌ها، دیوارهای برشی و قاب‌های خمشی منتقل می‌کند. رفتار یک دیافراگم را می‌توان با یک تیر پهن فولادی که به پهلو چرخانده شده است، مقایسه کرد. دیافراگم، جان تیر را تشکیل می‌دهد و عناصر سازه‌‌ای پیرامونی به عنوان بال تیر عمل می‌کنند. بارهای جانبی به عنوان نیروهای افقی درون صفحه که توسط عمل خمشی سیستم دیوار پرده‌ای ایجاد می‌شود به دیافراگم منتقل می‌شوند.

ایده اصلی استفاده از سیستم‌های کامپوزیت، ترکیب نقاط قوت فولاد و بتن برای دستیابی به مقاومت بیشتر، سختی، سرعت ساخت، مقاومت در برابر آتش و غیره است چنین سیستم های کف معمولاً شامل اعضای نگهدارنده هستند که به عنوان جان یک تیرT شکل و رویه بتنی به عنوان بال عمل می‌کنند. عرشه‌های فلزی از ورق‌های فولادی با برجستگی‌های کوچک ساخته می‌شوند تا پیوند خوبی با رویه بتنی ایجاد کنند و به آن‌ها عرشه کامپوزیت می‌گویند، به این معنی که عرشه فلزی و رویه بتنی به صورت ترکیبی عمل می‌کنند.

عملکرد ترکیبی تیر، تیرچه یا خرپا که عرشه را نگه می‌دارد از طریق گل‌میخ‌های فلزی است که به همراه عرشه فلزی به آنها جوش داده شده است. نقطه ضعف تیرهای کامپوزیت منشوری این است که کانال‌ها و لوله‌کشی‌ها‌ باید از زیر تیرها عبور کنند و ارتفاع مفید فضا را کاهش دهند، یا اینکه در جان تیرها باید سوراخ‌هایی برای دسترسی به کانال‌ها فراهم شوند. از آنجایی که این سوراخ‌ها نیاز به صفحه یا سخت کننده‌هایی دارند، هزینه ساخت افزایش می‌یابد. در نتیجه، انواع دیگری از تیرهای غیرمعمول یا تیرهای غیر‌منشوری، مانند تیرهای مخروطی، تیرهای دارای نشیمن، تیرهای لانه‌زنبوری، یا سیستم تیرهای کوچک توسعه یافتند.

کف‌های بتنی

صفحات مسطح بتن مسلح، دال‌هایی با ضخامت یکنواخت بدون تیر، پانل‌های قطره‌ای یا سرستون‌ها هستند. دال‌های مسطح بتن آرمه از پانل‌های قطره‌ای یا سرستون‌ها یا ترکیبی از هر دو استفاده می‌کنند، در نتیجه ضخامت دال را کاهش می‌دهند؛ برش و گشتاور در اطراف ستون‌ها بیشترین مقدار است. این سیستم‌ها به طور کلی برای ساختمان‌های بلند اداری و مسکونی مناسب هستند. با این حال، الزامات کنترل تغییر شکل باعث می‌شود که نسبت دهانه به عمق دال‌ها برای کارایی بهینه سازه محدود شود. برای کاربری‌های اداری، به دلیل ضخامت بیش از حد، سیستم دال تخت بیش از حد سنگین می‌شود و هزینه‌ای مازاد را بر ستون‌ها و فونداسیون‌ها تحمیل می‌کند. تیرچه‌های یک‌طرفه بتنی بین قاب‌های مرکزی و پیرامونی قرار دارند و می‌توانند دهانه‌های زیاد را پوشش دهند. این سیستم برای ساخت و سازهای بلند در آمریکای شمالی محبوب است. تیرچه‌ها معمولاً 0.9 متر با یکدیگر فاصله دارند. یکی از انواع این سیستم یک مدول گسترده یا تیرچه حذفی است که تیرچه‌ها در آن فاصله بیشتری دارند. صفحات وافل یک سیستم دو‌طرفه را با استفاده از ردیف تیرچه‌های عمود بر یکدیگر تشکیل می‌دهند. با این حال، سیستم‌ تیرچه یک‌طرفه برای دهانه‌های زیاد، آنقدر عمیق می‌شوند که ارتفاع کف تا کف افزایش می‌یابد و فضای زیر سقف را کاهش می‌دهد و برای ساختمان‌های بلند، ارتفاع کل بسیار حائز اهمیت شده و باعث افزایش هزینه می‌شود. پیش‌تنیدگی راه حل مناسبی برای این موضوع است. استفاده از بتن پیش‌تنیده می‌تواند به طور قابل‌توجهی دهانه را افزایش دهد. از کف‌های بتنی پس‌کشیده نیز گاهی برای دستیابی به دهانه‌های بزرگ‌تر برای ایجاد فضای باز کافی استفاده می‌شود.

از دیگر مزایای بتن پیش‌تنیده این است که اعضا بدون ترک، بادوام‌تر و محکم‌تر از اعضای معمولی هستند. اعضای لاغرتر و سبک‌تری برای کف‌ها مورد نیاز است، در نتیجه به ارتفاع کمتری از طبقه میتوان دست یافت که انگیزه مهمی برای استفاده از این اعضا در ساختمان‌های بلند است. این موضوع منجر به کاهش سطح نازک‌کاری و حجم ساختمان به همراه کاهش بارهای گرمایشی و سرمایشی می‌شود. قطعات بتنی پیش‌ساخته و پیش‌تنیده که معمولاً پس‌کشیده می شوند، فرآیند ساخت و ساز را ساده و سریع می‌نمایند؛ زیرا به سرعت با اسکلت‌های فولادی یا بتنی حمل و نصب می‌شوند. وزن سبک‌تر کف با استفاده از این قطعات با سوراخ‌های طولی ممتد که باعث ایجاد فضاهای خالی در قطعات می‌شود، وزن ساختمان را کاهش می‌دهد و در نتیجه باعث کاهش بارهای منتقل شده از ستون‌ها به پی‌ها و در نتیجه مقرون به صرفه شدن فونداسیون‌ها می‌شود. از سیستم‌های بتنی پیش‌ساخته به عنوان روکش نیز استفاده می‌شود.

برخی از معایب سیستم‌های پیش‌ساخته این است که نیاز به تعداد زیاد اتصالات، انگیزه استفاده از آن‌ها را برای کل سازه کاهش می‌دهد و یکپارچگی سازه را تحت بارهای لرزه‌ای و شرایط فروریزش پیش‌رونده زیر سوال می‌برد. برای حفظ یکپارچگی سازه تحت این شرایط، کلیه اتصالات بین عناصر در یک ساختمان با استفاده از پانل‌های بتنی پیش‌ساخته نیاز به پیوستگی کششی و شکل‌پذیری با ایجاد پیوندهای افقی، عمودی و محیطی بین عناصر سازه‌ای دارند.

سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی

به طور کلی، سیستم قاب‌بندی کف بدون توجه به ارتفاع سازه، بار ثقلی قابل‌توجهی را در هر طبقه تحمل می‌کند. اگر هیچ نیروی جانبی مانند باد یا زلزله روی ساختمان وجود نداشته باشد، هر ساختمان بلندی را می‌توان برای بارهای صرفا ثقلی طراحی کرد. با این حال، سیستم قاب‌بندی کف (تیرها در امتداد خطوط ستون‌ها) در همکف یا طبقات اول باید به عنوان بخشی از قاب مقاوم در برابر بار جانبی استحکام بیشتری داشته باشد تا نیروهای جانبی تجمعی از طبقات بالاتر را تحمل کرده و سختی جانبی ساختمان را افزایش داده و در نتیجه نوسان ساختمان را کاهش دهد. به طور مشابه، ابعاد ستون به تدریج به سمت طبقات پایین‌تر افزایش می‌یابد تا بارهای گرانشی تجمعی از طبقات بالاتر را تحمل کند. قابل ذکر است که کل سیستم سازه به گونه‌ای تنظیم می‌شود که دهانه‌های مطلوبی برای فضاهای داخلی فراهم شود.

با این وجود، با افزایش ارتفاع ساختمان، مقاومت ساختمان در برابر نوسانات (که عمدتاً توسط باد ایجاد می شود) باید افزایش یابد و الزامات بیشتری برای تیرها و ستون‌هایی که سیستم قاب صلب را برای حمل نیروهای جانبی تشکیل می‌دهند، ایجاد شود. مصالح سازه‌ای اضافی مورد نیاز برای پاسخگویی به این الزامات، اصل “ضریب اطمینان برای ارتفاع” است که توسط فضلورخان در نظر گرفته شده است (شکل 1). این مفهوم امکان توسعه چندین سیستم سازه‌ای مقاوم در برابر بار جانبی را برای ساختمان‌های بلند فراهم کرد.

ساختمان‌های بلند در گذشته با استفاده از یک نوع مصالح سازه‌ای و یک نوع سیستم سازه‌ای مقاوم در برابر بار جانبی ساخته شده‌اند. دو نوع اساسی و اولیه از سیستم‌های مقاوم در برابر بار جانبی، قاب‌های خمشی (که قاب‌های صلب نیز نامیده می‌شوند) و دیوارهای برشی یا خرپاهای برشی هستند. سیستم‌های دیگر بعدها به عنوان پیشرفت‌هایی از طریق نوآوری‌های مهندسی توسعه یافتند.

قاب‌های مهاربندی شده

قاب‌های مهاربندی شده را خرپاهای برشی یا خرپاهای عمودی نیز می‌نامند. عملکرد اصلی آنها مقاومت در برابر بارهای جانبی از طریق سختی محوری اعضا است. در همین حال، ستون‌ها در برابر گشتاور واژگونی ناشی از کشش در ستون‌های رو به باد و فشار در ستون‌های پشت به باد، مقاومت می‌کنند. ازدیاد طول و کوتاه شدن ستون‌ها باعث تغییر شکل جانبی می‌شود. در یک قاب مهاربندی شده متحدالمرکز (CVF)، مهاربندهای مورب همگرا X، K،V یا شورون ( Vمعکوس) شبکه‌ای از اعضا را تشکیل می‌دهند تا بر اساس جهت شیب در برابر برش افقی در فشار یا کشش محوری مقاومت کنند (شکل 2). خرپاهای برشی یا خرپاهای عمودی نیز می‌نامند. عملکرد اصلی آنها مقاومت در برابر بارهای جانبی از طریق سختی محوری اعضا است. در همین حال، ستون‌ها در برابر گشتاور واژگونی ناشی از کشش در ستون‌های رو به باد و فشار در ستون‌های پشت به باد، مقاومت می‌کنند. ازدیاد طول و کوتاه شدن ستون‌ها باعث تغییر شکل جانبی می‌شود. در یک قاب مهاربندی شده متحدالمرکز (CVF)، مهاربندهای مورب همگرا X، K،V یا شورون ( Vمعکوس) شبکه‌ای از اعضا را تشکیل می‌دهند تا بر اساس جهت شیب در برابر برش افقی در فشار یا کشش محوری مقاومت کنند (شکل 2).

مهاربندها اغلب برای تحمل بارهای جانبی، فشار و کشش طراحی می‌شوند، هرچند با تاکید بیشتر بر فشار برای جلوگیری از کمانش. در همین حال، قاب مهاربندی شده خارج از مرکز (EBF) مهاربندها را به تیرهای کف متصل می‌کند تا قاب را با عملکرد خمش و برش تقویت کند (شکل 3). این امر شکل پذیری سازه را معرفی می‌کند و بنابراین، این نوع قاب برای سازه‌های مناطق لرزه‌خیز استفاده می‌شود و همچنین هنگام قرار دادن درهای عریض و سایر بازشوها در دیوار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

قاب‌های مقاوم در برابر خمش

قاب‌های خمشی، که قاب‌های صلب نیز نامیده می‌شوند، متشکل از تیرها و ستون‌هایی با اتصالات صلب هستند که ساختار شبکه‌ای مسطح را تشکیل می‌دهند. چنین قاب‌هایی عمدتاً از طریق سختی خمشی اعضا در برابر بارها مقاومت می‌کنند. تغییر شکل جانبی این قاب‌ها عمدتاً به دلیل قفسه‌بندی برشی قاب و تا حدی به دلیل ازدیاد طول و کوتاه شدن ستون است. قاب‌های خمشی، رایج‌ترین سیستم سازه‌ای در ساختمان‌های بلند فولادی و بتنی هستند و در گذشته قبل از ظهور سیستم‌های پیشرفته‌تر، سیستمی اولیه بودند. این قاب‌ها انعطاف‌پذیری را در طراحی معماری ساختمان‌های بلند فراهم می‌کنند و از نظر سازه‌ای برای ساختمان 20 تا 30 طبقه کارآمد هستند. قاب‌های خمشی برای سازه‌های فولادی را می‌توان با اتصالات جوشی یا پیچی اجرا کرد. برای قاب‌های بتن مسلح، اتصالات به‌صورت یکپارچه ساخته می‌شوند که در آن‌ها فولاد تقویت‌کننده، تغییرات تنشی ناشی از نیروهای باد یا زلزله را که در جهت‌های مختلف عمل می‌کنند، در خود جای می‌دهد.

سیستم‌های دیوار برشی

دیوارهای برشی منفرد و مرکب بتن مسلح سیستم‌های رایجی بوده‌اند که در گذشته برای ساختمان‌های بلند برای مقاومت در برابر بارهای جانبی باد و زلزله مورد استفاده قرار می‌گرفتند. برای دیوارهای برشی مرکب، دو یا چند دیوار برشی در یک صفحه به وسیله یک تیر یا دال پیوند معمولاً روی دهانه درها به هم متصل می‌شوند و به عنوان یک واحد یکپارچه کار می‌کنند (شکل 4)، درواقع سختی جانبی کل از مجموع سختی دیوارهای برشی مجزا بیشتر است. استفاده از دیوارهای برشی منفرد در ترکیب با دیوارهای هسته‌ای نیز رایج بوده‌اند. دیوارهای برشی منفرد و هسته‌های ساخته شده از دیوارهای برشی به عنوان طره‌های عمودی گیردار در پایه در نظر گرفته می‌شوند. برای ساختمان‌های بلند، دیوارهای برشی نه تنها برش جانبی بلکه بارهای ثقلی وارد بر آن‌ها را نیز تحمل کرده و به عنوان اعضای خمشی نیز عمل می‌کنند. دیوارهای برشی در ساختمان‌های اداری بلند عموماً در اطراف هسته‌های خدماتی و آسانسور و راه‌پله‌ها قرار دارند. در ساختمان‌های بلند مسکونی، دیوارهای برشی معمولاً بین واحدهای آپارتمان‌ها و در برخی موارد در اطراف آسانسور و راه‌پله قرار می‌گیرند.

دیوارهای برشی فرکانس طبیعی ساختمان را افزایش داده و شتاب ناشی از باد را کاهش می‌دهند تا راحتی ساکنین را تضمین کنند. با این حال، این موضوع منجر به نیروهای لرزه‌ای بیشتر بر سازه می‌شود و از این رو در موارد متعددی، دیوارهای برشی ممکن است نامطلوب باشند مگر اینکه به اندازه کافی شکل‌پذیر باشند. با این حال، پس از چند زلزله اخیر، مشاهده شده است که دیوارهای برشی ساختمان‌ها را در برابر ریزش کامل پایدار نگه می‌دارند و ممکن است در ساختمان‌های مسکونی برای  اطمینان از افزایش ایمنی ساکنان مفید باشد.

لازم به ذکر است که قاب‌های مهاربندی شده فولادی مورد بحث، مانند دیوارهای برشی بتنی رفتار می‌کنند. انتخاب یک سیستم خاص برای یک ساختمان بلند به طراح سازه بستگی دارد که بر اساس ملاحظات عملی با همکاری معمار تصمیم می‌گیرد.

سیستم‌های برهم‌کنشی دیوار-قاب برشی و خرپا-قاب برشی

اولین بار توسط فضلورخان تشخیص داده شد که وقتی دیوارهای برشی و قاب‌های خمشی با هم در یک ساختمان بلند با دیافراگم‌های صلب کف استاندارد که آن‌ها را به هم متصل می‌کند، استفاده می‌شوند؛ این دو سیستم سازه‌ای لزوماً به طور مستقل عمل نمی‌کنند، بلکه به بارهای جانبی به عنوان سیستمی ترکیبی واکنش نشان می‌دهند [15] . توزیع بارهای جانبی به دیوارهای برشی و قاب‌های خمشی در ساختمان‌های چند طبقه یا بلند، پیچیده است و به ویژگی‌های سختی نسبی هر دیوار برشی و هر قاب خمشی در طول کل ارتفاع ساختمان بستگی دارد. شکل 5 توزیع نیروهای داخلی و مشخصات تغییر شکل سیستم ترکیبی را در صورتی که دو عنصر مستقل در تعامل با هم عمل کنند، نشان می‌دهد. سیستم تعاملی منجر به یک فرم تغییر شکل یافته معمول می‌شود، زیرا دو عنصر یادشده توسط دیافراگم صلب کف مجبور می‌شوند به طور همسان تغییر شکل دهند. این امر، راه را برای توسعه سیستم‌های ترکیبی تعاملی مدرن برای ساختمان‌های بلند هموار کرد. هنگامی که خرپاهای برشی با قاب‌های خمشی به کار می‌روند، سیستم ترکیبی رفتار تعاملی مشابهی را نشان می‌دهد.

سیستم‌های هسته با بازوی طره شده

سیستم هسته با بازوی طره شده، یک سیستم کارآمد عالی برای ساختمان‌های بلند است. طره‌های افقی به صورت خرپا در سازه‌های فولادی و دیوار در سازه‌های بتنی، بین هسته سازه‌ای و سازه پیرامونی قرار دارند. این طره‌ها به عنوان عناصری سخت عمل می‌کنند که باعث ایجاد یک کوپل کشش-فشار در هسته و سیستم سازه‌ای پیرامونی می‌شود. خرپاهای کمربندی اغلب برای توزیع یکنواخت نیروهای کششی و فشاری در ستون‌های قاب بیرونی به کار می‌روند (شکل 6). این خرپاها همچنین در به حداقل رساندن ازدیاد طول و کوتاه شدن متغیر ستون‌ها کمک می‌کنند. بازوهای طره شده، باعث مشارکت ستون‌ها در فشار و کشش می‌شوند. هسته، درگیر مقاومت در برابر برش‌های افقی است و بازوهای طره‌ای در انتقال برش عمودی از هسته به ستون‌های پیرامونی استفاده می‌شوند. بازوها با ایجاد انحنای معکوس در هسته، یک مقاومت چرخشی با خنثی کردن چرخش‌ها توسط هسته بسیار سخت فراهم می‌کنند؛ که این امر منجر به کاهش تغییر شکل جانبی کلی ساختمان می‌شود.

سیستم‌های هسته‌ با بازوی طره شده می‌توانند فولادی، بتنی و یا ترکیبی از این دو باشند. این سیستم‌ها به ستون‌های پیرامونی اجازه می‌دهند تا با فاصله‌های زیاد از هم قرار گیرند، در نتیجه با کاهش موانع ایجاد شده توسط ستون‌ها یا مهاربندها، نمای بیرونی ساختمان بازتر می‌شود، بنابراین معماران می‌توانند طراحی نما را آزادانه انجام دهند. بسیاری از مزایای عملکردی و این واقعیت که این سیستم با ارتفاعات ساختمانی مختلف و سناریوهای طراحی سازه ای و معماری سازگار هست، آن را محبوب کرده است.

ادامه این مقاله را در پست بعدی بخوانید…