بخشی از مقاله
بررسی ویژگی هاي سازه هسته مرکزي با مهار بازویی و خرپاهاي کمربندي در ساختمان هاي بلند با نمونه هاي موردي برج تایپه 101 و برج شانگهاي
چکیده
براي کاهش محدودیت ارتفاع به دلیل ضوابط طراحی موجود و همچنین ضرورت ارضاء الزامات سازه اي فرم هاي نامنظم و پیچیده و قابل ساخت کردن آنها انتخاب یک سیستم سازه اي به گونه اي که به شکل بهینه بیشترین کارایی به لحاظ سازه و معماري ایجاد کند، مورد توجه قرار گرفته است. از گذشته تا کنون تعامل بین معماري و سازه مهندسین را براي خلق سیستم هاي سازه اي جدید برمی انگیزد ، به طوري که نیاز به زیبا شناختی در آن سازه برآورده شود. در میان انواع سیستم هاي سازه اي ، سازه هسته مرکزي با مهار بازویی و خرپاهاي کمربندي به علت کارایی سازه اي بالا در تحمل نیروهاي جانبی و همچنین امکان دسترسی به فضاهاي کافی داخلی مورد توجه می باشد. در این مقاله ویژگی هاي سازه اي و معماري این سیستم با نمونه هاي موردي برج تایپه 101 و برج شانگهاي مورد بررسی قرار گرفته است.
واژههاي کلیدي: سازه هسته مرکزي با مهار بازویی ، خرپاهاي کمربندي ، ساختمان هاي بلند ، برج تایپه 101 ، برج شانگهاي
-1 مقدمه
از ابتداي تمدن بشري ، برج ها و ساختمان هاي بلند مورد توجه انسان بوده اند. ساخت ساختمان هاي بلند ابتدا با هدف دفاع شروع شد و سپس جنبه هاي نمادي و کاربردي پیدا کرد. بلندي یک ساختمان حالتی نسبی است و ساختمان ها را نمی توان بر حسب ارتفاع یا تعداد طبقه دسته بندي و تعریف نمود. در هر یک از بخش هاي تخصصی مرتبط با ساختمان تعریف هاي متعددي از ساختمان بلند ارائه شده است. از نقطه نظر مهندسی سازه ساختمانی بلند محسوب می شود که در طراحی و اجراي آن نیروهاي جانبی همچون باد و زلزله تاثیرگذارتر و مهم تر از نیروهاي عمودي باشند، اما از دیدگاه معماري ساختمانی بلند محسوب می شود که نسبت ارتفاع به قطر آن حداقل برابر 3,14 باشد. ( شکل ( 1
شکل:1 تناسب محیط و یا قطر ساختمان با ارتفاع آن تعیین کننده نوع آن از نظر معماري می باشد. [ 1 ]
- در صورتی که نسبت ارتفاع به قطر برج 1,5 π باشد، ساختمان بسیار بلند نامیده می شود.
- در صورتی که نسبت ارتفاع به قطر برج برابر π باشد، ساختمان بلند نامیده می شود.
- در صورتی که نسبت ارتفاع به قطر برج نصف π باشد، ساختمان متوسط نامیده می شود.
- در صورتی که نسبت ارتفاع به قطر برج برابر یک سوم
π باشد، ساختمان کوتاه نامیده می شود.
1/3π 0.5π π 1.5π X/D
سیستم هاي سازه اي در ساختمان هاي بلند به دو دسته سازه هاي خارجی و سازه هاي داخلی تقسیم می شوند که به ترتیب در شکل هاي 2 و 3 نشان داده شده است.
شکل : 2 سیستم هاي سازه اي داخلی ساختمان هاي بلند [6]
شکل: 3 سیستم هاي سازه اي خارجی ساختمان هاي بلند [6]
یکی از متداول ترین سیستم هاي سازه اي که امروزه در ساختمان هاي بلند مورد استفاده قرار می گیرد سازه هسته مرکزي با مهار بازویی است. استفاده گسترده از این سیستم از دهه 80 میلادي آغاز شد و به دلیل ویژگی هاي خاصی که از لحاظ معماري و سازه داشت مورد توجه طراحان ساختمان بلند قرار گرفت و کاربرد سازه هاي لوله اي را تحت الشعاع قرار داد. این سیستم قابلیت کاربرد در ساختمان هاي تا 150 طبقه و حتی بیشتر را دارد. [ 5 ]
ایده استفاده از مهارهاي بازویی در ساختمان هاي بلند، از کشتی هاي بادبانی گرفته شده است. در این گونه کشتی ها، این سیستم در بادبان ها براي مقابله با بارهاي باد استفاده می شد و دکل هاي بلند و باریک را پایدار و قوي می کرد. هسته در یک ساختمان بلند مانند دکل یک کشتی بادبانی است، که در آن بازوهاي طره شده از هسته مانند پخش کننده عمل کرده و ستون ها مانند مهار عمل می کنند. [ 1 ]
شکل :4 در کشتی هاي بادبانی از سیستم هسته مرکزي با مهاربازویی براي مقاوم کردن دکل هاي بادبان ها استفاده می شد.
-2 سیستم سازه اي
این فرم سازه اي داراي یک هسته مرکزي است که متشکل از دیوارهاي برشی و یا قاب هاي مهاربندي شده می باشد. هسته مرکزي توسط خرپاهاي بازو مانند یا شاه تیرها به ستون هاي خارجی متصل می شود. بازوهاي طره شده از هسته معمولاٌ به صورت خرپا در سازه هاي فولادي و یا دیوار در سازه هاي بتنی هستند. هسته ممکن است در مرکز واقع شده و بازوها در دو سمت آن واقع شوند و در برخی موارد ممکن است در یک سمت ساختمان واقع شده و بازوها به طرف ستون ها
در سمت دیگر ساختمان امتداد یابند. [1]
شکل : 5 سازه هسته مرکزي با مهار بازویی؛ یکی هسته در مرکز و دیگري هسته در یک سمت ساختمان [1]
اضافه بر ستون هاي انتهایی مهار بازویی معمولاٌ از ستون هاي محیطی دیگر نیز براي گیردار نمودن مهارهاي بازویی استفاده می شود. این کار با افزودن یک تیر عمیق محیطی یا کمربند در اطراف سازه و در تراز مهار بازویی صورت می گیرد، این نوع فرم سازه با مهار کمربندي نامیده می شود. ( شکل [ 4 ] ( 6 هنگامی که سازه تحت اثر بارهاي افقی قرار می گیرد، چرخش هاي صفحه اي قائم هسته به وسیله بازوها از طریق کشش در ستون هاي جهت بار و فشار در ستون هاي جهت خلاف بار محدود می گردند. ( شکل [ 2 ] ( 7
شکل :6 سیستم با مهار کمربندي شکل:7 رفتار تحمل بارهاي جانبی توسط سیستم
ساختمان می تواند یک یا چند خرپاي کمربندي داشته باشد. هر چقدر که خرپاهاي بیشتري بـه کـار بـرده شـود، رفتـار یکپارچه تر و سختی سیستم بیشتر افزایش می یابد. ( شکل [ 1 ] ( 8
شکل :8 سیستم هسته مرکزي با مهار بازویی همراه با خرپاي کمربندي
رفتار یک سازه مرکب از قاب، هسته و خرپاهاي کمربندي تحت بارگذاري جانبی در شکل ( ( 9 مشاهده می گردد. هنگامی که قاب به هسته سازه مفصل شده باشد ( شکل بالا ) هسته مانند یک تیر طره اي عمل می نماید و بالاي آن به آزادي دوران می نماید. در این حالت قاب دوران بسیار کمی را تحمل می کند. اما اگر قاب به وسیله ي یک خرپاي کمربندي به هسته بسته شده باشد ( شکل میانی ) هنگامی که هسته سعی بر خم شدن دارد، خرپاهاي کمربندي مانند بازوهاي اهرم عمل می نمایند، ودر ستون هاي پیرامونی مستقیماٌ تنش هاي محوري ایجاد می کنند و در واقع از هرگونه دورانی در بالاي سیستم جلوگیري می شود. ستون ها نیز به نوبه خود در مقابل تغییر شکل هسته مقاومت می نمایند. با افزودن خرپاهاي کمربندي اضافی در طبقات میانی ساختمان ( شکل پایین ) مقاومت و سختی سیستم افزایش بیشتري پیدا می کند. در هر طبقه خرپادار از دوران سیستم ممانعت به عمل می آید. گیرداري ایجادشده در این طبقات، منحنی گشتاور را به عقب می کشد. در اثر انتقال بیشتر نیروهاي جانبی به نیروهاي محوري، گشتاور خمشی در پاي ساختمان به مقدار زیادتري کاهش می یابد و از نوسان ( یا تغییر شکل ) جانبی ساختمان به مقدار بیشتري کاسته می شود. [ 1 ] خرپاهاي کمربندي را می توان یا با اتصالات مفصلی و یا با اتصالات صلب به ستون هاي پیرامون متصل کرد. اگر خرپاها به ستون ها به طور پیوسته متصل باشند، تمام سیستم به صورت واحد عمل می کند و در نتیجه فقط درصد کمی از ظرفیت تحمل گشتاور هسته مورد استفاده قرار می گیرد زیرا دیوارهاي هسته نسبتاٌ نزدیک تار خنثاي مقطع ساختمان قرار دارند. از طرف دیگر بازوهاي ارتجاعی که از هسته طره شده و به ستون هاي پیرامونی مفصل می گردند، ظرفیت تحمل گشتاور هسته را به نحو بهتري قابل استفاده می سازند و از ستون هاي خارجی نیز مانند سیستم صلب استفاده می شود. با این حال چون اتصالات مفصلی فقط برش را انتقال می دهند و هیچ گشتاور خمشی در ستون ها ایجاد نمی کنند ظرفیت بار محوري ستون ها افزایش می یابد. نمونه هایی از
کاربرد این سیستم در شکل ( ( 10 نشان داده شده است. [ 3 ]
شکل: 9 رفتار سازه با خرپاهاي شکل :10 خرپاهاي کمربندي و هسته مهاربندي شده کمربندي تحت بارگذاري جانبی [1]
در شرایطی که در ساختمان هاي بلند ضریب لاغري بزرگ باشد و لنگر واژگونی نسبت به نیروي برشی بیشتر باشد و همچنین در مواقعی که تغییر مکان هاي جانبی ساختمان در برابر نیروهاي جانبی زیاد باشد بهتر است از سازه هسته مرکزي با مهار بازویی استفاده کرد. این سیستم سازه اي راه حل بسیار موثر و مقرون به صرفه اي براي کاهش شتاب ساختمان است که باعث بهبود راحتی ساکنین در بادهاي شدید می شود. در واقع نقش مهارهاي بازویی در سیستم کاهش لنگر واژگونی و همچنین کاهش جابه جایی هاي جانبی ساختمان است به طوري که با اضافه کردن مهارهاي بازویی به هسته لنگر واژگونی تا 40 درصد کاهش می یابد و در سازه هایی که از ستون هاي بزرگ خارجی نیز بهره می برند، لنگر واژگونی در هسته حتی تا 60 درصد نیز می تواند کاهش یابد. همچنین اضافه کردن مهارهاي بازویی بین هسته برشی و ستون هاي خارجی، مقاومت برشی هسته را در برابر بارهاي جانبی افزایش نمی دهد. از این حهت، ساختمان هاي بلندي که از سیستم هسته مرکزي با مهار بازویی استفاده می کنند به هسته هایی با مقاومت برشی قابل توجه نیاز دارند. شکل ] (11)۵[
شکل :11 مقایسه دیاگرام لنگر خمشی در سازه هسته مرکزي با مهار بازویی و بدون مهار بازویی
