بخشی از مقاله
بررسی و تحلیل رفتار سازه ای برج مارپیچ شیکاگو Thornton Thomasetti
چکیده
برج مارپیچ یک اثر هنری زنده و تندیسی پویا است که با وجـود سـادگی ، پیچیـده بـه نظـر میرسـد . بـرج مـارپیچ شـیکاگو Thornton Thomasetti، برترین نمایش تاثیر پذیری های کالاتراوا از طبیعت ، هندسه ، شکل و سازه است . سازه این بـرج هم باید به اندازه طراحی معماری آن سودمند در نظر گرفته می شد . طراح در این پروژه با زیرکی و هوش بـالا مسـائل سـازه و معماری را با هم هماهنگ و مدیریت نموده و محصول ، ساختمانی است که در نوع خود بی همتاست. در تحقیق حاضـر سـعی شده ضمن بررسی و آشنایی با انواع سیستمهای سازه ای ساختمان مرتفع ، از طریق رسم شماتیک و دیاگرامی عناصر سازه ای به دنبال بررسی نقش آنها در انتقال نیروهای سازه ای میباشد و به تحلیل سازه ای بـرج مـارپیچ مـی پـردازد همـان طـور کـه طراحی معماری یک ساختمان بلند با توجه به متغیرهای موجود آن بسیار اهمیت دارد طراحـی سـازه و تعیـین سـازه اصـلی و فرعی ساختمان بلند نیز بسیار حائز اهمیت است . مقاله حاضر با بیانی متفاوت و نگرشی نو در نحلیل سـازه ای آثـار معمـاری بدون تردید در جهت بیان این ضرورت می باشد که فرم معماری تاثیر انکار ناپذیر بر رفتار سازه ای ساختمان ها و به خصـوص ساختمان های بلند دارد. با ارایه مصداقی در روند تحقیق در پی تحقق این هدف است.
.
واژگان کلیدی: سازه بلند مرتبه ، تحلیل رفتار سازه ، فرم معماری ، برج مارپیچ شیکاگو
مقدمه
ساختمان بلند مرتبه ،یکی از تحولات عمده در تمام زمینه های فنون ساختمانی است.این ساختمانها محصول همکاری تنگاتنگ همه افرادی است که در طراحی یک پروژه معماری نقش دارند . تاکیدی که بر این همکاری وجود دارد به همین دلیل است که در طراحی یک ساختمان بلند تمامی مسائل و متغیرهای موجود تاثیر فراروانی داشته و نمی توان غلبه ای برای هر یک از آنها در طول مراحل پروژه بر دیگری قائل شد . بدون تردید فرم معماری تاثیر انکار ناپذیر بر رفتار سازه ای ساختمان ها و به خصوص ساختمان های بلند دارد. انتخاب فرم مناسب می تواند منجر به رفتار مطلوب تر ساختمان در برابر نیرو ها ، به ویژه نیروهای جانبی گردد. رعایت اصولی مانند تقارن ، یکپارچگی و پیوستگی همراه با استفاده از فرم های هندسی منظم می تواند به مقاومت بیشتر سازه در برابر نیروها منجر شود.
یافته ها
آشنایی با سیستم های سازه های مرتفع :
سیستم های سازه که وظیفه اصلی آنها جذب بارها از سطوح افقی مستقر در بالای یکدیگر در ترازهای مختلف و انتقال قائم آنها به پی ساختمان است ، سازه های مرتفع نامیده میشوند.سازه های مرتفع از طریق سیستم های ویژه جذب بار ، انتقال بار و پایدارسازی جانبی مشخص می شوند . این سازه ها مجموعه ای از سیستم های یک طبقه مستقر بر روی هم نیستند . بلکه همان طور که رفتار سازه ای آنها نشان میدهد ، این سازه ها را میتوان به عنوان مظهری از یک طره قائم بزرگ توصیف کرد .
داشتن سازه قائم مستقیم الخط یکنواخت برای سیستم های سازه مرتفع یک وجه مشخصه اجباری نیست . (اسکیرل،(1390 سازه های مرتفع را می توان از طریق سیستم های گوناگون جذب بارهای طبقه ای تفکیک کرد . در سیستم نوع دهانه ای نقاط جذب و جمع آوری بارهای افقی به طور یکنواخت روی کل پلان کف طبقه توزیع می شوند ، در سیستم صندوقه ای این نقاط در محیط طبقه تمرکز می یابند ، در سیستم هسته ای ناحیه جذب و جمع آوری بارهای افقی در مرکز ساختمان قرار دارد و بلاخره در سیستم متشکل از پل نقاط جمع آوری در امتداد سازه ی جداگانه الحاقی مستقر شده اند . در ساختمان های مرتفع ، سیستم های جذب و جمع آوری بارها به طور کاملا یکپارچه به پیکره و اجزای کف طبقات متصل هستند . این یکپارچگی و اتصال به نحوی است که سیستم های جمع آوری بارها در ضمن سیستم های مربوط به کف طبقات ساختمان های مرتفع را نیز به وجود می آورند . سیستم های سازه با عملکرد ارتفاعی ، علی رغم این که اجزای باربرشان یه طور منطقی باید متعامد باشند بنار بر ملاحظات اقتصادی می توانند بدون عناصر قائم طراحی شوند . به عبارت دیگر داشتن سازه قائم مستقیم الخط یکنواخت برای سیستم های سازه با عمکرد ارتفاعی یک وجه مشخصه اجباری نیست .
سیستم های سازه ای متعددی برای ساختمان های بلند وجود دارد که متناسب با تعداد طبقات ارتفاع و عملکرد ساختمان به صورت منفرد یا در ترکیب با یکدیگر به کار می روند. (طالبی،(1381 به دلیل افزایش نیروی زلزله در طبقات بالاتر، کاهش سطح طبقات فوقانی می تواند به رفتار مناسب تر ساختمان در برابر زلزله
کمک نماید و نیروی موثر باد را نیز بر ساختمان به نحو موثری کاهش دهد. به همین دلیل استفاده از فرم مخروط و یا هرم برای ساختمان های با ارتفاع زیاد توصیه می شود . در موارد خاص استفاده از فرم های سه بعدی مانند پوسته های عمودی می تواند منجر به ارائه طرحی بدیع و خلاقانه همراه با رفتار مناسب در برابر نیروهای جانبی گردد. (طالبی،(1381
موقعیت دیوارها و هسته های برشی
دیوارها و هسته های برشی (و معادل آنها یعنی مهاربندی فولادی ساختمان ها) از مهم ترین عوامل ایجاد مقاومت در برابر نیروهای جانبی به ویژه زلزله می باشد. موقعیت دیوارها و هسته های برشی (موقعیت مهاربندی فولادی ساختمان ها) می تواند در رفتار ساختمان در برابر زلزله تاثیر قابل توجهی داشته باشد. عدم رعایت تقارن در موقعیت قرارگیری دیوارها و هسته های برشی (و یا مهاربندی فولادی ساختمان) و عدم انطباق مرکز سختی بر مرکز جرم ساختمان سبب بروز گشتاور پیچشی نامتقارن و در نتیجه نیروی برشی شدید در محل اتصال ستون ها و سقف ها می گردد. (اسکیرل،(1390
توزیع متناسب جرم در ارتفاع
برای کاهش اثر زلزله ، توزیع جرم در ارتفاع ساختمان باید به گونه ای باشد که حتی الامکان در تغییرات جرم در ارتفاع ساختمان ، مرکز ثقل بنا به زمین نزدیک تر باشد. به عبارت دیگر باید تا حد امکان از استقرار سر بارهای سنگین به صورت متمرکز در طبقات بالا احتراز شود و سعی شود تا مرکز جرم کل ساختمان پایین تر از مرکز هندسی حجم آن واقع شود. (طالبی، (1381
❑ دسته بندی مکانیزم رفتاری سازه های مرتفع :
سیستم های سازه با عملکرد ارتفاعی ، سازه هایی هستند جهت کنترل بارهای ارتفاعی ، به عبارت دیگر ، پذیرش و تحمل بارها و انتقال آنها به زمین . این بارها عبارتند از :
1. بارهای قائم اعمال شده در ارتفاع : بارهای بام و بارهای طبقات .
2. بارهای افقی تحت تاثیر گسترش ارتفاع : بار باد و بارهای لرزه ای . (طالبی،(1381
نمودار (1) بار افقی نمودار (2) بار قائم
تشخیص سازه های ارتفاعی مبتنی بر مکانیزم مشخصی از توزیع نیروها نیست ، بلکه بر رفتار عمده آنها استوار است . (اسکیرل، (1390 بنابراین سازه های مرتفع بر اساس رفتارشان در برابر نیروهای وارده به 4 دسته تقسیم می شوند :
1. سازه های مرتفع شبکه ای
2. سازه های مرتفع صندوقه ای
3. سازه های مرتفع با هسته مرکزی
4. سازه های مرتفع مرکب از پل
معرفی بنا :
محل پروژه : شیکاگو تعداد طبقات : 150 طبقه ارتفاع : 9/609 متر طراحی : 2005 – 2007
ساخت : 2007 توقف : 2008
برج مارپیچ یک اثر هنری زنده و تندیسی پویا است که با وجود سادگی ، پیچیده به نظر میرسد .این ساختمان ، برترین نمایش تاثیر پذیری های کالاتراوا از طبیعت ، هندسه ، شکل و سازه است . در این ایده بلندپروازانه ، کالاتراوا برخی از پرسشهای اساسی مربوط به زندگی در قرن 21 را مطرح میسازد . وی به عنوان
یک هنرمند و مهندس ، خانه ای خلق کرده است که به ساکنانش آزادی زندگی تصویر((1 برج مارپیچ شیکاگو Thornton
رویایی را می دهد و در عین حال آنها را در واقعیت هر روزه زندگی در شیکاگو
نگاه می دارد . برج در سایتی به وسعت یک هکتار قرار گرفته است . ابتدا قرار Thomasetti
بود سطحی حدود 1300 مترمربع را اشغال کند و سطح زیربنای کلی آن معادل 85500 مترمربع باشد . طرح جدید تا اندازه ای بزرگتر شده است به نحوی که بتواند 1193 واحد جدا از هم را در خود جای دهد . منبع الهام اولیه کالاتراوا برای طراحی این برج حرکت مارپیچ دود خارج شده از کمپ های نزدیک رودخانه شیکاگو بود . قسمت بالای برج هم الهام گرفته از فرم مارپیچ بخش سخت بدن حلزون است. طرح کالاتراوا از جانب مردم متل غول پیکر ، درخت چرخنده و علف مارپیچ لقب گرفته است.
معرفی ساختار معماری برج :
این اثر با ابتکار جدیدی در سازه ساختمان شکل گرفت . هر طبقه از برج مانند یک بلوک مجزا به صورت منحنی ملایمی متشکل از سطوح مقعر ، از مرکز ساختمان به سمت بیرون ساخته شده است . هر چه ساختمان بالاتر میرود این بلوکها محصورتر میشود و هر کدام اندکی بیش از دو درجه ( 44/2 درجه ) نسبت به بلوک پایینی دوران می کنند .
با این روش ، طبقات همانطور که بالا میروند در حدود 360 درجه حول مرکز اصلی میچرخند و حسی از حرکت را در نما بوجود می آورند . فضای 5 طبقه لابی برج با دیواری از شیشه های براق و شبکه طاقی شکل مرکب از فلز و بتن تقویت شده در قسمت بالایی ، پوشیده شده است . پنجره های هفت طرفه کشیده شده از کف تا سقف و پلانهایی با ستون گذاری منظم ، هم در بخش هتل و هم در واحدهای مسکونی اجازه می دهند با مشاهده مناظر دل انگیز بیرونی ، فضایی جذاب ، زیبا و دیدنی خلق شود .
تصویر((2انحراف دو درجه هربلوک نسبت به بلوک قبل تصویر((3 ماکت برج مارپیچ شیکاگو Thornton
Thomasetti
طراحی این برج به گونه ای بود که انتظار می رفت ساختمان به عنوان سـمبل فنـاوری دوسـتار محـیط زیسـت لقـب بگیـرد و گواهی طراحی بر اساس اصول راهبردی انرژی و محیط زیست ( ( LEED را از آن خود کند . در این گواهی، مواردی از قبیـل بازیافت آب باران و استفاده از آن درآبیاری فضای سبز ، بهره گرفتن از آب رودخانه برای سیسـتم گرمایشـی و نیـز اسـتفاده از شیشه های حساس به پرنده برای محافظت از پرندگان مهاجر ، اهمیت فراوان دارند .
معرفی سازه برج :
سازه این برج هم باید به اندازه طراحی معماری آن سودمند در نظر گرفته می شد . با توجه به اهمیت مقاومـت کـافی در برابـر جریان های شدید باد ( به خصوص در شهر محل ساخت برج ) و با در نظر گرفتن ایـن موضـوع کـه فـرم مخروطـی ، پاسـخی کاملا مناسب برای یک برج در این شرایط نیست ، طراحان سازه برج ، یک هسته بتنی در مرکز و 12 دیوار برشی بـرای تـامین مقاومت ، طراحی نمودند .
طراحان باید برج را بر روی 7 ستون W شکل قرار میدادند . ستونهایی که آتریومی شیشـه ای بـا ارتفـاع 17 متـر را در خـود حفظ میکنند . ساختار مارپیچ و شیشه ای برج برای ساکنان شیکاگو که از نور کمی بهره میبرند ، بسیار دلپذیر بود .بهره گیری از بتن به عنوان اولین مصالح در ساخت برج ، پس از حمله به برجهای دوقلوی نیویورک ، در این طرح مورد توجه قرار گرفت .
تصویر((4 قرارگیری هسته بتنی در برش و پلان تصویر((5پایه های Wشکل در ماکت
تحلیل رفتار سازه ای برج مارپیچ شیکاگو :
¡ طراح Thornton Thomasettiطراح سازه برج مارپیچ شیکاگو ، میباشد . ایشان از Petronas و Taipei 101برجسته برج های
¡ پیشگامان طراحی سیستم سازه CBM هستند . CBMهمکاران فولادی مرکب می باشند که این سیستم از یک هسته بتنی مسلح مقاوم در برابر نیروهای جانبی در کنار یک شبکه فولادی سبک برای طبقات تشکیل شده است . این سیستم برای برج مارپیچ شیکاگو استفاده شده است . (گلابچی ،(1391
تصویر((6 دیاگرام پلانی عناصر سازه ای
❑ طراحی سازه های مرتفع به صورت ایجاد و گسترش سیستم های با عملکرد سه گانه :
هدف اصلی در طراحی سازه با عملکرد ارتفاعی ، حصول حـداکثر یکپـارچگی 3 سیسـتم اسـت . بـه نحـوی کـه یـک سیسـتم عملکردهای یک یا هر دو سیستم دیگر را به خوبی انجام دهد و یا در حالت آرمانی ، یک سیستم هر سه عملکرد را انجام دهـد :.
1. سیستم جذب بار افقی در کف طبقات : تجمع بار
