بخشی از مقاله
چکیده
سازه لولهای ترکیبی است از ستونهایی با فاصله کم و تیرهای عمیق که در تمام محیط پیرامونی ساختمان قرار گرفته است. در این نوع سازه پدیده لنگی برش باعث کاهش صلبیت خمشی سازه میگردد. جهت کاهش تغییر مکان جانبی و کاهش پدیده لنگی برش روشهای متعددی ارائه شده است که از آن جمله میتوان به افزودن کمربند خرپایی به سیستم لولهای اشاره کرد.
کمربند خرپایی در ترکیب با قاب لولهای و هسته مرکزی همانند یک فنر خمشی در ترکیب با تیر کنسول عمل میکند. از دیگر روشهای غلبه بر لنگی برشی ابداع سیستمهای نوینی مانند شبکه قطری میباشد. سیستم شبکه قطری که با توسعه تئوری سازههای لولهای پدید آمده نیز نمونه خاصی از خرپای فضایی در پیرامون سازه است. همچنین در سال های اخیر، سیستم شبکه شش ضلعی با الهام از نحوه مقابله با نیروها در طبیعت و ترکیب بندی شبکه قطری معرفی شده است.
در این پژوهش رفتار چهار نوع سیستم سازهای کمربند خرپایی، لولهای، سیستم شبکه قطری و شبکه شش ضلعی با یکدیگر مقایسه شده تا بتوان سیستم بهینه را میان این چهار نوع سازه انتخاب کرد. به همین جهت این چهار سیستم سازهای، در ساختمانهایی کاملا مشابه - در پلان، ارتفاع، بارگذاری و ... - با 30 طبقه ارتفاع در نرمافزار SAP 2000 مدلسازی شده و پس از محاسبات ضرایب زلزله بر سازههای مذکور - توسط برنامه نوشته شده در محیط نرم افزار متلب بر اساس ویرایش 4 آیین نامه - 2800 تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی خطی و استاتیکی غیرخطی بر روی سازههای مذکور انجام شده و مزایا و معایب و برتریهای نسبی این سیستمها بر اساس پارامترهای سختی، تغییر مکان نسبی و شکلپذیری با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که در نهایت استفاده از سیستم شبکه شش ضلعی میتواند به بهترین شکل پاسخگوی نیازهای یک سیستم سازهای برای ساختمان بلند باشد.
-1 مقدمه
توسعه سریع مناطق پر جمعیت شهری و در نتیجه نیاز به فضای مناسب برای زندگی به طور قابل ملاحظهای بر توسعه مناطق مسکونی شهری تاثیر میگذارد. قیمت بالای زمین، پرهیز از زندگی در مناطق پر رفت و آمد شهرها و نیاز مبرم به حفظ فضای سبز شهری و محیط زیست و ... همگی باعث شدهاند تا سازههای مسکونی به سمت بلندمرتبه سازی پیش روند. با افزایش ارتفاع سازهها، اهمیت سیستمهای باربری جانبی نسبت به سیستمهای سازهای که بارهای ثقلی را تحمل میکنند بسیار بیشتر میشود.
از جمله سیستمهای مقاوم باربری جانبی میتوان به این موارد اشاره کرد: قاب صلب، دیوار برشی، سیستم قاب – دیوار، سیستم لولهای، سیستم لوله دسته بندی شده، سیستم کمربندخرپایی. همچنین اخیرا از سیستم سازهای به نام شبکه قطری که با توسعه تئوری سیستم لولهای پدید آمده است، در طراحی برخی سازههای بلند مرتبه به علت مزایای آن از قبیل کاهش وزن اسکلت سازهای و جنبه های زیبایی و هندسه منحصر به فرد آن استفاده میشود. نهایتا سیستم سازهای شبکه شش ضلعی با الهام از طبیعت و رفتار سازه شبکه قطری معرفی شده است.
این مقاله تصمیم دارد تا میزان کارایی سیستم سازهای لولهای، سیستم سازهای کمربندخرپایی، سیستم شبکه قطری و شبکه شش ضلعی را با یکدیگر مقایسه کند. نتایج این مقایسه به انتخاب سیستم با عملکرد لرزهای بهتر و صرفه اقتصادی بیشتر کمک شایانی میکند.
-2 معرفی سیستمهای سازهای مورد مطالعه
در این بخش به معرفی اجمالی سازه های مورد مطالعه پرداخته شده است.
1-2 سازه لولهای
یکی از سیستمهای مقاوم در ساختمانهای بلند که توسط فضلور خان توسعه داده شده است، سیستم لولهای میباشد .[3] کاربرد نخستین سیستم لولهای به صورت لوله قابی بود که برای اولین بار در ساختمان آپارتمانی 43 طبقه دویت چست نات در شیکاگو در سال 1961 به کار رفت. در سیستم سازهای لولهای ستونهای پیرامونی با فاصلهای نسبتا نزدیک - 3تا 6,1 متر - در دور تا دور ساختمان قرار میگیرند که توسط تیرهایی با عمق زیاد - بین 0,9 تا 1,5 متر - به یکدیگر متصل هستند.
اتصال تیرها و ستونها در این قاب پیرامونی گیردار است و تمامی نیروهای جانبی توسط این قاب محیطی تحمل میشوند. ستونهای داخلی با فاصلهای نسبتا زیاد از یکدیگر قرار گرفته و تنها برای مقابله با نیروهای ثقلی طراحی میشوند و تمامی اتصالات تیرها و ستونهای داخلی از نوع مفصلی است. رفتار سیستم لولهای تحت اثر بارهای جانبی مانند خمش یک طره تو خالی میباشد که در اثر آن تارهای سمت مخالف نیروهای جانبی، کوتاه شده و تارهای سمت نیروی جانبی، طویل میگردد.
این سیستم سختی جانبی و مقاومت پیچشی بالایی دارد اما به علت توزیع غیر یکنواخت نیرو در ستونهای بال - عمود بر بار جانبی - لنگی برش خواهد داشت. اثرات لنگی برشی در لولههای قابی، استفاده از حداکثر ظرفیت سختی و مقاومت سازه را محدود کرده و لنگر مقاوم و صلبیت خمشی را کاهش میدهد. در شکل1 نمای کلی این سیستم سازهای شرح داده شده است.
شکل -1 سیستم سازهای لولهای
2-2 سازه شبکه قطری
سیستم شبکه قطری که با توسعه تئوری سازههای لولهای پدید آمد، نمونه خاصی از خرپای فضایی است که شامل شبکهای پیرامونی است که از خرپاهای مثلث شکل ساخته شده است. سیستم شبکه قطری از تقاطع اعضای مورب و افقی، شکل گرفته است. اعضای مورب در سیستم سازهای شبکه قطری میتوانند نیروهای ثقلی به علاوه نیروهای جانبی را به دلیل ساختار و موقعیت شبکه مثلثیشان تحمل کنند.
زاویه اعضای مورب - ستونهای مورب - نقش کلیدی در سازههای با سیستم شبکه قطری ایفا میکند. منظور از زاویه بهینه در سازههای با سیستم شبکه قطری، زاویهای است که به ازای آن حداقل مصالح در سازه مصرف شود و جابهجایی جانبی نیز کمتر باشد . بنابر مطالعات صورت گرفته توسط محققین این زاویه بهینه در حدود 60 تا 70 درجه است
این سیستم به دلیل داشتن درجات نامعینی، قابلیت باز توزیع نیروها را به هنگام انفجار یا حملات هوایی دارد. سیستم شبکه قطری دارای عملکرد ساده محوری است و اعضای قطری با اتصالات ساده مفصلی به هم وصل شدهاند و تقریبا تا هر ارتفاعی قابل استفاده است. نمونه مشهوری از این سیستم در سازه بلند Swiss Re به کار رفته است که ساخت آن در سال 2004 تکمیل شده است. در شکل شماره 2 نحوه باربری در این سیستم نشان داده شده است.
شکل -2 سیستم سازهای شبکه قطری با اقتباس از [1]
3-2 سازه شبکه شش ضلعی
سیستم شبکه شش ضلعی شامل چندین شبکه شش ضلعی در محیط خارجی ساختمان است. شش ضلعیها و لوزیها در کل سطح خارجی محیط ساختمان قرار گرفتهاند تا اثر بخشی سازهای به بیشترین میزان برسد و نوآوری زیبایی شناسانه نیز با آن همراه گردد. قرارگیری اعضای باربر در محیط خارجی ساختمان بسیار کارآمدتر از زمانی است که اعضای مورب محدود به هستههای باریکتر ساختمان شوند. در سیستم سازهای هگزاگرید تقریبا تمام ستونهای عمودی رایج حذف شدهاند
در این سیستم، شش ضلعیها میتوانند به صورت افقی یا عمودی در محیط خارجی ساختمان قرار بگیرند. در سیستم شبکه شش ضلعی، اعضا به دلیل شکل بندی شش ضلعی میتوانند علاوه بر باربری جانبی در باربری ثقلی نیز مشارکت داشته باشند. نمونه ای از ساختمان با شبکه شش ضلعی در شکل 3 نشان داده شده است.
