بخشی از مقاله
یافتن زاویه بهینه اعضاي مورب در ساختمان هاي دیاگرید بر اساس سختی سازه اي و کاهش مصرف مصالح ( با رویکرد معمارانه )
چکیده
امروزه در سراسر دنیا ساختمان هاي بلند زیادي با سیستم سازه اي دیاگرید " Diagrid" ساخته می شوند که این امر به دلیل ظرفیت سازه اي بالاي این سیستم و همچنین امکان ایجاد طرح هاي بدیع معمارانه در این روش نسبت به سایر سیستمها درساختمان هاي بلند مرتبه می باشد.اما نکته حائز اهمیت این است که طراحی معمارانه بسیاري از این ساختمان ها صرفا بر اساس مورب بودن اعضاي ساختمان وبدون توجه به زاویه بهینه ممکن بین این اعضا صورت می گیرد و به همین دلیل است که بیشتر سازه هاي طراحی شده با سیستم دیاگرید داراي زاویه ثابت 60 درجه بین اعضاي مورب می باشند که این موضوع باعث کاهش ظرفیت سازه اي و افزایش چشمگیر مصرف فولاد (نسبت به حالت بهینه ) در این ساختمان ها شده است. در این مقاله یافتن زاویه بهینه بین اعضاي مورب بر پایه طراحی بر اساس زیبایی شناسی معمارانه ، سختی سازه اي و کاهش مصرف مصالح مورد ارزیابی قرار گرفته است.
این بررسی بر روي سازه هاي دیاگرید با ارتفاعات متفاوت و هندسه هاي گوناگون صورت گرفته است. نتایج مطالعه نشان میدهد که در سازه هاي دیاگرید با پلان مربعی یکسان در سازه هایی که نسبت ارتفاع به عرض آنها کمتر از 7 می باشد بهتر است زاویه بین اعضاي مورب در تمام ارتفاع سازه ثابت بماند و نتایج محاسبات نشان می دهد که این زاویه بهینه بین 60 تا
72 درجه بسته به ارتفاع سازه متغیر خواهد بود.و نیز در مورد سازه هاي با نسبت ارتفاع به عرض بیشتر از 7 ، بهتر است زاویه بین اعضاي مورب سیستم دیاگرید در ارتفاع سازه تغییر یابد که براي هر سازه با ارتفاع مشخص ، مقادیر زوایاي بهینه معین می باشند. نتایج حاصل از محاسبات فوق که بر اساس سختی سازه حاصل می شود، با نتایج حاصل از استراتژي هاي مصرف کمتر مصالح کاملا تطبیق دارد و محاسبات نشان می دهد که براي ساخت سازه هاي طراحی شده با زوایاي بهینه از نظر سازه اي ، میزان فولاد مورد نیاز کمتر خواهد بود. از نقطه نظر معماري نیز براي داشتن بازشوهایی با زاویه دید حداکثرکه کمترین مانع را ( اعضاي مورب در سازه هاي دیاگرید به منزله موانع بصري به شمار می روند) پیش روي کاربران قرار دهند زاویه بهینه بین اعضاي مورب 60 درجه می باشد. از نظر زیبایی شناسی و تلطیف حس بصري نیز زوایاي بهینه اي وجود دارد. در این مطالعه با توجه به تمامی موارد فوق زاویه بهینه بین اعضاي مورب براي سازه هاي دیاگرید با ارتفاعات مختلف به دست آمده است.
کلمات کلیدي : ساختمان بلند ، سیستم دیاگرید ، طراحی بهینه ، سختی سازه اي
2
مقدمه
امـروزه سیسـتم سـازه اي دیاگریـد بـه دلیـل کـارایی سـازه اي بـالا و زیبـایی فـوق العـاده خـود ، در طراحـی و سـاخت سـاختمان
هاي بلنـد در سراسـر دنیـا مـورد اسـتفاده قـرار مـی گیرد.سیسـتم دیاگریـد در مقایسـه بـا سـایر سیسـتم هـاي سـاختمانی سـاختمان هــاي بلنــد ، بــه دلیــل رفــع مشــکلات ناشــی از لنگــی برشــی ( ( Shear lag ، نيروھ ای ج انبی را ب ه واس طه عملک رد مح وری
اعض ای م وربش بس يار بھت ر تحم ل م ی کن د. لنگ ی برش ی پدي ده ای اس ت ک ه در س اختمان ھ ای بلن د لول ه ای ب ا س تون ھ ای عم ودی پيرام ونی، ناش ی از بارھ ای ج انبی رخ م ی دھ د. ســتون هــایی کــه لولــه را مــی ســازند در مقابــل بارهــاي جــانبی ماننــد
یک تیر طره اي خم می شوند ، رفتـار واقعـی لولـه در جـایی مـا بـین تیـر طـره اي خـالص و قـاب خـالص قـرار دارد ، اضـلاعی از لولـه که موازي امتداد نیروهـاي جـانبی مـی باشـند ، بـا توجـه بـه انعطـاف پـذیري تیرهـا تمایـل دارنـد کـه ماننـد قـاب هـاي صـلب چنـد دهانه و مستقل عمل کنند ، این انعطاف پـذیري باعـث مـی شـود کـه در قـاب تغییـر شـکل هـاي ناشـی از بـرش ایجـاد شـود کـه بـه نام لنگی برشـی خوانـده مـی شـود ، بنـابراین در سـتون هـا و تیرهـا خمـش بوجـود مـی آیـد . بـه طـور کلـی مـی تـوان گفـت کـه از مجموع حرکات جانبی فقط 25 درصـد ناشـی از عمـل طـره اي لولـه اسـت و 75 درصـد بقیـه در اثـر لنگـی (لقـی) برشـی بوجـود مـی آید .این نوع رفتار از خصوصـیات قابهـاي صـلب مـی باشـد . اثـر تغییـر شـکل برشـی در روي عمـل لولـه منجـر بـه توزیـع غیـر خطـی فشار در امتداد پوش ستونها میگـردد وسـتونهایی کـه درگوشـه هـاي سـاختمان قـرار دارنـد مجبـور مـی باشـند کـه سـهم بیشـتري از بار را نسبت به ستونهاي ما بین آنها تحمل کننـد . ایـن مشـکل در سـازه هـاي دیاگریـد ، بـه دلیـل عـدم وجـود سـتون هـاي عمـودي
و عملکــرد محــوري اعضــاي مــورب از میــان برداشــته شــده اســت.علاوه بــر کــارایی ســازه اي فــوق العــاده ، سیســتم دیاگریــد داراي مزایاي متعدد دیگري نیز می باشد که استفاده از آن را براي معماران جذاب تر نموده است.
در سازه هاي دیاگرید ، فـرم اصـلی سـاختمان انطبـاق کامـل بـا سـازه آن دارد و حتـی اعضـاي مـورب دیاگریـد بـه صـورتی پررنـگ
و برجسته در نماي سـاختمان قـرار مـی گیرنـد ، سـایر اجـزاي سـاختمانی از جملـه فـرم و انـدازه بازشـوها ، نحـوه قرارگیـري و فاصـله آنهــا از یکـدیگر ، ابعــاد و انــدازه هــاي مــدول هــاي مصــالح نمــاي سـاختمان ، همــه و همــه وابســتگی بــه نحــوه چیــدمان و آرایــش اعضاي مـورب دیاگریـد دارنـد. در واقـع ایـن نحـوه چیـدمان و قرارگیـري بـر روي تمـامی اجـزاي خـارجی سـاختمان و حتـی بـر روي شکل پلان طبقات نیز موثر است.
علاوه بر این ها ، ساختمان هاي دیاگرید بـه سـبب تفـاوت سـازه اي و ظـاهري شـگرفی کـه بـا سایسـر سـاختمان هـاي بلنـد دارنـد
، اغلب در یک محیط شهري ، بـیش از سـایر سـاختمان هـاي بلنـد – بـا انـواع سیسـتم هـاي رایـج دیگـر – خـود نمـایی مـی کننـد و در هرکجاي شهر کـه قـرار گیرنـد بـه عنـوان عضـوي شـاخص و متفـاوت در آن منطقـه ظـاهر مـی شـوند ، لـذا بایـد حـداکثر دقـت و ظرافت در طراحی اعضاي مورب ایـن سـازه هـا بـه کـار گرفتـه شـود تـا ایـن سیسـتم سـازه اي بـه بهینـه تـرین حالـت خـود طراحـی شود.
آن چـه در طراحـی هـاي سـازه هـاي دیاگریـد سـاخته شـده اولیـه در دنیـا و حتـی در سـازه هـایی کـه امـروزه در دسـت طراحـی هستند و هنوز به مرحله اجـرا نرسیسـده انـد بـه چشـم مـی خـورد ، انتخـاب زاویـه اي نزدیـک بـه 60 درجـه بـراي اعضـاي مـورب در یک سازه بلند دیاگرید اسـت. بـه طـوري کـه مـدول هـا اغلـب بـه شـکل مثلثـی و یـا لـوزي گـون هـاي متشـکل از دو مثلـث بـر روي هم قـرار گرفتـه بـه دسـت مـی آینـد. از نظـر زیبـایی شناسـی و تلطیـف حـس بصـري ، ایـن زاویـه 60 درجـه بـراي اعضـاي مـورب ، زاویه اي مناسب به نظر می رسد کـه ایجـاد مـدول هـاي یکسـان بـه فـرم مثلـث هـاي متسـاوي الاضـلاع ، تصـویري از حـس پایـداري را در ذهن انسان متجلی می سـازد ، امـا در عـین حـال ، مـدول هـاي مثلثـی متسـاوي الاضـلاع در کنـار هـم قـرار گرفتـه ، بـه دلیـل داشتن ساق ها و قاعده هم اندازه ، از نظـر بصـري حـس اوج گیـري و بلنـد شـدن بـه سـوي آسـمان را نسـبت بـه مـدول هـاي مثلثـی متساوي الاضلاع با طول ساق هایی بلندتر از قاعده ، بسیار کمتر نشان می دهند.
با این همه ، معیار هـاي زیبـایی شناسـی تنهـا یکـی از عوامـل تعیـین کننـده در طراحـی یـک سـازه دیاگریـد اسـت و معمـار نبایـد تنها با تکیه به ایـن عامـل ، طـرح یـک سـاختمان بلنـد یـا آسـمان خـراش را بریـزد، چـرا کـه عوامـل فنـی و مـدیریتی ماننـد سـختی سازه اي و هزینـه هـاي سـاخت نیـز بایـد بـه عنـوان عوامـل اولیـه در نظـر گرفتـه شـوند و در غیـر ایـن صـورت ممکـن اسـت ، طـرح معماري را به کلی دگرگون سازند.
مطالعات نشان مـی دهـد ، تغییـرات انـدکی روي زاویـه اعضـاي مـورب در یـک سـازه دیاگریـد مـی توانـد بـه میـزان قابـل تـوجهی وزن فولاد مصرفی و هزینـه هـاي سـاخت را تغییـر دهـد. ایـن نگرانـی در مـورد سـاختمان هـاي دیاگریـد بتنـی کـه امـروزه بـه تعـداد معدودي در دنیا طراحی شده اند و جزء سیستم هـاي سـاختمانی نـوین بـه شـمار مـی رونـد ، نیـز وجـود دارد چـرا کـه انتخـاب فـرم
سازه و زاویه اعضاي مورب در یـک سـاختمان دیاگریـد بتنـی بـه صـورت غیـر بهینـه ، موجـب افـزایش جـرم سـاختمان شـده و عـلاوه بـر افـزایش هزینـه سـاخت ، میـزان نیـروي زلزلـه را بـه شـدت افـزایش مـی دهـد کـه ایـن امـر منجـر بـه طراحـی مقـاطع سـازه اي بزرگتر و در نتیجه زمخت شدن سـازه نهـایی مـی شـود ، و لـذا در ایـن مـورد توجـه صـرف بـه مسـائل زیبـایی شناسـی و معمـاري نـه تنها موجب زیبایی ساختمان نهایی نمی شود بلکه موجب عدم زیبایی و تحمیل هزینه هاي گزاف به ساختمان می شود.
مدلسازي و تحلیل
این مقاله به یافتن زاویه بهینه اعضاي مورب سازه هاي دیاگرید فولادي می پردازد. این بررسی ها بر روي سازه هاي دیاگرید 20 ، 50 ، 60 ، 80 و 100 طبقه با زوایاي 30 ، 45 ، 60 و75 درجه براي اعضاي مورب ( در کل 20 حالت ) انجام گرفته است. پلان ساختمان ها مربعی به ضلع 40 متر و ارتفاعات طبقات 3.6 متر در نظر گرفته شده است. بار جانبی وارد بر سازه، بار زلزله با شرایط شهر تهران، خاك نوع دو و ضریب R هفت و ضریب اهمیت یک میباشد. با توجه به این که بار زلزلهمستقیماً به بار ثقلی وابسته است در جهت به دست آوردن مقدار بهینه در اندازهي اعضاي مورب یک بار ثقلی قابل ملاحظه در مقابل وزن سازه به سازه اعمال میگردد تا با کم شدن اندازهي اعضاي مورب بار زلزله به مقدار زیادي کاهش نیابد . امروزه با پیشرفت علم مصالح و نیز تولید مصالح با مقاومت بالا ، اغلب در طراحی ساختمان هاي بلند عامل تعیین کننده ، سختی جانبی ساختمان می باشد و طراحی بر اساس سختی جانبی در یک ساختمان بلند که مانند یک طره عمل می کند بر اساس میزان حداکثر جا به جایی افقی سازه در نظر گرفته می شود تا علاوه بر شرایط پایداري ، شرایط آسایش را نیز تامین نماید. در این مطالعه ، معیار کنترل بر اساس حداکثر تغییر مکان افقی سازه دیاگرید به اندازه 0.05 ارتفاع کل سازه می باشد. با استفاده از نرم افزار ٢٠٠٠ SAP سازه هاي دیاگرید فوق الذکر مدل شده اند و مقادیر فولاد مصرفی به ازاي زوایاي مختلف براي آرایش اعضاي مورب دیاگرید به دست آمده اند. سپس لگاریتم متغیر فولاد مصرفی محاسبه شده و بر اساس آن میزان حداقل فولاد مصرفی و از روي آن زاویه بهینه اعضاي مورب سازه دیاگرید به دست آمده است.
نمودارهاي زیر میزان لگاریتم فولاد مصرفی را بر اساس زاویه آرایش اعضاي دیاگرید براي یک ارتفاع مشخص نشان می دهد.
