در طول چند دههی گذشته پیشرفت و نوآوری علم سازه در طراحی برجها تاثیر زیادی بر طراحی ساختمانهای بلند مرتبه داشته و باعث شده تا طراحان به نقد نشسته، و سعی در ارائه مفاهیم جدیدی در شکل کالبدی و فرم برج ها داشته باشند.
وظیفهی اصلی سازه در ساختمان های بلند مرتبه، جذب و انتقال بار از ترازهای ارتفاعی مختلف و انتقال آن از طریق عضو سازهای قائم (ستون) به فونداسیون و زمین است.
سازههای مرتفع مجموعهای از سیستمهای یک طبقه مستقر بر روی هم نیستند، بلکه این سازهها به طور یکپارچه همانند یک تیر طره قائم و بزرگ توصیف میشوند که توزیع و انتقال نیروهای افقی (باد و زلزله) نکتهی اصلی در طراحی آن توسط مهندس سازه به حساب می آید؛ به همین جهت در ساختمانهای بلند مرتبه انتخاب نوع سیستم سازهای توسط طراح میتواند عامل تعیین کننده در انتخاب فرم باشد، که با افزایش ارتفاع این تاثر پذیری نمود بیشتری به خود خواهد گرفت.
به طور کلی هدف اصلی در طراحی سازه با عملکرد ارتفاعی حصول حداکثر یکپارچگی در سه بخش فوق میباشد:
§ جذب بار طبقات
§ انتقال بار طبقات به زمین
§ پایداری کل سازه در مقابل بارهای جانبی
1-1 سازههای مرتفع شبکهای1:
این نوع سیستم سازهای که از شناخته شده ترین سیستمهای تکیهگاهی به شمار میرود نیروها را به صورت افقی از طریق تیرها به ستونها و سپس به صورت عمودی به فونداسیون منتقل میکند. سیستمهای قابی معمولاً شامل یک پوشش افقی (دال یا تیر) و یک سیستم تکیه گاهی عمودی (ستون) هستند. از چنین سیستمی با عنوان سازه تیر و ستون نیز یاد میشود. (تصویر 2)
گسترش این نوع سازه در جهت عمودی و افقی به صورت یکنواخت و یکپارچه می باشد؛ به همین خاطر تعیین مکان و موقعیت سنجی اعضاء عمودی سازه (ستون) در پلان، از نکات مهم در طراحی با این نوع از سیستم های سازه ای می باشد.
در سیستم شبکه ای بر حسب نوع دهانه (فاصله دو ستون از هم) نقاط جذب و جمع آوری بارها به طور یکنواخت در کل پلانِ کف طبقات توزیع می شود.
2-1 سازه های مرتفع متشکل از پل2:
در سیستم سازه ای متشکل از پل، نقاط جمع آوری نیرو در امتداد یک سیستم سازه ای جداگانه و الحاقی مستقر شده اند، اصول این نوع سیستم بر انتقال غیرمستقیم بار قائم به عنوان یک قائده و اصل است؛ نیرو از یک سازه کاملاً مستقل با عملکرد ارتفاعی (سیستم شبکه ای) دریافت شده و به جهت اجتناب از تکرار ستون ها در طبقه پائین، از طریق عضو واسط به پایه های حجیم طرفین انتقال می یابد. (تصویر 4)
امکان تغییر شکل (هندسه) و فرم ساختمان و همچنین الحاق یک سیستم سازه ای جداگانه به سیستم دیگر در طبقات، از خصوصیات این نوع از سیستم های سازه ای می باشد.
3-1 سازه های مرتفع صندوقه ای3:
در سیستم صندوقه ای محل جمع آوری بارها به طور یکنواخت در جداره خارجی و محیطی طبقات (پوسته ساختمان) متمرکز می شوند، بارها در هر کف به پوسته خارجی منتقل شده و به صورت محیطی به زمین هدایت می شوند. (تصویر 6)
حذف اعضاء سازه ای قائم در کل پلانِ مجموعه، از خصوصیات این نوع سیستم سازه ای می باشد که شرایط مطلوبی برای طراحی پلان های انعطاف پذیر و تمهید امکانات مناسب جهت ساماندهی مجدد فضاهای معماری مختلف در هر طبقه را فراهم می کند. (تصویر 7)
4-1 سازه های مرتفع با هسته مرکزی4:
در این نوع سیستم، ناحیه جذب و جمع آوری بارهای هر سطح (طبقه) در مرکز تقلی ساختمان تعیین شده است. ساختار این هسته مرکزی به صورت شاه تیر قائم طره ای مقاوم در برابر تنش های ناشی از اعمال نیرو بر آن می باشد؛ این هسته مرکزی که از جنس بتن یا فولاد می باشد در مرکز ساختمان قرار می گیرد و طبقات به آن کنسول می شوند، این سیستم سازه ای در جهت حذف عناصر قائم باربر و به حداقل رساندن آن قدم بر می دارد و عضو قائم سازه ای را تنها در یک نقطه جمع می کند؛ دهانه های گسترده و امکان طراحی پلان انعطاف پذیر و سازماندهی فضاها، از خصوصیات این نوع سیستم سازه ای به حساب می آید. (تصویر 10)
هر نوع تغییر در شکل، جنس و اندازه هسته مرکزی تحت تاثر طول، ارتفاع و عرض ساختمان و محل قرارگیری این هسته می باشد.
بارهای جانبی5 ناشی از باد و زلزله، از مهمترین عوامل تاثیر گذار در طراحی سازه و طراحی معماری ساختمان های بلند مرتبه می باشد؛ به همین دلیل راهکارهای هم سو با خواستههای طراح در حل این مسئله از مهمترین دغدغه های طراحی سازه می باشد.
1-2 سیستم شبکه قاب صلب6:
ساده ترین روش اجرا و معمول ترین روش برای پایداری سازه های مرتفع در مقابل نیروهای افقی طراحی تیرهای صلب (اتصالات گیردار) و یا به کارگیری مهاربند (بادبند) به منظور مقاومت در برابر تغییر شکل قاب ها و اتصالات می باشد.
همخوانی دهانه های مهاربند شده با پلان معماری و تطبیق نداشتن آنها با بازشو ها (محل قرارگیری در و پنجره) از نکات مورد توجه در طراحی با استفاده از این نوع سیستم های سازه ای می باشد. (تصویر 14، سمت راست)
گسترش مهاربندها و اتصالات صلب تکیه گاهی در سازه، به صورت قائم و ممتد در دهانه تعیین شده از طرف مهندس سازه می باشد.
2-2 سیستم پایدار سازی قائم7:
ساختار این نوع از سیستم های سازه ای به صورت یک تیر طره مقاوم در برابر نیروهای جانبی است، این نوع رفتار در برابر نیروهای افقی را می توان در سیستم های سازه ای با هسته مرکزی (4-1) نیز مشاهده کرد.
بر خلاف سیستم های سازه ای قاب صلب (1-2) که مهاربند یا دیوار برشی در داخل دهانه ها (قاب ها) قرار می گرفت و آن را در مقابل تغییر شکل مقاوم می کرد؛ در سیستم سخت کردن قائم سازه، دیوار برشی به صورت یکپارچه و پیوسته، طراحی و اجرا می شود و ساختمان بلند مرتبه را در مقابل نیروهای جانبی و تغییر شکل افقی حفظ می کند. (تصویر 14، سمت چپ)
در سیستم سازه ای "قاب صلب" و "سخت کردن قائم سازه" نیروی افقی وارد شده توسط باد و زلزله در پایه ساختمان به حداکثر خود می رسد، بنابر این تقویت بیشتر سازه برای مقابله با نیروی جانبی در قسمت تحتانی سازه می باشد.
3-2 سیستم طبقات سخت کننده در ارتفاعات8:
این نوع از سیستم های سازه ای بر خلاف سیستم های قبلی، به صورت افقی، یک یا چند دهانه (معمولاً دو دهانه) را در ترازهای (طبقات) مختلف به صورت کمربندی دور ساختمان به کمک مهاربندها تقویت کرده و مانع از تغییر شکل افقی در برج می شود. (تصویر 15، سمت راست)
انتخاب این سیستم سازه ای آزادی عمل بیشتری را برای طراحی پلان در طبقات، و همچنین ایجاد بازشوها را به طراح می دهد.
انتخاب تراز مناسب برای اجرا این سیستم، توسط مهندس سازه عامل تعیین کننده مقاومت ساختمان در برابر نیروهای افقی می باشد.
4-2 مستهلک کننده دینامیکی9:
این نوع سیستم از یک وزنه سنگین و فنرهای مهار شده به وسیله تکیه گاهها در بالای سازه مرتفع تشکیل می شود؛ نوساناتِ مساوی با حرکت افقی ساختمان، که ناشی از نیروهای باد و زلزله می باشد باعث می شود تا جسم در جهت عکس نیروی اعمال شده به ساختمان، تغییر موقعیت داده و جرم جسم موجب کاهش و یا حذف کامل نوسانات ساختمان در اثر نیروهای افقی شود. (تصویر 15، سمت چپ)
در طراحی برج ها، نباید طراحی معماری را جدا از نوع سیستم سازه و طراحی آن دانست؛ مهمترین اصول در انتخاب نوع سازه توسط معمار، فرم و شکل کالبدی برج، و همچنین تامین شرایط مطلوب برای طراحی پلان انعطاف پذیر و تمهید امکان مناسب، جهت ساماندهی مجدد فضاهای مختلف معماری در هر طبقه می باشد.
طراحی سیستم های سازه ای برج ها با هدف بیشترین امکان کاهش عناصر قائم باربر (ستون)، چه از نظر تعداد و چه از نظر ابعاد مقاطع صورت می گیرد. بررسی حالات ممکنه به منظور دست یابی به این هدف امروزه یکی از زمینه های مطالعاتی در خصوص طراحی سیستم های سازه ای برج ها به شمار می رود.
1. Grid highrises structure.
2. Bridge highrises structure.
3. Casing highrises structure.
4. Core highrises structure.
5. Lateral loads.
6. Rigid frame lattice system.
7. Vertical stabilization system.
8. Stiffener stories in varying elevations system.
9. Dynamic vibrations dampers system.
یادداشت ها:
- تقسیم بندی سازه ها با عملکرد ارتفاعی به چهار گروه مختلفِ فوق، توسط پروفسور هینو انگل در کتاب سیستم های سازه می باشد.
- متن فوق برای مخاطبِ هدف معمار و طراح، تدوین و تنظیم شده است، به همین دلیل سعی شده تا از بیان اصطلاحات و ارائه نحوه محاسبه های سازه های مذکور پرهیز شود.
- تقسیم بندی های یاد شده با توجه به نحوه تاثیر گذاری سازه در فرم و شکل کالبدی برج بوده و از این جهت برای معماران قابل بررسی می باشد.