وبلاگ آموزشی معماری

سیستم های سازه ای ، اهمیت در بلند مرتبه سازی

در صنعت ساختمان ، ماهیت ساختاری دلیل انتقال بار از کف به فونداسیون را سیستم تحمل بار ساختاری می نامند. سیستم های ساختاری و درک انواع سیستم های ساختاری بسیار مهم است. سیستم سازه تحت هر شرایطی ممکن است تغییر کند طراح باید به هنر خود متکی باشد تا شرایطی را فراهم کند که سازه بتواند بارهای جانبی و گرانشی را تحمل کند و هزینه پروژه مقرون به صرفه است.

دلیل اهمیت انواع سیستم های سازه ای

با توسعه سریع شهرها ، زمین محدود می شود ، ساختمان های بلند برای تبلیغات استفاده می شود و تقاضا برای ساختمان های بلندمرتبه افزایش یافته است. برای برآوردن این تقاضا ، مهندسان به دنبال راه هایی برای بهبود سیستم های سازه ای و کشف سیستم های جدید برای ساختمان های بلند هستند.

در مهندسی طراحی به آن سازه ای بلند گفته می شود که ارتفاع آن شرایط خاصی را در طراحی آن ایجاد می کند. بهتر است بگوییم ساختمان های بلندمرتبه بر اساس دو هدف بسیار مهم و البته یکسان ساخته شده اند. اول ، قوانین زیبایی شناسی مانند اصول و قوانین فنی وجود دارد. از آنجا که هر سازه ممکن است تحت شرایط کاملاً متفاوتی قرار گیرد. بر همین اساس مهندسان اقدام به ارائه تئوری ها و قوانینی کرده اند تا از ایستایی و مقاومت سازه ها اطمینان حاصل نمایند.

با توجه به اینکه کارایی و ارتفاع زیاد ساختمان های بلند مرتبه مستقیماً با مصالح و فناوری ساختمانی موجود ارتباط دارد ، پس از سالها توسعه ، معرفی سیستمهای سازه ای برای ساخت ساختمان های بلند مرتبه پیشرفت های زیادی داشته است. پایداری در ساختمان های بلند اهمیت زیادی دارد.

بنابراین ، انتخاب انواع مختلف سیستم های سازه ای برای کنترل و تثبیت سازه بسیار مهم است. علاوه بر این ، شرایط پروژه مانند ارتفاع سازه ، بار جانبی سازه کنترلی ، فناوری ، مصالح موجود و شکل کلی نمای ساختمان نیز باید در نظر گرفته شود. ، نوع کاربرد ساختمان و ساخت داخل. معماری همچنین نقش بسیار مهمی در انتخاب انواع مختلف سیستم های سازه ای ایفا می کند. یکی از مهمترین بخش های طراحی ساختمان های بلند مرتبه تعیین نوع سیستم سازه ای است.

انواع سیستم های سازه ای در ساختمان های بلند

دیوار برشی

این دیوارها تنها بارهای جانبی موازی با امتداد دیوار را تحمل میکنند و ممکن است تحت بار جانبی عمود بر سطح دیوار فروریزند شاید تصور شود که بارهای جانبی موجب ترک های افقی می شوند اما تحلیل برشی نشان میدهد که این تنش برشی موجب ترک های قطری می شود و شکست دیوار برشی با ترک های قطری همراه است. (schierle ، ۲۰۰۸ )

سیستم‌های موازی باربر دیوارهای باربر

این سیستم از عناصر صفحه عمودی ساخته شده است و عمدتا در ساختمان های آپارتمانی استفاده می شود ، بنابراین آنها به فضاهای باز بزرگ نیاز ندارند و نیازی به در نظر گرفتن سیستم مکانیکی سازه های هسته ای ندارند. در سراسر جهان ، ساختمان های اداری معمولاً از سیستم های مختلف سازه ای استفاده می کنند.

سیستم هسته ای

در این روش ، بار گرانشی با یکی از روش های فوق طراحی شده است ، به عنوان مثال ، یک قاب مفصل و بار جانبی به هسته سازه اعمال می شود. هسته را می توان به دو صورت باز و بسته ، با بزرگ مقیاس به عنوان مثال ، شکل U همان هسته باز است. لازم به ذکر است که در طراحی هسته آهنی ، بررسی دقیق اثر پیچش ضروری است.البته به دلیل مشکل در محاسبه پیچش در گذشته ، این مطالعه انجام نشد. امروزه به دلیل وجود از یک ماشین حساب دقیق ، اثر پیچ خوردگی به طور دقیق محاسبه می شود. مجموعه آپارتمانی در حال ساخت در منطقه شاهگلی تبریز با استفاده از این روش ساخته شده است و این سیستم برای ساختمان های ۲۰ تا ۳۵ طبقه مناسب است.

سیستم قاب محیطی

این بهترین و پیشرفته ترین فرم ساختمان است که می تواند برای ساختمان های بیش از ۱۵۰ طبقه استفاده شود.در این سیستم ، بار جانبی بر روی قاب اطراف عمل می کند و خود قاب اطراف نیز چشم انداز جالبی را برای ساختمان ارائه می دهد. برج های دوقلوی سازمان تجارت جهانی در نیویورک که زمانی مورد حمله تروریست ها قرار گرفته بودند ، تحت این سیستم ساخته شده بودند.
یکی از نکات کلیدی که باید در طراحی سیستم مورد توجه قرار گیرد ، مطالعه تأثیر تاخیر برشی در قاب بیرونی است. اثر ، اما باید گفت که ارزش واقعی اثر را هرگز نمی توان محاسبه کرد ، بنابراین سیستم زیر برای حل این مشکل توصیه می شود و تنها وجود پشتیبان می تواند تأثیر احتمالی برش پسماند را از بین ببرد و دوباره نیروی جانبی قاب اطراف را تحمل کند.

سازه های طره ای

سازه های طره ای شامل برج هایی هستند که در بالاتر از فونداسیون شبیه قاب های خمشی در برابر بار ثقلی در فشار و در برابر بار جانبی در خمش و برش مقاومت می کنند. طره ها در تمام ارتفاع برج در معرض خمش به طور یکنواخت هستند، در حالی که قابهای خمشی در معرض خمش در محل اتصال تیرها و ستون ها نیز می باشند. خمش یکنواخت برج های طره ای از کمترین مقدار در بالا تا بیشترین مقدار در پایه افزایش مییابد؛ در حالی که خمش موضعی تیرها و ستون ها در هر سطح از مثبت به منفی تغییر می کند. برجهای طره ای ممکن است دیوارهای بسیار باریک، هسته های برشی به شکل جعبه های میان تهی یا ستون های صلب باشند. رایج ترین مصالح طره ها، بتن مسلح، فولاد و برای خانه های چوبی دیرک ها هستند. طبقات ممکن است از برج طره شوند. طره ها نیاز به شالوده های بزرگ برای مقاومت در برابر لنگر واژگونی دارند. سیستم های طره ای شامل برج های چندگانه ممکن است شالوده های متصل به هم داشته باشند که برجها را برای پایداری بیشتر به یکدیگر متصل می کنند .

سیستمهای معلق

سازه های بلند معلق با سیستم های عمودی معلق، با سازه های معلق مانند پل های معلق که از دو نقطه آویزان شده اند، متفاوت هستند. سازه های بلند معلق معمولا به طور عمودی از بالا اویزان هستند. اساس ساخت سازه های بلند معلق، بر نداشتن ستون در طبقات و وجود هسته ها استوار است. سازه های بلند معلق معمولا باریک بوده و نسبت ارتفاع به عرض کمی دارند. رفتار این سازه ها شبیه درختی است که بدنه آن در برابر بارهای خمشی مقاومت می کند و ریشه های بزرگ آن در برابر واژگونی پایداری ایجاد می کند. فرم ظاهری باریک، در طرحی که به درستی طراحی شده می تواند انعطاف پذیری را افزایش دهد و به همین دلیل مانند درختی باریک که در معرض باد قرار گرفته است، عمل کند.
سیستم های معلق به دلیل استفاده مؤثر از مصالح و مناسب بودن برای دهانه های طویل مورد توجه می باشند. تمام بارها در سیستمهای معلق فقط با کشش مستقیم حمل می شوند، بنابراین کاهش تنش های مجاز در اثر ناپایداری ناشی از خمش و کمانش لزومی ندارد. به این دلیل مساحت سطح مقطع اعضای کششی را می توان حداقل کاهش داد. به علاوه، به علت مقاومت تسلیم زیاد فولاد کابل که ظرفیت باربری آن میتواند ۶ برابر بیشتر از ظرفیت فولادهای ساختمانی معمولی باشد، صرفه جویی درمصالح به مقدار بیشتری افزایش می یابد.

سیستم باربر لوله‌های دسته شده

از ترکیب و اتصال تعدادی قاب لوله ای، یک لولۀ دسته شده شکل می گیرد. بنابراین سازه های لولۀدسته شده مانند قاب های لوله ای از ستون هایی نزدیک به هم و تیرهای با ارتفاع زیاد تشکیل می شوند که در چند لوله با یکدیگر به صورت یکپارچه در برابر نیروها مقاومت می کنند . لوله های دسته شده به سازه پایداری جانبی بیشتری بخشیده و نیروی برشی بین کلیه ستون های داخلی و خارجی توزیع می شود. این انتقال برش، سبب می شود ستون های خارجی همانند دیوار بیرونی و ستون های داخلی مانند دیوار درونی به طور مشترک و هماهنگ عمل کنند. همین ستون ها تحت بارهای جانبی در معرض کشش و فشار نیز قرار می گیرند. در لوله های دسته شده برش نه تنها توسط دیوارهای قاب خارجی بلکه به وسیله دیوارهای سلولی داخلی نیز انتقال یافته و در نتیجه تغییر شکل برشی کاهش می یابد.

دیاگرید (شبکۀ مورب)

امروزه با پیشرفت علوم و فناوری، نیازها و خواسته های جدیدی در زمینه مهندسی سازه به وجود آمده است. عامل زمان در ساخت سازه ها اهمیت دوچندان یافته و با افزایش جمعیت بشری، علاقه به ساخت فضاهای بزرگ بدون ستون های میانی خواهان بسیاری پیدا کرده است. در این راستا، در قرن حاضر، تعدادی از متخصصان مجذوب قابلیت های منحصربه فرد سازه های دایا گریدی در ساختمان های بلند شده و پاسخ بسیاری از نیازهای جدید را در این سازه ها جسته اند. ظهور زیبایی شناسی تازه ای مبتنی بر عملکرد بهینه سازه ای، سبب شکل گیری سازه های دایاگریدی شده است.
نمونه ای از سازه های دایا گریدی را می توان در ساختارهای موجود در طبیعت یافت که یکی از این ساختارها پوسته تخم مرغ است. دایاگرید با الهام از نوعی اسفنج دریایی با نام سبد گل ونوس اختراع شده است. از نظر ساختمانی، دایاگرید ایده نو و جدیدی نیست؛ نمونه های زیادی از این نوع سازه را می توان در اروپا مشاهده کرد، به عنوان مثال بسیاری از پارکینگ ها در دهۀ۷۰ و ۸۰ در لندن با این سیستم ساخته شده اند. اما استفاده از آن در طراحی آسمان خراش ها ایده ای نسبتا”جدید است. توانایی سازه های دایاگرید در تامین سختی جانبی و پیچشی پربازده در سازه های بلند سبب علاقمندی پژوهشگران و طراحان ساختمان های بلند گردیده است.

ایده و نحوۀ اجرای دایا گرید مشابه قاب خمشی معمولی است اما نسبت به آن از توانایی بیشتری در توزیع دوبارۀ بارها برخوردار است. دایاگرید تکامل یافته سیستم لوله ای می باشد. سیستم لوله ای اولیه دارای مشکلاتی از قبیل ایجاد لنگی برش در سازه بود که طی آن به جای اینکه تیر و ستون های قاب در تحمل بار جانبی در کشش و فشار محوری مستقیم باشند، در قاب ها تغییر شکل های ناشی از برش ایجاد می شود؛ بنابراین در ستون ها و تیرها خمش به وجود می آید. با تقویت جانبی سیستم های لوله ای اثرات لنگی برش کاهش می یابد، اما از بین نمی رود. در سیستم دایا گرید، علاوه بر حذف کامل اثرات لنگی برش، با هدایت برش از طریق رفتار محوری اعضای مورب، مقاومت خمشی و برشی مقطع نیز به طور قابل توجهی افزایش یافته و در نتیجه تغییر شکل های خمشی و برشی سازه نیز تا حد زیادی کاهش می یابد.

در این سیستم، لوله از عناصر مورب نزدیک به هم بدون هیچ ستون قائمی ساخته می شود و تقریبا تمامی ستون های مرسوم در نما حذف شده، زیرا این سیستم توانایی تحمل نیروهای ثقلی را به همان خوبی نیروهای جانبی دارد. اعضای مورب به اشکال مختلف X، K وV همزمان نقش تیرها و ستون ها در سازه های معمول را بر عهده دارند، تمام بارهای وزن را تحمل می کنند و سازه را در برابر بارهای جانبی سخت تر می سازند. به عبارت دیگر، یکی شدن ستون ها و اعضای مورب، یکسان بودن مسیر انتقال نیروهای عمودی و افقی را سبب می شود؛ در نتیجه پوسته ای یکپارچه و صلب با عملکرد سازهای سه بعدی شکل می گیرد. وجود گره ها در اعضای ستون مانند نیز موجب کاهش طول و بالا رفتن ایستایی اعضا خواهد شد. عناصر مورب ممکن است به وسیله تیرهای افقی به یکدیگر متصل شوند. استفاده از این عناصر به منظور تقویت سازه مثلثی و بالا بردن میزان استقامت سازه از طریق اتصال گره ها به کمربندی افقی صورت می گیرد.

عناصر مورب در مقابل بارهای جانبی بسیار پربازده بوده، ولی در انتقال نیروهای ثقلی به زمین نسبت به ستون های قائم بازده کمتری دارند، بنابراین اغلب موارد این سیستم در ترکیب با هستۀ سازه ای به کار برده می شود. در این صورت، انتقال نیروی تقلی تنها نقش هسته بوده و در نتیجه نیروی وارد بر شالوده کاهش می یابد. به علاوه امکان جابه جایی هسته از مرکز پلان نیز وجود دارد.

بهره گیری از سیستم دایاگرید به ساختمان سازی محدود نبوده و از بیان سازه ای و ایدئولوژیکی آن در علوم پایۀ هوانوردی نیز استفاده می شود.