3155  

طراحی ساختمان بلند

طراحی سازه ساختمان های بلند از گذشته جز مسائل مهم و پیچیده طراحی سازه بشمار می رفتند. از ابتدای تمدن بشری، برجها و ساختمانهای بلند مورد توجه بوده اند. ساخت ساختمانهای بلند ابتدا باهدف دفاع شروع شده و سپس جنبه های نمادین و کاربردی پیدا کرد. رشد و توسعه ساختمانهای بلند جدید در دهه ۸۰ قرن نوزدهم با کاربری تجاری و مسکونی شروع گردیده است. ایجاد ساختمانهای تجاری در ابتدا پاسخی به تقاضای جامعه بازرگانی بود که نیاز داشتند تا حد امکان به یکدیگر و به مراکز شهرها نزدیک باشند. این مسأله باعث شد که تراکم ساختمانها بر فضای افقی محدوده مراکز شهرها فشار زیادی اعمال نماید. همچنین، سازه های بلند بخاطر این که معمولا از نظر ظاهری شاخص هستند، مدیریتهای تجاری مایلند از آن به عنوان وسیله تبلیغی نیز استفاده کنند. از طرف دیگر جوامع تجاری و توریستی، به دلیل کثرت مراجعه و بازدهی اقتصادی مطلوب، تقاضای ساخت هتلهای مرتفع در مراکز شهرها را افزایش داده اند. افزایش سریع جمعیت شهری و محدودیت فضا نیز بر معماری سازه های مسکونی اثر گذاشته است. افزایش قیمت زمین، نیاز به محدود نمودن گستره افقی شهرها و حفظ زمینهای کشاورزی، از عواملی هستند که بر توسعه و ساخت سازه های بلند مؤثر بوده اند. ضمنا در بعضی شهرها مانند هنگ کنک و ریودوژاینرو، بخاطر شرایط توپوگرافی منطقه، ساخت سازه های بلند تنها راه حل تأمین مسکن است. کارآیی و بازدهی سازه های بلند رابطه مستقیمی با مواد در دسترس، تکنولوژی ساخت پیشرفت و کارایی سرویسهای مربوطه دارد. به همین دلیل در طول زمان، پیشرفتهای قابل توجهی در شناخت و معرفی مواد جدید، روشها و وسایل ساخت و ساز و سرویس دهی حاصل شده است. ساختمان های چهار طبقه چوبی شامل تیر و ستون، یکی از متداولترین فرمهای سازه ای در باستان بود. پس از آتش سوزی بزرگ رم، آجر و بتن جایگزین چوب شد و فرمهای سازه ای نیز عموما به شکل قوسی تبدیل گردیدند. در قرنهای بعد، مواد اصلی ساختمانی را چوب و مصالح بنایی تشکیل می دادند. چوب مقاومت کافی برای بیش از پنج طبقه را ندارد و خطر آتش سوزی نیز از ضعفهای عمده آن است. از طرف دیگر مصالح بنایی گرچه دارای توان فشاری کافی بوده و در برابر آتش سوزی مقاوم است ولی بار مرده زیاد آن در تکیه گاه های طبقات پایین ایجاد اشکال می نماید. با گسترش سریع ساختمانهای آجری بلند در اواخر قرن نوزدهم، در سال ۱۸۹۱ مرتفع ترین ساختمان آجری با ۱۶ طبقه در شهر شیکاگو ساخته شد که به ساختمان Monadnock مشهور است. این ساختمان که آخرین سازه بلند با مصالح سنگین می باشد، در پایین ترین طبقه دارای دیوارهایی به ضخامت حدود ۲ متر است، که این دیوارها بیشتر فضای این طبقه را اشغال نموده اند. عوامل اقتصادی اجتماعی ناشی از گسترش دامنه صنعت در قرن نوزدهم، به اضافه تقاضای روز افزون به زمین در شهرهای در حال توسعه ایالات متحده، انگیزه ای بسیار قوی برای ساخت سازه های بلند گردید. ولی بدون دست یابی به دو ابداع مهمی که در اواسط آن قرن به نتیجه رسید، رشد و توسعه ساخت سازه های بلند مشکل به نظر می رسید. این دو ابداع عبارتند از: آسانسور و مواد با مقاومت و کارآیی بالا نظير چدن و فولاد. گرچه آسانسور حدود بیست سال قبل ساخته شده بود، ولی قابلیت آن برای استفاده در سازه های بلند پس از به کار گیری در ساختمان Equitable Life Insurance نیویورک در سال ۱۸۷۰ شناخته شد. پس از آن، طبقات بالای ساختمان نیز متقاضی پیدا کرد و در نتیجه ساختمانهای مرتفع بازدهی مطلوب اقتصادی یافتند. در این دوره که سازه ها از ترکیب قابهای داخلی فلزی و دیوارهای خارجی از مصالح بنایی ساخته می شدند، مواد جدید موجب شدند که اسکلت سازه ها سبک تر، ارتفاع آنها بلندتر، فضاهای داخلی آنها بازتر و پنجره ها و بازشوها بیشتر گردند. اولین سازه بلند با اسکلت فلزی، ساختمان ۱۱ طبقه Home Insurance شیکاگو بود که در سال ۱۸۸۳ ساخته شد. پس از آن، در سال ۱۸۹۹ ساختمان 4 طبقه Rand - McNally با قابهای فولادی ساخته شد. دو سال بعد در همان شهر، مهاربندهای قطری معرفی و در قابهای خارجی ساختمان ۲۰ طبقه Masonic Temple برای ایجاد خرپاهای قائم استفاده گردید. این ساختمان اولین نمونه از فرم سازهای قابهای مهاربندی شده و دیوار برشی است. پس از این مرحله، اهمیت نیروی باد در طراحی سازه های بلند مطرح گردید. پیشرفت در روشهای طراحی و تکنولوژی ساخت باعث شد که حداکثر ارتفاع سازه های فولادی به تدریج افزایش یابد، چنانکه در سال ۱۹۱۳ ساختمان ۶۰ طبقه Woolworth در نیویورک اجرا شد. گرچه استفاده از بتن آرمه در اواخر قرن نوزدهم و شروع قرن بیستم متداول گردید، ولی به نظر نمی رسد تا قبل از پایان جنگ جهانی اول در سازه های بلند از آن استفاده شده باشد. در آن زمان هنوز خواص مواد مرکب و قابلیتهای باربری و شکل پذیری آنها شناخته نشده بود و سازه های عموما فولادی بودند. در این دوره، رشد و توسعه سازه های بلند بتن آرمه بسیار کند و مقطعی بود و زمانی که ساختمان فلزی امپایر استیت کامل گردید، بلندترین سازه بتنی، ساختمان ۲۳ طبقه Exchange Building واقع در شهر سیاتل آمریکا بود. رکود اقتصادی سالهای دهه ۱۹۳۰ پایانگر دوران اول آسمان خراش سازی بود. دوره بعد پس از جنگ جهانی دوم و دست یابی به راه حلهای سازه ای و معماری جدید شروع گردید. در این دوره بجای تلاش بر افزایش ارتفاع، متخصصین به معرفی سیستم های جدید سازه ای، مواد با کیفیت و کارآیی بهتر و روشهای طراحی و ساخت پیشرفته تر پرداختند. این روند ادامه داشت تا این که در سال ۱۹۷۳ با استفاده از سیستم سازهای قابهای محیطی، برجهای ۱۱۰ طبقه World Trade Center نیویورک به ارتفاع ۴۱۲ متر و پس از آن در سال ۱۹۷۴ عملیات اجرایی ساختمان Sears Tower شیکاگو به ارتفاع ۴۴۲ متر با استفاده از سیستم سازهای قابهای محیطی دسته شده به پایان رسید و رکورد ارتفاع ساختمان امپایر استیت شکسته شد. پس از آن به تدریج سیستم های سازهای متفاوتی متناسب با شرایط بهره برداری ساخانا مسکونی و اداری ارائه گردید. در ساختمانهای اداری جدید، نیاز به فضاهای وسیع برای متقاضیان منجر به ارائه سیستم های سازه ای شامل فضاهای مفید بدون ستون گردید.


ارتقای سطحی دهی و خدمات رفاهی، معمولا الزام اختصاص طبقه یا طبقاتی را به تأسیسات مکانیکی در پی دارد. از این فضاها می توان برای عبور تیرهای عمیق و یا خرپاهایی که سیستم های سازهای داخلی و خارجی را بهم متصل می کنند استفاده نمود. امروزه دیوارهای ضخیم داخلی و خارجی که سهمی از سختی و مقاومت سازه را به عهده دارند، جای خود را به دیوارهای قابل جابه جایی و نماهای شیشه ای داده اند، در نتیجه سازه اصلی باید به تنهایی مقاومت و سختی لازم در برابر بارهای جانبی و قائم را داشته باشد. دیگر مدلهای معماری ساختمانهای تجاری که بر فرمهای سازهای تأثیر گذاشته است، عبارتند از ورودیهای عریض و فضاهای باز وسيع در طبقه همکف، فضاهای باز وسیع با ارتفاع چند طبقه و رستورانها و سالنهای چشم انداز در طبقات بالا می باشد. در ساختمانهای مسکونی، تأمین واحدهایی با دیوارهای جداکننده مقاوم در برابر آتش و عایق صوت و حرارت از نکات اصلی است. از آنجا که این دیوارها در همه طبقات تکرار می شوند، در طراحی از آنها به عنوان دیوار برشی، دیوار سرتاسری یا پیوسته و یا پرکننده قابها استفاده می کنند.




نماسازی های خاص، بریدگیهای معماری و عقب نشینی در طبقات بالا برای تأمین نور، از ویژگیهای معماری مدرن است. نیاز به مقاومت و سختی در سازه ها با در نظر گرفتن موارد فوق باعث گردید که پیشرفتهای اساسی در فرمهای سازهای ایجاد شود و شکل جدیدی از قابها شامل قابهای مهاربندی شده، قابهای محیطی، فرم سازه ای هسته - پوسته سیستم های قاب دیوار و سازه های با مهار بازویی معرفی گردند. این سیستم های سازه ای در فصل چهارم معرفی شده اند. آخرین نسل از سازه های فوق مدرن و با شکلهای متنوع و نامنظم تر، پیوند دو و یا حتی سه سیستم از سیستم های سازه ای هستند. اسرعت اجرا از عوامل اساسی در بازدهی اقتصادی و سرمایه گذاری در پروژه های بزرگ است. اکثر سازه های بلند در مراکز پر رفت و آمد شهرها با امکان مانور اجرایی محدود ساخته می شوند. بنابراین داشتن یک برنامه ریزی دقیق برای اجرا و طبق زمان بندی الزامی است. در مراحل اولیه طراحی یک ساختمان، مطلوبترین حالت آن است که تمامی افراد گروه طراحی، شامل معمارو مهندسان محاسب و تأسیسات بر یک سیستم سازه ای که شرایط کار آیی، بهره برداری و ایمنی مورد نظر آنان را تأمین کند به توافق برسند. گرچه عملا بروز تقابل بین نظرات اجتناب ناپذیر است، ولی گروه طراحی لازم است به طریقی به توافق برسند.


باید دانست که در تمامی سازه ها بجز سازه های بسیار بلند معمولا ملاحظات سازهای تحت الشعاع نیازهای معماری فضایابی و زیباسازی قرار می گیرند و امکان کمتری برای مهندس سازه جهت ارائه یک فرم سازه ای مطلوب و راه حل هوشمندانه و بدیع فراهم می شود.


ستونها و دیوارها دو نوع اعضای مهم و متداول تحمل کننده بارهای قائم هستند. دیوارها با صورت مستقل به عنوان دیوار برشی و یا به صورت ترکیبی به صورت هسته های دیوار برشی عمل می کنند. دیوارها تقسیم کننده فضاها هستند و هسته ها محلی برای سرویس پله و یا آسانسور می باشند. از طرف دیگر ستونها ضمن ایجاد فضا، بارهای قائم و در بعضی سازه ها بارهای افقی را نیز تحمل می کنند. ستونها گاهی نیز به عنوان ابزار معماری و نمای ساختمان مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد اولیه اعضای سازهای قائم، تحمل بارهای قائم ناشی از وزن سازه و متعلقات آن است. چون تقریبا بار تمام طبقات یکسان است، صرفنظر از تعداد طبقات و ارتفاع ساختمان، وزن واحد سطح هر طبقه تقریبا ثابت خواهد بود. از آنجا که بار قائم ستونها از بالا به پایین افزایش می یابد، پس وزن ستونها به واحد سطح رابطه ای تقریبا خطی با ارتفاع سازه دارد. کاربرد ثانویه اعضای سازهای قائم، تحمل نیروهای ناشی از باد و یا زلزله است که کمیت اه توسط آیین نامه و یا مطالعات تونل باد تعیین می گردد. لنگرهای خمشی ناشی از این بارهای جانبی به نسبت حداقل توان دوم ارتفاع سازه افزایش می یابند. در نتیجه اثرات آنها با افزایش ارتفاع سازه به صورت تصاعدی اضافه می شود. از آن جا که ظهور بدترین حالت ممکن در اثر بارهای جانبی وارد بر سازه در طول عمر آن بسیار دور از انتظار است، واجب است که برای دست یابی به طرح بهینه؛ اثرات تصاعدی ارتفاع را به حداقل برسانیم. جستجوی دائم برای رسیدن به راه حلهای بهتر منجر به طرحها و فرمهای سازهای جدید در سالهای اخیر گردیده است. فرمهای سازهای جدید در فصل چهارم معرفی گردیده اند. برای ایجاد یک سیستم مناسب و مقاوم در برابر بارهای جانبی، معمولا طراح در صدد یافتن اعضای افقی سخت برای اتصال به اعضای قائم خواهد بود تا بدین وسیله مجموعه ای مرکب مانند دیوارهای برشی و قابها به وجود آورد. این مجموعه ها همانطور که در فصلهای بعد نشان داده خواهد شد، سازهای ایجاد می نمایند که سختی جانبی آن چندین برابر مجموع سختی های جانبی تک تک اعضای قائم خواهد بود.






 مرجع: کتاب آنالیز و طراحی سازه های بلند برایان استنفورد اسمیت ترجمه دکتر حسن حاجی کاظمی