3137  

روند طراحی ساختمان بلند

ساختمانهای بلند معمولا برای استفاده های مسکونی، تجاری و یا گاهی ترکیبی از آنها طراحی می شوند. بنابراین تأمین فضاهای مناسب داخلی از مهمترین اهداف طراحی است. طراحی سازه ساختمان های بلند نیاز به تخصص و تجربه بسیار بالا دارد. همزمان با فضاسازی داخلی، معمار ملزم به برآوردن خواستهای کارفرما و بهره برداران آینده ساختمان و همچنین ایجاد نمای مناسب می باشد. در نتیجه معیار اولیه طراحی معماری آن است و پس از آن مهندس مقید به ایجاد سازه مناسب در چهارچوب فضاهای تعیین شده خواهد بود. فقط در مورد ساختمانهای بلند استثنایی، سازه ساختمان و شرایط و محدودیتهای مهندسی به عنوان معیار اوليه طراحی جایگزین معماری می شود. فضاسازی معماری در داخل شبکه سازهای قرار می گیرد و باید کمترین محدودیت را برای نیازهای بهره برداری از پیش تعیین شده ایجاد کند. سازه ساختمان نیز باید با سیستم های خدماتی نظیر تأسیسات برقی و مکانیکی، آب و فاضلاب و دسترسی های عمودی که مجموعه ای پیچیده و حجیم بوده و سهم بزرگی از سرمایه گذاری سازه بلند را به خود اختصاص می دهد هماهنگ باشد.


پس از تعیین فضاها، مهندس ملزم به ایجاد سیستمی است که ضمن رعایت ضوابط طراحی، در حد امکان کارآ و اقتصادی باشد. ضوابط اصلی سازهای تأمین مقاومت کافی در برابر انهدام، داشتن سختی جانبی و کارآیی مناسب در طول عمر بهره برداری ساختمان است. حاصل ترکیب روش آماری با خواص سازه ای و شرایط بارگذاری، تدوین روش طراح آنهایی است که اکنون مورد توجه و قبول همگان می باشد. هدف این روش دستیابی به اطمینان کافی از طرح سازه و اعضای آن برای مقابله با بحرانی ترین حالت بارگذاری و تغییر مکان ممک در هنگام ساخت و بهره برداری ساختمان و همچنین تأمین دوام مناسب در طول عمر آن است. ا فرض بر این است که کل سازه و یا هر قسمت آن، هنگامی که به هر یک از حدود نهای می رسند و حدهای نهایی دیگر را ارضا نمی کنند، به مرحله شکست با انهدام رسیده است. برای حدود نهایی دو معیار تعریف شده است: (۱) حدود نهایی مربوط به بارهایی که موجب انهدام با ناپایداری می شوند؛ از آنجا که اتفاقات منجر به شکست و انهدام سازه موجب خطرات جانی و خسارات مالی فراوان میگردند باید احتمال وقوع آنها را به حداقل رساند؛ و (۲) حدود بهره برداری، شامل ضوابط حاکم بر نحوه استفاده از ساختمان در طول عمر آن؛ از آنجا که اتفاقات و عوامل مؤثر بر حدود بهره برداری از اهمیت کمتری برخوردارند، می توان احتمال وقوع بیشتری را برای آنها مجاز دانست. این ضوابط به منظور رسیدن به یک حالت مناسب برای بهره برداری معمولی از ساختمان بوده و مستقل از مسایل ایمنی می باشند. لذا در مقایسه با حالت (1) از اهمیت کمتری برخوردارند.


یک حد نهایی خاص ممکن است به علت ترکیب معکوس اثرات تصادفی و پیش بینی " حاصل گردد. برای مقابله با شرایط و حالات نامطلوبی که وقوع آنها در سازه یا در بارگذاری سازه محتمل است، ضرایب ایمنی تعریف شده اند. بنابراین هدف اصلی از محاسبات طراحی، پایین نگهداشتن احتمال رسیدن به هر حد نهایی در محدوده ای مجاز برای هر سازه است. سازه باید طوری طراحی شود که بتواند نیروهای جانبی و بارهای قائم موقت و ساخت و بهره برداری را تحمل کند. این نیروها به شکل و ابعاد و موقعیت جغرافیایی ساختمان بستگی دارند و باید قبل از شروع مراحل طراحی، مقادیر حداکثر آنها تعیین شود. در روش طراحی حد نهایی، میزان دقت در تخمین بارهای زنده و مرده و احتمال اعمال همزمان بارهای قائم زنده و مرده با بارهای باد و زلزله توسط ضرایبی مشخص شده اند. آنالیز بارهای زنده، باد و زلزله که پس از اتمام ساختمان بر آن وارد می گردند، به ترتیب مراحل اجرایی بستگی ندارد. ولی در مورد بارهای مرده ای که در ضمن ساخت به سازه اعمال می گردند، باید برای تعیین بحرانی ترین شرایط هر عضو، اثرات بارگذاری اجزائی و تدریجی در نظر گرفته شود و رفتار حقیقی سازه تحت اثر این بارها نیز مشخص گردد. روش متداول در اجرای ساختمانهای طبقاتی بتن آرمه این است که بتن تازه را بر روی قالبهای از پیش بسته شده کفها می ریزند. بارهای اعمالی بر کفهای زیرین که شامل مجموع وزن بتن تازه و قالب بندی می باشد، احتمالا از بارهای وضعیت بهره برداری بیشتر خواهد بود. مقدار این بارها تابعی از مرحله و سرعت اجرا است. چنانچه تغییر شکلهای محوری ستونها در اثر بارهای مرده تدریجی هنگام ساخت تا پایان اجرای سازه را محاسبه کنیم، خواهیم دید که کوتاه شدگی نسبی ستونها باعث ایجاد لنگرهایی در اعضای افقی سازه می شوند و به دلیل اثرات تصاعدی این کوتاه شدگیها، در طبقات بالا و ارتفاع زیاد، لنگر بیشتری ایجاد می گردد. ولی باید دانست که در حقیقت لنگرهای ایجاد شده بسیار کمتر از مقادیر محاسباتی است زیرا در عمل و در جریان ساخت، اعضای افقی در هر تراز به اعضای قائم وصل می شوند و در آن تراز، ستونها تحت اثر بارهای مرده تغییر شکل داده و كفها و تیرها به ستونهای کوتاه شده متصل می گردند.


بنابراین تغییر شکل کف و تیر در هر تراز، تابعی از اجرای مراحل بعد است. در نتیجه چنانچه بخواهیم تخمین دقیقی از رفتار سازه داشته باشیم، لازم است که این اثرات تدریجی را در محاسبات منظور نماییم. هدف اولیه طراحی در حد نهایی مقاومت این است که سازه در اثر بحرانی ترین حالت ممکن بارگذاری در عمر مفید خود و بارهای اجرایی دوره ساخت، مقاومت کافی داشته باشد و پایدار نیز بماند. برای این منظور لازم است که نیروها و تنشهای ایجاد شده در اعضای سازه در اثر بحرانی تر ترکیب ممکن بارها، شامل لنگرهای اضافی ناشی از تغییر مکانهای درجه دوم آنالیز گردند. با استفاده از ضرایب تعریف شده برای بارها، مقداری لنگر اضافی در سان ذخیره می شود. ضمنا باید به اعضای مهم و حساس سازه که انهدام آنها باعث خرابیهای بیش تمام یا بخشی از سازه می شود توجه خاص نمود. تنشهای اضافی ناشی از نشست نسبی، خود آبرفتگی و یا حرارت نیز باید در آنالیز وارد گردد. اضافه بر موارد بالا، برای اطمینان از این که نیروهای جانبی سبب واژگونی کل سازه نمی گردند، باید شرایط بنیادی تعادل نیز کنترل شود. با لنگر گیری حول لبه پی، لازم است نگ مقاوم ناشی از بار مرده ناشی وزن ساختمان با اعمال ضریب ایمنی، بزرگتر از لنگر واژگونی باشد. تأمین سختی مناسب و بخصوص سختی جانبی سازه، به دلایل بسیار مهمی از عوامل اساسی طراحی ساختمانهای بلند است. در حد نهایی مقاومت، تغییر شکلهای جانبی باید به طریقی محدود گردند که اثرات ثانویه ناشی از بارگذاری قائم، باعث شکست و انهدام سازه نگردند. در حد بهره برداری، اولا تغيير شكلها باید به مقادیری محدود شوند که اعضای غیر سازهای نظیر درها و آسانسورها بخوبی عمل نمایند. ثانيا باید برای جلو گیری از ترک خوردگی و افت سختی، باید از ازدیاد و تشدید تنش در سازه جلوگیری نمود و از توزیع بار بر روی اعضای غیر سازهای نظیر میان قابها و یا نماها خودداری کرد. ثالثا سختی سازه باید به اندازه ای باشد که حرکتهای دینامیکی آن محدود شده و باعث اختلال ایمنی و آرامش استفاده کنندگان و ایجاد مشکل در تأسیسات حساس ساختمان نگردند. در حقیقت، توجه ویژه به سختی جانبی است که طراحی سازه های بلند را از سازه های کوتاه متمایز می سازد. یکی از عوامل ساده ای که به وسیله آن می توان سختی جانبی یک ساختمان را تخمین زد. شاخص جابه جایی یا «نمایه رانش» است. تعریف این شاخص، نسبت تغییر مکان بالای ساختمان به ارتفاع آن می باشد. افزون بر این شاخص، شاخص متناظر یک طبقه به نام شاخص جابه جایی طبقه»، بیانگر میزان احتمال تغییر مکان اضافی موضعی خواهد بود. در فرمهای سازه های جدید، میان قابهای داخلی و خارجی سخت که در سازه های بلند قدیمی به کار می رفتند وجود ندارند، کنترل تغییر مکانهای جانبی از اهمیت بسیاری برخوردار است. تعیین یک حد برای شاخص جابه جایی از مهمترین وظایف طراح است، که متأسفانه مقادیر مشخص و قابل قبولی برای آن تعریف نشده و حتی در بعضی آیین نامه های ملی نیز راهنمایی شفافی ارائه نگردیده است. در نتیجه برای حل مسأله، طراح خود مجبور به تصمیم گیری خواهد بود. مقدار شاخص جابه جایی، تابعی از کاربری ساختمان، روش طراحی روش اجرا، مواد مصرفی شامل مواد میان قابها و نماها، بارباد، و تجربه کسب شده از ساختمانهای مشابهی که عملکرد مناسبی داشته اند، می باشد. حد شاخص جابه جایی طراحی مورد استفاده در کشورهای مختلف، بین 0.001 تا 0.005 است. برای تبیین بهتر مطلب می توان گفت که بالاترین طبقه یک ساختمان ۳۳ طبقه و به ارتفاع ۱۰۰ متر، مجاز خواهد بود. بین 0.1 تا 0.5 متر جابه جا شود. به عبارت دیگر جابه جایی مجاز هر طبقه ۳ تا ۱۵ میلی متر است. معمولا برای هتلها و آپارتمانها که در آنها حركات سازه و ایجاد صدا مسأله سازتر است، جابه جایی کمتری نسبت به ساختمانهای اداری در نظر می گیرند. باید توجه داشت که اثرات سختی دیوارها و میان قابهای داخلی و خارجی نیز در محاسبات تغییر مکان وارد می گردند.


برای منظور نمودن این حالت حدی در طراحی، لازم است که تخمین دقیقی از تغییر مکان جانبی سازه داشته باشیم. برای این تخمین، باید سختی مقاطع ترک خورده، اثرات آبرفتگی و خزش و توزیع نیروهای ناشی از آنها و هچنین جابه جایی های چرخشی پیها تعیین گردد. در طراحی، برای تأمین سختی جانبی مناسب و جلو گیری از تخریب پیش رونده، باید مفاصل قابها، بخصوص سازه های پیش ساخته، مورد توجه ویژه قرار گیرند. ضمنا تغییر شکلهای پیچشی را نیز نباید از نظر دور داشت. در عمل لازم است تیغه ها، میان قابهای داخلی و خارجی و پنجره ها طوری طراحی شوند که با دارای تکیه گاههای انعطاف پذیر باشند و یا فضای کافی برای هماهنگی با جابه جایی های محاسباتی داشته باشند. برای انتخاب حد شاخص جابه جایی، داشتن یک بینش خوب مهندسی الزامی است. برای سازه های معمولی، محدوده ترجیحی این شاخص برابر 0.0015 تا 0.003 ( حدود تقریبی 650/1 تا 350/1) است و باید برای تأمین جلو گیری از افزایش تغییر مکان بالای ساختمان در بحران شرایط بار گذاری، سختی کافی تأمین گردد. هر چه ارتفاع ساختمان بیشتر شود، حد ضری جایی برای اینکه تغییر مکان بالاترین طبقه از حد قابل قبولی تجاوز نکند، کمتر می شود. معیارهای جابه جایی اصولا برای شرایط شبه استاتیک به کار گرفته می شوند. هنگام امکان بروز نیروهای فوق العاده یا نظیر ضربات گردبادی و یا هر نوع پدیده غیرعادی دیگری دارد، ممکن است لازم شود از رهیافتهای پیشرفته تری که مشتمل بر آنالیز دینامیکی هستند استفاده شود. چنانچه جابه جایی سازه بیش از حد باشد، می توان با اعمال تغییراتی در شکل هندسی سازه در نتیجه تغییر مود مقاومت در برابر بارهای جانبی، افزایش سختی خمشی اعضای افقی، افزایش سختی با استفاده از دیوارهای ضخیم تر و یا هسته ها، سخت تر کردن گره ها، و یا حتی با شیب دادن ستونهای خارجی، جابه جایی را کاهش داد. در شرایط بحرانی گاهی از سیستم میراگرفعال و غیرفعال نیز برای کاهش جابه جایی استفاده می کنند. چنانچه یک سازه بلند انعطاف پذیر، تحت تأثیر تغییر مکانهای جانبی یا پیچشی ناشی از اثرات رفت و برگشتی نیروی باد قرار گیرد، حرکت تناوبی ایجاد شده باعث احساس ناراحتی استفاده - کنندگان از سازه خواهد شد. این ناراحتی می تواند در حد جزئی و یا سرگیجه و احساس عدم تعادل باشد. بنابراین، حرکاتی که از نظر فیزیولوژیک یا روانی بر افراد اثر می گذارند، ساختمانی را که حتی از نظر سازهای قابل قبول و بدون نقص است، غير قابل استفاده و بهره برداری خواه ساخت. در حال حاضر، استاندارد قابل قبول همگانی برای معیار آسایش وجود ندارد و این در است که مهندسین ملزمند ضوابط طراحی خود را بر اساس اطلاعات و ارقام مشخصی پایه کنند. معمولا شتاب به عنوان عامل اصلی و تعیین کننده پاسخ انسان به ارتعاش در می شود. عوامل دیگری نظیر تواتر، دامنه، جهت، علائم حسی بینایی و شنوایی و حتی تجربی قبلی نیز از اهمیت بسیاری برخوردارند. منحنیهای حد رفتاری انسان برحسب " در دسترس می باشد. بنابراین برای مقایسه پاسخ سازه با منحنیهای حد رفتاری نیاز به به یک آنالیز دینامیکی است. خزش، آبرفتگی و اثرات حرارت در ساختمانهای بتنی بلند ممکن است مجموع تغییر مکانهای ناشی از خزش و آبرفتگی، بخصوص در قسمتهای بالای ساختمان، تنشهایی در اعضای غیرسازهای ایجاد نموده و به اعضای سازهای افقی، نیروهای قابل توجهی اعمال کند. برای تعیین این تغییر شکلهای بلند مدت باید اثرات عوامل مهم متعددی نظیر خواص بتن، تاریخچه بارگذاری و عمر بتن در مرحله اعمال بار، نسبت حجم به سطح بتن و میزان فولاد عضو مورد نظر، در محاسبات دخالت داده شوند. سپس می توان نیروهای ایجاد شده در اعضای افقی که ناشی از تغییر شکلهای نسبی قائم تکیه گاهها می باشند را تخمین زد. جابه جاییهای نسبی ناشی از خزش و آبرفتگی باید در مراحل طراحی معماری و محاسبه در نظر گرفته شوند. به هر حال، با توزیع یکنواخت تنشها در اعضای قائم، تا حدود زیادی می توان جابه - جایی های نسبی قائم ناشی از خزش را کاهش داد. در مراحل اجرایی، اضافه بر خزش و آبرفتگی، وزن طبقات بالا، باعث کوتاه شدگی الاستیک طبقات پایین می گردند. مجموع جابه جاییهای نسبی، تنشهایی در اعضای سازه بخصوص در ساختمانهایی که مجموعه ای ترکیبی از بتن در جا و پیش ساخته هستند، پدید می آورند. در ساختمانهای با ستونهای خارجی در نما، امکان بروز تغییرات قابل توجهی بین ستونهای داخلی و خارجی وجود دارد. لذا هر گونه قیدی برای جلو گیری از تغییر شکل نسبی ستونها باعث تنشهایی در اعضا می گردد. آنالیز این نیروها به اطلاعات کافی در مورد تغییرات احتمالی حرارت بین داخل ساختمان و خارج آن و همچنین تغییرات حرارت درونی اعضا نیاز دارد. با این اطلاعات می توان تغییر طول ناشی از تنش حرارتی اعضای آزاد را تعیین و سپس با استفاده از روشهای استاندارد آنالیز الاستیک، تغییر شکلها را محاسبه کرد. آتش سوزی پیش بینی های طراحی برای محافظت و جلوگیری از آتش سوزی، کنترل دود، مقابله با آتش سوزی و گریز از آتش، خارج از محدوده اهداف یک کتاب سازه ای است. ولی به هر حال چون آتش یکی از معمولترین عوامل ایجاد خسارت به سازه می باشد، لازم است به عنوان یک عامل مهم در طراحی منظور شود.

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