سازههای بلند
استفاده از سازههای بلند همزمان با رشد و توسعه خدمات شهری و بهبود کیفیت زندگی در کشورهای در حال رشد و توسعه یافته امری ضروریاست. همزمان با دسترسی مهندسین سازه و زلزله به فناوری‌های نوین ساخت و ساز شهری در کنار توسعه نرم افزارهای تخصصی در زمینه تحلیل و طراحی ساختما‌ن‌ها، زمینه را برای مطالعه و بهبود عملکرد ساختمانهای بلند بیش از پیش هموار نموده است. از طرفی معرفی فولادهای با مقاومت بالا یا بتن سبک سازهای با مقاومت بالا، امکان ساخت سازههای بلند در تعداد طبقات بیشتر را فراهم نموده است.
سازههای بلند از نظر سیستم باربر به دو نوع داخلی و خارجی طبقه بندی می‌شوند. مهمترین شکل‌های سازههای خارجی شامل سیستم لوله پیرامونی، لوله در لوله با هسته داخلی، لوله در لوله با کلاهک خرپایی، لوله مهاربندی شده و لوله دسته بندی شده است.
تقسیم بندی سازههای بلند
در تقسیم بندی اول، سه شکل سازههای متناسب با مصالح بکار رفته تعریف شد که انواع رایج سیستم‌های سازهای فولادی آن عبارتند از قاب فولادی ساده با دیوار برشی یا مهاربند، قاب خمشی، سیستم کمربند خرپایی، سیستم لوله قابی، لوله مهاربندی شده با و بدون ستونهای داخلی و لوله دسته شده است.
در خصوص اسکلت بتنی نیز شکل‌های سازهای مختلفی ارائه شده که ازآن جمله می‌توان به قاب خمشی تنها یا ترکیبی با دیوار برشی، سیستم لوله قابی، لوله در لوله و سیستم لوله‌ای ابر مهاربندی شده اشاره نمود.
در طبقه بندی دیگری که در سال‌های اخیر ارائه شده، انواع شکل‌های سازهای در ساختمانهای بلند به دو دسته سیستم‌های سازه داخلی و خارجی تقسیم بندی می‌شود.
در خصوص ارزیابی رفتار انواع شکل‌های سازهای بلند تحقیقات گسترده‌ای صورت گرفته است که در چند محور مختلف طبقه بندی می‌شوند.
- در دسته اول، مباحث معماری و زیست محیطی ساختمانهای بلند تحقیق شده‌اند.
- در دسته دیگر با انتخاب یک شکل سازهای مشخص، تلاش شده تا روابط ساده‌ای برای محاسبه مهمترین مشخصات دینامیکی سازه اعم از شکل مد ارتعاشی، زمان تناوب یا بسامد اصلی ارتعاشی و تغییر شکل سازه محاسبه می‌شود.
- در گروه سوم مطالعات آزمایشگاهی است که معمولاً با ساخت یک مدل آزمایشگاهی، عملکرد لرزه‌ای سازه بلند در اثر رکوردهای واقعی ارزیابی می‌شود.
- در رده چهارم، به منظور حساسیت رفتار سازه بلند در بارگذاری باد، انجام آزمایش تونل باد، یکی دیگر از اولویت‌های تحقیق است.
- از آنجا که فرایند احداث این ساختما‌ن‌ها بسیار طولانی بوده و ممکن است در خلال ساخت مخاطرات زیست محیطی مثل باد یا زلزله روی دهد، بنابراین بحث کنترل سازه در هنگام اجرا اهمیت ویژ‌ه‌ای دارد.
- در رده ششم موضوع کنترل سازه اعم از فعال و غیر فعال مطرح می‌شود که به کمک این ابزار می‌توان از نیروهای وارد بر سازه کاست تا احتمال رسیدن سازه به حد فروریزش محدود شود.
- در رده هفتم نیز محققین به دنبال ارزیابی نقاط ضعف و قوت سیستم‌های رایج ساختمانی بوده و هم زمان با رشد قابل توجه در نر‌م‌افزارهای مدل سازی و رایانه‌های قوی، امکان ساخت مد‌ل‌های سازهای وجود داشته و با انجام مطالعات پارامتری تلاش می‌شود که مهمترین نقاط ضعف سیستم‌های رایج برطرف شوند. به طور مثال انتخاب بهینه‌ترین مدول بادبندی در سازههای لوله‌ای مهاربندی شده همواره مد نظر محققین بوده است و عامل بهینه عموماً وزن مصالح مصرفی تعریف می‌شود.
انواع سیستم سازهای بلند
سیستم لوله در لوله با لوله تنها
نیاز تغییر مکان جانبی مطلق و نرخ تغییرات آن همواره یکی از معیارهای اساسی در طرح سازههای فولادی محسوب می‌شود. این موضوع در ساختمانهای بلند از منظر معیار راحتی نیز یک اصل اساسی است. اولین گزینه‌ای که برای بهبود پاسخ سازه لوله‌ای ارزیابی شد، بکارگیری سیستم لوله در لوله است.
از دیدگاه کیفی، استفاده از سیستم لوله در لوله به دلیل اینکه باعث شده تا لوله داخلی نیز در اشتراک با لوله خارجی به تحمل بارهای جانبی کمک نماید ،بنابراین ضمن افزایش سختی سازه، تغییر مکان سازه لوله در لوله نسبت به لوله تنها، کمتر براورد شده است.
سیستم لوله در لوله به هسته داخلی با لوله تنها
با هسته مهاربندی، باعث شد که در تمامی طبقات، تغییر مکان مطلق طبقه کاهش یابد که در مقایسه با حالت لوله در لوله تاثیرآن قابل توجهتر است. از طرفی شکل تغییر شکل در حالت لوله از نوع برشی است در حالی که استفاده از مهاربند باعث شد تا در طبقات پایین تغییر شکل خمشی و در طبقات بالا برشی باشد. به عبارتی نمودار تغییر شکل در طبقات میانی دارای نقطه عطف است. در واقع در طبقات زیرین قاب بر روی مهاربند تکیه داشته و در طبقات بالایی این موضوع برعکس می‌شود.
یکی دیگر از شاخص‌های ارزیابی شده، اندیس رانش بین طبقه‌ای است که نسبت به لوله تنها کاهش قابل توجه‌ای داشته است. البته همچنان اندیس رانش از حد مجاز تعریف شده برای معیار ایمنی و رفاه فاصله دارد.
ضریب تاخیر برشی در ستونهای مستقر در بال کششی در طبقات مختلف از دیگر پارامترهایی است.
سیستم لوله در لوله با کلاهک خرپایی با لوله تنها
استفاده از کلاهک خرپایی در کنار سیستم لوله در لوله می‌تواند به عنوان قاب لوله در لوله کاسته و حالت تغییر شکل را به سمت حالت خمشی سوق
داده است. از مقدار اندیس رانش بین طبقه‌ای نیز در تمامی طبقات سازه،کاسته شد. اما بیشترین تاثیر مربوط به طبقاتی است که در آنها کلاهک خرپایی اجرا شده است.
سیستم لوله مهاربندی شده (ابر-مهاربند‌ها) با لوله تنها
یکی دیگر از سیستم‌های سازهای در ساختمانهای بلند بکارگیری ابر مهاربند در پیرامون ساختمان است که به نوعی صورت ارتقاء یافته لوله تنهاست. در این حالت مهاربند در بین چندین طبقه سازه اجرا شده که به تعداد طبقات مهاربندی شده، اصطلاحاً مدول مهاربندی گویند.
بکارگیری ابر مهاربند به دلیل اینکه باعث می‌شود تمامی ستونهای مستقر در بال و جان فشاری و کششی درگیر شوند، باعث شد تا ضریب تاخیر برش در تمامی طبقات نسبت به لوله تنها کاهش یابد.
لوله دسته شده با لوله تنها
آخرین سیستم سازهای لوله دسته شده است. در این سازه لوله پیرامونی خارجی و لوله داخلی توسط تیرهای با اتصال صلب و ستون-های میانی به یکدیگر دوخته می‌شوند. بدین ترتیب جان سازه در برابر نیروهای جانبی تقویت شده است و تمام ستونهای سازه با یکدیگر در باربری مشارکت دارند.
