سیستم لولهای، در احداث سازههای مرتفع
در طرح سازههای بلند ایده جدیدی ارائه شده که موسوم به سیستم لولهای است. بازده سازهای سیستمهای لولهای به قدری زیاد است که در اکثر موارد مقدار مصالح مصرف شده برای سازه در هر متر مربع، نصف مقدار مصالح مصرف شده در ساختمانهای قابی با ارتفاع مشابه است.
در طرح لولهای فرض میشود که عناصر سازهای پیرامون ساختمان در مقابل بارهای جانبی همچون یک تیر با مقطع صندوقهای عمل کند. فرض میشود که این تیر به صورت طرهای که از زمین خارج میشود اجرا شده است. در این سیستم چون دیوارهای خارجی تمام یا بیشتر بار جانبی را تحمل میکنند، مهار بندیهای قطری یا دیوارهای برشی داخلی حذف میشوند.
دیوارهای لوله از ستونهایی تشکیل میشوند که به فواصل کم در مجاورت یکدیگر در اطراف محیط ساختمان قرار میگیرند و با تیرهای با عمق زیاد به یکدیگر متصل میشوند. این سازه نمایی همچون دیواری با سوراخهای متعدد به نظر میرسد. سختی دیوار نما را میتوان با افزودن مهار بندیهای مورب (قطری) که اثر خر پا مانند ایجاد میکنند افزایش داد. صلبیت لوله چنان زیاد است که در مقابل بارهای جانبی به صورت یک تیر طرهای عمل میکند. لوله خارجی میتواند به تنهایی تمام بارهای جانبی را تحمل کند.
سیستم لولهای دارای چنان قابلیتی است که در بسیاری از موارد، مقدار مصالح سازهای مورد استفاده در این سیستم به نسبت ساختمانهای با سیستم قاب مدولار، به نصف تقلیل مییابد.
خصوصیات سیستم لولهای
سیستم قابهای خمشی برای ساختمانهای بلند مرتبه گزینه مناسبی نیست زیرا تامین سختی جانبی مورد نیاز چنین ساختمانهایی تقریبا غیر ممکن است. اولین بار ایده سیستم لولهای با استفاده از یکپارچه کردن عملکرد دیوارهای پیرامونی ساختمان مطرح شد. در حال حاضر اغلب ساختمانهای بیشتر از ۴۰ طبقه با بکارگیری گونهای از سیستمهای لولهای ساخته میشود.
ماهیت این سیستمها دارای سختی بسیار بالایی است که نسبت به سایر سیستمهای متداول دارای چندین مزیت است. سیستم لولهای از طرفی مقاومت و سختی سازه را بالا برده و از طرفی دیگر با کاهش چشمگیر مقدار وزن مصالح مصرفی، افزایش ارتفاع ساختمان را مقدور میسازد. سیستم لولهای از طریق حذف ستونهای میانی، باعث افزایش وسعت فضاهای داخلی شده. این سیستم همچنین با بکارگیری مصالح فولادی، بتنی و ترکیبی از آن دو نیز قابل اجرا میباشد. در ادامه انواع این سیستمها بصورت اجمالی معرفی میگردد.
یکی از سیستمهای مقاوم در ساختمانهای بلند سیستم لولهای است. به طور کلی این سیستم ترکیبی از ستونهای نزدیک به هم و تیرهای عمیق است که در محیط پیرامونی ساختمان قرار گرفتهاند. رفتار سیستم لولهای تحت اثر بارهای جانبی مانند خمش یک طره توخالی است که در اثر آن تارهای سمت مخالف نیروهای جانبی کوتاه شده و تارهای سمت نیروی جانبی طویل میشود. این سیستم سختی جانبی و مقاومت پیچشی بالایی دارد ولی به علت توزیع غیر یکنواخت نیرو در ستونهای بال (عمود بر بار جانبی) لنگی برش خواهد داشت. اثرات لنگی برشی در لولههای قابی، استفاده از حداکثر ظرفیت سختی و مقاومت سازه را محدود کرده و لنگر مقاوم و صلبیت خمشی را کاهش میدهد.
معایب سیستم لولهای
سیستم قاب لوله شامل ستونهایی به فواصل ۲ تا ۴ متر هستند که توسط شاهتیرهایی عمیق به یکدیگر متصل میشوند. به دلیل تشابه عملکرد سازههای لولهای به تیر طره این سازهها را به تیر طره با اثر بالای المانهای بال سازه در رفتار سازه تشبیه میکنند. یکی از مشکلات اصلی سازههای لولهای (لوله در لوله) توزیع غیر یکنواخت نیروی محوری بین ستونها هنگام اعمال نیروی جانبی به سازه است. این پدیده لنگی برش نامیده میشود که به صورت لنگی برش مثبت و منفی در سازههای قاب لوله اتفاق میافتد. سیستم سازهای لوله در لوله تشکیل شده است از یک لوله خارجی و یک لوله داخلی (هسته) که به یکدیگر متصل شدهاند و با هدف نشان دادن عکس العمل هماهنگ بین قاب خارجی و قاب داخلی طراحی میشوند. در طراحی این سیستم لوله خارجی معمولاً عریض در نظر گرفته میشود و وظیفه تحمل بارهای جانبی را بر عهده دارد. به بیان دیگر هسته داخلی باریک بوده و وظیفه تحمل بارهای برشی ناشی از بار جانبی را بر عهده دارد. کاربرد این سیستم در مواردی است که بازشوهای بزرگ در قاب خارجی داشته باشیم. در این سیستم سقف صلب سازه نیروهای برشی جانبی را به قاب یا هسته داخلی منتقل میکند. هسته داخلی میتواند مجموعهای از تیر و ستون با بتن مسلح و یا دیوارهای برشی باشد که جایگاه قرارگیری آسانسور، پله و تاسیسات یک سازه است.
کاربرد سیستم لولهای
یکنواختی این سیستم سازهای امکان استفاده از روشهای پیشرفته در ساخت و ساز را فراهم آورده است. در سازههای فولادی، قابهای محیطی را میتوان به صورت قطعات بزرگ در کارخانه ساخت و پس از حمل به محل، به یکدیگر وصل نمود. در سازههای بتن آرمه نیز استفاده از قالبهای لغزنده، سرعت اجرا را افزایش میدهد. از آنجا که ستونهای نزدیک به هم در این سیستم باعث میشود که در طبقات پایین، فضاهای عمومی بزرگی در دسترس نباشد. برای رفع این مشکل از شاهتیرهای انتقالی برای جمع کردن بارهای قائم استفاده میکنند. با استفاده از این شاهتیرها، در پای سازه تعداد ستونها کاهش یافته و فاصله آنها افزایش مییابد و به این وسیله مشکل دسترسی به فضاهای بزرگ حل میشود.
تحمل تمامی بارهای جانبی توسط قابهای محیطی باعث ایجاد فضاهای داخلی بیشتر شده و از نظر معماری داخلی، آزادی عمل بیشتری بوجود میآید. به عنوان مثال یک هسته مرکزی با دهانه بزرگ بین قاب محیطی و هسته، فضاهای باز بسیار بزرگی ایجاد خواهند کرد که برای ساختمانهای اداری و تجاری بسیار مفید خواهد بود.
پدیده لنگی برشی در سیستم لولهای
پدیده لنگی برشی در سازههای با سیستم لولهای در اثر تغییر مکان قائم ناهمگون ستونهای واقع بر بال سازه بوجود میآید. هر ستون داخلی نسبت به ستون خارجی سمت خود، تغییر شکل و تنش کمتری خواهد داشت. چون لنگر اعمالی خارجی باید توسط کوپل داخلی ناشی از نیروهای کششی و فشاری دو سمت مخالف محور خنثی ساختمان تحمل شود، تنشهای ستونهای گوشهای بیشتر از تنشهای ناشی از رفتار خالص لولهای خواهد بود و تنشهای ستونهای میانی کمتر از آن است و توزیع تنش محوری از حالت خطی (ایده آل) دور میشود.
هر چند سازه لولهای، قوطی مانند است اما رفتاری بسیار پیچیدهتر از رفتار یک قوطی ساده بدون سوراخ دارد و سختی آن نیز بسیار کمتر است. زمانی که سازه در اثر نیروهای جانبی تحت خمش قرار میگیرد، مود اولیه رفتاری آن مشابه رفتار قوطی طره قائم بوده و ستونهای دو وجه مخالف محور خنثی، به صورت کششی و فشاری عمل میکنند. علاوه بر آن، قابهای موازی که در برابر بار جانبی مقاومت میکنند، شبیه یک قاب صلب تحت تاثیر خمش در صفحه و رفتار برشی قرار میگیرند. از طرفی انعطاف پذیری تیرهای کناری باعث ایجاد لنگی برش و افزایش تنش در ستونهای گوشهای میشود که این امر نیز منجر به کاهش تنش در ستونهای میان پانلهای بال و جان میشود، در نهایت تمامی این اثرات رفتار اولیه این سیستم را پیچیده تر میسازد.
این نوع رفتار ممکن است در هنگام عملکرد سازه در برابر نیروهای جانبی مزیت به شمار آید. شایان ذکر است که مقاومت اولیه سازه نیز توسط پانلهای جان تامین میشود.
توزیع تنش در پدیده لنگی برشی
هر ستون داخلی نسبت به ستون خارجی سمت خود، تغییر شکل و تنش کمتری خواهد داشت. در سیستم لولهای لنگر اعمالی خارجی باید توسط کوپل داخلی ناشی از نیروهای کششی و فشاری دو سمت مخالف محور خنثی تحمل شود. تنشهای ستونهای گوشهای بیشتر از تنشهای ناشی از رفتار خالص لولهای خواهد بود و تنشهای ستونهای میانی کمتر از آن است.
به دلیل اینکه توزیع تنش در ستونها کم اثرتر از حالت لولهای خالص است، لنگر مقاوم و صلبیت خمشی سیستم کاهش مییابد. بنابراین گرچه یک قاب محیطی مهاربندی نشده یک فرم سازهای بسیار موثر برای ساختمان بلند است ولی اثرات لنگی برش در قابهای محیطی، استفاده از حداکثر ظرفیت سختی و مقاومت سازه را محدود میسازد. به دلیل مسطح باقی نماندن سطوح مقطع سازه پس از ایجاد لنگی برش، تاوههای کف تحت اثر خمش قرار میگیرند. در نتیجه، جداکنندههای داخلی و اجزای درجه دوم سازهای تغییر شکل خواهند یافت و این تغییر شکلها در ارتفاع ساختمان با یکدیگر جمع شده و مقدار قابل ملاحظهای را تشکیل خواهند داد. بنابراین برای طرح مناسب و قابل قبول، لازم است که رفتار سازهای سیستم به دقت مطالعه و شناخته شود.
تحلیل سازههای لولهای
در تحلیل معمولاً فرض میشود که سختی تاوههای کف به اندازهای زیاد است که به صورت دیافراگمهای صلب عمل میکنند. در نتیجه شکل سطوح مقاطع در هر طبقه تغییر نکرده و فقط تغییر مکانی مانند جسم صلب خواهند داشت. بنابراین میتوان تمامی تغییر مکانهای افقی را بر حسب دو انتقال متعامد و یک چرخش تعریف نمود. علاوه بر موارد ذکر شده، فرض میشود که سختی خارج از صفحه تاوههای کف به اندازهای کم است که قادر به تحمل خمش یا چرخش نخواهند بود. فرض میشود که سیستم کف قادر به اعمال کوپل بین قابهای عمود بر جهت بارگذاری جانبی که به عنوان بالهای قابهای کناری در نظر گرفته میشوند، نیست. بنابراین قابهای کناری و قابهای عمود بر آنها تحت اثر نیروهای صفحهای زیادی قرار میگیرند ولی نیروهای خارج از صفحه قابل چشم پوشی هستند. هنگامی که ساختمان تحت اثر نیروهای جانبی قرار میگیرد، عمل اصلی سیستم کف، انتقال نیروهای افقی به اجزای سازهای قائم است. چون سیستم کف به طریق دیگری در تحمل بارهای جانبی سازه دخالت ندارد و با در نظر گرفتن این که بارگذاری طبقات در ارتفاع ثابت است، طراحی و اجرای تکراری طبقات بازدهی اقتصادی خواهد داشت.
انواع سیستمهای لولهای
سیستمهای باربر لولهای را در انواع قاببندی لولهای، خرپای لولهای و لولهای بسته تعریف میشود.
سیستم باربر جانبی قاببندی لولهای (Framed Tube)
این سیستم بصورت قابهای فضایی از ترکیب سه، چهار یا چند قاب صفحهای به حالت خمشی، بادبندی یا دیوار برشی به یکدیگر هستند که فرم یک استوانه عمودی را ایجاد میکند. بدین صورت سیستم عملکردی طرهای در تمامی جهات در برابر بارهای جانبی ایجاد خواهد شد. در این سیستم ستونها پیرامونی به هم نزدیکتر شده و توسط تیرهای عمیق اسپندرال با اتصال گیردار به هم مرتبط میشود. همچنین فاصله بین قابهای خارجی و داخلی ساختمان توسط تیرهای خرپایی یا عمیق پوشش داده میشود که این عمل منتج به بینیازی سازه به ستونهای داخلی شده و همچنین هسته ساختمان توسط بادبند یا دیوار برشی اشغال نمیشود.
سایر فضاهای بین ستونهای پیرامونی به پنجرهها اختصاص مییابد. در این سیستم قابهای داخلی که تنها وظیفه انتقال بارهای ثقلی را دارند، با پیوند به سیستم لولهای و نگه داشتن آن، مانع از واژگونی کل ساختمان میشود.
سیستم باربر جانبی خرپای لولهای (Trussed Tube)
در این سیستم نیز به واسطه المانهای ضربدری که ستونهای پیرامونی ساختمان را مانند کمربند محصور نموده، تمام نیروی جانبی به ستونهای پیرامونی انتقال یافته که موجب کاهش تعداد و مقطع ستونهای داخلی میشود. استفاده از چنین سیستمی برای اولین بار در طراحی برج جان هنکاک بکار گرفته شد. جالب اینجاست که نمای ایجاد شده توسط این سیستم با المانهای غولآسای خود همواره مورد تمجید معماران دنیا قرار گرفته است.
سیستم باربر جانبی بسته لولهای (Bundle Tube)
یک دیگر از جالبترین و موثرترین سیستمهای لولهای که توسط رحمان خان معرفی شد، سیستم بسته لولهای بوده که در طرح و اجرای برج سییرز بکار گرفته شده است. در این نوع سیستم دیگر لازم نیست که سیستم لولهای، جعبهای شکل باشد بلکه در این حالت چندین سیستم لولهای با اشکال متفاوت میتوانند با هم ترکیب شوند.