سيستم های سازه ای ساختمانهای بلند

1. سيستم های سازه ای ساختمانهایبلند

2. سرفصل ها : 1-آشنايي با سيستم سازه اي لوله اي(Tubular and Tube in Tube) 2-آشنايي با سيستم سازه اي با خرپاي كمربندي 3-آشنايي با اندركنش سيستم هاي خمشي با ديوار برشي و يا مهاربندي 4-آشنايي با سيستم هاي خمشي فولادي همراه با ديوار برشي 5-آشنايي با سيستم هاي سازه اي فولادي با مهاربندي بيروني 6-آشنايي با سيستم هاي سازه اي بلندمركب

3. فهرست مطالب معرفی و تاریخچه سازه های بلند ضوابط طرّاحی بارگذاری سیستم های سازه ای ساختمانهای بلند پایداری سازه های بلند اثرات خزش، آبرفتگی و حرارت

4. فهرست منابع • 1- آنالیز و طراحی سازه های بلند، برایان استفورد اسمیت، الکس کول، ترجمه دکتر حسن حاجی کاظمی • 2- سازه های ساختمان بلند، ولف گانگ شولر، دکتر حجت اللّه عادلی • 3- رفتار و طراحی سازه ای ساختمانهای بلند، دکتر فریبرز ناطقی الهی، مهندس رضا کاکاوند اسدی • 4 - سيستم های مقاومسازه ای درساختمانهای بلند، دکتر علیخیرالدين ، مهندس سيماآرامش

5. تاریخچه سازه های بلند • اصولاً ساختمانها را نمیتوان بر حسب ارتفاع یا تعداد طبقه دسته بندی کرد. بلندی خود یک حالت نسبی است و بلندی یک ساختمان بستگی به شرایط اجتماعی و تصورات فرد از محیط دارد. از نقطه نظر مهندسی هنگامی میتوان سازه را بلند نامید که ارتفاع آن باعث شود که نیروهایِ جانبی ناشی از باد و زلزله بر طرّاحی آن تاثیر قابل توجهی گذارند. ساخت ساختمانهای بلند ابتدا با هدف دفاع شروع و سپس جنبه های نمادی و کاربردی پیدا کرد. رشد و توسعه ساختمانهای بلند جدید در دهه هشتاد قرن نوزدهم با کاربرد تجاری و مسکونی شروع گردید. سازه های بلند به خاطر اینکه معمولاً از نظر ظاهری شاخص هستند، مدیریتهای تجاری از آن به عنوان وسیله تبلیغی نیز استفاده میکنند. افزایش سریع جمعیت شهری و محدودیت فضا نیز بر معماری سازه های مسکونی اثر گذاشته است. افزایش قیمت زمین، نیاز به محدود نمودن گسترش افقی شهرها و حفظ زمینهای کشاورزی از عواملی هستند که بر توسعه و ساخت سازه های بلند موثر بوده اند. ضمناً در بعضی از شهرها مانند هنگ کنگ و ریودوژانیرو بخاطر شرایط توپوگرافی منطقه ساخت سازه های بلند تنها راه حل تامین مسکن است.

6. عوامل موثر بر روند رشد، افزاش ارتفاع و فرم های سازه ای • کارائی و بازدهیِ سازه های بلند رابطۀ مستقیمی با مواد در دسترس، تکنولوژی ساخت و درجه پیشرفت و کارائی سرویسهای مربوطه دارد. با گسترش سریعِ ساختمانهایِ آجریِ بلند در اواخر قرن نوزدهم در سال 1891 مرتفع ترین ساختمانِ آجری با 16 طبقه در شهر شیکاگو ساخته شد. این ساختمان (مونادناک) که آخرین سازه بلند با مصالح سنگین میباشد در پائین ترین طبقه دارای دیوارهائی به ضخامتِ 2 متر است که این دیوارها فضای عمدۀ این طبقه را اشغال نموده اند.

7. رشد و توسعۀ ساخت سازه های بلند مدیون دو ابداع مهمی است که در اواسط قرن نوزده به نتیجه رسیده اند. و این دو ابداع مهم عبارتند از آسانسور و مواد با مقاومت و کارائی بالا نظیر آهن و فولاد. مواد جدید موجب شدند که اسکلت سازه ها سبکتر، ارتفاع آنها بلندتر، فضای داخلی آنها بازتر و پنجره ها و بازشوها بیشتر گردند. اولین سازه بلند با اسکلت فلزی ساختمان 11 طبقۀHome Insurance شیکاگو به سال ۱۸۸۴ بود.

8. روشهای پیشرفته طراحی و تکنولوژی ساخت باعث گردیدند که حداکثر ارتفاع سازه های فولادی به تدریج افزایش یافته و در سال 1913 ساختمانِ Woolworth با 60 طبقه در نیویورک اجرا شود.

9. روند رشد در این مرحله که به دوران طلائیِ آسمان خراش سازی معروف است، به سال 1931 با اجرای ساختمانِ 102 طبقۀ Empire State به اوج خود رسید(باارتفاع 381 متر ) • گرچه استفاده از بتن آرمه در اواخر قرن نوزده و شروع قرن بیستم متداول گردید، ولی به نظر نمیرسد تا قبل از پایانِ جنگ جهانی اول در سازه های بلند از آن استفاده شده باشد.در آن زمان هنوز خواص مواد مرکب (کامپوزیت) و قابلیتهای آن ناشناخته بود و سازه ها عمومافولادی بودند. در این دوره رشد و توسعه سازه های بتن آرمه بسیار کند و مقطعی بود و زمانی کهساختمان فلزی Empire Stateکامل گردید، بلندترین سازه بتنی، ساختمان ۲۳ طبقهExchange Buildingواقع در سیاتل آمریکا بود.

10. پس از جنگ جهانیِ دوم به جای تلاش در افزایشِ ارتفاع متخصصین به معرفی سیستمهای جدید سازه ای، مواد با کارائی و کیفیت بهتر و روشهایِ طراحی و ساخت پیشرفته تر پرداختند و با طی این روند در سال 1973 با استفاده از سیستم سازه ایِ قابهایِ محیطی (Framed Tube) برجهای 110 طبقهWorld trade Centerنیویورک به ارتفاع 412 متر ساخته شد.

11. با توجه به اینکه برجهای تجارت جهانی نزدیک به 40 سال بعد از از ساختمان امپایر استیت ساخته شدند، پیش بینی میشد مدت زمان زیادی رکورد دار بلندترین ساختمانهای دنیا باشند. امّا یک سال بعد یعنی در سال 1974 برج ِsears در شیکاگو با ارتفاعِ 442 متر این به تصور پایان داد.

12. Petronas Towers: برجهای دو قلو که در سال 1998 در کوآلالامپور مالزی به ارتفاعِ 452 متر ساخته شدند و رکورد بلندترین ساختمان دنیا را شکستند.

13. Taipei 101 : ساختمان با ارتفاعِ 508 متر که در تایوان و در شهر تایپه در سال 2004 ساخت آن به اتمام رسید.

14. در نهایت برجِ Burj Khalifaدر کشور امارات متحده با ارتفاع 828 متر مرتفع ترین ساختمان دنیا دنیا در حال حاضر است . این برج در سال 2010 به بهره برداری رسید.

15. نماسازی های خاص، بریدگی های معماری و عقب نشینی در طبقات بالا برای تامین نور از ویژگی های معماری مدرن است. نیاز به مقاومت و سختی در سازه ها با در نظر گرفتنِ موارد فوق باعث گردید که پیشرفت های اساسی در فرمهای سازه ای ایجاد شود و شکل جدیدی از قابها شاملِ قابهایِ مهاربندی شده، قابهایِ محیطی، سیستمهایِ قاب-دیوار و سازه هایِ با مهار کمربندی (Outrigger-Braced Structures) معرفی گردند. آخرین نسل از سازه های فوق مدرن و با شکل های متنوع و نامنظم تر پیوندِ دو و یا حتی سه سیستم از سیستم هایِ سازه ایِ مذکور هستند.

16. فصل2- ضوابط طّراحی • ساختمانهای بلند معمولاً برای استفاده های مسکونی، تجاری و یا گاهی ترکیبی از هر دو طراحی میشوند. در اکثر موارد معیار اولیه طراحی معماری آن است و فقط در مورد ساختمانهای بلند استثنائی سازه ساختمان و شرایط و محدودیت های مهندسی به عنوان معیار اولیه جایگزین معماری می شود. ضوابط اصلیِ سازه ای تامین مقاومت کافی در برابر انهدام، سختی جانبی و کارائی مناسب در طول عمرِ بهره برداریِ ساختمان است. بسیاری از ضوابط سازه ای برای ساختمان های بلند و کوتاه مشترک است، لذا در اینجا برای پرهیز از تکرار مطالب، به موارد خاصی اشاره می شود که لازم است در طراحی ساختمان های بلند در نظر گرفته شود.

17. 2- 1 مقاومت و پایداری • هدف اوّلیه طرّاحی در حدّ نهایی مقاومت این است که سازه در اثر بحرانی ترین حالتِ بارگذاری ممکن در عمر مفید خود و بارهای اجرائی دوره ساخت، مقاومت کافی داشته باشد و پایدار بماند. برای این منظور لازم است که نیروها و تنشهای ایجاد شده در اجزای سازه در اثر بحرانی ترین ترکیب بارها، شامل لنگرهای اضافیِ ناشی از تغییر مکانهای درجه دوم (اثراتِP-∆) آنالیز گردند. تنشهای اضافیِ ناشی از نشست نسبی، خزش، آبرفتگی و یا حرارت نیز باید در آنالیز وارد گردد. علاوه بر موارد فوق باید شرایط بنیادیِ تعادل نیز کنترل شود. با لنگرگیری حول لبه پی، لنگر مقاوم ناشی از بار مرده وزن ساختمان باید با اعمال ضرائب ایمنی، بزرگتر از لنگر واژگونی باشد.

18. 2- 2 محدودیت­های سختی و جابجائی • تامینِ سختی مناسب و بخصوص سختیِ جانبی سازه، به دلایل بسیار مهمی از عوامل اساسی طراحی ساختمانهای بلند است. در حد نهائی مقاومت، تغییرشکل های جانبی باید به طریقی محدود گردند که اثرات ثانویه ناشی از بارگذاری قائم (اثراتِP-∆) باعث شکست و انهدام سازه نگردند. در حد بهره برداری، اولاً تغییرشکلها باید به مقادیری محدود شوند که اعضای غیرسازه ای نظیر درها و آسانسورها به خوبی عمل نمایند، ثانیاً باید برای جلوگیری از ترک خوردگی و افت سختی از ازدیاد و تشدید تنش در سازه ها جلوگیری نمود و از توزیع بار بر روی اعضای غیر سازه ای نظیر میان قابها و یا نماها خودداری کرد. ثالثاً سختی سازه باید به اندازه ای باشد که حرکت های دینامیکی آن محدود شده و باعث اختلال ایمنی و آرامش استفاده کنندگان و ایجاد مشکل در تاسیسات ساختمان نگردند.

19. 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 بوسیله آن می توان سختیِ جانبی یک ساختمان را تخمین زد، شاخص جابجائی است. شاخص جابجائی، نسبت تغییرمکان ماکزیمم در بالای ساختمان به ارتفاع آن می باشد. برای شاخص جابجائی مقادیری نظیر یک پانصدم پیشنهاد شده است. از آنجا که در سازه های جدید، میان­قابهای داخلی و خارجی سخت که در سازه های بلند قدیمی به کار می رفتند، وجود ندارند، کنترل تغییرمکان جانبی از اهمیّت زیادی برخوردار است. چنانچه جابجائی سازه بیش از حد باشد، می­توان با اعمال تغییراتی در شکلِ هندسیِ سازه و در نتیجه تغییر مود مقاومت در برابر بارهای جانبی، افزایش سختی خمشی اعضای افقی، افزایش سختی با استفاده از دیوارهای ضخیم تر و یا اعضای هسته ای، سخت تر کردن گره ها و یا حتی با شیب دادن ستون های خارجی جابجائی را کاهش داد. در شرایط بحرانی گاهی از میراگرهای محرک و مقاوم نیز برای کاهش جابجائی استفاده می کنند.

20. 2- 3 معیّار آسایش • در یک سازه بلند در اثر تغییرمکان های جانبی ناشی از باد، حرکت تناوبی ایجاد شده باعث احساس ناراحتیِ استفاده کنندگان سازه خواهد شد. معمولاً شتاب به عنوان عامل اصلی و تعیین کننده پاسخ انسان به ارتعاش در نظر گرفته می شود. منحنی های حد رفتاری انسان بر حسب شتاب و تواتر در دسترس می­باشد. بنابراین برای مقایسه پاسخ سازه با منحنی هایِ حد رفتاری، نیاز به یک آنالیز دینامیکی است.

21. 2- 4 خزش، آبرفتگی و اثرات حرارت • در ساختمان­های بتنی بلند، ممکن است مجموع تغییرمکان­های ناشی از خزش و آبرفتگی بخصوص در قسمت­های بالای ساختمان، تنش­هائی در اعضای غیرسازه­ای ایجاد نموده و به اعضای سازه­ای افقی نیروهای قابل توجهی اعمال کند. برای تعیین این تغییرشکل­های بلند مدت باید اثراتِ عوامل مهم متعددی نظیر خواص بتن، تاریخچه بارگذاری و عمر بتن در مرحله اعمال بار، نسبت حجم به سطح بتن و میزانِ فولادِ مورد نظر در محاسبات دخالت داده شوند. سپس می­توان نیروهای ایجاد شده در اعضای افقی را که ناشی از تغییر شکل­های نسبیِ قائم تکیه­گاهها می­باشند را تخمین زد. با توزیع یکنواخت تنش­ها در اعضای قائم، تا حدود زیادی می­توان جابجائی­های نسبیِ قائم ناشی از خزش را کاهش داد.

22. 2- 5 ملاحظات حفاظت در برابر آتش سوزی • در ساختمانهای بلند به دو دلیل اساسی آتش سوزی یکی از ملاحظات مهم میباشد. اولاً چون اکثر طبقات ساختمان بوسیله نردبانهای ماشینهای آتش نشانی قابل دسترسی نمیباشند، عملیات خاموش کردن آتش و نجات افراد فقط از داخل ساختمان امکان پذیر است. ثانیاً تخلیه اضطراری کامل در مدت زمان کوتاهی عملی نمیباشد. • در یک آتش سوزی گرمای سوزاننده در مقایسه با دود و گازهای سمی حاصله که باعث بیشتر تلفات میگردد خط کمتری ایجاد میکند. از این رو بر طبق مقررات حفاظت در برابر آتش سوزی، ساختمان باید چنان طرح شود که موارد زیر تامین شود:

23. 1- تمامیت سازه ای برای مدت زمان معینی با استفاده از مصالح غیر قابل احتراق که نخواهند سوخت و دود نخواهند کرد. • با داشتن اطلاعات کافی در باره تغییراتِ درجه حرارت در داخل عضو و میزان مقاومت و تحمل تکیه گاهها و سازه های مجاور، تنش های ایجاد شده در اعضاء قابل آنالیز است. با افزایش درجه حرارت، خواص مکانیکی مواد سازه ای نظیر مدول الاستیسیته، سختی و مقاومت آنها به سرعت کاهش یافته و قابلیتِ تحملِ بار سازه کم می­شود. به عنوان مثال تنش جاری شدن فولاد نرم در حرارتِ 700 درجه سانتیگراد حدود 10 تا 20 درصد تنش جاری شدن در درجه حرارت معمولی است، این میزان تغییر درجه حرارت، مدول الاستیسیته فولاد را حدود 40% تا 50% کاهش می دهد. درجه حرارتی که موجب تغییرمکان های زیاد و یا انهدام می گردد به موارد مورد استفاده، نوع سازه و بارگذاری بستگی دارد.

24. 2- محدود کردن آتش، جلوگیری از گسترش آن به بعضی مناطق حساس ساختمان. • 3- دستگاههای خروجی کافی. • 4- دستگاههای موثر کشف دود و آتش. • 5- آبفشانها (شیرهای خودکاری که در مواقع آتش سوزی بوسیله ذوب مهره ای باز شده و آب به بیرون می پاشد) و وسایل لازم برای تهویه دود و گرما.

25. 2- 6 نشست پی

26. فصل 3- بارگذاری • بارگذاری در سازه های بلند به دلیل طبقات زیاد، افزایش اثرات باد و اهمیتِ بیشترِ اثرات دینامیکی با سازه های کوتاه متفاوت است. مجموع بارهای قائم طبقات، نیروهای بسیار زیادی را بر ستونها اعمال میکند. بار باد بر سازه بلند نه تنها بر سطح بزرگتری نسبت به سازه کوتاه اثر میکند، بلکه در ارتفاع با شدت بیشتر و بازوی لنگرِ بزرگتری بر سازه تاثیر میگذارد. بار باد در طراحیِ سازه های کوتاه عامل تعیین کننده ای نیست ولی در سازه های بلند میتواند در طراحی و فرم سازه نقش بسیار مهم و اساسی داشته باشد. در حالتهای خاصی که سازه بسیار لاغر و انعطاف پذیر است، علاوه بر نیروهای داخلی، حرکاتِ سازه نیز باید در تعیینِ اثرات باد محاسبه گردند. • در مناطقِ زلزله خیز ممکن است نیروهای ناشی از حرکات زمین از بارهای ناشی از باد بسیار بیشتر شوند و در نتیجه بارهایِ زلزله تعیین کننده فرم، طرح و هزینه سازه خواهند شد. از نظر رفتارِ داخلی سازه پاسخِ دینامیکیِ ساختمان نقش مهمیِ در نحوه اثر و کمیِت بارهایِ موثر بر سازه خواهد داشت.

27. 3-1 بارگذاری قائم • بارهایِ قائمی که توسطِ تیرها و تاوه های سازه های بلند تحمل میشوند متفاوت با بارهای مربوط به سازه های کوتاه نیستند، ولی مجموع بارهای اعمالی بر ستونها و دیوارهای سازه های بلند، بسیار بیشتر از بارهایِ نظیر در سازه های کوتاه است. • بار مرده در سازه های کوتاه با استفاده از وزن مخصوص اعضای طراحی شده، محاسبه میشود. اختلاف بین اندازه های طراحی و اندازه های حقیقی و وزنهای تخمینی با مقادیر واقعی تاثیر ناچیزی بر دقت محاسبه دارد.

28. 3-1-1 بارهایِ قائم ضربه ای • بارهای قائم ضربه ای بارهای زندۀ قائمی هستند که در هنگام شتاب گیری آسانسور به طرف بالا و یا ترمز آن در حرکت به طرف پائین ظاهر میشود. معمولاً در طراحی، افزایش باری معادل 100% بار استاتیکی آسانسور برای اطمینان از رفتار مناسبِ اعضایِ باربرِ مربوط به آن در نظر گرفته میشود.

29. 3-1-2 بارهایِ اجرائی • اجزاء سازه ای بطور کلی برای بارهای مرده و زنده طرح میشوند. اما یک قطعه سازه ممکن است در موقع اجرای ساختمان تحت بارهایی خیلی بیشتر از بارهای طرح قرار گیرد. اینگونه بارهای که موسوم به بارهای اجرائی هستند قسمت مهمی را در طرح اجزاء سازه تشکیل میدهند. به عنوان مثال پیمان کاران معمولاً مصالح و وسائل سنگین را روی سطح کوچکی از سازه انباشته میکنند. این عمل ایجاد بارهای متمرکزی میکند که خیلی بیشتر از بارهای زنده فرض شده برای سازه طرح شده میباشد. در چنین شرایطی شکست سازه ها نتیجه شده است. مثال دیگر در اجرای سازه های بتنی هنگامی است که پیمانکار پایههای تقویتی و قالب بندی را قبل از اتمام مدت کافی برای عمل آمدن بتن بر می دارد. در چنین صورتی جزئی از سازه ممکن است تحت اثر بارهائی قرار بگیرد که قادر به تحمل آنها نباشد و شکست حاصل شود. • هر پیمانکار در طول زمان روش اجرائی را توسعه می دهد که برای خودش اقتصادی بودنش ثابت شده است. هرچند که مهندس معمار ممکن است به دلیل عدم آشنائی با روش های اجرائی پیمانکار، ساختمان را طوری طراحی کند که برای یک روش اجرائی معینی مناسب باشد.

30. 3-2 بارگذاری باد • بارگذاریِ جانبیِ ناشی از باد مهمترین عامل تفاوتِ بین طراحی ساختمانهای بلند و ساختمان های متوسط و کوتاه است. طراحی ساختمانهای تا 10 طبقه و با شکل هندسی متعارف به ندرت متاثر از اثرات بارهایِ باد خواهند بود. در ساختمانهای بیش از 10 طبقه به دلیل افزایشِ ابعاد مقاطع اعضا و نیاز احتمالی به اعضایی اضافی برای مقابله با بار باد، اضافه هزینه ای که با تعداد طبقات به صورت تصاعدی افزایش می یابند، خواهیم داشت.

31. با ابداعات جدید معماری، افزایش مقاومت مواد و پیشرفته تر شدنِ روشهای آنالیز، سازه های بلند، سبکتر و کاراتر شده اند. در نتیجه قابلیت بیشتری در تغییرشکل و جابجائیِ ناشی از باد از خود نشان میدهند. این امر باعث گردیده که تحقیقات در این زمینه شتاب بیشتری یافته و پیشرفتهای قابل توجهی در شناخت طبیعت بار باد حاصل شود و روشهائی برای تخمین کمیت آن نیز معرفی گردد. روشهای کاربردی و تئوری ها عموماً در ارتباط با تعیین مقدار افزایش بار باد در اثر وزشهای ناگهانی(gust) و اثرات دینامیکیِ آن بر سازه میباشند. • در ادامه بعضی از روشهای آئین نامه ای به ویژه آئین نامه های پیشرفته ای که بار وزشهایِ ناگهانی باد را در نظر میگیرند معرفی میشوند:

32. اولین روش، روش استاتیکی است. که در آن فرض میشود ساختمان در برابر باد به صورت جسم صلب گیردار عمل میکند. روش استاتیکی برای طراحیِ ساختمانهای بلند متعارف و بدون شرایط خاص در ارتفاع، لاغری و یا ارتعاش در اثرِ باد قابل استفاده است. • روش دیگر روشِ دینامیکی است. که در سازه هایی با شرایط ویژه از نظر ارتفاع و لاغری و با قابلیت ارتعاش در اثر باد کاربرد دارد. این نوع سازه های ویژه، در آئین نامهUBC (Uniform Building Code) به سازه هائی اطلاق میشود که ارتفاع آنها از 123 متر (400 فوت) و یا 5 برابرِ عرض سازه بیشتر باشد (در مقرراتِ ملی ساختمان ایران، مبحث ششم، این محدودیت 120 متر و همان نسبت ارتفاع به عرض 5 است) و یا اینکه در مقابلِ نوساناتِ ناشی از باد حساس باشند. این ساختمانهای ویژه را به طریق پیشرفته تر، علاوه بر در نظر گرفتن نسبتِ ابعاد با معیار فرکانس طبیعی و میرایی سازه نیز تعریف کرد. • در روش استاتیکی آئین نامه ایران مشابه آئین نامه UBC است با این تفاوت که ضریب اهمیت ساختمان حذف شده است. ضریب اهمیت ساختمان در آئین نامه UBC برای ساختمانهای حساس و موردنیاز بعد از حوادث برابرِ 1/5و در سایر ساختمانها برابرِ 1 است.

33. 3-2-1 روش دینامیکی • چنانچه ساختمان بسیار لاغر و یا بلند باشد و یا اگر در شرایط محیطی بسیار بحرانی قرار گرفته باشد، ممکن است در اثر تقابل دینامیکیِ حرکت ساختمان و وزش ناگهانی باد، بار موثر بر ساختمان افزایش یابد. اگر بتوان هزینه های لازم را تامین کرد بهترین روش برای اثرات فوق آزمایشِ تونل باد است که در آن خواص هندسی، فیزیکی و محیط اطراف ساختمان مدل سازه میشود. در ساختمانهائی که دارایِ موقعیتِ چندان بحرانی نیستند که احتیاج به آزمایشِ تونل باد داشته باشند و ضمناً روشهای سادۀ طراحی هم برای آنها کافی نیست، از روشهایِ دینامیکیِ دیگری برای محاسبه بار باد استفاده میکنند.

34. روش آنالیز دقیق • آزمایش تونل باد بسیار تخصصی، پیچیده و پر هزینه است و از آن فقط میتوان در پروژه های بسیار بزرگ استفاده نمود. در ساختمانهائی که نه چنان ساده هستند که بتوان با روشهای معمولی بار باد آنها را آنالیز کرد و نه آن چنان پر اهمیتند که نیاز به آزمایشِ تونل باد داشته باشند، برای محاسبه بار دینامیکی میتوان از روش های آنالیزِ دقیق استفاده نمود. روش نمونه زیر بر اساسِ کارِ Devenport است که هم اکنون در آئین نامه ملیِ ساختمان کانادا NBCC از آن استفاده میشود. در آئین نامه مزبور، فشار خارجی یا مکشِP بر روی سطح ساختمان از رابطه زیر بدست می آید:

35. ضریب موقعیت یا باد دیدگی است و تابعی از ناهمواری محیط اطراف میباشد. سه نوع موقعیت در آئین نامه تعریف شده است: فضای باز با حداقل موانع، فضاهای نیمه باز و کم مانع مانند اماکنِ حومه شهر و جنگلی و فضاهای پر مانع با ساختمانهای بلند متعدد که حداقل 50% ساختمانها بیش از 4 طبقه باشند. رابطه ای نیز برای تعیین در سه موقعیتِ فوق آمده است که بر حسب توانی از ارتفاع میباشد.

36. ضریب اثرات وزش ناگهانی و یا ضریب تند باد است که نسبت اثراتِ بار ماکزیمم به بار متوسط میباشد. در آئین نامه کمیتِ به شکل روابط و نمودار ارائه شده که استفاده از آنها ساده میباشد. ولی تشریح آنها در این محدوده کار ساده ای نیست. به طور خلاصه این روابط و نمودارها مبین اثر باد بر حسب تقابل بین سرعت باد و پاسخ دینامیکی مد اول سازه، که تابعی از فرکانس طبیعی و میرائی است، مبیاشند.

37. ضریب میانگینِ ضریب فشارِ خارجی رویِ سطحِ مورد نظر است. کمیت آن تابعی از شکل ساختمان، جهتِ باد و سرعت باد است که معمولاً از آزمایشهایِ تونل باد بر روی مدلهایِ با مقیاس کوچک تعیین میگردد. • جزئیات روش فوق در آئین نامه ملیِ ساختمان کانادا و ضمیمه آن آورده شده است. روش مشابهی نیز توسط Simiu ارائه شده که مدعی است بار باد را محافظه کارانه تخمین زده ولی مقدار آن بسیار کمتر از مقادیر بدست آمده از روشِ NBCC میباشد. • روش آنالیز دینامیکی بار باد در آئین نامه بارگذاری ایران مشابه روشآئین نامه NBCC میباشد.

38. فصل 4- سیستم های سازه ای ساختمانهای بلند • از دیدگاه یک مهندس سازه، بهترین فرم سازه ای، انتخابی است که در آن اعضای اصلی ترکیبهای مختلف بارهای قائم و افقی را به صورت بهینه تحمّل نمایند. ولی در عمل معمولاً ملاحظات غیر سازه ای، تاثیرات بسیار مهمی در انتخاب فرم سازه دارند و ممکن است تعیین کننده باشند. از عوامل مهمی که باید در تصمیم گیری فرم سازه دخالت داده شوند، پلان داخلی، مواد، روش اجرا، معماری و شکل خارجی ساختمان، موقعیت و مسیر سیستمهای تاسیساتی و سرویس، نوع و مقدار بار جانبی و ارتفاع ساختمان میباشند. هرچه ساختمان بلندتر و لاغرتر باشد، عوامل سازه ای از درجه اهمیّت بیشتری برخوردار میگردند، و متعاقباً نیاز به انتخاب فرم سازه ای نیز بیشتر میشود.

39. یکی از مهمترین عوامل موثر بر فرم سازه، کاربری ساختمان است. ساختمانهای تجاری – اداریِ جدید نیاز به فضاهای باز بزرگ دارند تا بر حسبِ سلیقه استفاده کنندگان توسط پانلهای سبک تقسیم بندی و فضاسازی شوند. لذا اعضایِ قائم اصلی سازه ای باید تا حد امکان دور از هم، در محیط ساختمان و در اطراف آسانسورها، پله ها و عبورگاههای سرویس قرار گیرند. شکل (4-2) شکل(4-3)

40. تاسیسات در ساختمانهای بلند در زیر کفها و روی سقف کاذب، به صورت افقی توزیع میگردند. فضاهای اضافی مورد نیاز برای این تاسیسات، ارتفاع طبقاتِ این نوع ساختمانها را تا 3/5متر یا بیشتر خواهد کرد. • در ساختمانهای مسکونی و هتلها معمولاً فضا سازی های داخلی به صورت دائم بوده و در طبقات تکرار می­شوند. در نتیجه ستونها و دیوارها در تمام پلان و در محدوده تیغه بندیها جایگزین میگردند. تاسیسات در این ساختمانها میتوانند به صورت قائم در کنار دیوارها، ستونها و یا عبورگاههای ویژه به طریقی قرار گیرند که نزدیکترین فاصله را به محل مورد نیاز داشته باشند و یا از بالای سقف کاذب راهروها به محل دلخواه هدایت شوند. لذا به جز در راهروها احتیاجی به سقف کاذب نخواهد بود. ارتفاع طبقات در این نوع ساختمان حدود 2/7متر خواهد شد. بنابراین یک ساختمان 40 طبقه مسکونی بسیار کوتاه تر از یک ساختمان 40 طبقه تجاری – اداری است. • علاوه بر عوامل غیرسازه ایِ موثر در انتخاب فرم سازه، از اهداف مهم و اصولی در انتخابِ فرم سازه­ای، قابلیتِ تحملِ بارهایِ قائمِ زنده و مرده، بارهایِ جانبی، لنگر و پیچش در همه ترازها با مقاومت و سختی مناسب میباشد. بدیهی است که اهداف فوق باید تا حد امکان به صورت ارزان و اقتصادی برآورده شود. • در فرمِ سازه ای انتخابی میتوان با جایگزینیِ اعضای قائم در نقاط مناسب، تنشهای فشاریِ ناشی از بار مرده را بر تنشهای کششیِ ناشی از بارهایِ جانبی حاکم و از ایجاد کشش در اعضای قائم و پی ها جلوگیری کرد.

42. سازه­هایِ بلند بتن آرمه تقریباً دو دهه پس از اولین ساختمانهای بلند فلزی مطرح گردیدند. قابل ذکر است که ساختمانهای بتنی اولیه از نظر فرم سازه­ای متاثر از سازه های مشابه فولادی و دارای اسکلتی شامل ستونها و شاهتیرها بودند،. با این تفاوت که به علت صلب بودن قابها، بدون مهاربند قطری نیز در برابر بارهایِ جانبی مقاومت میکردند. در مرحله بعد با معرفی تاوه­های تخت و قارچی و ترکیب آنها در قابهای خمشی تا اواخر دهه 1940 این نوع فرم سازه­ای، در ساختمانهای بلندِ بتن آرمه متداول گردید. • با معرفی دیوارهایِ برشی مقاوم در برابر بارهای افقی، گام مهمی در تکاملِ فرم ساز­ه­ای ساختمانهای بلندِ بتن آرمه برداشته شد. این اولین گام از سری تحولات در فرمهای سازه­ای بتنی بود که محدودیتِ 20 تا 25 طبقه مربوط به سیستمِ قابهایِ صلب و تاوه­های تخت را از میان برداشت. ابداعات و اصلاحات در فرم­های سازه­ای همگام با دستیابی به بتنهای با مقاومت بالا موجب گردید که ساختمانهای مرتفع بتنی تا 100 طبقه قابل اجرا گردند

43. 4 – 1 فرمهای سازه ای

45. 4-1-1 قابهای مهاربندی شده(Braced Frame Structures) • در قابهای مهاربندی شدهمقاومت جانبی سازه توسط اعضای قطری که همراه با تیرها تشکیل جان یک سیستم خرپاییقائم را میدهند تامین میشود. در این سیستم ستونها یالهای خرپا هستند.

46. 4-1-2 قابهایِ صلب (Rigid Frame Structures) • ساختار قاب صلب شامل ستونها و شاهتیرهائی است که بوسیله اتصالات خمشی به یکدیگر وصل شده­اند. سختی جانبی یک قاب صلب به سختی خمشی ستونها، شاهتیرها و اتصالات در صفحه بستگی دارد. امتیاز اصلی قاب صلب در ترکیب باز آن و آزادی عمل در طرّاحی داخلی و جایگزینی مطلوب درها و پنجره­هاست . اگر از قاب صلب به عنوان تنها عامل مقاوم ساختمان در برابر بارهای جانبی استفاده کنیم، این نوع ساختار سازه­ای با دهانه­های متداولِ 6 تا 9 متر فقط برای ساختمانهایی تا 25 طبقه اقتصادی خواهد بود. در ساختمانهای بیش از 25 طبقه، به علت انعطاف پذیری نسبتاً زیاد قابها، برای کنترلِ جابجائی به اعضا و مقاطع بزرگ غیراقتصادی نیاز خواهد بود. • اجرای سیستم قاب صلب برای ساختمان بتن آرمه، به دلیل استحکام و صلبیِت اتصالات مناسب است. فرم سازه ای قاب صلب در ساختمانهائی با قاب فولادی نیز استفاده میشود، ولی اتصالات خمشی ِپر هزینه ای خواهد داشت. ابعاد مقاطع ستونها و شاهتیرها در هر ترازِ قاب صلب متاثر از کمیت برش خارجی در آن تراز است. و لذا ابعاد به طرف پای ساختمان افزایش می­یابند.نتیجه دیگر اینکه گاهی در طبقات پائین و با ارتفاع معمولی، تامین فضای کافی برای شاهتیرهایِ با مقاطع بزرگ امکان پذیر نیست.

47. 4-1-3 قابهایِ میان­پر(Infilled Frame Structures) • در بسیاری از کشورها قابهایِ میان­پر متداولترین فرم سازه­ای برای ساختمانهای بلند تا 30 طبقه است. در این نوع سازه­ها، قابهای بتن آرمه و گاهی فولادی با مصالح بنائی نظیر آجر یا بلوک سیمانی و یا بتن درجا پر می­شوند. • هنگامی که یک قاب میان­پر تحت اثر بار جانبی قرار میگیرد پُرکننده ها به عنوان اعضای فشاریِ مهاربندهای قطری به طور موثر عمل میکنند(شکل 4-7). از آنجا که پرکننده ها کار دیوارهای خارجی و یا تیغه هایِ داخلی را نیز انجام میدهند، سیستمی اقتصادی برای مقاوم ساختن و سخت نمودن سازه میباشند.

48. رفتار پیچیده پرکننده در قاب و عدم یکنواختی کیفیت مصالح بنائی، تعیینِ دقیق مقاومت و سختیِ قابهای میان پر را با مشکل مواجه میسازد. لذا به دلایل مذبور و ترس از برداشتن ناآگاهانه احتمالی دیوارها در زمانی در طول عمر ساختمان، از پرکننده ها برای مهار بندی سازه های بلند، فقط به عنوان مکمل در قابهایِ صلب بتن آرمه استفاده شده است.

49. 4-1-4 دیوارهایِ برشی(Shear Walls) • دیوارهایِ قائمِ پیوسته بتنی و یا مصالح بنائی میتوانند از نظر معماری به عنوان جدا کننده و از نظر سازه ای تحمل کننده بارهایِ قائم و جانبی، در ساختمان مورد استفاده قرار گیرند. از آنجا که دیوارهای برشی سختی و مقاومتِ فوق العاده زیادی دارند، برای مهاربندیِ ساختمانهای بلند بسیار مناسب میباشند. در سازه های با دیوار برشی، دیوار برشی تحمل کننده بارهای جانبی است. دیوارها به صورتِ طرّه های قائم مجزای در صفحه و یا با ترکیبی غیر صفحه­ای در اطراف آسانسور، پله ها و عبورگاههای سرویس عمل میکنند(شکل 4-8). چون دیوارها در جهت افقی سخت­تر از قابهای صلب هستند این نوع سازه ها تا 35 طبقه اقتصادی خواهند بود. شکل (4-8)

50. دیوارهایِ کوپل(Coupled Shear Walls) • دیوارهای کوپل فرمی خاص ولی متداول از سازه های دیوارهای برشی است که روش آنالیز و طرّاحی ویژه ای دارد. این سازه ها شامل 2 یا چند دیوار برشی در یک صفحه یا تقریباً در یک صفحه هستند که در تراز طبقات توسط تیرها و یا تاوه­های سخت به یکدیگر متصل میشوند(شکل 4-9). وجود اعضایِ برشیِ اتصالیِ بین دیوارها باعث ایجادِ یک طره مرکب از مجموعه دو یا چند دیوار میشود که حولِ یک محور مرکزی مشترک خمش پیدا میکند. در نتیجه سختیِ افقی بسیار بیشتر از حالتی خواهد شدکه دیوارها به صورتِ طره های مستقل عمل نمایند. • دیوارهای کوپل معمولاً در نوعی از ساختمانهای مسکونی استفاده میشوند که در آنها دیوارهای سراسری، آپارتمانها را از یک دیگر جدا میسازند. دیوارهای سراسری شامل دو یا سه دیوار برشیِ واقع در یک صفحه هستند که بین آنها راهرو و پنجره وجود دارد. • شکل (4-9)