سیستم‌های مهاربندی ثانویه برای ساختارهای مورب در ساختمان‌های بلند

چکیده:

در این مقاله، نویسندگان چارچوبی را برای ارزیابی مسایل ساختاری “موضعی” در طراحی ساختمان‌های بلند مورب تعریف کرده و روشی را برای برقراری الزام سیستم مهاربندی ثانویه خاص (SBS) به عنوان تابعی از هندسه مورب ارائه می‌نمایند.علاوه بر این، ضوابط طراحی برای سیستم‌های مهاربندی ثانویه مورد مطالعه قرار گرفته و بر روی برخی از مدل‌های ساختمان 90 طبقه‌ای اجرا شده است که با ساختارهای محیطی مورب، ارتفاع و مقاطع مختلف ماژول مورب مشخص شده‌اند. خروجی روش‌های ساده پیشنهادی، هم برای ارزیابی نیاز به SBS و هم برای نتیجه طراحی جزء SBS، با پاسخ سازه‌ای مدل‌های ساختمانی موربِ بدست آمدهِ بدون و با SBS مورد مقایسه قرار گرفته‌اند تا هم دقت فرمولاسیون ارائه شده و هم اهمیت اولیه مسایل مکانی مورد بحث را نشان دهد. در حقیقت، همه مدل‌های مورب مورد بررسی، مسایل مربوط به پایداری ستون‌های داخلی (به عنوان مثال: حالت‌های کمانش چند طبقه‌ای) و/یا انعطاف پذیریکافی (جابجایی نسبی بین طبقه‌ای بیش از حد) را نشان می‌دهند؛ مشکلات مکانی بالا پس از معرفی SBS در محل هسته مرکزی کاملاً برطرف می‌شوند و در مقابل افزایش نسبتا کم وزن سازه (در حدود 3%)، هر گونه حالت خمشی در جزء مورب حذف می‌شود.

 

مقدمه:

ساختارهای مورب بیانگر متداول‌ترین و برجسته‌ترین راه‌حل‌ها برای ساختمان‌های بلند در هزاره جدید و نوعی عنصر امضایی جدیدترین طراحی‌ها است. مفهوم مورب هم در ساختمان‌های متقارن منشوروار و هم در شکل‌های غیرمتعارف مجتمع، امکان ساختاری را برای ترکیب راندمان بالا و مفهوم زیباشناسی فراهم می‌سازد. چندین نمونه مشهور که تصدیق کننده این گفته‌ها هستند، عبارتند از: تبر سنت ماری 30 (30 St. Mary Axe)، برج هرست (Hearst Tower) و اخیراً BOW که همگی توسط نورمن فاستر طراحی شده‌اند. اما هر کدام دارای نمای مثلثی منحصر به فردی هستند؛ دفتر مرکزی CCTV (شناخته شده به عنوان بهترین ساختمان دنیا به وسیله CTBUH در نوامبر 2013)، که با الهام از پیچیدگی ساختاری Cecil Balmond و توسط Rem Koolhaas ساخته شده است، که در آن شبکهِ موربِ پوشانندهِ شکلِ حلقه با تراکم متغیر برای ایجاد اثری با پیچیدگی و دانه‌بندی کمک می‌کند؛ برج دوحه که توسط ژان نوول طراحی شده است، به شکل استوانه‌ای ظریف می‌باشد که در برابر اصطکاک مقاوم بوده و با ادغام ساختار بتنی مورب با الگوی پیچیده مشربیه (شناشیل) برای اهداف حفاظتی در برابر نور خورشید به کار می‌رود؛ برج دروازه پایتخت (Capital Gate)، “خمیده‌ترین برج دست‌ساز بشر”، دارای مشخصه ساختاری فولادی مورب است که موزاییک‌کاری ظریف نمای خارجی آن بیانگر فرم ارگانیگی قابل توجهی است. همه ساختمان‌های یاد شده  در بالا، نمونه‌هایی از استفاده متعدد و متنوع از ساختار مثلث‌گونه با ماژول مثلثی واحد است که شامل چند طبقه بوده و در سطح نما کاملاً موزاییک‌کاری شده است.

از دیدگاه ساختاری، یک دلیلی اصلی در درخواست برای مورب سازی (جذابیت)، قابلیت آن در مطرح شدن به عنوان جدیدترین تحول در ساختارهای لوله‌ای شکل می‌باشد، یعنی بهره‌برداری از مزیت بالقوه پیکربندی لوله‌ای به لطف آرایش مثلثی، اجزای ساختاری و حذف کامل چارچوب زاویه راست، که به طور چشمگیری تغییر شکل اعوجاجی و اثرات پدیدیه تاخیر برشی را کاهش می‌دهد. نویسندگان  با انجام تحلیل مقایسه‌ای از عملکرد ساختاری برخی از ساختمان‌های بلند جدید ثابت کرده‌اند که ساختارهای مورب  ارتباط بین سفتی عمده جانبی و ظرفیت استحکام را با صرفه‌جویی قابل توجه در مواد برقرار می‌سازد و بنابراین، بهره‌وری فوق‌العاده‌‌ی ساختاری را ممکن می‌سازد.

با توجه به مواردی‌که غالباً در زمینه طراحی ساختمان‌های بلند اتفاق می‌افتد، می‌توان مشاهده نمود که تحقیقات عقب‌تر از وضعیت پیشرفته عملی است: با وجود استفاده گسترده از این راه‌حل ساختاری، تحقیقات رسمی بسیار کمی در موسسات دانشگاهی در زمینه ساختارهای مورب، مسایل مربوط به عملکرد، طراحی و تجزیه و تحلیل آنان در حال انجام است. مقالات مهم ارائه شده توسط Moon در 2007،  و اخیراً توسط  عمدتاً به ایجاد معیارهای طراحی برای هر دو ساختار مورب منظم و با زاویه متغیر اختصاص یافته است؛ همیشه در معیارهای طراحی، مقاله‌ای قبلی از نویسندگان  که در آن هم سختی و هم استحکام اجزا در یک مطالعه پارامتریک مورد بررسی قرار گرفته و فرمول آن ساده شده است، برای برآورد سریع عضو پیشنهاد می‌شود. به طور مشابه، در ، الگوهای مورب سازی مختلفی (منظم، زاویه متغیر، تراکم متغیر) از نظر وزن سازه و کارایی تولید، طراحی موردتجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند تا به طو نسبی به ارزیابی پتانسیل‌های مربوط به بهره‌وری بپردازند. برخی از همکاری‌های ارزشمند در زمینه عملکرد ساختار مورب در زلزله هم از دانشگاه  و هم از دنیای حرفه‌ای بدست آمده‌اند.

با این وجود‌ با توجه به دانش نویسندگان، تاکنون مساله مهم مربوط به طراحی ساختمان‌های مورب یعنی نیاز برای مهاربندی ماژول چند طبقه‌ای مورب به اندازه کافی مورد توجه قرار نگرفته است. این موضوع مورد بحث در  است که اگرچه ساختارهای مورب، سختی‌ جانبی مورد نیاز ساختمان تحت بارهای بادی را فراهم می‌کند، اما جابجایی بین طبقه‌ای بزرگی در سطوح طبقه‌ای در ماژول مورب به وجود می‌آیند، به ویژه در مواردی که دارای شدیدترین زوایا (به طور مثال بلندترین ماژول‌های مورب) و/یا انعطاف‌پذیری اجزای مورب هستند.

از دید کلی نسبت به اجراها و پروژه‌های اخیر ساختارهای مورب، مخصوصاً موارد ذکر شده در ، به نظر می‌رسد که تنها تیر سنت ماری 30 با ماژول دو طبقه‌ای بلند دارای ساختار هسته‌ای داخلی طراحی شده به صورت یک قاب ساده است که فقط در مقابل بارهای گرانشی مقاوم می‌باشد. بقیه ساختمان‌ها، با ماژول مورب گسترش یافته 4-6 طبقه‌ای و بیشتر، در زمان به اشتراک گذاری تقاضای کلی سفتی و استحکام در پیگربندی لوله به لوله‌، دارای ساختار هسته‌ای هستند، همچنین طبقه به طبقه محدودیت‌های موضعی را برای اجزای مورب ایجاد می‌کند. بنابراین از تعامل خمشی در امتداد طول جزء جلوگیری می‌شود و صرفاً رفتار محوری در ساختار مورب حفظ می‌گردد.

با این وجود، کارایی فوق‌العاده ساختار مورب همیشه برای پیکربندی کاملاً لوله‌ای با ساختار هسته‌ای مقاوم تنها در برابر بارهای گرانشی و نمای قطری (مورب) در نظر گرفته می‌شود و سفتی و استکام سراسری برای مقاومت در برابر بارهای جانبی را فراهم می‌سازد. اما انتخاب این سازه مستلزم ضرورت پرداختن به رفتار “موضعی” اجزای سازه در ارتفاع ماژول است که در آن می‌توان چند طبقه را به طور جداگانه گسترش داد. دو مشکل وجود دارد، و با در نظر گرفتن اجزای محیطی مورب و ستون‌های هسته داخلی نیازمند: الف) کاهش یا جلوگیری از تغییر شکل خمشی اعضای مورب در امتداد طول‌شان و ب) پایدارسازی ستون‌های وزنی هسته در سطوح میانی طبقه می‌باشد. هرگاه که عناصر مهاربندی کلان گسترش یافته در چندین طبقه مورد استفاده قرار گیرند، مسایل ساختاری مشابهی در سایر سیستم‌های مقاوم در برابر بار جانبی در ساختمان‌های بلند رخ می‌دهد: این موارد شامل پیکربندی لوله‌ای و اَبر-قطری‌ها یعنی لوله مهاربندی و همچنین ابرساختمان های اسکلتی است . با این وجود، ساختار مورب به دلیل نبود کامل ستون‌های عمودی در نما، منحصربه فرد است.

بنابراین هدف از این مقاله، کمک به پر کردن شکاف میان حالت پیشرفته عملی و جدیدترین تحقیقات است، مخصوصاً تمرکز بر مسایل ساختاری ذکر شده در بالا که به نظر می‌رسد یک مساله فرعی و ناچیز در روند طراحی نیست. این امر می‌تواند مشوقی برای کاربردهای ساختاری مورب در پیکربندی صرفاً لوله‌ای باشد، بنابراین، راه حل‌های عملی، کارآمد و صرفوجویی در مواد را ممکن می‌سازد.

نویسندگان این مقاله، ارزیابی کاملی از رفتار موضعی اجزای مورب قطری و ستون‌های وزنی در ارتفاع ماژول مورب فراهم نموده و روشی برای سازماندهی ضرورت وجود سیستم مهاربندی خاص ثانویه به عنوان تابعی از هندسه مورب سازی ارائه می‌نمایند. علاوه بر این، معیارهای طراحی برای مهاربندی ثانویه برای کنترل تغییر شکل خمشی مورب و کمانش ستون‌های وزنی به دست آمده است؛ به کارگیری فرمول‌بندی بالا برای برخی از مدل‌های ساختمانی 90 طبقه‌ای با ساختارهای مورب محیطی نشان داده شده‌اند که دارای ارتفاع مختلف مدلی و مقاطع مورب بوده و امکان بحث جامع در مفاهیم طراحی مهاربندی ثانویه را فراهم می‌کند.

بیان مسائل ساختاری

رفتار سازه‌ای سیستم‌های اَبر- قطری‌ها را می‌توان به یک خرپا عمودی با نقاط پانل (گره‌های مورب) قرار گرفته شده در چند طبقه جدا از هم شبیه‌سازی کرد؛ در شکل 1 (الف) سیستم مورب نمونه‌ای با یک ماژول مثلثی سه طبقه‌ای بلند ترسیم شده است. ساختار مورب، تضمین کننده سفتی و استحکام سراسری کل ساختمان تنها با بکارگیری اجزای مورب در وضعیت صرفاً محوری (یعنی نیزوهای داخلی تنش/فشرده سازی و تغییر شکل‌های اضافی/کوتاه) و به طور کلی مقاوم‌سازی ستون‌های وزنی تنها برای داشتن پایداری در نقاط پانل می‌باشد. طبقه‌های میانی که با علامت ستاره در شکل 1 (الف) مشخص شده‌اند، با رفتار کلی سیستم مورب، به طور جانبی مهار نمی‌شوند؛ به طور دقیق‌تر اگر مورب سازی در سراسر ارتفاع ماژول ادامه یابد، طبقه‌ها درجه خاصی از سفتی جانبی را تنها از سفتی خمشی قطرها بدست خواهند آورد (شکل 1 (ب)).

این رفتار خاص، پیامدهای مهمی را در بر دارد:

اول از همه، سیستم جانبی کلی که تضمین کننده سفتی و مقاومت ساختمان تحت بارهای افقی است، قادر به تضمین ثبات جانبی ستون‌های وزنی داخلی بین نقاط پانل نیست: این محدودیت جانبی در فواصل منظم (کف متعدد) تعیین شده است، بنابراین دو نیاز مقاومت در برابر بارهای جانبی و پایدارسازی ستون‌ها تا حدودی از یکدیگر جدا شده‌اند. همان‌طور که که در موارد دیگر ساختارهایی با مهار بندی کلان، “مساله، شرح کلی و همزمان، پایداری تمام ستون‌های کمانش در حالت چند طبقه ای بین نقاط مهاربندی کلان است” .

مساله محلی مهم دوم در پیکربندی مهاربندی کلان، تغییر شکل‌های خمش  ابر-قطر‌ی‌ها در امتداد طول آن‌ها بین نقاط پانل مد نظر قرار می‌دهد که هنگام مهار طبقه‌های میانی به وجود می آیند. در نتیجه، تغییر شکل محلی در ماژول، موجب افزایش جابجایی جانبی ناشی از حالت تغییر شکل کلی در ساختار مورب می‌گردد. بسته به تعداد ابر-قطری‌ها در نمای ساختمان، در سطح مقطع مورب و در ارتفاع ماژول، تغییر شکل محلی بین نقاط پانل می‌تواند جایجایی نسبی بین طبقه‌ای بسیار بزرگی تولید کرده و موجب بروز مشکلات سرویس‌دهی در اجزای معماری مانند روکش، کف پوش و پارتیشن گردد.

این دو مشکل، یعنی پایداری ستون‌های زونی و تعامل خمشی مورب، شدیداً به انعطاف‌پذیری جانبی محلی ساختار وابسته و مربوط هستند؛ هر دوی آن‌ها را می‌توان با توجه به روش‌های مختلف بر طرف نمود .

نخستین راه حل، شامل خروج طبقه های میانی که به طور جانبی به وسیله سختی خمشی و اَبر-قطری‌ها محدود شده‌اند و شرح این حالت در طراحی ستون‌های زونی و سایر اجزا می‌باشد.. به عنوان مثال، طراحی ستون‌های وزنی که تنها در نقاط پانلی ساختار مورب به عنوان مهار عمل می‌کنند و اندازه گیری اجزای مورب با سختی خمشی کافی که جابجایی نسبی بین طبقه‌ای را کنترل می‌کند. با این وجود، این رویکرد ممکن است موجب گردد که سطح مقطع ستون‌ها و قطرها مخصوصاً برای ساختمان‌های بسیار بلند، بزرگ شود.

راه حل دوم ، اضافه کردن اجزای ساختمانی بین نقاط پانل سیستم مهاربندی است: نمونه‌هایی از اعضای مهاربندی قرار داده شده در ماژول مورب در شکل 2 (الف) ارائه شده‌اند (خط چین‌ها)؛ با وجود این‌که طراحی پیکربندی‌های مشابه غیر از اهداف ساختاری می‌باشد، برای برج Hypergreen نیز که توسط معمار ژاک فریر و با همکاری با شرکت لافارژ طراحی شده، پیشنهاد شده است. این راه‌حل، اگرچه با زیباشناسی ساختمان در تعامل است، اما هماهنگ کننده وضوح و نظم مورب‌سازی است، بنابراین به یک تصمیم مشترک بین معمار و طراح نما نیاز دارد.

راه‌حل سوم اضافه کردن سیستم مهاربندی ثانویه خاصی است که از ساختارهای مورب اولیه جدا بوده و در بین نقاط پانل ماژول با عملکرد دوگانه قابل اعمال است: الف) پایدارسازی ستون‌های وزنی در سطوح میانی و ب) انتقال نیروهای سفتی اعمال شده در سطوح میانی به گره‌های مورب، و در نتیجه جلوگیری از دخالت حرکت خمشی مورب (قطری)

چارچوبی برای پرداختن به مسایل ساختاری مطرح شده در بالا در طراحی ساختمان بلندمرتبه مورب در ادامه ارائه شده است. در ابتدا، روش ساده‌ای برای ارزیابی کارایی راه‌حل اول تعیین شده در بالا پیشنهاد می‌گردد. به عنوان مثال، برای بررسی رفتار محلی ساختمان‌های مورب و شرخ تقاضای خمش در اجزای مورب ناشی از عدم محدودیت طبقه منفرد؛ اگر به سیستم ساختاری خاصی صرفاً برای جلوگیری از بی‌ثباتی چند طبقه‌ای از ستون‌های سنگین و تغییر شکل‌های بیش از حد در ماژول مورب نیاز باشد، روش سرانجام آنرا نشان می‌دهد. سپس،  یک روش طراحی برای سیستم‌های مهاربندی ثانویه (SBS) فرموله و برای برخی از مدل‌های ساختمانی مورب به کار برده می‌شود؛ رفتار سازه‌ای ساختمان‌ها با و بدون SBS مورد مقایسه و بخث واقع شده و بر مفاهیم طراحی تاکید می‌گردد.

نیاز به SBS (آیا ساختار مورب شما به طور مناسبی مهاربندی شده است؟)

در ارتفاع ماژول، اجزای مورب محدودیت‌های جانبی جزئی را به عنوان تابعی از سختی خمشی خود ارائه می‌کنند. این مشارکت که برای مقاومت ستون‌های داخلی ممکن است کافی یا ناکافی باشد، حالت کمانش طبقه منفرد را فعال کرده و جابجایی نسبی بین طبقه‌ای را محدود می‌سازد. بنابراین از مشکلات سرویس‌دهی جلوگیری می‌نماید. انجام محاسبات ساده برای تعیین سهم نسبی مورب‌سازی در ماژول مورب به منظور تصمیم‌گیری درباره نیاز یا عدم نیاز به سیستم مهاربندی ثانویه بسیار مهم است.

پایداری

اثر سیستم مهاربندی ایجاد شده به وسیله اعضای قطری در ستون‌های وزنی داخلی را می‌توان با ایده‌آل‌سازی سیستم متشکل از قطرها و ستون‌ها مورد ارزیابی قرار داد که اصطلاحاً سیستم متکی نامیده می‌شوند. با توجه به طبقه‌بندی سیستم‌های مهاربندی ارائه شده در ، در این پیکربندی برخی از ستون‌های دو سر مفصلی خمیده (یعنی ستون‌های وزنی قرار گرفته در هسته خدماتی ساختمان) برای اهداف پایداری به سایر اعضای مجاور با یختی جانبی غیر صفر (یعنی اعضای مورب) تکیه می‌دهند. ستون‌های متکی و اعضای مهار‌بندی طوری به یکدیگر گره خورده یا مرتب هستند که در صورت بروز کمانش در یک ستون و مواجه شدن با جایه‌جایی‌های جانبی مشابه، به همه ستون‌ها و اعضای مجاور نیاز است.

با توجه به پیکربندی ساختار تکیه‌گاهی در شکل 3 (الف)، عنصر A بیانگر ابر-قطری‌هاست در حالیکه عنصر B ستون‌های وزنی هسته را نشان می­دهد؛ دو حالت کمانش اصلی برای این چیدمان ساختاری امکانپذیر هستند: حالت نوسان فراگیر (چند طبقه)،و حالت غیرنوسانی محلی (موضعی) (تک طبقه). ظرفیت کمانش سیستم کربوط به هر حالت را می‌توان مطابق با ظرفیت‌های عناصر ساختاری موجود در هر حالت (عناصر متکی و مهاربندی) محاسبه نمود. اگر عنصر مهاربندی A بسیار بلند و باریک باشد، می‌توان حضورش در سیستم را نادیده گرفت و سیستم دچار حالت نوسانی خواهد شد که در شکل 3 (الف) با خطوط نقطه-خط چین نشان داده شده است؛