ساختمان های بلند مرتبه، سیستم های هسته و مهاربازو

سیستم های هسته و مهاربازو

ویژگی های بی همتا و بازدهی بالای مهاربازو ها که در تاریخ مهندسی به اثبات رسیده است، در طراحی اقتصادی و کارآمد ساختمان های بلند مرتبه نیز مورد استفاده قرار گرفته است. با وجود آن که مهار بازوها تنها 40 سال است که در سازه های بلند مرتبه به کار گرفته می شود، اما استفاده از آن ها به عنوان یک عضو سازه ای تاریخی بیش از این دارد. کشتی های بادبانی در گذشته و هم اکنون از مهاربازوها برای مهار نیروهای باد به عنوان تیر دکل قایق استفاده کرده اند، که به کارگیری آن ها استفاده از دکل های بلند و لاغر را ممکن ساخته است. در ساختمان های بلند می توان هسته را به دکل کشتی مرتبط ساخت، مهاربازو را به اسپردر یا توزیع کننده  و ستون های محیطی را به مهارها تعمیم داد. همانند کشتی های بادبانی، در ساختمان های بلند مرتبه نیز از مهاربازوها برای کاهش لنگر ها واژگونی در سیستم هسته مرکزی استفاده می شود. 
در ساختمان های بلند مرتبه، مزایای مشابهی با کاهش لنگرهای واژگونی در تراز زیرین هسته ها ی مرکزی و همین طور کاهش نیروهای برکنش یا اپلیفت متناظر با آن لنگر ها مشاهده خواهد شد.  لنگر های واژگونی که در کشتی  توسط یک کوپل نیرو بین مهار رو به باد و دکل  تحمل می شود مشابه با لنگری است که به ستون های خارجی  باربر ثقلی در ساختمان های بلند انتقال می یابد. 

در بسیاری از ساختمان های بلند مرتبه امروزی، ازهسته های آسانسور مرکزی همراه با فضای بدون ستون بین هسته وستون های تکیه گاهی محیطی بهره گرفته می شود. این مدل متداول در ساختمان های بلند مرتبه با وجود این که باعث بالا رفتن بازدهی عملکردی این گونه ساختمان ها می شود، اما به گونه موثری دو سیستم سازه ای مقاوم در برابر نیروهای ناشی از لنگرهای  واژگونی را در ساختمان های بلند از هم تفکیک می کند. این جداسازی که بین هسته داخلی و قاب پیرامونی انجام می شود مقاومت کلی سازه را در برابر نیروهای واژگونی کاهش می دهد. بدون در نظر گرفتن هیچ گونه اندرکنشی  بین این  دو سیستم، مقاومت کل  برابر با جمع مقاومت های هر یک از این المان ها به صورت منفرد خواهد بود. به کارگیری مهاربازو ها در این سازه ها این دو عضو مقاوم را به یکدیگر پیوند می دهد و توانایی سیستم را برای مقاومت در برابر نیروهای واژگونی به طور چشمگیری افزایش می دهد. 

برای ساختمان های 30 تا 40 طبقه، هسته های مهاربندی شده به عنوان تنها سیستم مقاوم در برابر بار های جانبی به کار گرفته می شوند. این سیستم های مهاربندی شده به دلیل ایجاد رکینگ های برشی در برابر نیروها و تغییر شکل های نظیر موثر هستند زیرا که مقاومت آن ها تقریبا به صورت خطی با ارتفاع ساختمان تغییر می یابد، اگر چه که مقاومتی که سیستم های هسته به تنهایی در برابر مولفه های واژگونی رانش یا دریفت فراهم می کنند، به طور تقریبی با ضریب 3 نسبت به ارتفاع ساختمان کاهش می  یابد. چنین سیستم های هسته ای با افزایش ارتفاع ساختمان به صورت پیش رونده ای کارامد تر می شوند. استفاده از سیستم هسته به صورت منفرد، علاوه بر محدودیت هایی که از لحاظ سختی ایجاد می کند، همچنین نیروی های برکنش یا اپلیفت بیش از اندازه ای در سیستم هسته، ونیروهای واژگونی بالا در شالوده ساختمان به وجود می آورد. به دلیل ناتوانی سیستم برای بهره جستن از تمامی عمق ساختمان، طراحی در برابر نیروهای آپلیفت به وجود آمده باعث  نگرانی خواهد شد. 

جستجو برای طرح های سازه ای نوآورانه و کارآمد به  ویژه در طراحی ساختمان های بلند مرتبه، دارای روند تکاملی است. هدف این طرح ها محدود کردن رانش جانبی یا دریفت به محدوده مجاز بدون پرداخت بهای قابل توجه وزن بالای فولاد مصرفی  است. صرفه جویی در وزن فولاد و هزینه در صورتی که تکنیک های ویژه ای با هدف بهره جستن از ظرفیت کلیه المان های سازه ای اتخاذ شود می تواند مقدار قابل توجهی باشد. برای رسیدن به این هدف سیستم های مهاری متنوعی به وجود آمده است که در این مقاله به معرفی یکی از همین سیستم ها می پردازد که این سیستم عمدتا در ساختمان های بلند مرتبه و فوق بلند کاربرد دارد. به این سیستم عنوان سیستم هسته و مهاربازو اطلاق می گردد. یک ویژگی منحصر به فرد این سیستم به کارگیری سختی محوری ستون های محیطی برای افزایش مقاومت در برابر لنگر های واژگونی است.  اگر بخواهیم این سیستم را به زبان ساده تعریف کنیم، شکل سازه ای از یک هسته مهاربندی شده که توسط مهار بازوهای خرپایی افقی به ستون های محیطی متصل می شوند. مطابق با قسمت اول شکل زیر ممکن است که هسته در وسط قرار گرفته باشد و مهاربازوها در هر دو طرف قرار بگیرند و یا مطابق قسمت دوم شکل ممکن است هسته در یک سمت ساختمان قرار گرفته باشد که مهار بازوها از یک طرف آن را به ستون ها ی محیطی متصل می کنند. 

هنگامی که سازه تحت اثر بار های جانبی قرار می گیرد، مهاربازوهایی که با ستون ها مقید شده اند در برابر دوران هسته مقاومت می کنند، و باعث می شوند که تغییر شکل های جانبی ساختمان کمتر از حالتی باشد که هسته خود ایستا به تنهایی در برابر بارهای جانبی مقاومت می کند. نتیجه برابر با افزایش عمق موثر سازه با به وجود آمدن کشش در ستون های رو به باد و فشار در ستون های پشت به باد، هنگامی سازه که به صورت یک طره خم می شود خواهد بود. 
علاوه بر ستون هایی که در انتهای مهاربازو قرار گرفته اند، متداول است ستون های محیطی دیگر نیز برای مقید کردن مهاربازوها بسیج شوند. این مهم با به کارگیری شاهتیرهای عمیق و یا خرپای کمربندی در پیرامون سازه هم تراز با مهاربازو ها حاصل می شود. عمدتا ، حداقل از یک مهاربازو یا خرپای کمربندی استفاده می شود، که اغلب عمقی به اندازه 3 تا 4 طبقه دارند. 
همچنین ممکن است مطابق شکل زیر، از اعضا قطری که در طبقات متعددی کار شده اند به عنوان مهار بازو استفاده شود. 

و در نهایت ممکن است مطابق با شکل زیر، شاهتیر هایی که در هر طبقه هسته را به ستون ها بیرونی متصل می کنند با استفاده از اتصال خمشی به ستون های هسته و در صورت نیاز به ستون های بیرونی به عنوان مهاربازو طراحی شوند. 

در تمامی این حالات می بایست ذکر شود که با وجود این که سیستم های مهاربازو در افزایش سختی خمشی سازه موثر هستند اما مقاومت سازه را در برابر برش افزایش نمی دهند و برش می بایست عمدتا توسط هسته مقاومت شود.

منبع:

دپارتمان سازه شرکت کارگشا