بررسی سیستم‎ های سازه ای ساختمان های بلند فولادی

سیستم های سازه های بلند در دو دهه گذشته تغییرات اساسی کرده است. در سال 1980 مدل متداول سازه های بلند با هندسه ی عمودی تکرار شونده منشوری و دال های تخت شناخته می شد. توسعه سیستم های لوله ای برای سازه های بلند دلیلی بر شکل ساختمان های بلند به صورت متغیر  امروزی بود. نظم ثابت بیرونی برج با مدول های هم بسته عمودی که مشخصه پوشش ساختمان های بلند امروزی هستند جابه جا شده است. ناپیوستگی نمای بیرونی منجر به وجود آمدن نسل جدیدی از سیستم های ساختمان های بلند شد که پاسخ گوی نیازمندی های انعطاف پذیر و انحصاری قوانین رو به رشد و پویای معماری می باشد.

سیستم های نوآورانه سازه ای شامل ابرقاب ها (mega frames)، قاب های مهار بندی با ابرمهاربندی های قطری داخلی، هسته ترکیبی فولاد و بتن پر مقاومت، سیستم های مهار بازو (outriggers)، سازه های میرا شده ی مصنوعی، سازه های با دیوار های ستونی از ترکیب هایی هستند که نمایانگر گام هایی در توسعه سیستم های سازه ای ساختمان های بلند هستند.

نقش اعضاء فولادی در سازه های اولیه عمدتا برای باربری بارهای ثقلی بوده است. به تدریج کاربرد آن در سیستم های باربر جانبی بارهای باد و زلزله که از قاب های پرتال ساده تا سیستم های نوآورانه ای همچون مهار بازو ها، ابر قاب ها و ابر مهار های قطری داخلی تشکیل شده اند، توسعه یافته است.

امروزه سیستم های مهاربندی فراوانی وجود دارد که ممکن است در دسته بندی های مجزا قرار بگیرند که هر کدام دارای ارتفاع کاربردی مختص به خود هستند. اگر چه  انتخاب سیستم باربر جانبی معمولا شامل یک و یا ترکیبی از سیستم های زیر است که تعداد تقریبی از تعداد طبقات مناسب هر سیستم بیان شده است.

سیستم باربر جانبی	تعداد طبقات
قاب های با اتصالات نیمه صلب	10-15
قاب های صلب	25
قاب های مهاربندی	25-30
خرپاهای متناوب	25
مهاربندهای واگرا	25-30
ترکیب سیتم های مهاربندی و قاب های صلب	45-50
سیستم های مهاربازو و کمربند های خرپایی	40-50
قاب های لوله ای	50-60
لوله های خرپایی	60-70
لوله های دسته ای	80-100
سیستم های با بازدهی بالا برای ساختمان های فوق بلند	100-150

در زیر انواع سیستم های بار بر جانبی به همراه ارتفاع مناسب آن سیستم در آیین نامه های ایران و آمریکا بررسی شده است.

در آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله ایران، استاندارد 2800 ساختمان ها بر اساس سیستم های سازه ای به 6 گروه دسته بندی شده اند. این گروه ها شامل سیستم دیوارهای باربر، سیستم قاب های ساختمانی، سیستم قاب های خمشی، سیستم دوگانه یا ترکیبی، سیستم ستون کنسولی، و در دسته ششم سایر سیستم های سازه ای قرار گرفته است. در توضیح دسته ششم آمده است؛ در آیین نامه استفاده از سیستم های سازه ای غیر از آنچه که در 5 دسته فوق الذکر عنوان شده به شرطی مجاز است که ویژگی آن ها در ارتباط با بارهای قائم و زلزله توسط یکی از آیین نامه های معتبر جهانی به تایید کمیته اجرایی این آیین نامه رسیده باشد.

در جدول 4-3 این آیین نامه مقادیر ضریب رفتار ساختمان، همراه با حداکثر ارتفاع مجاز ساختمان برای انواع سیستم های مقاوم در برابر نیرو های جانبی معرفی شده است.

در بند 3-3-5-2 این آیین نامه عنوان شده است که ساخت ساختمان های با ارتفاع بیش از Hm در جدول 3-4 در کلیه مناطق کشور مجاز نیست. برای ساختمان های خاص که در آن ها ارتفاعی بیش از این حدود مد نظر باشد تایید کمیته اجرایی این آیین نامه الزامی است.

در آیین نامه ASCE7-2010 در بند 12.2.1 آمده است که سیستم های اصلی مقاوم در برابر نیروی جانبی و عمودی لرزه ای می بایست از یکی از انواع قید شده در جدول 12.2.1 و یا ترکیبی از آن ها مطابق بند های 12.2.2، 12.2.3 و 12.2.4 باشد. هر نوع با توجه به نوع المان های قائم که برای مقاومت در برابر نیروی لرزه ای جانبی استفاده می شود، مجددا تقسیم بندی شده است. هر سیستم سازه ای که استفاده می شود می بایست مطابق با محدودیت های آن سیستم سازه ای و محدودیت اعمال شده بر روی ارتفاع سازه hn که در جدول 12.2.1 امده است باشد.

در این آیین نامه سیستم های ساختمانی به 7 گروه سیستم دیوار های باربر، قاب های ساختمانی، قاب های خمشی، سیستم های دوگانه با قاب خمشی ویژه، سیستم های دو گانه با قاب خمشی متوسط، سیستم ستون های طره ای و سایر سیستم ها مطابق جدول زیر تقسیم بندی شده است.

منابع:

Taranath ,Structural Analysis and Design of Tall BuildingsSteel and Composite Construction

آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله ایران، استاندارد 2800

ASCE7-2010