سیستم های لوله ای در ساختمان های بلند مرتبه فولادی

سیستم قاب های لوله ای

ایده این سیستم توسعه یک سیستم سازه ای سه بعدی است، که تمامی اینرسی ساختمان را برای مقاومت در برابر بارهای جانبی به کار می گیرد. هدف به کارگیری این سیستم دستیابی به یک سیستم با بازدهی بالاتر برای مقاومت در برابر بارهای جانبی در ساختمان های با ارتفاع بیشتر از ساختمان های عادی است. ساختار بدست آمده برای سیستم قاب های لوله ای عموما ستون های پیرامونی نزدیک به هم، و شاهتیرهای عمیق است که به صورت صلب به یکدیگر اتصال یافته اند. این نظم در تمامی وجوه خارجی ساختمان وجود دارد. این سیستم تداعی گر یک سازه طره ای لوله ای یا تیوب شکل که دارای بازشو های پانچ شده بر روی دیوار های بیرونی خود است، می باشد. ستون های نزدیک به هم و تیرهای عمیق دارای مزایای ثانویه ازجمله کاهش هزینه پوشش های خارجی ساختمان هستند. ستون های خارجی ممکن است به صورت کلی و یا جزیی نیاز به وادارهای عمودی دیوارهای محیطی ساختمان را حذف کنند.

رفتار قاب های لوله ای تحت اثر بارهای جانبی در شکل زیر نشان داده شده است، که بیانگر توزیع نیروهای محوری در ستون های خارجی است.

 هر چقدر که این توزیع نیرو، شباهت بیشتری به توزیع نیروی حالت مشابه یک باکس کاملا گیردار طره ای شکل که گیر داری آن در تراز سطح زمین فراهم شده است، باشد، سیستم دارای بازدهی بیشتری می باشد. در صورتی که یک سیستم لوله ای توپر داشته باشیم، می توان انتظار داشت که  توزیع نیروهای محوری بر روی دیوار های روبه باد و پشت به باد یکنواخت بوده و بر روی دیوار های کناری خطی باشد. هنگامی که بازشوهایی در این سیستم لوله ای تصور شود، و قاب هایی متشکل از تیر ها و ستون ها تشکیل شوند، به دلیل به وجود آمدن برش و خمش در اعضا لوله ای و هم چنین دوران های اتصالات اعضا تغییر شکل های قاب برشی به وجود می آید. این مسئله سختی موثر سیستم را به عنوان یک عضو طره ای می کاهد. مقداری که توزیع تنش واقعی در قاب لوله ای متشکل از تیر ها و ستون ها از حالت ایده ال فاصله دارد به عنوان  تاثیرات تاخیر برش نامیده می شود. از لحاظ رفتاری، اصطلاحا نیروی موجود در ستون ها ی قرار گرفته در میانه قاب های پنل بال سازه لوله ای ، از ستون هایی که نزدیک تر به گوشه هستند دارای تاخیر می شوند و یا عقب می افتند و بنابراین از حالتی که تمامی آن ها با تمام توان عمل کنند شرایط تغییر می کند. بنابراین هدف محدود کردن تاثیرات تاخیر برش است به گونه ای که ستون های داخلی به اندازه ستون های کناری موثر واقع شوند. در بیان ساده، همان طور که پیش تر عنوان شد، یک تیوب سیستم یا سیستم لوله ای می تواند به عنوان یک سیستم سه بعدی در نظر گرفته شود که برای مقاومت در برابر بارهای جانبی از تمامی محیط ساختمان بهره می گیرد. الزام دستیابی به چنین سازه ای به وجود آوردن یک سازه متشکل از دیوارها توسط  قرار دادن ستون ها به صورت نزدیک به هم در دیوارهای خارجی واستفاده از شاهتیر های عمیق که با اتصال صلب به این  ستون ها متصل می شوند، می باشد. بهینه سازی طراحی محدود به بررسی فواصل متفاوت ستون ها و ابعاد متفاوت مقاطع، کاهش می یابد. درعمل، رفتار لوله ای یا تیوب شکل با قرار دادن ستون ها در فاصله هایی به اندازه 3.05 متر تا 6.1 متر حاصل می شود و همچنین عمق شاهتیر ها از 0.9 متر تا 1.52 متر متفاوت است. یک سیستم تا اندازه ای متفاوت که اجازه به کارگیری ستون های با فوصل بیشتری را می دهد، سیستمی تحت عنوان سیستم لوله ای مهاربندی شده است، که دارای مهاربندی های قطری و و یا به شکل K در محیط بیرونی ساختمان است. علاوه بر آن سازو کار دیگر استفاده از دو یا سه تیوب یا لوله که به یکدیگر بسته شده اند تا سیستم تحت عنوان سیستم های لوله های دسته ای را به وجود آورند.

رفتار

برای درک رفتار یک قاب لوله ای یک ساختمان 50 طبقه که دارای پلان مربعی شکل مطابق با شکل  زیر است را در نظر بگیرید، این ساختمان شامل ستون های خارجی با با فاصله کمتر از یکدیگر و دارای تیرهای عمیق است. درصورتی که فرض شود تا ستون ها داخلی، تنها برای بارهای ثقلی طراحی شده اند، تاثیر آن ها برای برای مقاومت در برابر بارهای جانبی قابل چشم پوشی است.

سیستم سقف، که به عنوان یک دیافراگم صلب در نظر گرفته می شود نیرو ها را به المان های مختلف بر اساس سختی آن ها توزیع می کند. تاثیر آن ها بر روی مقاومت جانبی بر حسب عملکرد خارج ازصفحه آن ها قابل چشم پوشی است. همانند شکل فوق این سیستم که در برابر بارهای جانبی مقاومت می کند متشکل از 4 پنل متعامد است که به صورت صلب در گوشه ها به یکدیگر متصل شده اند تا بتوانند شکل یک تیوب یا لوله را به وجود آورند. در سازه های لوله ای، معمولا راستای قوی خمش ستون ها هم راستا با وجوه ساختمان در نظر گرفته می شود تا بتوان از عملکرد خمشی ستون ها به صورت کامل بهره برد. قاب های موازی با بارهای جانبی به عنوان جان سازه  لوله ای حفره دار عمل می کنند، در صورتی که قاب های متعامد با نیرو های جانبی به عنوان بال ها عمل می کنند. هنگامی که این اعضا تحت اثر خمش در اثر بارهای جانبی قرار می گیرند، مد اصلی عملکرد خمشی مشابه با مقطع لوله ای متداول است که ستون ها در وجوه دو طرف تار خنثی تحت اثر نیروهای کششی و فشاری قرار می گیرند. علاوه بر آن قاب های موازی با راستای بارهای جانبی تحت اثر خمش درون صفحه قرار می گیرند، که منتج به عملکرد برشی رکینگ مشابه با قاب های خشمی  قرار می گیرند.
از لحاظ مفهومی ستون ها و تیر های مجزا ممکن است متناظر با دیوارهای یک لوله حفره دار که از تراز زمین به صورت طره در آمده است و توزیع تنشی مطابق با شکل اول دارد، در نظر گرفته شود. اگر چه سازه دارای شکل لوله ای است، اما رفتار آن بسیار پیچیده تر از یک لوله توپر است.  بر خلاف یک لوله توپر این سازه تحت اثر تاخیر برش قرار دارد. تاثیر تاخیر برش افزایش تنش های محوری در ستون های گوشه و کاهش آن ها در ستون ها داخلی برای هر دو پنل های بال و جان  مطابق با شکل اول می باشد. با صرفنظر از نتایج تاخیر برش، تحلیل یک لوله توخالی می تواند برای تجسم توزیع تنش محوری در ساختمان های مربعی؛ دایروی و مثلثی مطابق با اشکال زیر استفاده شود.

ایده استفاده از تمامی ساختمان برای مقاومت در برابر بار های جانبی به طراحان آزادی عمل قابل توجهی برای دستکاری و آزادی عمل در پیکربندی  پلان های ساختمانی را داده است. نظام سخت گیرانه قاب بندی های متعامد که نزدیک به 30 سال پیش از شرایط واجب محسوب می شد، امروزه دیگر الزامی ندارد. اشکال زیر را برای مثال هایی از این پیکربندی ها مشاهده کنید.
 

وابسته به ابعاد ارتفاعی و پلانی ساختمان، معمولا فواصل ستون ها خارجی بین 3 تا 4.6 متر است. در صورتی که فواصلی به اندازه 1 متر نیز برای برج های دوقلو مرکز تجارت جهانی که امروزه دیگر موجود نیستند، استفاده شده است. بازدهی سیستم مستقیما به نسبت ارتفاع به عرض ساختمان، ابعاد پلان، فواصل و ابعاد ستون ها و تیر ها وابسته است.
در ساده ترین تعریف، رفتار ساختمان های لوله ای مشابه با یک طره توخالی بدون اثرات تاخیر برش است. در عمل، پاسخ آن ها به بارهای جانبی در به صورت ترکیبی از مدهای خمشی و برشی است. خمش کلی در اثر کوتاه شدگی محوری و کشیدگی ستون هاست در صورتی که تغییر شکل ها برشی در اثر دوران ستون ها و شاهتیر های محیطی است. یکی از قواعد طراحی کارآمد ساختمان های لوله ای به حداقل رساندن اثرات برش است. در مقالات آتی به بررسی اثرات تاخیر برش و سایر سیستم های لوله ای پرداخته خواهد شد.

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا