دانلود تحقیق ساختمانهای بلند

تاریخچه ساختمانهای بلند:
قبل از قرن نوزدهم ساختمانهای بلند بصورت معابد کوه مانند مطبق، اهرام، آمفی تئاترها قلعه ها، تالارهای شهر مساجد، کلیساهای جامع و ازاین قبیل وجود داشتند که طراحی آنها عموماً به انگیزه های سیاسی یا مذهبی صورت می گرفت و مصالح آنها الوارهای چوبی، سنگ، خشت های گلی و در مواردی ساروج بود و از سیستم دیوار باربر استفاده می کردند.

و تا اوایل قرن نوزدهم که اسکلت فلزی کم کم جانشین ساخت وساز سنگین بنایی در ساختمانهای چندطبقه شد و آغاز ساخت وساز چندطبقه را باید آسیابها و انبارهای انگلیسی دراین دوره دانست که در آنها از اسکلت بندی داخلی تمام چدن اغلب همراه با مصالح بنایی برای نگهداشتن کفها استفاده می شد.

تکامل فنی آسمانخراشها در نیمه دوم قرن نوزدهم تنها به یمن تکامل مستقل اجزای اصلی آن پیش از این تاریخ میسر شد این اجزا عبارت بودند از:
• سازه: ساختمان با اسکلت تمام فلزی و توانایی تأمین پایداری جانبی
• دیوارجداگر: جداسازی سازه تکیه گاه ساختمان از دیوار پیرامون آنکه بمنظور روکار بود.

• ایمنی: مقاوم سازی در برابر آتش سوزی
• آسانسور
• سیستمهای مکانیکی و بهداشتی: شامل لوله کشی، حرارت مرکزی، روشنایی مصنوعی، تهویه

تکامل آسمانخراش:
نخستین گامها در تکوین آسمانخراش از حدود سال 1880 تا 1900 در شیکاگو برداشته شد که در آن ساختمانی با فرم جعبه ای صرفاً تا 20 طبقه بالا می رفت بعدها با برجهای سربه فلک کشیده نیویورک آسمانخراش راستین پدیدار شد و به مظهر شهرهای آمریکا بدل گشت.

دوره های بلندمرتبه سازی:
نخستین دوره: این دوره با احداث ساختمان شرکت بیمه عمر شروع شد و عمده این دوره در شیکاگو بوقوع پیوست.

دوره دوم: با ساخت ساختمان 21 طبقه «امریکن شورتی» در سال 1895 در نیویورک شروع شد و در همین دوره بود که عصر طلایی آسمانخراشها با ساختمان 102 طبقه« امپایراستیت» به ارتفاع 381 متر به اوج خود رسید در این دوره برجها را به دو سبک «ایستاده برقاعده یا خودایستا» و« برجهای پلکانی» تقسیم کردند.

دوره سوم: سومین دوره آسمانخراش را مدرنیسم تعیین می کند و از لحاظی ادامه سبک تجاری نخستین دوره آسمانخراش در شیکاگو است.

برجهای مرکز تجارت جهانی جزو این دوره می باشد.

دوره چهارم: دوره چهارم که دوره فعلی آسمانخراشهاست در دهه 1970 همراه با پست مدرنیسم و مدرنیسم متأخر تحقق یافت.

تعریف ساختمان بلند و برج:
بلندی خود یک حالت نسبی است و ساختمانها را نمی توان برحسب ارتفاع با تعداد طبقه دسته بندی و تعریف نمود.

از نقطه نظر مهندسی، هنگامی می توان سازه را بلند نامید که ارتفاع آن باعث شود که نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله ، بر طراحی آن تأثیر قابل توجهی گذارند.

ساختمانهای منفرد مرتفع که با فرم پلان مربع، دایره، باشد و از طرفی ارتفاع آن بلندتر از قطر دایره محاطی پلان باشد برج نامیده می شود.

تناسب محیط و یا قطر ساختمان برجها با ارتفاع آن تعیین کننده نوع برج از نظر هندسی آن می‌باشد ( شکل 1)
1- در صورتیکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهای بسیار بلند نامیده می شود.

2- در صورتیکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهای بلند نامیده می شود.

3- در صورتیکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهای متوسط نامیده می شود.

4- در صورتیکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهای کوتاه نامیده می شوند.

- توضیحات کلی و عمومی در مورد برجها و ساختمانهای بلند:
1- معماری برجها:
معمولاً در برجها سعی می شود که معماری آن به شکل متقارن و کلیه خطوط ارتباطی در هسته مرکزی قرار گیرند این عملکرد از لحاظ انتقال نیروهای افقی و بمنظور مقابله با زلزله و حفظ پایداری برج ارجح است.

بمنظور صرفه جویی در استفاده از اراضی و حفظ فضای سبز و باز استفاده از ارتفاع برای ساختمانها در شهرهای بزرگ توصیه می شود.

ضمناً با درنظر گرفتن عواملی مانند زلزله، مقاومت زمین و شرایط ایمنی ارتفاع مناسب ساختمانها را تعیین می کند.

علاوه بر این در بسیاری از نقاط دنیا ساختمانهای بسیار بلند دارای کاربریهای چندمنظورهستند بطوریکه معمولاً در طبقه اول یا همکف روبه خیابان شامل فروشگاههای بزرگ هستند و در چند طبقه بالای آن دفاتر کار و تجارتی و در طبقات بالاتر آپارتمانهای مسکونی واقع می باشند.

این ساختمانها بسیار مشکل است تا تمامی نیازهای سازه ای، مکانیکی، وآسایشی را فراهم آورد.

چرا که دفاتر تجاری- اداری نیاز به فضاهای باز بزرگ دارند تا برحسب سلیقه استفاده کنندگان توسط پانلهای سبک فضاسازی شوند.

همچنین تأسیسات در ساختمانهای بلند در زیر کف و روی سقف کاذب بصورت افقی توزیع می شوند در نتیجه فضای اضافی مورد نیاز برای این تأسیسات، ارتفاع طبقات این نوع ساختمانها را تا 5/3 متر یا بیشتر افزایش می دهند.

از طرفی ساختمانهای تجاری – اداری دارای بار وارده عظیمی نا شی از سیستمهای الکتریکی و مکانیکی می باشند.

حال در ساختمانهای مسکونی و هتلها معمولاً محیط داخلی محدودتر بود و فضاسازی بصورت دائم می باشد.

و در طبقه تکرار می شود.

در نتیجه فاصله ستونها کمتر و در تمام پلان و در محدوده تیغه بندی جایگزین می گردند.

همچنین تأسیسات در این ساختمانها می توانند بصورت قائم د رکنار دیوارها، ستونها، و یا از بالای سقف کاذب راهروها به محل دلخواه هدایت شوند.

ارتفاع طبقات در این نوع ساختمان حدود 7/2 متر خواهد شد.

بنابراین یک ساختمان 40 طبقه مسکونی بسیار کوتاهتر از یک ساختمان 40 طبقه تجاری – اداری است.

ضمناً از انجا که اتومبیل بخش مهمی از وسایل نقلیه است، پارکینگ در ساختمانهای بلندمرتبه از موارد بسیار مهم می باشد.

2- اشکال ساختمانی: یک پلان باید سادگی، فشردگی و سختی پیچشی بالا داشته باشد.

از نقطه نظر مقاومت دربرابرزلزله یک پلان ساده نظیر شکل مربع یا دایره مطلوب است.

درساختمانهای چندقسمتی یا دارای بال نظیر L یا T باید درزهای زلزله( در انقطاع یا ژوئن) که از نظر سازه ای بالها را مجزا می سازد بکار روند.

3- تقارن و سختی پیچشی بالا: برای احتراز از تغییر شکل پیچشی لازم است مرکز سختی ساختمان برروی مرکز جرم آن منطبق باشد، برای ارضای این شرط لازم است هم شکل ظاهری ساختمان وهم سازه آن دارای تقارن باشد.

4- یکنواختی و پیوستگی در شکل قائم: لازم است از تغییرات ناگهانی در شکل بندی قائم یک ساختمان دوری جست هرگاه شکل بندی قائم یا ناپیوسته باشد در بعضی از قسمتها یک حرکت عمده ارتعاشی بوقوع می پیوندد و برای انتقال نیروها از برج به پایه نیاز به یک کنش دیافراگمی بزرگ در مرز قسمتهاست.

5- سختی و مقاومت قائم و افقی: باید از تغییر ناگهانی در توزیع قائم سختی و مقاومت احتراز شود و شاخص آن سختی طبقه به وزن طبقه بین طبقات مجاور باشد.

اگر در ساختمان طبقه نرم وجود داشته باشد تغییر شکل پلاستیک سعی به متمرکزشدن در طبقه نرم خواهد کرد و مجهز به سقوط کامل ساختمان شود.

سختی و مقاومت در طبقات نرم را می توان با افزایش ستونها و یا مهاربندیها تنظیم نمود اگر در طبقه هم ستونهای کوتاه و هم ستونهای بلند وجود داشته باشد نیروی برشی در ستونهای نسبتاً کوتاه متمرکز شده و لذا منجر به شکست این ستونها قبل از ستونهای بلند می شود.

با بکارگیری تیرهای محیطی می توان ستونهای بلند را تبدیل به ستونهای کوتاه کرد.

6 – پی سازی: نیروهای قائم و جانبی سازه از طریق سیسم پی به زمین منتقل می شوند و از آنجا ککه اصول طراحی پلهای مستقل از ارتفاغ ساختمان است پس روشهای متداول طراحی قابل اعمال در سازه های بلند نیز می باشد.

بنابراین طراح سازه باید جابجایی و تغییر شکل پی ها واثرات آن بر رفتار سازه ساختمان و نیروهای ناشی از اثرات متقابل خاک و سازه را در نطر داشته باشد اگرخاکریزی سخت و پایدار نباشد نیروها را می توان از طریق شمعهای معمولی و قطور و یا پی های عمیق به لایه های مقاوم و سخت منتقل گردد.

در اینصورت ساختن ساختمانهای مرتفع گران و مشکل می باشد مثلاً یکی از مکانهای برج سازی ایالات متحده شبه جزیره«منهتن» در شهر نیویورک می باشد چرا که در سطح سنگی گرانیت در فاصله نسبتاً کمی از سطح زمین قرار گرفته است در شرایط نامناسب خاک باید بارگذاری پی را تا حدی کاهش داد که شکستهای برشی و با نشستهای نامتقارن زیاد ایجاد نشود.

برای اطمینان می توان با حفاری و برداشت خاک تقریباً معادل وزن ساختمان مسأله را حل کرد.

7- ایمنی در برابر آتش سوزی: ایمی در برابر آتش سوزی همواره موضوع مهمی در ساختمانهای بلند بوده است.

از دهه 1970 تاکنون تأکید بر ایمنی چنین ساختمانهایی پیوسته بیشتر شده است و بکارگیری دوباره طبقات باز مرتبطی که حالا به آن« اتریوم» گویند باب شده است و برای بهبود کاربری ساختمان وفضایی مرتبط به هوای خارج می باشد با وجود پیشینه خوب ایمنی ساختمانهای بلند در برابر آتش سوزی آتش سوزیهای حیرت انگیزی هم وجودداشته که ملزم ساخته تا ساختمانهای بلند امروزی دارای ایمنی کافی و وسایل اطفای حریق نظیر دیوارهای مخافظ در برابر آتش سوزی اطراف پله ها و .....

می باشد.

8-معیار آسایش: چنانچه یک سازه بلند انعطاف پذیر تحت تأثیر تغییر مکانهای جانبی یا پیچشی ناشی از اثرات رفت و برگشیتی نیروی باد قرار گیرد حرکت تناوبی ایجاد شده باعث احساس ناراحتی استفاده کنندگان در سازه خواهد شد.

لازم به ذکر است که حد شاخص جابجایی طراحی مورد استفاده در کشورهای مختلف بین 001/ تا 005/0 ارتفاع ساختمان است یعنی یک ساختمان به ارتفاع 100 متر مجاز است 1/0 تا 5/0 متر جابجا شود.

9- سازه ساختمانهای بلند: سازه های فولادی در طول تاریخ ساخت ساختمانهای بلند همیشه پیشگام بوده اند از آنجا که قابهای فولادی برای هر نوع ارتفاع مناسب می باشد و نسبت مقاومت به وزن بسیار بالایی دارند همیشه بعنوان انتخاب اصلی در ساختمانهای بلند هستند.

سازه های فولادی ضمن ایجاد امکان دهانه های بزرگ، قابل پیش سازی بوده و در نتیجه دارای سرعت اجرای بیشتری هستند و نیاز به مکان کارگاهی کمتری دارند.

مهمترین مطلب سازه ای فولادی نیاز به پوشش مقاوم در برابر آتش سوزی و زنگ زدگی، مهاربندی های قطری و اتصالات ویژه در قابهای صلب و نماسازیهای پرهزینه آنهاست.

با گذر در تاریخ می توان دریافت که نوع ابتدایی بتن برای سازندگان رومی و فراعنه مصری شکافته شده بود و تحقیقات راجع به بتنهای امروزی از اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم شروع شد.

بتن مادی است که مهندسین و معماران باید شاخصهای مختلف آن را از قبیل مقاومت، دوام، روشهای شکل و قالب ریزی، سخت شدگی، آرماتورگذاری و ....

را مدنظر قرار دهند.

در سال 1904 اولین آزماییش تیر بتن مسلح انتشار یافت.

در همین دوران ساخت دیوارهای پیش ساخته و استفاده از سیست قالب بندی موجب تحولی در ساختمان سازی شد بعد از آن ابداع دال کف توسط روبرت مایلارت بود که بجای سیستم تیر و شایعترین بار کف را متحمل می کرد و در برابر آتش سوزی، بارهای سنگین و انتقال صدا نیز مقاوم بود و مجموع این پیشرفتها نشان می داد که بتن نیز می تواند نظیر فولاد در ساختمانهای بلند بکار رود.

سازه های بلند بتن آرمه تقریباً دو دهه پس از اولین ساختمانهای بلند و فلزی مطرح شدند و قابل ذکر است که ساختمانهای بتنی اولیه ازنظر فرم سازه ای متأثر از سازه های مشابه فولادی و دارای اسکلتی شامل ستونها و شاهتیرها بودند با این تفاوت که به علت صلب بودن قابها بدون مهاربندی قطری نیز در برار بارهای جانبی مقاومت می کردند.

پس از آتش سوزیهایی که در شهرها رخ دادند و بسیاری از ساختمانهای بلند فلزی بعلت گرمای شدید فروریختند بتن توانست بعنوان ماده ای مقاوم در برابر آتش خود را تثبیت کند.

پیشرفت عمده تکنولوژی بتن از قبیل قالب بندی، اختلاط پمپاژ ساختمان بلندمرتبه بتنی، ساختمان 15 طبقه«Ingalls » در ایالت اوهایو بود که دارای سیستم قالب صلب بود.

بتن های سبک: کاربرد این نوع بتن ها psi 6000-2500(MPa 4/41- 2/17) و وزن مخصوص 120-90 پوند بر فوت مکعب د ر ساختمانهای بتنی بلند بسیار مناسب است.

هزینه اضافی این نوع بتن توسطکاهش تقریباً وزن ساختمان و صرفه جویی در بتن ستونها و فنداسیون سازه پوشش داده می شود.

ساختمان 52 طبقه«plaza » ساخته شده در سال 1971 کلاً از بتن سبک ساخته شده است و بلندترین ساختمان ساخته شده از بتن سبک در جهان است.

بتنهای مقاومت بالا(HSC ): این بتن که تحت عنوان میکروسیلیکا نیز شناخته شده است شامل سیمان ، آب، دانه های شکسته گرانیتی و سنگ آهک، ماسه و پلاستی سایزر می باشد و مقاومتی معادل PSI 20000-50000 (MPA 138-5/34) دارد که هم مقاومت زیادی دارد و هم نفوذناپذیر است و بسیار از بتنهای معمولی تردتر است و باید به احتیاط ریخته شود.

اولین کاربرد ساختمانی این نوع بتن در سال 1971 در نروژ بوده استفاده از این بتن با وجود شکنندگی آن همچنان در آسمانخراشهای مالزی، چین، و امریکا متداول است چراکه به علت مقاومت بالای بتن می توان ابعاد اعضای سازه ای نظیر تیر و ستون را کاهش داد در نتیه میزان بتن مصرفی کاهش می یابد و نیز سطح قابل استفاده بنا افزایش می یابد.

بتن زودگیر با مقاومت بالا(HPC) : درواقع استفاده از این نوع بتن در سال 1927 در ساخت یک تونل واقع در سنگ آغاز شد زیرا نیاز به روش سریع برای تحمل بار وارد بر تونل بود وعلاقه به کاربرد آن در ساختمان سازی در این امر نهفته است که این نوع بتن طی 24 ساعت به مقاومتی معادل 7 روزه بتنهای معمولی می رسد این بتن علاوه بر مقاومت بالا و سرعت گیرش، دارای دوام ، شکل پذیری، مقاومت دربرابر عوامل شیمیایی و ....

بنابراین متخصصین که نیاز به تولید انبوه محصولات ساختمانی و کاهش مصالح مصرفی و زمان دستیابی به مقاومت موردنظر بتن را دارند به این نوع بتن روی می آورند.

HPC با نسبت آب به سیمان کم، به مقاومتی حدود psi 6000-3500 طی 24 ساعت می رسد.

قالبهای بتن ریزی: یکی از برنامه ریزیها در ساختمانهای بلند استفاده از قالبهایی با ویژگی های استفاده مجدد است.

در قدیم جنس قالبها چوبی بود ولی با پیشرفت تکنولوژی قالبهایی با جنس فولادی، آلومینیومی، فایبرگلاس، و پلاستیک نیز ساخته شدند که این قالبها با تکیه به اعضای خارجی و یا شمع کوبی نگهداری می شوند خانواده جدید قالبها متشکل از قالبهای آزاد ( تخت) قالبهای لغزنده و قالبهای جهنده می‌باشند.

قالبهای آزاد یا تخت: این قالبها معمولاً برای کارهای ساختمانی اجاره می شوند و معمولاً برای دهانه های تیپ ساخته می شود.

قالب متشکل از سطح قالب فایبرگلاس، خرپاهای فلزی، تیرچه و تخته چندلایه می باشد که بعنوان جسم واحد حرکت کرده و قالب ریزی دالهای کف را به عهده دارد و پس از آنکه بتن به مقاومت مورد نظر رسید آزادشده و توسط جرثقیل برای قالب گیری دیگر طبقات انتقال داده میشود.

قالبهای لغزان: نوع دیگر قالبهای قابل استفاده مجدد است و دارای سه نوئع جک پیچی، جک هیدرولیکی، و جک پنوماتیک) هوای فشرده) می باشد و از قالبگیری دیوارها تاکف طبقات کاربرد دارد.

جکهای پیچی بصورت دستی باید مورد استفاده قرار گیرند در حالیکه جکهای هیدرولیکی و پنوماتیک مکانیزه عمل می کنند وهمراه پمپاژ بتن آنها نیز حرکت می کنند قالبهای جهنده: این نوع قالبها نیز جهت استفاده های مجدد طراحی شسده و دارای سیستم بالابرنده و محرک است و می تواند بصورت آویزان از ساختمان برای قالب گیری دیوارها بکار رودو.

لوازم بتن ریزی وحمل بتن: در ابتدا کار با بتن، بتن معمولاً در محل با اختلاط مصالح بصورت دستی و سپس توسط میکسرها صورت می پذیرفت.

با پیداش وسایل بتونیر و حمل بتن بتن بصورت آماده در محل تحویل می شد که برای پروژه های نظیر ساختمانهای بلند به دلیل حجم زیاد بتن ریزی نیاز به وسایل حمل کننده زیاد بود.

اولین میکسر هیدرولیکی در سال 1947 معرفی شد.

بتن ریزی در طبقات تا سال 1960 تقریباً بصورت دستی صورت می گرفت تا آنکه پمپهای هیدرولیکی و کنترل شونده ظهورکردند که الان حتی برای کارهای کوچک هم از پمپهای هیدرولیکی استفاده می شود.

اخیراً بتن ریزی با پمپ به پیشرفتهایی رسیده است بطوریکه سازندگان ساختمان Jin Mao در چین بتن مقاومت بالا را تا ارتفاع 355 متری نیز پمپاژه کرده اند پمپاژه بتن بدلیل خواص پلاستیک بتن محدود می شود و فشار زیادی میباید صرف شود تا بتن به ارتفاعهای بسیار بالا برسد.

این عوامل از موارد مهم تکنولوژی بتن محسوب می شوند.

بارهای وارد بر ساختمانهای بلند - اثر باد و زلزله بر ساختمانهای بلند: بارگذاری در سازه های بلند بدلیل طبقات زیاد افزایش اثرات، و اهمیت بیشتر اثرات دینامیکی با سازه های کوتاه متفاوت است مجموع بارهای قائم طبقات نیروی بسیار زیادی را بر ستونها اعمال می کنند بار باد بر سازه بلند نه تنها برسطح بزرگتری نسبت به سازه کوتاه اثر می کند بلکه در ارتفاع با شدت بیشتر و بازوی سنگی بزرگتری برسازه تأثیر می گذارد و می توانند در طراحی فرم سازه نقش بسیار مهم و اساسی داشته باشد و در مواردی که سازه بسیار لاغر و انعطاف پذیر است علاوه بر نیروهای داخلی حرکات سازه نیز باید در تعیین اثرات باد محاسبه گردند.

طراحی ساختمانهای تا ده طبقه، شکل هندسی متعارف بندرت متأثر از اثرات بارهای باد خواهند بود در ساختمانهای بیش ازده طبقه به دلیل افزایش ابعاد مقطع اعضا و نیاز احتمالی به اعضای اضافی برای مقابله با بار باد اضافه هزینه ای که با تعداد طبقات بصورت تصاعدی افزایش می یابد خواهیم داشت و عموماً روشهای آئین نامه ای در طراحی در مقابل بار باد بکار گرفته می شوند.

در مناطق زلزله خیز ممکن است نیروهای ناشی از حرکات زمین از بارهای ناشی از باد بسیار بیشتر شوند و در نتیجه بارهای زلزله تعیین کننده فرم، طرح، و هزینه سازه خواهند شد.

از نظر رفتار داخلی سازه، پاسخ دینامیکی ساختمان نقش مهمی در نحوه اثر و کمیت بارهای مؤثر بر سازه خواهد داشت.

در حالت کلی به دو روش می توان سازه ای مقاوم در برابر زلزله ساخت: 1- سازه صلب 2- سازه نرم 1- سازه صلب: در اینگونه سازه ها پارامتر طراحی نزد مهندس طراح تغییر شکلهای جانبی سازه تحت اثرات زلزله است بطوریکه سازه بقدری صلب ساخته می شود که کلیه انرژی زلزله را جذب می نماید و بایستی با انتخاب اجزای بسیار مقاوم، توانایی جذب انرژی را به سازه داد و در این قبیل سازه ها، تغییر شکلهای جانبی بسیار ناچیزند.

2- سازه نرم یا انعطاف پذیر: در این سازه ها پارامتر انعطاف پذیری ناشی از خمیری سازی مدنظر قرار می گیرد.

بدین صورت که سازه انرژی را با حرکات نوسانی و درصد میرایی که وابسته به نوع مصالح است آزاد می کند در این دسته سازه ها دامنه نوسان جانبی نسبت به دسته اول بیشتر است.

با تکه بر ویژگی انعطاف پذیری مصالح، می توان این نوسان را به سازه داد و سازه ای اقتصادی طرح کرد.

باید توجه داشت که خاکی که سازه روی آن قرار می گیرد نیز اثر فیلتری برروی امواج زلزله دارد بطوریکه برحسب نرمی یا سختی آن معمولاً فرکانسهای مشخص را بیشتر انتقال می دهد پس برای درامان ماندن سازه از امواج لرزه ای باید فرکانس سازه با فرکانس حداکثری که زمین انتقال می دهد مغایر باشد یعنی در نواحی که زمین نرم است باید سازه سخت بنا کرد و در نواحی که زمین سخت است باید سازه نرم ساخت.

- اثرات خزش، آبرفتگی و حرارت تا سالهای نسبتاً اخیر مهندسان به اثرات خزش و آبرفتگی در طراحی ساختمانهای بتنی توجه کمتری داشتند معمولاً فرض می شود که خزش به لحاظ ازادسازی مقاطع پرتنش و توزیع مجدد بارها در مناطق با تنش کمتر اثر مثبت و مفیدی دارد.

از طرف دیگر آبرفتگی واقعیت گریزناپذیزی تصور می شد که باید تحمل می گردید.

تغییر مکانهای ناشی ازتغییرات درجه حرارت که در اعضای نسبتاً بلند با یکدیگر جمع می شوند بوسیلهاتصالات مناسب و فولادگذاری خوب کاهش می یابند و تنشهای نهایی آزاد می گردند.ولی به هر حال با افزایش ارتفاع ساختمانها، کاهش طول وابسته به زمان ستونها و دیوارهای برشی و جمع شدن اثرات مختلف با یکدیگر از اهمیت بیشتری برخوردار است بعنوان مثال یک ستون بتنی به ارتفاع 80طبقه در اثر خزش تقریباً 6/4 سانتی متر و در اثر آبرفتگی 6 سانتی متر کوتاه خواهد شد.

اگر لازم باشد برای انتقال بتن از پمپ استفاده می شود.

جهت آسانی اجرا بتن را روانتر می سازند.

درنتیجه امکان خزش و آبرفتگی بیشتر فراهم می شود.

اثرات حرکات نسبی کرنشهای ناشی از خزش و آبرفتگی اعضای بتنی به درصد فولاد نسبت حجم به سطح بتن و خواص ماده تشکیل دهنده آن بستگی دارد.

هنگامی که اعضای مشابه، تحت اثر تنشهای یکسان قرار گیرند کرنشهای ناشی از خزش و آبرفتگی با افزایش درصد فولاد و نسبت حجم به سطح کاهش می یابند.

در ساختمانهای بلند ممکن است اعضای قائم مجاور به لحاظ بارهای قائم متفاوت درصد فولاد مختلفی داشته باشند.

درنتیجه کوتاه شدگی نسبی ستونهای مجاور در اثر تغییر مکانهای نسبی تکیه گاهها، در تیرها و تاوه های اتصالی،ا یجاد برش و لنگر می نمایند.

با انتقال بار به ستونهایی که کمتر کوتاه شده اند توزیع مجدد بار صورت می گیرد.

بعنوان مثال چنانچه ستونی بزرگ با فولادگذاری زیاد در مجاورت یک دیوار برشی قرار گیرد.مسأله توزیع مجدد خواهیم داشت.

دیوار برشی بدلیل نسبت حجم به سطح و درصد فولاد کمتر در مقایسه با ستون، کرنشهای خزشی و آبرفتگی بیشتری خواهدداشت و لذا ستون مجبور به تحمل مقداری از بارهای دیوار خواهد شد.

حرکات نسبی در ارتفاع ساختمان با یکدیگر جمع شده بطوریکه در تراز زمین صفر و در تراز بام ماکزیمم می گردند.

در نتیجه اهمیت اثرات با افزایش ارتفاع بیشتر می شوند و مجموع جابجائیها باعث خسارت به اعضای غیرسازه ای، نظیر دیوارهای جداکننده و پنجره ها می شوند و در تاوه های ترازهای بالا تنش اضافی ایجاد می کنند.

زمان و مراحل اجرای ساختمان نیز می تواند تإثیر بسزایی بر جابجائیهای نسبی داشته باشد بعنوان مثال: معمولاً ساخت هسته های سرویس اولین گام اجرایی است.

در نتیجه کوتاه شدگی غیرالاستیک هسته قبل از ساخت ستونها و تیرها و تاوه های اتصالی مجاور صورت می پذیرد.

پس از این که ستونها تحت اثر نیروهای ناشی از خزش و ابرفتگی نسبت به هسته که عملاً ثابت است قرار می گیرند تکیه گاه تاوه ها دارای حرکات نسبی قابل توجهی می گردند.

اگر برای اتصال هسته به ستونهای خارجی از یک شاه تیر انتقالی استفاده شود هر حرکت نسبی بین هسته و ستونها به شاه تیر منتقل می گردد و تنشهای قابل توجهی در آن ایجاد می شود.

یکی از بحرانی ترین وحساس ترین اعضای متأثر از حرکات قائم نمای ساختمان است.

در بسیاری از ساخمتمانهای بتنی با نمای متشکل از مصالح بنایی این مسأله قابل پیش بینی است.

معمولاً پس از خزش قاب بتنی مصالح بنایی نمای خارجی تحت اثر نیروی فشاری و بار قرار می گیرد و متعغاقب آن کمانش، خردشدن و یا قلوه کن شدن نما صورت می گیرد.

در بعضی از ساختمانها برای آزادسازی تنشهای ناشی از این پدیده مجبور به ایجاد درز افقی در نما می شوند.

طراحی برای حرکات نسبی از آنجا که در هنگام خزش و آبرفتگی بیشترین کرنشها در مراحل اولیه ایجاد می شود و بتدریج با گذشت زمان نرخ افزایش کرنشها کاهش می یابد باید گفت که خزش و ابرفتگی دارای ویژگیهای تغییر شکل یکسان می باشند.

بعنوان یک معیار تقریبی حدود 40 درصد کرنشهای غیرالاستیک ناشی از خزش و آبرفتگی در 28 روز اول ظاهر می شود و پس از 3 تا 6 ماه حدود 60 تا 70 درصد کل تغییر شکلها و پس از 2 سال حدود 90 در صد اآن بروز خواهد کرد لذا در یک سازه تقریباً چندسال پس از ساخت بیشترین اثرات ناشی از خزش و آبرفتگی را تجربه کرده و خسارات احتمالی آن ظاهر می شود.

اثرات حرارت تا سالهای نسبتاً اخیر اثرات حرارتی ساختمانهای بلند قابل توجه بودند.

ساختمانهای قدیمی به وسیله نماهای ضخیم و بازشوهای کوچک بخوبی عایق بندی می شدند و جابجائیهای حرارتی احتمالی با ایجاد درزهای انبساطی کنترل می گردیدند.

در سالهای اخیر ساختمانهای بتنی و فولادی بسیاری با ستونهای نمایان خارجی ساخته شده اند.

در هنگام تغییرات حرارت روزانه یا فصلی ستونهای خارجی نسبت به ستونهای داخلی که معمولاً در درجه حرارت ثابت و شرایط تحت کنترل قرار دارند تغییر طول می دهند.

گرچه تغییرات طول در یک طبقه ناچیز است ولی این تغییر طولها با یکدیگر جمع شده و در بالای ساختمان به حداکثر خود می رسند.

در ارتفاعهای بیش از 20 طبقه اثرات تغییر طول حرارتی می تواند بسیار زیاد و مهم باشد و ممکن است لازم شود که تأثیرات تغییر شکلهای حرارتی بر رفتار سازه ای واعضای غیربار،نظیر دیوارهای جداکننده، مورد بررسی قرار گیرند.

اگر هر نوع گیرداری و ممانعت در برابر تغییر شکلهای آزاد وجود داشته باشد بارها به عضو دیگر منتقل می گردند.

در ساختمانهای با بیش از 60 متر طول علاوه بر حرکات دائم تغییر شکلهای افقی را نیز باید در نظر گرفت.

اثر بارهای غیرمعمول نظیر انفجار و برخورد هواپیما به ساختمانهای بلند: یکی از موارد مهم در ساختمانهای بلند امروزی پیشگیری از فروریزش کامل ساختمان و طراحی مقاوم در برابر بارهای غیرمعمول و عظیمی نظیر انفجار و یا برخورد اجسام غول پیکری نظیر هواپیما یا موشک به ساختمان می باشد.

این امر پس از فروریزش ساختمان«Marrah » در سال 1995 در اوکاهانا و برجای دوقلوی تجارت جهانی د رسال 2001 در نیویورک اهمیت بسیاری پیدا کرده است.

کلیت امر به این صورت است که بای منظور فوق یک سازه باید دارای طاقت سازه ای و شکل پذیری بالایی باشد چرا که پس از برخورد یاانفجار تعدادی از اعضاء سیستمهای سازه ای نظیر تیروستون از بین میرود و بخشی از ساختمان تخریب می شود در نتیجه سازه باید این قابلیت را داشته باشد که با وقوع این امر باز توزیع نیرو در اعضای باقیمانده صورت پذیرد و اعضا بتوانند تغییر شکل غیرالاستیک بدهند و با از بین رفن بخشی از ساختمان آن قسمت از سازه تبدیل به مکانیسم نشود و نریزد تا ساکنین آن بتوانند کاملاً تخلیه شوند و آسیبهای جانی به حداقل برسد بررسی آسیب پذیری سازه در اینگونه موارد در سه بخش صورت می گیرد.

1- تعیین سطح خطر پذیری و شرایط بارگذاری 2- بررسی آسیب های موضعی و کلی سازه 3- بررسی فروریزش ادامه دار سیستمهای سازه ای متداول در سازه های بتنی: بتن مسلح به دلیل میرایی ارتعاشی و جرمی که به سازه می دهد انتخاب خوبی در انواع مصالح بکاررفته می باشد و نیز جذب صوت بتن سبب شده تا برای استفاده در هتلها و آپارتمانهای بسیار مناسب باشد.

سیستم قاب صلب یا قاب خمشی(Moment- resisting Frame) : ساختار قاب صلب شامل ستونها وشاه تیرهایی است که بوسیله اتصالات خمشی به یکدیگر وصل شده اند.

سختی جانبی یک قاب صلب به سختی خمشی ستونها، شاه تیرها و اتصالات در صفحه بستگی دارد.

امتیاز اصلی قاب صلب در ترکیب باز آن و آزادی عمل در طراحی داخلی و جایگزینی مطلوب درها و پنجره هاست.

بارهای وزنی وارد برکف نیز توسط قاب صلب متحمل می شود.

سیستم کف همچنین بعنوان دیافراگم افقی بارهای جانبی را به تیرها و ستونها منتقل می کند در نتیجه تیرها و ستونها لنگرها و برشهای عظیمی را درانتهای خود تحمل می کنند در نتیجه تیرها و ستونها ابعاد بزرگی پیدا می کنند اگر از قاب صلب بعنوان تنها عامل مقاوم ساختمان در برابر بارهای جانبی استفاده کننیم این نوع ساختار سازه ای با دهانه های متداول 9-6 متر فقط برای ساختمانهای تا 25 طبقه اقتصادی است چرا که بیشتراز این حد بعلت انعطاف پذیری جانبی نسبتاً زیاد برای کنترل جابجایی به اعضا و مقاطع بزرگ اقتصادی نیاز خواهد بود اجرای سیستم قاب صلب برای ساختمانهای بتن آرمه به دلیل استحکام و صلبیت اتصالات بسیار مناسب است.

نمونه ای از ساختمان با سیستم قاب خمشی ساختمان In galls است.

که اولین سازه بلندبتن مسلح درجهان است این ساختمان دارای 15 طبقه، 64 متر ارتفاع و سیستم قاب بتنتی یکپارچه می باشد دال کف آن در دو جهت مسلح شده است و تیرهای آن بصورت سراسری طراحی شده اند و در تکیه گاه دارای آرماتور منفی می‌باشد .

قاب میان پر: در بسیاری از کشورها قاب میان پر فرم سازه ای متداولی برای ساختمانهای بلند تا 30 طبقه است در این نوع سیستم قابهای بتن آرمه گاهاً فولادی با مصالح بنایی نظیر آجر یا بلوک سیمانی یا بتن درجا پر می شود هنگامی که قاب میان پر تحت تثر بار جانبی قرار می گیرد و پرکننده ها بعنونا اعضای فشاری مهاربند های قطری بطور مؤثر عمل می کنند از انجا که این پرکننده ها کار دیوار خارجی یا پانلهای داخلی را نیز انجام می دهند.

این سیستم اقتصادی نیست اما برداشتن ناآگاهانه این دیوارها طی عمر سازه مقاومت قاب را با مشکل روبرو می کند.

2- دیوار برشی( Shear wall ): در ابتدا وقتی بتن بعنوان مصالح ساختمانی معرفی شد محدودیتهایی برای ارتفاع سازه های بتنی وجود داشت اما«Faz Fur khan » با معرفی جدول سیستمهای سازه ای خود تحولی را هم در ساختمانهای بلند بتنی و هم فولادی بوجود آورد.( شکل 2) دیوارهای برشی که سختی و مقاومت فوق العاده ای دارند اولین بار در سال 1940 بکار گرفته شد این سیستم می تواند بعنوان تیر طره عمودی در نظر گرفته شود بطوریکه بارهای جانبی با دو زلزله وارد بر ساختمان از طریق دیافراگم کف به آنها منتقل شوند.

در مقایسه با قابهای صلب فرم توپر دیوارهای برش مانعی برای طراحی دیافراگم کف به آنها منتقل شوند در مقایسه با قابهای صلب فرم توپر دیوارهای برشی مانعی برای طراحی داخلی و ایجاد فضای دلخواه می باشد در نتیجه این ئوع سازه بیشتر مناسب هتلها و آپارتمانهای مسکونی است که در آنها طبقات تکرار می باشند و دیوار می تواند بصورت قائم و پیوسته در محل مناسبی قرار گیرد.

دیوار برشی دارای اشکال متنوعی می باشد نظیر دیوارهای مدور، منحنی الشکل، مستقیم الخط، تخم مرغی، جعبه ای و مثلثی.

در بسیاری از موارد دیوار برشی های موجود بعنوان هسته مرکزی جهت نگهداری تسهیلات داخلی نظیر آسانسور، اتاق نگهبانی، سرویس راه پله و یا انبار استفاده میشود.

این نوع سازه تا 35 طبقه اقتصادی خواهد بود.

برای جایگزینی دیوارهای برشی در پلان ساختمان باید به این نکته توجه کافی داشت که تنشهای کششی ناشی از بارهای جانبی توسط تنشهای ناشی از بارهای قائم اعمال بر دیوار خنثی می گردد.

این امر امکان حداقل استفاده از فولاد در دیوار را فراهم می سازد.

دیورهای برشی کوپل: دیوارهای کوپل فرمی خاص ولی متداول از سازه های دیوار برشی است که روش آنالیز و طارحی ویژه ای دارند این سازه ها شامل دو یا چند دیوار برشی در یک صفحه و یا تقریباً در یک صفحه هستند دیوارهای کوپل معمولاً در نوعی از ساختمانهای مسکونی استفاده می شوند که در آنها دیوارهای سراسری آپارتمانها را از یکدیگر جدا می سازند.

3- سیستم قاب – دیوار (wall- frame system) : این سیستم برای اولین بار بصورت جدی توسط Fazlur khan مورد مطالعه قرار گرفت و مرحله مهمی در ساخت ساختمانهای بلندمرتبه بود.

معمولاً در این سیستم دیوار برشی بصورت هسته مرکزی با قاب خمشی اطراف و یا سیستم دال – ستون توسط دیافراگم صلب در تعاملند.

یعنی در این ترکیب دیوارها در زمان تغییر شکل خمشی و قاب در زمان تغییر شکل برشی توسط شاه تیرها و سیستم دال کف مقید شده.

اجباراً تغییر شکل یکسانی خواهند داشت.

این سازه ترکیبی برای ساختمانهای 40 تا 60 طبقه مناسب است در ضمن در یک طرح مناسب و دقیق از این ابزارنوع سیستم بر ش در قابها می تواند د رارتفاع بطور تقریباً یکنواخت توزیع گردد در نتیجه قاب بندی کفها در طبقات یکسان و تکراری می شود.