لكي ينجح المبنى الطويل أو الشاهق، على الأقل، يجب أن يستخدم الهيكل أنظمة ومواد مناسبة لارتفاع المبنى وتكوينه. يجب أن يعمل النظام الهيكلي للمبنى العالي بشكل جيد وأن يفسح المجال لبناء فعال. يجب أن يحتوي المبنى الطويل الناجح على الميزات التالية؛
- أن يقدم صورة ودية وجذابة لها قيم إيجابية لأصحاب المباني والمستخدمين والمشاهدين.
- أن يقدم ملاءمة الموقع، وتوفير مناهج مناسبة مع تخطيط مناسب للناس للعيش والعمل واللعب.
- أن يكون موفرًا للطاقة، مع توفير مساحة داخلية مع مناخ يمكن التحكم فيه.
- السماح بمرونة في تخطيط المكاتب الإدارية مع مساحة قابلة للتقسيم بسهولة.
- توفير مساحة موجهة أو واجهة لتوفير أفضل المناظر.
- الأهم من ذلك كله، يجب أن يكون المبنى اقتصادي.
في عام 1969، صنف فضل خان الأنظمة الإنشائية للمباني الشاهقة فيما يتعلق بارتفاعها مع اعتبارات الكفاءة في شكل مخططات "مرتفعات للأنظمة الإنشائية". كان هذا بمثابة بداية حقبة جديدة من ثورة ناطحات السحاب من حيث الأنظمة الهيكلية المتعددة.
في وقت لاحق، قام خان بترقية هذه المخططات عن طريق التعديلات. قام بتطوير هذه المخططات لكل من الصلب والخرسانة كما يتضح من الشكلين 1 و 2 على التوالي. جادل خان بأن الهيكل الصلب الذي سيطر على تصميم وبناء المباني الشاهقة لفترة طويلة لم يكن النظام الوحيد المناسب للمباني الشاهقة.
قدم Bungale [1] أيضًا جدولًا لإظهار النظام الهيكلي المناسب للمباني العالية الخرسانية المسلحة. هذا موضح في الجدول 1.
 |
| الجدول 1: الأنظمة الهيكلية المناسبة للمباني العالية الخرسانية [1] |
سنقدم وصفًا موجزًا للأنظمة الهيكلية المتنوعة والشائعة للمباني الشاهقة في الأقسام الفرعية أدناه. يجب أن يكون النظام الهيكلي الذي سيتم اعتماده في أي تصميم قادرًا على حمل أنواع مختلفة من الأحمال، مثل أحمال الجاذبية والأحمال الجانبية ودرجة الحرارة والانفجارات والصدمات. يجب أن يظل انجراف المبنى draft ضمن الحدود، مثل H / 500.
أنواع الأنظمة الإنشائية للمباني الشاهقة
الأنظمة الهيكلية المعتمدة عادة للمباني الشاهقة هي كما يلي؛
أنظمة الأعمدة والبلاطات - Column and slab systems
غالبًا ما تتكون الأرضيات الخرسانية في المباني الشاهقة من نظام بلاطة ثنائي الاتجاه مثل البلاطات المسطحة أو الفلات سلاب أو نظام الوافل والذي يمكن أن يقاوم الأحمال الجانبية (انظر الشكل التالي). في نظام البلاطات المسطحة ، تتكون الأرضية من بلاطة خرسانية بسمك موحد تؤطر أو تستند مباشرة على الأعمدة. تستفيد البلاطات المسطحة ذات الاتجاهين إما من التيجان في الأعمدة أو الدروب المسقطة في البلاطة أو كليهما، مما يتطلب أقل سماكة للبلاطة المسطحة لأن الخرسانة الإضافية يتم توفيرها فقط عند الأعمدة حيث تكون قوى القص والعزوم هي الأكبر.
يتم الحصول على نظام الوافل باستخدام صفوف من الروافد (الكمرات ، الأعصاب) بزوايا قائمة مع بعضها البعض (شبكة) ؛ تتكون الأعصاب عادة بين قباب مربعة أو بلوكات (انظر الشكل السابق). لا يتم استخدام هذه البلوكات حول الأعمدة لزيادة قدرة البلاطة في مقاومة العزوم وقوى القص [7]. يمكن استخدام أي من الأنظمة الثلاثة للعمل كجزء لا يتجزأ من أنظمة مقاومة الرياح للمباني في نطاق يتراوح من 10 إلى 20 طابقًا. عادة ما يستخدم مفهوم "العرض الفعال" أو شريحة العمود في تحليل مثل هذه المباني المعرضة لقوى جانبية.
إطارات صلبة - Rigid Frames
يتسم الإطار الصلب بانثناء الكمرات والأعمدة والدوران عند المفاصل. الإطارات الداخلية الصلبة للمباني المكتبية غير فعالة بشكل عام بسبب؛
(1) عدد الأعمدة في أي إطار معين محدود بسبب اعتبارات معمارية.
(2) غالبًا ما تكون أعماق الكمرات محدودة بالارتفاع من الدور إلى الدور.
ومع ذلك، فإن الإطارات الموجودة في المحيط الخارجي للمبنى لا تحتوي بالضرورة على هذه القيود. وبالتالي يمكن تطوير إجراء فعال للإطار من خلال توفير أعمدة متقاربة وكمرات عميقة في المحيط الخارجي للمبنى. يتكون الهيكل الشاهق ذو الإطار الصلب عادةً من أحزمة متوازية أو متعامدة تتكون من أعمدة وكمرات ذات وصلات مقاومة للعزوم [8].
تزيد استمرارية الإطار أيضًا من مقاومة تحميل الجاذبية عن طريق تقليل العزوم الموجبة في الكمرات [1]. مزايا الإطار الصلب هي البساطة والملاءمة لشكله المستطيل أي سهل القولبة. يسمح ترتيبه الخالي من العوائق، والخالي من الجدران الهيكلية، بالحرية الداخلية للتخطيط والخارجية للنوافذ والواجهات.
تعتبر الإطارات الصلبة اقتصادية للمباني التي يصل ارتفاعها إلى 25 طابقًا، بينما يكون التحكم في مقاومة الانجراف مكلفًا في ما أكثر من ذلك. ومع ذلك، إذا تم دمج إطار صلب مع جدران القص، فإن الهيكل الناتج يكون أكثر صلابة بحيث يمكن أن تمتد إمكانية ارتفاعه حتى 50 طابقًا أو أكثر [1].
تتحكم الصلابة الأفقية للإطار الصلب أساسًا بمقاومة الانحناء للكمرات والأعمدة ووصلاتها، وبالإطار الطويل وأيضًا بالصلابة المحورية للأعمدة (انظر الشكل التالي). يقاوم القص الأفقي المتراكم فوق أي دور لإطار صلب بواسطة القص في أعمدة ذلك الدور.
أنظمة الإطارات الصلبة ليست فعالة للمباني التي يزيد ارتفاعها عن 30 طابقًا لأن مكون أرفف القص للترخيم الناتج عن انحناء الأعمدة والكمرات يتسبب في تأرجح المبنى بشكل مفرط [3].
الإطارات المدعومة أو المقيدة هي نوع من الإطارات المقاومة للعزوم والتي لها دعامات x قطرية مفردة ودعامات k. كما يتم استخدام دعامة knee and lattice. غالبًا ما لا يتم استخدام الإطارات الخرسانية ذات الدعامة، نظرًا لأن جدران القص متفوقة في البناء والمقاومة الجانبية. يستخدم تقوية lattice في بناء بلاطات مسبقة الصنع.
تُستخدم الإطارات ذات الدعامة الفولاذية في النوى الداخلية، لذلك يمكن إجراء التوصيلات بسهولة باستخدام ألواح الجدران. قد تحتوي الإطارات المركبة ذات الدعامة على دعامات فولاذية في دعامات خرسانية في إطارات فولاذية. كما يتم استخدام تغليف خرساني للأعمدة وكمرات الأرضية المركبة.
أنظمة إطار جدار القص - Shear wall-Frame Systems
في هذا النظام، يتم توفير مقاومة التحميل الأفقي من خلال مجموعة من جدران القص والإطارات الصلبة [9]. غالبًا ما يتم وضع جدران القص حول نوى المصعد والخدمة بينما توضع الإطارات ذات الكمرات العميقة نسبيًا في محيط المبنى. عندما يتم تحميل هيكل الجدار والإطار بشكل جانبي، يمكن أن تكون أشكال الانحراف المختلفة للجدران والإطارات فعالة جدًا في تقليل الانحرافات الجانبية إلى الحد الذي يجعل المباني التي تصل إلى 50 طابقًا أو أكثر اقتصادية [1].
تعتمد المزايا المحتملة لهيكل الجدار والإطار على شدة التفاعل الأفقي، والذي تحكمه الصلابة النسبية للجدران والإطارات، وارتفاع الهيكل. كلما زاد ارتفاع المبنى وصلابة الإطارات، زاد التفاعل [10].
لقد تم فهم تفاعل الإطار وجدران القص لبعض الوقت، فالنمط الكلاسيكي للتفاعل بين جدار القص المنشوري وإطار العزوم هو أن الإطار ينحرف أساسًا في ما يسمى بوضع القص بينما ينحرف جدار القص في الغالب بواسطة الانحناء كعنصر ناتئ كابولي (انظر الشكل التالي).
يقدم توافق الانحراف الأفقي تفاعلًا بين النظامين يميل إلى فرض انحناء عكسي في نمط الانحراف للنظام. لذلك، يعتمد الإجراء الهيكلي المشترك على الصلابة النسبية للعناصر المختلفة المستخدمة في تكوين نظام مقاومة الحمل الجانبي.
يعتبر توزيع إجمالي قص الرياح على جدران وإطارات القص الفردية كما هو موضح في مخطط التفاعل البسيط صالحًا فقط إذا تم استيفاء أحد الشرطين التاليين.
1. يجب أن يكون لكل جدار قص وإطار خصائص صلابة ثابتة طوال ارتفاع المبنى.
2. إذا اختلفت خصائص الصلابة في الارتفاع، فيجب أن تظل الصلابة النسبية لكل جدار وإطار دون تغيير طوال ارتفاع المبنى.
أنظمة Shear Truss-Outrigger Braced Systems
يتكون الترتيب الهيكلي لهذا النظام من نواة خرسانية رئيسية متصلة بالأعمدة الخارجية بواسطة أعضاء أفقية صلبة نسبيًا مثل الجدران العميقة المكونة من طابق أو طابقين والتي يشار إليها عادةً باسم outriggers الركائز. قد يكون القلب في موقع مركزي مع دعامات ممتدة على كلا الجانبين أو قد يكون موجودًا على جانب واحد من المبنى مع outriggers ممتدة إلى أعمدة المبنى على جانب واحد [1].
نظام الركائز outriggers هو تطور بسبب الرغبة في تكوين نوى داخلية وأعمدة خارجية كوحدة واحدة من خلال ربطها معًا على مستوى واحد أو أكثر بأذرع صلبة - outriggers. يمكن تشكيل هذه الأذرع من خلال أي مزيج من الفولاذ أو الخرسانة أو القطاعات المركبة وتقلل من عزوم الانقلاب الداخلي للهيكل بنسبة تصل إلى 40٪ مقارنة بتلك الموجودة في الكابولي الحر [10].
يمكن أن توفر أنظمة الركائز outriggers متعددة المستويات ما يصل إلى خمسة أضعاف مقاومة العزوم لنظام الركيزة outriggers الفردي. يتم استخدام أنظمة الركائز للمباني التي يصل ارتفاعها إلى 70 طابقًا ولكن المفهوم يجب أن ينطبق على المباني الأعلى [11].
الاستجابة الهيكلية الأساسية للنظام بسيطة للغاية. عند تعرضها لأحمال جانبية ، تقاوم الأعمدة المقيدة بال outriggers دوران القلب أو الكور، مما يتسبب في أن تكون الانحرافات الجانبية والعزوم في القلب أصغر مما لو قاومت النواة أو الكور القائم بذاته التحميل كما هو موضح في الشكل التالي [3].
لا يتم مقاومة العزوم الخارجية بانحناء القلب وحده، ولكن أيضًا عن طريق الشد والضغط المحوريين للأعمدة الخارجية المتصلة بأذرع الامتداد outriggers. نتيجة لذلك، يزداد العمق الفعال للهيكل لمقاومة الانحناء عندما ينثني اللب باعتباره ناتئًا رأسيًا، عن طريق تطور الشد في الأعمدة المواجهة للرياح، وعن طريق الضغط في أعمدة الجهة المقابلة.
نظام الأنبوب المؤطر - Framed-Tube System
في أبسط مصطلحاته، يمكن تعريف الأنبوب المؤطر على أنه نظام ثلاثي الأبعاد يشرك محيط المبنى بأكمله لمقاومة الأحمال الجانبية [1]. من المتطلبات الضرورية لإنشاء هيكل ثلاثي الأبعاد يشبه الجدار وضع أعمدة على السطح الخارجي للمبنى قريبة نسبيًا من بعضها البعض، وربطها بعوارض أو كمرات عميقة كما هو موضح في الشكل التالي.
يعمل النظام بكفاءة عالية باعتباره ناتئًا رأسيًا مجوفًا. ومع ذلك، قد يكون الانجراف الجانبي بسبب الإزاحة المحورية للأعمدة - يشار إليها عادةً باسم انجراف الوتر - وانجراف الويب الناجم عن تشوهات القص والانحناء في الأعمدة والكمرات، كبيرًا جدًا اعتمادًا على هندسة الأنبوب.
في أنظمة الأنبوب المؤطر، عادة ما يتم محاذاة اتجاه الانحناء "القوي" للأعمدة على طول وجه المبنى، على عكس إطار صلب عرضي نموذجي حيث يتم محاذاته بشكل عمودي على الوجه. تعمل الإطارات الموازية للحمل الجانبي كأعصاب للأنبوب المجوف، بينما تعمل الإطارات العادية للحمل كفلانجات.
عند تعرض الأعمدة للانحناء، تتعرض الأعمدة الموجودة على الجوانب المتقابلة للمحور المحايد للأنبوب لقوى شد وانضغاط. بالإضافة إلى ذلك، تخضع الإطارات الموازية لاتجاه الحمل الجانبي للانحناء داخل المستوى وقوى القص المرتبطة بعمل إطار صلب مستقل.
اقرأ أكثر عن: نظام الأنبوب المؤطر
أنظمة الأنبوب المؤطر والمقيد بجمالون - Trusted Tube Systems
يعمل نظام الأنبوب المقيد بجمالون على تحسين كفاءة الأنبوب المؤطر من خلال زيادة إمكانية استخدامه في المباني العالية والسماح بمسافة أكبر بين الأعمدة. يتم تحقيق ذلك عن طريق إضافة دعامة قطرية على أوجه الأنبوب كما هو موضح في الشكل التالي للتخلص فعليًا من تأخر القص في كل من إطارات الفلانجات والويب [1].
الأنبوب المؤطر، كما تمت مناقشته سابقًا، حتى مع تباعد الأعمدة الصغير يكون مرن إلى حد ما لأن الضغوط المحورية العالية في الأعمدة لا يمكن نقلها بشكل فعال حول الزوايا. لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، يجب أن يستجيب الأنبوب للأحمال الجانبية بنقاء ناتئ، مع انتشار قوى الضغط والشد بشكل موحد عبر الوجوه المواجهة للريح والعكسية.
ومع ذلك، فإن الأنبوب المؤطر يتصرف وكأنه أنبوب رقيق الجدران مع فتحات. تميل القوى المحورية إلى التقلص أثناء تحركها حول الزوايا، مما يؤدي إلى أن الأعمدة الموجودة في منتصف الوجوه المواجهة للريح والواجهة الأمامية قد لا تحافظ على حصتها العادلة من قوى الانضغاط والشد. مثال على أحد التطبيقات هو مبنى Onterie Center في شيكاغو (الشكل التالي).
أنظمة الأنبوب المجمعة (الحزمة) - Bundled Tube Systems
يتكون هيكل الأنبوب المجمّع من أربعة إطارات صلبة متوازية في كل اتجاه متعامد، مترابطة لتشكيل تسعة أنابيب مجمعة (انظر الشكل 11). المبدأ هو نفسه بالنسبة لهيكل الأنبوب الفردي حيث تعمل الإطارات في اتجاه الحمل الأفقي كشبكات وتعمل الإطارات العمودية كفلانشات.
من خلال إدخال الشبكات الداخلية، يتم تقليل تأخر القص shear lag بشكل كبير ونتيجة لذلك يتم توزيع الضغوط في الأعمدة بشكل متساوٍ بشكل أكبر وتكون مساهمتها في الصلابة الجانبية أكثر أهمية. هذا يسمح للأعمدة أن تكون متباعدة عن بعضها البعض وأن تكون أقل لفتًا للانتباه. من حيث الجوهر، فإن المبدأ الأساسي لتحقيق استجابة نظام الأنبوب المجمع هو توصيل أنبوبين فرديين أو أكثر في حزمة واحدة. الغرض الرئيسي هو تقليل آثار تأخر القص shear lag.
References
[1] Bungale S. T. (2010): Reinforced Concrete Design of Tall Buildings. CRC Press, Taylor and Francis Group
[2] Khan, F.R. (1969): Recent structural systems in steel for high-rise buildings. In Proceedings of the British Constructional Steelwork Association Conference on Steel in Architecture. London: British Constructional Steelwork Association.
[3] Ali M.M., and Moon K.S. (2007): Structural developments in tall buildings: Current trends and future prospects. Architectural Science Review 50(3):205-223
[4] Khan, F.R. (1972): Influence of design criteria on selection of structural systems for tall buildings, In Proceedings of the Canadian Structural Engineering Conference. Toronto: Canadian Steel Industries Construction Council, 1-15.
[5] Khan, F.R. (1973): Evolution of structural systems for high-rise buildings in steel and concrete. In J. Kozak (Ed.), Tall Buildings in the Middle and East Europe: Proceedings of the 10th Regional Conference on Tall Buildings-Planning, Design and Construction. Bratislava: Czechoslovak Scientific and Technical Association
[6] Ali, M.M. (2001): Art of the Skyscraper: The Genius of Fazlur Khan. New York: Rizzoli.
[7] Reddy S.V.B., and Eadukondalu M. (2018): Study of the lateral structural systems in tall buildings. International Journal of Applied Engineering Research 13(15): 11738 – 11754
[8] Zalka K. A. (2013): Structural Analysis of Regular Multi-storey Buildings. CRC Press – Taylor and Francis Group, USA
[9] Aginam C.H., Chidolue C.A., and Ubani O.U. (2015): Effect of Planar Solid shear wall-frame arrangement on the deformation behavior of multi-story frames. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering 12(1):98-105
[10] Sandelin C. and Bujadev E. (2013): The stability of high-rise buildings: An evaluation of the tubed mega frame concept. Dissertation submitted to the Department of Engineering Science, Applied Mechanics, Civil Engineering, Uppsala University
[11] Hallebrand E., and Jakobsson W. (2016): Structural design of high-rise buildings. M.Sc thesis presented to the Department of Construction Sciences (Division of structural mechanics), Lund University, Sweden