سیستم های لوله ای در سازه برج

در طرح سازه های بلند اخیرا ایده جدیدی ارائه شده است که موسوم به سیستم لوله ای می باشد. در حال حاضر در چهار مورد از پنج ساختمانی که بلندترین ساختمان های دنیا می باشند از این روش استفاده شده است. این ساختمان ها عبارتند از، ساختمان هنکاک برج سیرز و ساختمان استاندارد اویل در شیکاگو و ساختمان مرکز تجارت دنیا در نیویورک . بازده سازه ای سیستم های لوله ای به قدری زیاد می باشدکه در اکثر موارد مقدار مصالح سازه ای مصرف شده برای هر فوت مربع کف (یا سقف) قابل مقایسه با مقدار مصالح مصرف شده در ساختمان های قابی متداول به ارتفاع نصف می باشد.
در طرح لوله ای فرض می شود که عناصر سازه ای پیرامونی ساختمان در مقابل بارهای جانبی همچون یک تیر با مقطع صندوقی (جعبه ای) تو خالی که از زمین طره شده است عمل کند. چون دیوارهای خارجی تمام یا بیشتر بار جانبی را تحمل می کنند، مهار بندی های قطری یا دیوارهای برشی داخلی پر هزینه حذف می گردند.
دیوارهای لوله از ستون هایی تشکیل می شوند که به فواصل کم در مجاورت یکدیگر در اطراف محیط ساختمان قرار می گیرند و به یکدیگر با تیرهای با عمق زیاد که در بالا و پایین آنها سوراخ های پنجره قرار دارند متصل می شوند. این سازه نمایی همچون دیواری با سوراخ های متعدد به نظر می رسد. سختی دیوار نما را می توان با افزودن مهار بندی های مورب (قطری) که اثر خر پامانند ایجاد می کنند زیاد تر نمود. صلبیت لوله چنان زیاد است که در مقابل بارهای جانبی به صورت یک تیر طره ای عمل می کند. لوله خارجی می تواند به تنهایی تمام بارهای جانبی را تحمل کند یا اینکه با افزودن نوعی مهار بندی داخلی می توان لوله را بیشتر تقویت نمود و سخت تر کرد.

در زیر کار بردهای مختلف سیستم لوله ای که تا امروزه به کار رفته اند بررسی می گردند. این بخش به موضوع های زیر تقسیم می شود:
• سازه لوله توخالی در ساخت برج
o لوله قابی
o لوله خرپایی شامل
1. لوله خرپایی مرکب از ستون و عناصر قطری
2. لوله خرپایی مشبک
• برج با سازه لوله با مهاربند ی داخلی
o لوله با دیوارهای برشی موازی
o لوله در لوله
o لوله اصلاح شده شامل
1. لوله قابی توأم با قاب های صلب
2. لوله در نیم لوله
• لوله های دسته شده
سازه لوله توخالی در ساخت برج
• لوله قابی
• لوله خرپایی:
• لوله خرپایی مرکب از ستون و عناصر قطری :
• لوله خرپایی مشبک :
لوله قابی
کاربرد نخستین سیستم لوله ای قابی بود که برای اولین بار در ساختمان آپارتمانی 43 طبقه دویت چست نات در شیکاگو (1961) به کار رفت. در این سیستم لوله ای دیوار های خارجی سا ختمان از شبکه ای از تیرهای نزدیک به هم تشکیل می شود که با اتصالات صلب به یکدیگر متصل می باشند(به صورت قاب ویراندیل) و این دیوارهای خارجی به توسط عمل لوله طره شده بدون استفاده از مهار بندی داخلی بارهای جانبی را تحمل می کنند. فرض می شود که ستون های داخلی فقط بارهای وزن را تحمل می نمایند و در سختی لوله خارجی سهمی ندارند. کف های سخت طبقات همچون دیافراگم نیروهای جانبی را به دیوارهای پیرامونی توزیع می کنند.
مثال های دیگری از ساختمان هایی که در آنها از لوله قابی تو خالی استفاده شده عبارتنداز: ساختمان 83 طبقه استاندارد اویل در شیکاگو و ساختمان 110 طبقه مرکز تجارت دنیا درنیویورکبا وجود اینکه این ساختمان ها دارای هسته داخلی می باشند مانند لوله های تو خالی عمل می کنند زیرا هسته ها در آنها برای تحمل بارهای جانبی طرح نگردیده اند.

لوله ویراندیلی بطور منطقی از سازه قاب صلب معمولی نتیجه می شود و در حقیقت تکامل یافته آن می باشد. این سیستم دارای سختی جانبی و مقاومت پیچشی بالا می باشد و در عین حال از لحاظ تقسیم بندی فضای داخل آن انعطاف پذیر است.ستون ها و تیرها در شبکه به قدری نزدیک یکدیگر و با فاصله کم قرار داده می شوند که می توان از آنها به عنوان چهار چوب یا قاب پنجره ها استفاده نمود.
در طرح سیستم های لوله ای قابی ایده ال آن است که دیوارهای خارجی به صورت واحد و مشترک عمل کنند و در مقابل بارهای جانبی کاملا مانند یک تیر طره ای خم شوند. در چنین حالتی تمام ستون هایی که لوله را می سازند، مشابه تارهای یک تیر، تحت کشش یا فشار محوری مستقیم خواهند بود.
اما رفتار واقعی لوله در جایی ما بین رفتار تیر طره ای خالص قاب خالص قرار دارد. اضلاعی از لوله که موازی امتداد نیروهای جانبی می باشند، با توجه به انعطاف پذیری تیرها ، تمایل دارند که مانند قاب های صلب چند دهانه و مستقل عمل کنند. این انعطاف پذیری باعث می شود که در قاب تغییر شکل های ناشی از برش ایجاد شود که به نام لنگی برش خوانده می شود. بنابراین در ستون ها و تیرها خمش بوجود می آید.
اثر تغییر شکل برشی در روی عمل لوله منجر به توزیع غیر خطی فشار در امتداد پوش ستون ها می گردد، ستون هایی که در گوشه های ساختمان واقع شده اند مجبور می باشند سهم بیشتری از بار را نسبت به ستون های ما بین آنها تحمل کنند. تغییر شکل کل ساختمان دیگر شباهت به تغییر شکل تیر طره ای نخواهد داشت زیرا تغییر شکل حالت برش اهمیت بیشتری پیدا می کند.
مسئله برش شدیداً در روی کار آیی سیتم های لوله ای تأثیر می گذارد و تمام پیشرفت های بعدی در طرح لوله ای سعی بر بر طرف نمودن این اشکال دارد. چنین به نظر می رسد که روش لوله قابی برای ساختمان های فولادی تا 80 طبقه و برای ساختمان های بتنی تا 60 طبقهاقتصادی باشد.

لوله خرپایی:
ضعف لوله قابی در انعطاف پذیری تیرهای آن قرار دارد. با اضافه نمودن عناصر مورب (قطری) به مقدار زیادی بر صلبیت لوله افزوده می گردد. در این صورت قسمت عمده برش به وسیله عناصر قطری جذب می شود نه به وسیله تیرهایی که در بالا و پایین آنها پنچره قرار دارد. اعضاء قطری مستقیماً بارهای جانبی را اساساً به صورت نیرو های محوری تحمل می کنند. این کاهش تغییر شکل برشی (ناشی از لنگی برش) رفتار خالص طره ای را تامین می کند.
لوله خرپایی مرکب از ستون و عناصر قطری :
در این سیستم از عناصر قطری در داخل شبکه مستطیلی تیرها و ستون ها استفاده می شود. عناصر قطری و تیرها با یکدیگر در مقابل بارهای جانبی صلبیت دیوار مانندی بوجود می آورند. این اعضاء قطری نه فقط قسمت اعظم بارهای جانبی را حمل می کنند بلکه همچون ستون های مایل عمل می نمایند و بار های وزن را نیز تحمل می کنند.
معمولاً کشش ایجاد شده در اثر بار های جانبی بر فشار تولید شده در اثر بارهای ورن غالب نمی آید. وظیفه دوگانه اعضاء قطری این سیستم را برای ساختمان های خیلی بلند (تا حدود 100 طبقه برای ساختمان های فولادی) نسبتاً پر بارده می سازد. استفاده از عناصر قطری موجب می شود که بتوان فاصله ستون ها را خیلی بیشتر از فاصله ستون ها در لوله قابی اختیار کرد.
یک ویژگی اصلی این سیستم قابلیت آن در توزیع یکنواخت بارهای متمرکز در سراسر سازه می باشد.
تیرها بارهای وزن بین ستون ها را حمل می نمایند و مانند مهارهایی از کشیده شدن کف ها جلوگیری می کنند. بدین طریق آنها بر کار آیی عناصر قطری به عنوان سیستم اصلی توزیع بار می افزایند.
روش جالبی برای ایجاد عناصر قطری در دیوارهای خارجی بتنی در پروژه تحصیلی یکی ازدانشجویان انستیتوی تکنولوژی ایلی نوی پیشنهاد شده است. در آن عناصر قطری با پر نمودن سوراخ های پنچره در یک طرح مورب بوجود می آید.

لوله خرپایی مشبک :
در این سیستم ، لوله از عناصر مورب نزدیک بهم بدون هیچ ستون قائمی ساخته می شود. اعضاء مورب مانند ستون های مایل عمل می کنند، تمام بارهای وزن را حمل می نمایند و سازه را در مقابل بارهای جانبی سخت تر می سازند. عناصر مورب را ممکن است به وسیله تیرهای افقی به یکدیگر متصل کرد.
عناصر مورب در مقابل بار های جانبی فوق العاده پر بازده می باشند ولی در انتقال بارهای وزن به زمین نسبت به ستون های قائم بازده کمتری دارند. بعلاوه تعداد زیاد اتصالاتی که بین این عناصر مورب لازم می باشد و مشکلات مربوط به جزئیات پنجره ها سیستم خرپای مشبک را به طور کلی چندان عملی و قابل استفاده نمی سازد.
برج با سازه لوله با مهار بندی داخلی
• لوله با دیوارهای برشی موازی:
• لوله در لوله:
• لوله اصلاح شده :
• لوله های دسته شده:
لوله خارجی را ممکن است یا با افزودن عناصر قطری در صفحه های خارجی تقویت نمود و یا آن را از داخل با اضافه نمود دیوار های برشی یا هسته های داخلی تقویت کرد. در قسمت های زیر چند روش برای مهار بندی داخلی بررسی می گردند.
لوله با دیوارهای برشی موازی:
دیوار لوله ای خارجی را می توان با ترکیب نمودن دیوارهای برشی داخلی در نقشه افقی سازه تقویت کرد. دیوار های لوله خارجی را می توان مانند بال های یک تیر تشکیل شده از اعضاء متصل به هم از این تجسم نمود که در آن دیوارهای برشی جان تیر را تشکیل می دهند. تنشها در دیوارهای لوله خارجی اساساً محوری می باشند زیرا لنگی برش در این سیستم حداقل می باشد.
لوله در لوله:
با به کار بردن هسته نه فقط برای بارهای وزن بلکه همچنین برای تحمل بار های جانبی سختی سیستم لوله تو خالی به مقدار خیلی زیادی افزایش می یابد. سازه کف لوله های خارجی و داخلی را به یکدیگر متصل می کند و همگی در مقابل نیرو های جانبی به صورت واحد و مشترک عمل می نمایند.
واکنش یک سیستم لوله در لوله در مقابل بار های جانبی مشابه واکنش ساده مرکب از قاب صلب و دیوار برشی است. اما لوله قابی خارجی خیلی سخت تر از قاب صلب می باشد.
لوله خارجی بیشتر بار جانبی را در قسمت بالا ساختمان مقاومت می کند، در صورتی که هسته بیشتر بار را در قسمت پائین ساختمان تحمل می نماید.
روش لوله در لوله در ساختمان 38 طبقه برانسویک در شیکاگو و ساختمان 52 طبقه شماره 1 میدان شل در هوستون به کار رفته است.
با به کار بردن یک سیستم سه لوله ای تو در تو ، طراحان یک ساختمان 60 طبقه اداری درتوکیوسیستم لوله در لوله را یک قدم به جلو بردند. در این سیستم لوله خارجی به تنهاییبارهای بادرا تحمل می نماید، ولی هر سه لوله که بوسیله سیستم های کف(دیافراگم ها) بهیکدیگر متصل شده اند در تحمل بارهای زلزله که عامل مهمی در ژاپن می باشد شرکت کرده و روی یکدیگر اثر متقابل دارند.

لوله اصلاح شده :
سیستم لوله ای در مورد ساختمان های با نقشه افقی دایره و تقریبا مربع بیشترین بازده را دارد. ساختمان هایی که از این شکل ها منحرف می شوند، در موقع استفاده از سیستم های لوله ای ملاحظات سازه ای ویژه ای را لازم دارند. دو مثال زیر چنین شرایطی را تشریح می کند.
• لوله قابی توأم با قاب های صلب :
شکل شش ضلعی ساختمان 40 طبقه اداری در شارلوت واقع در ایالت کارولاینای شمالی طراحان را وادار کرد تا روش لوله ای را اصلاح کنند، گوشه های تیز این ساختمان شش ضلعی لنگی برش زیادی را نشان داد که استفاده موثر از سیستم لوله ای را غیر ممکن می ساخت .
اضافه نمودن قاب های صلب در جهت عرض ساختمان موجب گردید که دیوارهای خارجی به یکدیگر متصل شوند، بدین ترتیب دیوارهای انتهایی در دو انتهای مثلثی شکل ساختمان بهوسیله قاب های صلب تقویت گردیدند. با متصل کردن و بستن دیوار های پیرامونی به یکدیگر سیستم لوله ای موثری بدست آمد.

• لوله در نیم لوله:
نقشه افقی نا منظم ساختمان 32 طبقه بانک ملی و ستون پنسیلوانیا در پیتسبورگ موجب راه حل ویژه دیگری در طرح لوله ای گردید، در اغلب ساختمان های لوله ای عمل لوله ای به وسیله دیوار های خارجی ایجاد می گردد اما در این ساختمان، دو هشت ضلعی متقاطع یک لوله سازه ای در قسمت مرکزی ساختمان تشکیل می دهند.
دو قسمت انتهایی ساختمان به وسیله سیستم های قاب – دیواری ناودانی شکل تقویت می شوند. نیروهای جانبی (در اینجا باد) مشترکا به توسط لوله داخلی و دیوارهای انتهایی ناودانی شکل بسیار بزرگ مقاومت می گردند.
لوله های دسته شده:
آخرین پیشرفت در طرح روش لوله های دسته شده می باشد. این روش برای ساختمان سیرز درشیکاگو به کار برده شده که در حال حاضر بلندترین ساختمان دنیاست.
لوله قابی خارجی در این روش به وسیله دیافراگم های عرضی داخلی در هر دو جهت تقویت می گردد. بدین ترتیب مجموعه ای از لوله های حجره ای تشکیل می شود. هر یک از این لوله های مستقلاً قوی هستند، بنابراین ممکن است آنها را به هر شکلی دسته کرد و در هر ترازی قطع نمود.برتری دیگر سیستم لوله های دسته شده در محصور کردن سطوح بسیار وسیع طبقات قرار دارد .
دیافراگم های داخلی در موقع مقاومت نیروهای برشی مانند جان های یک تیره طره ای عظیم عمل می کنند و در نتیجه لنگی برش را به حداقل می رسانند. به علاوه این دیافراگم ها در تحمل خمش نیز سهیم می باشند.
دیافراگم هایی که موازی بارهای جانبی هستند(یعنی جان های تیر) برش را جذب می کنند و در نتیجه در نقاط تلاقی با دیوارهای عمود بر آنها (یعنی بال ها) نقاط شش حداکثر ایجاد می شود که نشان دهنده عمل جداگانه هر یک از لوله ها می باشد، به اختلاف توزیع تنش محوری با حالتی که هیچ تقویت کننده داخلی وجود ندارد یعنی فقط یک لوله تنها باشند توجه کنید. با وجود اینکه تا حدودی لنگی برش رخ می دهد، دیافراگم های قائم سعی بر توزیع یکنواخت تنشهای محوری دارند. ولی انحراف از رفتار لوله ای ایده آل که با خطوط منقطع در شکل نشان داده شده به نظر نمی رسد که قابل ملاحظه باشد.

• ساختمان های مرکب یا پیوندی :
• ساختمان های مرکب لوله ای :
• پوشش دیواری صفحه ای:
ساختمان های مرکب یا پیوندی
در سازه پیوندی که از پیشرفت های اخیر به منظور ازدیاد سختی جانبی آسمان خراش های قابی می باشد بتن و فولاد مشترکاً به عنوان واحد سازه ای عمل می کنند. این ایده چندین سال است که در مورد اعضاء سازه ای مانند کف ها وستون ها به کار رفته است . اما طرح تمام ساختمان بصورت مرکب روش کاملا جدیدی به شمار می رود. در زیر دو راه حل متمایز به عنوان مثال هایی از کار برد این روش ارائه می شود.
ساختمان های مرکب لوله ای
در سیستمی که به وسیله شرکت اسکیدمور، اوبنگز و مریل طرح و تکمیل شده است قابفولادی خارجی در مقابل تغییر شکل جانبی به وسیله دیوار پیرامونی مشبک (سوراخ دار) بتنیریخته شده در محل تقویت می گردد. ساختمانی که بدین ترتیب بر پا می شود شباهت به لوله صلبی دارد که از زمین طره شده باشد. در این روش اجرای سریع و مقاومت زیاد (و در نتیجه انعطاف پذیری فضای داخل) ساختمان فولادی با محفوظ از آتش بودن، عایق بندی، صلب جانبی ، و قالب پذیری دیوار خارجی بتنی ترکیب می شود. این سیستم در ساختمان 36 طبقه گیت وی- 3 در شیکاگو، ساختمان 50 طبقه برج شماره 1 میدان شل در نیواورلئان و ساختمان 24 طبقه سی-دی-سی در هستون که در آن قطعات پیش ساخته نما بعنوان قالب بندی بتن ریخته شده در محل به کار رفتند، مورد استفاده قرار گرفته است.

روش اجرای این سیستم بدین ترتیب است که ابتدا قاب فولادی به اندازه 8 تا 10 طبقه بالا آورده می شود. ستون های خارجی باید بارهای اجرایی را تحمل کنند. برای تأمین پایداری جانبی، قاب خارجی به طور موقت بوسیه کابل مهاربندی می شود. سپس فولادهای کف در محل قرار می گیرد و بتن کف ریخته می شود تا پایداری اسکلت فولادی تأمین گردد و بتوان کار داخل ساختمان را شروع کرد. بعد از اینکه شبکه های فولادی بتن مسلح و قالب های بتن در اطراف ستون ها و برای شاه تیرها در محل قرار داده شد، بتن ریخته می شود تا یک دیوار محیطی پیوسته مشبک (سوراخ دار) تشکیل گردد. این سلسله عملیات در هر 8 تا 10 طبقه ساختمان تکرار می شود.
اما اختلاف حرکت بین ستون های خارجی بتن – فولادی و ستون های داخلی فولادی مشکلی ایجاد می کند، برای اینکه کوتاه شدن نامساوی ستون ها در اثر رفتار ارتجاعی، انقباض و خزش برطرف شود .در جا گذاری شاه تیر ها باید تعدیلی صورت گیرد.
چون جدار لوله ای در این سیستم همه بارهای جانبی را مقاومت می کند، ستون ها شاه تیرهای تشکیل دهنده قاب های هسته تأسیسات ضروری «آسانسور، آب، برق، گاز و غیره) می توانند سبک تر باشند زیرا آنها فقط بارهای وزن را تحمل می کنند. همچنین کف قابل استفاده خالص در طبقات بالا در آنها سطح هسته را می توان کاهش داد افزایش می یابد.
شرکت رید و تاریکس در سانفرانسیسکو سیستم ساختمانی مرکب لوله ای دیگری ابداع کرده است. آنها از شاه تیرهای فولادی و ستون های فولادی لوله ای پر شده با بتن به عنوان سازه نمااستفاده می کنند. در این مورد نیز پوش ساختمان سختی کافی برای حمل تمامبارهایجانبیرا تأمین می نماید. در این سیستم از قطعات پیش ساخته ای استفاده می شودکه هر یک شامل یک ستون لوله ای به ارتفاع دو طبقه و دو شاه تیر فولادی طره ای میباشد. این قطعات پیش ساخته در وسط دهانه شاه تیرها و در وسط ارتفاع ستون ها بهیکدیگر پیچ کرده می شود. از لحاظ بار گذاری جانبی این نقاط اتصال تحت کمترین تنش می باشد . پیوستگی طبیعی شاه تیرها در محل ستون ها که تنش ها بیشترین مقدار را دارند از بین نمی رود، شاه تیرها در ستون ها فرو می روند و فقط جان آنها به لوله متصل می شود. بدین ترتیب از تعداداتصالات ساختمان که تحت تنش های زیاد می باشند به مقدار زیادی کاسته میشود.

پوشش دیواری صفحه ای
روی دیوارهای خارجی سازه های قابی فولادی معمولاً قطعات پیش ساخته دیواری متصل می گردد،این قطعات نا سازه ای می باشند و منحصراً برای حفاظت در مقابل محیط خارج ساختمان به کار می روند.
میس فان در روهه یکی از اولین آرشیتکت هایی بود که از روکش ( پوشش) فولادی در سازهنمای ساختمان های بلند استفاده کرد، در یک ساختمان آپارتمانی، او از صفحات فولادی رنگ شده به ضخامت 5 –16 اینچ برای پوشاندن بتن محافظ قاب فولادی در مقابل آتش سوزیاسفاده نمود. موقعی که پوشش فولادی به توسط بر آمدگی های میخ شکلی به بتن مسلحمتصل می گردد، نه فقط در مقابل هوا ، قاب پنجره و نمایش معماری مطلوب بوجود می آورد بلکه سختی سازه ای نیز ایجاد می کند، در اغلب سازه های قاب صلب، قسمت اعظم مقاومت در مقابل تغییر مکان جانبی به وسیله شاه تیرها ایجاد می شود. اما عمل مرکب پوسته فولادی و قاب متشکل از فولاد و بتن مسلح مقاومت جانبی را به قدری زیاد می کند که شاه تیرهایداخلی سختی کمتری لازم دارند. به علاوه بدون افزایش وزن سازه، نوسان (تغییر مکان جانبی) ساختمان 20 تا 50 در صد کاهش می یابد. چون پوشش فولادی نسوز نمی باشد. آیین نامه ها استفاده از آن را برای تحمل بارهای وزن مجاز نمی دانند.