دانلود رایگان ترجمه مقاله چشم اندازهای آینده و تحولات سازه ای (تیلور و فرانسیس 2007)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1871

در اواسط قرن بیستم، پس از جنگ، عصر تولید انبوه بر اساس سبک بین المللی تعریف شده قبل از جنگ فرا رسید و فن آوری زودتر توسعه یافته بود. نیروی محرکه اصلی تحولات ساختمان بلند, اقتصاد بود. حتی مسابقه ارتفاعی که یک بار شایع شده بود, بعد از جنگ جهانی دوم, تا زمان ساخت و ساز مرکز تجارت جهانی در نیویورک و برج سیرز در شیکاگو، که به ترتیب در سال های 1973 و 1974، تکمیل شدند, رخ نداد.
سیستم های سازه ای برای ساختمان های بلند از زمان سقوط چارچوب های صلب رایج در دهه 1960 به عنوان نوع غالب سیستم سازه ای برای ساختمان های بلند فولادی و یا بتنی, تحت تغییرات چشمگیر قرار گرفته اند. با ظهور اشکال لوله ای که هنوز هم با سبک بین المللی منطبق هستند، چنین تغییراتی در شکل سازه ای و سازماندهی ساختمان های بلند, به واسطه روندهای معماری در حال ظهور در طراحی در رابطه با خواسته های اقتصادی و پیشرفت های تکنولوژیکی در عرصه های تجزیه و تحلیل سازه ای منطقی و طراحی صورت گرفته با ظهور رایانه های دیجیتال با سرعت بالا ضروری شد. با آغاز در دهه 1980، ساختمان های بلند Miesian رایج تا حد زیادی توسط ویژگی های نمای نمایش های پست مدرن، تاریخی، شبکه قطری و ساختارشکنی جایگزین شدند. این مورد نامطلوب نبود چرا که نسل جدیدی از ساختمان های بلند, یکنواختی فرم برج بیرونی را شکستند و منجر به بروز ارتفاعات بلند مدرن شدند. سیستم های سازه ای نوآورانه شامل لوله ها، چارچوب های عظیم، سیستم های هسته- و- مهار بازویی، سازه های میرا شده به صورت مصنوعی، و سیستم های ترکیبی فولاد-بتن, برخی از پیشرفت های جدید از دهه 1960 هستند.
حق بیمه برای ارتفاع
اسکلت سازه ای اولیه یک ساختمان بلند را می توان به عنوان تیر سگدست عمودی با پایه ثابت آن در زمین مجسم نمود. این سازه باید بارهای گرانش عمودی و بارهای جانبی باد و زلزله را تحمل نماید. بارهای گرانش توسط بارهای مرده (ساکن) و زنده ایجاد می شوند. بارهای جانبی تمایل دارند که ضربه محکمی به ساختمان بزنند یا آن را سرنگون نمایند. بنابراین این ساختمان باید دارای مقاومت برشی و خمشی کافی باشد و نباید قابلیت حمل بار عمودی خود را از دست ندهد.
Fazlur Khan برای اولین بار متوجه شد که با بلندتر شدن ساختمان ها، یک “حق بیمه برای ارتفاع” با توجه به بارهای جانبی و تقاضا در مورد سیستم سازه ای به طور چشمگیری افزایش یافته وجود دارد، و در نتیجه، کل مصرف مصالح سازه ای به طور چشمگیری افزایش می یابد (Ali، 2001). اگر هیچ نیروی جانبی در ساختمان مانند باد یا زلزله وجود نداشته باشد، هر ساختمان ارتفاع-بلند را می توان فقط برای بارهای گرانشی طراحی نمود. سیستم چارچوب بندی کف (طبقه) معمولاً حامل تقریباً همان بارهای گرانش در هر طبقه است، اگر چه شاه تیرها در امتداد خطوط ستون باید به تدریج به سمت پایه ساختمان سنگین تر شوند تا نیروهای فزانده جانبی را تحمل نمایند و سفتی ساختمان تقویت شود. به دلیل افزایش انباشته شده در بارهای گرانش منتقل شده از طبقات بالا, اندازه های ستون به تدریج به سمت پایه ساختمان افزایش می یابد. علاوه بر این، ستون ها باید حتی به سمت پایه برای مقاومت در برابر بارهای جانبی سنگین تر شوند. نتیجه نهایی این است که زمانی که ساختمان بلندتر می شود و نوسان ساختمان با توجه به نیروهای جانبی, بحرانی می شود، یک تقاضای بیشتر در مورد شاه تیرها و ستون هایی که سیستم چارچوب-صلب را برای حمل نیروهای جانبی تشکیل می دهند وجود دارد. مفهوم حق بیمه برای ارتفاع در شکل 2 نشان داده شده است.

اگر همان اندازه های طاقنما را فرض کنیم، کمیت های مصالح مورد نیاز برای چارچوب بندی طبقه, بدون در نظر گرفتن تعداد طبقات, تقریبا یکسان است. مصالح مورد نیاز برای چارچوب بندی طبقه به طول عناصر چارچوب بندی بستگی دارد, یعنی، فاصله ستون به ستون و نه به ارتفاع ساختمان. مقدار مصالح مورد نیاز برای مقاومت در برابر بارهای جانبی، از سوی دیگر، حتی بیشتر افزایش می یابد و بیشتر شدن هزینه های سازه ای شروع می شود, اگر یک سیستم چارچوب-صلب برای سازه های بسیار بلند استفاده شود. این خواستار یک سیستم سازه ای است که به خوبی فراتر از مفهوم چارچوب صلب ساده می رود. بر اساس تحقیقات خود, Khan استدلال کرد که با افزایش ارتفاع فراتر از 10 طبقه، رانش جانبی شروع به کنترل طراحی می نماید، به جای قدرت, سختی به عامل غالب تبدیل می شود، و حق بیمه برای ارتفاع به سرعت با تعداد طبقات افزایش می یابد. پیرو این خط استدلال، Khan تشخیص داد که یک سلسله مراتب از سیستم های سازه ای را می توان با توجه به اثربخشی نسبی در بارهای جانبی مقاومتی برای ساختمان های فراتر از محدوده 20- تا 30 طبقه (Khan، 1969) دسته بندی کرد.
طبقه بندی سیستمهای سازه ای ساختمان بلند
در سال 1969, Fazlur Khan سیستم های سازه ای برای ساختمان های بلند را در ارتباط با ارتفاعات آنها با ملاحظات برای بهره وری در قالب نمودارهای “ارتفاعات برای سیستمهای سازه ای” (Khan، 1969) طبقه بندی نمود. این کار آغاز یک دوره جدید از انقلاب آسمان خراش ها را در سیستم های سازه ای چندگانه مشخص می نمود. بعدها، او این نمودارها را از طریق تغییرات (Khan، 1972، 1973) به روز رسانی نمود. او این طرح ها را برای هر دوی فولاد و بتن توسعه داد, همانطور که می توان از شکل 3 دید (Ali و Armstrong، 1995؛ Schueller، 1986 Ali، 2001). Khan استدلال کرد که چارچوب صلب که بر طراحی و ساخت و ساز ساختمان بلند مسلط شده بود, تنها سیستم متناسب برای ساختمان های بلند نبود. به علت درک بهتر از مکانیک مصالح و رفتار اعضا، او استدلال کرد که سازه را می توان به یک شکل کلی در نظر گرفت، یعنی، ساختمان را می توان در سه بعد تجزیه و تحلیل نمود، توسط شبیه سازی های کامپیوتری قابل پشتیبانی است، و نه به عنوان یک سری از سیستم های مسطح در هر جهت اصلی. سیستم های سازه ای امکان پذیر، به گفته وی، چارچوب های صلب، دیوارهای برشی، ترکیبات دیوار چارچوب-برشی تعاملی، خرپاهای کمربندی، و دیگر سیستم های مختلف لوله ای می باشند.

در این مقاله یک طبقه بندی جدید توسط نویسندگان ارائه شده است که شامل شاخص ترین سیستم های سازه ای ساختمان بلند امروزی می شود. این طبقه بندی برای هر دو سازه اولیه و پس از آن سیستم های میرایی کمکی انجام می شود. با توجه به اهمیت حق بیمه برای ارتفاعات برای ساختمان های بلند، طبقه بندی سیستم های سازه ای بر اساس قابلیت های جانبی مقاوم در برابر بار است.
سیستم های سازه ای ساختمان های بلند را می توان به دو رده عمده تقسیم نمود: سازه های داخلی و سازه های بیرونی. این طبقه بندی مبتنی بر توزیع اجزای سیستم مقاوم در برابر بار جانبی اولیه روی ساختمان است. یک سیستم به عنوان یک سازه داخلی دسته بندی می شود, زمانی که بخش عمده ای از سیستم مقاوم در برابر بار جانبی در داخل فضای داخلی ساختمان واقع شده است. به همین ترتیب، اگر بخش عمده ای از سیستم مقاوم در برابر بار جانبی در محیط ساختمان قرار گرفته باشد، این سیستم به عنوان یک سازه بیرونی طبقه بندی می شود. با این حال، لازم به ذکر است که هر سازه داخلی به احتمال زیاد دارای برخی از اجزای جزئی سیستم مقاوم در برابر بار جانبی در محیط ساختمان است و هر سازه بیرونی ممکن است برخی از اجزای جزئی را در داخل ساختمان داشته باشد.
جداول 1-2 و 2-2 خلاصه جزئیات مربوط به سیستم ها در هر رده است. علاوه بر این، شکل 1-4 و 2-4 نشاندهنده مفهوم هر یک سیستم از نظر هندسی است. این طبقه بندی سیستم های سازه ای بیشتر به عنوان یک راهنما ارائه شده است و باید بدین طریق در نظر گرفته شود. ضروری است که وابسته به دیگر معیارهای طراحی و خدمات مربوط به شکل ساختمان، نسبت ابعاد، کارکردهای معماری، شرایط بار، ثبات ساختمان و محدودیت های محل, هر سیستم دارای طیف گسترده ای از کاربردهای ارتفاع باشد. با این حال، برای هر وضعیت، همیشه یک سیستم سازه ای مطلوب وجود دارد، با وجود اینکه ممکن است با توجه به تاثیر غالب عوامل دیگر در فرم ساختمان, این سیستم لزوماً با یکی از آن جداول سیستم مطابقت نداشته باشد. بنابراین محدودیت های ارتفاع نشان داده شده, بر اساس تجربه و پیش بینی نویسندگان در یک محدوده قابل قبول از نسبت ابعاد ساختمان ها، مثلاً حدود 6 تا 8 احتمالی هستند. در برخی موارد، یک سازه بیرونی ممکن است با یک سازه داخلی ترکیب شود، مانند وقتی که یک چارچوب لوله ای نیز مهاربندی شده است و یا مهارهای بازویی حمایت شده توسط-هسته و خرپاهای کمربندی، به منظور افزایش سختی ساختمان فراهم شده است.
سازه های داخلی
دو نوع سیستم مقاوم در برابر بار جانبی در رده سازه های داخلی, چارچوب های مقاوم در برابر-ممان و خرپاهای برشی / دیوارهای برشی می باشند. این سیستم ها معمولاً به صورت مونتاژهای مسطح در دو جهت متعامد اصلی مرتب می شوند و می توانند با هم به عنوان یک سیستم ترکیبی به کار گرفته شوند که در آن تعامل داشته باشند. یکی دیگر از سیستم های بسیار مهم در این رده, سازه مهار بازویی حمایت شده توسط-هسته است، که به طور بسیار گسترده ای برای ساختمان های بسیار بلند در این نوشته استفاده می شود.