ساختمان های بلند

تاريخچه ساختمانهاي بلند:
قبل از قرن نوزدهم ساختمانهاي بلند بصورت معابد کوه مانند مطبق، اهرام، آمفي تئاترها قلعه ها، تالارهاي شهر مساجد، کليساهاي جامع و ازاين قبيل وجود داشتند که طراحي آنها عموماً به انگيزه هاي سياسي يا مذهبي صورت مي گرفت و مصالح آنها الوارهاي چوبي، سنگ، خشت هاي گلي و در مواردي ساروج بود و از سيستم ديوار باربر استفاده مي کردند. و تا اوايل قرن نوزدهم که

اسکلت فلزي کم کم جانشين ساخت وساز سنگين بنايي در ساختمانهاي چندطبقه شد و آغاز ساخت وساز چندطبقه را بايد آسيابها و انبارهاي انگليسي دراين دوره دانست که در آنها از اسکلت بندي داخلي تمام چدن اغلب همراه با مصالح بنايي براي نگهداشتن کفها استفاده مي شد. تکامل فني آسمانخراشها در نيمه دوم قرن نوزدهم تنها به يمن تکامل مستقل اجزاي اصلي آن پيش از اين تاريخ ميسر شد اين اجزا عبارت بودند از:

• سازه: ساختمان با اسکلت تمام فلزي و توانايي تأمين پايداري جانبي
• ديوارجداگر: جداسازي سازه تکيه گاه ساختمان از ديوار پيرامون آنکه بمنظور روکار بود.
• ايمني: مقاوم سازي در برابر آتش سوزي
• آسانسور
• سيستمهاي مکانيکي و بهداشتي: شامل لوله کشي، حرارت مرکزي، روشنايي مصنوعي، تهويه

تکامل آسمانخراش:
نخستين گامها در تکوين آسمانخراش از حدود سال ۱۸۸۰ تا ۱۹۰۰ در شيکاگو برداشته شد که در آن ساختماني با فرم جعبه اي صرفاً تا ۲۰ طبقه بالا مي رفت بعدها با برجهاي سربه فلک کشيده نيويورک آسمانخراش راستين پديدار شد و به مظهر شهرهاي آمريکا بدل گشت.

دوره هاي بلندمرتبه سازي:
نخستين دوره: اين دوره با احداث ساختمان شرکت بيمه عمر شروع شد و عمده اين دوره در شيکاگو بوقوع پيوست.

دوره دوم: با ساخت ساختمان ۲۱ طبقه «امريکن شورتي» در سال ۱۸۹۵ در نيويورک شروع شد و در همين دوره بود که عصر طلايي آسمانخراشها با ساختمان ۱۰۲ طبقه« امپايراستيت» به ارتفاع ۳۸۱ متر به اوج خود رسيد در اين دوره برجها را به دو سبک «ايستاده برقاعده يا خودايستا» و« برجهاي پلکاني» تقسيم کردند.

دوره سوم: سومين دوره آسمانخراش را مدرنيسم تعيين مي کند و از لحاظي ادامه سبک تجاري نخستين دوره آسمانخراش در شيکاگو است. برجهاي مرکز تجارت جهاني جزو اين دوره مي باشد.
دوره چهارم: دوره چهارم که دوره فعلي آسمانخراشهاست در دهه ۱۹۷۰ همراه با پست مدرنيسم و مدرنيسم متأخر تحقق يافت.

تعريف ساختمان بلند و برج:
بلندي خود يک حالت نسبي است و ساختمانها را نمي توان برحسب ارتفاع با تعداد طبقه دسته بندي و تعريف نمود. از نقطه نظر مهندسي، هنگامي مي توان سازه را بلند ناميد که ارتفاع آن باعث شود که نيروهاي جانبي ناشي از باد و زلزله، بر طراحي آن تأثير قابل توجهي گذارند.
ساختمانهاي منفرد مرتفع که با فرم پلان مربع، دايره، باشد و از طرفي ارتفاع آن بلندتر از قطر دايره محاطي پلان باشد برج ناميده مي شود. تناسب محيط و يا قطر ساختمان برجها با ارتفاع آن تعيين کننده نوع برج از نظر هندسي آن مي‌باشد ( شکل ۱)

۱- در صورتيکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهاي بسيار بلند ناميده مي شود.
۲- در صورتيکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهاي بلند ناميده مي شود.
۳- در صورتيکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهاي متوسط ناميده مي شود.
۴- در صورتيکه نسبت ارتفاع به قطر برج برابر باشد برجهاي کوتاه ناميده مي شوند.
– توضيحات کلي و عمومي در مورد برجها و ساختمانهاي بلند:

۱- معماري برجها:
معمولاً در برجها سعي مي شود که معماري آن به شکل متقارن و کليه خطوط ارتباطي در هسته مرکزي قرار گيرند اين عملکرد از لحاظ انتقال نيروهاي افقي و بمنظور مقابله با زلزله و حفظ پايداري برج ارجح است. بمنظور صرفه جويي در استفاده از اراضي و حفظ فضاي سبز و باز استفاده از ارتفاع براي ساختمانها در شهرهاي بزرگ توصيه مي شود. ضمناً با درنظر گرفتن عواملي مانند زلزله، مقاومت زمين و شرايط ايمني ارتفاع مناسب ساختمانها را تعيين مي کند. علاوه بر اين در بسياري از نقاط دنيا ساختمانهاي بسيار بلند داراي کاربريهاي چندمنظورهستند بطوريکه معمولاً در طبقه اول يا همکف روبه خيابان شامل فروشگاههاي بزرگ هستند و در چند طبقه بالاي آن دفاتر کار و تجارتي و در طبقات بالاتر آپارتمانهاي مسکوني واقع مي باشند.

اين ساختمانها بسيار مشکل است تا تمامي نيازهاي سازه اي، مکانيکي، وآسايشي را فراهم آورد. چرا که دفاتر تجاري- اداري نياز به فضاهاي باز بزرگ دارند تا برحسب سليقه استفاده کنندگان توسط پانلهاي سبک فضاسازي شوند.
همچنين تأسيسات در ساختمانهاي بلند در زير کف و روي سقف کاذب بصورت افقي توزيع مي شوند در نتيجه فضاي اضافي مورد نياز براي اين تأسيسات، ارتفاع طبقات اين نوع ساختمانها را تا ۵/۳ متر يا بيشتر افزايش مي دهند. از طرفي ساختمانهاي تجاري – اداري داراي بار وارده عظيمي نا شي از سيستمهاي الکتريکي و مکانيکي مي باشند. حال در ساختمانهاي مسکوني و هتلها معمولاً محيط داخلي محدودتر بود و فضاسازي بصورت دائم مي باشد. و در طبقه تکرار مي شود. در نتيجه فاصله ستونها کمتر و در تمام پلان و در محدوده تيغه بندي جايگزين مي گردند. همچنين تأسيسات در اين ساختمانها مي توانند بصورت قائم د رکنار ديوارها، ستونها، و يا از بالاي سقف کاذب راهروها به محل دلخواه هدايت شوند. ارتفاع طبقات در اين نوع ساختمان حدود ۷/۲ متر خواهد شد. بنابراين يک ساختمان ۴۰ طبقه مسکوني بسيار کوتاهتر از يک ساختمان ۴۰ طبقه تجاري – اداري است. ضمناً از انجا که اتومبيل بخش مهمي از وسايل نقليه است، پارکينگ در ساختمانهاي بلندمرتبه از موارد بسيار مهم مي باشد.
۲- اشکال ساختماني:
يک پلان بايد سادگي، فشردگي و سختي پيچشي بالا داشته باشد. از نقطه نظر مقاومت دربرابرزلزله يک پلان ساده نظير شکل مربع يا دايره مطلوب است. درساختمانهاي چندقسمتي يا داراي بال نظير L يا T بايد درزهاي زلزله( در انقطاع يا ژوئن) که از نظر سازه اي بالها را مجزا مي سازد بکار روند.

۳- تقارن و سختي پيچشي بالا:
براي احتراز از تغيير شکل پيچشي لازم است مرکز سختي ساختمان برروي مرکز جرم آن منطبق باشد، براي ارضاي اين شرط لازم است هم شکل ظاهري ساختمان وهم سازه آن داراي تقارن باشد.

۴- يکنواختي و پيوستگي در شکل قائم:
لازم است از تغييرات ناگهاني در شکل بندي قائم يک ساختمان دوري جست هرگاه شکل بندي قائم يا ناپيوسته باشد در بعضي از قسمتها يک حرکت عمده ارتعاشي بوقوع مي پيوندد و براي انتقال نيروها از برج به پايه نياز به يک کنش ديافراگمي بزرگ در مرز قسمتهاست.

۵- سختي و مقاومت قائم و افقي:
بايد از تغيير ناگهاني در توزيع قائم سختي و مقاومت احتراز شود و شاخص آن سختي طبقه به وزن طبقه بين طبقات مجاور باشد. اگر در ساختمان طبقه نرم وجود داشته باشد تغيير شکل پلاستيک سعي به متمرکزشدن در طبقه نرم خواهد کرد و مجهز به سقوط کامل ساختمان شود.

سختي و مقاومت در طبقات نرم را مي توان با افزايش ستونها و يا مهاربنديها تنظيم نمود اگر در طبقه هم ستونهاي کوتاه و هم ستونهاي بلند وجود داشته باشد نيروي برشي در ستونهاي نسبتاً کوتاه متمرکز شده و لذا منجر به شکست اين ستونها قبل از ستونهاي بلند مي شود. با بکارگيري تيرهاي محيطي مي توان ستونهاي بلند را تبديل به ستونهاي کوتاه کرد.

۶ – پي سازي:
نيروهاي قائم و جانبي سازه از طريق سيسم پي به زمين منتقل مي شوند و از آنجا ککه اصول طراحي پلهاي مستقل از ارتفاغ ساختمان است پس روشهاي متداول طراحي قابل اعمال در سازه هاي بلند نيز مي باشد. بنابراين طراح سازه بايد جابجايي و تغيير شکل پي ها واثرات آن بر رفتار سازه ساختمان و نيروهاي ناشي از اثرات متقابل خاک و سازه را در نطر داشته باشد اگرخاکريزي سخت و پايدار نباشد نيروها را مي توان از طريق شمعهاي معمولي و قطور و يا پي هاي عميق به

لايه هاي مقاوم و سخت منتقل گردد. در اينصورت ساختن ساختمانهاي مرتفع گران و مشکل مي باشد مثلاً يکي از مکانهاي برج سازي ايالات متحده شبه جزيره«منهتن» در شهر نيويورک مي باشد چرا که در سطح سنگي گرانيت در فاصله نسبتاً کمي از سطح زمين قرار گرفته است در شرايط نامناسب خاک بايد بارگذاري پي را تا حدي کاهش داد که شکستهاي برشي و با نشستهاي نامتقارن زياد ايجاد نشود. براي اطمينان مي توان با حفاري و برداشت خاک تقريباً معادل وزن ساختمان مسأله را حل کرد.

۷- ايمني در برابر آتش سوزي:
ايمي در برابر آتش سوزي همواره موضوع مهمي در ساختمانهاي بلند بوده است. از دهه ۱۹۷۰ تاکنون تأکيد بر ايمني چنين ساختمانهايي پيوسته بيشتر شده است و بکارگيري دوباره طبقات باز مرتبطي که حالا به آن« اتريوم» گويند باب شده است و براي بهبود کاربري ساختمان وفضايي مرتبط به هواي خارج مي باشد با وجود پيشينه خوب ايمني ساختمانهاي بلند در برابر آتش سوزي آتش سوزيهاي حيرت انگيزي هم وجودداشته که ملزم ساخته تا ساختمانهاي بلند امروزي داراي ايمني کافي و وسايل اطفاي حريق نظير ديوارهاي مخافظ در برابر آتش سوزي اطراف پله ها و ….. مي باشد.

۸-معيار آسايش:
چنانچه يک سازه بلند انعطاف پذير تحت تأثير تغيير مکانهاي جانبي يا پيچشي ناشي از اثرات رفت و برگشيتي نيروي باد قرار گيرد حرکت تناوبي ايجاد شده باعث احساس ناراحتي استفاده کنندگان در سازه خواهد شد. لازم به ذکر است که حد شاخص جابجايي طراحي مورد استفاده در کشورهاي مختلف بين ۰۰۱/ تا ۰۰۵/۰ ارتفاع ساختمان است يعني يک ساختمان به ارتفاع ۱۰۰ متر مجاز است ۱/۰ تا ۵/۰ متر جابجا شود.

۹- سازه ساختمانهاي بلند:
سازه هاي فولادي در طول تاريخ ساخت ساختمانهاي بلند هميشه پيشگام بوده اند از آنجا که قابهاي فولادي براي هر نوع ارتفاع مناسب مي باشد و نسبت مقاومت به وزن بسيار بالايي دارند هميشه بعنوان انتخاب اصلي در ساختمانهاي بلند هستند. سازه هاي فولادي ضمن ايجاد امکان

دهانه هاي بزرگ، قابل پيش سازي بوده و در نتيجه داراي سرعت اجراي بيشتري هستند و نياز به مکان کارگاهي کمتري دارند. مهمترين مطلب سازه اي فولادي نياز به پوشش مقاوم در برابر آتش سوزي و زنگ زدگي، مهاربندي هاي قطري و اتصالات ويژه در قابهاي صلب و نماسازيهاي پرهزينه آنهاست.

با گذر در تاريخ مي توان دريافت که نوع ابتدايي بتن براي سازندگان رومي و فراعنه مصري شکافته شده بود و تحقيقات راجع به بتنهاي امروزي از اواخر قرن نوزدهم و اوايل قرن بيستم شروع شد. بتن مادي است که مهندسين و معماران بايد شاخصهاي مختلف آن را از قبيل مقاومت، دوام، روشهاي شکل و قالب ريزي، سخت شدگي، آرماتورگذاري و …. را مدنظر قرار دهند. در سال ۱۹۰۴ اولين آزماييش تير بتن مسلح انتشار يافت. در همين دوران ساخت ديوارهاي پيش ساخته و استفاده از سيست قالب بندي موجب تحولي در ساختمان سازي شد بعد از آن ابداع دال کف توسط روبرت

مايلارت بود که بجاي سيستم تير و شايعترين بار کف را متحمل مي کرد و در برابر آتش سوزي، بارهاي سنگين و انتقال صدا نيز مقاوم بود و مجموع اين پيشرفتها نشان مي داد که بتن نيز مي تواند نظير فولاد در ساختمانهاي بلند بکار رود. سازه هاي بلند بتن آرمه تقريباً دو دهه پس از اولين ساختمانهاي بلند و فلزي مطرح شدند و قابل ذکر است که ساختمانهاي بتني اوليه ازنظر فرم

سازه اي متأثر از سازه هاي مشابه فولادي و داراي اسکلتي شامل ستونها و شاهتيرها بودند با اين تفاوت که به علت صلب بودن قابها بدون مهاربندي قطري نيز در برار بارهاي جانبي مقاومت مي کردند.

پس از آتش سوزيهايي که در شهرها رخ دادند و بسياري از ساختمانهاي بلند فلزي بعلت گرماي شديد فروريختند بتن توانست بعنوان ماده اي مقاوم در برابر آتش خود را تثبيت کند. پيشرفت عمده تکنولوژي بتن از قبيل قالب بندي، اختلاط پمپاژ ساختمان بلندمرتبه بتني، ساختمان ۱۵ طبقه«Ingalls » در ايالت اوهايو بود که داراي سيستم قالب صلب بود.