فناوري سوپرفريم در اجراي ساختمان هاي بلند

پيشگفتار
فناوری در صنعت ساختمان مقوله ای است که در کشورهای پیشرفته، بخصوص آنهایی که با خطر زلزله مواجه هستند بشکل کاملأ پویا در حال پیشرفت است. امروزه برای هر کالای توليدي، افزودن جنبه های نوآوری و افزایش بهره دهی برای بازاریابی آن ضرورت دارد. افزایش دانایی مردم وامکان انتخاب های مبتنی بر دانايی روز به روز در حال گسترش است. در صنعت ساختمان نیز لازم است ، در طراحي ها، تكيه بر نوآوري ها و استفاده از فناوري هاي پيشرفته الگوي توليد ساختمان قرار گيرد.

ارتقاء فنی در صنعت ساختمان خود موجب می گردد تا ساختمان سازی از حالت سنتی و با کیفیت پایین آن خارج شده و در زمره فعالیت شرکت های پویا و فنی قرار گیرد. به همین دلیل در کنار ترویج فرهنگ استفاده از فناوری های پیشرفته در صنعت ساختمان ، تشکیل شرکتهای سازنده با خط فکری ارتقاء کیفیت ضرورت پیدا می کند.
واژه هاي كليدي : بتن پر مقاومت،‌ اسكلت پيش ساخته بتني، كابل هاي پيش تنيده، ميراگرهاي ويسكوز

فرآيند تولد فناوري سوپرفريم
تکنولوژی سوپر فریم که جزو آخرین و پیشرفته ترین فناوری ها در صنعت ساختمانهای بلند است حاصل ترکیب چهار فناوری است که در صنعت ساختمان در زمانهای قبل از آن توسعه یافته وبمورد اجرا گذاشته شده است. این چهار فناوری عبارتند از فناوري HiRC يا بتن پرمقاوم، فناوری R-PC یا اسکلت بلند پیش ساخته بتنی، فناوری استفاده از کابلهای پس تنیده پر مقاوم، و فناوری استفاده از میرا گرهای ویسکوز ویژه یا Hi Damper است. برای شناخت بهتر سيستم فناوری سوپر فریم، لازم است بطور مختصر به توضیح هر یک از فناوری های فوق پرداخته شود.

فناوري بتن پر مقاوم يا HiRC
با افزوده شدن بر ارتفاع ساختمانها و تولید آسمانخراشها و برجهای بلند ساختمانی، در ابتدا استفاده از فولاد رایج گردید. اگرچه هم اکنون نیز سازه های فولادی برای ساختمانهای بلند مورد مصرف زیاد دارد، لیکن به دلیل روشن شدن مزیت های ساختمانهای بتن آرمه ، بخصوص مقاومت بیشتر در مقابل حریق و عایق صوتی بودن آن، استفاده از سازه های بتن آرمه در ساختمان های بلند نظر سازندگان را بخود جلب نموده است. بر این اساس تحقیقات دامنه داری شروع شد و

استفاده از آن رایج گردیده است . با توجه به اینکه قطعات بتن آرمه در اسکلت ابعاد بزرگی داشته و فضای زیادی را اشغال می نمايند، محققین در صدد تولید بتن های با مقاومت بالا برآمدند. و با توجه به تولید مواد مضاف مناسب برای تولید بتن های متنوع، استفاده از بتن پر مقاوم با مقاومت حداکثر ۸۰Mpa در ساختمان ها مورد تصويب قرار گرفت .
از نظر آیین نامه های ویژه ساختمانهای بلند در کشور ژاپن ،استفاده از بتن با مقاومت ۶۰Mpa در ساختمانهای مسکونی و تجاری مورد قبول همگان قرار گر فت.

‏استفاده از بتن پر مقاوم از نظر ترکیب استفاده از شبکه های آرماتورگذاری شرایط خاصی را می طلبد به بيان دیگر نمی توان تنها از روش های رایج آرما تورگذاری در این نوع قطعات استفاده نمود، زیرا با افزودن بر مقاومت بتن در اكثر موارد بر مقاومت میلگردها نيز افزوده می شود. مجموعه این عمل موجب کاهش شکل پذیری در عضو شده و لذا استفاده از آن را به بخش های خاصی از

ساختمان محدود می کند. بر این اساس انجام آزمایش های متعدد فناوری HiRC ر ا بوجود آورده است که تقریباً از ۳۰ ‏سال پیش در ساختمانهای بلند و آسمانخراشها مورد استفاده قرار گرفته است. شکل ۱ ‏محدوده استفاده از بتن پر مقاوم و میلگردهای پر مقاوم را در تکنولوژی HiRC نشان می دهد. در شكل ۲ يك نوع از ميلگردگذاري در چنين سيستم هايي ارائه شده است .

فناوري اسكلت بلند پيش ساخته بتني يا R-Pc

فناوری پیش ساخته یکی از مهمترین قدمهایی بود که از اوایل قرن بیستم برای صنعتی کردن ساختمان سازی و تولید انبوه آن برداشته شد. استفاده از صنعت پیش ساخته بخصوص در کشورهای بلوک شرق (سابق) بطور وسیعی مورد استفاده قرار گرفت. روش ساخت با فناوری پیش ساخته دارای محاسن زیر مي باشد :
• تولید صنعتی و تولید انبوه

• سرعت اجرای زیاد
• کنترل کیفیت و تولید قطعات مرغوب و پر مقاوم
در طول استفاده از این فناوری به نکات ضعف این روش برخورد نمودند. كه عمده ترین نکات ضعف این روش عبارتند از:
• ‏ ضعف اتصالات در برابر نیروهای حاصل از زلزله
• عدم انعطاف پذيري از نظر معماری
• ‏وزن زیاد قطعات

با توجه به مزیت های زیاد این فناوری، در کشور ژاپن که شدیداً زلزله خیز است، تحقیقات دامنه داری توسط شرکت های ساختمانی انجام پذیرفت. تحقیقات بطور عمده برای رفع نکات ضعف در سیستم های پیش ساخته بود. بر این اساس با طراحی اتصالات متعدد و انجام آزمایش های بزرگ مقیاس توانستند اتصالا تی را بوجود آورند که در زلزله آسیب به ساختمان وارد نشود

. همچنین با تمرکز بر اجزای باربر ، عدم انعطاف در معماری را بطور کل حل نمودند، بطوریکه با روش اجزای پیش ساخته بتنی هر گونه معماری را می توان بمرحله اجرا گذاشت. البته سنگينی قطعات پیش ساخته در مقابل سرعت ساخت آنها با تولید جرثقیل های برجی و یا متحرک قوی چندان مورد توجه قرار نگرفته است و لازم است برای نصب قطعات پیش ساخته بخصوص برای ساختمانهای بلند از ماشین آلات مناسب آنها استفاده نمود.

فناوری استفاده از كابلهاي پس تنيده
سالیان دراز است که از کابلهای پس تنیده برای ایجاد دهنه های بزرگ در پلها استفاده می شود، لیکن استفاده از آن در ساختما نها کمتر مورد توجه بوده است. با پيشرفت و توسعه اقتصادی کشورها ، قیمت زمین و سپس هزينه متر مربع زیر بنا افزايش یافت و طراحان به این فکر افتادند که فاصله ستونها را افزايش داده و در فضاهای داخلی ساختمانها انعطاف بیشتری از نظر معماری و عملکرد بوجود آورند. بهمین دلیل روز بروز بر استفاده از سيستم های پس تنیده در ساختمانها افزوده شده است. در پی پیشرفت های متعدد، استفاده از سیستم های پس تنیده برای ساختما نهای خاص نيز توسعه وسيعي پيدا كرده است .

فناوری استفاده از میرا گرهای ویسکوز ویژه Hi Damper
یکی از راههای کاهش نیرو های دینامیکی در ابزارهای صنعتی و خودروها از دیر باز، استفاده از میرا گرها بوده است. میرا گرهای ویسکوز که بطور عمده با استفاده از روغن های غلیظ با درجه غلظت ثابت در درجه حرارت های مختلف ساخته می شوند دارای سیستم شیرهای کنترل می باشند که با کنترل جریان روغن از شیر و با محاسبه غلظت روغن می توان به عملکرد میرا گر با ضریب ‏میرايی مورد محاسبه دست پیدا کرد .

با افزودن ميراگرهاي كمكي مي توان انرژي سازه را مستهلك نمود و به اين ترتيب پاسخ هاي سازه را كاهش داد ميراگرهاي اصطكاكي با ايجاد اصطكاك و ميراگرهاي وسيكوالاستيك با افزايش سختي جانبي و ميرايي ويسكوز انرژي را مستهلك مي كنند . ميراگر با سيال ويسكوز نيز از يك مخزن و يك سري لوله پر از سيال تشكيل شده و با عبور جريان در محفظه بسته انرژي را مستهلك مي گرداند . هر چقدر ويسكوزيته بالاتر باشد ، استهلاك انرژي بيشتر است . اين گونه ميراگرها به ابعاد وسيع نياز ندارند و راندمان بالاتري نسبت به ميراگرهاي اصطكاكي و ويسكوالاستيك دارند .

استفاده از میرا گرهای ویسکوز در ساختمان نظر مهندسین را از سالها پیش بخود جلب نموده بود، لیکن پس از زلزله کوبه ژاپن در سال ۱۹۹۵ ‏استفاده از میرا گر و جدا کننده پی بشدت افزایش یافت بطوریکه گزارشها از ده برابر شدن استفاده از آن خبر می دهند. در شهر کوبه دو ساختمان مجهز به دستگاه شتابنگار وجود داشت که در حین زلزله عملکرد آنها را ثبت نمودند. این دو ساختمان مجهز به میرا گر و جدا کننده پی بودند.

رفتار بسیار خوب این دو ساختمان موجب گرد ید که کارشناسان ژاپنی و آمریکا یی، با رغبت خيلی زیادی استفاده از میرا گرها را در دستور كار خود قرار دهند .
ترکیب فناوري ها
‏پیشرفتهای زیادی که در سایه انجام آزمايش های بزرگ مقیاس در آزمایشگاههای مجهز در صنعت ساختمان بوجود آمده، ترکیب فناوری های متعدد را در یک ساختمان ممکن ساخته است . فناوری سوپر فریم یکی از این نوع پیشرفتهاست که طراحی آن مستلزم انجام آزمایشهای بزرگ مقیاس بوده است. انجام آزمايش پیچش در هسته مرکزی و تهیه طرح میلگرد گذاری در آن و انجام آزمایش بر روی عملکرد خمیری سقفهای مسطح جزو این آزمایشها هستند. بطور کلی تلفیق چهار فناوری ذکر شده در بندهای فوق عملکرد ویژه ای دارد که کمک می کند تا سازه در زلزله های شدید رفتار کاملاً مشخصی داشته و اجزای اصلی ( ستونها و هسته مرکزی) به حد خمیری وارد نشوند تا ساختمان پس از وقوع زلزله های شدید نیز با تعمیر اندك در نقاط مشخص شده در سقف، بهره برداری خود را حفظ نماید.

استفاده از فناوری سوپر فریم در ساختمانهای مسکونی
ساختمان مسکونی از نظر اسکلت باید نه تنها مقاوم در برابر نیرو هاي زلزله ساخته شود بلکه باید دارای دوام لازم در مدت زمان پیش بينی شده برای بهره برداری از آن باشد . اگر چه از نظر عملکرد اقتصادی میتوان بخشهایی از ساختمان را از مصالح سبک بنا نمود ، اما اسکلتی که بتواند عملكرد درست داشته باشد معمولاً وزن قابل ملاحظه اي از ساختمان را به خود اختصاص مي دهد

 با افزايش ارتفاع و بتبع آن نيروهاي حاصل از زلزله موجب مي گردد تا مقاطع باربر ساختمان بسيار بزرگ شده و تكان هاي ناشي از نيروهاي زلزله نيز در طبقات فوقاني شديد شوند (شتاب و تغيير مكان هاي بيشتر از حد مجاز ) براي اجتناب از اين مقوله ها روشي تحت عنوان سوپرفريم R.C براي اسكلت ساختمان ابداع شده و به عنوان جديدترين فناوري به مورد اجرا گذاشته شده است .

ساختمان فلزي يا بتن آرمه
‏در کشور ژاپن ترجیح میدهند که ساختما های مسکونی را با اسکلت بتن آرمه بنا کنند . اسکلت فلزی بیشتر برای اجرای ساختمانهاي اداری و تجاری ، ایستگا هها و غیره مورد استفاده قرار مي گیرد. دليل انتخاب اسکلت بتن آرمه را برای ساختما ن های مسکونی میتوان به شرح زیر بيان نمود :
• ساختما نهای بتن آرمه اغلب ارزانتر از ساختما نهای فلزی هستند .
• ساختمانهای بتن آرمه در مقابل سوانح آتش سوزی و انفجار دوام بیشتری دارند .
• ‏در ساختمانهای بتن آرمه ، انتقال صوت مابین طبقات( با توجه به اهمیت آن بخصوص در آپارتمانهای مسکونی) کمتر است .

• ‏با توجه به هماهنگی مناسب مابین اجزاء جذب کننده نیرو های زلزله و اسکلت ( با قراردادن دیوار برشی ) رفتار ساختمان مناسبتر است .
اجزاء اصلي سازه سوپرفريم R.C
با تشريح اسكلت يك ساختمان اجرا شده به روش سوپرفريم مي توان به نحوه عملكرد آن پي برد .
شكل ۳ به طور شماتيك اسكلت و شكل ۴ نماي چنين ساختماني را نشان مي دهد .

همانطور که ملاحظه می گردد، بخشهای باربر ساختمان ازشش جزء تشکیل شده است .این اجزاء را میتوان بصورت زیر تشریح نمود:

۱- سوپر وال
‏سوپر وال یا دیوار برشی مرکزی هسته اصلی باربر نیرو های قائم و بخصوص نیرو های زلزله می باشد که با مقطع Hشکل اجرا می گردد. این دیوار برشی که در هسته ساختمان قرار می گيرد از بخش پایین بر روی فونداسیون قرار گرفته ودر بخش بالای خود به سوپر بیم منتهی می گردد. دیوار برشی به صورت بتن در جا اجرا می گردد که بتن آن در بخش های پایین بتن پر مقاوم است. با در نظر گرفتن شکل پذیری ساختمان، مقاومت بتن سوپر وال از ۶۰ ‏نیوتن بر میلی متر مربع در بالای

فونداسیون به مرور به مقدار ۳۶ ‏نیوتن بر میلی متر مربع در بخش بالایی آن تقلیل می یابد. آرایش میلگردگذاری آن بر اساس انجام آزمایشهای آزمایشگاهی بر روی قطعات مدل طراحی شده است.از نظر اجرایی ، سوپر وال همیشه با دوطبقه جلوتر از اجرای کفها پیش می رود تا وقفه ای در کار ایجاد نشود .میلگردهای این بخش، بدلیل سنگيني زیاد در سطح زمین ساخته شده و بوسیله جرثقیل برجی در محل خود نصب می گردد. جرثقیل برجی باید قادر به جا بجایی ۱۰ ‏تن بار باشد. شکل ۵ و (۱-۵) ‏مرا حل اجرای این دیوار برشی را نشان می دهد.

۲- ستون هاي اتصالي
در طرح سوپر فریم، در هریک از نماهای ساختمان دو ستون اتصالی و جمعا به تعداد هشت عدد تعبیه می گردد. این ستونها که بزرگترین مقطع ستون را در ساختمان دارند دارای مقطع متر می باشند و بدلیل قرار گرفتن آنها در نمای ساختمان، فضای داخلی اشغال نمی شود. وظیفه اصلی این ستونها، انتقال نیروی زلزله از بالای ساختمان بر روی پی می باشد. این ستونها بصورت پیش

ساخته دركارگاه ساخته می شوند. با توجه به اهمیت این ستونها در محافظت ساختمان از تصادم اشیای خارجي در حين بهره برداری و با توجه به عملکرد آنها، کنترل کاملا دقیق بر روی قطعات پیش ساخته انجام می شود و اگر بتن ستونی مناسب نبوده باشد آن ستون از نصب بر روی سازه حذف می گردد. مقاومت بتن در این ستونها نیز بصورت هماهنگ با سوپر وال از ۶۰ تا۳۶ ‏نیوتن بر میلی متر مربع متغیر است. در شکل ۶ ‏ستو نهای پیش ساخته دپو شده در محل کارگاه نشان داده شده است .