مقاله تحلیلی:‌ کاربرد هسته بتنی مدرن در سازه‌ های بلندمرتبه

Kiara یک برج آپارتمانی لوکس ۴۱ طبقه با ارتفاع ۴۳۵ فوت روی یک پادیوم هفته طبقه‌ای با شش طبقه پارکینگ زیرزمینی در نزدیکی South Lake Union در سیاتل، در مجاورت دفتر مرکزی جهانی آمازون است. این برج مدرن ۴۶۰ واحد اقامتی، ۱۵۶۰۰۰ فوت مربع فضای تجاری و دو عرشه پشت‌بام را در خود جای داده است. هدف پروژه کسب گواهی نقره‌ای LEED است. ساخت این برج از سال ۲۰۱۶ شروع شد و در تابستان ۲۰۱۸ به اتمام رسید (شکل ۱). ساختمان از دو عنصر عمودی خمیده تشکیل شده است که به‌تدریج در ارتفاع لاغر می‌شوند و ظرافت خاصی ایجاد می‌کنند.

چالش‌های پروژه

پروژه چالش‌های زیادی داشت. بارگذاری نامتوازن حدود ۲.۵ برابر بیشتر از بارهای جانبی لرزه‌ای و باد بود. از سمت شرق به غرب ابعاد ۲۰ فوت کاهش پیدا می‌کرد. هسته بتنی در جهت شرقی – غربی محدودیت عمق داشت تا بهره‌وری برنامه معماری برای طبقات اقامتی به حداکثر برسد. مهندسان سازه شرکت Cary Kopczynski‌، یک سیستم جانبی به شکل هسته‌ای شکل‌پذیر با چند عضو شکل‌پذیر و سازوکارهای استهلاک انرژی لرزه‌ای طراحی کردند. این کار با استفاده از بتن تقویت‌شده با الیاف فولادی (SFRC) در تیرهای کوپل دیوار برشی در هر چهار جهت انجام شد. SFRC مقدار آرماتور تقویت را به‌شدت کاهش و قابلیت ساخت را افزایش داد. SFRC نیاز به آرماتورهای قطری که به‌شدت پیچیده و نصب آن‌ها سخت است را حذف کرد. طراحی عملکردی (PBD) چاره‌ای برای طراحی تیرهای کوپل SFRC ارائه داد.

سیستم هسته شکل‌پذیر

سیستم‌های هسته کوپل ترکیبی از پایه‌های دیواری هستند که صلب بوده و به تیرهای کوپل با نسبت‌های دهانه به عمق مختلف متصل هستند. شکل ۲ سیستم دیوار هسته مرکزی کیارا را که با شش طبقه زیرزمین ۴۸ طبقه بالاتر از پی گسترده امتداد پیدا کرده است، نشان می‌دهد.

هندسه سیستم جانبی تأثیر قابل‌توجهی بر رفتار کلی ساختمان دارد. در سیستم هسته بتنی، سازوکارهای استهلاک انرژی لرزه‌ای مفصل‌هایی هستند که در قسمت انتهایی دیوار و انتهای تیرهای کوپل قرار گرفته‌اند.

CKC یک سری مطالعات حساسیت برای ارزیابی برش و تغییر مکان بین طبقه‌ای هسته با و بدون بازشوها و تیرهای کوپل در دیوارهای برشی صلب انجام داد. مشخص شد که با اضافه کردن تیرهای کوپل در محل‌های مورد نظر در هر چهار طرف هسته بتنی، تقاضاهای برشی سیستم در دیوارهای برشی و دیافراگم‌های انتقال بدون تأثیر بر تغییر مکان لرزه‌ای بین طبقات به‌شدت کاهش پیدا می‌کند. شکل ۳ تغییر مکان جانبی بین طبقه برج در ارتفاع آن را با و بدون تیرها در جهت کوتاه هسته مقایسه می‌کند. مطابق شکل، دو نمودار شبیه به هم هستند و تنها تغییر مکان جانبی لرزه‌ای با اضافه کردن تیرهای کوپل در مرکز دیوار اندکی افزایش پیدا کرده است.

تیرهای کوپل برای ایجاد تغییر شکل‌های غیر الاستیک بزرگ و حفظ مقاومت کافی طراحی شده‌اند. نیروهای داخلی ایجاد شده در سیستم، مانند لنگر و برش دیوار هسته‌ای را می‌توان با افزایش شکل‌پذیری سیستم به‌شدت کاهش داد.

شکل ۴ دو بررسی انجام شده روی دیوار هسته‌ای را برای یک برج ۴۵۰ فوتی (۱۳۸ متری) و برج کیارای ۴۳۵ فوتی (۱۳۴ متری) به ترتیب برای حالت‌های A و B با استفاده از طراحی عملکردی نشان می‌دهد. هر دو سیستم دیوار هسته‌ای در منطقه لرزه‌خیز با سیستم‌های جانبی دیوار برشی بتن مسلح ویژه قرار گرفته‌اند. مدل‌های غیرخطی با استفاده از نرم‌افزار PERFORM 3D (از CSI) تهیه شدند.

با یک دیوار کوپل و دو دیوار صلب، حداکثر نیروهای برشی هسته در پایه دینامیکی حدود ۹۷۸۶۰KN بود. وقتی همه دیوارها در یک جهت با تیرهای کوپل SFRC به هم متصل شدند، حداکثر نیروی برشی هسته به ۵۵۶۰۲KN کاهش پیدا می‌کند که نشان دهنده افت ۴۵درصدی تقاضای پایه سیستم دیوار هسته است.

هسته کیارا، دیوار هسته B در شکل ۴، مثالی کامل از افزایش شکل‌پذیری در سیستم‌های دیوار هسته با استفاده از تیرهای کوپل است. برای کاهش بارهای برشی بزرگ در پایه سازه به دلیل لرزش و بارگذاری نامتقارن روی خاک و همچنین کاهش مقدار آرماتور برشی مورد نیاز در دیوارهای برشی و دیافراگم‌های انتقال، تعدادی تیرهای کوپل در هر چهار طرف هسته مرکزی اضافه شد. طبق طرح معماری چند بازشو مورد. علاوه بر این چند بازشو هم برای توزیع شکل‌پذیری و سازوکارهای استهلاک انرژی بیشتر با استفاده از تیرهای کوپل در سیستم مقابله با نیروی جانبی، ایجاد شد.

نیروی جانبی به دلیل بارگذاری نامتقارن خاک ۲.۵ برابر بزرگ‌تر از نیروی لرزه‌ای جانبی در پایه ساختمان بود. هسته مرکزی در برابر بخش زیادی از نیروی جانبی نامتقارن خاک مقاومت کرد. تیرهای کوپل باعث کاهش نیروی برشی الاستیک اعمال شده بر هسته شد؛ بنابراین پاسخ ساختمان در هنگام رویداد لرزه‌ای بهبود پیدا کرد و آسیب به اعضای جانبی حمل کنده بار عمودی مانند پایه‌های دیوار برشی کاهش یافت.

بتن تقویت‌شده با الیاف فولادی

گزینه‌های تیر کوپل پیشنهادی آیین‌نامه برای تیرهای کوپل تقویت‌شده قطری یا تقویت‌شده افقی معمول که عمدتاً بر اساس تحقیقات انجام شده در نیوزیلند در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰ارائه شده اند، برای بسیاری از سیستم‌ها مناسب هستند؛ اما ممکن است محدودیت‌هایی داشته باشند. مثلاً تیرهای کوپل تقویت‌شده قطری مشخصات هیسترزیس و ظرفیت‌های تغییر مکان جانبی عالی دارند؛ اما اجرای آن‌ها در عمل کاری پیچیده و چالش‌برانگیز است. انتهای آرماتورهای قطری شیب‌دار باید در اعضای مرزی مجاور دیوارهای برشی امتداد پیدا کنند که باعث تعارض با آرماتورهای عرضی و عمودی سنگین می‌شود. صرفه‌جویی در مصالح تقویتی با هزینه مخلوط بتن الیافی جبران شد.

به‌علاوه وقتی لازم باشد هندسه تیرهای کوپل نسبتاً لاغر شود (یعنی نسبت دهانه به عمق حدود ۳)، اثربخشی آرماتورهای قطری هم به دلیل زاویه کم آن‌ها کاهش پیدا می‌کند. یک گزینه استفاده از تیرهای کوپل معمول است. این نوع جزئیات می‌تواند نسبت‌های دهانه به عمق بیشتری را در خود جای دهد؛ اما هم ظرفیت تغییر مکان و هم مقدار انرژی لرزه‌ای مستهلک شده کاهش پیدا می‌کند.

تیرهای کوپل SFRC جایگزین خیلی مؤثری برای تیرهای بتن مسلح سنتی با اطمینان از سطح مقاومت و شکل‌پذیری معادل یا بالاتر هستند. تعامل بین مهندسین سازه و محققان نشان دهنده استفاده اقتصادی از SFRC برای ساختمان‌های بتن مسلح بود. این تلاش یک دهه‌ای با گزارش اخیر Charles Pankow Foundation در مورد ارزیابی رفتار لرزه‌ای تیرهای کوپل با انواع مختلف بتن تقویت‌شده با الیاف فولادی به اوج خود رسید. این الیاف‌ها امکان حذف آرماتوربندی قطری، کاهش آرماتوربندی عرضی و افزایش سرعت ساخت‌وساز را فراهم می‌کنند.

برج کیارا با استفاده از تیرهای کوپل SFRC در هسته طراحی شد. مشخصات غیرخطی تیر کوپل SFRC کالیبره شد تا نتایج هیسترزیس آزمایش شده و مدل‌سازی شده با استفاده از PERFORM-3D را تکرار کند.

شکل ۶ حلقه‌های هیسترزیس نمونه آزمایشی SFRC و عملکرد کالیبره شده را نشان می‌دهد – مدل سه‌بعدی عضو.

با توجه به این‌که روش طراحی تیرهای کوپل SFRC هنوز در ACI 318 نیامده است، انجام یک سری تحلیل غیرخطی برای نشان دادن عملکرد قابل‌قبول ضروری بود. هندسه و طرح اختلاط بتن به‌گونه‌ای انتخاب شد که در محدوده نمونه‌های آزمایش شده قرار بگیرند. مقاومت خمشی در دو محل بحرانی تعیین شد: یکی در هر انتهای تیر که در آن از نقش SFRC در مقاومت خمشی صرف‌نظر شد و دیگری در انتهای آرماتورهای U شکل اضافه شده که در آن افزایش مقاومت خمشی حدود ۱۵% به دلیل مصالح SFRC در نظر گرفته شد. مقاومت برشی با فرض مقاومت SFRC تا سه ضربدر رادیکال f'_c، محدوده شده به ۶۰% مقاومت برشی کل، تعیین شد. دو انتهای تیر که ممکن است در آن‌ها مفصل پلاستیک ایجاد شود به‌گونه‌ای طراحی شدند که کاملاً محصور باشند؛ درحالی‌که داخل تیر از آرماتورهای عرضی برشی استفاده شده است.

بتن تیرهای کوپل کیارا دارای الیاف فولادی به مقدار 120 کیلوگرم در هر مترمکعب بود. قطر الیاف‌ها ۰.۳۸ میلی‌متر بود. الیاف‌ها در دسته‌های سی‌تایی به تولیدکننده بتن تحویل داده شد. این دسته‌ها با چسب محلول در آب به هم متصل شده بودند که هنگام اختلاط با بتن مخلوط می‌شد و الیاف‌ها از هم جدا شده و در مخلوط پراکنده می‌شدند. بعد از تائید کارایی در کارگاه، از یک باکت برای ریختن بتن تیر کوپل استفاده ‌شد.

قابلیت ساخت

کیارا مثالی عالی از تعامل بین متخصصان، مشاوران طراحی و پیمانکاران و موفقیت کار گروهی در تمام جنبه‌های این پروژه است. مالک، معمار، مهندس و پیمانکار با هم از مراحل اولیه طراحی برای ایجاد یک ساختمان منحصربه‌فرد همکاری کردند.

وبر تامسون معمار مسئول طراحی معماری کیارا است. Conco پیمانکار جزء بتن مسئول ساخت قاب سازه‌ای بود. ارتباط نزدیک بین Holland Construction که مالک پروژه است با Conco و CKC کلید موفقیت اجرای طراحی هسته منحصربه‌فرد کیارا بود. جلسات قابلیت ساخت اولیه بین Conco و CKC برای تسهیل طراحی تقویت دیوار هسته‌ای و اطمینان از سازگاری با قالب‌بندی برگزار ‌شد. همچنین مدل‌های تیرهای کوپل SFRC برای تنظیم دقیق طراحی مخلوط بتنی و فرآیند بتن‌ریزی ایجاد می‌شدند. توجه به قابلیت ساخت در طراحی و جزئیات سازه‌ای باعث هم‌افزایی بین تیم طراحی و ساختمانی شد.

 نوآوری هسته

هندسه دیوار هسته بتنی و تیرهای کوپل SFRC برای ایجاد یک هسته شکل‌پذیر مؤثر حیاتی بودند و به موفقیت پروژه کیارا اضافه کردند. با تفکیک کردن بسیاری از پایه‌های دیوار صلب در هسته دیوار برشی مرکزی و استفاده از تیرهای کوپل به‌شدت شکل‌پذیر، تقاضای نیروی جانبی کلی و مقادیر مصالح تقویتی کاهش پیدا کرد. SFRC به حرفه مهندسی سازه‌ای ابزاری ارزشمند برای بهبود قابلیت ساخت ساختمان‌های بتن مسلح در مناطق با لرزه‌خیزی بالا ارائه کرد. استفاده از SFRC در کیارا باعث طراحی تیر کوپل شد که پیچیدگی آرماتوربندی را از بین برد، ساخت سریع‌تر را ممکن کرد و مقدار آرماتور را کاهش داد.

 منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.