مقاله تحلیلی: خانه ‌ای در میان ابرها

ابزارها و روش‌های مدرن مهندسی این امکان را برای مهندسان سازه ایجاد کرده است تا به‌صورت پیوسته برای محدودیت‌های امکان ساخت، تعاریف جدیدی داشته باشند. این موضوع بیش از همه در ساختمان‌های بسیار بلند آشکار است که در آن‌ها حرکت جانبی ناشی از باد تبدیل به موضوع بحرانی برای موفقیت پروژه می‌شود.

استفاده از سیستم‌های میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD) روش اصلی دستیابی به این موفقیت است. دلیل این است که هر سیستمی که به‌صورت متعارف طراحی شده است را می‌توان برای تطابق با ویژگی‌های ساختمان تنظیم کرد. همچنین این سیستم‌ها راه‌حل بسیار کارآمدتری را نسبت به‌اضافه کردن جرم و سختی در اختیار می‌گذارند.

مثالی جدید از این موضوع برج شانگهای است که در سال 2014 افتتاح شد. این برج در همان سال بلندترین ساختمان چین و دومین ساختمان بلند در جهان محسوب می‌شد. اگرچه که طراحی این برج 2073 فوتی (632 متر) برای کاهش اثرات باد بهینه‌سازی شده بود اما از یک میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD) برای کاهش بیشتر شتاب‌ها و حذف هرگونه احساس حرکت سازه استفاده شد. سیستم 1100 تنی حاصل، بزرگ‌ترین TMD حال حاضر جهان است که در زیر بیشتر شرح داده‌شده است.

مشکلات

با طراحی بلندتر و لاغرتر ساختمان‌ها، آن‌ها سبک‌تر و نسبتاً پویا طراحی می. درنتیجه باد خمش بسیار بیشتری را در این سازه‌ها نسبت به ساختمان‌های کوتاه‌تر و عریض‌تر ایجاد می‌کند؛ به‌عبارت‌دیگر هرچه یک ساختمان مدرن بلندتر و لاغرتر باشد، به‌احتمال‌زیاد پویاتر خواهد بود.

حرکت اضافی ساختمان در اثر باد درصورتی‌که به‌صورت کنترل نشده باقی بماند، باعث ایجاد مشکلات زیادی می‌شود. به‌عنوان‌مثال، جابجایی‌های نوسانی زیاد ممکن است کاهش سرعت آسانسورها را در طول رویدادهای بادی شدید ضروری سازد. همچنین این جابجایی‌ها می‌توانند به المان‌های ثانویه‌ی شکننده‌تر مانند پارتیشن¬ها، شیشه و نما آسیب وارد کنند. علاوه بر هر آسیب قابل‌توجهی که ممکن است توسط یک جابجایی بزرگ ایجاد شود، انباشته شدن چندین سیکل دامنه‌ی جابجایی نیز می‌تواند گسیختگی‌های ناشی از خستگی را به وجود آورد.

حرکت ناشی از باد می‌تواند دو مشکل مهم دیگر را به وجود آورد که بر روی قابلیت استفاده از ساختمان تأثیر می‌گذارند. اولین مشکل ترک‌خوردگی و صدای ناشی از آن است که ظاهراً زمانی رایج است که با تغییر شکل ساختمان، بیشترین مقدار حرکت نسبی بین اجزای ساختمان ایجاد شود. این سروصداهای بلند که غالباً در سطوح پایینی اتفاق می‌افتند می‌تواند باعث شود که حتی ساختمانی جدید مشابه یک کشتی قدیمی زهوار دررفته سروصدا داشته باشد.

اما رایج‌ترین مشکل، وجود حس حرکتی است که براثر شتاب ساختمان با حرکت به این‌طرف و آن‌طرف به وجود می‌آید. این مسئله‌ای است که طراحان باید به‌منظور اطمینان از راحت ماندن ساکنین حتی باوجود حرکت ساختمان در نظر بگیرند. ممکن است افراد دوست داشته باشند خانه‌ای در ابرها داشته باشند اما مطمئناً دوست ندارند نوسان را تجربه کنند. میرایی ذاتی کمی در سازه‌های بلندمرتبه‌ی مدرن وجود دارد.

چالش‌ها

اضافه کردن معیار حرکتی به فرآیند طراحی ساختمان، پیچیدگی یک طراحی خوب را افزایش می‌دهد. خوشبختانه ویژگی‌های دینامیکی سازه را می‌توان با استفاده از مدل‌های کامپیوتری در مهندسی سازه برآورد کرد.

چندین سال پیش، عمدتاً برای به دست آوردن بارهای فونداسیون به‌منظور تعیین لنگر واژگونی ساختمان، از آزمایش تونل استفاده می‌شد؛ اما در دوره‌های اخیر، مشخص شد که داده‌های آزمایشی که قبلاً جمع‌آوری‌شده‌اند را می‌توان برای تخمین شتاب‌ها نیز استفاده کرد. در حال حاضر این کار، فرآیندی رایج است.

برای بسیاری از پروژه‌های موجود، مهندس سازه سیستم سازه را طوری طراحی می‌کند که بارهای ثقلی به‌صورت قائم و بارهای باد- و گاهی اوقات درصورتی‌که اعمال، بارهای زلزله- به‌صورت جانبی بر اساس مصالح اصلی انتخاب‌شده‌ی سازه (که بتن و فولاد هستند) و اشکال مختلف آن‌ها، تحمل شوند. این طرح اولیه شامل سهم عظیمی است که روی‌هم‌رفته جرم و سختی ساختمان را تشکیل می‌دهد.

این کار معمولاً طراحی اولیه را بر اساس مدل المان محدود نتیجه می‌دهد. خروجی این مدل ویژگی‌های دینامیکی ساختمان را در اختیار می‌گذارد. مهندس سازه با استفاده از این اطلاعات که منطبق بر داده¬ها و تحلیل حاصل از تونل باد است، مجموعه‌ای از بارهای باد استاتیکی توزیع‌شده‌ی معادل را بر اساس ویژگی‌های دینامیکی ویژه‌ی ساختمان و اقلیم منطقه‌ای به دست می‌آورد. این داده‌ها را می‌توان برای تائید تمامی اعضای سازه‌ای در طراحی نهایی به همان مدل المان محدود منتقل کرد

تمامی اعضای ثانویه در ساختمان‌ها- هر چیزی از شیشه‌گرفته تا دیوارها و پارتیشن¬های داخلی- نیز به مقدار جزئی در سختی ساختمان مؤثر هستند، اما این موارد توسط مهندس سازه در نظر گرفته نمی‌شود. به همین دلیل بررسی‌های مربوط به ایمنی تا حدودی محافظه‌کارانه است.

محققان مقدار قابل‌توجهی اطلاعات درباره‌ی ویژگی‌های عملکردی ساختمان ازجمله نسبت‌های میرایی را به‌عنوان تابعی از ارتفاع و نوع ساختمان جمع‌آوری کرده‌اند. این ویژگی‌ها به تخمین عملکرد سازه کمک می‌کنند. بااین‌حال، داده‌ها برای میرایی ذاتی ساختمان بلندمرتبه، کمتر رایج هستند مگر اینکه بدانیم این مقدار در آینده بسیار کوچک خواهد بود. درواقع الگو بدین‌صورت است که مقدار متعارف میرایی ذاتی با لاغرتر شدن و کارآمدتر شدن طراحی‌ها، کاهش می‌یابد. این موضوع نیز ما را به این اصل می‌برد که ساختمان‌های جدید به سمت پویا شدن پیش می‌روند. پس زمانی که بدانید نمی‌توانید میرایی زیادی را از سازه‌ی ساختمان انتظار داشته باشید، اما درهرصورت می‌خواهید به ارتفاع‌های بلند دست پیدا کنید، چه الزاماتی باید رعایت شود؟

اینکه مردم نسبت به درک حرکت و شتاب چه احساسی دارند بسیار وابسته به فرد است، لذا تلاش برای معرفی مقدار مناسب شتاب تا حد زیادی با ابهام روبرو است. بااین‌حال، توافق بر روی این مسئله وجود دارد که نوع کاربری ساختمان و پریودهای بازگشت پیش‌بینی‌شده (میانگین بازه رمانی بازگشت) باعث به دست آوردن طیف منطقی از محدودیت‌های شتاب شود.

ساختمان‌های مسکونی نسبت به دیگر ساختمان‌ها مانند اداره‌ها یا فضاهای تجاری محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌تری را در برابر حرکت‌ دارند. ساکنین یک ساختمان مسکونی، درباره‌ی نحوه‌ی راحتی سکونت خود در تمام ساعات شبانه‌روز نسبت به همان افراد در یک ساختمان اداری، اهمیت بیشتری قائل هستند. 

زمانی که دستورالعمل‌های شتاب برای ساختمان‌ها تنظیم می‌شوند، این دستورالعمل‌ها یک پریود بازگشت پیش‌بینی‌شده را نیز در نظر می‌گیرند. به‌عنوان‌مثال، شتاب‌های بالاتری که اکثر افراد حس می‌کنند در صورتی می‌توانند قابل‌قبول باشند که به‌صورت مکرر اتفاق، مثلاً یک‌بار در سال یا یک‌بار در هر ده سال؛ اما برای رخدادهای هفتگی یا ماهانه، این شتاب به مقداری بسیار کمتر که معمولاً بسیاری از مردم آن را حس نمی‌کنند، محدود می‌شود.

صنعت ساختمان دریافته است که با نگه‌داشتن شتاب ساختمان‌های مسکونی به‌اندازه کمتر از 18 mili g در بدترین طوفانی که تنها یک‌بار در هر 10 سال احتمال وقوع دارد، بسیاری از نارضایتی‌ها حذف می‌شوند. برای برج‌های اداری، شتاب 25 mili g قابل‌قبول است. این بدان معنی است که لزوماً انتظار می‌رود الگوهای آب و هوایی در هر ده سال یک‌بار موجب حرکت جانبی به‌طور قابل‌توجه شده و در بالاترین طبقات موجب احساس ناراحتی افراد شود. این مقدار باعث می‌شود لوسترها و پرده‌ها حرکت کرده یا اینکه درها بر روی لولای خود نوسان کنند.

توجه: شتاب‌هایی که در یک ساختمان دارای حرکت جانبی، تجربه می‌شوند معمولاً به‌صورت چند هزارم G که شتاب ثابت براثر نیروی ثقلی و 9.81 متر بر مجذور ثانیه است، بیان می‌شود.

اگرچه که در طول سال‌ها ثابت‌شده که اهداف شتاب 10 ساله دستورالعمل سودمندی برای طراحان بوده است اما دوباره در اینجا پویا بودن ساختمان‌های جدیدتر ایفای نقش می‌نماید. درحالی‌که برای ساختمان‌های قدیمی‌تر اکثر نمودارهای حداکثر شتاب در برابر زمان میانگین بین رخدادها، تقریباً شیب یکسانی دارند. این نمودارها برای سازه‌های سبک‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌تواند دارای شیب‌های کمتری باشند. در این حالات، اینکه شتاب‌های 1 ماهه و 1 ساله اثرگذار باشند، موضوعی غیرطبیعی نیست. علاوه براین، فرکانس سیکلی حرکت جانبی ساختمان نیز بر روی حساسیت ساکنین ساختمان تأثیر می‌گذارد. یک سطح از شتاب که بر روی یک ساختمان با حرکت جانبی خیلی کم و با فرکانس پایین قابل‌قبول است، ممکن است بر روی یک ساختمان دارای فرکانس بالاتر قابل‌قبول نباشد.

این محدودیت در استانداردهای سازمان استاندارد جهانی 2007,ISO 10137 منعکس‌شده است که این استاندارد معیار شتاب را برای سازه‌های مسکونی و اداری در دوره بازگشت 1 ساله نسبت به محدوده‌ای از فرکانس‌ها در اختیار می‌گذارد. از طریق تراز کردن این حدود با نمودارهای لگاریتمی که شتاب‌های حداکثر کل ساختمان را در برابر زمان میانگین متعارف بین این رخدادها نشان می‌دهند، می‌توان تعیین کرد بهبود عملکرد سازه‌ای چه زمانی و تا چه حد ضروری است.

پایداری در برابر بارهای باد

فرآیند تعیین بارهای باد برای ساختمان‌های بلند و بسیار بلند نسبتاً پیچیده است. این فرآیند داده‌های تاریخچه آب و هوایی را که معمولاً از فرودگاهی نزدیک به دست می‌آید شامل می‌شود که ممکن است نیاز به تفسیر نیز داشته باشد که مختص سایت موردنظر است. ازآنجایی‌که بحرانی‌ترین سرعت‌های باد برای یک ساختمان بلندمرتبه چند صد یارد بالاتر از سطح زمین به وقوع می‌پیوندد و داده‌های آب و هوایی معمولاً نزدیک به سطح زمین جمع‌آوری می‌شوند، برونیابی بیشتری موردنیاز خواهد بود.

در زمان تعیین مقدار نوسان یک ساختمان بلندمرتبه در حضور باد، عامل کنترل‌کننده میرایی است. در یک انتها، مقدار مقاومت در برابر نوسان کم است یا اصلاً وجود ندارد و ساختمان حرکت جلو و عقب را به صورتی نامحدود ادامه می‌دهد که قادر نیست انرژی را که از طریق باد به آن منتقل‌شده است، مستهلک نماید. رفتار مخالف آن‌که با عنوان میرایی بحرانی شناخته می‌شود، هیچ نوسانی را به وجود نمی‌آورد و ساختمان به‌راحتی و در کوتاه‌ترین زمان پس از هر آشفتگی به موقعیت ساکن خود بازمی‌گردد. در مورد ساختمان‌های بلند واقعی هیچ‌یک از این حالات اتفاق نمی‌افتد.

مقدار میرایی ذاتی در یک ساختمان بلندمرتبه یا بسیار بلندمرتبه را نمی‌توان با هیچ قطعیتی پیش‌بینی کرد. درواقع میرایی ذاتی غیرقطعی‌ترین متغیر سازه‌ای است؛ بنابراین نیاز به قضاوت مهندسی خاصی داشته و باید به همراه دیگر فرضیه‌های طراحی رفتار مصالح به آن نگاه کرد. نسبت‌های میرایی مشاهده‌شده برای ساختمان‌های مختلف تائید کرده که میرایی بسیار کم بوده و با افزایش تعداد طبقات ساختمان کمتر نیز می‌شود. محدوده‌ای از میرایی ذاتی که عموماً 1 تا 2 درصد میرایی بحرانی است در طراحی استفاده می‌شود.

نتیجه این‌که چالش طراحی یک ساختمان بسیار به سطح میرایی سازه‌ی ساخته‌شده حساس است و تاز مانی که ساختمان ساخته نشده باشد، مشخص نمی‌شود.

به‌عنوان‌مثال اگر فرض میرایی 1.5 درصد باشد، به‌راحتی تا 1.8 افزایش یا به مقدار 1.2 درصد کاهش می‌یابد. به نظر می‌رسد که این مقادیر تفاوت آن‌چنانی با یکدیگر ندارند، اما این تفاوت می‌تواند اختلاف نسبی 20 درصدی را در شتاب به وجود آورد. لذا بجای اینکه شتاب هدف 18 mili g در دوره‌ی بازگشت 10 ساله باشد، می‌تواند تا 22 mili g افزایش‌یافته یا تا 14.5 mili g کاهش یابد که محدوده‌ی وسیعی از پاسخ است؛ بنابراین، اگرچه که درک شده که سطوح میرایی پایین هستند اما عدم قطعیت موجود در پیش‌بینی شتاب‌های واقعی همچنان بسیار زیاد است.

این عدم قطعیت که مربوط به ویژگی‌های میرایی سازه است را می‌توان تا حد زیادی با اضافه کردن یک سیستم میرایی جرمی تنظیم شونده کاهش داد. این نوع از سیستم‌های میرایی که طراحی مهندسی آن‌ها به‌گونه‌ای است که در پاسخ به حرکت ساختمان به‌صورت غیرفعال عمل می‌کنند، نیروهایی را در جهت خلاف حرکت ساختمان اعمال می‌نمایند.

سیستم TMD را باید تا جایی که ممکن است بالای ساختمان قرار داد تا بیشترین کارآمدی را داشته باشد. اکثر سیستم‌های میرایی طوری طراحی می‌شوند که قابل اصلاح‌شده یا تنظیم باشند. به این شکل تا زمانی که ساختمان تکمیل شود، میراگر خود را با عدم قطعیت‌ها در فرکانس‌های حرکت جانبی سازه وفق می‌دهد.

این TMD ها عمدتاً حاوی جرمی زیاد که یا به‌صورت مایع و یا به‌صورت جامد است، ابزارهای استهلاک انرژی و سیستم مناسبی از اتصالات سازه می‌باشند. این جرم به‌صورت ویژه برای هر ساختمان مطابق با تقاضایی که برای بهبود عملکرد مدنظر است تعیین می‌شود؛ برای ساختمان‌های بسیار بلند، معمولاً مقدار این جرم چند صد تن است.

میراگرهای مایع، جرمی از آب را در شکل‌های گوناگون استفاده می‌کنند که عبارت‌اند از میراگرهای دارای ستون مایع تنظیم شونده و میراگرهای موجی تنظیم شونده. اگرچه که میراگرهای آبی معمولاً تا حدودی نسبت به موارد جامد خود قیمت کمتری دارند اما فضای بیشتری را اشغال کرده و به ازای هر تن ف عملکرد بالایی ندارند.

TMD های جامد معمولاً شامل چندین ورق فولادی هستند که به محل منتقل‌شده و در آنجا سرهم‌بندی می‌شوند. این جرم می‌تواند توسط کابل معلق شود که بسیار شبیه یک پاندول ساده است، یا اینکه توسط ابزارهای اصطکاک دیگر در پایین نگهداری شود.

پس‌ازاینکه ساختمان ازنظر سازه‌ای تکمیل شد، TMD باید وارد فاز تنظیم و تراز بندی شود. پس‌ازاینکه قفل TMD باز شد، فرکانس نهایی ساختمان ساخته‌شده باید اندازه‌گیری شود. سپس TMD به بهترین نحو با آن فرکانس مقابله می‌کند و آن را آزاد می‌کند تا بتواند مسئولیت پایدار نگه‌داشتن برج را به‌خوبی انجام دهد و اینکه ساکنین آن حتی در بالاترین ارتفاع‌ها احساس پایداری و اطمینان را مشابه سطح زمین داشته باشند.

انتخاب یک نوع خاص از TMD برای یک ساختمان موردنظر از طریق ارزیابی به دست می‌آید. ملاحظات اصلی عبارت‌اند از نیروی موردنیاز و محدودیت‌های اشغال فضا، اگرچه که دیگر عوامل نیز دخیل هستند.

 آزمایش تونل باد ساختمان بلند و لاغر خیابان 432 Park نقشی کلیدی در ارزیابی اثرات فشار گردابه¬ای که توسط شکل بسیار یکنواخت آن ایجاد می‌شود، ایفا کرد.

 دو میراگر جرمی تنظیم شونده پاندول 660 تنی (TMD) که نزدیک به بالای برج در شرق و غرب هسته‌ی سازه قرار دارند و میرایی اضافی را برای ساختمان خیابان 432 Park در اختیار می‌گذارند.

این برج مسکونی لاغر در قلب شهر نیویورک که از تمامی سازه‌های اطراف خود بلندتر است، چالش زیادی را در مدیریت اثرات باد به همراه داشت. باوجود تلاش‌های زیادی که برای کاهش اثرات باد از طریق تغییر شکل انجام شد اما نیاز به سیستم میرایی اضافی بر اساس همان نتیجه‌گیری قبلی حس می‌شود. پریود طولانی ساختمان‌ها، به همراه حرکت زیاد موردنیاز جرم میراگر، نیاز به در نظرگیری فناوری میراگر موجی را حذف کرد. برای ارضای محدودیت‌های اشغال فضا، درنهایت دو TMD پاندولی 660 تنی که هرکدام در یک سمت ساختمان قرار دارند، استفاده شد.

 ساختمان خیابان 432 Park که در بلوک‌های ساختمانی پارک مرکزی نیویورک قرار دارد و ارتفاع آن بیش از دو برابر ارتفاع ساختمان‌های اطراف خود است. قسمت فوقانی سازه کاملاً در معرض باد قرار دارد.

برج شانگهای

این برج یکی از حالات نادری بود که در ابتدا شتاب‌هایی کمتر از شتاب‌های استانداردهای ISO داشت، اما مالک پروژه می‌خواست مقادیر این شتاب‌ها را بیشتر کاهش دهد. هدف این بود که نشان داده شود که سازه به این سادگی حرکت نمی‌کند.

 بازدیدکنندگان ناحیه‌ی مشاهده در بالای برج شانگهای می‌توانند حرکات اندک یک مجسمه 70 تنی را که در بالای میراگر جرمی تنظیم شونده شبیه پاندول نصب‌شده را ببینند.

نتیجه‌گیری

تکنولوژی میرایی اضافی باید یکی از گزینه‌های هر مهندسی که یک سازه بلند را طراحی می‌کند، وجود داشته باشد. TMD بخصوص زمانی که در اتصال با تکنیک‌های تغییر شکلی که اثرات باد را کاهش می‌دهند استفاده شود، می‌تواند زندگی و کار را در ساختمان‌های بلند نیز به‌راحتی ساختمان‌های سنتی و کوتاه‌تر به ارمغان آورد.

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.