سیستم سازه لوله ای چیست؟

سیستم سازه لوله ای

در ساختمان‌های بلندمرتبه سیستم قاب‌های خمشی گزینه مناسبی به حساب نمی آید که دلیل آن غیر ممکن بودن تأمین سختی جانبی موردنیاز برای چنین ساختمان‌هایی می باشد. اولین بار ایده سیستم سازه لوله‌ای یا همان سازه تیوپی با استفاده از یکپارچه کردن عملکرد دیوارهای پیرامونی ساختمان مطرح شد. به‌طورکلی این سیستم ترکیبی از ستون‌های نزدیک به هم و تیرهای عمیق می باشد که در محیط پیرامونی ساختمان قرارگرفته‌ اند.

سیستم سازه لوله ای مدلی کاملا اقتصادی و مناسب از نقطه نظر سازه ای در اجرای سازه های بلند مرتبه مي باشد كه از تيرها و ستون های صلب در شبكه خارجی بهره می گیرد. در این سیستم ديوار خارجی همانند يك لوله (مجرای توخالی) عمل مي نماید. امروزه اغلب ساختمان‌های بیشتر از ۴۰ طبقه با بهره گیری از گونه‌ای از سیستم‌ های لوله ای ساخته می‌شوند. این سیستم قابلیت اجرا با مصالح فولادی، بتنی یا ترکیبی از آن دو را دارا می باشد. در سازه‌های فولادی، قاب‌ های محیطی به صورت قطعات بزرگ در کارخانه ساخته و پس از حمل به محل، به یکدیگر وصل می شوند. در سازه های بتنی نیز استفاده از قالب‌های لغزنده، سرعت اجرا را در این سیستم افزایش می‌دهند. این سیستم سازه ای در حقیقت از سازه لوله در لوله تشکیل‌شده است که عموما یک لوله خارجی و یک لوله داخلی (هسته) که به یکدیگر متصل شده و با هدف نشان دادن عکس‌العمل هماهنگ بین قاب خارجی و قاب داخلی طراحی میگردند. در طراحی سیستم سازه لوله ای لوله خارجی معمولاً عریض در نظر گرفته می‌شود و وظیفه تحمل بارهای جانبی را بر عهده دارد. به بیان ساده تر هسته داخلی باریک بوده و وظیفه تحمل بارهای برشی ناشی از بار جانبی را بر عهده دارد.

از لحاظ سازه ای، سیستم سازه لوله ای دارای سختی بسیار بالایی می باشد که در مقایسه با سایر سیستم‌های متداول ساخت سازه های بلندمرتبه دارای چندین مزیت است. استفاده از این سیستم سازه ای مقاومت و سختی سازه را بالا می برد و از طرف دیگر سبب کاهش چشمگیر مقدار وزن مصالح مصرفی می گردد که این امر افزایش ارتفاع ساختمان را ممکن می‌سازد. همچنین سیستم تیوپی از طریق حذف ستون‌های میانی، سبب افزایش میزان فضاهای مفید داخلی می گردد.

کاربرد سیستم سازه لوله ای

این سیستم در سازه های بلند مرتبه با بازشوهای بزرگ در قاب خارجی کاربرد بسیار دارد. در سازه تیوپی سقف صلب سازه نیروهای برشی جانبی را به قاب یا هسته داخلی منتقل می نماید. هسته داخلی می‌تواند مجموعه‌ای از تیر و ستون با بتن مسلح و یا دیوارهای برشی باشد که جایگاه قرارگیری آسانسور، پله و تأسیسات یک سازه است.

برج ویلیس شیکاگو

یکی ار مثال های معروف سیستم سازه لوله ای، برج ویلیس در شيكاگو می باشد که به مدت بيست و دو سال رکورد بلند ترين ساختمان دنيا را حفظ کرده بود. در حقیقت برج ویلیس از دو لوله (تيوپ) ۵۰ طبقه، دو لوله ۶۶ طبقه، سه لوله ۹۰ طبقه و دو لوله ۱۰۸ طبقه ساخته شده كه يك طرح بسيار عالی برای مقابله با نیروی باد در شهر بادخيز شيكاگو می باشد.

سیستم سازه تیوپی

سازه تیوپی

تحلیل سازه‌های لوله‌ای

در تحلیل سازه لوله ای معمولاً فرض بر این است که سختی تاوه‌ های کف به ‌اندازه ای زیاد است که به‌صورت دیافراگم‌های صلب عمل می‌کنند. درنتیجه در هر طبقه شکل سطوح مقاطع تغییر نکرده و فقط تغییر مکانی مانند جسم صلب به وجود خواهد آمد. این امر سبب می شود که بتوان تمامی تغییر مکان‌های افقی را برحسب دو انتقال متعامد و یک چرخش تعریف نمود. علاوه بر موارد فوق، همواره فرض می‌شود که سختی خارج از صفحه تاوه‌های کف به‌اندازه‌ای کم است که قادر به تحمل چرخش یا خمش نخواهند بود. همچنین سیستم کف قادر به اعمال لنگر بین قاب‌ های عمود بر جهت بارگذاری جانبی که به‌عنوان بال‌های قاب‌های کناری در نظر گرفته می‌شوند نمی باشد. بنابراین قاب‌های کناری و قاب‌های عمود بر آنها تحت تاثیر نیروهای صفحه‌ای زیادی قرار می‌گیرند ولی نیروهای خارج از صفحه قابل‌چشم‌پوشی می باشند. هنگامی‌که ساختمان تحت اثر نیروهای جانبی قرار می‌گیرد، عمل اصلی سیستم کف، انتقال نیروهای افقی به اجزای سازه‌ای قائم است. چون سیستم کف به نحو دیگری در تحمل بارهای جانبی سازه دخالت ندارد و همچنین با در نظر گرفتن این امر که بارگذاری طبقات در ارتفاع‌ ثابت است، طراحی و اجرای تکراری طبقات بازدهی اقتصادی خواهد داشت.

سازه های بلندمرتبه

سیستم سازه لوله ای

معایب سیستم لوله ای

همانگونه که ذکر شد سیستم سازه لوله ای از ستون‌هایی به فواصل ۲ تا ۴ متر که توسط شاه‌تیرهایی عمیق به یکدیگر متصل می‌شوند تشکیل شده است. به دلیل تشابه عملکرد سازه‌های لوله‌ای به تیر طره این سازه‌ها را به تیر طره با اثر بالای المان‌ های بال سازه در رفتار سازه تشبیه می‌کنند. یکی از مشکلات اصلی سیستم سازه تیوپی توزیع غیریکنواخت نیروی محوری بین ستون‌ها هنگام اعمال نیروی جانبی به ساختمان است. این پدیده لنگی برش نامیده می‌شود که به‌صورت لنگی برش منفی و مثبت در سازه های قاب لوله اتفاق می‌افتد.

پدیده لنگی برشی

پدیده لنگی برشی در سیستم سازه‌ تیوپی در اثر تغییر مکان قائم ناهمگون ستون‌های واقع بر بال سازه به وجود می‌آید. هر ستون داخلی نسبت به ستون خارجی سمت خود، تغییر شکل و تنش کمتری خواهد داشت. از آنجائیکه لنگر اعمالی خارجی باید توسط لنگر داخلی ناشی از نیروهای فشاری و کششی دو سمت مخالف محور خنثی ساختمان تحمل شوند، تنش‌های ستون‌ های گوشه‌ای بیشتر از تنش‌های ناشی از رفتار خالص لوله‌ای خواهد بود که نهایتا تنش‌های ستون‌های میانی کمتر از آن گشته و توزیع تنش محوری از حالت خطی (ایده آل) دور می گردد. همانگونه که پیشتر ذکر شد در سیستم سازه‌ تیوپی ستون‌ها بسیار نزدیک به هم می باشند که این امر سبب کمبود فضاهای عمومی بزرگ در طبقات پایینی می گردد. البته لازم به ذکر است که برای رفع این مشکل می توان از شاه‌تیرهای انتقالی برای جمع‌کردن بارهای قائم استفاده کرد. با بهره گیری از این شاه‌تیرها، تعداد ستون‌ها در پای سازه تا حد قابل توجهی کاهش یافته و فاصله آنها از یکدیگر افزایش می‌یابد که این امر مشکل دسترسی به فضاهای بزرگ در طبقات پایینی را تا حد زیادی رفع می نماید.

امتیاز کاربران: اولین نفر باشید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *