طراحی ساختاری ساختمان های بلند مرتبه با استفاده از ماژول های قاب فولادی

در بسیاری از اقتصادهای توسعه یافته و صنعت ساخت و ساز، مشکلات شدیدی از جمله جوان نبودن نیروی کار، کمبود نیروی کار و افزایش هزینه ها وجود دارد؛ در نتیجه دستیابی به آینده ای پایدار برای صنعت و جامعه دشوار می باشد. ساخت و ساز مدولار (به عنوان مثال ساخت و ساز با استفاده از ماژول های تولید شده در خارج از محل) یک رویکرد جدید است که مزایایی مانند کوتاه شدن دوره ساخت و ساز در محل، بهبود سلامت و ایمنی سایت، کاهش اتکا به نیروی کار در محل، حداقل ضایعات ساختمانی و افزایش کیفیت ساخت و ساز را به همراه داشته است. در صورت دستیابی به ساخت و ساز مدولار، مزایای مذکور می تواند به غلبه بر مشکلات پیش روی صنعت ساخت و ساز کمک کند. در هنگ کنگ، استفاده از رویکرد مدولار در ساخت و ساز، به ویژه برای ساختمان های بلند مرتبه، توسط دولت “ساخت و ساز یکپارچه مدولار” (MiC) ترویج داده شده است.

ساختمان های مدولار اسکلت فلزی دارای مزایای خاصی مانند ساخت و ساز سریع و با کیفیت بالا هستند؛ با این حال، اگرچه ماژول‌های اسکلت فلزی در چندین کشور به کار گرفته شده‌اند اما اکثر آنها به سازه‌های با ارتفاع کم تا متوسط محدود می‌شوند. ساختمان های مرتفع مدولار نادر هستند. این مقاله یک راه حل طراحی سازه عملی برای ساختمان های بلند مرتبه با استفاده از یک سیستم مدولار قاب فولادی پیشنهاد می کند. یک ساختمان خوابگاه دانشجویی ۳۱ طبقه در هنگ کنگ به عنوان یک ساختمان مدولار با اسکلت فلزی مورد مطالعه و بررسی قرار می گیرد. اجزای ساختمان مدل شده و رفتارهای سازه‌ای تحت سناریو های بار باد و زلزله مقایسه می‌شوند. علاوه بر این، فرآیند طراحی سازه مورد استفاده برای ساختمان ۳۱ طبقه برای طراحی یک ساختمان مدولار ۴۰ طبقه فرضی برای بررسی بیشتر راه حل طراحی پیشنهادی اعمال می شود.

هدف از این مقاله، توسعه یک راه حل سازه ای برای ساختمان های بلند مرتبه با استفاده از ماژول های اسکلت فلزی (ساختمان مرتفع مدولار) است که می تواند پایداری و ایمنی سازه را تضمین کند. اسکلت ساختمان خوابگاه دانشجویی ۳۱ طبقه مذکور، بتن آرمه (RC) بوده و به عنوان ساختمان مرجع انتخاب شده و با استفاده از ماژول های اسکلت فلزی طراحی مجدد شده است. یک شبیه‌سازی المان محدود (FE) برای تحلیل رفتارهای کلی ساختمان‌های مدولار مرجع و بازطراحی شده انجام می‌شود. جابجایی های جانبی، رانش های طبقه و برش های طبقه تحت بارهای باد و زلزله مقایسه شده است. یک راه حل مبتنی بر سناریو بار باد و زلزله برای اطمینان از پایداری ساختاری و ایمنی ساختمان مدولار بازطراحی شده، شناسایی و پیشنهاد شده است. علاوه بر این، برای اطمینان از اینکه اتصالات در ساختمان مدولار تحت بدترین سناریوهای بارگذاری به صورت الاستیک رفتار می کنند، تنش در این اتصالات تعیین کننده خواهد بود.

ماژول‌های اسکلت فلزی از قاب‌های فولادی سازه‌ای به عنوان سیستم سازه‌ای استفاده می‌کنند که می‌تواند به راحتی در خارج از محل تولید شوند و در محل نصب شوند. برای تعیین رفتارهای اساسی ساختمان های مدولار تحت سناریوهای مختلف بارگذاری باد و زلزله، تحقیقات متعددی در دهه گذشته انجام شده است. Lacey و همکارانش یک مرور کلی از رفتارهای سازه ای ساختمان های مدولار کم ارتفاع ارائه کردند. Annan و همکارانش به طور تجربی عملکرد یک قاب فولادی مدولار کم ارتفاع را تحت بارگیری هیسترتیک بررسی کردند و گزارش کردند که قاب فولادی مدولار، شکل پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی مشابه با قاب های فولادی معمولی را نشان می دهد. هونگ و همکارانش به طور تجربی مکانیسم های چرخه ای قاب های فولادی مدولار با پانل های فولادی دو پوسته را مورد مطالعه قرار دادند و گزارش کردند که این پانل ها سختی جانبی اولیه قاب ها را افزایش می دهند. Annan و همکارانش رفتار قاب‌های فولادی مدولار چهار طبقه را بررسی کردند و گزارش کردند که ساختمان مدولار کم‌ مرتبه واکنشی را تحت سناریوهای بار زلزله نشان می‌دهد. Gunawardena و همکارانش رفتارهای جانبی ساختمان های مدولار با ارتفاع متوسط را که در معرض تحریکات لرزه ای قرار دارند. Srisangeerthanan و همکارانش تایید کردند که انعطاف پذیری دیافراگم های بالاتر به طور قابل توجهی باعث افزایش انحرافات بین طبقات ساختمان های مدولار در طول زلزله می شود. با این حال، بیشتر مطالعات فوق بر عملکرد کلی ساختمان‌های مدولار با ارتفاع کم تا متوسط متمرکز بودند و تنها تعداد کمی بر ساختمان‌های مدولار مرتفع متمرکز شده‌اند.

در سال های اخیر مطالعات عددی، تحلیلی و تجربی متعددی بر روی ساختمان های مرتفع انجام شده است؛ با این حال، تنها تعداد کمی ساختمان های بلند مرتبه مدولار را مورد بررسی قرار دادند. Liu و همکارانش یک روش طراحی سازه ای برای یک سازه پیش ساخته فولادی بلند مرتبه پیشنهاد کردند که این سازه عمدتاً از یک سیستم کف پیش ساخته مدولار و ستون ‌های فولادی تشکیل شده بود و از ماژول‌های اسکلت فلزی کمتر استفاده شده بود. از آنجایی که بررسی راه‌حل‌های سازه‌ای و کاربردهای سازه‌های بلند با ماژول‌های اسکلت فلزی نادر است، اطمینان از پایداری سازه و تعیین دقیق ظرفیت آنها بسیار مهم است.

عملکرد سازه ای ساختمان های بلند مرتبه با مدول های فولادی ارتباط نزدیکی با رفتارهای مکانیکی اتصالات سازه ای دارد. بسیاری از مطالعات عملکرد ساختمان های مدولار را با استفاده از اتصالات مختلف بررسی کرده اند.

 Lawson و همکارانش یک اتصال پیچ و مهره ای بین دو ماژول کاملاً باز را توصیه کردند. Choi و همکارانش نشان دادند که اگر اتصال ماژول به ماژول در تحلیل صلب فرض شود، سختی و استحکام جانبی ساختمان‌های مدولار ممکن است بیش از حد تخمین زده شوند. Doh و همکارانش رفتار اتصال براکت فولادی را تحت برش و بارگذاری ساده مورد بررسی قرار دادند و گزارش کردند که شکست شکل پذیر در اتصال زمانی رخ می دهد که مقاومت کششی پیچ ها بیش از حد باشد. Gunawadena یک اتصال ماژول به ماژول را پیشنهاد کرد و رفتارهای آن را تحت بارهای جانبی مورد مطالعه قرار داد. Chen یک اتصال ماژول به ماژول اصلاح شده را ارائه کرد و عملکرد های بارگذاری آن را بررسی کرد و نشان داد که سخت کننده ها می توانند به طور قابل توجهی سختی و ظرفیت حمل بار را افزایش دهند. با این حال، اتصالات مدولار در معرض عدم قطعیت های مختلفی هستند، مگر اینکه مطالعات تجربی و پارامتری گسترده ای انجام شود. برای جلوگیری از این عدم قطعیت ها تحت سناریوهای بارگذاری مختلف، لازم است طراحی ظرفیت اجرا شود تا اطمینان حاصل شود که اتصالات مدولار در یک ساختمان مدولار همیشه به صورت الاستیک رفتار می کنند.

نتایج تحلیل عددی این مقاله نشان می‌دهد که جابجایی‌های جانبی سقف و نسبت‌های رانش بین طبقه ساختمان مدولار بازطراحی شده در محدوده مجاز آیین‌نامه‌های طراحی قرار دارند. یک راه حل طراحی سازه برای ساختمان های بلند مرتبه، استفاده از ماژول های اسکلت فلزی توسعه یافته است که این راه حل با استفاده از یک ساختمان خوابگاه دانشجویی ۳۱ طبقه واقعی نشان داده شده است و در موردی که راه حل پیشنهادی برای یک ساختمان فرضی ۴۰ طبقه اعمال می شود، بیشتر مورد بررسی قرار می گیرد. رفتارهای ساختمان ها تحت سناریوهای بار باد و زلزله بررسی شده است. جابجایی جانبی، نسبت رانش بین طبقه و برش طبقه ساختمان های مدولار مرجع و بازطراحی شده تعیین و مقایسه می شوند. تنش ها در اتصالات مدولار برای اطمینان از اینکه در بدترین سناریوهای بارگذاری در محدوده تسلیم هستند بررسی می شوند. یافته ها و نتایج کلیدی این مقاله به شرح زیر است:

۱- این مقاله مناسب بودن راه حل طراحی سازه ای پیشنهادی را برای طراحی ساختمان های بلند مرتبه با استفاده از ماژول های اسکلت فلزی نشان می دهد. حداکثر جابجایی های جانبی سقف ساختمان های مدولار مرجع و ۳۱ طبقه با اسکلت فلزی تحت بار باد به ترتیب ۱۰۵ و ۳۵٫۶ میلی متر است که در محدوده مجاز (۱۶۴ میلی متر) آیین نامه باد هنگ کنگ است. تحت بارهای ترکیبی، حداکثر نسبت رانش بین طبقات ساختمان مدولار ۰٫۰۷۲٪ است که کمتر از حد مجاز تعیین شده توسط کد لرزه ای چین (۰٫۱۲۵٪) است. با این حال، ساختمان مرجع تحت بارهای ترکیبی عملکرد ضعیفی از خود نشان می دهد، زیرا فقط مطابق با الزامات بار باد طراحی شده است و الزامات لرزه ای در نظر گرفته نشده است. علاوه بر این، تنش ها در اتصالات مدولار در محدوده تسلیم مواد فولادی است.

۲- ساختمان های مدولار مرجع و بازطراحی شده دارای جابجایی جانبی، نسبت رانش بین طبقه و برش طبقه تحت بار زلزله در مقایسه با ساختمان های تحت بار باد هستند. بنابراین، توصیه می‌شود که عملکرد کلی ساختمان‌های بلندمرتبه مدولار در برابر بار زلزله در طراحی سازه بررسی شود. علاوه بر این، رفتارهای لرزه ای ساختمان های مرجع و مدولار به طور قابل توجهی تحت تأثیر مدهای ارتعاشی مرتبه بالا قرار دارند.

۳- سختی جانبی ساختمان مدولار ۳۱ طبقه بیشتر از ساختمان مرجع است. بنابراین، دوره های طبیعی، جابجایی جانبی، و نسبت رانش بین طبقات ساختمان اول به طور قابل توجهی کوچکتر از ساختمان دوم است. علاوه بر این، برش طبقه در ساختمان مدولار ۳۱ طبقه به طور قابل توجهی بزرگتر از ساختمان مرجع است.

۴- ضخامت دیواره هسته می تواند تأثیرات مثبت و منفی بر رفتار کلی سازه داشته باشد. بنابراین، روش آزمون و خطا برای تعیین ضخامت بهینه دیواره هسته در طراحی مهندسی توصیه می شود.

تحقیقات بیشتر برای بهبود سختی جانبی ساختمان های مدولار ضروری است؛ به عنوان مثال، با بهینه سازی طرح سازه و استفاده از فولاد با کارایی بالا و بتن با مقاومت بالا. علاوه بر این، آزمایش‌هایی باید برای تأیید عملکرد اجزای ساختاری مهم و اتصالات در نظر گرفته شود.

نویسنده: مهندس محمد علی مخبریان