تعریف برج

سازه‌هایی که همیشه ارتفاع آن‌ها از پهنای آن‌ها بسیار بیشتر است و مساحت کمتری از زمین را به نسبت فضای درونی و ارتفاع خود اشغال می‌کنند و معمولاً برای کاربردهای مختلف و ویژه ای احداث می شوند . 

معماری برجها

معمولا در برجها سعی می شود که معماری آن به شکل متقارن وکلیه خطوط ارتباطی در هسته مرکزی قرار گیرند . این عملکرد از لحاظ انتقال نیروهای افقی وبه منظور مقابله با زلزله وحفظ پایداری برج ارجح است . 

همچنین دیافراگمهای افقی در اطراف هسته مرکزی به شکل متقارن قرار می گیرند و به لحاظ ارتفاع برج حفظ تقارن معماری و در نتیجه سازه آن وتقارن در طراحی و بارگذاری از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

به منظور صرفه جویی در استفاده از اراضی وحفظ فضای سبز وباز ، استفاده از ارتفاع برای ساختمانها در شهرهای بزرگ توصیه می گردد ، زیرا هزینه های تاسیسات زیر بنایی در شهرهای بزرگ وتحمیل آن به ارگانهای مملکتی و در نتیجه به عموم مردم ، باعث می شود که بیشتر از ارتفاع استفاده شود وضمنأ با در نظر گرفتن عواملی مانند زلزله ، مقاومت زمین و شرایط ایمنی ارتفاع مناسب ساختمانها را تعیین می نماید.

علاوه بر برجهای مسکونی ، برجها برای کاربریهای دیگری مانند اداری – تجاری و غیره استفاده شده است . لیکن به طور کلی جهت سکونت برجهای بسیار بلند مناسب نبوده و برجهای متوسط مناسبت تر می باشد . برجهای بلند دارای مسائل و مشکلات شناخته شده   می باشند . ساخت و کاربری برجها در کشورهای مختلف نیز در رابطه با محدودیت زمین و تراکم و استفاده حداکثر از زمین بوده و به طور کلی از نظر اقتصادی چنانچه هزینه ساخت یک متر مربع بنا از قیمت زمین کمتر باشد ، طبیعتا ساختمانهای بلند با صرفه تر بوده و مورد استفاده قرار می گیرند.

اشکال ساختمانی

شکل پلان – یک پلان باید سادگی ، فشردگی و سختی پیچشی بالا داشته باشد.

سادگی – از نقطه نظر مقاومت در برابر زلزله یک پلان ساده نظیر شکل مربع یا دایره مطلوب است . در ساختمانهای دارای بال و انواع دیگر در قسمت بال غالبا تحت اثر  زلزله ، فرو        می ریزد . در این حالات ، درزهای زلزله که از نظر سازه ای بالها را مجزا می سازند بکار روند . همچنین باید در درزهای زلزله فاصله کافی وجود داشته باشد به طوری که قسمتهای منتهی به آن به یکدیگر برخورد نکنند.

فشردگی – در یک ساختمان با شکل طولانی و گسترده به علت وجود اختلاف در فاز حرکت لرزه ای نیروهای پیچیده ای عمل خواهند کرد . در چنین ساختمانهایی درز زلزله لازم است.

تقارن وسختی پیچشی بالا – برای احتراز  از تغییر شکل پیچشی لازم است مرکز سختی ساختمان بر روی مرکز جرم آن منطبق باشد . برای ارضای این شرط لازم است هم شکل ظاهری ساختمان و هم سازه آن دارای تقارن باشد . اگرچه می توان مرکز سختی یک ساختمان غیر متقارن را بر مرکز جرم آن منطبق نمود ، اما غالباً حفظ این انطباق در وضعیت تنش غیر الاستیک مشکل است.

اگر بین مرکز سختی و مرکز جرم برون محوری وجود داشته باشد ، در ساختمانی که سختی پیچشی آن کمتر است تغییر شکل پیچشی و تقویت حرکت زلزله بیشتر خواهد بود.

شکل قائم – شکل قائم بایستی یکنواختی وپیوستگی و نیز تناسب داشته باشد.

یکنواختی وپیوستگی – لازم است از تغییرات ناگهانی در شکل بندی قائم یک ساختمان دوری جست . هرگاه شکل بندی قائم ناپیوسته باشد ، در بعضی از قسمتها یک حرکت عمده ارتعاشی بوقوع می پیوندد و برای انتقال نیروها از برج به پایه نیاز به یک کنش دیافراگمی بزرگ در مرز قسمتها است . در چنین حالتهایی ، تحلیل پاسخ دینامیکی برای اطمینان در برابر زلزله الزامی است.

تناسب – یک ساختمان با تناسب بزرگ ارتفاع به پهنا تحت بارهای جانبی از خود جابجایی جانبی زیادی نشان می دهد . در چنین ساختمانی نیروی محوری ستونها که حاصل از لنگر واژگونی است ، بطور غیر قابل کنترلی زیاد می شود . نظیر همین وضعیت در مورد نیروهای فشاری و بالا کشیدگی عمل کننده بر روی پی صادق است . در ژاپن ، برای طراحی ساختمانی که نسبت ارتفاع به پهنای آن بیش از 4 است ، به نیروی استاتیکی زلزله افزوده می شود.

 


سختی و مقاومت 

راستای قائم – توصیه می شود که از هر گونه تغییر ناگهانی در توزیع قائم سختی و مقاومت احتراز شود . شاخص مناسب بیان این مورد سختی طبقه به وزن طبقه بین طبقات مجاور     می باشد. 

راستای افقی – اگر در یک طبقه هم ستونهای کوتاه و هم ستونهای بلند وجود داشته باشند ، نیروی برشی در ستونهای نسبتا کوتاه متمرکز شده و لذا منجر به شکست این ستونها قبل از ستونهای بلند می شود . در یک قاب ساختمانی کاربرد تیرهای محیطی می تواند ستونهای بلند را تبدیل به ستونهای کوتاه نماید . برای احتراز از این وضعیت باید دیوارهای غیر سازه ای از اعضای سازه ای جدا شود . در تیرهای کوتاه نیز نیروی زیادی متمرکز می شوند . می توان با تنظیم عمق تیر از چنین وضعیتی اجتناب نموده و از تمرکز تنش رهایی جست . اعضاء بتن مسلحی را ممکن است در معرض تمرکز تنش باشند ، می توان با کاربرد میلگردهای تسلیح قطری که منجر به شکل پذیری می شود ، اصلاح نمود. 

موارد قابل توجه دیگر

قیود – از نقطه نظر تنشهای حرارتی و نشست غیر یکسان بهتر است قیود یک سیستم سازه ای پائین نگه داشته شود . از طرف دیگر ، تحت عملکرد نیروهای زلزله قیود بیشتر مطلوب است ، زیرا چنانچه ظرفیت تغییر شکل پلاستیک زیاد باشد ، گسیختگی موضعی باعث سقوط کامل ساختمان نمی شود.

مود گسیختگی – اگر چه یک طراح سازه می تواند در مورد اینکه ابتدا ستونها و یا تیرهای سازه به حالت تسلیم برسند تصمیم گیری کند ، اما عموماً داشتن ستونهای قوی مطلوب تر است زیرا در این حالت  تسلیم خمشی تیرها ، مقدم بر ستونها خواهد بود . دلایل این انتخاب چنین هستند: 

شکست ستون به مفهوم سقوط کامل ساختمان است. 

در یک سازه با ستونهای ضعیف ، تغییر شکل پلاستیک در یک طبقه خاص متمرکز شده و در نتیجه نیاز به یک ضریب شکل پذیری نسبتا بزرگ است.

در هر دوی شکست برشی و گسیختگی خمشی ستونها تنزل سختی در مقایسه با تنزل سختی به هنگام تسلیم تیرها بیشتر است . چنین چیزی به علت وجود نیروهای محوری در ستونها اتفاق می افتد.

 

حتی در حالتی که یک قاب با ستونهای قوی و تیرهای ضعیف طراحی شود ، در یک مود گسیختگی استاتیکی در پایه ستونهای پائین ترین طبقه لولا های پلاستیک تشکیل می شود . بنابراین لازم است همواره برای ستونها شکل پذیری کافی تامین شود.

سازه های سخت یا نرم – یک سازه نرم نظیر یک قاب فولادی با اتصلات صلب برای محلی که انتظار می رود واکنش حرکت ارتعاشی آن کوتاه باشد ، مناسب خواهد بود زیرا در این صورت حرکت نسبتا کوچکی را تجربه می کند . در هر حال ، یک سازه انعطاف پذیر ، تغییر مکان جانبی زیادی از خود نشان می دهد که باعث بوجود آمدن خسارت در اعضای ناسازه ای می شود . در ساختمانهای بلند ، نوسانات حاصل از باد می تواند باعث ناراحتی ساکنین شود و لذا در این حالت یک سازه سخت مطلوبتر است . بنابراین بطور قاطع نمی توان ادعا نمود که نوعی بر نوع دیگر رجحان دارد.



تأثیر زلزله بر ساختمان ها

زمين لرزه وقتي شروع مي شود كه دو تكه بزرگ  پوسته زمين  بر  روي هم  مي لغزند . با وجود اين كه اين پوسته هاي عظيم الجثه ممكن است فقط چند اينچ جابجا شوند اما مقدار انرژي خارق العاده ي را آزاد مي كند . بعد ازآزاد شدن ، انرژي همچون موجهايي از ميان لايه هايي از خاك ، تركيباتي از شن ، سنگ ، صخره و آب به طرف سطح  زمين به حركت در   مي آيد . فونداسيون ساختمانها و سازه هاي ديگر در ميان اين لايه ها يا رويشان قرار          مي گيرند . زلزله با جابجایی زمین و ارتعاش فونداسیون ، سازه را به ارتعاش وا می دارد . 

اين كه يك فونداسيون ، ساختمان را در طول زمين لرزه  سرپا نگه خواهد داشت يا نه ، بطور خيلي زيادي به نوع خاكي كه در آن بستر مي گيرد بستگي دارد . و ساختمان سازان  واقفند كه همه خاكها مثل هم نيستند . حتي ساختمان هاي ساخته شده بر  روي زمين استوار هم هنگام زمين لرزه  با مشكلاتي مواجه هستند . با  وجود احتمال اينكه  فونداسيون در داخل زمين نرود ،  هيچ ضمانتی براي اينكه ساختمان پا برجا خواهد ماند وجود ندارد .

هر  سازه اي  يك  فركانس  ارتعاشي طبيعي دارد که بستگي به ارتفاع سازه دارد . براي درك اين موضوع پاندولي كه آويزان بوده و در حال تاب خوردن است را تصور كنيد . 

اگر طنابي كه  پاندول از آن آويزان است كوتاه باشد ، فاصله ي را كه پاندول در آن حركت لنگري خواهد داشت كوتاه تر از زماني كه طناب بلند است خواهد بود پاندول كوتاه نیز سريعتر حركت خواهد كرد . همچنين ساختمانهاي كوتاه سريعتر مرتعش مي شوند و ساختمانهاي بلند در عوض به آرامي مرتعش مي شوند .

بزرگترين خطر براي  هر ساختماني  چه بلند و چه كوتاه زماني  اتفاق مي افتد  كه  فركانس يا  زمان  ارتعاشات طبيعي ساختمان با فركانس ارتعاشات زمين لرزه هماهنگ شود . اين شرايط كه به  آن  رزونانس گفته مي شود شبيه  به زماني است كه شما كسي را در روي تاب هل   مي دهيد . اگر اين كار را با ريتمي  كه تاب  به طرف جلو  و  عقب در حركت  است همزمان كنيد ،  انرژي زيادي براي فرستادن شخص تاب خورنده به اوج تاب مورد نياز نخواهد بود .

 به همين ترتيب وقتي ساختماني كه شروع  به ارتعاش  كرده  توسط زمين لرزه همزمان و ريتميك هل داده شود ، ساختمان همچون فرد تاب  خورنده  به  اوج تاب مي رسد . اين ارتعاشات ساختمان را شكاف مي دهند .  ساختمانهاي  بلند معمولاً کمتر با اين مشكل مواجه اند . يك به اين علت كه  آنها از مواد قوي و انعطاف پذيري ساخته مي شوند كه تحمل لرزه را دارند . علت ديگر  اين كه آنها  معمولاً بر روي زمين با ثبات ساخته مي شوند در نتیجه موج هاي زمين لرزه با سرعت از این زمين عبور مي كنند .

 اما در نظر داشته باشیم که هرچه ساختمان بلندتر باشد نرم تر است در نتیجه دارای دوره تناوب طولانی تری نسبت به ساختمان های کوتاهتر می باشند در نتیجه ماکزیمم جابجایی ها را به خود می گیرد .

ساختمانهاي بلند به  آرامي مرتعش شده تا  آنجا ئيكه شانس كمتري  براي  وقوع رزونانس در آنها بوجود مي آيد . برآوردها مي گويند که در اثناي زمين لرزه در يك آسمان خراش بلند باید احساس امنيت كنيم .

ساختمانهای بلند اکثراً در معرض بارهای دینامیکی بزرگی ناشی از عوامل محیطی مختلفی    می باشند که شامل بارهای ناشی از زلزله و بادهای شدید و ... می باشند ، لذا امروزه یکی از مهمترین مشکلات پیش روی مهندسین سازه ، یافتن راه هایی برای کاهش حرکت جانبی سازه و ارتعاشات ایجاد شده در ساختمان های بلند در جهت افزایش ضریب ایمنی سازه و راحتی وآسایش ساکنین می باشد . امروزه تعداد زیادی از ساختمان های بلند با گونه های مختلفی از ابزارهای کنترل جابجائی ساخته شده اند.

بارهای وارده بر سازه در بعضی موارد ممکن است از نظر مقدار ، جهت و موقعیت تغییراتی نسبت به زمان داشته باشند . این بارها را اصطلاحاً بارهای دینامیکی گویند . در چنین حالتی رفتار سازه « مقادیر تغییر شکلها ، نیروهای داخلی و تنشها » وابسته به زمان خواهد بود . 

بنابراین رفتار سازه در این حالت بر عکس رفتار استاتیکی آن جواب منحصر به فردی نخواهد داشت ، بلکه در هر لحظه از زمان ، رفتار خاصی برای آن موجود خواهد بود که به آن رفتار دینامیکی می گویند .

در اثر اعمال بارهای دینامیکی ، تغییر مکان حاصله همراه با سرعت و شتاب خواهد بود . جهت مقابله با شتاب وارده ، نیرویی به نام نیروی لختی در اثر جرم و جهت مقابله با سرعت ، نیروی میرایی در اثر اصطکاک بین ذرات ، لقی اتصالات و غیره بوجود می آید.

 بنابراین نیروهای داخلی سازه نه تنها می باید با بارگذاری اعمال شده بر آن در تعادل باشند ، بلکه نیروهای لختی ناشی از شتاب و میرایی ناشی از سرعت نیز در تعادل مؤثر می باشند . از جمله اثرات دینامیکی وارد بر سازه ها و ساختمان ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :

اثر انفجارها

بارهای متحرک ترافیکی

و . . . 

اثر زلزله

نیروی باد

نیروی ناشی از امواج بر سازه های دریایی