صفر تا صد سیستم های سازه ای هسته مرکزی

امروزه به دلیل رشد جمعیت و نیاز به منازل و ساختمان ‌های اداری بیشتر به‌ خصوص در کلانشهرها و شهرهای صنعتی نیاز به ساخت ساختمان ‌های بلند بسیار بیشتر از قبل شده است؛ بنابراین نمی توان در بحث عمران طراحی ‌ها را مثل قبل که برای ساختمان ‌های با ارتفاع کمتر انجام می دادیم در نظر بگیریم؛ یعنی باید در سیستم ‌های سازه ‌ای نیز از تکنولوژی ‌ها و روش ‌های به‌ روز استفاده کنیم تا بتوانیم با ایمنی بالا و به حداقل رساندن احتمال خطرات جانی و مالی ساختمان ‌های مرتفع ‌تر با ظرفیت بیشتر را بسازیم. یکی از این سیستم‌ های بسیار مؤثر و کاربردی که توسط پژوهشگران و طراحان سازه در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌ گیرد سیستم هسته مرکزی ساختمان است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می ‌شویم.

سیستم هسته مرکزی در ساختمان چیست؟

سیستم هسته مرکزی در ساختمان یکی از روش های مهم طراحی سازه های بلند است که در آن بخش اصلی تحمل بارهای جانبی و بخشی از بارهای ثقلی در مرکز ساختمان متمرکز می شود. برای پاسخ به این سوال که هسته مرکزی چیست باید گفت این بخش معمولا در محل راه پله، آسانسور، داکت های تاسیساتی و فضاهای خدماتی قرار می گیرد و مانند یک ستون یا دیوار مقاوم بزرگ، پایداری کلی سازه را افزایش می دهد. در ساختمان های مرتفع، نیروهایی مانند باد و زلزله می توانند باعث جابه جایی و پیچش سازه شوند؛ به همین دلیل استفاده از هسته ی مرکزی ساختمان کمک می کند تا ساختمان رفتار منظم تر و ایمن تری داشته باشد. این سیستم علاوه بر افزایش مقاومت، باعث نظم بهتر پلان و استفاده بهینه از فضای داخلی ساختمان های دارای هسته مرکزی نیز می شود.

ضرورت ساخت سازه های مرتفع با هسته مرکزی

به طور کلی هر چه ارتفاع یک سازه را بیشتر در نظر بگیریم به دلیل موارد مختلف مانند بارهای وارد بر ساختمان، نیاز به مصالح بیشتر، نیاز به پی و فونداسیون قوی تر و موارد دیگر از این دست با محدودیت هایی در ضوابط طراحی روبه رو می شویم. به علاوه امروزه شکل های جدید ساختمان های مرتفع دیگر مانند گذشته ساده و متقارن نیست. همانطور که در کشورها و شهرهای بزرگ می بینید ساختمان های مرتفع مدرن دارای شکل های نامتقارن و پیچیده ای هستند.
در طراحی ساختمان های بلند، انتخاب نوع سازه، مصالح مصرفی و روش اجرای اجزای باربر اهمیت زیادی دارد. از طرفی، نوسان قیمت آهن و هزینه اجرای اسکلت نیز می تواند بر تصمیم گیری مهندسان و کارفرمایان اثر بگذارد. به همین دلیل، استفاده از سیستم های سازه ای مناسب برای کنترل هزینه و افزایش ایمنی ساختمان اهمیت زیادی دارد.
در نتیجه باید از یک سیستم سازه ‌ای متناسب با این نوع سازه‌ ها طوری استفاده کرد که در کنار مصرف حداقل مصالح مورد نیاز بیشترین کاربری و ایمنی را داشته باشد. یکی از این سیستم‌ های کاربردی، سیستم ساختمانی هسته مرکزی است. در حال حاضر به دلیل کاربرد سازه ‌ای بسیار بالای این سیستم برای تحمل بارهای جانبی به ‌صورت گسترده از آن در ساختمان ‌های مرتفع استفاده می ‌کنند.

میزان مقاومت ساختمان با هسته مرکزی در برابر زلزله

زلزله یکی از بارهای دینامیکی وارد بر هر ساختمان است که به دلیل متغیر بودن شدت آن در طول زمان و از نظر مکانی نمی توان مقدار آن را به ‌طور دقیق پیش ‌بینی کرد. تنها کاری که از دست مهندسین سازه بر می ‌آید این است که طبق ضوابط آیین ‌نامه‌ ای تا می ‌توانند ساختمان را نسبت به نیروهای احتمالی مقاوم ‌سازی کنند. متأسفانه هنوز در بسیاری از شهرها و مناطق برای ساخت ساختمان ‌های بلند از همان روش ‌های سنتی برای ساختمان‌ های کوتاه استفاده می‌ شود که نقش نیروی انسانی در بخش ‌های مختلف آن مانند جوشکاری، بتن ‌ریزی و موارد دیگر پررنگ است. غافل از اینکه نمی توان این روش ‌ها را برای ساختمان ‌های بلند استفاده کرد و احتمال ناپایداری سازه‌ های مرتفع با این روش‌ ها بسیار زیاد است. نکته قابل ‌توجه اینجاست که کشور ایران روی کمربند زلزله‌ خیز آلپ – هیمالیا قرار گرفته است. بنابراین سالیانه تعداد قابل‌ ملاحظه ‌ای زلزله در شهرهای مختلف با ریشترهای متفاوت اتفاق می ‌افتد. با این حساب نمی توان بیگدار به آب زد و به‌ خصوص برای ساختمان ‌های بلند باید از سیستم هسته مرکزی استفاده کرد تا ساختمان مقاوم‌ سازی شود.

در این میان، بررسی مقاومت سازه های فلزی در برابر زلزله نیز اهمیت زیادی دارد؛ زیرا در ساختمان های بلند، تنها نوع مصالح کافی نیست و نحوه طراحی اتصالات، مسیر انتقال نیرو و انتخاب سیستم سازه ای مناسب، نقش تعیین کننده ای در کاهش آسیب های احتمالی دارد.

لازم است بدانید حتی اگر تمامی ضوابط آیین ‌نامه ‌ای اجرا شود باز هم روش‌ های سنتی و دخالت نیروهای انسانی در اجزای مقاوم ‌سازی یک ساختمان همگن و مقاوم را به ما نمی‌ دهد. استفاده از سیستم هسته مرکزی یک روش بسیار مدرن است که برای کشورهای زلزله‌ خیز مثل ایران مناسب می ‌باشد. این روش برای اولین بار بعد از زلزله بسیار مخرب کوبه در ژاپن توسط مهندسین ابداع شد. در حال حاضر از آن در بسیاری از ساختمان ‌های اداری و مسکونی بلند استفاده می ‌کنند. در این روش مقاطع باربر ساختمان کاهش پیدا کرده و برای دخالت کمتر نیروی انسانی از ستون ‌های پیش‌ ساخته استفاده می‌ شود. همچنین انرژی و نیروهای دینامیکی وارد بر ساختمان مثل زلزله از طریق میراگرهای هیدرودینامیکی جذب می‌ شوند. در نتیجه ساختمان از نظر رفتاری در برابر نیروهای مختلف مطمئن است و برای سکونت یا کار مناسب می ‌باشد.

انواع سیستم هسته مرکزی در ساختمان های بلند

عناصر سازه ‌ای اساسی هر ساختمان که باید برای مقاوم‌ سازی روی آنها تمرکز کنیم عبارتند از:

• عناصر خطی مانند ستون و تیر
• عناصر سطحی مانند دیوار و دال
• عناصر فضایی مانند پوسته نما یا هسته مرکزی
• انواع سیستم‌ های مقاوم ‌سازی در ساختمان‌ های مرتفع

استخوان ‌بندی کامل یک ساختمان از ترکیبی از عناصر سازه‌ ای که در قسمت قبل معرفی کردیم ساخته می ‌شود. سیستم‌ های مقاوم‌ سازی مختلفی برای این اجزا وجود دارد؛ اما متداول ‌ترین آنها عبارتند از:

سیستم سازه ای دیوار باربر موازی

سیستم دیوارهای باربری موازی از صفحات قائم تشکیل می‌ شود و بیشتر در ساختمان ‌های آپارتمانی که نیازی به فضاهای آزاد بزرگ ندارند مورد استفاده قرار می گیرد. در این ساختمان ‌ها اصولاً نیازی به استفاده از سیستم ‌های مکانیکی سازه هسته‌ ای وجود ندارد.

سیستم هسته ‌ای و دیوارهای باربر نمایی

در این سیستم صفحات قائم دیوارهای خارجی ساختمان را تشکیل میدهند که حول یک سازه هسته ‌ای به ‌کار برده می ‌شوند. این سیستم برای آپارتمان ‌هایی است که نیاز به فضاهای داخلی باز دارند و مساحت این فضاهای باز بیشتر به ظرفیت سازه کف در پوشاندن دهانه ‌ها بستگی دارد.

سیستم صندوق ‌های خود متکی

در این سیستم از صندوق‌ هایی به شکل واحدهای سه ‌بعدی پیش ‌ساخته استفاده می ‌کنند که در محل پروژه به همدیگر وصل می ‌شوند و عملکرد آن شبیه سیستم دیوار باربر است.

سیستم دال طرّه شده

در این سیستم صفحات کف به یک سیستم هسته مرکزی تکیه می‌ کنند و نیازی به جایگذاری ستون در سازه نیست.

سیستم دال مسطح

این سیستم دارای صفحه ‌های افقی است که از دال ‌های بتنی کف با ضخامت یکنواخت تشکیل می ‌شود و این صفحات روی ستون‌ ها قرار می ‌گیرند. در این روش نیازی به تیرهایی با ارتفاع مقطع زیاد نیست و میتوان با استفاده از این سیستم به حداقل ارتفاع طبقه دست پیدا کرد.

سیستم فاصله‌ گذاری

از این سیستم برای ساختمان‌ های با طبقه‌ هایی که برای ایجاد فضای قابل ‌استفاده در داخل و بالای قاب به‌ صورت یک طبقه در میان است استفاده می‌ شود.

سیستم سازه ای معلق

در این سیستم به ‌جای ستون ‌ها از عناصر معلق برای تحمل نیروهای کف استفاده می ‌شود. در واقع در این روش کابل ‌ها بارهای ثقلی را (خرپاهایی که از یک سیستم هسته مرکزی طرّه می ‌شوند) حمل خواهند کرد.

سازه‌ های مرتفع با سیستم هسته مرکزی

در این سیستم بخش جذب و جمع ‌آوری بارهای وارد شده بر هر طبقه دقیقاً به مرکز ثقلی ساختمان وارد می ‌شود. ساختار سیستم هسته مرکزی به ‌گونه ‌ای است که شاهتیر قائم طرّه ‌ای مقاوم در برابر تنش‌ های ناشی از اعمال نیرو بر روی آن قرار می گیرد. معمولاً جنس هسته مرکزی از فولاد یا بتن می ‌باشد که در مرکز ساختمان جایگذاری می ‌شود. سپس همه طبقات به آن کنسول خواهند شد.

هدف اصلی استفاده از سیستم هسته مرکزی حذف عناصر قائم برای تحمل بار وارد شده بر ساختمان و یا به حداقل رساندن آن می ‌باشد. در واقع این سیستم می‌ تواند تمامی اعضای قائم سازه‌ ای را تنها در یک نقطه جمع کند. از جمله مزایای سیستم هسته مرکزی میتوان به استفاده برای دهانه ‌های بزرگ، امکان طراحی پلان ‌های مختلف و سازماندهی مناسب فضاهای داخلی و خارجی اشاره کرد.

لازم به ذکر است که هر نوع تغییر در جنس، شکل و اندازه هسته مرکزی تحت تأثیر طول، ارتفاع و عرض ساختمان و همچنین محل قرارگیری این سیستم هسته مرکزی در ساختمان قرار می گیرد. همانطور که در قسمت ‌های قبلی نیز اشاره کردیم از این سیستم بیشتر برای مقاوم‌ سازی ساختمان‌ های بلند نسبت به نیروهای دینامیکی قوی مانند زلزله استفاده می ‌شود.

سایر سیستم ‌های مقاوم‌ سازی ساختمان ‌ها به‌ اختصار عبارتند از:

• سیستم خرپاهای متناوب
• سیستم قاب صلب
• سیستم قاب و هسته مرکزی
• سیستم قاب خرپایی
• سیستم قاب با خرپاهای کمربندی و هسته مرکزی
• سیستم لوله در لوله
• سیستم لوله ‌های دسته شده

نحوه اجرای سیستم هسته مرکزی

اجرای سیستم هسته مرکزی از مرحله طراحی پلان و تعیین محل مناسب هسته آغاز می شود. در بیشتر ساختمان های بلند، هسته مرکزی در بخش هایی مانند آسانسور، راه پله، داکت های تاسیساتی و فضاهای خدماتی قرار می گیرد تا هم کاربری معماری داشته باشد و هم در تحمل بارهای جانبی نقش ایفا کند. پس از جانمایی، ابعاد، ضخامت دیوارها، نوع مصالح و نحوه اتصال هسته به فونداسیون و طبقات بر اساس محاسبات سازه ای مشخص می شود.

در مرحله اجرا، اگر هسته از نوع بتنی باشد، قالب بندی، آرماتوربندی، جایگذاری بازشوها و بتن ریزی دیوارهای هسته باید با دقت انجام شود. در سازه های فولادی یا مرکب نیز اتصال ستون ها، تیرها، مهاربندها و اجزای پیرامونی به هسته اهمیت زیادی دارد. اجرای صحیح این بخش باعث می شود نیروهای ناشی از باد و زلزله به شکل مناسب از طبقات به هسته و سپس به فونداسیون منتقل شوند و پایداری کلی ساختمان افزایش یابد.

مصالح مورد استفاده در هسته مرکزی ساختمان

مصالح مورد استفاده در هسته مرکزی ساختمان معمولا با توجه به ارتفاع سازه، نوع کاربری، شرایط لرزه خیزی منطقه و روش طراحی انتخاب می شود. رایج ترین مصالح برای اجرای هسته مرکزی، بتن مسلح، فولاد و در برخی پروژه ها ترکیب بتن و فولاد است. هسته بتنی به دلیل سختی بالا، مقاومت مناسب در برابر نیروهای جانبی و عملکرد خوب در برابر آتش، در بسیاری از ساختمان های بلند کاربرد دارد. در مقابل، هسته فولادی به دلیل وزن کمتر، سرعت اجرای بالاتر و امکان اجرای صنعتی، برای برخی پروژه های خاص مناسب است. در سازه های بسیار بلند، گاهی از سیستم مرکب فولادی و بتنی استفاده می شود تا هم مقاومت و سختی کافی فراهم شود و هم وزن و زمان اجرای پروژه کنترل گردد.

ساختمان ‌های ساخته ‌شده با هسته مرکزی

در اینجا برای آشنایی بیشتر شما با سیستم هسته مرکزی برخی از ساختمان ‌های مشهور که با این سیستم ساخته ‌شده ‌اند و روند استفاده آن ‌ها از این سیستم را برایتان توضیح می دهیم.

سیستم سازه ای برج میلاد

برج میلاد سازه ‌ای بتنی است که پایه اصلی آن از بتن ‌آرمه ساخته ‌شده است. ارتفاع این برج 315 متر از روی زمین طبیعی است و دارای مقطع حجره‌ ای یا سلولار می ‌باشد. مقدار 33000 متر مکعب بتن برای ساخت این برج مصرف‌ شده است. این برج که دارای کاربردهای مخابراتی و به ‌صورت چند منظوره می ‌باشد در شمال غربی تهران بین تپه ‌ای با مساحت تقریباً 14 هکتار در جنوب شهرک قدس و قسمت شمالی کوی نصر بنا شده است.

همانطور که دیده ‌اید ارتفاع این سازه بسیار بلند است و شکل ظاهری آن نیز با ساختمان ‌های مرتفع معمولی تفاوت دارد. این برج طوری ساخته‌ شده است که تقریباً از همه قسمت‌ های شهر قابل ‌مشاهده می ‌باشد و جزء نمادهای اصلی پایتخت محسوب می ‌شود. برج میلاد از نظر ارتفاع ششمین برج مخابراتی جهان است و بدنه آن شامل سیستم هسته مرکزی و چهار عدد باله می‌ باشد که در داخل هسته مرکزی 3 حجره به آسانسورها و یک حجره به راه ‌پله اضطراری اختصاص ‌یافته است. 6 آسانسور شیشه ‌ای نیز با ظرفیت 25 نفر در سه طرف بدنه برج قرار دارند. رأس این سازه نیز از جنس فولاد می‌ باشد.

کتابخانه ملی اتریش

کتابخانه ملی اتریش در کشور اتریش ساخته ‌شده است. این کتابخانه بزرگ در زمینی با مساحت 1200 مترمربع در حجمی دوار با یک سیستم هسته مرکزی در زیرزمین ساخته‌ شده است. شکل این سازه به‌ گونه‌ ای است که در قسمت شمال غربی از زمین فاصله گرفته و با یک حرکت آرام اما دوار در هم می پیچد و حول هسته مرکزی می ‌چرخد. در واقع از نظر فنی یک حرکت کراس اور یا متقاطع در آن ایجاد شده است. سپس آرک آن ادامه پیدا کرده و دوباره به زمین می ‌رسد.

برج آگورا

این برج با الهام از شکل ساختاری DNA انسان ساخته ‌شده و به همین دلیل استفاده از سیستم هسته مرکزی در آن ضروری بوده است. در این ساختمان 40 آپارتمان بسیار لوکس 540 متری ساخته ‌شده است و به ساکنین خود این امکان را میدهد که تمامی مواد غذایی مورد نیاز خود به ‌جز پروتئین را در محل ساختمان تأمین نمایند. همچنین دارای سیستم جمع ‌آوری آب باران می ‌باشد و یک ساختمان تقریباً مستقل از سایر ساختمان ‌های شهر است.

مجتمع تجاری اداری Agung Sedayu

این مجتمع اداری در شهر جاکارتا در کشور اندونزی طراحی ‌شده و احتمالاً تاکنون بخش‌ هایی از آن نیز احداث ‌شده است. این طرح به دلیل طراحی بسیار قوی در مسابقه طراحی ساختمان پایدار در اندونزی برنده‌ شده است و یکی از دلایل برنده شدنش استفاده از سیستم هسته مرکزی در آن می ‌باشد. با اینکه این ساختمان کاملاً مدرن است اما اساس طراحی آن استفاده از الگوهای معماری شهر جاکارتا، مصالح بومی در منطقه، اقلیم شهر جاکارتا و نوع بافت شهر می ‌باشد.

ایده‌ ی اصلی طراحی این مجموعه، از توپوگرافی یک دره‌ ی باریک بوده و در نهایت دو ساختمان با پیچ ‌و تابی موزون و چرخشی گام ‌به ‌گام به سمت داخل و هسته مرکزی ساخته می ‌شوند. این مجموعه اداری دارای 6 طبقه پارکینگ است که 3 طبقه آن در زیرزمین قرار دارد. همچنین در طبقه چهارم آن‌ یک باغ طراحی ‌شده است و قصد طراحان از جایگذاری این باغ در پروژه این بوده است که بتوانند تمامی گونه‌ ای گیاهی موجود در جاکارتا را در آن به کار ببرند و فضای منحصر به ‌فردی ایجاد کنند.

مقاوم ‌سازی این ساختمان با سیستم هسته مرکزی و سایر تدابیر معماری و سازه ‌ای طوری است که سازه در برابر زلزله و سونامی کاملاً مقاوم است. جالب است بدانید ساختمان طوری طراحی ‌شده است که تمامی آب باران در آن تصفیه‌ شده و در خود مجموعه مورد استفاده قرار می‌ گیرد. برای انرژی الکتریکی مجموعه نیز پانل‌ های خورشیدی در نظر گرفته ‌شده تا انرژی خورشیدی را به الکتریکی تبدیل کند.

سیستم هسته مرکزی یکی از مهم ترین روش های طراحی و مقاوم سازی ساختمان های بلند است که با متمرکز کردن بخش اصلی مقاومت سازه در مرکز یا نزدیک مرکز پلان، به کنترل نیروهای جانبی، کاهش جابه جایی طبقات و افزایش پایداری ساختمان کمک می کند. این سیستم معمولا در محل راه پله، آسانسور و فضاهای تاسیساتی اجرا می شود و علاوه بر نقش سازه ای، به نظم بهتر پلان و استفاده بهینه از فضای داخلی ساختمان نیز کمک می کند. انتخاب نوع هسته، مصالح مورد استفاده و نحوه اجرای آن باید بر اساس ارتفاع سازه، کاربری ساختمان، شرایط لرزه خیزی منطقه و محاسبات دقیق مهندسی انجام شود. در نهایت، استفاده درست از هسته مرکزی می تواند ایمنی ساختمان های مرتفع را در برابر نیروهایی مانند باد و زلزله افزایش دهد و امکان طراحی سازه هایی بلندتر، پایدارتر و کاربردی تر را فراهم کند.

سوالات متداول