ما هي متطلبات التصميم الأساسية للهياكل العالية؟

المباني الشاهقة هي نظام هيكلي مصمم لمقاومة القوى الجانبية بفعل الرياح أو الزلازل، مع مراعاة معايير القوة والانحراف وراحة ساكني المبنى.

الهياكل العالية ليست جديدة على أي منطقة في العالم حيث أن هذا الشكل من الهندسة المعمارية موجود منذ قرون. العديد من المعالم التاريخية مثل هرم خوفو، معبد يونغنينغ، معبد هوانغريونغسا، وما إلى ذلك هي شهادة على مثل هذه الأعجوبة المعمارية.

شهد مجال الهندسة المدنية تطورات عديدة ويتطور باستمرار للتكيف مع متطلبات العصر الحديث. التطورات في نطاق النمط وبناء الهياكل العالية هي واحدة من هذه القفزات الثورية الملموسة للجميع.

ناطحات السحاب
ناطحات السحاب

متطلبات التصميم الأساسية للمباني العالية

عند تصميم الهياكل العالية، يجب مراعاة المتطلبات الأساسية مثل الأحمال والمقاومة والاتزان والمتانة ، وما إلى ذلك كما هو موضح أدناه:

١- الأحمال

لا تسبب الأحمال الرأسية، أي الميتة والحية، أي مشاكل في التصميم لأنها ذات طبيعة حتمية في الغالب. ومع ذلك، فإن القوى الجانبية الناجمة عن الرياح أو الزلازل تجعل التصميم مزعجاً. يمكن لهذه القوى الجانبية أن تولد إجهادات شد كبيرة في الهيكل، أو إحداث اهتزازات غير مرغوب فيها، أو التسبب في ميول وانحرافات جانبية مفرطة للهيكل، وبالتالي يتطلب ذلك اعتبارات هامة وفريدة.

مجموعة أحمال على الهياكل
مجموعة أحمال على الهياكل

شددت التطورات في تصميم الهياكل متعددة الطوابق على أهمية تقييد التأثير الجانبي (الإزاحات) وكذلك نشاط الأحمال الجانبية. إن توفير جدار القص، في مقابل الأطر غير المرنة التقليدية، يقلل من التأثير الجانبي للهيكل. يوفر جدار القص المصمم جيدًا السلامة الهيكلية والأمن للعناصر غير الهيكلية مثل الأسقف المستعارة والحوائط المعمارية بمختلف أنواعها وما إلى ذلك من الاضطرابات الزلزالية.

٢- المقاومة

جانب التصميم الحاسم للهيكل الطويل هو قوته في الصمود والبقاء ثابتًا تحت أسوأ مجموعة ممكنة من الأحمال التي قد تحدث طوال عمر الهيكل، بما في ذلك فترة البناء.

بالإضافة إلى ذلك، الانفعالات الناتجة عن الأنشطة التفاضلية مثل الزحف أو الانكماش أو درجة الحرارة يجب أن تكون مضمنة في معايير مقاومة الهيكل.

٣- الاستقرار أو الاتزان

يجب أن يكون للهياكل العالية قواعد وأساسات تضمن الاتزان تحت تأثير الجمع بين القوى الرأسية والجانبية. وبالتالي، يجب أن يتم تصميم وتنفيذ الأساسات والهياكل بحيث يتم تطبيق القاعدة السهلة لسريان محصلة القوى وجعلها تمر خلال ثلث القاعدة الأوسط، وبالتالي يضمن ذلك جعل الإجهادات تحت الأساسات إجهادات ضغط ومنع تولد إجهادات شد.

يجب النظر في حالة التوازن للتأكيد على أن قوى التصميم الجانبية يجب ألا تؤدي إلى انقلاب الهيكل بأكمله بسبب حركة الجسم الجامدة حول حافة واحدة من القاعدة. وبالمثل، يجب أن يكون عزم المقاومة للوزن الميت للهيكل أكبر من عزم الانقلاب بعامل أمان مناسب للسلامة.

٤- المتانة

ستكون الهياكل التي تم إنشاؤها باستخدام المواد والأساليب الصحيحة أكثر قوة ومرونة مقارنة بالمبنى الذي تم إنشاؤه دون مراعاة قوانين البناء والأكواد وباستخدام العمالة غير المدربة حتى ولو كان مبنى صغير أو قصير.

يعتمد طول عمر الخرسانة المسلحة على العوامل التالية بالإضافة إلى جودة المواد والبناء:

  • المواد الكيميائية المسببة للتآكل
  • نفاذية أو مسامية الخرسانة
  • الانكماش
  • الغطاء الخرساني للتسليح
  • معالجة الخرسانة
  • التأثيرات الحرارية
  • تأثير التجمد والذوبان (في الأماكن الباردة)

٥- الصلابة أو الجساءة وتقييد الانحرافات

يعتبر توفير الصلابة أو الجساءة المناسبة، وخاصة الجساءة الجانبية، أمرًا حيويًا لتجنب أي فشل تدريجي ممكن. أحد المؤشرات المباشرة التي تعبر عن مقدار الجساءة الجانبية للهيكل هو مؤشر الانحراف. يتم تعريف مؤشر الانحراف على أنه نسبة الانحراف الأقصى في أعلى المبنى إلى الارتفاع الكلي أي حاصل قسمة مسافة الانحراف الأفقية في أعلى المبنى على ارتفاع المبنى الكلى.

تأثير الحمل الجانبي على المباني بدون ومع جساءة جانبية
تأثير الحمل الجانبي على المباني بدون ومع جساءة جانبية

لهذا السبب ، يعد إنشاء قيود على مؤشر الانحراف خيارًا مهمًا للتصميم، والذي يعتمد على عوامل مثل استخدام المبنى، ونوع المبنى، والمواد المستخدمة، وأحمال الرياح، وما إلى ذلك. ومع ذلك، بالنسبة للهياكل التقليدية، فإن مؤشر الانحراف يتراوح تقريبًا بين ١ / ٦٠٠ إلى ١ / ٣٠٠ ، ويجب إعطاء جساءة وصلابة كافية لضمان ألا يتجاوز الانحراف العلوي هذه القيم تحت أي تركيبة تحميل ممكنة.

٦- تفاعل التربة مع الهيكل

يتم نقل القوى الرأسية والقوى الجانبية التي تؤثر على المبنى إلى التربة تحت الهيكل من خلال الأساسات. الشاغل الأساسي لمهندس التصميم الهيكلي هو تأثير انهيار الأساسات وهبوط الهيكل.

في حالة المباني العالية، يمكن أن تكون الأحمال المنقولة بواسطة الأعمدة ثقيلة جدًا بسبب ارتفاعها. عندما تكمن الصخور الجيدة أو التربة الصلبة في عمق أكبر، قد يتم وضع الأسس على عمق أكبر من خلال استخدام أساسات الخوازيق أو الكيسونات. لا يتم عادةً مواجهة المشكلات في هذه الحالة لأن الاختلافات الضخمة في أحمال الأعمدة والمسافات يمكن موازنتها مع الحد الأدنى من الهبوطات التفاضلية.

أساسات خوازيق للمباني العالية
أساسات خوازيق للمباني العالية

في المواقع ذات التربة الفقيرة، يجب تقييد وتحديد أو تخفيض الأحمال على مكونات الأساس لتجنب انهيار القص أو الهبوط التفاضلي الشديد. يمكن الحصول على التخفيض عن طريق حفر وزن من التربة يساوي جزءًا كبيرًا من الوزن الإجمالي للهيكل.

يجب إيلاء اهتمام خاص لتصميم نظام الأساسات لتقاوم العزوم والقص. هذا مهم، خاصة عندما يكون الضغط المسبق بفعل الوزن الميت للهيكل غير كافٍ للتغلب على إجهاد الشد والضغوط من خلال العزوم بفعل الرياح، مما يتسبب في رفع الهيكل.

٧- تأثير الزحف والانكماش ودرجة الحرارة

في الهياكل الخرسانية العالية، قد تكون العزوم الرأسية بسبب الزحف والانكماش كبيرة بما يكفي لخلق ضرر في الأجزاء غير الهيكلية بسبب تصرفات هيكلية كبيرة في المكونات الأفقية والمنطقة العلوية من الهيكل. يجب تحليل التحركات والأنشطة التفاضلية بسبب الزحف والانكماش في التفاصيل المعمارية في المرحلة المبكرة من التصميم.

في الهياكل ذات الأعمدة الخارجية المكشوفة جزئيًا أو كليًا، قد يحدث اختلاف كبير في مستوى درجة الحرارة بين الأعمدة الخارجية والداخلية. أي تقييد لتشوهها النسبي سيؤدي إلى تولد إجهاد وانفعال في هذه الأعضاء.

يتطلب تقدير هذه التأثيرات معرفة مستويات درجات الحرارة التفاضلية. وبالتالي، يمكن حساب الإجهادات والتشوهات الحرارية الناتجة باستخدام التحليل المرن التقليدي. سيمكن هذا من تقدير التعديلات الحرارية المطلوبة.

٨- الحريق

يجب اعتبار الحريق كعامل رئيسي أثناء عملية تصميم الهياكل العالية. يمكن تقدير مستوى درجة الحرارة والفترة من معرفة المعايير الأساسية المعنية، وخاصة كمية وطبيعة المنتج القابل للاشتعال.

قد تتراجع الخصائص الميكانيكية للمواد، خاصة معامل المرونة والصلابة والقوة، بسرعة مع زيادة مستويات درجة الحرارة، وكذلك تقل مقاومة الأحمال بشكل كبير. يعتمد مستوى درجة الحرارة الذي يحدث عنده الانحراف أو الانهيار على المواد المستخدمة، وطبيعة الهيكل، وظروف التحميل.

٩- متطلبات الراحة البشرية (راحة السكان)

إذا حدث الانحراف الجانبي أو الالتوائي في هيكل بسبب تقلبات أحمال الرياح، فإن الأنشطة التذبذبية الناتجة يمكن أن تثير الانزعاج بين شاغلي المبنى. قد تتسبب الحركات التي لها تأثيرات نفسية على شاغليها في جعل المبنى غير مرغوب فيه ويصبح مهجور لا يسكنه أحد.

من الشائع ملاحظة أن التسارع هو عامل رئيسي في تحديد رد الفعل البشري تجاه المؤثر، في حين أن عناصر مثل المدة، السعة، اتجاه الجسم، الرؤية، وحتى التجارب السابقة يمكن أن تكون مؤثرة فى مدى استجابة الأشخاص.

أسئلة وأجوبة حول معايير تصميم المباني الشاهقة

ما هي الحاجة للهياكل العالية؟

العوامل التي تساهم في الحاجة إلى الهياكل العالية هي:

  • نقص الأراضي
  • ندرة الأموال
  • المتطلبات المعمارية
  • ارتفاع تكلفة الأراضي
  • الزيادة السكانية بشكل كبير

مع النمط المتزايد في التحضر، يتم بناء الهياكل العالية على نطاق واسع. هناك العديد من الجوانب التي تحد من ارتفاع المباني الشاهقة. في مدن محددة، تقترح لوائح البناء والقوانين الداخلية البلدية أقصى ارتفاع يمكن أن يتم تشييد الهياكل به، وأيضًا في أماكن معينة قد لا تكون ظروف التأسيس مرضية لتحمل المباني متعددة الطوابق.

ما هي متطلبات الخرسانة والحديد في بناء الهياكل العالية؟

الحديد مكلف مقارنة بالخرسانة، وتتراوح نسبة التكلفة من ٦٠ إلى ٩٠، في حين أن نسبة القوة المكافئة من ١٥ إلى ٢٠. تقريبًا، جميع المباني الشاهقة المبنية مصنوعة من الخرسانة المسلحة باستخدام قضبان مشكلة عالية المقاومة. تختلف قوة الخرسانة المستخدمة من M20 إلى M35 وكذلك قوة قضبان التسليح هي 415 نيوتن / ملم ٢. إلى جانب الأعمدة، في الطوابق السفلية من المباني العالية، يجب أن تكون نسبة التسليح المستخدمة في الكثير من مكونات الهياكل أقل من ٢ في المائة. يجب أن تكون نسبة التسليح في الكمرات والبلاطات حوالي ١ في المائة.

أضف تعليق