ما هي النقاط الرئيسية في تصميم الهياكل الفولاذية متعددة الطوابق؟

يتطلب تصميم هيكل فولاذي متعدد الطوابق دراسة متأنية لعدة نقاط أساسية لضمان سلامة المبنى واستقراره ومتانته. يجب أن تأخذ عملية التصميم في الاعتبار الأحمال المختلفة وخصائص المواد وطرق البناء.

النقاط الرئيسية في تصميم المباني ذات الهياكل الفولاذية متعددة الطوابق

1. التصميم المفاهيمي وعلى مستوى النظام

هذه هي المرحلة الأساسية التي يتم فيها تحديد المخطط الهيكلي الأساسي.

أ. اختيار النظام الهيكلي

يعد اختيار النظام الهيكلي أهم قرار، لأنه يحدد كيفية مقاومة المبنى لكل من الجاذبية والأحمال الجانبية. الخيارات الرئيسية هي:

الإطارات المقواة: تستخدم هذه الإطارات أعضاء قطرية في شكل يشبه الدعامة لتوفير الاستقرار الجانبي.

النقاط الرئيسية: فعالة للغاية وصلبة لمقاومة القوى الجانبية (الرياح والزلازل). اقتصادية من حيث وزن الفولاذ. العيب الرئيسي هو أن الدعامات القطرية يمكن أن تتداخل مع العناصر المعمارية مثل النوافذ والأبواب.

الأنواع: الإطارات المدعمة بشكل متحد المركز (CBF) والإطارات المدعمة بشكل غير متحد المركز (EBF). تم تصميم الإطارات EBF لتكون أكثر ليونة للتطبيقات الزلزالية.

الإطارات المقاومة للعزم (الإطارات الصلبة): تعتمد على وصلات صلبة بين العوارض والأعمدة لمقاومة القوى الجانبية.

النقاط الرئيسية: تسمح بإنشاء فتحات معمارية مفتوحة بدون دعامات قطرية. توفر مرونة أكبر في التصميم. ومع ذلك، فهي تتطلب أعمدة وعوارض أثقل ووصلات عزم أكثر تعقيدًا وتكلفة. كما أن الإطار عمومًا أكثر مرونة (أقل صلابة) من الإطار المدعوم.

أنظمة الجدران القصية/الأنظمة الأساسية: غالبًا ما تستخدم في المباني الأطول، وتستخدم هذه الأنظمة جدرانًا قصية من الخرسانة أو الصلب، عادةً حول أعمدة المصاعد والسلالم، لإنشاء قلب مركزي صلب يقاوم جميع الأحمال الجانبية.

النقاط الرئيسية: صلابة فائقة وكفاءة عالية للمباني الشاهقة. يمكن تصميم باقي الهيكل الفولاذي بوصلات بسيطة وأرخص لتحميل الأحمال الجاذبية فقط.

الأنظمة الهجينة: الجمع بين عناصر الأنظمة المذكورة أعلاه (على سبيل المثال، إطار لحظي في اتجاه واحد وإطار مقوى في الاتجاه الآخر) لتحسين الأداء والتكلفة.

ب. مسار الحمل

مبدأ أساسي في التصميم الهيكلي. يجب على المصمم ضمان مسار حمل واضح ومستمر ومباشر لجميع القوى (الجاذبية والجانبية) من نقطة تطبيقها وصولاً إلى الأساس. أي غموض أو انقطاع في هذا المسار يمثل نقطة فشل محتملة.

2. الأحمال والتحليل

من الضروري تحديد القوى التي يجب أن يتحملها الهيكل ودمجها بدقة.

أ. أحمال الجاذبية

الأحمال الثابتة (DL): الوزن الدائم للهيكل نفسه (العوارض الفولاذية والأعمدة والأرضيات)، بالإضافة إلى المكونات الثابتة مثل الواجهات والأنظمة الميكانيكية (MEP) والأسقف والحواجز.

الأحمال الحية (LL): الأحمال المؤقتة والمتحركة من شاغلي المبنى والأثاث والمعدات والمواد المخزنة. يتم تحديدها بواسطة قوانين البناء بناءً على الاستخدام المقصود للمبنى (مثل المكاتب أو السكن أو التخزين).

ب. الأحمال الجانبية

تعمل هذه القوى أفقيًا وتزداد أهميتها كلما زاد ارتفاع المبنى.

أحمال الرياح: تُحسب بناءً على ارتفاع المبنى وموقعه (خرائط سرعة الرياح) وشكله وتعرضه. يمكن أن تسبب الرياح ضغطًا وشفطًا واهتزازات.

أحمال الزلازل (الزلزالية): قوى القصور الذاتي الناتجة عن اهتزاز الأرض. يعتمد حجمها على كتلة المبنى والمنطقة الزلزالية ونوع التربة وليونة النظام الهيكلي المختار.

ج. مجموعات الأحمال

تفرض قوانين البناء (مثل ASCE 7 في الولايات المتحدة) الجمع بين هذه الأحمال في مختلف السيناريوهات الأسوأ (على سبيل المثال، الحمل الثابت + الحمل المتحرك الأقصى، أو الحمل الثابت + حمل الرياح + بعض الحمل المتحرك) لضمان سلامة الهيكل في جميع الظروف المحتملة.

3. تصميم الأعضاء والوصلات

هذه هي ”الأساسيات“ لتحديد حجم المكونات الفردية.

أ. تصميم الأعمدة

النقاط الرئيسية: تقاوم الأعمدة في المقام الأول الضغط المحوري، ولكن يجب أيضًا تصميمها لتتحمل عزم الانحناء الناتج عن إطارات العزم أو الأحمال اللامركزية. الانحناء هو نمط الفشل الأساسي للأعمدة النحيلة، وهو أحد عوامل التحقق الحاسمة في التصميم.

ب. تصميم العوارض والكمرات

النقاط الرئيسية: تُصمم العوارض في المقام الأول لتتحمل عزم الانحناء وقوة القص الناتجة عن أحمال الجاذبية. يجب أيضًا أن يكون انحرافها تحت الحمل محدودًا لمنع تلف التشطيبات (مثل الحوائط الجافة) ولضمان راحة المستخدم. تعد اهتزازات الأرضية من العناصر الأساسية الأخرى التي يجب التحقق منها.

ج. تصميم الوصلات

يمكن القول إن هذا هو الجزء الأكثر أهمية وتعقيدًا في تصميم الفولاذ. غالبًا ما تحدث الأعطال في الوصلات إذا لم يتم تصميمها بشكل صحيح.

الأنواع:

الوصلات القصية (الوصلات البسيطة): مصممة لنقل قوة القص الرأسية فقط. يُفترض أنها ”دبوس“.

وصلات العزم (وصلات صلبة): مصممة لنقل كل من قوة القص وعزم الانحناء. وهي معقدة ومكلفة وهامة لأداء إطار العزم.

نقطة أساسية: يجب أن يكون التصميم قابلاً للتنفيذ. يجب توحيد الوصلات قدر الإمكان لتبسيط التصنيع والتركيب، مما يقلل التكلفة والأخطاء المحتملة.

4. الاستقرار العالمي وقابلية الخدمة

بالإضافة إلى قوة الأعضاء الفردية، يجب أخذ سلوك المبنى بأكمله في الاعتبار.

أ. استقرار المبنى بشكل عام (تأثير P-Delta)

عندما يتأرجح مبنى مرتفع جانبياً (الانجراف، المشار إليه بـ Δ) تحت تأثير الحمل الجانبي، فإن أحمال الجاذبية (P) لم تعد عمودية تماماً. وهذا يخلق عزم انقلاب ثانوي (P × Δ). يجب أخذ تأثير P-Delta في الاعتبار في التحليل، لأنه يمكن أن يزيد بشكل كبير من العزم في الأعمدة ويقلل من استقرار المبنى.

ب. قابلية الخدمة

يتعلق هذا بأداء المبنى في الاستخدام العادي، مع التركيز على راحة المستخدم.

الانحراف: الحد من مقدار انحناء العوارض والأرضيات تحت الحمل.

الانجراف: الحد من مقدار تأرجح المبنى جانبياً في مهب الريح لمنع تلف العناصر غير الهيكلية (مثل الكسوة والفواصل) وتجنب إزعاج أو إثارة قلق شاغلي المبنى.

الاهتزاز: يمكن أن تجعل خفة وزن الفولاذ الأرضيات عرضة لاهتزازات ملحوظة أو ”ارتداد“ بسبب حركة المشاة. يجب تحليل ذلك والتحكم فيه، غالباً عن طريق اختيار عوارض أعمق/أكثر صلابة مما تتطلبه القوة وحدها.

5. اعتبارات عملية أساسية

أ. الحماية من الحرائق

يفقد الفولاذ جزءًا كبيرًا من قوته عند درجات الحرارة العالية (حوالي 550 درجة مئوية / 1000 درجة فهرنهايت). لذلك، فإن الحماية من الحرائق هي مطلب لا يمكن التنازل عنه في القوانين.

الطرق: مواد مقاومة للحريق بالرش (SFRM)، طلاء متضخم (يتضخم عند تسخينه ليشكل طبقة عازلة)، تغليف باللوح الجبسي أو الخرسانة.

ب. قابلية البناء والتصنيع

يجب أن يكون التصميم عمليًا للبناء.

خطة التركيب: كيف سيتم رفع الفولاذ وتجميعه في الموقع؟ يعد الوصول إلى الرافعة وسعتها من الاعتبارات الرئيسية.

التصنيع: هل أحجام الأعضاء والوصلات قياسية وسهلة التصنيع في ورشة العمل؟ التصنيع المخصص المفرط التعقيد يزيد من التكلفة والوقت.

النقل: يجب أن تكون أحجام الأعضاء مناسبة بحيث يمكن نقلها إلى الموقع بواسطة شاحنة.

ج. الحماية من التآكل

يجب حماية الفولاذ من الصدأ، خاصة إذا كان معرضًا للعوامل الجوية. يتم ذلك عادةً باستخدام أنظمة الطلاء أو الجلفنة أو باستخدام الفولاذ المقاوم للعوامل الجوية.

د. تصميم الأساس

تجمع البنية الفوقية الفولاذية جميع أحمال المبنى وتنقلها كقوى مركزة إلى قاعدة الأعمدة. يجب تصميم الأساس (مثل أغطية الأساسات، والأساسات الماتية) بحيث ينقل هذه الأحمال الهائلة إلى الأرض بأمان دون حدوث تهدم مفرط.

سبق هو مقدمة كاملة للنقاط الرئيسية لتصميم المباني ذات الهياكل الفولاذية متعددة الطوابق. يعد تصميم الهياكل الفولاذية متعددة الطوابق عملية معقدة تتطلب توازنًا بين السلامة والاقتصاد والوظيفة.