ميزات التصميم الأساسية للهياكل الخرسانية الشاهقة

كيف يتم تصميم الهياكل الخرسانية الشاهقة؟

يوفر التصميم الإنشائي للمباني الطويلة والخاصة للمهندسين الإنشائيين والمقاولين عرضًا مكتوبًا تفصيليًا للهندسة الإنشائية المبتكرة وممارسات البناء للمباني العالية والخاصة. كما يقدم بحثًا تطبيقيًا على مواد جديدة أو طرق تحليل يمكن أن تفيد بشكل مباشر المهندسين الإنشائيين المشاركين في تصميم المباني الطويلة والخاصة.

الموضوع الرئيسي للمقالة هو ميزات التصميم الأساسية للهياكل الخرسانية الشاهقة والخاصة. حيث أن التعريف الأساسي للمبنى العالي، هو الهيكل الذي يساوي أو يزيد ارتفاعه عن 160 قدمًا، أو 6 طوابق أو أكثر. كما أن الهيكل الخاص هو الهيكل ذو الخصائص المعمارية أو الإنشائية الفريدة.

الإطار الطويل هو نظام هيكلي مصمم لِمقاومة القوى الجانبية بسبب الرياح أو الزلازل، مع مراعاة معايير القوة والانجراف وراحة الركاب. والأطر الطويلة ليست جديدة على أي منطقة في العالم لأن هذا الشكل من العمارة موجود منذ قرون. حيث أن العديد من المعالم التاريخية مثل هرم خوفو ومعبد يونغ نينغ ومعبد هوانغريونغسا وما إلى ذلك هي شهادة على هذه الأعجوبة المعمارية.

شهد مجال الهندسة المدنية العديد من التطورات وهو يتطور باستمرار للتكيف مع متطلبات العصر الحديث. حيث أن التطورات في مجال الأسلوب وبناء الهياكل الشاهقة هي إحدى القفزات الثورية التي يمكن للجماهير إدراكها.

ما هي ميزات التصميم الأساسية للهياكل الخرسانية الشاهقة؟

عند تصميم الهياكل العالية، يجب إيلاء الاعتبار الواجب للميزات الأساسية مثل الحِمل والقوة والاستقرار والمتانة وما إلى ذلك كما هو موضح أدناه:

1- تحمل الهياكل الخرسانية الشاهقة الأحمال العالية:

الأحمال الرأسية، أيّ ميتة ومباشرة، لا تشكّل أي مشاكل في التصميم لأنها في الغالب حتمية بطبيعتها. ومع ذلك، فإنّ القوى الجانبية الناتجة عن الرياح أو الزلازل تجعل التصميم مملاً. كما يمكن أن تولد هذه القوى الجانبية توترات حيوية في الهيكل، أو إنشاء اهتزازات غير مرغوب فيها، أو إنشاء تأثير جانبي مفرط للهيكل، ممّا يتطلب اعتبارات فريدة.

أكدت التطورات في تصميم الهياكل متعددة الطوابق على قيمة تقييد التأثير الجانبي وأيضًا نشاط الأحمال الجانبية. إنّ توفير جدار القص، على عكس الأطر التقليدية غير المرنة، يقلل من التأثير الجانبي للهيكل. كما يوفر جدار القص المصمم جيدًا أمانًا هيكليًا وأمانًا للعناصر غير الهيكلية مثل الأسقف المعلقة وألواح الجدران وما إلى ذلك من الاضطرابات الزلزالية.

2- قوة الهياكل الخرسانية الشاهقة:

يتمثل جانب التصميم الحاسم للهيكل الطويل في قوته في الصمود والبقاء ثابتًا في ظل أسوأ مجموعة ممكنة من الأحمال التي قد تحدث طوال عمر الهيكل، بما في ذلك فترة الإنشاء. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون السلالات الناتجة عن الأنشطة التفاضلية الخاضعة للرقابة مثل الزحف أو الانكماش أو درجة الحرارة شاملة في معايير القوة للهيكل.

3- استقرار الهياكل الخرسانية الشاهقة:

يجب أن تتمتع الهياكل الطويلة باستقرار قاعدة متأصل بسبب مزيج من القوى الرأسية والجانبية. وبالتالي، ينبغي بناؤها للسماح بتطبيق القاعدة السهلة المتمثلة في مرور القوة الناتجة داخل ثلث القاعدة، وبالتالي جعل إجهاد القاعدة الناتج مضغوطًا.

يجب مراعاة حالة التوازن لإثبات أن القوى الجانبية المصممة يجب ألا تسقط الهيكل بأكمله بسبب حركة الجسم الجامدة حول حافة واحدة من القاعدة. وبالمثل، فإنّ لحظة مقاومة الوزن الميت للهيكل يجب أن تكون أكبر من لحظة الانقلاب مع عامل أمان مناسب.

4- متانة الهياكل الخرسانية الشاهقة:

ستكون الهياكل المبنية بالمواد والأساليب المناسبة أقوى وأكثر مرونة مقارنة بالمبنى الأساسي ذي الحجم الأصغر الذي تم تشييده دون مراعاة الأحكام القانونية والعمالة غير المدربة. حيث يعتمد طول عمر الخرسانة المسلحة على العوامل التالية بالإضافة إلى جودة المواد والبناء:

1. المواد الكيميائية التي تسبب آثار التآكل.
   
2. نفاذية أو مسامية الخرسانة.
   
3. الانكماش.
   
4. غطاء خرساني للتسليح.
   
5. علاج الخرسانة.
   
6. المؤثرات الحرارية.
   
7. تأثير الصوت وكذلك التجميد والذوبان (للأماكن الباردة).
   

5- قيود الصلابة والانجراف للهياكل الخرسانية الشاهقة:

يعتبر توفير الصلابة المناسبة، وخاصة الصلابة الجانبية، أمرًا حيويًا يجب مراعاته لتجنب أي فشل تدريجي ممكن. حيث أن أحد المواصفات المباشرة التي توفر تقدير الصلابة الجانبية للهيكل هو مؤشر الانجراف. ويتم تعريف مؤشر الانجراف على أنه نسبة الحد الأقصى للانحراف في الجزء العلوي من المبنى إلى الارتفاع الإجمالي.

لهذا السبب، يُعد إنشاء قيد مؤشر الانجراف اختيارًا مهمًا للتصميم، والذي يعتمد على عوامل مثل استخدام المبنى ونوع المبنى والمواد المستخدمة وأحمال الرياح وما إلى ذلك. ومع ذلك، بالنسبة للهياكل التقليدية، النطاق من 1 لكل 600 إلى 1 لكل 300 تقريبًا، ويجب توفير صلابة كافية لضمان ألا يتجاوز الانحراف العلوي هذه القيمة تحت أي مجموعة تحميل محتملة.

6- تفاعل بنية التربة للهياكل الخرسانية الشاهقة:

تنتقل الجاذبية والقوى الجانبية المؤثرة على المبنى إلى التربة أسفل الهيكل من خلال الأساس. كما أن الشاغل الأساسي لمهندس التصميم الإنشائي هو تأثير انهيار الأساس واستقرار الهيكل. حيث أنه في حالة المباني الشاهقة، يمكن أن تكون الأحمال المنقولة بواسطة الأعمدة ثقيلة للغاية بسبب ارتفاعها.

عندما تقع الصخور الجيدة أو التربة الصلبة على عُمق أكبر، يمكن وضع الأساسات على عُمق أكبر باستخدام الأساسات أو الأساسات القيسونية. ولا يتم عادةً اختبار المشكلات في هذه الحالة نظرًا لأنه يمكن موازنة الفروق الضخمة في تحميل العمود والتباعد مع تسوية تفاضلية قليلة.

في المواقع ذات التربة الرديئة، يجب تقييد الأحمال على مكونات الأساس لتجنب فشل القص أو التسوية التفاضلية الشديدة. كما يمكن الحصول على التضاريس عن طريق حفر وزن التربة الذي يساوي جزء كبير من وزن الهيكل الإجمالي.

يجب إيلاء اهتمام خاص لتصميم نظام الأساس لتحمل اللحظات والقص. وهذا أمر مهم، خاصة عندما يكون الضغط المسبق بسبب الوزن الميت للهيكل غير كافٍ للتغلب على إجهاد الشد والضغوط التي تسببها لحظات الرياح، ممّا يتسبب في رفع الهيكل.

7- نتائج الزحف والانكماش ودرجة الحرارة للهياكل الخرسانية الشاهقة:

في الهياكل الخرسانية الطويلة، قد تكون اللحظات الرأسية الناتجة عن الزحف والانكماش كبيرة بما يكفي لإحداث ضغوط في الأجزاء غير الهيكلية لإحداث إجراءات هيكلية كبيرة في المكونات الأفقية والمنطقة العلوية من الهيكل. كما يجب تحليل الأنشطة التفاضلية بسبب الزحف والانكماش في التفاصيل المعمارية في المرحلة المبكرة من التصميم.

في الهياكل ذات الأعمدة الخارجية المكشوفة جزئيًا أو كليًا، قد تحدث تعديلات كبيرة في مستوى درجة الحرارة بين الأعمدة الخارجية والداخلية. أي تقييد لتشوهها النسبي سوف يولد الضغط والضغط في الأعضاء المعنيين. ويتطلب تقييم هذه الأنشطة معرفة مستويات درجات الحرارة المختلفة.

سيمكّن ذلك من تقييم التعديلات الحرارية المجانية التي قد تحدث في حالة عدم وجود قيود. ومن ثم، يمكن معرفة الضغوط الحرارية الناتجة والتشوه باستخدام تحليل مرن تقليدي.

8- مقاومة النار في الهياكل الخرسانية الشاهقة:

يجب اعتبار الحريق عاملاً رئيسياً أثناء عملية تصميم الهياكل العالية. حيث يمكن تقدير مستوى درجة الحرارة والفترة من معرفة المعايير الأساسية المعنية، لا سيما كمية وطبيعة المنتج القابل للاشتعال. كما أنه قد تتآكل الخصائص الميكانيكية للمواد، وتحديداً معامل المرونة والصلابة والقوة، بسرعة مع زيادة مستويات درجة الحرارة، كما تقل مقاومة الأحمال بشكل كبير.

يعتمد مستوى درجة الحرارة الذي يحدث عنده الانحراف أو الانهيار على المواد المستخدمة وطبيعة الهيكل وظروف التحميل.

9- متطلبات راحة الإنسان في الهياكل الخرسانية الشاهقة:

إذا حدث الانحراف الجانبي أو الالتوائي في الهيكل بسبب أحمال الرياح المتقلبة، فإنّ الأنشطة التذبذبية الناتجة يمكن أن تسبب عدم الراحة بين شاغلي المبنى. وقد تتسبب الحركات التي لها آثار نفسية على الركاب في بقاء الهيكل المناسب غير مرغوب فيه وحتى غير قابل للسحب.

إنّها ملاحظة شائعة مفادها أن التسارع هو عامل رئيسي في تحديد رد فعل الإنسان على الرنين، في حين أن عناصر مثل المدة والسعة واتجاه الجسم والبصرية وحتى التجارب السابقة يمكن أن تكون مؤثرة. لهذا، يمكن أن توفر حدود الحدود قيودًا عديدة للسلوك البشري من حيث التسارع والفترة.

أسئلة مكررة حول ميزات التصميم الأساسية للهياكل الخرسانية الشاهقة:

1- ما هي الحاجة إلى الهياكل العالية؟

العوامل التي تساهم في الحاجة إلى الهياكل العالية هي:

1. نقص الأراضي.
   
2. ندرة الأموال.
   
3. المطالب المعمارية.
   
4. ارتفاع تكلفة الأرض.
   
5. الزيادة السكانية بشكل كبير.
   

مع النمط المتزايد في التحضر، يتم بناء الهياكل العالية على نطاق واسع. حيث أنه هناك العديد من الجوانب التي تحد من ارتفاع المباني الشاهقة. كما في مدن محددة، تقترح لوائح البناء واللوائح البلدية أيضًا الحد الأقصى للارتفاع الذي يمكن أن يتم بناء الهياكل عليه وأيضًا في أماكن معينة قد لا تكون ظروف الأساس مرضية لدعم المباني متعددة الطوابق.

2- ما هي متطلبات الخرسانة والفولاذ في بناء الهياكل العالية؟

يعتبر الفولاذ مكلفًا مقارنة بالخرسانة، وَتتراوح نسبة التكلفة من 60 إلى 90، في حين أن نسبة القوة المكافئة تتراوح من 15 إلى 20. تقريبًا، جميع المباني الشاهقة المبنية من الخرسانة المسلحة باستخدام قضبان مشوهة عالية القوة. كما أنه تختلف قوة الخرسانة المستخدمة من M20 إلى M35 وكذلك قوة قضبان الدعم هي 415 نيوتن لكل مم 2.

إلى جانب الأعمدة، في الأرضيات السفلية للمباني العالية، يجب أن تكون نسبة التعزيز المستخدمة في الكثير من جوانب الهياكل أقل من 2 بالمائة. ويجب أن يكون جزء التعزيز في الحزم والألواح حوالي واحد بالمائة.