مقدمه ای بر آسمان خراش

آسمان خراش یک ساختمان بلند و قابل سکونت است که دارای تعداد طبقات زیادی باشد. هیچ تعریف جامع و مورد قبولی از آسمان خراش تا کنون ارائه نشده است اما می توان ساختمان هایی که حداقل 100 تا 150 متر ارتفاع دارند را به عنوان آسمان خراش در نظر گرفت. اما که مسلم است آسمان خراش ارتفاع زیادی دارند و به عنوان مثال نمی توان به یک ساختمان 20 طبقه آسمان خراش گفت هر چند در گذشته به ساختمان هایی که بین 10 تا 20 طبقه داشتند نیز آسمان خراش می گفتند.

آسمان خراش ها می توانند دارای دفاتر، هتل، فضاهای مسکونی، تجاری، ورزشی و تفریحی باشند.

از ویژگی های مشترک تمام آسمان خراش ها داشتن چارچوب فولادی ست که دیوارها آن را احاطه کرده اند. این دیوارها که به آن ها در اصطلاح دیوار پرده ای (Curtain Wall) گرفته می شود دیوارهایی نازک معمولا با فریم آلومینیوم هستند که از متریال های گوناگونی مانند شیشه، صفحات فلزی یا سنگ پر شده اند. این دیوارها از بالا یا پایین به اسکلت ساختمان متصل می شوند و هیچ باری را حمل نمی کنند. البته در آسمان خراش های اولیه با اسکلت فولادی از دیوارهای باربر نیز استفاده می شد.

دیوارهای آسمان خراش های مدرن باربر نیستند و معمولا با سطح وسیعی از پنجره پوشانده شده اند. ساختار آسمان خراش های مدرن به یک استوانه ی توخالی شبیه است. این ساختار به ساختمان اجازه می دهد تا در برابر باد، زمین لرزه و سایر بارهای جانبی مقاومت بالایی داشته باشد. بسیاری از آسمان خراش ها با ارتفاع گرفتن از سطح زمین دارای عقب نشینی هستند. این مساله به این دلیل است که تا سطح کمتری در مقابل باد قرار بگیرد و استحکام آن افزایش یابد از طرف دیگر این سازه غول پیکر کاملا جلوی نور خورشید را نیز نگیرد.

تا ژانویه ی 2022، چهارده شهر جهان دارای بیش از 100 آسمان خراش با ارتفاع بیش از 150 متر بوده اند. هنگ کنگ، چین با 510، نیویورک با 296، امارات متحده عربی با 232، شانگهای با 175، توکیو با 164، گوانژو با 142، چونگ کینگ در چین با 131، شیکاگو با 130، ووهان چین با 109، بانکوگ در تایلند با 109، جاکارتا اندونزی با 107 و کوآلالامپور 127 آسمان خراش این چهارده شهر هستند.

آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:

تعریف آسمان خراش

اصطلاح آسمان خراش برای آولین بار در اواخر قرن نوزدهم به کار برده شد و به ساختمان هایی با اسکلت فلزی اطلاق می شد که حداقل 10 طبقه داشتند. در آن دوره این ساختمان ها در شهرهایی مانند شیکاگو، نیویورک، دیترویت و سنت لوئیس باعث شگفتی شده بودند.

مشخص کردن اینکه اولین آسمان خراش کجا و درچه سالی ساخته شد کار راحتی نیست چرا که پارامترهای مختلفی را می توان برای این کار در نظر گرفت. ضمن اینکه تعریف مشخصی از آسمان خراش نیز وجود ندارد اما اگر به خواهیم به اولین آسمان خراش با اسکلت فلزی اشاره کنیم با تعداد 10 طبقه ساخته شد می توان از ساختمان Home Insurance با 10 طبقه و ارتفاع 42 متر در شیکاگو نام برد که در سال 1885، دو طبقه دیگر نیز به آن اضافه شد. استفاده از اسکلت فولادی مهندسان را قادر ساخت تا آسمان خراش های شگفت انگیز امروزی را بسازند.

تصویر شماره 2 – آسمان خراش در حال ساخت در چین

طراحی و ساخت آسمان خراش

ساخت آسمان خراش با توجه به ارتفاع بسیار زیاد و وزن بالای آن یک کار مهندسی بسیار چالش برانگیز است. آسمان خراش باید بتواند وزن خود را خوبی تحمل کند، در برابر باد و زلزله مقاومت داشته باشد و در برابر آتش سوزی نیز از ساکنین خود محافظت کند. از طرف دیگر باید بتوان به راحتی به طبقات بالای آن دسترسی داشت و تمام ساکنین از امکانات رفاهی برخوردار باشند. البته لازم است تا تمام مواردی که به آن ها اشاره شد راه حل هایی با رویکرد اقتصادی، مدیریتی و مهندسی داشته باشند.

یکی از ویژگی های مشترک آسمان خراش ها اسکلت فلزی آن هاست. استفاده از اسکلت فلزی به آسمان خراش ها این امکان را می دهد تا با ارتفاع های بسیار بالا ساخته شوند. همچنین به کارگیری دیوارهای پرده ای نیز در آسمان خراش ها بسیار رایج است.

استفاده از چارچوب های فولادی برای ساختمان های بسیار بلند ناکارآمد و غیر اقتصادی شد. از سال 1960 سازه های لوله ای مورد استفاده قرار گرفتند. این ساختار میزان مواد به کار رفته را به شدت کاهش می داد همچنین دسترسی به ارتفاع های بیشتر را نیز میسر می کرد. از دیگر ویژگی های استفاده از ساختارهای لوله ای این بود که امکان طراحی ها آسمان خراش با اشکال مختلف را ممکن می ساخت.

از دیگر ویژگی های آسمان خراش که باید به آن توجه ویژه شود آسانسور است. قطعا کسی انتظار ندارد 50 طبقه را با پله بالا بروید. در سال 1852 آسانسور ایمنی توسط الیشا اوتیس (Elisha Otis) معرفی شد.

پیشرفت در ساخت و ساز در طول سال های متوالی باعث شد تا امروزه آسمان خراش هایی ساخته شوند که ارتفاع زیاد عرض کم دارند. برخی از تکنیک هایی که در ساخت آسمان خراش به کار گرفته شد شامل استفاده میرا کننده هایی برای کاهش لرزش و تاب خوردن و همچنین شکاف هایی برای عبور هوا و کاهش جریان باد است

ملاحظات اساسی در طراحی آسمان خراش

طراحی ساختار خوب یکی از مهترین مسائلی ست که در هر ساخت و ساز باید به آن توجه داشت اما این مساله در مورد آسمان خراش ها اهمیت دو چندان دارد چرا که کوچکترین اشتباه نیز می تواند منجر به یک فاجعه شود. اما هیچ مهندس طراحی نمی تواند کاملا مطمئن باشد که یک سازه معین در برابر تمام بارگذاری هایی که می تواند منجر به خرابی شود مقاومت کند اما می توان حاشیه های ایمنی را تا حدی بزرگ در نظر گرفت که احتمال شکست در حد قابل قبولی بعید شود. هنگامی که طراحی یک سازه با شکست مواجه می شود مهندسان از خود سوال می کنند که آیا این شکست به دلیل عدم پیش بینی بوده است یا برخی عوامل ناشناخته. در هر صورت شکست در طراحی آسمان خراش با توجه به ابعاد پروژه و همچنین هزینه های اقتصادی که دارد به هیچ وجه قابل قبول نیست.

بارگذاری و ارتعاش در آسمان خراش

بیشترین باری که به یک آسمان خراش وارد می شود از سوی خود آن است. در واقع یک آسمان خراش به قدری عظیم است که وزن اسکلت و مصالح آن و به اصطلاح بارهای مرده ای که دارد بسیار بیشتر از وزن شیا یا بارهای زنده و متغیر  است. به این ترتیب با بالا رفتن ارتفاع آسمان خراش باید میزان مصالحی که در آن به کار می رود نیز کاهش یابد. از نظر بصری همیشه این مساله قابل تشخیص نیست.

از دیگر مواردی که باید در زمان طراحی آسمان خراش به آن توجه شود اثر نیروی باد بر آسمان خراش است. فشار باد با افزایش ارتفاع زیاد می شود. بنابراین در ساختمان بلند نیروی باد می تواند بسیار بزرگ شود.

چهارچوب فولادی در آسمان خراش

در سال 1895 فولاد جایگزین چدن در ساخت آسمان خراش شد. شکل پذیری فولاد به آن این امکان را میداد تا به اشکال مختلف در آید. می شد آن را به راحتی پرچ کرد و از استحکام اتصالات مطمئن شد. اما ساختارهای فولادی معایبی نیز دارند که باعث می شود برای ساختمان های با ارتفاع بیش از 40 طبقه چندان کارآمد نباشند.

ساختار لوله ای آسمان خراش

این ساختار در طراحی آسمان خراش ها در سال 1963 توسط فضلور خان ابداع شد و امروزه از این سیستم در بیشتر سازه های بلند مرتبه استفاده می شود. سیستم لوله ای ترکیبی از ستون های نزدیک به هم است که توسط تیرهای داخلی به هم متصل شده اند و دور اسکلت ساختمان را گرفته اند. این سیستم اقتصادی ترین روش ساخت سازه های بلند مرتبه ی بالای 40 طبقه است.