دانلود رایگان مقاله تحولات سازه ای در ساختمان های بلند
چکیده
تحولات ساختمان های بلند در سراسر جهان به سرعت در حال افزایش است. این مقاله، تکامل سیستم های سازه ای ساختمان های بلند و نیروی محرکه فن آوری در پشت تحولات ساختمان های بلند را مرور می کند. برای سیستم های اولیه سازه ای، یک طبقه بندی جدید - سازه های داخلی و سازه های خارجی - ارائه شده است. در حالی که اکثر سیستم های سازه ای شاخص برای ساختمان های بلند مورد بحث قرار می گیرند، تاکید این مقاله مروری, بر روندهای فعلی از قبیل سیستم های مهار بازویی و سازه های شبکه قطری است. سیستم های میرایی کمکی کنترل کننده حرکت ساختمان نیز مورد بحث قرار می گیرند. علاوه بر این، روندهای طراحی معماری معاصر "خلاقانه"، مانند اشکال آیرودینامیکی و پیچ خورده، که به طور مستقیم یا غیر مستقیم بر عملکرد سازه ای ساختمان های بلند تاثیر می گذارند، مرور شده اند. در نهایت، آینده تحولات سازه ای در ساختمان های بلند به طور مختصر پیش بینی شده است.
مقدمه
ساختمان های بلند در اواخر قرن نوزدهم در ایالات متحده آمریکا پدید آمدند. آنها به منزله یک به اصطلاح " نوع ساختمان آمریکایی" بودند, به این معنی که مهم ترین ساختمان های بلند در ایالات متحده ساخته شدند. با این حال، امروزه آنها یک پدیده معماری در سراسر جهان هستند. بسیاری از ساختمان های بلند در جهان، به ویژه در کشورهای آسیایی مانند چین، کره، ژاپن و مالزی ساخته شده اند. بر اساس داده های منتشر شده در دهه 1980، حدود 49 درصد از ساختمان های بلند جهان در شمال امریکا (جدول 1-1) قرار گرفته بودند. توزیع ساختمان های بلند اساساً تغییر کرده است که آسیا در حال حاضر دارای بیشترین سهم با 32 درصد و شمال امریکا با 24٪ است (جدول 2-1). این داده ها نشاندهنده رشد سریع ساخت ساختمان های بلند در آسیا در طی این دوره است در حالی که ساخت و ساز در آمریکای شمالی را کند کرده است. در واقع، هشت تا از ده ساختمان بلند برتر در حال حاضر در آسیا هستند و فقط دو، برج Sears و Empire State Building ، در شمال امریکا هستند.
به طور سنتی کارکرد ساختمان های بلند به عنوان ساختمان های اداری و تجاری بوده است. کاربردهای دیگر مانند مسکونی، استفاده ترکیبی، و تحولات برج هتل از آن زمان به سرعت همانطور که شکل 1 نشان داده است افزایش یافته است. شک و تردید در مورد ساخت و ساز ساختمان های بلند از زمان 11 سپتامبر 2001 وجود داشته است، با این حال، آنها همچنان با توجه به مزایای اقتصادی قابل توجه خود در کاربری زمین شهری متراکم ادامه خواهد یافت.
توسعه ساختمان بلند شامل عوامل مختلف پیچیده مانند اقتصادها، زیبایی شناسی، فن آوری، مقررات شهری، و سیاست ها است. در این میان، اقتصاد, عامل حاکم اصلی بوده است. با این حال, این نوع ساختمان جدید به خودی خود نمی توانست بدون حمایت از فن آوری ممکن شود. یک انقلاب سازه ای – یک سازه فولاد اسکلتی - و همچنین سیستم های دیوار پرده شیشه ای رخ داده است، که به آسمان خراش مدرن حال حاضر در شیکاگو منجر شده است. در حالی که این مقاله بررسی, طیف توسعه سیستم های سازه ای ساختمان بلند را در بر می گیرد، تاکید بر روندهای فعلی وجود دارد. گمانه زنی ها در مورد چشم اندازهای آینده تحولات سازه ای در ساختمان های بلند مبتنی بر این بررسی می باشند.
تحولات سیستمهای سازه ای
توسعه سازه ای ساختمان های بلند یک فرایند به طور مداوم در حال تحول بوده است. سابقه سازه ای متمایزی از ساختمان های بلند شبیه به تاریخچه سبک های معماری انها از نظر سن آسمان خراش وجود دارد (Ali و Armstrong، 1995؛ Huxtable، 1984). این مراحل اعم از چارچوب صلب، لوله، هسته- مهار بازویی تا سیستم های شبکه قطری هستند. شرح مختصری از تحولات گذشته در ساختمان های بلند در زیر ارائه شده است.
تاریخچه مختصر
در اواخر قرن نوزدهم، تحولات اولیه ساختمان بلند مبتنی بر معادلات اقتصادی بود - افزایش منطقه قابل اجاره توسط انباشته نمودن فضاهای اداری به صورت عمودی و به حداکثر رساندن اجاره این دفاتر با عرضه نور طبیعی به اندازه ممکن. به منظور خدمت به این محرک اقتصادی، فن آوری های جدید دنبال می شدند که دیوارهای بنایی تحمل بار معمولی را که دهانه های نسبتا کوچک داشتند بهبود دادند. نتیجه, سازه چارچوب فولاد/آهن بود که عمق و عرض اعضای سازه ای را در ساخت و ساز ساختمان های محیطی به حداقل رسانده بود. در نتیجه، دهانه های بزرگتر با شیشه های شفاف پر شدند، در حالی که سازه های آهن / فولاد با دیگر مواد جامد از قبیل آجر و یا سفالینه پوشیده شدند. متفاوت از دیوارهای بنایی سنتی تحمل-بار، این روکش ها, هیچ باری از ساختمان را تحمل نمی کردند به جز وزن های خود و فشار باد جانبی. یک مفهوم روکش سازی جدید - دیوارهای پرده ای (تیغه ها) - با ظهور سیستم های سازه ای جدید توسعه داده شدند.
قدرت نمادین آسمان خراش های شناخته شده، یک پدیده قابل توجه بود که از مطلع قرن رخ داد. مسابقه ارتفاع آسمان خراش، با شروع از Park Row Building در نیویورک شروع شد که در سال 1899 به 30 طبقه رسید. این مسابقه ارتفاع با تکمیل Empire State Building 102 طبقه بلند در سال 1931 به اوج خود رسید. حتی با اینکه ارتفاع آسمان خراش ها در این دوره به طور قابل توجهی افزایش یافته بودند، بر خلاف شهود، تکامل تکنولوژیکی چندان آشکاری وجود نداشت. از لحاظ سیستم های سازه ای، بلند ترین ساختمان ها در اوایل قرن بیستم از چارچوب های صلب فولادی با مهاربندی بادی استفاده می کردند. در میان آنها, ساختمان مشهور Woolworth سال 1913، Chrysler Building of 1930 و Empire State Building of 1931 قرار داشتند که همه در نیویورک بودند (Ali، 2005). ارتفاعات عظیم آنها در آن زمان, نه با تکامل تکنولوژیکی قابل توجه، بلکه با استفاده بیش از حد از مصالح سازه ای انجام شد. با توجه به عدم وجود تکنیک های تجزیه و تحلیل سازه ای پیشرفته، آنها کاملاً از نظر طراحی زیاده روی می کردند.
از لحاظ ابراز معماری ساختمان های بلند در این دوره زمانی، همانطور که می توان از بسیاری از ساختمان های بلند سبک گزینشی مشاهده نمود، پس از یک تعقیب کوتاه از یک سبک جدید برای یک نوع ساختمان جدید بر اساس فن آوری های جدید, که عمدتاً توسط معماران شیکاگو در اواخر قرن نوزدهم انجام شد, معماران برای بازنمود کیفیت به معماری سنتی روی آوردند. با این حال، تولد دوباره روح اولیه شیکاگو و کاربرد حرکات مدرن اروپا به سوی ساختمان های بلند, تنها یک مسئله زمانی بود.
Abstract:
Tall building developments have been rapidly increasing worldwide. This paper reviews the evolution of tall building’s structural systems and the technological driving force behind tall building developments. For the primary structural systems, a new classification – interior structures and exterior structures – is presented. While most representative structural systems for tall buildings are discussed, the emphasis in this review paper is on current trends such as outrigger systems and diagrid structures. Auxiliary damping systems controlling building motion are also discussed. Further, contemporary “out-of-the-box” architectural design trends, such as aerodynamic and twisted forms, which directly or indirectly affect the structural performance of tall buildings, are reviewed. Finally, the future of structural developments in tall buildings is envisioned briefly.
Introduction
Tall buildings emerged in the late nineteenth century in the United States of America. They constituted a so-called “American Building Type,” meaning that most important tall buildings were built in the U.S.A. Today, however, they are a worldwide architectural phenomenon. Many tall buildings are built worldwide, especially in Asian countries, such as China, Korea, Japan, and Malaysia. Based on data published in the 1980s, about 49% of the world’s tall buildings were located in North America (Table 1-1). The distribution of tall buildings has changed radically with Asia now having the largest share with 32%, and North America’s at 24% (Table 1-2). This data demonstrates the rapid growth of tall building construction in Asian during this period while North American construction has slowed. In fact, eight of the top ten tall buildings are now in Asia and only two, the Sears Tower and the Empire State Building, are in North America.
Traditionally the function of tall buildings has been as commercial office buildings. Other usages, such as residential, mixed-use, and hotel tower developments have since rapidly increased as Figure 1 shows. There has been some skepticism regarding construction of tall buildings since September 11, 2001, however, they will continue to be built due to their significant economic benefits in dense urban land use.
Tall building development involves various complex factors such as economics, aesthetics, technology, municipal regulations, and politics. Among these, economics has been the primary governing factor. This new building type itself would not have been possible, however, without supporting technologies. A structural revolution – the steel skeletal structure – as well as consequent glass curtain wall systems, which occurred in Chicago, has led to the present state-of-the-art skyscraper. While this review paper encompasses the development spectrum of tall building’s structural systems, there is emphasis on current trends. Speculations of future prospects of structural developments in tall buildings are based on this review.
Developments of Structural Systems
Structural development of tall buildings has been a continuously evolving process. There is a distinct structural history of tall buildings similar to the history of their architectural styles in terms of skyscraper ages (Ali & Armstrong, 1995; Huxtable, 1984). These stages range from the rigid frame, tube, core-outrigger to diagrid systems. A brief account of past developments in tall buildings is presented below.
Brief History
In the late nineteenth century, early tall building developments were based on economic equations – increasing rentable area by stacking office spaces vertically and maximizing the rents of these offices by introducing as much natural light as possible. In order to serve this economic driver, new technologies were pursued that improved upon the conventional load-bearing masonry walls that had relatively small punched openings. The result was the iron/steel frame structure which minimized the depth and width of the structural members at building perimeters. Consequently, the larger openings were filled with transparent glasses, while the iron/steel structures were clad with other solid materials such as brick or terra cotta. Different from traditional load-bearing masonry walls, these claddings did not carry any loads from buildings except their own weights and the lateral wind pressure. A new cladding concept – curtain walls – was developed with the emergence of the new structural systems.
The symbolic power of skyscrapers being recognized, a notable phenomenon occurred from the turn of the century. A skyscraper height race began, starting from the Park Row Building in New York, which had already reached 30 stories in 1899. This height race culminated with the completion of the 102-story tall Empire State Building in 1931. Even though the heights of skyscrapers were significantly increased during this period, contrary to intuition, there had not been much conspicuous technological evolution. In terms of structural systems, most tall buildings in the early twentieth century employed steel rigid frames with wind bracing. Among them are the renowned Woolworth Building of 1913, Chrysler Building of 1930 and Empire State Building of 1931 all in New York (Ali, 2005). Their enormous heights at that time were accomplished not through notable technological evolution, but through excessive use of structural materials. Due to the absence of advanced structural analysis techniques, they were quite over-designed.
In terms of architectural expression of tall buildings at this time period, as can be observed from many eclectic style tall buildings, architects returned to the traditional architecture for representational quality, after a short pursuit of a new style for a new building type based on new technologies mostly by Chicago architects in the late nineteenth century. However, the rebirth of the early Chicago spirit and the application of European modern movements to tall buildings were only a matter of time.
چکیده
مقدمه
تحولات سیستمهای سازه ای
تاریخچه مختصر
حق بیمه برای ارتفاع
طبقه بندی سیستمهای سازه ای ساختمان بلند
سازه های داخلی
سازه های خارجی
استراتژی های میرایی برای سیستمهای سازه ای
سیستم های منفعل
سیستم های فعال
تحولات اخیر در فرم ساختمان های بلند
تحول سازه ای و ابراز معماری
ابراز ناحیه ای
فرم آیرودینامیک
ظهور اشکال پیچیده
اشکال آزاد
چشم اندازهای آینده
نتیجه گیری
Abstract
Introduction
Developments of Structural Systems
Brief History
Premium for Height
Classification of Tall Building Structural
Systems
Interior Structures
Exterior Structures
Damping Strategies for Structural Systems
Passive Systems
Active Systems
Recent Developments in the Form of Tall
Buildings
Structural Evolution and Architectural Expression
Regional Expression
Aerodynamic Forms
Emergence of Twisted Forms
Free Forms
Future Prospects
Conclusions
References