سیستم‌های ساختمانی
نحوه‌ی انتقال بارهای قائم و جانبی در سازه بستگی به نحوه‌ی ترکیب و آرایش اعضای باربر قائم سازه‌ای نظیر ستون‌ها، تیرها و اعضای باربر جانبی نظیر مهاربندها و نحوه‌ی اتصال این اعضا دارد. به این ترکیب سامانه‌ی ساختمانی یا سیستم ساختمانی گویند.
مسیر انتقال بار در سازههای فولادی
سازههای فولادی شامل عناصر باربر قائم نظیر تیر و ستون به شکل قاب و عناصر باربر جانبی نظیر مهاربندها یا دیوارهای برشی است. بدیهی است انتقال بارهای افقی و قائم از طریق این اجزاء صورت می‌گیرد.
سامانه‌های باربر قائم
سامانه‌ی باربر قائم قسمتی از سازه است كه برای تحمل بارهای ثقلی به كار گرفته می‌شود. بارهای قائم ابتدا به سقف سازه (عنصر باربر اول) وارد می‌شود و از طریق آن به شاهتیرها (عنصر باربر دوم) منتقل می‌شود. شاهتیرها عنصر باربر دوم بوده و بار را از سقف گرفته و به دو انتهای خود یعنی محل اتصال به ستون منتقل می‌کنند.
ستون‌ها که عنصر باربر سوم هستند، بارها را از تکیه گاه‌های دو سر تیر به شالوده (عنصر باربر چهارم) انتقال می‌دهند. ماهیت انتقال بار از طریق تیرها به تکیه گاه‌ها و روش قرارگیری تیرها (تیرریزی) به عوامل زیر بستگی دارد.
- نوع مقطع قابل استفاده با توجه به طراحی معماری
- فواصل تکیه گاه‌ها و طول دهانه‌ی تیر با توجه به طراحی سازه
- روش انتقال بار توسط اجزای باربر
- سامانه‌ی تکیه گاهی انتخاب شده (صلب، نیمه صلب، ساده) بارهای قائم وارد بر سازه شامل وزن ساختمان، وزن افراد و وزن تجهیزاتی است که در ساختمان وجود دارند.
سامانه‌های باربر جانبی
سامانه‌ی باربر جانبی قسمتی از کل سازه است که برای تحمل بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله به کار گرفته می‌شود. در ساختمان‌های بلند اسکلت فلزی مرکب از تیر و ستون، استحکام و مقاومت آنها در مقابل نیروهای جانبی (باد و یا زلزله) بستگی به درجه‌ی گیرداری اتصا‌لات تیر و ستونشان دارد.
اگراتصا‌لات بین تیر و ستون طوری مستحکم باشند که زاویه‌ی میان آنها تغییر نکند، ساختمان می‌تواند نیروهای جانبی را تحمل کند و از حالت شاقولی خارج نشود. اگر گیرداری بین تیر و ستون موجود نباشد و مثال اتصا‌لات نزدیک به حالت مفصلی باشند، با وارد شدن نیروهای جانبی، زاویه‌ی بین تیرها و ستون‌ها تغییر خواهد کرد و ساختمان به یک طرف متمایل می‌شود. واضح است که در این وضع، حالت تعادل پایدار نیست و سرانجام به خرابی ساختمان منجر خواهد شد.
قاب خمشی
قاب خمشی، قابی است که در آن اتصا‌لات تیرها به ستون‌ها به صورت گیردار است. در این نوع سامانه با بهره‌گیری از صلبیت اتصال بین تیر و ستون، نیروهای جانبی وارد به سازه مهار می‌شود.
دیوار برشی
دیوار برشی، دیواری است عموماً بتنی که برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی، که در صفحه‌ی دیوار وارد میشوند، بکار گرفته خواهد شد. به این دیوارها دیافراگم قائم نیز گفته می‌شود.
قاب‌های مهاربندی شده
قاب‌های مهاربندی شده متشکل از اعضای قائم (ستون‌ها)، اعضای افقی(تیرها) و اعضای قطری (مهاربندها) هستند كه برای مقابله با نيروهای جانبی در نظر گرفته میشوند و مانع كج شدن اسكلت ساختمان در هنگام اعمال نيروی جانبی میشوند. جانمایی مهاربندها در پالن ساختمان ترجیحاً باید به صورت متقارن باشد، مهاربندها می‌توانند بصورت همگرا یا واگرا باشند. در مهاربند همگرا، محور اعضای قطری در یک نقطه از تیر یا ستون یا محل تقاطع آنها متقاربند، لیکن در مهاربندهای واگرا قطرها می‌توانند از یک نقطه عبور نکنند.
سامانه‌های متداول در ساختمان‌های فولادی متعارف
سامانه‌های متداول در ساختمان‌های فولادی شامل موارد زیر هستند.
- سامانه‌ی نیمه اسکلت (کلاف دار)
- سامانه‌ی قاب با اتصا‌لات ساده
- سامانه‌ی قاب با اتصا‌لات صلب (سامانه‌ی قاب خمشی)
- سامانه‌ی دوگانه یا ترکیبی
سامانه‌ی نیمه اسکلت
کلافدار متشکل از دیوارهای باربر آجری با کلاف‌های بتنی قائم و افقی یا ستون‌های منفرد فولادی و سقفی از نوع طاق ضربی یا تیرچه بلوک است. اکثر ساختمان‌های مسکونی موجود در شهرهای متوسط کشور با این سامانه ساخته شده یا در حال اجرا هستند. طبق استاندارد ۲۸۰۰ (آیین‌نامه طرح ساختمان در برابر زلزله)، حداکثر تعداد طبقات چنین سامانه‌ای بدون احتساب طبقه‌ی زیرزمین، محدود به ۲ طبقه است. همچنین تراز روی بام نسبت به متوسط تراز زمین مجاور نباید از ۸ متر تجاوز نماید.
زیرزمین طبقه‌ای است که تراز روی سقف آن نسبت به متوسط تراز زمین مجاور از ۱/۵ متر بیشتر نباشد. در غیر این صورت این طبقه نیز به حساب تعداد طبقات ساختمان منظور می‌شود. همچنین در چنین سامانه‌ای حداکثر ارتفاع یک طبقه ۴ متر است. به طور کلی در این سیستم، بار قائم توسط دیوارهای باربر و یا ترکیبی از دیوارهای باربر و ستون‌های فولادی حمل می‌شود. سامانه‌ی سقف نیز ترکیبی از شاهتیرهای فولادی (یکسره یا ساده) و تیرهای فولادی با طاق ضربی (یا تیرچه بلوک) است که بارهای وارده را به دیوارها و ستون‌ها انتقال می‌دهند. مقابله با نیروهای جانبی زلزله نیز برعهده‌ی دیوارها است.
سامانه قاب با اتصا‌لات ساده
متشکل از تیرها و ستون‌هایی است که به یکدیگر با اتصا‌لات ساده (مفصلی) ترکیب شده و تشکیل قاب می‌دهند. در این سامانه اتصال تیر به ستون ساده بوده و هیچگونه لنگری بین این اعضا منتقل نمی‌شود. این سامانه به تنهایی قدرت تحمل نیروهای قائم ساختمان را داشته و برای اینکه قدرت باربری نیروهای جانبی ساختمان (باد و زلزله) را نیز داشته باشد باید به کمک مهاربند و یا دیوار برشی تقویت شود.ساختمان‌های فولادی که اتصال تیر به ستون در آنها بصورت نبشی نشیمن، نبشی جان و یا خورجینی طراحی شود در رده این نوع سامانه قرار می‌گیرد. مطابق استاندارد ۲۸۰۰ این سامانه تا ارتفاع ۵۰ متر قابل استفاده است. این سامانه به تنهایی کامل نیست و برای مقابله با بارهای جانبی نیاز به مهاربند یا دیوار برشی دارد.
سامانه قاب با اتصا‌لات صلب (سامانه قاب خمشی)
متشکل از تیرها و ستون‌هایی است که به یکدیگر با اتصا‌لات صلب (خمشی) متصل شده و تشکیل قاب می‌دهند. یعنی اتصال قابلیت انتقال لنگر از تیر به ستون را داراست. این سامانه بدون هر گونه مهاربندی جانبی، قادر به تحمل نیروهای قائم و جانبی ساختمان است. اتصال تیر به ستون با استفاده از ورق زیرسری و روسری و یا اتصال فلنجی (ورق انتهایی تیر) از جمله اتصا‌لات متداول در اجرای قاب‌های خمشی در کشور است.
سامانه‌ی دوگانه یا ترکیبی
سیستم مختلط شامل قاب فضایی خمشی و دیوارهای برشی یا مهاربندی‌ها که در آن بارهای قائم توسط قاب خمشی و نیروهای جانبی، تواماً توسط قاب خمشی و دیوارهای برشی یا توسط قاب خمشی و مهاربندی‌ها تحمل می‌شود. نیروی جانبی بین قاب خمشی و دیوار برشی و یا بین قاب خمشی و مهاربندی‌ها به نسبت صلبیت آنها توزیع می‌شود. ولی در هر حال قاب به تنهایی باید ظرفیت تحمل حداقل ۲۵ درصد نیروی جانبی زلزله را داشته باشد.
سامانه‌های نوین در سازههای فولادی
سامانه‌ی قاب محیطی یا لوله‌ای (structure tube Framed)
در این سامانه تجمع ستون‌ها در قاب محیطی سازه بیشتر بوده و در ستون‌های محیطی بصورت یک لوله، سازه را در میان گرفته است و بارهای جانبی به این قاب محیطی وارد می‌شود. همچنین قاب محیطی نیز نمای مطلوبی به ساختمان می‌دهد. برج‌های دوقلوی سازمان تجارت جهانی در نیویورک، تحت این سامانه ساخته شده بودند. این سامانه برای ساختمان‌های با‌لای ۱۵۰ طبقه می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
سامانه‌ی لوله در لوله (Structure tube in Tube)
واکنش یک سامانه‌ی لوله در لوله در مقابل بارهای جانبی مشابه واکنش سازه مرکب از قاب صلب و دیوار برشی است. اما لوله‌ی قابی خارجی خیلی سختتر از قاب صلب است. لوله‌ی خارجی، اکثر بار جانبی را در قسمت با‌لایی ساختمان تحمل می‌کند.، در صورتی که هسته، بیشتر بار را در قسمت پائین ساختمان تحمل می‌نماید.
سامانه‌ی لوله‌های چندگانه (Structure tube Multi)
این سامانه نیز مانند قاب محیطی است با این تفاوت که ساختمان از چند قاب محیطی تشکیل یافته است.
سامانه‌ی ابرمهاربندی (Structure Braced-Mega)
در ساختمان‌های متعارف، مهاربندی ساختمان در ارتفاع طبقه و به عرض دهانه انجام می‌شود. در دو دهه گذشته، در ساختمان‌های بلند و به جهت بازده‌ی بیشتر و حتی به عنوان ابزار معماری در نمای ساختمان، استفاده از مهاربندی‌هایی در مقیاس بزرگتر از یک طبقه و یک دهانه در سازه تکامل یافته است که به آن سامانه‌ی ابرمهاربندی گفته می‌شود.
سامانه‌ی کمربند خرپایی (Structure Braced-Outtrigger)
اگر تعدادی از طبقات یک ساختمان به وسیله‌ی یک کمربند در پیرامون سازه که از اعضای بادبندی تشکیل شده‌اند و در نمای ساختمان به شکل خرپا دیده میشوند، محصور شود، مراکز تغییر شکل جانبی ساختمان به شدت کم می‌شود. به این سامانه، سامانه‌ی کمربند خرپایی گفته می‌شود.
سامانه‌ی هسته مرکزی (Structure Core)
در سامانه‌ی هسته مرکزی، به جای اینکه عناصر مقاوم جانبی در نقاط مختلفی از پالن قرار گیرند، با استفاده از سیستم دیوار برشی در مرکز ساختمان قرار می‌گیرند. در این حالت نمای ساختمان باز خواهد بود و از فضای هسته‌ی مرکزی میتوان به عنوان راه پله یا محل نصب آسانسور استفاده نمود.
