طرح اختلاط سازه های بلند بتن آرمه
طرح اختلاط سازه های بلند بتن آرمه که در سرتاسر دنیا ساخته شده‌اند یکی از موضوعات جذاب برای مهندسان طراح است.
تا چند دهه قبل، ساختمانهای بلند بیشتر با قاب فولادی ساخته می‌شدند اما در سال‌های اخیر این ساختمان‌ها عموما با قاب‌های بتن آرمه احداث می‌گردند.
بتن پر مقاومت در طرح اختلاط سازه‌های بلند
در ۳۰ سال گذشته عموما از بتن پر مقاومت fc>50 Mpa برای ساخت سازه‌های بتن آرمه استفاده شده است. در صورت عدم استفاده از بتن‌های پر مقاومت، ابعاد ستون‌ها در طبقات پایین بسیار بزرگ شده و باعث کاهش مساحت مفید ساختمان خواهد شد.
آغاز استفاده از بتن‌های پر مقاومت، برج لیک پوینت در سال ۱۹۶۵ در شیکاگو، با استفاده از بتن با مقاومت فشاری ۵۰ مگاپاسکال بود. برای ساخت چنین بتن‌هایی (بتن‌های پرمقاومت) نسبت آب به مواد سیمانی باید به کمتر از 0.35 محدود شده و از فوق روان کننده‌ها برای افزایش کارایی بتن استفاده شود.
روانی بالای بتن بدون جداشدگی، عاملی دیگر در افزایش استفاده از مواد افزودنی (مواد اصلاح کننده ویسکوزیته) در بتن‌های ساختمانهای بلند است. جداشدگی بتن‌های با اسلامپ بالا می‌تواند با استفاده از مواد جایگزین سیمان مانند خاکستر بادی، پودر سنگ آهک، روباره کوره آهنگدازی و دوده سیلیس نیز بهبود یابد. استفاده از این مواد می‌تواند به ساخت بتنی با قابلیت پمپ و ریختن مناسب کمک کرده و باعث کاهش هزینه‌های پروژه شود.
اولین سازه بلند بتنی جهان
ساختمان Ingalls که در سال ۱۹۰۳ در سینسیناتی اوهایو ساخته شد، اولین آسمان خراش بتن آرمه جهان است.
این ساختمان ۱۶ طبقه با ۶۳ متر ارتفاع توسط شرکت معماری سینسیناتی Elzner & Anderson طراحی شده است و به نام سرمایه گذار مالی اصلی آن، Melville E. Ingalls نامگذاری شده است.
Melville E. Ingalls دو سال وقت صرف کرد تا مقامات شهر را متقاعد کند تا مجوز ساخت و ساز صادر کنند. شک و تردید زیاد بود، زیرا رکورد ارتفاع موجود برای یک ساختمان بتنی در آن زمان، تنها شش طبقه بود. سازه بتنی اینگالز در آن زمان یک شاهکار مهندسی جسورانه در نظر گرفته می‌شد و موفقیت آن، به پذیرش ساخت و ساز بتنی در ساختمانهای بلند در ایالات متحده بسیار کمک کرد.
بررسی طرح اختلاط سازه های بلند بتن آرمه دنیا
اختلاط بتن یک مرحله اساسی در تولید بتن است که تعیین نسبت مواد تشکیل‌دهنده بتن (شامل سیمان، شن، ماسه، و آب) را به منظور دستیابی به بتن با خصوصیات مورد نظر انجام می‌دهد. برای دستیابی به بتن مقاوم در اجرای ساختمانهای بلند مرتبه، مواد مختلف به دقت ترکیب می‌شوند تا بتنی با خصوصیات مشخصی حاصل شود. این خصوصیات می‌تواند شامل مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مقاومت به آب، مقاومت به حرارت، و دیگر ویژگی‌ها باشد.
در ادامه به بررسی طرح اختلاط ۸ سازه بلند دنیا می‌پردازیم.
۱- ساختمان واتر تاور پالاس (شیکاگو سال ۱۹۷۶) با ارتفاع ۲۶۲ متر
این ساختمان طی سال‌های ۱۹۷۴ تا ۱۹۷۶ در شیکاگو ساخته شد و دارای ۷۴ طبقه و ۲۶۲ متر ارتفاع است.
مقاومت فشاری مشخصه بتن مورد استفاده در ساخت سازه بلند مرتبه واتر پالاس ۶۵ مگاپاسکال بوده است.
| سیمان (kg/m3) | خاکستر بادی (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | آب (kg/m3) | ریزدانه (kg/m3) | درشت دانه (kg/m3) | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) |
| 500 | 60 | 560 | 178 | 608 | 1068 | ناچیز | 0.32 | 65 |
۲- ساختمان کامرس تاور (هوستون سال ۱۹۸۱) با ارتفاع ۳۰۶ متر
این ساختمان در سال ۱۹۸۱ در هوستون ساخته شده است و دارای ۷۵ طبقه و ارتفاع ۳۰۶ متر است.
این آسمان خراش، بلندترین ساختمان شهر هوستون می‌باشد.
با توجه به طرح اختلاط زیر، به دلیل استفاده از مقدار مناسب خاکستر بادی نیازی به استفاده از مواد فوق روان‌کننده برای تامین کارایی نیست و خاکستر بادی به دلیل کروی بود باعث کارایی مناسب بتن شده است.
| سیمان (kg/m3) | خاکستر بادی (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | آب (kg/m3) | ریزدانه (kg/m3) | درشت دانه (kg/m3) | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) |
| 390 | 100 | 490 | 161 | 575 | 1141 | ناچیز | 0.33 | 65 |
آموزش اصول طراحی لرزه‌ای سازه‌های بلند
با شرکت در این دوره تخصصی، اصول طراحی لرزه‌ای ساختمانهای بلند مرتبه در ایران را به صورت کاملا حرفه‌ای بر اساس آئین‌نامه‌های روز دنیا بیاموزید.
ثبت‌نام۳- ساختمان بانک آمریکا پلازا (دالاس سال ۱۹۸۵) با ارتفاع ۲۸۱ متر
این ساختمان دارای ۷۲ طبقه با ارتفاع ۲۸۱ متر است که به عنوان بلندترین ساختمان شهر دالاس محسوب می‌شود.
ساخت این سازه بلند بین سال‌های ۱۹۸۳ تا ۱۹۸۵ انجام شده است که دارای ۱۸ هزار مترمربع فضای اداری است.
| سیمان (kg/m3) | خاکستر بادی (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | آب (kg/m3) | ریزدانه (kg/m3) | درشت دانه (kg/m3) | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) |
| 360 | 150 | 510 | 148 | 603 | 1157 | 3 | 0.29 | 80 |
۴- ساختمان ناوا اسکوتیا پلازا (تورنتو سال ۱۹۸۸) با ارتفاع ۲۷۵ متر
این ساختمان تجاری ۶۸ طبقه در تورنتو قرار دارد و با ارتفاع ۲۷۲ متر دومین ساختمان سازه بلند کانادا است.
| سیمان (kg/m3) | خاکستر بادی (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | آب (kg/m3) | ریزدانه (kg/m3) | درشت دانه (kg/m3) | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) |
| 315 | 135 | 486 | 145 | 645 | 1130 | 6 | 0.3 | 82 |
۵- ساختمان ترامپ پالاس (نیویورک سال ۱۹۸۹) با ارتفاع ۲۰۰ متر
سازه ترامپ پالاس دارای ۵۶ طبقه با ارتفاع ۲۰۰ متر می‌باشد.
برای اولین بار در نیویورک در ساختمان فوق از بتن با مقاومت فشاری ۶۷٫۵ مگاپاسکال استفاده شده است. طرح اختلاط بتن این ساختمان در جدول زیر نشان داده شده است.
| سیمان (kg/m3) | دوده سیلیس (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | آب (kg/m3) | نوع سنگدانه | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) 28 روزه | مقاومت فشاری (Mpa) 56 روزه | مدول الاستیسیته (GPa) |
| 474 | 52 | 526 | 168 | طبیعی و بازالتی | 7 تا 9 | 0.32 | 87 | 94 | 51 |
این طرح اختلاط دارای اسلامپ مناسبی به میزان ۲۵ میلی‌متر بوده و مقداری به بتن خود تراکم نزدیک شده است.
برای افزایش مقاومت فشاری، جلوگیری از جداشدگی و بهبود قابلیت پمپاژ، از دوده سیلیس با توزیع ذرات مناسب استفاده شده است. طرح اختلاط ساختمان ترامپ پالاس در سال ۱۹۹۰، به یک طرح استاندارد در نیویورک تبدیل شد و برای بسیاری از ساختمانهای بلند مورد استفاده قرار گرفت.
۶- برج‌های پتروناس (کوالالامپور سال ۱۹۹۸) با ارتفاع ۴۵۲ متر
برج‌های دوقلوی پتروناس در سال ۱۹۹۸ در کوالالامپور ساخته شد.
این دو برج ۸۸ طبقه با ارتفاع ۴۵۲ متر هفتمین ساختمان بلند دنیاست.
سیستم سازه‌ای این برج‌ها شامل هسته‌ی بتنی مرکزی، ستون‌های بتنی پیرامونی و تیرهای عمیق بوده و سیستم کف این برج‌ها نیز عرشه فولادی است.
برای ساخت این دو برج مصالح مختلفی ارائه شد که از بین این مصالح، بتن توانمند (High Performance Concrete) به عنوان اقتصادی‌ترین مصالح برای ساخت این دو برج انتخاب شد.
بتن توانمند HPC علاوه بر مقاومت بالا، دارای دوام مناسب در محیط‌های مختلف نیز می‌باشد. به عبارت دیگر با توجه به شرایط محیطی، طرح اختلاط بتن‌های توانمند متفاوت است. به عنوان مثال در آب و هوای سرد بتن توانمند حاوی حباب‌های هوا است که باعث دوام مناسب بتن در خرابی یخ زدن و آب شدن می‌شود.
| سیمان (kg/m3) | MASS RETE (kg/m3) | دوده سیلیس (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | آب (kg/m3) | ریزدانه (kg/m3) | درشت دانه (kg/m3) | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) |
| 505 | 0 | 30 | 535 | 134 | 750 | 1000 | 9 | 0.25 | 100 |
۷- برج و هتل فورسیزن (میامی سال ۲۰۰۳) با ارتفاع ۲۴۰ متر
از سال ۲۰۰۰ ساخت برج و هتل فورسیزن در میامی آغاز شد و سه سال به طول انجامید.
این ساختمان دارای ۷۰ طبقه بوده و ۲۴۰ متر ارتفاع دارد. بتن مورد استفاده برای ساخت این ابرسازه بتن خود تراکم، حاوی دوده سیلیس، پودر سنگ آهک و سنگدانه‌های گرانیتی برای دستیابی به مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته بالا بود. به دلیل وجود آرماتورهای انبوه در اعضای بتنی، این ساختمان به خصوص در هسته مرکزی بتن خود تراکم با جریان اسلامپ ۵۱۰ تا ۶۳۵ میلی‌متر مورد نیاز بوده است.
| سیمان (kg/m3) | روباره کوره آهنگدازی (kg/m3) | دوده سیلیس (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | پودر سنگ آهک (kg/m3) | آب (kg/m3) | نوع سنگدانه | ریزدانه (kg/m3) | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) | مدول الاستیسیته (GPa) |
| 267 | 267 | 30 | 564 | 980 | 164 | طبیعی و گرانیتی | 570 | 5.5 | 0.29 | 81 | 38 |
۸- ساختمان تایپه ۱۰۱ (تایوان – سال ۲۰۰۴) با ارتفاع ۵۰۹ متر
این ساختمان دارای ۱۰۱ طبقه بوده و با ارتفاع ۵۰۹ متر دومین ابرسازه بلند دنیا است.
سیستم اصلی سازه‌ی این ساختمان شامل هسته و ۸ اَبَرستون با مقطع قوطی فولادی به ابعاد ۳×۲٫۴ متر است که تا طبقه‌ی ۶۲ با بتن مسلح پر شده‌اند.
تعداد زیادی آزمایش شامل مقاومت فشاری و جمع شدگی برای تأیید طرح اختلاط انجام شده است. مقاومت مشخصه‌ی این بتن ۶۹ مگاپاسکال بوده و برای پمپاژ مناسب جریان اسلامپ برابر با ۶۰۰ میلی‌متر برای آن در نظر گرفته شده است.
دو طرح اختلاط ارائه شده برای این بتن مقاومت بالا و خود تراکم در جدول زیر ارائه شده است.
| طرح اختلاط | سیمان (kg/m3) | روباره کوره آهنگدازی (kg/m3) | دوده سیلیس (kg/m3) | مجموع مواد سیمانی (kg/m3) | پودر سنگ آهک (kg/m3) |
| 1 | 340 | 150 | 30 | 520 | – |
| 2 | 340 | 130 | 30 | 500 | 80 |
| طرح اختلاط | آب (kg/m3) | ریزدانه (kg/m3) | درشت دانه (kg/m3) | فوق روان‌کننده (L/m3) | نسبت آب به مواد سیمانی (kg/m3) | مقاومت فشاری (Mpa) |
| 1 | 160 | 957 | 760 | 6.24 | 0.31 | 69 |
| 2 | 155 | 920 | 772 | 7.25 | 0.31 | 69 |
طرح اختلاط سازه های بلند فوق، مربوط به برج‌ها و آسمان خراش‌های خارج از کشور بوده است.
اگر شما هم علاقه‌مند به بررسی سازه‌های بلند مرتبه در ایران هستید، می‌توانید فیلم «طراحی ابرسازه‌های بتن آرمه» که مربوط به یک ساختمان 35 طبقه در ایران است، را مشاهده کنید.