آسمان‌خراش‌ها چطور سر پا می‌مانند؟

ساختمان بلند وزن، باد و زلزله را از راه اسکلت و هسته به پی منتقل می‌کند. این مقاله بارها، پی و شمع، نقش فولاد و بتن، سیستم‌های سازه‌ای، اثر باد و میراگر، رفتار در زلزله، خطر آتش و حفاظت سازه، تأسیسات و نما و روش ارزیابی ایمنی ساختمان را توضیح می‌دهد.

۱. ساختمان بلند چه نیروهایی را تحمل می‌کند؟

هر ساختمان باید چند نوع بار را تحمل کند. بار مرده وزن خود سازه است: ستون‌ها، تیرها، سقف‌ها، دیوارها و نما. بار زنده وزن چیزهایی است که تغییر می‌کنند، مثل آدم‌ها، میز و وسایل. در ساختمان بلند، این بارها طبقه به طبقه جمع می‌شوند و ستون‌های طبقهٔ پایین باید وزن همهٔ طبقات بالاتر را تحمل کنند.

علاوه بر بارهای قائم، نیروهای افقی هم وجود دارد. باد با ارتفاع قوی‌تر می‌شود و به نمای ساختمان فشار می‌آورد. زلزله زمین را حرکت می‌دهد و به ساختمان نیروی افقی وارد می‌کند. در ساختمان کوتاه، این نیروها اغلب با دیوارها و قاب‌های ساده قابل‌تحمل‌اند، ولی در ساختمان بلند، آن‌ها طراحی را تعیین می‌کنند، چون اهرم بلند ساختمان اثر آن‌ها را بزرگ می‌کند.

نیروها باید راهی تا زمین پیدا کنند. این مسیر را مسیر بار می‌گویند. بار سقف به تیر می‌رسد، تیر به ستون، ستون به ستون پایین‌تر و در نهایت به پی و خاک. اگر یکی از حلقه‌های این مسیر ضعیف باشد، کل مسیر آسیب می‌بیند. به همین دلیل مهندس سازه تمام مسیرها را بررسی می‌کند و برای هر قطعه ضریب اطمینان در نظر می‌گیرد.

طراحی سازه فقط به استحکام ختم نمی‌شود. ساختمان نباید بیش از حد تکان بخورد یا خم شود، چون ساکنان احساس ناراحتی می‌کنند و تأسیسات و نما آسیب می‌بینند. باید در برابر آتش، خوردگی و گذر زمان هم دوام داشته باشد. مهندسان هنگام طراحی استحکام، سختی، شکل‌پذیری و دوام را با هم در نظر می‌گیرند و بین هزینه و ایمنی تعادل برقرار می‌کنند.

«ساختمان بلند فقط روی زمین نایستاده است؛ مسیر دقیقی از بارها را از بالاترین طبقه تا عمق خاک مدیریت می‌کند.»

۲. پی ساختمان چه نقشی دارد؟

پی بخشی از ساختمان است که بار را به زمین منتقل می‌کند. خاک در برابر ساختمان مثل تکیه‌گاهی نرم رفتار می‌کند و اگر بار روی سطح کوچکی بیاید، فرو می‌رود. پی بار را روی سطح بزرگ‌تر پخش می‌کند یا به لایه‌های عمیق‌تر و محکم‌تر می‌رساند. نوع پی به خاک، وزن ساختمان و آب زیرزمینی بستگی دارد و پیش از طراحی با مطالعهٔ ژئوتکنیک تعیین می‌شود.

در ساختمان‌های بلند، رایج‌ترین راه استفاده از دالهٔ ضخیم بتنی یا پی گسترده است که زیر کل ساختمان قرار می‌گیرد. اگر خاک سطحی ضعیف باشد، شمع‌هایی از بتن یا فولاد تا لایه‌های محکم‌تر کوبیده یا حفر می‌شوند. شمع‌ها بار را از راه نوک و اصطکاک بدنه به خاک می‌رسانند. گاهی ده‌ها یا صدها شمع زیر یک برج به کار می‌رود.

مهندسان به نشست ساختمان هم توجه می‌کنند. حتی ساختمان خوب هم کمی در خاک فرو می‌رود. مشکل زمانی است که نشست در نقاط مختلف یکنواخت نباشد و ساختمان کج یا ترک‌دار شود. برج پیزا نمونه‌ای مشهور از نشست نابرابر است. مطالعهٔ خاک، اندازه‌گیری نشست در حین ساخت و پس از آن بخشی از کار حرفه‌ای است.

آب زیرزمینی هم مسئله‌ای مهم است. گودبرداری عمیق نیاز به مهار دیوارهای خاک دارد تا ریزش نکنند و ساختمان‌های مجاور آسیب نبینند. در شهرهایی مثل تهران که زمین‌های رسوبی و زلزله دارند، ملاحظات ژئوتکنیک اهمیت زیادی دارد. گودبرداری بدون نظارت مهندس می‌تواند خطرناک باشد و باید طبق ضوابط انجام شود.

۳. فولاد و بتن چه کار متفاوتی می‌کنند؟

بتن در برابر فشار بسیار مقاوم است ولی در برابر کشش ضعیف است. فولاد در برابر کشش و فشار هر دو مقاوم است. برای همین بتن مسلح، که بتن همراه با میلگرد فولادی است، بهترین ویژگی هر دو را ترکیب می‌کند: بتن فشار را تحمل می‌کند و میلگرد کشش را. ترکیب این دو مصالح، چون ضریب انبساط حرارتی نزدیک دارند، در کنار هم خوب کار می‌کند.

اسکلت فولادی از تیر و ستون‌های فولادی ساخته می‌شود که با جوش یا پیچ و مهره به هم وصل‌اند. فولاد سبک‌تر از بتن برای باربری یکسان است و کارخانه‌ای ساخته می‌شود، پس ساخت سریع‌تر است. اما فولاد برای مقابله با آتش به پوشش محافظ نیاز دارد و ممکن است در معرض رطوبت زنگ بزند. در ایران بسیاری از ساختمان‌های بلند از اسکلت فولادی یا بتنی ساخته می‌شوند.

برج‌های بسیار بلند معمولاً از ترکیب هر دو استفاده می‌کنند. هستهٔ بتنی سفت و مقاوم در برابر باد و زلزله است و قاب فولادی اطراف آن بار طبقه‌ها را می‌گیرد. بتن‌های امروزی مقاومت بسیار بالا دارند و با افزودنی‌ها می‌توان آن‌ها را تا ارتفاع‌های زیاد پمپ کرد. نظارت بر کیفیت بتن، مثل آزمایش نمونه‌های مکعبی، برای ایمنی ضروری است.

مصالح باید به‌درستی مصرف شوند. بتن بد، میلگرد کم، اتصال ضعیف یا جوش نامرغوب می‌تواند کل سازه را به خطر بیندازد. به همین دلیل مقررات ملی ساختمان و استانداردها وجود دارند و بازرسی در حین ساخت لازم است. مصالح مرغوب به‌تنهایی کافی نیست؛ طراحی، اجرا و نظارت درست هر سه شرط ایمنی‌اند.

۴. اسکلت، هسته و سیستم‌های سازه‌ای

ساده‌ترین سیستم، قاب خمشی است: ستون‌ها و تیرها با اتصال‌های صلب به هم متصل‌اند و در برابر نیروی افقی با خم‌شدن مقاومت می‌کنند. این سیستم برای ساختمان‌های متوسط مناسب است. برای ساختمان‌های بلندتر باید سختی بیشتری وجود داشته باشد، چون قاب تنها بیش از حد تغییر شکل می‌دهد و باد و زلزله می‌توانند باعث نوسان زیاد شوند.

راه حل رایج، دیوار برشی و هستهٔ مرکزی است. هسته معمولاً دور راه‌پله و آسانسور ساخته می‌شود و مثل تیر طره‌ای عمودی در برابر باد عمل می‌کند و سختی زیادی به ساختمان می‌دهد. مهاربند قطری فولادی هم ساختمان را مانند خرپا سخت می‌کند. این روش‌ها تغییر شکل جانبی را کم می‌کنند و بخش بزرگی از نیروی افقی را از قاب‌ها دور می‌کنند.

در برج‌های خیلی بلند، از ایده‌های خاص استفاده می‌شود. در سیستم لوله‌ای، ستون‌های بیرونی نزدیک به هم قرار می‌گیرند و کل ساختمان مانند لوله‌ای توخالی عمل می‌کند که در برابر باد مقاوم است. این ایده را فضلور رحمان خان، مهندس سازهٔ نامدار، در سازه‌های بلند به کار برد. در سیستم‌های دیگر، تیرها یا خرپاهای افقی بزرگی هسته را به ستون‌های بیرونی می‌بندند و سختی را بسیار افزایش می‌دهند.

برج خلیفه شکل Y دارد که بال‌های آن هسته را مهار می‌کنند و در برابر باد پایدارتر است. انتخاب سیستم سازه‌ای به ارتفاع، کاربری، مصالح، هزینه و منطقهٔ لرزه‌خیز بستگی دارد. هیچ سیستم برتر مطلقی نیست. طراح معمولاً چند گزینه را با نرم‌افزار تحلیل می‌کند و گزینهٔ مناسب را انتخاب می‌کند و بعد مدل را با آزمایش‌های ویژه، مثل تونل باد، بررسی می‌کند.

۵. باد چطور ساختمان بلند را تکان می‌دهد؟

فشار باد با مجذور سرعت آن زیاد می‌شود. اگر سرعت باد دو برابر شود، فشار چهار برابر می‌شود. این نکته توضیح می‌دهد چرا باد برای ساختمان‌های بلند مهم است: سرعت باد با ارتفاع بیشتر است و نمای بزرگ سطح زیادی دارد. فرمول ساده فشار باد نصف چگالی هوا ضرب مجذور سرعت است و ضرایب شکل و اثر تندباد هم به آن اضافه می‌شود.

باد فقط ساختمان را هل نمی‌دهد. هنگام عبور از کنار برج، جریان هوا در پشت آن گردابه‌هایی می‌سازد که به‌طور متناوب از دو طرف جدا می‌شوند و نیروهای نوسانی عمود بر جریان ایجاد می‌کنند. اگر بسامد این گردابه‌ها به بسامد طبیعی ساختمان نزدیک شود، نوسان تشدید می‌شود. بلوک زیر فشار ساده و نیروی کل را، بدون ضرایب شکل، برای چند سرعت باد روی نمایی نمونه حساب می‌کند.

rho = 1.225          # air density, kg/m3
area = 150 * 30      # facade height x width, m2

for v in (20, 30, 40):
    q = 0.5 * rho * v ** 2
    force = q * area / 1e6
    print(v, 'm/s:', round(q), 'Pa,', round(force, 2), 'MN')
# 20 m/s: 245 Pa, 1.1 MN
# 30 m/s: 551 Pa, 2.48 MN
# 40 m/s: 980 Pa, 4.41 MN

برای کنترل باد از چند راه استفاده می‌شود. شکل ساختمان می‌تواند گردابه‌ها را بشکند: گوشه‌های گرد یا بریده، پله‌دار شدن، بازشوهای عبور باد و باریک‌شدن به‌سمت بالا. مهندسان مدل کوچک ساختمان را در تونل باد آزمایش می‌کنند. مدل شامل ساختمان‌های اطراف است، چون برج‌های مجاور الگوی باد را عوض می‌کنند و می‌توانند باد را در سطح خیابان تندتر کنند.

راه دیگر کاهش نوسان، میراگر است. میراگر جرمی تنظیم‌شده توده‌ای سنگین مثل بلوک فولادی یا بتنی است که در بالای ساختمان با فنر یا آونگ آویخته می‌شود. وقتی ساختمان تکان می‌خورد، توده با تأخیر در خلاف جهت حرکت می‌کند و انرژی نوسان را جذب می‌کند. برج تایپه ۱۰۱ مشهورترین نمونه است. هدف اصلی این سیستم‌ها راحتی ساکنان است و ایمنی سازه را هم بهتر می‌کند.

۶. ساختمان بلند در زلزله چطور رفتار می‌کند؟

در زلزله زمین زیر ساختمان حرکت می‌کند ولی ساختمان به‌دلیل جرم خود می‌خواهد در جای خود بماند. این اختلاف نیروی افقی ایجاد می‌کند که با جرم ساختمان بیشتر می‌شود. ساختمان‌های سبک‌تر و منظم معمولاً بهتر رفتار می‌کنند. شکل نامنظم، طبقهٔ نرم یا تغییر ناگهانی سختی در ارتفاع می‌تواند نقطهٔ ضعف ایجاد کند و باعث تمرکز آسیب شود.

طراحی لرزه‌ای به شکل‌پذیری اتکا دارد. یعنی سازه باید بتواند بدون شکست ناگهانی تغییر شکل بدهد و انرژی زلزله را در اتصال‌های طراحی‌شده جذب کند. فولاد و بتن مسلح درست اجراشده این توان را دارند. ساختمانی که شکننده است، مثل بتن بدون آرماتور مناسب، ناگهان فرو می‌ریزد. در طراحی هدف این است که ساختمان در زلزله بزرگ حتی با آسیب سر پا بماند تا افراد بتوانند بگریزند.

فناوری‌های دیگری هم هست. جداساز لرزه‌ای، که لایه‌هایی از لاستیک و فولاد زیر ساختمان است، حرکت زمین را کمتر به ساختمان منتقل می‌کند. میراگرهای ویسکوز و فلزی انرژی را جذب می‌کنند. این‌ها بیشتر در ساختمان‌های مهم، مثل بیمارستان و برج‌های خاص، استفاده می‌شوند و به هزینه و تحلیل ویژه نیاز دارند. چنین فناوری‌هایی در ایران هم کاربرد و پژوهش دارند.

ایران روی کمربند لرزه‌خیز قرار دارد و رعایت آیین‌نامهٔ طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله، که به استاندارد ۲۸۰۰ مشهور است، ضروری است. مقررات ملی ساختمان و نظام مهندسی ساختمان نقش نظارت دارند. خریدار یا ساکن باید به وجود پروانه، مهندس ناظر و کیفیت اجرا توجه کند. ساختمان قدیمی می‌تواند با ارزیابی و مقاوم‌سازی ایمن‌تر شود، ولی تصمیم باید با کارشناس صلاحیت‌دار باشد.

۷. آتش چه تهدیدی برای سازه دارد؟

آتش دو خطر دارد: خطر برای جان افراد و خطر برای سازه. فولاد در دمای حدود پانصد تا ششصد درجهٔ سانتی‌گراد بخش زیادی از استحکام خود را از دست می‌دهد. بتن هم در گرمای شدید ترک می‌خورد و پوستهٔ آن می‌ریزد و میلگرد در معرض حرارت قرار می‌گیرد. به همین دلیل سازه باید برای مدتی مشخص در آتش دوام بیاورد تا مردم خارج شوند و آتش‌نشانان کار کنند.

حفاظت غیرفعال شامل پوشاندن فولاد با مواد مقاوم در برابر آتش، مانند اندود، رنگ متورم‌شونده یا پوشش بتنی است. تقسیم ساختمان به بخش‌های مجزا با دیوار و در ضدحریق هم مانع گسترش آتش می‌شود. حفاظت فعال شامل آشکارساز دود، آبپاش خودکار و سیستم‌های اطفای حریق است. ترکیب هر دو بهترین نتیجه را می‌دهد و جایگزین دیگری نیست.

مسیر فرار حیاتی است. راه‌پله‌های محافظت‌شده و مجزا از آتش، تابلوهای خروج، روشنایی اضطراری و مسیر بدون مانع باید همیشه آماده باشند. در ساختمان بلند، آسانسور هنگام آتش‌سوزی معمولاً قابل‌استفاده نیست و باید از پله استفاده کرد. ساکنان باید محل خروج‌ها و نقطهٔ تجمع را بشناسند و تمرین تخلیه داشته باشند. انباشتن وسایل در راه‌پله یا قفل‌کردن خروج‌ها خطرناک است.

اگر آتش‌سوزی رخ داد، با ۱۲۵ تماس بگیرید و ساختمان را ترک کنید. در دود، خم شوید و نزدیک زمین حرکت کنید، چون دود داغ بالا جمع می‌شود. درها را پیش از باز کردن لمس کنید و اگر داغ بودند باز نکنید. اگر کسی دچار سوختگی یا خفگی شد، با ۱۱۵ تماس بگیرید. حفظ آرامش و رعایت این نکته‌ها، به‌ویژه در طبقات بالا، می‌تواند جان افراد را نجات دهد.

۸. آسانسور، نما و تأسیسات

ساختمان بلند فقط سازه نیست. آسانسور برای جابه‌جایی تعداد زیادی آدم باید دقیق طراحی شود. ساختمان‌های بسیار بلند از چند گروه آسانسور و گاهی لابی‌های میانی استفاده می‌کنند تا هر آسانسور فقط به چند طبقه خدمت کند. آسانسور و پله در هسته قرار می‌گیرند که هم راه دسترسی و هم بخشی از سازه است. نحوهٔ کار آسانسور در مقالهٔ جداگانه‌ای توضیح داده شده است.

نمای شیشه‌ای و فلزی بار سازه‌ای اصلی را نمی‌گیرد و به قاب متصل است. این پوسته باید باد، باران، گرما و حرکت ساختمان را تحمل کند. شیشه‌های دو جداره و روکش‌دار گرما و نور را کنترل می‌کنند. در طبقات بالا، شیشه باید در برابر بار باد و شکستن مقاوم باشد. شکسته‌شدن شیشه یا افتادن قطعه‌های نما خطرناک است و نگهداری و بازرسی دوره‌ای لازم است.

تأسیسات هم چالش‌هایی دارد. آب باید به طبقات بالا برسد و پمپ و مخزن میانی لازم است. فشار آب در طبقات پایین زیاد می‌شود و باید کنترل شود. اثر دودکشی، یعنی صعود هوای گرم در راه‌پله و شفت‌ها، می‌تواند باعث جریان هوا و تغییر فشار شود. سیستم تهویه و تخلیهٔ دود باید این پدیده را در نظر بگیرد.

برق اضطراری، مولد، سیستم اطفا و ارتباطات همه باید حتی در حادثه کار کنند. ساختمان بلند مانند شهر کوچکی است که همه سامانه‌هایش به هم وابسته‌اند. نگهداری و بازرسی منظم بخش مهمی از ایمنی است. مدیریت ساختمان باید برنامه‌ای برای تعمیر، آزمایش آسانسور، سیستم اطفا و آموزش ساکنان داشته باشد و اسناد فنی را حفظ کند.

۹. چطور ایمنی ساختمان را ارزیابی کنیم؟

کارشناس معتبر مهم‌ترین مرجع ارزیابی است. اگر قصد خرید یا اجاره دارید، پروانهٔ ساخت، پایان‌کار و مشخصات مهندس ناظر و سازنده را بررسی کنید. در ایران سازمان نظام مهندسی ساختمان و شهرداری برای این موارد مرجع‌اند. ظاهر لوکس به معنی ایمنی نیست و باید مدارک و نظارت فنی آن را تأیید کنند.

نشانه‌های هشدار را جدی بگیرید. ترک‌های عریض و مورب در دیوار و ستون، ترک‌های در حال رشد، نشست ناگهانی، چسبیدن یا باز نشدن در و پنجره، زنگ‌زدگی شدید میلگرد یا ریختن بتن از ستون می‌تواند مشکل جدی باشد. هر ترک خطرناک نیست، ولی ارزیابی باید با مهندس انجام شود. خودتان ستون یا دیوار باربر را حذف یا سوراخ نکنید.

تغییرات در ساختمان باید با نظر مهندس انجام شود. برداشتن دیوار، ایجاد بازشو، افزودن طبقه یا بار سنگین مثل مخزن یا مصالح روی بام می‌تواند مسیر بار را به هم بزند. حتی ساختمان خوب هم با دست‌کاری نادرست ضعیف می‌شود. قبل از هر تغییر، مجوز و نقشه را بپرسید. فهرست زیر نکته‌های اصلی را برای ساکنان خلاصه می‌کند.

• پروانه، پایان‌کار و مهندس ناظر را بررسی کنید
• ترک‌های عریض و در حال رشد را به مهندس نشان دهید
• ستون و دیوار باربر را حذف یا سوراخ نکنید
• برای تغییر بار یا طبقه از مهندس مجوز بگیرید
• خروج‌ها و پله را آزاد نگه دارید
• در زلزله و آتش‌سوزی از آسانسور استفاده نکنید

برای آمادگی، محل خروج، پله و کپسول اطفا را بشناسید و تمرین کنید. در زلزله، پناه بگیرید و پس از پایان لرزش با احتیاط خارج شوید. در صورت آسیب یا گیرافتادن، با ۱۱۵ تماس بگیرید و از آسانسور استفاده نکنید. سازه‌های مهندسی‌شده با رعایت قواعد، مدت‌ها ایمن می‌مانند، ولی ایمنی همیشه نیاز به مراقبت، نظارت و آگاهی دارد.