Articles

(گردآوری توسط تیم تحقیق و توسعه شرکت بهساز اندیشان تهران)

بیمارستان آتیه 2 طرح برتر سازه فولادی کشور در سال 97، بلندترین بیمارستان ایران و خاورمیانه و یکی از بلندترین بیمارستان های جهان می باشد. بکارگیری سیستم های خاص سازه ای و تجهیز شدن به پیشرفته ترین سیستم های کنترل لرزه ای، سازه این بیمارستان را نیز همانند خود بیمارستان منحصر به فرد نموده است.

بیمارستان آتیه 2

بیمارستان آتیه 2 که در شهر تهران، که منطقه ای با لرزه خیزی زیاد می باشد، قرار گرفته است دارای زیربنای کلی در حدود 175000 متر مربع در 36 طبقه با ارتفاع کلی 160 متر که از این تعداد، 9 طبقه زیرزمین می باشد. سازه منحصر به فرد این بیمارستان مجهز به 4 لایه دفاعی جداگانه برای مقابله با بارهای ناشی از زلزله می باشد. سیستم باربر جانبی این سازه از یک سیستم چندگانه متشکل از قاب خمشی فولادی ویژه، دیوار برشی فولادی ویژه، میراگرهای لرزه ای اصطکاکی دورانی بعلاوه کمربندهای پانلی و یا خرپایی در طبقات تاسیساتی و طبقه آخر تشکیل شده است که در ادامه در مورد هریک از آنها توضیح خواهیم داد.

• Special Moment Frame (SMF) (قاب خمشی فولادی ویژه)
• Rotational Friction Dampers (RFD) (میراگرهای لرزه ای اصطکاکی دورانی)
• Special Plate Shear Wall (SPSW) (دیوار برشی فولادی ویژه)
• Outriggers (کمربندهای پانلی و یا خرپایی)

شکل زیر نمای سه بعدی مدلسازی پروژه بیمارستان آتیه 2 و پلان تیپ طبقات میانی را نشان می دهد.

بیمارستان آتیه2، پلان تیپ طبقات و نمای سه بعدی مدلسازی سازه

با بررسی سابقه آسیبها و خرابی هایی که بیمارستانها در اثر زلزله دچار شده اند و وقفه ایجاد شده در عملکرد آنها و تلفات ناشی از خرابی و عدم امکان بهره برداری از بیمارستانها، استفاده از سیستم های نوین لرزه ای در دنیا برای این سازه ها بیش از پیش متداول شده است. در روش های سنتی طراحی لرزه ای سازه ها، با افزایش سختی سازه، سعی در مهار انرژی وارد به سازه و در نتیجه کنترل تغییر شکلها می شود. اما در روش استفاده از میراگرها در طراحی لرزه ای سازه ها، کاهش سطح انرژی جذب شده زلزله در سازه مدنظر قرار می گیرد و با افزایش میرایی سازه ها بواسطه استفاده از سیستم های میرایی (میراگر یا دمپر) علاوه بر بهینه سازی مصالح مصرفی در سازه ها، کاهش جا به جایی و دریفت وارد به سازه اتفاق می افتد.

میراگرها از لحاظ عملکردی به دو دسته، وابسته به جابجایی و وابسته به سرعت تقسیم بندی می‌شوند. از میراگرهای وابسته به سرعت، میراگرهای ویسکوز و از میراگرهای وابسته به جا به جایی، میراگرهای اصطکاکی دورانی را می توان نام برد.

ثبت رسمی اولین انواع میراگرهای اصطکاکی به قبل از سال 1950 بر می‌گردد. این میراگرها بدلیل ویژگی‌های خاص از جمله نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری، نصب آسان، طول عمر زیاد و قیمت مناسب از مقبولیت خوبی در میان طراحان برخوردار بوده‌اند. در دهه‌های گذشته محققین بسیاری بر روی این نوع از میراگرها مطالعه و تحقیق نموده و عملکرد آن را بهبود بخشیده‌اند. در سال 1998 دکتر معلا، دانشمند عراقی الاصل دانمارکی، نسل جدید از میراگرهای اصطکاکی به نام میراگرهای اصطکاکی دورانی مجهز به پدهای اصطکاکی را ارائه نموده و از آن پس این میراگرها به واسطه عملکرد بهتر و مزایای فنی اقتصادی قابل توجه، بسیار مورد اقبال مهندسین در کشورهای پیشرفته لرزه خیز دنیا قرار گرفتند. در یک دهه گذشته این میراگر در پروژه‌های مختلف از جمله بلند‌ترین برج کشور ژاپن (Abeno Harukas Tower) استفاده شده است.

تجهیز بلندترین برج ژاپن (Abeno Harukas Tower) با میراگرهای اصطکاکی دورانی DAMPTECH

میراگرهای اصطکاکی دورانی به طور کلی با مکانیزم جذب انرژی با ایجاد اصطکاک ناشی از جابجایی رخ داده در سطح لغزش انرژی لرزه ای را مستهلک می کنند. به این صورت به جای اینکه اعضای اصلی سازه نظیر ستونها و تیرها با ایجاد خرابی در خود، موجب استهلاک انرژی زلزله وارده به سازه شوند، این میراگرها هستند که بدون ایجاد خرابی در آنها انرژی زلزله را به میزان بسیار موثر و از طریق ایمن مستهلک نموده و سبب کاهش خرابی وارده به اعضای سازه و تمام اجزای ساختمان می گردند. میراگرهای اصطکاکی دورانی متشکل از چندین صفحه فولادی هستند که در مقابل یکدیگر قرار گرفته و با تحریک ناشی از زلزله به چرخش در می آیند. صفحه‌های فولادی توسط پدهای اصطکاکی پیشرفته ای با ویژگی های خاص، از یکدیگر جدا می‌شوند که نیروی پیش تنیدگی ناشی از پیچ هایی که این صفحات و پدها را به هم می بندد باعث ایجاد اصطکاک در سطح لغزش پد می‌شود. زمانی که نیروهای اعمالی به دو سر میراگر به اندازه کافی بزرگ شوند، ورقه‌های فولادی میراگرها شروع به چرخش می‌کنند و انرژی در لایه اصطکاکی بین پدهای اصطکاکی و صفحه‌های فولادی در اثر اصطکاک جذب می‌شود. زمانی که نیروهای وارده معکوس شوند، صفحه‌ها در خلاف جهت قبلی می‌چرخند و مجددا میراگرها باعث استهلاک انرژی زلزله می‌شوند و در نتیجه نیرو و خصوصا جابجایی وارد بر سازه به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد. در شکل زیر نحوه عملکرد این میراگرها به صورت شماتیک نشان داده شده است.

سیستم عملکردی میراگرهای اصطکاکی دورانی DAMPTECH

میراگرهای اصطکاکی دورانی DAMPTECH نصب شده در پروژه بیمارستان آتیه 2

فیلم نحوه نصب میراگرهای اصطکاکی دورانی پروژه بیمارستان آتیه 2

در گراف زیر انرژی وارد به سازه تحت یک زلزله نشان داده شده است. بالاترین منحنی نشانگر کل انرژی وارده بوده و منحنی دوم میزان انرژی جذب شده توسط سازه و منحنی سوم میزان انرژی جذب شده توسط میراگرها را نمایش می دهند. مشخص است که میراگرها حدودا نیمی از انرژی وارد به اعضای سازه ای و یک سوم کل انرژی وارد به ساختمان را جذب کرده و به صورت ایمن مستهلک نموده اند که این عملکرد باعث کاهش قابل توجه جا به جایی در سازه طی رخداد زلزله خواهد شد.

جریان انرژی لرزه‌ای منتج از تحلیل تاریخچه زمانی در سازه مجهز به میراگر

در گراف زیر جا به جایی نسبی وارد به طبقات مختلف بیمارستان آتیه 2 در تحلیل های غیر خطی عملکردی در دو حالت با و بدون میراگر برای دوسطح زلزله BSE1 (زلزله طرح با دوره بازگشت 475 ساله) و سطح زلزله BSE2 (زلزله بسیار شدید با دوره بازگشت 2475 ساله) نشان داده شده است. مشخص است که با بکارگیری میراگرها میزان دریفت حداکثر طبقات در زلزله مبنای طرح به 0/8 درصد محدود شده است که تقریبا سازه را در حالت آماده برای استفاده پس از زلزله های شدید نگه میدارد، حال آنکه بدون وجود میراگرها خرابیها فراتر از حالت عملکردی استفاده بی وقفه می باشد.

بیمارستان آتیه2، جا به جایی نسبی طبقات در حالتهای با و بدون استفاده از میراگرهای اصطکاکی دورانی

سیستم دیوارهای برشی یکی از انواع سیستمهای باربر موثر برای مقابله با نیروهای برشی و لنگر واژگونی ناشی از بارهای جانبی باد و زلزله است. بطور کلی، سیستمهای دیوار برشی فولادی متشکل هستند از یک پانل فولادی و دو ستون در لبه ها که مانند یک تیرورق قائم عمل می کند. ستونها مانند بالهای تیرورق قائم عمل کرده و پانل فولادی مانند جان تیرورق عمل می کند. تیرهای تراز طبقات نیز کمابیش مانند سخت کننده های جان عمل می کنند.
استفاده از سیستم دیوارهای برشی فولادی به دهه 70 میلادی برمی گردد و این سیستم از آن تاریخ در کشورهایی مانند ژاپن، کانادا و آمریکا در طراحی و بهسازی لرزه ای ساختمانها بکار می رود. این سیستم از سال 2010 در آیین نامه های طراحی لرزه ای سازه های فولادی آمریکا نیز ارائه شده است. برخی از امتیازات سیستمهای دیوار برشی فولادی به قرار زیر میباشد:

• این سیستمها در صورت طراحی و اجرای صحیح دارای شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بالایی هستند. در صورت طراحی مناسب جزئیات سازه میتواند تا 0/04 رادیان دریفت را بدون متحمل شدن خرابی داشته باشد.
• دارای سختی اولیه نسبتا بالایی بوده که در نتیجه روش مناسبی در کنترل دریفت طبقات در قابهای خمشی می باشد.
• وزن کمتری در مقایسه با دیوارهای برشی بتن آرمه داشته و در نتیجه میزان نیروهای لرزه ای کمتر شده و در نتیجه به ستونها و فونداسیون سبکتری نیاز دارد.
• بدلیل ضخامت ناچیز پانل های فولادی در مقایسه با دیوارهای بتن مسلح، استفاده بهینه از فضای معماری میشود.
• سرعت ساخت و اجرای بالاتری در مقایسه با سیستمهای بتنی و مهاربندهای فلزی دارد.
• بدلیل پیوستگی یکسره پانل به تیر و ستون (از طریق تسمه اتصال یکسره)، نیاز به خط جوش با بعد کمتری داشته و مشکلات مطرح در اتصالات مهاربند به تیر و ستون (از جمله ورقهای گاست بزرگ و بعد جوش بالا) را ندارد.

استفاده از دیوارهای برشی فولادی به علت مزایای ذکر شده و همچنین نقش آن در ارتقای عملکرد لرزه ای این سازه، مورد توجه و استفاده در این پروژه منحصر به فرد قرار گرفت. محل قرارگیری دیوارهای برشی فولادی و میراگرهای اصطکاکی دورانی در پلان طبقات، دیوارهای برشی فولادی در طبقات و اتصال آنها به فونداسیون در شکلهای زیر نشان داده شده است. این سازه بزرگترین پروژه ساختمانی کشور مجهز به دیوارهای برشی فلزی می باشد.

پلان جایگذاری دیوارهای برشی فولادی (SPSW) و میراگرهای اصطکاکی دورانی (RFD)

بیمارستان آتیه 2، دیوار برشی فولادی در طبقات و اتصال آن به فونداسیون

استفاده از سیستم کمربند پانلی (OUTRIGGER) برای افزایش سختی جانبی سازه های بلند بعنوان یک راهکار موثر متداول است. در این سیستم در طبقات مشخصی که معمولا طبقات تاسیساتی می باشند، از مهاربند قطری و یا در مورد این سازه از پانل دیوارهای فلزی در دهانه های متوالی و پیوسته استفاده می شود. بدین ترتیب سختی جانبی سازه در این طبقه بشدت افزایش میابد. تغییرشکل جانبی سازه تحت بارگذاری جانبی از دو بخش تغییرشکلهای خمشی (ناشی از تغییر شکل محوری ستونها) و تغییرشکلهای برشی (اعوجاج برشی قابهای هر طبقه) تشکیل شده است. کمربند پانلی با کوپله کردن ستونها، سختی خمشی کل سازه را افزایش داده در نتیجه سهم تغییر شکل خمشی ساختمان را کاهش می دهد.
در شکل زیر تاثیر کمربند پانلی در کنترل دریفت طبقات این سازه نشان داده شده است.

بیمارستان آتیه2، تاثیر کمربند پانلی در کنترل دریفت طبقات

همانگونه که از نتایج تحلیل نمایش داده شده در شکل فوق مشخص است، مقادیر تغییرمکان جانبی سازه بدون کمربند پانلی بسیار بیشتر از میزان مجاز است. به عبارت دیگر سختی قابل ملاحظه ای مورد نیاز است که بتوان تغییرمکانهای جانبی سازه بدون کمربند را به مقادیر مجاز محدود کرد که مسلما مستلزم استفاده از مصالح بیشتر و به ویژه افزایش ابعاد اعضای قاب است.
در سازه بدون کمربند پانلی، علاوه بر مشکل تغییرمکان جانبی، به لحاظ مقاومتی نیز تیرها و ستونهای سازه دچار مشکل هستند. بررسی ها نشان داد که برای حل ضعف مقاومتی سازه بدون کمربند پانلی وزن اسکلت سازه می بایست حدود 15 درصد افزایش یابد. از طرفی با افزایش ظرفیت المانهای سازه ای و برطرف نمودن مشکل مقاومتی هنوز دریفت این سازه بسیار بالاتر از حالت مجاز بوده که این موضوع نشان دهنده اهمیت استفاده از کمربند پانلی برای کنترل تغییرمکان جانبی این سازه می باشد.
در نهایت استفاده از سیستم پیشرفته میراگرهای لرزه ای اصطکاکی دورانی DAMPTECH به علاوه سیستم های نوین دیوار برشی فولادی و کمربندهای پانلی منجر به ایجاد سازه ای منحصر به فرد و ایمن لرزه ای برای این بیمارستان زیبا و مشهور گردید.

مشخصات پروژه بیمارستان آتیه 2

فیلم نحوه نصب میراگرهای اصطکاکی دورانی پروژه بیمارستان آتیه 2