برج Sale Force ( از نمونه های کاربرد نرم افزار قدرتمند Perform 3D)

معیارهای جدید در ایمنی لرزه ای ساختمان های بلند مرتبه

برج Salesforce پس از اتمام در سال 2017 بلندترین ساختمان سان فرانسیسکو با ارتفاع 1.070 فوت (901 فوت تا بالاترین طبقه اشغال شده) می باشد. این ساختمان بلند مرتبه با پیاده سازی برخی از روش های طراحی و  تحلیل برای اولین بار که محدودیت ها را کنار می زند و معیارهای صنعتی جدیدی ایجاد می کند، روش های نوین طراحی لرزه ای ساختمان های بلند مرتبه را ارتقا می بخشد. نوآوری های سازه ای مورد نیاز برای ایجاد این نوع برج اهداف عملکردی، چالش های فونداسیون و اندرکنش با ساختمان های مجاور را افزایش داده است … مواردی که هم در مورد این ساختمان و هم برای ساختمانهای بلند مرتبه در آینده در مناطق با لرزه خیزی بالا قابل استفاده است.

تغییر شکل افق منطقه … تعریف مجدد آینده

در دهه 1980 ، شهر سانفرانسیسکو سیاست هایی را برای محدود کردن توسعه ساختمان های بلند مرتبه تصویب کرد و سرانجام افقی را ایجاد کرد که “ارتفاعات” تا حداکثر  500 تا 600 فوت مجاز بودند – حداکثر ارتفاعات پهنه بندی شده (شکل 1). این محدودیت ها همچنین اختصاص فضای سالانه شهر برای توسعه ادارات جدید را محدود کرد. این محدودیت ها در دوره ضد رشد جمعیت در دهه 1980 اجرا شد و با ترس از ازدحام جمعیت و زیرساخت های ناکافی شهر تقویت شد.

هنگامی که مطالعات تأیید کردند که تمرکز اشتغال در هسته مرکزی شهر با محوریت حمل و نقل برای ادامه موفقیت اقتصادی سانفرانسیسکو بسیار مهم است، یک برنامه جدید مرکز حمل و نقل برای یک منطقه دارای 16 بلوک تهیه شد که به آن منطقه Transbay گفته می شود. این طرح خواستار یک مرکزحمل و نقل جدید Transbay است تا بتواند یازده سیستم ترانزیت منطقه خلیج و توسعه اطراف آن را با هم هماهنگ کند. این طرح همچنین یک منطقه پهنه‌بندی جدید در اطراف مرکز حمل و نقل Transbay ایجاد کرده است، و مجدداً پهنه ‌بندی مناطق را انجام داده است تا ساختمان هایی با ارتفاع  600 تا 850 فوت در مقابل ارتفاع 500 فوت موجود قرار گیرند. از طریق این طرح ، شهر به دنبال توسعه ساختمان های اداری و مسکونی بلندتر و متراکم تر برای اشغال کار و متمرکز شدن جمعیت بود. این طرح همچنین ایجاد یک “افق جدید شکل گرفته با ارتفاع افزایش یافته بلافاصله اطراف مرکز حمل و نقل”برای نشان دادن اهمیت موقعیت و ارائه یک تصویر جدید و پر جنب و جوش از سان فرانسیسکو را هدف قرار داد. برای این منظور ، محوطه ای با مساحت 50.515 فوت مربع محدود شده توسط خیابان های اول و Fremont ، مقابل خیابان Mission به سمت شمال و مستقیماً مجاور مرکز حمل و نقل جدید ، به عنوان محلی برای بلندترین ساختمان منطقه تعیین شده است. در محدوده ارتفاعی جدید 1،070 فوت، ساختمان رکورددار به عنوان چراغی برای منطقه احیا شده عمل می کند (شکل 2).

برای کمک به تأمین اعتبار در مرکز حمل و نقل جدید، حق استفاده و خرید سایت “بلند ترین ساختمان” از طریق یک مسابقه طراحی جهانی 2007 حمایت مالی شده توسط مقامات مشترک Transbay ، یک نهاد عمومی ایجاد شده برای توسعه مرکز، به برنده اهدا شد. پروپوزال برنده توسط Hines ، یک شرکت بین المللی توسعه، با همکاری با Pelli Clarke Pelli Architects ارائه شد.

این تیم، یک برج اداری با سازه61 طبقه با چگالی بالا و پایدار با 1.5 میلیون فوت مربع مساحت (و در نهایت با نام “برج Salesforce” برای اولین مستاجران خود) را پیش بینی کرده بود. بالاتر از طبقه 26 ، هر ارتفاعی از برج Salesforce به شکل منحنی و مخروطی در آمده، که یک تاج باریک “تاج مجسمه ای” را ایجاد کرده است. تاج که به عنوان یک سازه مشبک غیرقابل استفاده طراحی شده، پوشش فلزی کف های اشغال شده زیرین برج را ادامه می دهد و به باریک شدن برج و ارتفاع کلی فرم ساختمان کمک می کند. انحنای ساختمان همچنین باعث می شود ارتفاع ظاهری و جرم ساختمان در هنگام مشاهده توسط عابران بلافاصله در زیر برج کاهش یابد.

در چارچوب بزرگتر افق آینده سانفرانسیسکو که با افزایش ارتفاعات ساختمان ها در منطقه TCDP ایجاد شده است، برج Salesforce بلندترین نقطه خواهد بود و اهمیت مرکز ترانزیت مجاور را نشان می دهد. ساخت و ساز در سال 2013 آغاز شد ، و همانطور که پیش بینی شده بود در سال 2017 اتمام یافت.

معیارهای جدید در ایمنی لرزه ای ساختمان های بلند مرتبه

با توجه به مقیاس برج Salesforce ، تعداد محاسبه شده ساکنان ساختمان به مراتب از آستانه آئین نامه ساختمان 5،000 نفر تجاوز خواهد کرد، و ملاحظات ساختمان را تحت اشغال [یا ریسک] گروه III قرار می دهد. ساختمانهای گروه III برای تقاضاهای باد و لرزه ای به ایمنی بیشتری احتیاج دارند ، بنابراین چالش های جدیدی را برای تیم مهندسی ایجاد می کند.

روشهای طراحی سازه ای معمول هنگام تلاش برای بهبود ایمنی و عملکرد لرزه ای ، رویکرد “مقاومت تقویت شده” را اتخاذ می کنند. این رویکرد با بکارگیری نیروهای لرزه ای تعریف شده توسط آئین نامه که توسط یک ضریب اهمیت (1.25 برای ساختمان های گروه III) تقویت شده است، آسان است، اما در صورت قرار گرفتن ساختمان در معرض یک لرزش شدید زمین، نمی تواند از عملکرد افزایش یافته ساختمان اطمینان یابد. در حقیقت ، در چارچوب فلسفه معمول طراحی لرزه ای انعطاف پذیری و جذب انرژی ، افزایش مقاومت ممکن است در واقع برای عملکرد ساختمان مضر باشد. ساختمان های قوی تر به جای جذب انرژی لرزش زمین در برابر نیروی بیشتری مقاومت می کنند. در مقاومت در برابر این نیروهای بالاتر ، تنش های برشی و تقاضای فونداسیون به سطوح نامطلوب افزایش می یابد و عملکرد ساختمان می تواند به خطر بیفتد. در عوض ، یک رویکرد دقیق طراحی لرزه ای مبتنی بر عملکرد (PBSD) برای کنترل و کمی سازی عملکرد مطلوب ساختمان در یک سطح پیشرفته در مقایسه با سایر ساختمانهای اداری تجاری اجرا شد. مهندس سازه این پروژه، Magnusson Klemencic Associates (MKA)، چندین دهه رهبری پروژه های طراحی لرزه ای در سانفرانسیسکو از جمله چندین برج مرتفع را بر عهده داشت. این شرکت همچنین منجر به توسعه و تصویب PBSD در ایالات متحده برای ساختمانهای مرتفع شد، روشی که ساختمان هایی با ایمنی بیشتر تولید می کند و از ساختمان هایی که به دنبال یک رویکرد تجویز شده مبتنی بر آئین نامه طراحی می شوند، قابل پیش بینی تر و قابل اطمینان تر است.

PBSD برای بررسی عملکرد ساختمان در طی چندین رویداد لرزه ای پیش بینی شده از مدل سازی پیچیده کامپیوتری تاریخچه زمانی لرزه ای غیرخطی استفاده می کند (در سال های اخیر به لطف پیشرفت های مربوط به ظرفیت محاسبات و برنامه های تحلیل کامپیوتری ساده برای کاربر عملی شده است). با PBSD ، مهندسان می توانند هندسه های پیچیده و منحصر به فرد یک ساختمان را مورد تحلیل قرار دهند و سپس دقیقاً استحکام و سختی مناسب را برای دستیابی به یک طراحی کارآمد که اهداف عملکرد مطلوب را به دست آورد ، اختصاص دهند. روش PBSD نه تنها هدف آئین نامه ساختمان را برآورده می کند بلکه صریحاً عملکرد پیش بینی شده ساختمان را تحت سناریوهای چند لرزش زمین در نظر می گیرد و کمی سازی می کند. این بررسی صریح رفتار ساختمان، که از طریق آنالیز تاریخچه زمانی غیرخطی انجام می شود، همراه با استفاده از استانداردهای عملکردی پیشرفته، ساختمانی ایمن تر و مطمئن تر ایجاد می کند.

شرکت MKA پیش از این پنج ساختمان بلند مرتبه PBSD را در سانفرانسیسکو طراحی کرده بود ، اما هیچکدام اهداف عملکردی سخت گیرانه تر از  گروه III را هدف قرار ندادند. از آنجا كه PBSD يك رويكرد نسبتاً جديد و پيچيده است، ادارات ساختمان نياز دارند كه چنين طرح هايي توسط يك گروه مهندسي دوم مورد ارزيابي قرار گيرند تا اينكه عملکرد ساختمان با محتوی آئین نامه مطابقت داشته باشد. این فرایند بررسی مجدد در درک، پیشرفت و پذیرش روش های PBSD در سراسر صنعت نقش مهمی داشته است ، زیرا محتوی تجویز شده آئین نامه با موفقیت به طرح های مبتنی بر عملکرد مصوب تبدیل می شود. پس از ارزیابی دقیق تر اهداف عملکردی تعریف شده در آئین نامه برای گروه  III، و ارزیابی این محتوی و کاربرد نسبت به روش PBSD ، تیم طراحی  احتمال فروریزش تحت حداکثر زلزله مورد نظر (MCE) را به 6% (از 10٪) کاهش دادند. این امر مطابق با تفسیر ASCE 7 مربوط به ساختمان های گروه III است.

همانطور که در تفسیر ASCE 7 بیان شده است، هدف عملکردی سازه های گروه  III  “کاهش خطر وارده به زندگی انسان در صورت شکست” است که بیشترین ارتباط را با عملکرد تعریف شده در آئین نامه جلوگیری از فروریزش در لرزش MCE  دارد. طراحی سازه برج Salesforce شامل معیارهای پذیرش سخت گیرانه تر برای لرزش MCE به عنوان اهداف عملکرد صریح، از جمله موارد زیر است:

• کاهش دریفت طبقه
• کاهش دوران تیرهای اتصال
• کاهش کرنش های کششی / فشاری در دیوار های برشی
• کاهش تقاضای برشی در دیوار های برشی
• معیار پذیرش ریسک گروه II به طور معمول با اعمال ضریب 0.8 اصلاح می شود تا دقیق تر باشد.

جزئیات معیارهای پذیرش مورد استفاده برای طراحی برج Salesforce در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1.  معیارهای پذیرش سطح MCE برای برج Salesforce.

سیستم سازه ای دارای یک سیستم مقاومت در برابر بار ثقلی با ستون های سازه ای فولادی و قاب طبقه ای که از عرشه کامپوزیت فولادی پشتیبانی می کند. سیستم مقاوم در برابر بار لرزه ای ساختمان شامل دیوارهای برشی بتن مسلح ویژه ، با ضخامت 24 تا 48 اینچ ، در هسته مرکزی آسانسور و راه پله می باشد. از آنجا که عناصر قائم سیستم مقاوم در برابر زلزله برج فقط دیوارهای برشی را شامل می شود (شکل 3)، از دفترچه راهنمای شهر سانفرانسیسکو 083 (AB-083) ، الزامات و دستورالعمل های طراحی لرزه ای ساختمان های بلند مرتبه جدید با استفاده از روشهای طراحی لرزه ای غیر تجویزی، استفاده شده است. علاوه بر مقررات فنی، AB-083 خواستار بررسی طراحی سازه توسط هیئت متخصصان مستقل بود. این هیئت چهار نفره که برای بررسی دقیق تحلیل و طراحی برج Salesforce تشکیل شده بود، شامل دو مهندس با تجربه، یک استاد پژوهشگر و یک کارشناس حرکت زمین لرزه ای / ژئوتکنیکی بود.

اگرچه شرایط بار باد برای ساختمان ناچیز نیست ، اما آزمایش تونل باد تأیید کرد که سطح تقاضا کمتر از تقاضای لرزه ای است ، و استانداردهای آسایش سرنشینان مطابق با استانداردهای بین المللی رعایت می شود. طراحی جانبی برج Salesforce با شرایط بار لرزه ای برای سه سطح زمین لرزه استخراج شده است:

• عملکرد الاستیک جهت لرزش در سطح بهره برداری (با دوره بازگشت متوسط 43 سال)
• آسیب سازه ای متوسط مورد انتظار برای لرزش در سطح طراحی ( به عنوان دو سوم لرزش MCE تعریف شده طبق آئین نامه)
• جلوگیری از فروریزش، برای لرزش MCE

تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی مورد استفاده برای تأیید پاسخ سازه به لرزش  MCE ، دو مجموعه با 11 جفت تاریخچه زمانی شتاب را به کار گرفت. دو مجموعه از حرکات زمین با در نظر گرفتن یک رویکرد طیف متوسط شرطی توسعه داده شد، و مودهای های اول و دوم ارتعاش برج را هدف قرار داد. با توجه به اهمیت پاسخ مود دوم ارتعاش برج، به نظر می‌رسید این رویکرد با دقت بیشتر و مناسب تری طراحی ساختمان را محک بزند. این مجموعه با انجام تحلیل سه بعدی غیرخطی با استفاده از حرکات سنگ ورودی که برای انطباق با طیف متوسط شرطی انتخاب و مقیاس شده اند، برای محدوده زمان تناوب مورد نظر از حدود 0.5 ثانیه تا 9.0 ثانیه توسعه یافت. یک مجموعه به نمایندگی از حرکات با تناوب بلند انتخاب شده بود که 8 حرکت از 11 حرکت آن شامل اثرات پالس گونه است. مجموعه دیگر برای نشان دادن حرکات با تناوب کوتاه تر انتخاب شده بود، که برای آن 2 حرکت از 11 حرکت شامل اثرات پالس گونه است. توجه به نزدیکی سایت به گسل سان آندریاس ، اثرات پالس گونه برای این ساختمان از اهمیت ویژه ای برخوردار بودند. تاریخچه شتاب حاصل، در تراز فونداسیون به جای سطح زمین در نظر گرفته شده است، و شامل اثرات اندرکنش خاک -سازه سینماتیک به دلیل جاسازی دال پایه است. برای هر مجموعه حرکات زمین از یک ضریب مقیاس استفاده شده است به طوری که طیف پاسخ خطی مربوطه الزامات آئین نامه ساختمان را برآورده کند.

شکل 4. تأیید عملکرد بهبود یافته برج Salesforce

نتایج این 22 شبیه سازی زلزله مورد ارزیابی قرار گرفت و با معیارهای پذیرش هدف مقایسه شد. در مواردی که سطح تقاضای پیش بینی شده از معیارهای پذیرش فراتر رود ، اصلاحات طراحی انجام شد. به طور خاص ، ضخامت دیواره هسته برای کاهش و کنترل تقاضای برشی در محدوده قابل قبول در پایه برج و محل استقرار هسته در سطح 50 تنظیم شده است. در نهایت ، نشان داده شد که تمام معیارهای پذیرش حاصل شده است، و عملکرد بهبود یافته ساختمان تأیید شده است. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، دریفت های طبقه و  دوران تیر اتصال به طور معمول در حد قابل قبول قرار می گیرند ، تقاضای برشی دیوارها همچنان الاستیک باقی می مانند ، و کرنش های دیوارهای قائم کاملاً معتدل هستند و تنها دارای تسلیم محدود  پیش بینی شده می باشند.

عمیق ترین فونداسیون های سانفرانسیسکو

ساختگاه برج Salesforce با اقشار پیچیده ای از خاک شامل شن، ماسه و “رس قدیمی خلیج سانفرانسیسکو” و بسترسنگی ضعیف زیرین پوشیده شده است. شرایط ژئوتکنیکی در معرض پتانسیل روانگرایی ، گسترش جانبی ، نشست بیش از حد و پشتیبانی ناکافی از فونداسیون است. با توجه به خاک های ضعیف و وزن بی نظیر برج Salesforce ، پشتیبانی از ساختمان بر روی هر چیزی به جز بسترسنگی امکان پذیر نبود. بارگذاری ثقلی و تقاضای واژگونی در تراز فونداسیون ناشی از لرزش MCE  راه حل استفاده از پی گسترده همراه با با شمع را ارائه می کند.

دو سیستم فونداسیون در طول فرایند طراحی در نظر گرفته شده اند: شفت های حفر شده به قطر 8 فوت و المان های تحمل بار 5 در 10.5 فوت (LBEs). از آنجا که عمق سنگ از سطح موجود تقریباً 250 فوت بود و ورود به داخل سنگ به حفاری با عمق بیشتری احتیاج دارد، محدودیت تجهیزات حفاری موجود برای یک فونداسیون شفت حفاری شده آزمایش می شود. فونداسیون های جایگزین LBE، یا فونداسیون های “بارت” ، مشمول این محدودیت های عمق نبودند و در نهایت ، سیستم فونداسیون LBE به عنوان مناسب ترین راه حل برای پروژه انتخاب شد.

شکل 5. جزئیات میلگرد LBE تیپ

تحلیل گسترده ای از LBE ها ، با توجه به تقاضای لرزه ای شدید ، انجام شد. جزئیات آرماتوربندی برای مقاومت در برابر تنش های کششی، خمشی و برشی بالا که توسط زمین لرزه  MCE به LBE ها تحمیل شده، وارد شده است. آرماتور بندی محصور شدگی همچنین در مناطق فوقانی LBE که تقاضای فشاری بالاترین بود مشخص شد (شکل 5). از آنجا که این اولین باری بود که از LBE برای تکیه گاه یک ساختمان بلند در سان فرانسیسکو استفاده می شد ، یک بررسی گسترده توسط پانل بررسی غیر وابسته انجام شد. همچنین ، دو تست با مقیاس کامل سلول های بار اوستبرگ انجام شد تا تأیید کند که پارامترهای طراحی برای اصطکاک سطح LBE ها مناسب است. از طریق این برنامه آزمایش تأیید شد که مقادیر اصطکاک سطحی به دلیل ایجاد بقایای بنتونیت در دیواره های جانبی شفت ها، به زمان حساس است (همانطور که انتظار می رود)، و برای نصب کلی نیاز به محدودیت زمانی دارد.

نصب سیستم فونداسیون ابتدا شامل ساخت دیوارهای راهنما برای کنترل محل و گودبرداری LBE ها می باشد. گودبرداری سپس با استفاده از یک سیستم ترکیبی برای حفاری شن و ماسه و خاک رس  و استفاده از هیدروفریز در هنگام مواجهه با مواد سنگی متراکم انجام شد. با استفاده از سیستم بازیافت کننده دوغاب بنتونیت، پایداری گودبرداری در طول فرآیند حفظ شد. پس از اتمام گودبرداری، گیج های مسلح  فولادی پیش ساخته به طول کامل، درون حفره های پر از بنتونیت فرو رفتند و بتن با استفاده از لوله های دوتایی ریخته شد. یک سیستم مهاربندی داخلی موقت برای حمایت از حفاری باز با توجه به محدودیت حفاری همزمان باز در مرکز حمل و نقل transbay مجاور، که توانایی تجهیزات سنگین برای کار در پایین حفره ها را محدود می کند، مورد نیاز است. به این ترتیب، بتن ریزی در LBE ها در تراز فونداسیون گسترده آینده ادامه یافت، و بقیه شفت برای سهولت در حفاری های بعدی با مخلوط سبک پر شد.

شکل 6. سیستم فونداسیون LBE.

پیکربندی  نهایی فونداسیون برج Salesforce شامل 42 عدد LBE است که توسط یک فونداسیون گسترده ضخیم به منظور ایجاد سازگاری به هم پیوسته اند (شکل 6). ضخامت فونداسیون گسترده  از 14فوت در هسته تا 5 فوت در محیط متفاوت است. LBE ها به بسترسنگی زیر بنایی گسترش می یابند، برخی از آنها به بیش از 310 فوت پایین تر از سطح موجود و دارای حفره های سنگی تا 70 فوت می رسند. طراحی و ساخت این سیستم فونداسیون استانداردهای جدیدی را برای پشتیبانی از ساختمان های بلند در شرایط ژئوتکنیکی و لرزه ای خاص سانفرانسیسکو تعیین کرده است.

تحلیل بی سابقه اندرکنش سازه-خاک-سازه (SSSI)

به عنوان شرط توافقنامه خرید سایت برج Towerforce ، سازمان نیروهای مشترک Transbay مستلزم است که اثبات کند که برج توسعه یافته برای این سایت و همچنین با در نظر گرفتن تعامل آن با ساختمان های اطراف، تأثیر منفی بر مركز حمل و نقل  جدید به ویژه در هنگام تكان شدید زمین در یک درویداد MCE نخواهد گذاشت.

تحلیل بی سابقه سازه-خاک- سازه (SSSI) برای بررسی و تأیید عملکرد برج Towerforce و تأثیرات آن بر روی مرکز حمل و نقل مجاور انجام شد. تیم مهندسی سازه MKA و تیم مهندسی ژئوتکنیک در آروپ برای ارزیابی عملکرد اندرکنشی برج Salesforce ، مرکز حمل و نقل Transbay و  برج بلند مرتبه مجاور ، تحلیل های سه بعدی و غیرخطی SSSI انجام دادند. این ارزیابی بسیار پیچیده شامل مدل های کامپیوتری غیرخطی گسترده ای است که در نرم افزارهای CSI-Perform و LS-DYNA توسعه یافته و حرکات چندین زمین لرزه را در نظر گرفته است. نتایج این تحلیل ها عملکرد رضایتبخش برج Salesforce و مرکز حمل و نقل  Transbay را تأیید می کند. جزئیات و نتایج این تحلیل در نهایت توسط مهندس مربوطه برای مرکز حمل و نقل Transbay بررسی و تایید شد. این نخستین باری بود که تأثیرات احتمالی یک ساختمان بر روی ساختمان مجاور در هنگام لرزش زمین شدید لرزه ای در نظر گرفته شده بود.

شکل 7. برج Salesforce اخیراً در صدر قرار دارد.

علاوه بر ارتفاع ، طراحی و ساخت برج Salesforce ، معیارهای جدیدی را برای ایمنی لرزه ای ، ساخت فونداسیون و اندرکنش سازه- خاک-سازه تعیین کرده است. با وجود بسیاری از برج های جدید که در سان فرانسیسکو و سایر شهرهای  لرزه خیز طراحی شده اند ، جزئیات طراحی برج Salesforce به راهنمایی و اطلاع رسانی در مورد پیشرفت های آینده در ایمنی و عملکرد ساختمان های بلند مرتبه کمک خواهد کرد … و خط افق سان فرانسیسکو را برای همیشه تغییر می دهد (شکل 7).