بالا رفتن در آسمان: اصول و چالشها

آسمان خراش ها، به عنوان نماد عصر مدرن، نمایشگاه آخرین پیشرفت های مهندسی هستند. در قرن بیست و یکم هر شهر بزرگی در دنیا، برای اینکه نشان دهد از قافله صنعت عقب نمانده و برای اینکه نمادی برای شهرش درست کند، یکی از این برج های بلند را می‌سازد . بشر از دیر باز به ساختن بناهای بزرگ علاقه داشته. تاریخ معماری بشر رقابتی طولانی برای ساختن ساختمان های بزرگ تر بوده است. اهرام مصر، برج افسانه ای بابل، طاق های بلند مسجدها و کلیساها نشان دهنده تلاش بشر برای غیرانسانی کردن ابعاد بناها است. شاید می‌خواسته اند این گونه به آسمان نزدیک تر شوند. اما مساله ارتفاع بنا همواره محدودیتی جدی بوده. جاذبه زمین اولین مشکلی بود که بشر را به زمین می‌چسباند. برای ساختن بنایی بلند باید دیواری کلفت می‌ساختند. و اگر ساختمان آنقدر مانند اهرام مصر بلند می‌شد دیوارها آنقدر کلفت می‌شدند که عملا در طبقات پایین جای خالی نمی ماند.
تا قرن نوزدهم ساختمانی که بیش از شش طبقه داشته باشد وجود نداشت. مردم باید همه طبقات را پیاده می‌رفتند و فشار آب بیش از پانزده متر از سطح زمین نمی رسید. در قرن نوزدهم با تولید فولاد و بتن مسلح صنعت ساختمان پیشرفت چشمگیری کرد و اولین ساختمان های بلند متولد شدند. دیوارها با تیرهای آهن محکم می‌شدند و می‌توانستند بی آن که کلفت باشند وزن زیادی را روئ ستون‌ها یشان تحمل کنند. اختراع آسانسور این امکان را به کارگران داد که به راحتی در طبقات بالاتر کار کنند . پمپ آب و الکتریسیته زندگی در طبقات بالاتر را ممکن کرد.
اولین ساختمان بزرگی که به روش ستون های عمودی و تیرهای افقی ساخته شد، ساختمان ۱۰ طبقه بیمه منازل در شیکاگو بود. ما این گونه ساختمان با وجود پنجره های زیاد اتاق‌ها تنگ و تاریک به نظر می‌رسیدند. شهرها در قرن بیستم مرکز توجه شدند. فضاهای شهری گران شدند و شرکت‌ها همه دوست داشتند در این بازاری که در مرکز شهرهای بزرگ برپا شده جایی داشته باشند. مهندسان چاره را مخصوصا در شهرهای شلوغ رفتن به سوی آسمان و گسترش عمودی دیدند.
آسمان خراش در اواخر سال های ۱۹۲۰ در آمریکا به دنیا آمد. سه معمار نیویورک مسابقه ساختن بلندترین ساختمان دنیا را شروع کردند و نتیجه کار آنها ساختمان های امپایر استیت، ساختمان کرایسلر و برج بانک منهتن بود. ساختمان امپایر استیت مدت‌ها رکورد بلندترین ساختمان نیویورک را داشت تا برج تجارت جهانی ساخته شد. شیکاگو با ساختن برج سیرز این رکورد را از نیویورک بیرون آورد. در سال های ۱۹۹۰ رکورد ساختمان های بلند برای مدتی طولانی آمریکا را به مقصد آسیا ترک کرد. کشورهایی مانند چین و مالزی برای اعلام اینکه آمده اند تا نقش بیشتری را در اقتصاد جهانی بازی کنند ساختن یک ساختمان بلند را بهترین راه برای اعلام حضور دیدند. در سال ۱۹۹۶ برج های دوقلوی پتروناس در کوالالامپور مالزی ساخته شدند که از برج سیرز شیکاگو بلندتر بودند. و چین رکورد دار امروزی بلندترین ساختمان دنیا است.
مهم ترین قسمت آسمان خراش اسکلت فولادی آن است. تیرهای آهنی به هم وصل می‌شوند تا ستون های بلند عمودی را بسازند که از زمین تا بالاترین طبقه ساختمان می‌رود. در هر طبقه به این ستون‌ها تیرهایی افقی وصل می‌شوند که در واقع کف هر طبقه را می‌سازد. در اغلب ساختمان‌ها تیرهای ضرب دری نیز برای استحکام بیشتر کار گذاشته می‌شود. در این شبکه سه بعدی فولادی تمام وزن ساختمان را ستون‌ها تحمل می‌کنند. ستون‌ها باید بر نیرویی که جاذبه زمین به کل ساختمان وارد می‌کند غلبه کنند. هر ستون روی یک صفحه آهنی قرار دارد. صفحه آهنی روی تیرهای فولادی گذاشته می‌شود. این تیرها به صورت هرم چیده می‌شوند و هر چه وزنی که قرار است ستون‌ها تحمل کنند بیشتر باشد گسترش این هرم های کوچک زیر ستون‌ها در زیر ساختمان بیشتر است. تمام اینها روی یک لایه بتن قرار داده می‌شوند و رویشان هم بتن ریخته می‌شود. در بعضی ساحتمان‌ها ستون های بلند بتنی تا لایه سنگی زمین ریشه می‌دوانند.
یک فایده مهم اسکلت فولادی این است که روی دیوارها وزنی نمی افتد. این به معماران اجازه می‌دهد تا هر چقدر می‌خواهند فضای داخل را بزرگ تر کنند.
پایه آسمان خراش به وسیله یک زیرساختار زیرزمینی تقویت می‌شود.
ستون های عمودی وزن آسمان خراش را بر دوش می‌کشند.
برای جداکردن طبقات تیرهای افقی فولادی بین ستون های عمودی کشیده می‌شوند.
دیوار پرده ای شیشه و بتن به بیرون ساختمان نصب می‌شود.
● ساختمان هایی مقاوم تر
با بلندتر شدن آسمان خراش‌ها علاوه بر نیروی جاذبه دشمن جدیدی به نام باد خود را نشان داد. اغلب آسمان خراش های امروزی می‌توانند به راحتی چند متر در برابر باد این طرف و آن طرف خم شوند بی آنکه برایشان مشکلی پیش بیاید. ساده ترین روش برای مقابله با باد این است که اتصالات تیرها و ستون های آسما ن خراش آنقدر محکم باشد که کل ساختمان مانند یک واحد یک میله در برابر باد بایستد و یا حتی خم شود. روش دیگر آن است که یک قسمت ساختمان را مانند چاه آسانسور آنقدر با بتن سنگین و تقویت کنند که ساختمان در برابر باد اصلا تکان نخورد. روش های پیشرفته تری هم برای مواجهه با نیروی باد وجود دارد. یک سیستم کامپیوتری نیروی باد را در تمام ساختمان محاسبه می‌کند. پمپ های هیدرولیک وزنه بسیار سنگینی را در ساختمان طوری به حرکت در می‌آورند که مرکز ثقل ساختمان جا به جا شود و نیروی باد خنثی شود.
ساختمان به زمین نیرو وارد می‌کند و زمین هم همانقدر به آن فشار می‌آورد.
وقتی باد می‌آید ساختمان در جهت باد خم می‌شود. ستون های نزدیک به باد کشیده و ستون های دیگر جمع می‌شوند.
با کار گذاشتن شبکه تیرها و ستون‌ها در مرکز ساختمان هسته مقاومی به وجود می‌آید که ساختمان را در برابر باد محافظت می‌کند.
در ساختمان های جدیدتر مانند برج سیرز در شیکاگو مهندسان ستون‌ها را به محیط ساختمان بردند و ساختمان توخالی مقاوم در برابر باد ساختند که بسیار سبک تر از دیگر ساختمان‌ها بود.
فقط مساله هرچه بلندتر کردن ساختمان مهم نیست. راحتی آدم هایی هم که در این ساختمان‌ها کار و زندگی می‌کردند مهم بودند.اولین روی دشوار سکه آسمان خراش آسانسور است. تصور بالارفتن بیش از ۵ طبقه آدم را خسته می‌کند. در بیش تر ساختمان های بلند چاه آسانسور از اواین اجزای مهم ساختمان است. مساله آسانسورها یک مشکل منطقی هم دارد . هرچه ساختمان بلندتر شود تعداد آدم های استفاده کننده از آن بیشتر می‌شود و باید تعداد آسانسورها بیشتر شود . از طرف دیگر آسانسورها و چاه شان جای نسبتا زیادی می‌گیرند. یک راه حل می‌تواند آسانسورهایی باشد که مثلا برود و از آنجا سوار آسانسوری شود که بیست تا سی را می‌روند.
چه محدودیتی در بلند مرتبه سازی وجود دارد؟ در واقع تنها مرز ممکن دامنه تخیل و خلاقیت معماران است .
مهندسان می‌گویند که محدودیت در بودجه است نه تکنولوژی. می‌گویند با همین تکنولوژی موجود در آینده می‌توان ساختمان های بسیار بلندی با ارتفاع ۱.۵ کیلومتر را شاهد بود. شاید در آینده شهرهایی را بالای ابرها ببینیم.
برای اینکه تمام آنچه گفتیم را خودتان امتحان کنید، راه حل ساده ای وجود دارد! ما چهار آزمایشگاه داریم که اثر چهار عامل مهم را به شما نشان می‌دهد: نیرو ، بار، جنس و شکل ساختمان
دست به کار شوید تا مهندسهای خوبی از آب در بیایید.

علی فارسی نژاد

منبع : تبیان