در طرح لوله‌ای فرض می‌شود که عناصر سازه‌ای پیرامون ساختمان در مقابل بارهای جانبی همچون یک تیر با مقطع صندوقه‌ای عمل کند. فرض می‌شود که این تیر به صورت طره‌ای که از زمین خارج می‌شود اجرا شده است. در این سیستم چون دیوارهای خارجی تمام یا بیشتر بار جانبی را تحمل می‌کنند، مهار بندی‌های قطری یا دیوارهای برشی داخلی حذف می‌شوند.
دیوارهای لوله از ستون‌هایی تشکیل می‌شوند که به فواصل کم در مجاورت یکدیگر در اطراف محیط ساختمان قرار می‌گیرند و با تیرهای با عمق زیاد به یکدیگر متصل می‌شوند. این سازه نمایی همچون دیواری با سوراخ‌های متعدد به نظر می‌رسد. سختی دیوار نما را می‌توان با افزودن مهار بندی‌های مورب (قطری) که اثر خر پا مانند ایجاد می‌کنند افزایش داد. صلبیت لوله چنان زیاد است که در مقابل بارهای جانبی به صورت یک تیر طره‌ای عمل می‌کند. لوله خارجی می‌تواند به تنهایی تمام بارهای جانبی را تحمل کند.
سيستم لوله‌ای دارای چنان قابليتی است كه در بسياری از موارد، مقدار مصالح سازه‌ای مورد استفاده در اين سيستم به نسبت ساختمان‌های با سيستم قاب مدولار، به نصف تقليل می‌يابد.
خصوصیات سیستم لوله‌ای
سیستم قابهای خمشی برای ساختمان‌های بلند مرتبه گزینه مناسبی نیست زیرا تامین سختی جانبی مورد نیاز چنین ساختمان‌هایی تقریبا غیر ممکن است. اولین بار ایده سیستم لوله‌ای با استفاده از یکپارچه کردن عملکرد دیوارهای پیرامونی ساختمان مطرح شد. در حال حاضر اغلب ساختمان‌های بیشتر از ۴۰ طبقه با بکارگیری گونه‌ای از سیستم‌های لوله‌ای ساخته می‌شود.
ماهیت این سیستم‌ها دارای سختی بسیار بالایی است که نسبت به سایر سیستم‌های متداول دارای چندین مزیت است. سیستم لوله‌ای از طرفی مقاومت و سختی سازه را بالا برده و از طرفی دیگر با کاهش چشمگیر مقدار وزن مصالح مصرفی، افزایش ارتفاع ساختمان را مقدور می‌سازد. سیستم لوله‌ای از طریق حذف ستون‌های میانی، باعث افزایش وسعت فضاهای داخلی شده. این سیستم همچنین با بکارگیری مصالح فولادی، بتنی و ترکیبی از آن دو نیز قابل اجرا می‌باشد. در ادامه انواع این سیستم‌ها بصورت اجمالی معرفی می‌گردد.
يكی از سيستم‌های مقاوم در ساختمان‌های بلند سيستم لوله‌ای است. به طور كلی اين سيستم تركيبی از ستون‌های نزديك به هم و تيرهای عميق است كه در محيط پيرامونی ساختمان قرار گرفته‌اند. رفتار سيستم لوله‌ای تحت اثر بارهای جانبی مانند خمش يك طره توخالی است كه در اثر آن تارهای سمت مخالف نيروهای جانبی كوتاه شده و تارهای سمت نيروی جانبی طويل می‌شود. اين سيستم سختی جانبی و مقاومت پيچشی بالايی دارد ولی به علت توزيع غير يكنواخت نيرو در ستون‌های بال (عمود بر بار جانبی) لنگی برش خواهد داشت. اثرات لنگی برشی در لوله‌های قابی، استفاده از حداكثر ظرفيت سختی و مقاومت سازه را محدود كرده و لنگر مقاوم و صلبيت خمشی را كاهش می‌دهد.
معایب سیستم لوله‌ای
سيستم قاب لوله شامل ستون‌هایی به فواصل ۲ تا ۴ متر هستند که توسط شاه‌تيرهایی عميق به يکديگر متصل می‌شوند. به دليل تشابه عملکرد سازههای لوله‌ای به تير طره اين سازه‌ها را به تير طره با اثر بالای المان‌های بال سازه در رفتار سازه تشبيه می‌کنند. يکی از مشکلات اصلی سازههای لوله‌ای (لوله در لوله) توزيع غير يکنواخت نيروی محوری بين ستون‌ها هنگام اعمال نيروی جانبی به سازه است. اين پديده لنگی برش ناميده می‌شود که به صورت لنگی برش مثبت و منفی در سازههای قاب لوله اتفاق می‌افتد. سيستم سازه‌ای لوله در لوله تشکيل شده است از يک لوله خارجی و يک لوله داخلی (هسته) که به يکديگر متصل شده‌اند و با هدف نشان دادن عکس العمل هماهنگ بين قاب خارجی و قاب داخلی طراحی می‌شوند. در طراحی اين سيستم لوله خارجی معمولاً عريض در نظر گرفته می‌شود و وظيفه تحمل بارهای جانبی را بر عهده دارد. به بيان ديگر هسته داخلی باريک بوده و وظيفه تحمل بارهای برشی ناشی از بار جانبی را بر عهده دارد. کاربرد اين سيستم در مواردی است که بازشوهای بزرگ در قاب خارجی داشته باشيم. در اين سيستم سقف صلب سازه نيروهای برشی جانبی را به قاب يا هسته داخلی منتقل می‌کند. هسته داخلی می‌تواند مجموعه‌ای از تير و ستون با بتن مسلح و يا ديوارهای برشی باشد که جايگاه قرارگيری آسانسور، پله و تاسيسات يک سازه است.
کاربرد سیستم لوله‌ای
يكنواختی اين سيستم سازه‌ای امكان استفاده از روش‌های پيشرفته در ساخت و ساز را فراهم آورده است. در سازههای فولادی، قابهای محيطی را می‌توان به صورت قطعات بزرگ در كارخانه ساخت و پس از حمل به محل، به يكديگر وصل نمود. در سازههای بتن آرمه نیز استفاده از قالب‌های لغزنده، سرعت اجرا را افزایش می‌دهد. از آنجا كه ستون‌های نزديك به هم در این سیستم باعث می‌شود که در طبقات پايين، فضاهای عمومي بزرگی در دسترس نباشد. برای رفع این مشکل از شاه‌تيرهای انتقالی برای جمع كردن بارهای قائم استفاده می‌کنند. با استفاده از این شاه‌تیرها، در پای سازه تعداد ستون‌ها کاهش یافته و فاصله آنها افزایش می‌یابد و به این وسیله مشكل دسترسی به فضاهای بزرگ حل می‌شود.
تحمل تمامی بارهای جانبی توسط قابهای محيطی باعث ايجاد فضاهای داخلی بيشتر شده و از نظر معماری داخلی، آزادی عمل بيشتری بوجود می‌آيد. به عنوان مثال يك هسته مركزی با دهانه بزرگ بين قاب محيطی و هسته، فضاهای باز بسيار بزرگی ايجاد خواهند كرد كه برای ساختمان‌های اداری و تجاری بسيار مفيد خواهد بود.
پدیده لنگی برشی در سیستم لوله‌ای
پديده لنگي برشی در سازههای با سيستم لوله‌ای در اثر تغيير مكان قائم ناهمگون ستون‌های واقع بر بال سازه بوجود می‌آيد. هر ستون داخلی نسبت به ستون خارجی سمت خود، تغيير شكل و تنش كمتری خواهد داشت. چون لنگر اعمالی خارجی بايد توسط كوپل داخلی ناشی از نيروهای كششی و فشاری دو سمت مخالف محور خنثی ساختمان تحمل شود، تنش‌های ستون‌های گوشه‌ای بيشتر از تنش‌های ناشی از رفتار خالص لوله‌ای خواهد بود و تنش‌های ستون‌های ميانی كمتر از آن است و توزيع تنش محوری از حالت خطی (ايده آل) دور می‌شود.
هر چند سازه لوله‌ای، قوطی مانند است اما رفتاری بسيار پيچيده‌تر از رفتار يك قوطی ساده بدون سوراخ دارد و سختی آن نيز بسيار كمتر است. زمانی كه سازه در اثر نيروهای جانبی تحت خمش قرار می‌گيرد، مود اوليه رفتاری آن مشابه رفتار قوطی طره قائم بوده و ستون‌های دو وجه مخالف محور خنثی، به صورت كششی و فشاری عمل می‌كنند. علاوه بر آن، قابهای موازی که در برابر بار جانبی مقاومت می‌کنند، شبيه يك قاب صلب تحت تاثير خمش در صفحه و رفتار برشی قرار می‌گيرند. از طرفی انعطاف پذيری تيرهای كناری باعث ايجاد لنگی برش و افزايش تنش در ستون‌های گوشه‌ای می‌شود که این امر نیز منجر به كاهش تنش در ستون‌های ميان پانل‌های بال و جان می‌شود، در نهایت تمامی این اثرات رفتار اوليه این سیستم را پيچيده تر می‌سازد.
اين نوع رفتار ممكن است در هنگام عملكرد سازه در برابر نيروهای جانبی مزيت به شمار آيد. شایان ذکر است که مقاومت اوليه سازه نیز توسط پانل‌های جان تامين می‌شود.
توزیع تنش در پدیده لنگی برشی
هر ستون داخلی نسبت به ستون خارجی سمت خود، تغییر شكل و تنش كمتری خواهد داشت. در سیستم لوله‌ای لنگر اعمالی خارجی باید توسط كوپل داخلی ناشی از نیروهای كششی و فشاری دو سمت مخالف محور خنثی تحمل شود. تنش‌های ستون‌های گوشه‌ای بیشتر از تنش‌های ناشی از رفتار خالص لوله‌ای خواهد بود و تنش‌های ستون‌های میانی كمتر از آن است.
به دلیل اینكه توزیع تنش در ستون‌ها كم اثرتر از حالت لوله‌ای خالص است، لنگر مقاوم و صلبیت خمشی سیستم كاهش می‌یابد. بنابراین گرچه یك قاب محیطی مهاربندی نشده یك فرم سازه‌ای بسیار موثر برای ساختمان بلند است ولی اثرات لنگی برش در قابهای محیطی، استفاده از حداكثر ظرفیت سختی و مقاومت سازه را محدود می‌سازد. به دلیل مسطح باقی نماندن سطوح مقطع سازه پس از ایجاد لنگی برش، تاوههای كف تحت اثر خمش قرار می‌گیرند. در نتیجه، جداكننده‌های داخلی و اجزای درجه دوم سازه‌ای تغییر شكل خواهند یافت و این تغییر شكل‌ها در ارتفاع ساختمان با یكدیگر جمع شده و مقدار قابل ملاحظه‌ای را تشكیل خواهند داد. بنابراین برای طرح مناسب و قابل قبول، لازم است كه رفتار سازه‌ای تحلیل سازههای لوله‌ای
در تحلیل معمولاً فرض می‌شود كه سختی تاوههای كف به اندازه‌ای زیاد است كه به صورت دیافراگم‌های صلب عمل می‌كنند. در نتیجه شكل سطوح مقاطع در هر طبقه تغییر نكرده و فقط تغییر مكانی مانند جسم صلب خواهند داشت. بنابراین می‌توان تمامی تغییر مكان‌های افقی را بر حسب دو انتقال متعامد و یك چرخش تعریف نمود. علاوه بر موارد ذكر شده، فرض می‌شود كه سختی خارج از صفحه تاوههای كف به اندازه‌ای كم است كه قادر به تحمل خمش یا چرخش نخواهند بود. فرض می‌شود كه سیستم كف قادر به اعمال كوپل بین قابهای عمود بر جهت بارگذاری جانبی كه به عنوان بال‌های قابهای كناری در نظر گرفته می‌شوند، نیست. بنابراین قابهای كناری و قابهای عمود بر آنها تحت اثر نیروهای صفحه‌ای زیادی قرار می‌گیرند ولی نیروهای خارج از صفحه قابل چشم پوشی هستند. هنگامی كه ساختمان تحت اثر نیروهای جانبی قرار می‌گیرد، عمل اصلی سیستم كف، انتقال نیروهای افقی به اجزای سازه‌ای قائم است. چون سیستم كف به طریق دیگری در تحمل بارهای جانبی سازه دخالت ندارد و با در نظر گرفتن این كه بارگذاری طبقات در ارتفاع ثابت است، طراحی و اجرای تكراری طبقات بازدهی اقتصادی خواهد داشت.
انواع سیستم‌های لوله‌ای
سیستم‌های باربر لوله‌ای را در انواع قاب‌بندی لوله‌ای، خرپای لوله‌ای و لوله‌ای بسته تعریف می‌شود.
سیستم باربر جانبی قاب‌بندی لوله‌ای (Framed Tube)
این سیستم بصورت قابهای فضایی از ترکیب سه، چهار یا چند قاب صفحه‌ای به حالت خمشی، بادبندی یا دیوار برشی به یکدیگر هستند که فرم یک استوانه عمودی را ایجاد می‌کند. بدین صورت سیستم عملکردی طره‌ای در تمامی جهات در برابر بارهای جانبی ایجاد خواهد شد. در این سیستم ستون‌ها پیرامونی به هم نزدیکتر شده و توسط تیرهای عمیق اسپندرال با اتصال گیردار به هم مرتبط می‌شود. همچنین فاصله بین قابهای خارجی و داخلی ساختمان توسط تیرهای خرپایی یا عمیق پوشش داده می‌شود که این عمل منتج به بی‌نیازی سازه به ستون‌های داخلی شده و همچنین هسته ساختمان توسط بادبند یا دیوار برشی اشغال نمی‌شود.
سایر فضاهای بین ستون‌های پیرامونی به پنجره‌ها اختصاص می‌یابد. در این سیستم قابهای داخلی که تنها وظیفه انتقال بارهای ثقلی را دارند، با پیوند به سیستم لوله‌ای و نگه داشتن آن، مانع از واژگونی کل ساختمان می‌شود.
سیستم باربر جانبی خرپای لوله‌ای (Trussed Tube)
در این سیستم نیز به واسطه المان‌های ضربدری که ستون‌های پیرامونی ساختمان را مانند کمربند محصور نموده، تمام نیروی جانبی به ستون‌های پیرامونی انتقال یافته که موجب کاهش تعداد و مقطع ستون‌های داخلی می‌شود. استفاده از چنین سیستمی برای اولین بار در طراحی برج جان هنکاک بکار گرفته شد. جالب اینجاست که نمای ایجاد شده توسط این سیستم با المان‌های غول‌آسای خود همواره مورد تمجید معماران دنیا قرار گرفته است.
سیستم باربر جانبی بسته لوله‌ای (Bundle Tube)
یک دیگر از جالب‌ترین و موثرترین سیستم‌های لوله‌ای که توسط رحمان خان معرفی شد، سیستم بسته لوله‌ای بوده که در طرح و اجرای برج سییرز بکار گرفته شده است. در این نوع سیستم دیگر لازم نیست که سیستم لوله‌ای، جعبه‌ای شکل باشد بلکه در این حالت چندین سیستم لوله‌ای با اشکال متفاوت می‌توانند با هم ترکیب شوند.سیستم به دقت مطالعه و شناخته شود.
