تصاویر؛ برج خلیفه نباید سرپا می‌ماند؛ راز مهندسی شاهکاری که قوانین فیزیک را به چالش کشید

در فضای داخلی برج خلیفه، بیش از هزار اثر هنری از هنرمندان برجسته، به‌ویژه از منطقه‌ی خاورمیانه، به نمایش گذاشته شده که یکی از شاخص‌ترین آن‌ها، اثر «صدای جهان» (World Voices) از ژائومه پلانسا است؛ چیدمانی شنیدنی و دیدنی که در آن، قطرات آب با برخورد به سنج‌های فلزی، نوایی آرام و هماهنگ خلق می‌کنند

برج خلیفه از رطوبت موجود در هوای گرم دبی استفاده می‌کند. سیستم تهویه، بخار آب را از هوا می‌گیرد و به‌صورت قطرات مایع جمع‌آوری می‌کند. این آب، به‌جای هدر رفتن، ذخیره و سالانه بیش از ۵۶ میلیون لیتر آن صرف آبیاری فضای سبز و تغذیه‌ی فواره‌های اطراف برج می‌شود.

برج خلیفه در کنار بزرگ‌ترین فواره‌ی رقصان جهان قد برافراشته است؛ نمایشی تماشایی از آب، نور و موسیقی که با هماهنگی شگفت‌انگیز اجرا می‌شود. طراحی این فواره‌ی چشم‌نواز را همان تیمی برعهده داشته است که فواره‌ی معروف بلاژیو در لاس‌وگاس را خلق کرده‌اند.

همه‌ی این رکوردها و شگفتی‌ها تنها نیمی از ماجرا هستند؛ آنچه برج خلیفه را به یک دستاورد بی‌رقیب در تاریخ معماری بدل کرده، نه فقط ارتفاع سرسام‌آورش، بلکه مهندسی خیره‌کننده و طراحی بی‌نقص آن است؛ شاهکاری که تنها با ترکیب خلاقیت معمارانه، مهندسی بی‌نظیر و سازگاری با اقلیم خشن بیابانی ممکن شد.

در دل این غول شیشه‌ای، جزئیاتی وجود دارند که هرکدام حاصل سال‌ها آزمون، خطا و نوآوری‌ هستند. وقت آن رسیده که از لایه‌ی ظاهری عبور و به ژرفای طراحی و ساخت برج خلیفه سفر کنیم؛ جایی که هر تصمیم، هر جزء و هر انحنا، پاسخی دقیق به یک چالش واقعی بوده است.

پایداری برج خلیفه به طراحی هوشمندانه و دقیق آن برمی‌گردد. در مرکز سازه، یک هسته‌ی شش‌ضلعی (Hexagonal core) قرار دارد؛ ساختاری که در نگاه اول ساده به‌نظر می‌رسد، اما در واقع با محاسبات دقیق مهندسی طراحی شده است. هسته‌ی شش‌ضلعی نه‌تنها نیروی باد را مهار، بلکه وزن سرسام‌آور برج را به‌شکل یکنواخت به فونداسیون منتقل می‌کند.

برای رفع این چالش، شرکت اسکیدمور، معمار اصلی پروژه، راه‌حلی نوآورانه ارائه داد. آن‌ها با بهره‌گیری از محاسبات پیچیده‌ی مهندسی و رویکردی خلاقانه، ساختاری طراحی کردند که با وجود باریک‌بودن، از پایداری فوق‌العاده‌ای برخوردار است. به‌زبان ساده، آن‌ها هسته‌ای ساخته‌اند که نه‌تنها فرو نمی‌ریزد، بلکه به یکی از اصلی‌ترین نقاط قوت کل سازه تبدیل شده است.

برای افزایش پایداری هسته‌ی مرکزی برج خلیفه، مهندسان از الگویی الهام گرفتند که معمولاً در ساخت سدها به‌کار می‌رود: پشت‌بندهای عظیم و مقاومی که توان تحمل فشار شدید آب را دارند. همین منطق در اینجا نیز به‌کار گرفته شد. آن‌ها در اطراف هسته‌ی مرکزی، پشت‌بندهایی مستحکم طراحی کردند که همچون بازوهایی نگهدارنده، به توزیع بهتر وزن و کنترل نیروهای وارد بر سازه کمک می‌کنند. این رویکرد، علاوه‌بر تقویت ایستایی برج، باعث شد هسته‌ بتواند در برابر فشار باد و وزن طبقات بالا، بدون مشکل عمل کند.

معمارها از فضای بین این پشت‌بندها نهایت استفاده را کرده‌اند. راهروهایی که واحدهای مسکونی و هتل‌ها را به آسانسورها وصل می‌کنند، دقیقاً از میان همین دیوارها عبور می‌کنند. یعنی فضایی که در بیشتر ساختمان‌ها صرفاً برای استحکام استفاده می‌شود، اینجا کاملاً کاربردی و هوشمندانه طراحی شده است.

در قدم بعدی، معماران، دیوارهای شیشه‌ای بزرگی را در فضای میان پشت‌بندها نصب کردند؛ اقدامی که نه‌تنها به زیبایی بصری سازه افزود، بلکه منظره‌ی پانورامای شگفت‌انگیزی از شهر دبی را برای واحدهای مجاور فراهم کرد؛ نمایی باز و بدون هیچ مانعی از هر سو. به این ترتیب، این پشت‌بندها نه‌تنها کمک کرده‌اند که برج پایدار بماند، بلکه به بخشی از تجربه‌ی لوکس و زیبای زندگی در بلندترین آسمان‌خراش جهان تبدیل شده‌اند.

وقتی سازه‌ای خم می‌شود، در یک سمت آن فشار و در سمت دیگر، نیروی کششی ایجاد می‌شود. به‌دلیل این نیرو، مولکول‌های ماده از هم فاصله می‌گیرند و کشیده می‌شوند. برخلاف مقاومت بالای بتن در برابر فشار (فشرده‌شدن)، این ماده در برابر کشش بسیار ضعیف است و با واردشدن مقدار نسبتاً کمی تنش کششی، خیلی سریع می‌شکند.

اگر فشار از حد بگذرد، میلگردها به‌تنهایی کافی نخواهند بود و بتن دیگر نمی‌تواند بار را تحمل کند. اینجا است که راه‌حلی فوق‌العاده از دنیای مهندسی سازه وارد عمل می‌شود. مهندسان برای مقابله با این مشکل، از یک ترفند قدیمی و مؤثر استفاده کرده‌اند: طراحی مقطع تیر به‌شکل چشم (Eye-Shaped). در این حالت، وقتی دیوارهای متقاطع را به پشت‌بندها وصل می‌کنیم، شکل کلی سازه مثل مقطع یک چشم درمی‌آید. این نوع مقطع در برابر خم شدن بسیار مقاوم است.

اگر بخواهیم نقش این طبقات را بهتر درک کنیم، باید نگاهی به ساختار داخلی برج بیندازیم. برج خلیفه از صدها ستون تشکیل شده است؛ ستون‌هایی که با اتصال به طبقات، می‌توانند پایداری واقعی داشته باشند. ازآنجاکه خود طبقات به هسته‌ی مرکزی وصل شده‌اند، این اتصال باعث می‌شود سازه یکپارچه و مقاوم، باقی بماند. طبقات مکانیکی، این اتصال‌ها را تقویت و کمک می‌کنند نیروها به‌درستی بین اجزای مختلف، توزیع شوند.

پس این نوارهای تیره نه‌تنها بخشی از زیبایی ظاهری برج نیستند، بلکه ستون فقرات عملکرد مهندسی آن را تشکیل می‌دهند. هر کدام از این طبقات، نقشی حیاتی در زنده نگه داشتن این غول شیشه‌ای ایفا می‌کنند.

یکی از نکات شگفت‌انگیز درباره‌ی برج خلیفه آن است که فقط حدود ۷۰ درصد از این سازه‌ی غول‌پیکر به‌کمک هسته‌ی بتنی نگه داشته می‌شود؛ یعنی در بخش بالایی برج، به‌ویژه در یک‌چهارم نهایی آن، دیگر خبری از هسته‌ی مرکزی نیست. در عوض، یک سازه‌ی فولادی سبک، هوشمند و مهندسی‌شده، وظیفه‌ی حفظ پایداری را برعهده دارد.

بخش بالایی برج خلیفه، با وجود ظاهر ظریف و آسیب‌پذیرش، به‌گونه‌ای طراحی شده است که در برابر بادهای شدید به‌راحتی تاب می‌خورد و تا حدود ۲ متر نوسان می‌کند. این مقدار، شاید در نگاه اول ترسناک به‌نظر برسد، اما جای نگرانی نیست؛ چون در این ارتفاع، سازه به فولاد تکیه می‌کند، ماده‌ای که با مقاومت بالا و توان کششی فوق‌العاده‌اش، بدون ترک یا شکست، فشارها را تحمل می‌کند و پایداری برج را در اوج، تضمین می‌سازد.

شاید در نگاه اول انتظار داشته باشید برج خلیفه کاملاً متقارن طراحی شده باشد، اما شکل نهایی آن کاملاً نامتقارن است. چرا طراحانِ یکی از پیچیده‌ترین سازه‌های دنیا تصمیم گرفتند از تقارن دوری کنند و سراغ یک طراحی نامتقارن بروند؟ پاسخ به پدیده‌ای برمی‌گردد که هم زیبا است و هم خطرناک: جاری شدن گردابه (Vortex Shedding).

مشکل از جایی شروع می‌شود که این گردابه‌ها باعث ایجاد نیرویی نوسانی روی سازه می‌شوند. اگر فرکانس این نوسانات با فرکانس طبیعی ارتعاش خود برج یکی باشد، پدیده‌ی رزونانس رخ می‌دهد. در این حالت، برج شروع به نوسان‌های شدید و پی‌درپی می‌کند. این نوسانات هر لحظه شدیدتر می‌شوند و اگر مهندسان برای آن چاره‌ای نیندیشند، در نهایت ممکن است باعث فروپاشی سازه شوند.

برای مقابله با خطر رزونانس و جاری شدن گردابه‌ها، تیم طراحی برج خلیفه دست به یک نوآوری معماری جسورانه زد. بیل بیکر، مهندس برجسته و مغز متفکر پشت طراحی این آسمان‌خراش، با تیمش راه‌حلی ارائه داد که در عین سادگی، فوق‌العاده هوشمندانه بود: طراحی مارپیچی.

شکل مارپیچی برج خلیفه

بیل بیکر برای نوک برج هم یک ابتکار ویژه به‌کار گرفت. او لایه‌های بالایی را طوری طراحی کرد که هرکدام زاویه‌ی متفاوتی داشته باشند. این کار باعث شد حتی در ارتفاعات بالا که فشار باد به بیشترین حد می‌رسد، شکل مارپیچی برج حفظ شود و اجازه‌ی تشکیل گردابه داده نشود. این طراحی فشرده و دقیق در بالاترین بخش سازه، نقشی کلیدی در حفظ تعادل و پایداری نوک برج ایفا می‌کند.

برای مقابله با این شرایط سخت، آن‌ها تصمیم گرفتند از یک سکوی عظیم بتنی به‌نام کِلک (Raft) استفاده کنند؛ یک صفحه‌ی ضخیم از بتن مسلح با عملکرد بالا که به هسته‌ی شش‌ضلعی، دیوارهای مقطع چشم‌مانند و ستون‌ها متصل شده است. کِلک، وزن کل برج را روی سطح گسترده‌تری از خاک پخش می‌کند تا فشار به‌صورت یکنواخت وارد و از نشست‌های ناهمگون جلوگیری شود.

برج خلیفه نه‌تنها با بادهای سهمگین مبارزه می‌کند، بلکه با آسمان خشمگین هم روبه‌رو می‌شود. صاعقه‌هایی که با قدرت سرسام‌آور به سمت بلندترین نقطه‌ی دبی می‌آیند، در نگاه اول ممکن است جذاب به‌نظر برسند، اما در واقع می‌توانند فاجعه‌بار باشند. حالا این پرسش مطرح می‌شود: چگونه سازه‌ای با این ابعاد، ساخته‌شده از شیشه و فولاد، می‌تواند در برابر برخوردهای شدید صاعقه، بدون آسیب باقی بماند؟

راز این محافظت در نوک برج پنهان شده است؛ همان نقطه‌ی کوچکی که شاید به‌سختی دیده شود. در آنجا یک صاعقه‌گیر پیشرفته قرار دارد، دستگاهی به‌ظاهر ساده، اما با طراحی بسیار دقیق و هوشمندانه. این صاعقه‌گیر به حسگرهایی مجهز است که انرژی خود را از یک باتری کوچک تأمین می‌کنند. به‌محض نزدیک‌شدن ابری با بار الکتریکی بالا، دستگاه وارد عمل می‌شود و با تولید بار مخالف، صاعقه را به‌صورت کنترل‌شده به‌سمت خود می‌کشد تا از برخورد مستقیم آن با بخش‌های حساس برج جلوگیری کند.

انتقال برق از طریق پدیده‌ای به‌نام اثر پوسته‌ای (Skin Effect) انجام می‌شود. در این پدیده، جریان برق با فرکانس بالا تمایل دارد فقط از سطح بیرونی فلز عبور کند. همین ویژگی باعث می‌شود که بار الکتریکی بدون نفوذ به هسته‌ی داخلی سازه، از برج عبور کند و تخلیه شود؛ روشی هوشمندانه برای محافظت از ساختار اصلی در برابر صدمات ناشی از صاعقه.

برج خلیفه، به‌دلیل ارتفاع بی‌نظیرش، نقش یک صاعقه‌گیر غول‌پیکر را برای کل شهر دبی ایفا می‌کند. یعنی نه‌تنها خودش در برابر صاعقه ایمن باقی می‌ماند، بلکه آسمان‌خراش‌های اطراف را هم در امان نگه می‌دارد.

به یکی از جذاب‌ترین بخش‌های این پروژه رسیدیم: چطور مهندسان توانستند بتن را تا ارتفاعی نزدیک به ۸۳۰ متر بالا ببرند؟ در گرمای شدید دبی، حتی قدرتمندترین پمپ‌های دنیا هم کافی نبودند؛ چون بتن پیش از رسیدن به طبقات بالا، سفت می‌شد و خاصیت خود را از دست می‌داد. پس راه‌حل چه بود؟