سازه های نوین در معماری
مقدمه:
امروزه با پیشرفت علوم و فناوری، نیازها و خواسته‌های جدیدی در زمینه‌ی مهندسی سازه بروز نموده است. عامل زمان در ساخت سازه‌ها اهمیت دو چندان یافته و این امر گرایش به سازه‌های پیش‌ساخته را افزایش داده است. همچنین با افزایش جمعیت جوامع بشری، علاقه به داشتن فضاهای بزرگ بدون حضور ستون‌های میانی خواهان بسیاری پیدا کرده است. در این راستا از اوایل قرن حاضر تعدادی از متخصصین، مجذوب قابلیت‌های منحصر بفرد سازه‌های نوین گشته و پاسخ بسیاری از نیازهای جدید را در این سازه‌ها جسته‌اند و البته به نتایج بسیار مثبتی نیز دست یافته‌اند.
سازه های فضاکار
سازه فضاکار (Spatial Structure) به سازه‌ای گفته می‌شود که سه بعد داشته و به هیچ ترتیب نمی‌توان رفتار کلی آن را با استفاده از یک یا چند مجموعه مستقل دو بعدی تقریب زد.
جنس این سازه‌ها می‌تواند از مواد مختلفی چون فولاد، آلومینیوم، چوب، کامپوزیت‌های مسلح، بتن، شیشه، مقوا و یا ترکیبی از این مواد باشد. اما عموما سازه های فضاکار از سیستم‌های اسکلت فلزی می‌باشند که از بافت تعداد زیادی هموند (مدول) که با شکل‌های استاندارد به یکدیگر متصل شده بوجود آمده و یک سیستم سبک را با صلبیت زیاد ایجاد می کند.
اجزای تشکیل دهنده سازه های فضاکار
گره‌ها (پیونده‌ها): شاید می‌توان گفت که مهمترین قسمت در سازه‌های متداول اتصالات و جزئیات مربوط به آنها می‌باشد.
اعضاء (هموندها): بدنه اصلی یک سازه فضاکار را اعضای آن سازه تشکیل می‌دهند. این اعضا در سازه‌های فضاکار، پروفیلهایی در اندازه و مقاطع مختلف می‌باشند. عمده ترین مقاطع بکار رفته در سازه‌های فضاکار مقطع دایره‌ای، به صورت توپر یا توخالی و مقاطع نبشی یا قوطی است.
تکیه گاه‌ها: شکل و موقعیت تکیه گاه‌ها در سازه‌های فضاکار، تاثیر زیادی بر نحوه توزیع نیروها در اعضای مجاور و تمرکز نیرو در آنها دارد. این بدان علت است که تعداد تکیه گاه‌ها در این سیستمها نسبت به سطح پوششی بسیار کم است و کل نیروهای قائم توسط این تعداد اندک تکیه گا ه‌ها به پی منتقل می‌گردد. در اغلب موارد اعضای مجاور تکیه گاه را پروفیلهای توپر و سنگین تشکیل می‌دهند.
انواع سازه‌های فضاکار:
سازه‌های فضاکار از نظر عملکرد به سه دسته تقسیم می‌شوند:
سازه‌های فضاکار شبکه‌ای (Lattice Spatial Structures) که شامل المان‌های طولی جدا از هم می‌باشند.
سازه‌های فضاکار پیوسته (Continuous Spatial Structures) که شامل اجزایی مانند دال‌ها و پوسته‌ها هستند.
سازه‌های فضاکار دو وجهی (Biform Spatial Structures) که شامل ترکیبی از اجزای جدا و پیوسته‌اند.
سازه‌های فضاکار از نظر ساختار بسیار متنوع هستند که مهمترین آنها عبارتند از:
شبکه‌های مسطح دو یا چند لایه
چلیک‌ها (شبکه‌هایی که در یک جهت دارای انحنا می‌باشند) (نیم‌استوانه‌ها)
گنبدها (شبکه‌هایی که در دو جهت دارای انحنا می‌باشند) و فرمهای آزاد
که در ادامه به معرفی هر یک می پردازیم.
شبکه های مسطح یا تخت
شبکه های تخت، به ترکیب یک سیستم یک یا چند وجهی با لایه های واحد شبکه گفته می شود. شبکه مسطح ترکیبی از یک دو وجهی که با تیرهای واحد متصل شده است می باشد. شبکه های تخت می توانند دارای یک، دو یا سه و حتی چند لایه باشند، ولی بیشتر به صورت دولایه مورد استفاده قرار می گیرند. شبکه های دولایه از دو صفحه موازی که بوسیله عناصری به هم متصل گردیده اند تشکیل می شوند.
E زمانی که اعضا دارای طول زیاد باشند، برای جلوگیری از خطر کمانش کردن، از شبکه های سه لایه و گره های بزرگتر استفاده می شود و با توجه به اینکه نیمی از هزینه های سازه های فضاکار را پیونده ها تشکیل می دهند این نوع سازه ها اغلب غیر اقتصادی است.
E در طراحی سازه های فضاکار، برای توزیع بهتر نیرو و به کشش افتادن هموندها، بهتر است ستون ها در داخل شبکه قرار گیرند و در اطراف آن کنسول داشته باشیم و همچنین ستون به چند گره متصل شود.
(( چند نمونه شبکه دولایه ))
چلیک ها
به شبکه ای که در یک جهت دارای انحنا باشد، چلیک می گویند. این نوع شبکه بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی دالان مانند، استفاده شده و بعضا فاقد ستون می باشند و روی لبه های چلیک که به تکیه گاه متصل است، قرار می گیرند. اگر چلیک یک لایه باشد اتصالات به شکل صلب است. چلیک ها اغلب به شکل ترکیبی استفاده می شوند و تیر کمری نقش ترکیب کردن چلیک ها به یکدیگر را بازی می کنند.
نکته ای که در طراحی این نوع سازه ها باید در نظر گرفت این است که انتهای چلیک باید قوی باشد و این تقویت را می شود بوسیله تیر و ستون انجام داد. انواع چلیک ها عبارتند از: چلیک اریبی، چلیک لَمِلا با مقاطع بیضی گون، سهمی گون، هذلولی گون و …
چند نمونه چلیک
گنبدها
اگر شبکه ای در دو جهت دارای انحنا باشد، گنبد نامیده می شود. شاید رویه یک گنبد بخشی از یک کره یا یک مخروط یا اتصال چندین رویه باشد. گنبدها سازه هایی با صلبیت بالا می باشند و برای دهانه های بسیار بزرگ تا حدود ۲۵۰ متر می توانند مورد استفاده قرار گیرند. ارتفاع گنبد باید بزرگتر از ۱۵ % قطر پایه گنبد باشد.
انواع گنبدها
شکل a یک نوع گنبد از نوع دنده ای می باشد. در صورتیکه تعداد دنده ها زیاد باشد باید به مسئله شلوغی اعضا در راس گنبد توجه شود که برای اجتناب از این مسئله بهتر است که برخی از دنده های نزدیک راس حذف شود (شکلb).
گنبد دیگری به نام اشفدلر (مهندس آلمانی) است که تعداد زیادی از این نوع گنبدها بعد از قرن ۱۹ توسط اشفدلر و دیگران ساخته شده است (شکلc).
لازم به ذکر است که اتصالات در گنبدهای دنده ای و اشفدلر حتما صلب هستند. اما از لحاظ پخش منظم نیرو، گنبدهای ژئودزیک، دیامتیک و حبابی بسیار مناسب هستند.
مراحل اجرای سازه های فضاکار
طراحی: (مدل سازی در Formian و انتقال و ادیت نقشه در AutoCad)
محاسبات: (توسط نرم‌افزار Sap-AISC ASD89)
تولید هموندها رنگ آمیزی هموندها ستون گذاری بافت سازه فضاکار نصب سازه فضاکار نصب پوشانه روش‌های نصب روش های متنوعی برای اجرا و نصب سازه های فضاکار وجود دارد:
گسترش و تثبیت تمامی اعضای سازه در بخش‌های کوچک بر روی زمین سپس بالا بردن آنها تا موقعیت نهایی و نصب روی تکیه گاه دائمی.
گسترش و تثبیت اعضای سازه قطعات بزرگتر روی زمین سپس بالا بردن و نصب آنها در هوا به قسمت‌هایی از سازه که قبلاً نصب شده‌اند.
گسترش و تثبیت اعضای سازه به صورت یکجا بر روی زمین سپس بالا بردن و نصب آن در محل دائمی.
E از روش‌های یاد شده به جز در سطح های کوچک، روش سوم به دلیل وزن سازه و دشواری عملیات نصب اجزا در ارتفاع بلند کمترین کاربرد را در میان سایرین دارد.
کاربردهای سازه‌های فضاکار:
سایه‌بان استخر
پلهای عابر پیاده
نماسازی ساختمان
دکوراسیون داخلی
غرفه‌های نمایشگاهی
سالن‌های چند منظوره
سایه‌بان پارکینگ خودرو
توسعه بناهای ساخته شده
زیرسازی سلول‌های خورشیدی
جایگاه‌های پایانه‌ای و مسافربری
سایه‌بان سردر ورودی (تجاری، اداری و مسکونی)
سایه‌بان جایگاه‌های توزیع انواع سوخت
سایه‌بان ایستگاه‌های راه‌آهن، قطار شهری و اتوبوس
سالن‌های بزرگ (صنعتی، ورزشی، نمایشگاهی، اجتماعات، گلخانه‌ای، انبار و …)
مزایای سازه‌های فضاکار:
امکان طراحی و اجرای سازه‌هایی با دهانه‌های بالا بدون ستون مرکزی
حمل بارهای بزرگ متمرکز و غیر متقارن به دلیل سختی و صلبیت زیاد
ایمنی بالا در برابر زلزله، طوفان و آتش‌سوزی و عدم انحدام ناگهانی
امکان عبور تاسیسات مکانیکی و الکتریکی از داخل سازه
جذابیت و زیبایی بیشتر در معماری
تنوع زیاد در کاربرد
امکان گسترش سازه بعد از اجرا
امکان برچیدن و نصب مجدد سازه در محلی دیگر
سرعت بالای تولید و اجرا به دلیل پیش‌ساخته بودن
وزن مناسب عناصر در مقایسه با سازه‌های دیگر
امکان پوشش سازه‌های با محدودیت تکیه‌گاهی
امکان اجرای انواع پوشانه‌ها
اتصالات رایج در سازه های فضاکار:
به شیوه تک‌پیچ (Single Bolt)
به شیوه گوی‌سان (MERO)
به شیوه نادوس (Nodus)
سازه های چادری (پارچه ای کششی)
سازه های پارچه ای کششی یا سازه های چادری که با نام سازه های غشایی نیز شناخته می شوند، با توجه به رفتار کششی خالص در برابر نیروها، زیرمجموعه ای از گروه بزرگ سازه های کششی محسوب می شوند. از سوی دیگر به علت برخورداری از یک هندسه ی فضایی سه بعدی به خانواده ی سازه های فضاکار تعلق دارند و همزمان به خاطر سبکی وزن در گروه سازه های سبک قرار می گیرند. این سیستم سازه ای نزدیک به چند دهه است که بدلیل ویژگی های منحصر بفرد خود در صنعت ساختمان مورد توجه قرار گرفته است.
این سازه ها می توانند به عنوان پوششی برای بناها، زمینهای بازی، باغها، تراسها، پارکینگ ها و … و یا با نورپردازی خلاقانه به عنوان یک فضای شهری مطلوب و شاخص جلوه کنند. این نوع سازه ها بیش از هر روش دیگری پیوند میان سازه و معماری را در یک طرح به نمایش می گذارد.
دسته بندی کلی سازه های چادری
سین کلاستیک: سقف های پارچه ای که تمام نقاط آنها همانند گنبد، انحنای رو به بیرون دارند. (دارای دو انحنای هم جهت در هر نقطه از سقف نظیر شکل حباب).
آنتی کلاستیک: به پارچه هایی که دارای دو انحنای مختلف الجهت هستند گفته می شود.
سقف های چادری معلق: ترکیبی از دو نوع قبل می باشد.
E سازه های چادری سین کلاستیک خود به دو دسته تقسیم می شوند:
۱) سازه های بادی ۲) گنبد های کابلی
سازه های بادی:
این نوع از سازه های چادری به کمک اختلاف فشار هوا پیش تنیده می شوند.
گنبدهای کابلی:
در این چادرها کابل ها به صورت شعاعی شکل می گیرند و در مرکز بیشترین کشش را دارند.
E سازه های چادری آنتی کلاستیک خود به ۵ دسته تقسیم می شوند:
۱ ) مخروطی ۲) مخروطی معکوس ۳) زین اسبی ۴) تیزه و دره ای ۵) طره ای
مخروطی:
مخروطی معکوس
یک گونه ی جالب از مخروط کلاستیک، مخروط معکوس است که در آن پارچه از پیرامون خود به سمت نقطه ای پایین تر در مرکز آن خم می شود. دلایل عملی متعددی برای پرهیز از چنین شکلی وجود دارد، از جمله دیوارها یا ستون های تکیه گاهی بلندی که در اطراف محیط آن لازم است؛ مانع بزرگی که توسط خود نقطه پایینی سقف در مرکز فضا ایجاد می شود. اغلب این شکل به دلیل ظاهر چشمگیرش انتخاب می شود.
زین اسبی:
تیزه و دره ای
آرایش سازه ای، مرکب از سطوحی است که میان یکسری از کابل های فوقانی و تحتانی قرار می گیرند همانند یک بادبزن چین دار.
سازه های چادری طره ای
خانواده سازه هایی را در بر می گیرند که در آنها یک یا چند لبه ی سقف به جای اینکه در زیر خود پایه داشته باشند، توسط بازوها یا قوس هایی که از نقطه ای واقع بر لبه ی داخلی یا عقب تر همان سازه به سمت خارج، طره می شوند نگه داشته خواهند شد. این نوع سایبان ها اغلب در جاهایی مناسب اند که مزاحمتی برای میدان دید ایجاد نکند.
سقف های چادری معلق
طراحان با آویزان کردن غشای پارچه ای از کابل های آویخته از یک یا چند پایه یا دیگر اعضای فشاری، قادر خواهند بود سقف هایی با دهانه های بزرگ و شکل های متنوع را خلق کنند. هزینه چنین سقف هایی به دلیل طول زیاد اعضای فشاری، برای رسیدن به بالای پارچه بسیار زیاد است.
þ با وجود اینکه سازه های چادری سین کلاستیک اغلب اقتصادی ترین سیستم ها برای استفاده در سقف های پارچه ای با دهانه های بزرگ هستند، در دو نمونه از بزرگترین سازه های پارچه ای ساخته شده تاکنون یعنی ترمینال حج در جده عربستان سعودی و گنبد هزاره گرینویچ لندن، سقف های معلق به کار گرفته شده است.
ترمینال حج
گنبد هزاره گرینویچ لندن
ویژگی های سازه های چادری
۱- ریشه در سنت کهن چادر سازی دارند.
۲- به لحاظ ارزانی مصالح، سهولت اجرا و سرعت برپایی بسیار جذاب می باشند.
۳- کوتاهی عمر، کم دوامی، آسیب پذیری در مقابل آتش سوزی، بی ثباتی شکل و چروک شدن از کاستی های این نوع پوشش می باشد.
۴- از اولین کاربرد های این نوع چادرها در سالن های نمایشی و سیرک ها و چادرهای ارتش می باشد.
۵- پیشرفت فن آوری های امروز باعث شده است تا:
دوام و طول عمر مصالح بیشتر شود،
مقاومت در برابر آتش سوزی بیشتر شود،
گسترش حریق و دودهای ساطعه کاهش می یابد،
انرژی کمتری برای تنظیم شرایط محیط حاصل شود. مثلا در مناطق گرمسیر با استفاده از این غشاء ها می توان مقدار زیادی از نور خورشید را منعکس کرده و دمای ساختمان را با صرف انرژی کمتری تنظیم نمود و در مناطق سردسیر با بهره گیری از لایه های عایق حرارتی که منعطف و مات می شوند با انرژی کمتری شرایط مطبوع حاصل می شود.
۶- این سازه ها به خاطر خواص فیزیکی و شکل هندسی شان نیز از دیگر سازه ها متمایزند و می توانند به عنوان سازه های دائم، موقت یا با قابلیت جابجایی استفاده شوند.
نمونه ای از مراحل اجرای یک سازه چادری:
سازه های کابلی
تعریف کابل:
اصطلاح کابل، دربرگیرنده عناصر صلب (میله) و انعطاف پذیر (کابل شامل رشته های در هم تافته عموما فولادی) است. کابل انعطاف پذیر است چون قطر آن در برابر طولش کم است و این عامل باعث می شود که نیروهای کششی به طور مساوی بین رشته های کابل توزیع شود. نیروی کششی در کابل، برآیند نیروهای عکس العمل افقی و عمودی ناشی از بار وارده است.
دلایل استفاده از سازه کابلی:
۱) خالص ترین رفتار سازه ای را دارد. (فقط نیروی کششی را تحمل می کند)
۲) از تمام مقاومت خود بهره می برند.
۳) فرم آن ها خود به خود شکل گرفته و فرمی پر بازده است. (فرم طبیعی)
۴) انعطاف پذیرند و خود را با بار تطبیق می دهند.
۵) امکان ایجاد پوشش سبک روی دهانه های بزرگ را دارند (در دهانه کوچک غیر اقتصادی هستند).
E سازه های کابلی در بین تمامی سازه های موجود، گسترده ترین دهانه ها را با طول بیش از ۵۰۰ متر پوشش می دهد. سازه های کابلی بخشی از سیستم های سازه با عملکرد کششی هستند.
E این سازه برای طراحی پل ها، پوشش دهانه های بزرگ سقفها و … مورد استفاده قرار می گیرد. این دسته از سازه های انعطاف پذیر با اتصالات غیرصلب اند که در آنها نیروها از طریق طراحی فرم ویژه و پایدارسازی فرم مشخصه توزیع می شوند.
E یک ترکیب کاربردی تر از سازه های کابلی، برای تحمل باری معلق در وسط دهانه است. در این حالت کابل از وسط خم می شود و هر یک از دو تکیه گاه نیمی از بار را تحمل می کند.
انواع سازه های کابلی
سازه های کابلی یا معلق با فرمهای منحنی طنابی به سه بخش تقسیم می شوند:
منحنی دارای یک انحنا (موازی تخت): دو یا چند کابل زنجیره وار موازی که بین تکیه گاههای اصلی کشیده شده اند.
کابل مضاعف (موازی فضایی): این نوع شبیه کابل دارای یک انحنا می باشند با این تفاوت که کابل های تثبیت کننده در زیر کابل معلق اصلی برای مقابله با نیروی رو به بالای باد به آن اضافه شده است.
منحنی مضاعف (چرخشی تخت): منحنی مضاعف از نوع آنتی کلاستیک (یکپارچه) می باشد مثل زین اسب که انحنا در یک جهت مثبت و در جهت مخالف منفی است. در ضمن کابل های معلق در یک جهت دهانه بین تکیه گاه ها قرار گرفته اند و کابل تثبیت کننده عمود بر آن برای مقابله با باد به سمت پایین کشیده شده اند.
E پلهای معلق نمونه هایی از سازه های کابلی دارای یک انحنا می باشند که بصورت های متنوعی از نظر عملکرد سازه ای اجرا می گردند.
پلهای کابلی در واقع نوعی تیر حمال (عرشه پل) پیوسته با یک یا چند برج بنا شده بالای پایه های پل در وسط دهانه است. کابلها از راس برجها بصورت اریب و معمولا از هر دو طرف آن کشیده شده و عرشه پل را نگه می دارند.
بزرگترین پل کابلی ایران:
پل هشتم اهواز به نام پل غدیر، ۱۰۱۴ متر طول دارد، عرض کل پل ۶/۲۰ متر و عرض باند سواره رو ۶/۱۳ متر است. پایلون های این پل ۸۱ متر از سطح آب فاصله دارند و عرشه آن هم با ۱۵۸ شمع به قطر ۱۵۰ متر و عمق حدود ۳۵ متر بر روی رودخانه قرار گرفته است. در دو طرف پل ۳۲ کابل وجود دارد که مجموع طول این کابلها ۱۷۰ کیلومتر است.
پل غدیر در مراحل مختلف ۳۰ هزار تن بتن ریزی شده است. برای نصب عرشه فلزی پل از پنج فروند جرثقیل و تجهیزات مدرن دریایی استفاده شده است. این پل خیابان زند در شرق رودخانه کارون را به خیابان تخت سلیمان در غرب این رودخانه متصل می‌کند.
E در ادامه نمونه ای مشهور از سازه کابلی با انحنای مضاعف را خواهیم دید که سازه سالن اصلی فرودگاه بین المللی دنور آمریکاست.
قله های این سازه توسط ۳۴ ستون اصلی فولادی شامل ستون های ۸/۱۹ متری با فاصله ای ۴۵ متری از یکدیگر ایجاد شده اند.
E نمونه ای از سازه کابلی با انحنای دوگانه، استادیوم المپیک مونیخ است.
این ساختمان دارای سازه ای با کابل پیش تنیده است که خصوصیات کابل های مضاعف برای مقاومت در برابر نیروی باد را دارد. کابل های فولادی مورد استفاده در این سازه با سه قطر مختلف می باشد.
مرتفع ترین سازه کابلی جهان
پل میلائو بلندترین پل کابلی دنیاست که توسط طراح مشهور بریتانیایی آقای نورمن فاستر طراحی شده است. این پل طی ۲۶ ماه ساخته شده و در دسامبر سال ۲۰۰۴ میلادی افتتاح گردید. این پل حدود ۶/۲ کیلومتر طول دارد و در ارتفاع ۳۷۵ متری روی دره رودخانه تارن در جنوب فرانسه احداث شده است. این پل فولادی- بتنی روی ۷ پایه با ارتفاع های متفاوت که بلندترین آنها ۳۷۵ متر درازا دارد، قرار گرفته است.
در ساخت این پل ۳۶۰۰۰ تن فولاد و ۲۰۶۰۰۰ مترمکعب بتن بکار رفته است. این پل بطور میانگین روزانه ۲۸۰۰۰ وسیله نقلیه را در شرایط مختلف آب و هوایی سال از خود عبور می دهد. این پل اولین پروژه بزرگ عمرانی کشور فرانسه در قرن ۲۱ می باشد که اتصال دهنده شمال اروپا به جنوب فرانسه و اسپانیا می باشد.
سازه های کش بستی (TENSEGRITY)
سازه های تنسگریتی که به سازه کش بستی ترجمه شده اند، واژه‌ای ابداعی است که از ترکیب دو واژه “Integrity” و”Tension” ایجاد شده است و گونه ای از سازه های فضاکار هستند و متشکل از یک سری عناصر کابلی و یک سری عناصر فشاری می باشند. عناصر کابلی یکسره و ممتد هستند ولی عناصر فشاری خیر. این سیستم را کنت اسنلسون (Kenneth Snelson) که یک معمار آمریکایی است در سال ۱۹۸۴ اختراع نمود. او اولین کسی بود که در سن نوجوانی پا در دنیای شکفت انگیز سازه های کش بستی نهاد و لذا هیجان زده این کشف را با استاد خود باکمینستر فولر (Buckminster Fuller) در میان گذاشت ولی چندی نگذشت که متوجه ثبت این اختراع توسط استاد گردید.
E این سازه ها به دلیل دارا بودن مزایای بیشماری چون سبکی، زیبایی، کارآیی، قابلیت باز و بسته شدن و تطبیق پذیری با نیروهای ایجاد شده در سازه در سال های اخیر، توجه بسیاری از معماران، مهندسین، ریاضیدانان و متخصصین بسیاری از علوم دیگر را به خود جلب نمودند.
E کاربرد این سیستم در مجسمه سازی و در طراحی صنعتی و ساخت اشیا کاربردی و تزیینی، اندیشه استفاده از آن را در معماری مطرح نمود. اما به علت پیچیدگی نسبی و البته عدم آشنایی معماران با این نوع سازه در ایران علاوه بر اینکه نمونه قابل توجه ساخته شده ای از سازه تنسگریتی وجود ندارد، منابع بسیار محدود و مختصری نیز در ارتباط با آن در اختیار می باشد. بسیاری از معماران و مهندسین، سازه تنسگریتی را نمی شناسند و نهایتا فقط در حد اسم با آن آشنایی دارند.
منبع : ساخت و ساز ایران
