سازههای فضاکار (سازههای فضایی)
سازههای فضاکار گروهی از سازه‌ها هستند که دارای رفتار سه بعدی بوده، معمولاً در خور تولید صنعتی انبوه هستند. متداولترین کاربرد سازههای فضاکار در ساخت پوشانه‌های بناهایی است که در آنها عملکرد ساختمان ایجاب می‌نماید که دارای دهانه آزاد نسبتاً بزرگ در دو جهت متعامد باشند. بدیهی است که این نوع از سازههای فضاکار در استادیوم‌های ورزشی و تالارهای اجتماعات، نمایشگاه‌های چند منظوره، مراکز فرهنگی و هنری، مصلی‌ها و مساجد، آشیانه‌های هواپیما، سالن‌های صنعتی، انبارهای وسیع و انواع پایانه‌های مسافربری کاربرد فراوان دارند. در ایران به اینگونه سازه‌ها نیاز فراوان وجود دارد و بهترین پاسخ برای چنین کاربردی، بدون شک سازههای فضاکار است.
ویژگی‌های سازههای فضاکار
- ما در فضای سه‌بعدی زندگی میکنیم.
- هر سازهای فضای سه‌بعدی را اشغال می‌کند.
- هر سازهای در واقع به صورت سه بعدی رفتار می‌نماید.
- طبیعت هم دارای سازه‌هایی است که دارای رفتار سه‌بعدی هستند.
- رفتار برخی از سازه‌ها به گونه‌ای است که اثر یک بعد تحت‌ا‌لشعاع آثار رفتاری در دوبعد دیگر است. این گونه سازه‌ها رفتار مسلط دوبعدی داشته و به سازههای سنتی موسوم‌اند.
- گاه با وجود آنکه سازه به صورت سه‌بعدی رفتار می‌کند، روش طرح به نحوی است که برای سهولت محاسبات، سازه را به زیر مجموعه‌های صفحه‌ای (دوبعدی) تقسیم می‌نمایند. این امر گاه خطای قابل ملاحظه‌ای در تخمین رفتار سازه به دنبال خواهد داشت.
- قاب متشکل از تیر و ستون با اتصالات صلب در هر دو جهت، یک سازه یا قاب فضاکار به معنای اعم است.
- هر سازه پوسته‌ای، هر سازه حجیم، هر صفحه تحت اثر خمش، نمونه‌ای از سازه با عملکرد مسلط سه‌بعدی است.
تقسیم‌بندی کلی سازههای فضاکار
سیستم فضاکار مشبک
با استخوان‌بندی و پیکربندی اسکلتی اغلب شامل تعداد قابل توجهی اعضای نسبتاً طویل (اغلب) مستقیم الخط (وگاه) دارای انحنا (مانند اعضای موسوم به عناصر قاب یا خرپا) در پیونده‌ها هستند. در حالتیکه اجزای پوشانه این گونه سازه‌ها به صورت تفکیک ناپذیر در رفتار سازهای دخیل باشند، سیستم‌های مختلط و دوگانه ایجاد میشوند. سیستم‌های مشبک تاشونده زیر مجموعه‌ای از این گروه به شمار می‌‌روند.
سیستم‌های غشای نازک تحت تنش
که در آنها پوشش (پوشانه) جدار نازک سازه جزء عمده و جدایی ناپذیر سیستم بار بر سازه به شمار می‌رود. سیستم‌های متشکل از ورقه‌ای چین دار نیز در همین گروه طبقه‌بندی میشوند.
سیستم‌های پوشانه‌ای متکی بر کابل‌ها
شبکه‌های متقاطع کابل‌ها، سیستم‌های ترک‌های، معلق یا آویخته.
سازههای کش بستی
سازههای بادی و سازههای هوانشین
مزایا و خصوصیات
- ایجاد امکان ساخت دهانه‌های بزرگتر بدون پایه‌های میانی و ایجاد آزادی عمل برای معمار.
- جدایی ناپذیربودن فرم سازه از معماری.
- ایجاد فصل مشترکی برای بهره‌گیری معماران پیشرو از قابلیت‌های مهندسان سازه مسلح به دانش نوین.
- امکان احداث سازه‌ها با کاربرد چندمنظوره.
سازههای فضاکار مشبک (اسکلتی)
عبارت فوق تنها به گروهی از سازههای دارای عملکرد مسلط سه‌بعدی اطلاق می‌شود که ویژگی‌های زیر در آنها مصداق دارد.
- اثر رفتاری هیچ یک از سه بعد در جذب نیروهای وارده قابل صرفنظر کردن نیست.
- متشکل از اعضای منفصل خطی (اعضای خرپا، تیر، تیر ستون) است. به عبارت دیگر سیستم سازه پیوسته نبوده و از نوع اسکلتی است.
- به عنوان قاعده (صرفنظر از استثناها)، اغلب شامل تعداد قابل توجهی از اجزا و زیرمجموعه‌های ساده و تکرارشونده است.
- اجزا و زیرمجموعه‌های ساده اغلب در خور پیش‌سازی و تولید انبوه هستند و در ابعاد و اشکال استاندارد اختیار میشوند.
- با استفاده از قابلیت باربری در سه بعد، امکان کاهش وزن فراهم می‌آید. از اینرو سازههای فضا کار مشبک اسکلتی معمولاً سبک ولی صلب هستند.
- متداولترین کاربرد این نوع سازه‌ها در ساخت پوشش یا سقف ابنیه‌ای است. که در آنها عملکرد ساختمان ایجاب می‌نماید که دهانه‌های آزاد نسبتاً بزرگ در دو جهت در پلان ایجاد شود.
- معمولاً از دیدگاه زیباشناختی دارای اهمیت هستند.
- معمولاً از ذخیره ظرفیت مقاومتی قابل ملاحظه‌ای در مقایسه با سازههای سنتی برخوردارند.
- معمولاً بسیار اقتصادی بوده و نیازهای اقتصادی به علت امکان صنعتی شدن ساخت، افزایش سرعت تولید و نصب، کاهش وزن و صرفه جویی در مصالح را برآورده می‌سازند.
اهمیت سازههای فضا کار در محیط مصنوع یا طبیعی
- سازههای فضاکار قابلیت‌ها و امکانات عمده‌ای را در اختیار مهندسان و معمارها برای تلفیق اصول زیباشناختی و نوآوری‌ها با جنبه‌های رفتاری، عملکردی، کاربری و سرویس دهی سازه قرار می‌دهند.
- تمامی سازه‌ها باید از دیدگاه زیباشناسی و هماهنگی با محیط مصنوعی یا طبیعی مورد مطالعه قرار داده شوند.
- با توجه به آنکه اغلب سازههای فضاکار وسیع و بزرگ هستند، اثر قابل توجهی بر محیط باقی می‌گذارند.
- بیش از دیگر سازه‌ها، فضا را معرفی می‌نمایند.
- فرم پروژه توسط سازه تعریف می‌شود.
انواع سازههای فضاکار
سازههای فضاکار را می‌توان به شرح زیر نیز طبقه بندی نمود.
- سازههای فضاکار مشبک، که شامل اجزا و اعضای منفصل و معمولاً طویل هستند.
- سازههای فضاکار پیوسته، که متشکل از اجزایی از قبیل دال، پوسته، غشای نازک و نظایر آن هستند.
- سازههای فضاکار دو گونه، که مشتمل بر ترکیبی از اجزای منفصل و پیوسته هستند.
دسته‌بندی سازههای فضاکار
سازههای فضاکار بر اساس نوع، شکل، مصالح، روش ساخت، نحوۀ کاربری و عمر مفید طبقه‌بندی میشوند.
دسته بندی بر اساس نوع و شکل
سازههای فضاکار شبکه‌ای با ریخت‌های گوناگون طراحی و احداث میشوند و دارای استخوان بندی مقاوم از نوع اسکلتی هستند. و به گروه‌های زیر قابل تفکیک هستند.
- شبکه‌های تخت تک لایه
- شبکه‌های تخت دو و چند لایه
- چلیک‌های تک لایه، دو لایه و چند لایه
- گنبدهای تک لایه، دو لایه و چند لایه
- سایر شبکه‌های تک لایه و چند لایه باریخت‌های گوناگون
- برج‌ها و دودکش‌های شبکه‌ای
- سازههای کش بستی
- سازههای شبکه‌ای تاشو
- سازههای کابلی
شبکه‌های تک لایه تخت
شبکه عبارت است از سیستم سازهای مشتمل بر یک یا تعدادی افزونتر لایه متشکل از مجموعه‌ای از اعضا. یک شبکه تک لایه یا شبکه تخت، متشکل است از اعضای تیر با اتصالات صلب (با قابلیت انتقال لنگر قابل ملاحظه) که در آن تمامی اعضا به نحوی مطلوب طراحی، اجرا و در درون صفحه واحدی هم‌بندی شده‌اند. معمولاً بارهای بیرونی وارد بر چنین شبکۀ تختی، از نوع نیروهای متعامد بر صفحۀ شبکه و لنگرهای اعمال‌شونده حول محورهای مار بر صفحه هستند. تحت تأثیر چنین نیروهایی، تغییر مکان‌های حاصله در امتداد خارج از صفحه، مؤلفه قابل ملاحظه‌ای خواهند داشت. بنابراین اگرچه اعضای تیر در صورتیکه به نحو مطلوب طرح و اجرا شده باشد (و در صورت صرفنظر نمودن از بعد قایم آنها) و تقریباً در درون یک صفحه واقع میشوند. ولی بارهای مؤثر و تغییر مکان‌های حاصله در امتداد عمود بر صفحه، مؤلفه‌های قابل توجه داشته و در نتیجه رفتار مجموعه تنها با ملحوظ داشتن سه بعد قابل بررسی است.
شبکه‌های دو لایه
شبکه دو لایه، از دو لایه اعضای موازی تشکیل می‌شود که به وسیله اعضای موسوم به جان به یکدیگر متصل میشوند. هنگامی که از چنین شبکه‌ای به عنوان پوشانه سقف با شیب اندک استفاده شود، یکی از لایه‌های شبکه، لایه رویین و دیگری لایه زیرین نامیده می‌شود. در حالاتی که از چنین شبکه‌هایی به عنوان دیواره‌های سازه بهره‌گیری شود، یکی از لایه‌های شبکه را لایه بیرونی و دیگری را لایه درونی، در مقایسه با موقعیت مرجع، می‌نامند.
شبکه‌های چند لایه
شبکه‌ها با ساختار چند لایه، افزایش فاصله بین لایه‌های رویین و زیرین را ممکن می‌سازند. و به این ترتیب امکان پوشاندن دهانه‌های وسیعتر با مصالح بالنسبه سبک را فراهم می‌آورند. در این حالت، وظیفه عمده لایه‌های میانی کاهش طول مؤثر اعضای جان است.
تفاوت اساسی رفتار شبکه‌های تک لایه و چند لایه
تفاوت اساسی بین رفتار شبکه‌های تک لایه تخت و شبکه‌های دو یا چند لایه، عبارت است از آنکه شبکه‌های تک لایه تخت تحت تأثیر رفتار خمشی مسلط هستند. و اعضای آنها عمدتاً لنگر خمشی حول محورهای واقع در درون صفحه، نیروی برشی (در امتداد عمود بر صفحه شبکه) و گشتاور پیچشی (حول محور درون صفحه) را تجربه می‌نمایند. حال آنکه نیروهای داخلی اعضا در شبکه‌های دو و چند لایه عمدتاً از نوع نیروهای محوری هستند.
شبکه‌های دو گونه
از گروه‌هایی از شبکه‌های دو گونه به طور متداول بهره‌گیری گسترده به عمل آمده است.
- شبکه‌های تخت بتن آرمه یکپارچه با دال فوقانی یا شبکه متقاطع فولادی مختلط با بتن درجای فوقانی.
- نمونه‌های متنوعی از شبکه‌های دو یا چند لایه فولادی ساخته شده که لایه رویین آنها در دال بتنی محصور یا اصولاً دال بتنی نقش لایه رویین را ایفا می‌نماید.
- همچنین حالات گوناگونی از شبکه‌های دو یا چند لایه با رفتار توأم با اجزا و عناصر غشایی پوسته‌ای متصور است. سازههای فضاکار دو گونه‌ای که از شبکه‌های متشکل از اعضای منفصل با عملکرد توأم با دال‌ها و پوسته‌های بتنی مسلح تشکیل شده‌اند، به طور متداول به سازههای فضاکار مختلط موسومند. همچنین سازههای فضاکار مشبکی را که با اجزای غشایی به صورت در هم آمیخته عمل می‌نمایند، سازههای فضاکار دوگانه می‌نامند.
لازمۀ آنکه سازه فضاکار از نوع دو گونه باشد، عملکرد لاینفک اجزای منفصل با اجزای پیوسته از دیدگاه سازهای است.
سازههای فضاکار چلیکی
یک چلیک از تبدیل یک شبکه تک لایه، دو لایه یا چند لایه به فرم قوسی در یک جهت ایجاد می‌شود. و حاصل آن تشکیل تاشه چلیکی یک، دو یا چند لایه خواهد بود. سازههای فضاکار چلیکی گونه‌های هم‌بندی متنوعی دارند که از هر یک بسته به ویژگی‌های رفتاری در مقام مناسب، می‌توان بهره‌گیری نمود. مقطع عمومی یک سازۀ چلیکی ممکن است بخشی از دایره، بیضی یا سهمی باشد.
گنبدها
گنبد مشبک، یک سیستم سازه فضاکار است که شامل یک یا چند لایه (از اجزا) است. که در تمامی جهات به فرم قوسی در آمده‌اند. برخی از گنبدها دارای رویه‌ای ظاهری هستند که بخشی از یک سطح منفرد و واحد همانند کره را تشکیل می‌دهد. و برخی دیگر متشکل از مجموعه‌ای از سطوح گنبدی شکل متفاوت هستند.
سازههای فضاکار مشبک دو گونه چلیکی و گنبدی
سازه فضاکار گنبدی و چلیکی مختلط متشکل است از یک شبکه فلزی همراه با یک پوسته بتن آرمه در گیر شده که به منظور عملکرد توام و تفکیک ناپذیر باشبکۀ فلزی طراحی شده است.
سازه فضاکار گنبدی و چلیکی دوگانه، شامل یک شبکه فلزی باربر و اجزای غشایی فعّال با عملکرد توأم سازهای است.
سایر تاشه‌ها
انواع سازههای فضاکار مورد اشاره سهم قابل ملاحظه‌ای از حالات کاربردی را در بر می‌گیرند و پاسخگوی بسیاری از نیازها هستند. از جملۀ سایر کاربردهای سازههای فضاکار می‌توان از برج‌های مشبک، سازههای هرمی شکل، تاشه‌های سهموی، سازههای غشای نازک و شبکه‌های کابلی با فرم‌های بدیع و گوناگون نام برد.
سازههای فضاکار پیوسته
سازههای فضاکار پیوسته به گروه‌های زیر قابل تفکیک هستند.
- سازههای حجیم
- تاوه‌ها و پوسته‌ها
- سازههای پاشامی
دسته بندی بر اساس نوع مصالح
سازههای فضاکار به طور معمول با مصالح فولادی، آلومینیومی، چوبی، بتنی، مواد کامپوزیت، مصالح بنایی، شیشه‌ای، پاشامی، پانل‌های ساندویچی، الیاف بافته شده یا ترکیبی از اینها ساخته میشوند. این مصالح هم در اعضای تشکیل دهنده سازههای فضاکار و هم به عنوان پوشانه‌های این سازه‌ها به کار برده میشوند.
دسته بندی بر اساس شیو‌ه‌های ساخت و بافت
سازههای فضاکار به لحاظ شیوه ساخت به دو گروه پیش ساخته و ساخت درجا تقسیم بندی میشوند . روش‌های پیش ساخته متعارف سازههای فضاکار را می‌توان به سه طبقه عمده پیونده‌ای، واحدی و ترکیبی تقسیم بندی کرد. بنابراین سیستم‌های پیونده‌ای، واحدی و ترکیبی در اغلب موارد در زمرۀ سیستم‌های پیش ساخته محسوب میشوند.
همچنین از دیدگاه شیوه بافت، سازههای فضاکار شبکه‌ای به دو گروه پیش بافته و بافت در جا منقسم میشوند. در حالت پیش بافته، سازه فضاکار یا زیر مجموعه‌ای از آن، در تراز زمین بافته و از طریق بلند نمودن مجموعه در تراز و موقعیت نهایی خود استقرار خواهد یافت.
پیونده‌ها
پیونده‌ها معرف منطق سازه فضاکاراند.
- پیونده‌ها باید سخت و مقاوم باشند.
- باید ساده باشند (از نظر فرم و امکان برقراری اتصال).
- به سهولت ساخته شوند و قابلیت تولید صنعتی داشته باشند.
- برون محوری در پیونده‌ها بایدبه حداقل ممکن برسد.
- رواداری اجرایی لازم در طراحی پیونده‌ها باید پیش‌بینی شده باشد.
- اصلاح، تعمیر و نگهداری آنها به سهولت امکانپذیر باشد.
- قابلیت پذیرش تعداد قابل توجهی عضو را بر حسب نیاز دارا باشند.
- ترجیحاً هر عضو مستقلاً به پیونده متصل شود.
- زاویه فضایی بین اعضا قابل توجه باشد.
دسته بندی بر اساس نوع کاربری
سازههای فضاکار را با توجه به تنوع کاربرد بر حسب نوع کاربری می‌توان به گروه‌های فراوانی طبقه بندی نمود. از جمله این کاربری‌ها می‌توان از سالن‌های اجتماعات، نمایشگاه‌ها، موزه‌ها، فرهنگ سر‌اها، فضاها و استادیوم‌های ورزشی، آشیانه‌های هواپیما، پایانه‌های فرودگاه، راه‌آهن و اتوبوس، پروژه‌های صنعتی، پل‌ها، ساختمان‌های آموزشی، مسکونی، اداری، تجاری، بیمارستان‌ها، دکل‌های انتقال نیرو و برج‌های مخابراتی یاد کرد.
کاربردهای نوین سازههای فضاکار شبکه‌ای
با توجه به سبکی وزن، صلبیت قابل ملاحظه و عملکرد سه بعدی سیستم‌های سازهای فضاکار، امکان احداث سازههای پوشش فضاهای سرپوشیده‌ای که در آن عملکرد معماری دهانه‌های آزاد نسبتاً طویلی را در دو امتداد متعامد ایجاب می‌نماید، به نحوه مطلوبی فراهم شده است. در عین حال، در صورتیکه فرم به نحو شایسته در خدمت محتوای سازهای قرار گیرد، کاربرد این سازه‌ها در بسیاری دیگر از پروژه‌های متنوعی که تاکنون کمتر در احداث آنها از سازههای فضاکار شبکه‌ای بهره‌گیری شده، واجد مزایای غیر قابل انکاری خواهد بود.
همچنین سازه فضاکار به دلیل صرفه جویی در میزان فولاد و مصالح مصرفی، گامی در جهت کاهش تخریب در منابع موجود در کره خاکی و محیط زیست به شمار می‌رود.
منبع: عمران سافت
دانستنیها