سازه های فضاکار
مقدمه
امروزه با پیشرفت علوم و تکنولزی نیازهاو خواسته های جدیدی در زمینه مهندسی سازه رخ نموده است. عامل زمان در ساخت سازه ها اهمیت دو چندان یافته و این امر گرایش به سازه های پیش ساخته را افزایش داده است همچنین با افزایش جمعیت 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 قابلیت های منحصر بفردسازه های فضاکارگشته پاسخ بسیاری ازنیازهای جدید را در این سازه ها جسته اند والبته به نتایج بسیارمثبتی نیزدست یافته انددر این مقاله منظور از عبارت سازه فضاکارسیستم های اسکلت فلزی بوده که از بافت تعداد زیادی المان یا مدول با شکلهای استانداردبه یکدیگر تشکیل می شوندو نهایتا یک سیستم سبکو با صلبیت زیاد را ایجاد می کنندسازه های فضاکار در اشکال بسیارمتنوعی ساخته می شوند که مهمترین انها عبارتند از : شبکه های مسطح دو یا چند لایه ,چیلک ها,گنبدها و قوس ها
تعریف و تاریخچه سازه های فضاکار
سازه های فضا کار سیستم خرپای سه بعدی است که دها نه های آن دردو جهت گسترش یافتند که اعضای ان فقط در کشش و فشار می باشند و سازه های فضاکار به طور مشترک برای سازه هایی با اتصالات صلب و مفصلی به کار می رود
سازه های فضایی شکلهای هندسی منظمی هستند که در کنار یکدیگر تکرار شده و با اتصال مکرر این اجزا شبکه ای مستحکم و یکپارچه با ساختاری سه بعدی ایجادمی کنند .این اجزا از المانهای طولی( با مقطع های مربعی _دایره ای _مثلثی و…) واتصال هایی که هرروز بر انواع انها افزوده می شود تشکیل میشود جنس المانهای طولی متنوع بوده و بسته به نوع مصرف انهامتغیر خواهد بود ولی معمولااز انواع پلاستیک و پروفیل و فولاد و آلومینیوم استفاده می شود.
انواع سازه های فضاکار
بیشتر سازه های فضاکار از مدول های یکسان و تکرار شونده با لایه های موازی در بالا و پایین تشکیل می گردد مانند عناصر مشابه فوقانی و تحتانی خرپا. البته این نوع سازه پدیده خیلی جدیدی نیست زیرا گراهام بل طرحهایی از شبکه های منظم هندسی که کاربرد ساختمانی داشته باشدتهیه کرده بود. همچنین آآلاچیقهای عشایر محلی ایران سبکی مانند این نوع سازه ها را دارند. ولی در دهه 60 میلادی بود که این نوع سازه ها به صورت موضوعی بین المللی , و قابل بحث مطرح شد به طوری که اولین کنفرانس بین المللی سازه های فضایی در سال1966در دانشگاه ساری انگلیس برگزار شد
سازه های فضاکار
نمونه هایی از سازه های فضاکار
فرودگاه جدید عسلویه
آشیانه هوا پیمایی بوئینگ 747فرودگاه تهران
امتیازات سازه های فضاکار
دلیل شهرت ناگهانی چه می تواند باشد؟
1 سازه های فضایی از قطعه های پیش ساخته استاندارد تشکیل می یابند که در صورت تولید انبوه قیمت این قطعات بسیار پایین می یابد. این قطعات توسط کارگران نیمه ماهر قابل نصب هستند.
2 یکی از مهم ترین خصوصیات سازه های فضایی قابلیت پوشش سطحهای وسیع بدون ایجاد مانع و همچنین قابلیت پوشانیدن دهانه های بسیار بلند است که برای استفاده در امر ساختن استادیوم های ورزشی –سالنهای چند منظوره- آشییانه های هوایی-سقف استخرهاو….ایده ال است.
3 سادگی ولی در عین حال زیبایی ظاهری این سازه ها توجه بسیاری از مهندسین معمار را به خود جلب کرده است .
4 دانشمندان پس از ازمایشهای زیاد به مقاومت بسیار زیاد انواع مختلف سازه های فضایی در مقابل بارگذار یهای سنگین متمرکز یا نامتقارن پی برده اند . سازه های فضایی دارای آنچنان نیروی پایداری و مقاومت نهایی هستند که سازه را قادر به تحمل بارگذاری موضعی بیش از حد میکند. تجربه نشان میدهد که انواع ویژهای از شبکه های فضایی حتی در صورت صدمه دیدن به صورت ناگهانی فرو نمی ریزد و این ویژگی در صورت بروز حریق و انفجار اهمیت بیشتری دارد همچنین استحکام این قابهای فضایی امکان جابجایی بعضی از ستونها را بدون ایجاد نقض ساختمانی می آورد یعنی با حذف تعدادی از اعضا ایستایی و پایداری سازه فضاکار از بین نمی رود زیرا این امر باعث تعیین دوباره جریان نیروها میشود و اعضا متناسب با مقاومت یا سختی شاننیروهای اضافی را به طور مشترک تحمل می کنند افزایش مقاومت ذاتی دلیل تعادل پایدار سازه فضاکار است.
5 با پیشرفت تکنولژی مهندسین و طراحان انواع جدیدی از اتصالهای ارزان قیمت را اختراع کرده اند که اتصال چند قطعه را در فضا توسط کارگران نیمه ماهر بدون هیچ مشکلی ممکن می سازد .
6 از انجا که سازه های فضایی از نظر استاتیکی نا معین هستند بنابر این تحلیل دستی انها با استفاده از روشهای دقیق کار بسیار دشواری است این امر یکی از دلایل معوق ماندن طرحهای سازه های فضایی در گذشته بوده استولی امروزه با استفاده از کامپیوترها وروشهای ریاضی نوین امر تحلیل سازه ها بسیار سریعتر و دقیقتر از گذشته صورت می گیرد. همچنین استفاده از روشهای نوین طراحی بهینه سازه با حداقل مصالح را امکان پذیر می سازد و سازه دست بالا طراحی نمی شود. این سازه مقاومت بسیار بالایی در برابر اتش از خود نشان می دهد و همچنین از لحاظ صوتی و حرارت مقاومت بالایی از خود نشان می دهد.
اشکال سازه های فضاکار
از آغاز پیدایش سازه های فضایی اشکال بسیار گوناگونی به انواع ان افزوده شده است که دارای طبقه بندی جامع زیر است:
1 داربستهای اسکلتیskeleton frameworks) )
2 سیستمهای پوسته تحت تنش( ( stressed skin systems
3 سازه های معلق (suspended structures (
4 سازه های هوای فشرده (pneumatic structures )
در انواع این سازه ها، اتصالهای مختلف که در طی مدت زمان طولانی تکمیل شده اند به کار گرفته می شود و اکثر انها شکل ظاهری بسیار ساده ای دارند. با استفاده از این اتصالها امکان ساختن این نوع سازه به صورت دوویا چند لایه وجود می اید و با استفاده از قطعات پیش ساخته می توان سازه های عظیمی را با هزینه کم و به اسانی ایجاد کرد . یک نمونه از سازه های موفق , سیستم گوی و لوله است که اتصالهایش گوی هایی با 18 سوراخ که از جهات مختلف عضو می پذیرد و قدرت عمل زیادی را به طراح و سازنده می بخشد.
نمونه هایی از سازه های فضاکار
ایستگاه آتش نشانی
سازه های فضاکار
سازه های فضاکار
یک نمونه جالب از سازه های دو لایه ساختمان نمایشگاه واقع در سائوپولو برزیل است که محوطه ای به مساحت 260در260 متر مربع را با تکیه بر 25 ستون و با استفاده از 48000 عضو لوله ای الومینیومی پوشش می دهد . نمونه جالب دیگری از کاربرد سازه های فضایی قابل جدا شدن پارکینگ هیترو لندن است . این پارکینگ قابلیت تحمل 325 اتومبیل را داشته و استفاده از ان بسیار اقتصادی است این نمونه تصور اکثر افراد را مبنی بر اینکه شبکه های فضایی فقط برای مسقف کردن محوطه به کار می رود را باطل می سازد
آژانس فضایی اروپا خانه ای را طراحی کرده است که می توان آن را کامل ترین نوع یک خانه فضایی دانست
جزئیات اتصالات سازه فضاکار
در تصویر پایین صفحه نمونه ای از سازه فضاکار است که سطح آن با روکش پوشانده شده است
ایستگاه راه آهن آدام استون
اتصالات
به دلیل ترکیب سه بعدی سیستم در سازه های فضاکار گره هایی که اعضا در سه بعد به انها متصل می شوند به طور ذاتی پیچیده می باشند . برای دهانه های کوچکتر گره ممکن است از صفحه فولادی ساخته شود و به انتهای اعضا پیچ شود . این اعضا به طور معمول در مقطع عرضی مستطیل شکل می باشند که به اتصال ساده تر عناصر پوشش دهنده سقف نورگیرهای سقفی بخش های شفاف و دیگر اجزا کمک میکنند در دهانه های بزرگتر استفاده از سیستم مرو که با اعضای لوله ای شکل به گره های کروی توپر پیچ می شوند متداول تر می با شد به علاوه برای قابل استفاده بودن این سیستم در دهانه های بزرگتر از650 فوت گره های کروی توپر و لوله هایی با قطر و ضخامت مختلف امکان ایجاد مقاومت در برابر نیروهای موجود در هر عضو را می دهد
نمونه هایی از سازه های فضاکار
نمونه هایی از سازه های فضاکار
انواع اتصالات سازه های فضاکار
1 سیستم گره توپی مرو
2 سیستم سه راهی
3 سیستم unistrut
نمونه ای از سازه های فضاکار در کف
نمونه ای از سازه های فضاکار در دیوار
انواع سازه های فضاکار
الف)شبکه های تخت:به ترکیب یک سیستمیک 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 ولی بیشتر به صورت دو لایه مورد استفاده قرار می گیرد شبکه های دو لایه از دو صفحه موازی که بوسیله عناصری به هم متصل گردیده اند تشکیلمی شوند یک نمونه از این شبکه ها در اشیانه هواپیما است زمانی که اعضا در شبکه دو لایه طویل شوند برای جلوگیری از خطر کمانش کردن از شبکه های سه لایه استفاده می شود و با توجه به اینکه نیمی ا هزینه های سازه های فضاکار را پیوند ها تشکیل می دهند این نوع سازه ها اغلب غیر اقتصادی است
نکته دیگری که در طراحی شبکه های دو لایه واکثر سازه های فضاکار باید در نظر گرفت این است که برای توزیع نیرو و کششی شدن آن ستونها در داخل شبکه فرار می گیرند و ستون به چند گره متصل شود و بهتر است برای توزیع منظم نیرو در سازه ها در اطراف کنسول داشته باشیم.
انواع سازه های فضاکار
ب ) شبکه های چیلک : به شبکه ای که در یک جهت دارای انحنا باشد چیلک می گویند این سازه بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی دالان مانند استفاده شده و بعضا فاقد ستون می باشد و روی لبه های چلیک که به تکیه گاه متصل است قرار می گیرند چلیک هادارای محور می باشند اگر چلیک یک لایه باشد اتصالات به شکل صلب است چلیک ها اغلب به شکل ترکیبی استفاده می شود وتیر کمری نقش ترکیب کردن چلیک ها به یکدیگر را بازی می کند نکته ای که در طراحی این نوع سازه هاباید در نظر گرفت این است که انتهای چلیک باید قوی باشد و این تقویت را می شود بوسیله تیر و تیر وستون و شکل خورشید مانند انجام داد انواع چلیک ها عبارتند از : چلیک اریبی,چلیک لملا با مقاطع بیضی گونه , سهمی گون ,هذولی گون و…. اگر شبکه ای در دو جهت دارای انحنا باشد گنبد نامیده می شود
از نمونه گنبد ها گنبد لملا است این گنبد را می توان به نوعی ترکیبی از یک یا چند حلقه که با یکدیگر متقاطع است دانست . از نمونه دیگر گنبد ها می توان به گنبد های دیامتیک وگنبد های حبا بی و ژئودزیک اشاره کرد اتصالات در گنبد ها ی دندهای و اشفدلرحتما صلب است. از لحاظ پخش منظم نیروگنبد های ژئودزیک ,دیامتیک وحبابی بسیار مناسب هستند
نمونه هایی از سازه های فضاکار