سازه هوای فشرده
تاریخچه سازه هوای فشرده
از اوایل سالهای 70 میلادی بحث طراحی ، ساخت و بهره برداری از سازه های هوا فشرده مورد توجه عام قرار گرفت. بر پایی نمایشگاه اکسپو در سال 1970 در اوزاکای ژاپن موجبات گردهمایی شرکتهای فعال در این زمینه را فراهم نمود.
نمای جدید و زیبایی شگفت انگیز معماری ، نوع رفتار سازه ای ، کاربری های گوناگون و متنوع این سازه ها ، سازگاری با محیط و پایداری معماری ، بازدیدکنندگان را مجذوب خویش نمود .
سازه هوا فشرده چیست؟
سازه های هوا فشرده بر اساس انتقال بارها از طریق پوسته هایی با تنظیم هوای داخل سازه استوار می گردد.
این سازه ها مشابه کابل ها، نیروی کششی را از طریق سطح پوسته انتقال می دهند. دلیل فرم منحنی این سازه طراحی بر اساس تحمل بار بصورت مستقیم و بر اساس تنظیم هوای داخل سازه میباشد. به همین دلیل اغلب سازه های هوا فشرده شکل نیمکره دارند.
شرایط بارگذاری این سازه ها مشابه سایر سازه های دیگر بر اساس بارهای زنده ( برف،باران،باد،بارهای وارده موقتی و ( … و مرده ( وزن پوسته و بارهای دایمی معلق از پوسته مثل تجهیزات نورپردازی و ( … مورد محاسبه قرار می گیرد. در طراحی این سازه ها علاوه بر موارد یاد شده ، سازه برای بارهای ناشی از فشار هوا که برای باقی ماندن پوسته در کشش ذخیره می گردند و موجب پایداری و نگهداری بارهای مرده و زنده می شوند نیز تحت بررسی قرار می گیرد.
مواردی از قبیل بارهای ناشی از تجمع برف و بادهای شدید ، تغییرات ناگهانی فشار هوا و … در این سازه ها پیش بینی و با روشهای علمی مهار گردیده است ، لذا هرگونه نگرانی دستگاه بهره بردار را مرتفع می سازد.
برای مهار نیروهای رانشی حاصله از تقابل نیروهای کششی در سطح پوسته سازه تکیه گاه هایی تعبیه و طراحی می گردد و در برخی موارد، سازه های کوچکتر را در زمین مهار می کنند و در سازه های بزرگتر از بتن های مسلح درجا و یا پیش ساخته استفاده می شود.
سازه های هوا فشرده با عمر مفید حداقل 30 سال با کاربری های ورزشی ، نظامی ، صنعتی ، کارگاهی و تفریحی ، تحول نوینی را در صنعت ساخت و ساز در اختیار بهره برداران قرار می دهد .
بیش از ده سال در تمام پروژه های مهم دنیا از غشاء ترکیبی Floutopt (PVDF) استفاده می شد. امروزه نسل دوم غشاهای Floutopt پاسخگوی نیاز طراحان و پیمانکاران در شروع هزاره جدید است. این همکاری استثنائی باعث پایداری و طول عمر بالا و همچنین حفظ زیبائی ظاهر و محافظت به همان حالت orginal، در طول عمر سازه می گردد.
این لایه باعث ایجاد سطحی مقاوم در مقابل اشعه ماوراء بنفش و آلودگی های موجود در هوا می گردد.
میزان مقاومت سطح سازه
نتیجه آزمایشات و تست های انجام شده بر روی این نوع غشا مقاومت آن را در مقابل هرگونه خسارات ناشی از عوامل جوی و طبیعی تایید می نماید.
پس از تست های انجام شده بر روی پارچه های نو و نیز بر روی پارچه هایی که چندین سال مورد استفاده قرار گرفته ، هیچ گونه اثری از لایه لایه شدن مشاهده نگردیده است.
نمونه آزمایش صورت گرفته : (1000 ساعت در آب50 درجه سانتیگراد فرو رفته است (
قابلیت عبور نور از سطح سازه
کیفیت نور طبیعی یکی از فاکتورهای مهم در انتخاب لایه است.Floutopt 2 نور طبیعی را با آسایش بسیار در فضای داخل فراهم می سازد.
عبور نور از کل سطح سازه ( حتی دیواره ها ) ، استفاده از نور را در طول روز امکان پذیر می سازد و بهره بردار را از مصرف انرژی جهت روشنائی داخلی برحذر می دارد. صرفه جوئی در مصرف برق از مهمترین عوامل مثبت این سازه می باشد.
مزایای غشای خارجی : 100% PVDF- – مقاوم در برابر اشعه UV – ضد حریق ( NFPA – 701 , DIN 4102 ) – ضد کپک
مزایای غشای داخلی : – بازتاب بالا برای نورپردازی بهتر 500- گرم در مترمربع 100%- عایق گذاری – بدون چگالش و جمع شدگی
سیستم تهویه و گرمایش ( Air Condition , Heating )
برای سیستم تهویه هوای داخل سازه و نیز مبحث مصرف انرژی از سه موتور صنعتی استفاده می شود :
الف- موتور دمنده ی هوا ب- موتور تعادل فشار هوای داخل سازه ج- موتور رزرو جهت قطع برق و شرایط اضطرار
موتور دمنده ی هوا جهت برپائی ابتدائی سازه و پایداری نهائی و دائمی آن بکار گرفته میشود مزایای آن شامل موارد ذیل میباشد : – مصرف کم انرژی – عدم ایجاد آلودگی صوتی – قابلیت فعالیت با سوختهای مختلف بر اساس نیاز منطقه یا بهره بردار -کاهش حجم فشار بالای هوا تا 75% -قابلیت ایجاد گرمایش داخلی به میزان حداقل 25 درجه سانتیگراد -عدم نیاز به فن پرصدا -فعالیت اتوماتیک در هنگام افت فشار در سازه
موتور تعادل فشار هوای سازه جهت کمک به حفظ تعادل و پایداری سازه در شرایط اضطراری مثل جبران پرت هوا و مواقعی که سازه دچار حوادث فیزیکی می شود ، مورد استفاده قرار می گیرد .
در حقیقت این موتور همانند موتور دمنده هوا عمل می نماید ولی بصورت کمکی و در شرایط اضطرار مورد استفاده قرار می گیرد.
موتور رزرو برق برای مواقع قطع برق و نوسانات شدید برای برپایی سازه و تعادل فشار هوای داخل و تامین اکسیژن و نور مورد نیاز استفاده می شود.
ظرفیت هیتینگ سازه برای دمای 10- سانتیگراد بیرونی و دمای 10+ سانتیگراد داخلی محاسبه گردیده است ، در این حالت فشار داخل در حدود Mpa 220 و سرعت باد m/s 4 خواهد بود.
چگونگی نور پردازی
سازه های هوا فشرده ما به لحاظ جنس پوسته تشکیل دهنده سطح، 70% نور طبیعی را عبور می دهند.
با انتخاب تکنولوژی PVDF امکان استفاده از80% نور مات و 20% نور نیمه مات برای استفاده کنندگان فراهم می شود. این تکنولوژی برای بهره وری از انرژی گرمایی خورشید در فصول سرما و گرما بسیار مفید و موثر واقع خواهد شد.
به لحاظ نوع و جنس پوسته ها ، سیستم نورپردازی بیشتر جهت بهره برداری در شب و مواقعی که دسترسی به نور طبیعی به لحاظ شرایط آب و هوایی میسر نیست طراحی می شود.
کلیه تجهیزات نورپردازی روی خود سازه و مخصوصا سقف نصب می شود و احتیاجی به نصب دکل و … نمی باشد که با این روش استفاده از کل فضای زیر سازه امکان پذیر می گردد.
عایق حرارتی خلاء با سازه صلب شونده توسط هوای فشرده
با افزایش هزینه انرژی و توجه بیشتر به مسائل زیست محیطی,صرفه جویی در مصرف انرژی در سالهای اخیر اهمیت بیشتری یافته است. بخش قابل ملاحظه ای از این صرفه جویی با عایق بندی به منظور جلوگیری از هدر رفتن حرارت یا به عکس جلوگیری از ورود حرارت قابل دستیابی می باشد. بلوکهای فایبرگلاس, پشم شیشه یا پشم سنگ, فومهای پلاستیکی و عایقهای سلولزی ازعایقهای متداول می باشند. عایقهای خلا دارای مقاومت حرارتی بالاتر تا هفت برابر بهترین عایقهای متداول می باشند. به علت خصوصیات عایقهای خلا استفاده از آنها تا سالهای اخیر علیرغم مقاومت حرارتی بسیار بالایی که دارند در خیلی از موارد به دلیل قیمت آنها غیراقتصادی بوده است. در سالهای اخیر افزایش هزینه انرژی و تصویب قوانین کنتر لکننده میزان مصرف انرژی در اروپا و امریکا باعث رشد بسیار چشمگیر تحقیقات در زمینه رقابتی کردن قیمت عایقهای خلا در مقایسه با قیمتهای پایین تر عایقهای مرسوم شده است. فلاسکهای خلا و جایگزینی آنها با تمام انواع فلاسکها در دهه اخیر نمونه ای از رقابتی شدن و گسترش کاربرد عایقهای خلا می باشد. با استفاده از عایقهای خلا علاوه بر صرفه جویی فو ق العاده درمصرف انرژی، ضخامت عایق به نحو چشمگیری کاهش می یابد
لذا مقدار حجم درونی مورد استفاده بهینه می گردد. عایق خلا یک عایق حرارتی با فن آوری پیشرفته است که بطور قابل ملاحظ های عایق بندی مرسوم را تحت الشعاع قرار می دهد. عایق اختراع و ثبت شده دارای خصوصیات قابل ملاحظه ای درراستای طبقه بندی شدن به عنوان یک عایق خلا مطلوب است. برخی مزایای عایق مذکور به شرح زیر می یاشد:
سبکی در مقایسه با عایقهای خلا موجود، کمی حجم در حالت غیرعملیاتی، قابلیت ساخت در اشکال مختلف دوبعدی و سه بعدی، قابلیت تعمیر در صورت آسیب دیدگی، عدم نیاز به هسته داخلی به عنوان سازه نگهدارنده، پایین بودن هزینه مواد اولیه با توجه به عدم نیاز به هسته، قابلیت عملیاتی کردن عایق در محل مورد استفاده، قابلیت تنظیم مقدار مقاومت حرارتی با تغییر فشار هوای درون سازه، و امکان تخلیه هوای وارد شده به محفظه خلا. در مطالعه حاضر بر اساس تحلیلهای سازه ای و انتقال حرارتی قابلیت عایق پیشنهاد شده به عنوان یک عایق مطلوب مورد ارزیابی قرار می گیرد.
بخشهای اصلی عایقهای حرارتی خلا
به طور کلی خلا یک مقاومت در برابر عبور حرارت است و بنابراین برای بهبود خصوصیات عایقها سعی می شود که در آنها شرایط خلا یا نسبتاَ خلا ایجاد شود. نیروی ناشی از اعمال فشارمحیط تمایل به تغییرشکل محفظه و جمع کردن آن دارد. بنابراین جداره محفظه باید چنان مستحکم باشد که در اثر این فشار دچارتغییرشکل کمی شود یا اینکه با تعبیه کردن سازه ای درون محفظه از تغییرشکل آن جلوگیری گردد. مقدار مقاومت حرارتی علاوه برمقدار و گستره خلا به سازه عایق مخصوصاً سازه بین دو سطح انتقال حرارت بستگی دارد، چرا که این بخش سازه خود باعث به وجود آمدن راهی برای انتقال حرارت می گردد. هدف استفاده از سازه ای جدید برای تحمل نیروی اعمال شده بر سطوح عایق در اثر فشار هوای اتمسفرمی باشد. در این طرح به منظور ایجاد خلا در فاصله بین دو جداره عایق و غلبه بر نیروی ناشی از فشار هوای اعمال شده به سطوحخارجی از یک سازه صل بشونده توسط هوای فشرده استفاده می شود. با اعمال هوای فشرده به داخل این سازه, سازه از حالت انعطاف پذیر به سازه ای صلب تبدیل شده و قابلیت مقاومت دربرابر نیروی ناشی از فشار اتمسفر را پیدا می نماید. در اثر تغییر شکل کل مجموعه در بعضی قسمتهای عایق، خلا به وجودمی آید. طراحی خاص این سازه باعث می گردد که کل عایق که ازمواد انعطاف پذیر (پوششهای غیرقابل نفوذ توسط هوا) ساخته شده است, در هنگام اعمال فشار هوا به داخل سازه به صورت انعطاف ناپذیر درآید. طرح پیشنهادی برای سازه اصلی عایق خلابه صورت شکل 1 می باشد. این شکل عایق برش خورده را درحالت عملیاتی نشان می دهد. در این حالت روی سطوح خارجی فشار هوای اتمسفر عمل می کند. در فضای بین این سطوح، سازه نگهدارنده و محفظه خلا قرار دارد.
تحلیل سازه ای عایق
بخش اصلی سازه نگهدارنده برآمدگیهای تخم مرغی شکل می باشند. میزان فشار اعمالی به داخل سازه تعیین کننده نسبت مساحت منطقه خلا به کل عایق و در نتیجه معیاری از مقاومت حرارتی قابل دستیابی می باشد. به طور مثال در مساله مورد بررسی که نسبت مساحت منطقه خلا به کل مساحت سه به چهار است ، فشار مورد نیاز چهار برابر فشار هوای محیط است . با توجه به اینکه بخش اصلی سازه در تحلیل تنشی، برآمدگی ها می باشند، لذا مطلوب این است که تنش ماکزیمم کل عایق در این ناحیه ایجاد گردد تا بتوان به حداک ثر نسبت فشار به تنش ماکزیمم در کل عایق رسید. افزایش این نسبت به مفهوم افزایش کارآیی خصوصیات سازه ای و در نتیجه خصوصیات انتقال حرارتی عایق است. به منظور تحلیل تنشی طرح پیشنهاد شده تحت اثر فشاراستفاده شده است. ANSYS داخلی 4 اتمسفر از نرم افزارخصوصیات مکانیکی جنس مورد تحلیل مشابه با خصوصیات یک پوشش مورد استفاده در ساخت عایقهای خلا با عنوان MYLAR " 350 SBL300"می باشد. جنس مورد نظر انعطاف پذیر بوده و دارای ضریب هدایت حرارتی پایین می باشد. همچنین به علت وجود لایه بازتاب دهنده این پوشش دارای مقاومت بالا در برابرانتقال حرارت تشعشی است. خصوصیات پوشش مذکور در ارتباط با تحلیل تنشی عبارتند از:
مدول یانگ 510 MPa :
تنش تسلیم 25 MPa :
یک برش جزیی از عایق پیشنهاد شده مطابق شکل انتخاب و با استفاده از المانهای چهار وجهی المان بندی شده است. ابعاد هندسی اصلی مدل مذکور عبارتند از:
8 mm شعاع دایره پایه برآمدگ یها
5 mm حداقل شعاع دایره برآمدگ یها برای نسبت فشار چهار
10 mm ارتفاع برآمدگی ها
3 mm عرض کانالهای ارتباطی برآمدگی ها
0,35 mm ضخامت لایه شامل برآمدگی ها
1 mm ضخامت لایه های مسطح عایق
17,7 mm فاصله مرکز به مرکز برآمدگی ها
مدل المان بندی شده از نواحی داخلی برآمدگی ها و لوله های رابط تحت فشار 4 اتمسفر و در سطوح خارجی 1 اتمسفر قرار می گیرد. تغییرشکل و توزیع تنش فون میسر حاصل از تحلیل استاتیکی مدل ارائه شده د ر شکل 2 نشان داده شده است . تنش ماکزیمم در حدود19 است (در نقطه اتصال برآمدگی به لایه مسطح میانی ). Mpa ،(25 MPa) بنابراین با توجه به تنش تسلیم جنس مورد استفاده ضریب اطم ینان این طرح برای اعمال فشار 4 اتمسفر برابر 1,3 می باشد.
به طور کلی مقدار تنش ماکزیمم با شعاع برآمدگی ها و فشار اعمال شده رابطه مستقیم و با ضخامت پوشش رابطه معکوس دارد. بنابراین برای بهبود خصوصیات حرارتی در عین ثابت نگه داشتن تنش ماکزیمم، می توان ابعاد هندسی برآمدگی ها را کاهش داد.
تحلیل انتقال حرارتی عایق
به منظور تحلیل انتقال حرارتی عایق لازم است که راههای انتقال حرارت در عایق مورد بررسی قرار گرفته تا بتوان مساله را به طریق مناسبی مدل سازی کرد . با درنظر گرفتن خلا کامل در محفظه خلا، راههای اصلی انتقال حرارت بین سطوح بالایی و پایینی این عایق و نحوه مقاومت در برابر آنها عبارتند از :
– انتقال حرارت جابجایی توسط هوای داخل برآمدگی ها و کانالهای رابط . از آنجا که ابعاد هندسی این برآمدگی ها کوچک می باشد می توان فرض کرد که میزان انتقال حرارت جابجایی
توسط هوای محبوس در داخل برآمدگی ها ناچیز است.
– انتقال حرارت هدایتی بین سطوح بالایی و پایینی توسط هوای داخل برآمدگی ها و همچنین توسط جداره این برآمدگی ها انجام می گیرد. این انتقال حرارت هدایتی مهمترین بخش انتقال حرارت توسط عایق است . هندسه عایق ارائه شده، به واسطه پوشش و برآمدگی ها یک مسیر غیرمستقیم بین دو سطح خارجی عایق ایجاد می کند . پوشش پیشنهاد شده برای استفاده در عایق به عنوان جداره دارای مقاومت حر ارتی هدایتی بالا است . ضریب انتقال حرارت هدایتی این پوشش برابر با 0/155 می باشد . ضریب انتقال حرارت هدایتی هوا برابر است با W/moC 0/024 – شایان ذکر است که تغییر فشارهوا در محدوده فشار کاری عایق (4 اتمسفر) بر مقدار ضریب انتقال حرارت هدایتی هوا تاثیر قابل ملاحظه ای نمی گذارد .
– انتقال حرارت تشعشعی بین سطوح بالایی و پایینی . با توجه به اینکه پوشش پیشنهاد شده دارای سطوح براق و ضد تشعشع می باشد، عایق مذکور در برابر انتقال حرارت تشعشعی نیز دارای مقاومت مطلوبی است. با توجه به اینکه راه اصلی انتقال حرارت در عایق پیشنهاد شده، هدایت از طریق جداره برآمدگی ها و هوای محبوس در آنها بوده و بقیه راههای انتقال حرارت سهم اندکی در برابر این بخش دارند لذا در تحلیل انتقال حرارتی این مجموعه تنها انتقال حرارت هدایتی مورد بررسی قرار می گیرد. در تحلیل حرارتی انجام شده،سطوح بالا و پایین، کانالهای رابط و برآمدگی ها و هوای درون آنها به عنوان بخشهای اصلی هدایت دهنده حرارت به شکل سه بعدی مدل سازی شد هاند. با توجه به اینکه جدار هها دارای ضریب هدایت بالاتر و حجم کمتر و هوای درون سازه دارای ضریب هدایت پایین تر و حجم بیشتر است برای ساده سازی تحلیل، مجموع جداره ها و هوا به عنوان یک جسم با مقدار ضریب هدایتی معادل با ضرایب هدایتی جداره و هوا درنظر گرفته شده است. یک جزمساحت از عایق توسط المانهای چهار وجهی المان بندی شده است . دمای سطح پایین ثابت و معادل با 25 درجه سانتیگراد
W/mm درنظر گرفته می شود. بر سطوح خارجی فلاکس حرارتی w/mm2 0.01, w/mm2 0.01- به عنوان شرایط مرزی اعمال شده ومساله در حالت پایدار مورد تحلیل قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهد دمای سطح بالایی برابر 5- می باشد. با توجه به اینکه در مدل تحلیل شده مساحت برابر 2mm3/78 ، ضخامت برابر 2mm24/14 و اختلاف درجه حرارات سطوح 30 درجه سانتیگراد می باشد مقدار ضریب هدایت حرارتی برابر با w/m˚c 0.001 محاسبه می گردد.
نتیجه گیری
در مطالعه حاضر یک عایق حرارتی خلا جدید ابداع شده و بر Ansys معرفی می گردد. با استفاده از نرم افزار اساس روشهای اجزا محدود، خصوصیات سازه ای و انتقال حرارتی عایق مورد ارزیابی قرار می گیرد. نتایج محاسبات، قابلیت عایق پیشنهاد شده به عنوان یک عایق مطلوب را نشان می دهند.
برداشت و نظر گروه
از آنچه گفته شد نتایج زیر در مورد سازه هوای فشرده حاصل می گردد :
ایزوله بودن سازه / مقرون به صرفه با توجه به مدت زمان راه اندازی / عدم نیاز به تعدد نیروی کار در مدت طولانی ( حذف هزینه های کارگری ) / کاهش خطای انسانی در ساخت و راه اندازی / بهره وری از انرژی در زمینه های مختلف / طول عمر بالا ( 30سال ) / نصب و مجهز نمودن به کلیه عوامل جانبی اعم از تهویه، نورپردازی … در کوتاهترین زمان / سازگاری با محیط / زیبایی سازه و حفظ تمیزی به لحاظ استفاده از تکنولوژی / استفاده بهینه از حداکثر فضا های موجود داخل سازه حتی در گوشه های آن / عدم استفاده از مصالح ساختمانی رایج / برخورداری از هوای مطبوع در تمام فصول سال / عدم بکارگیری و نصب سیستم تهویه مجزا / پر تابل بودن کل مجموعه در حداقل زمان / استفاده از نور طبیعی در تمام طول روز در کلیه سطوح حتی دیواره سازه / مقاوم در برابر زلزله /امنیت / قابلیت بکارگیری در هر شرایط آب و هوائی و اقلیمی…
این موارد در کنار هم سازه هوای فشرده را در گروه سازه های منحصر به فرد قرار می دهد که صد البته استفده از آن ها در صورت موجود بودن تکنولوژی لازم در منطقه بسیار مفید خواهد بود . و نظر ما راجع به این سازه و استفاده از آن در ایران با توجه به نو بودن و کارایی آن کاملاً مثبت است .