سازه فضاكار چيست؟

نویسنده مسعود بقائي كيا ۱۴ آذر ۱۳۸۷ سازهفضاكارچيست؟
چكيده
امروزه با توجه به استفاده روزافزون از سازه هاي فضاكار و با بوجود آمدن نرم افزارها در عرصه مهندسي عمران-سازه-، نوآوري هايي در زمينه طراحي و ساخت سازه هاي فضاكار صورت گرفته به نحوي كه امروزه در دنيا شاهد محبوبيت روزافزون اين نوع سازه ها هستيم و اين محبوبيت ناشي از قابليت منحصر بفرد اين سازه ها است كه عبارت از پوشش دهنه هاي بزرگ به جلوه هاي زيبا، وزن كم، سادگي توليد، سرعت نصب و ... است .
از طرفي با پيشرفت علم و تكنولوژي نيازها و خواسته هاي جديد در زمينه مهندسي سازه رخ داده است . عامل زمان اهميت بيشتري يافته و باعث روي آوردن به سازه هاي پيش ساخته شده است، همچنين با افزايش جمعيت،جوامع بشري علاقه به داشتن فضاهاي بزرگ بدون حضور ستون هاي مياني از جمله مراكز خريد و سوپرماركت ها، مساجد، پل ها و سازه هايي كه در مدار زمين قرار مي گيرند نظير بشقاب مخابراتي اشاره كرد .
اين نوع سازه ها بدليل اشكال بسيار متنوع از جمله گنبدي، چليكي، قوسي، شبكه اي مسطح دو يا چند لايه و ...داراي جذابيت فراوان هستند . در اين مقاله سعي شده است كلياتي مفيد و قابل كاربرد در زمينه سازه هاي فضاكار اجمالا بيان شود تا مورد استفاده دانشجويان قرار گيرد.

-1 مقدمه
امروزه با پيشرفت علوم و تكنولوژي نيازها و خواسته هاي جديدي در زمينه مهندسي سازه رخ نموده است. عامل زمان در ساخت سازه ها اهميت دوچندان يافته و اين امر گرايش به سازه هاي پيش ساخته را افزايش داده است همچنين با افزايش جمعيت جوامع بشري علاقه به داشتن فضاهاي بزرگ بدون حضور ستون هاي مياني خواهان بسيار پيدا كرده است . در اين راستا از اوايل قرن حاضر تعدادي از متخصصين مجذوب قابليت هاي منحصر بفرد سازه هاي فضاكار گشته و پاسخ بسياري از نيازهاي جديد را در اين سازه ها جسته اند و البته به نتايج بسيار مثبتي نيز دست يافتند . با انتشار اين نتايج روز به روز اين عرصه با اقبال بيشتري مواجه گرديد به گونه اي كه با گذشت چندين دهه هنوز هم مطالعه سازه هاي فضاكار در كانون تحقيقات متخصصين و دانشجويان قرار دارد.
در اين مقاله منظور از عبارت سازه فضاكار سيستم هاي اسكلت فلزي بوده كه از بافت تعداد زيادي المان يا مدول با شكلهاي استاندارد به يكديگر تشكيل مي شو ند و نهايتا يك سيستم سبك و با صلبيت زياد را ايجاد مي كنند.
سازه هاي فضاكار در اشكال بسيار متنوعي ساخته مي شوندكه مهمترين آنها عبارتند از : شبكه هاي مسطح دو يا چند لايه، چليك ها، گنبدها و قوس ها . علاوه بر اين، سازه هاي فضاكار داراي بافتار متنوعي نيز مي باشند. بدين ترتيب كه با تغيير در آرايش المان ها مي توان بافتار جديد ايجاد كرد و بديهي است كه كارآيي هر بافتار بايد در مقايسه با بافتارهاي ديگر سنجيده شود.
مثال هاي متعددي از سازه هاي فضاكاري كه در دنيا و ايران ساخته شده است وجود دارد : از جمله استاديوم هاي ورزشي، مراكز فرهنگي، سالن هاي اجتماعات، مراكز خريد، ايستگاه هاي قطار،آشيانه هاي هواپيماها، مراكز تفريحي، برجهاي راديويي و ...
-2 تعريفوتاريخچهسازههايفضاكار
به سازه اي كه اصولا رفتار سه بعدي داشته باشد، به طوريكه به هيچ ترتيبي نتوان رفتار كلي آن را با استفاده از يك يا چند مجموعه مستقل دوبعدي تقريب زد، سازه فضاكار ناميده مي شود . با اين تعريف طيف وسيعي از سازه ها يعني حتي برخي از قوس ها و گنبدهاي آجري گذشته نيز جزو سازه هاي فضاكار محسوب مي شوند، اما در اينجا منظور سازه هاي سه بعدي خاص هستند كه معمولا داراي اعضاي مستقيم با اتصالات صلب يا مفصلي مي باشند
(-3 انواعسازههايفضاكار
الف - شبكههايتخت


به تركيب يك سيستم يك يا چند وجهي با لايه هاي واحد شبكه گفته مي شود . شبكه مسطح تركيبي از يك دو وجهي كه با تيرهاي واحد متصل شده است مي باشد . شبكه هاي تخت مي توانند داراي يك، دو يا سه و حتي چند لايه باشند، ولي بيشتر به صورت دولايه مورد استفاده قرا ر مي گيرند.
شبكه هاي دولايه از دو صفحه موازي كه بوسيله عناصري به هم متصل گرديده اند تشكيل مي شوند

. يك نمونه استفاده از اين شبكه ها در آشيانه هواپيماها است.
زماني كه اعضا در شبكه دولايه طويل شوند براي جلوگيري از خطر كمانش كردن از شبكه هاي سه لايه استفاده مي شود و با توجه به اينكه نيمي از هزينه هاي سازه هاي فضاكار را پيونده ها تشكيل مي دهند اين نوع سازه ها اغلب غير اقتصادي است . نكته ديگري كه در طراحي شبكه ها ي دولايه و اكثر سازه هاي فضاكار بايد در نظر گرفت اين است كه براي توزيع بهتر نيرو و كششي شدن آن ستون ها در داخل شبكه قرار گيرند و ستون به چند گره متصل شود و بهتر است براي توزيع منظم نيرو در سازه در اطراف كنسول داشته باشيم.
چند نمونه از شبكه هاي دولايه در شكل ( 2) نشان داده شده است.


به شبكه اي كه در يك جهت داراي انحنا باشد، چليك مي گويند . اين سازه بيشتر براي پوشش سطوح مستطيلي دالان مانند استفاده شده و بعضا فاقد ستون مي باشند و روي لبه هاي چليك كه به تكيه گاه متصل است، قرار مي گيرند . چليك ها داراي محور مي باشند. اگر چليك يك لايه ب اشد اتصالات به شكل صلب است . چليك ها اغلب به شكل تركيبي استفاده مي شوند و تير كمري نقش تركيب كردن چليك ها به يك ديگر را بازي مي كنند. نكته اي كه در طراحي اين نوع سازه ها بايد در نظر گرفت اين است كه انتهاي چليك بايد قوي باشد و اين تقويت را مي شود بوسيله تير، تير و ستون و شكل خورشيد مانند انجام داد.
انواع چليك ها در شكل ( 4) نشان داده شده است كه عبارتند از: چليك اريبي، چليك لَمِلا
با مقاطع بيضي گون، سهمي گون، هذلولي گون و... (Lamella)



اگر شبكه اي در دو جهت داراي انحنا باشد، گنبد ناميده مي شود . شايد رويه يك گنبد بخشي از يك كره يا يك مخروط يا اتصال چندين رويه باشد . گنبدها سازه هايي با صلبيت بالا مي باشند و براي دهانه هاي بسيار بزرگ تا حدود 250 متر مورد استفاده قرار مي گيرند . ارتفاع گنبد بايد بزرگتر .( از 15 % قطر پايه گنبد باشد. گنبدها داراي مركز هستند مثالهايي از اين گنبدها در شكل ( 6 ) نشان داده شده است.



6-a يك نوع گنبد از نوع دنده اي مي باشد
. در صورتيكه تعداد دنده ها زياد باشد بايد گنبد شكل به مسئله شلوغي اعضا درراس گنبد توجه شود كه براي اجتناب از اين مسئله بهتر است كه برخي از دنده هاي نزديك راس حذف شود 6-b
گنبد ديگري به نام اشفدلر مهندس آلماني در شكل 6-c
نشان داده شده است كه تعداد زيادي از اين نوع گنبدها بعد از قرن 19 توسط اشفدلر و ديگران ساخته شده است . از ايرادات اين گنبد مي توان به مسئله شلوغي اعضا در راس اشاره كرد، كه براي حل اين مشكل همان راه حل بالا ارائه مي شود. شكل 6-d
نمونه ديگري از گنبدها، گنبد لَمِلا است. اين گنبد را مي توان به نوعي تركيبي از يك يا چند حلقه كه با يكديگر متقاطع هستند، دانست. شكل هاي 6-e,f
شكل هاي 6-g , hنوع ديگري از خانواده ي گنبدها را به نام گنبدهاي ديامتيك نشان مي دهد.

در شكل هاي 6-j-iنمونه ديگري از گنبدها را به نام گنبدهاي حبابي ملاحظه مي كنيد.
در شكل هاي 6-k,lنمونه ديگري از گنبدها به نام گنبدهاي ژئودزيك ملاحظه مي شود
اتصالات در گنبدهاي دنده اي و اشفدلر حتما صلب هستند . از لحاظ پخش منظم نيرو ، گنبدهاي ژئودزيك، ديامتيك و حبابي بسيار مناسب هستند.

-4 امتيازاتسازههايفضاكار
امروزه در سراسر دنيا سازه هاي فضاكار به سرعت در حال پذيرش و مقبوليت در بين طراحان و مهندسين سازه مي باشند ؛ اين امر را نمي توان فقط مرهون جذابيت و زيبايي بيشتر اين سازه ها دانست، بلكه دلايل متعددي كه در ذيل به پاره اي از آنها اشاره مي شود در گسترش محبوبيت اين سازه ها موثر بوده است:
• جذابيت و زيبايي بيشتر و قابليت ساخت انواع فرمهاي دلخواه.
• ذخيره مقاومتي بيشتر به دليل داشتن درجات نامعيني بالا در مقايسه با ساير سازه هاي
متداول.
• سختي و صلبيت زياد اين سقف ها قابليت استثنايي براي حمل بارهاي بزرگ متمركز
و غير متقارن بوجود مي آورد.
• سيستم هاي فضاكار براي پوشش سالن هاي بزرگ اجتماعات، سالن هاي نمايشگاهي، ورزشگاه ها، آشيانه هواپيما، كارخانه هاي صنعتي، مساجد و به طور كلي تمام سازه هايي كه به نحوي محدوديت تكيه گاه هاي مياني دارند، ايده آل بوده و در اين موارد از نظر جلوه هاي ظاهري و مسائل سازه اي حالت منحصر بفردي را نسبت به ساير سيستم هاي جايگزين ايجاد مي كند.
• اكثر سيستم هاي فضاكار پيش ساخته بوده و قطعات مورد نياز آنها انبوه سازي
مي شوند به همين دليل اين سيستم ها معمولا به سادگي و در زمان كوتاهي توليد و
نصب مي شوند.
در آخر مي توان گفت كه اصلي ترين علت گسترش روز افزون سازه هاي فضاكار در جهان،
اقتصادي تر بودن اين سيستم ها است.
-5 خلاصهونتيجهگيري
در اين مقاله تلاش بر اين بود كه اصولي هر چند مجمل درباره سازه هاي فضاكار بيان شود، تا دانشجويان و محققين با ا ين نوع سازه و انواع مورد استفاده آن در دنيا بيش از پيش آشنا شوند و همچنين زمينه اي باشد براي تحقيق و پژوهش بيشتر در قبال اين مسئله . با توجه به قابليت هاي سازه هاي فضاكار كه در بالا بيان شده است و از طرفي ذكر اين نكته كه در كشور ما پيشرفت روزافزون را شاهد ه ستيم استفاده از اين نوع سازه ها براي پوشش دهنه هاي بزرگ پيشنهاد مي شود هر چند كه به دليل مسائل و مشكلات اقتصادي پيشرفت هاي كمي در مورد نحوه ساخت و نصب و مسائل فني و ايمني اين سازه ها صورت گرفته است اما اميد است با توجه و التفاتي كه استاد گرانقدر جناب آقاي پروفسور نوشين به اين مسئله مبذول فرموده اند شاهد پيشرفت و ترقي روزافزون و استفاده بيشتر و بهتر از اين سازه ها در كشور عزيزمان ايران بشود . البته توجه به اين نكته كه در ايران متخصصين
و اساتيدي در اين زمينه كارهاي بزرگي را انجام داده اند لازم و ضروري است و با يد از تجربيات آنها در اين زمينه استفاده شود.

این مقاله توسط ياسر دعائي دانشجوي دانشگاه شهيد باهنر كرمان تهیه و تنظیم شده است