تاریخچه سازه‌فضایی
سازه فضایی قاعده ای است برپایه خرپای سازه فضا یی که دهانه‌های آن در دو جهت گسترش یافته‌اند و اعضای آن فقط تحت تاثیر کشش و فشار هسنتد . این سازه‌ها از مدول‌های تکرارشونده با لایه‌های موازی تشکیل شده اند.
سازه فضایی، مجموعه سازه‌هایی شامل ، طاقها، برجها، شبکه‌های کابلی، سیستمهای پوسته‌ای و غشایی، سازه‌های تا شوندهستند.
سازهٔ فضایی، عبارت است از سازه‌ای که از اجزای خرپا مانند سبک و محکم تشکیل شده بر پایه‌هایی که در یک الگوی هندسی در کنار هم قرارمی گیرند. قاب‌های فضا یی برای پوشش دادن دهانه‌هایی که تکیه‌گاه کم دارند استفاده می شود. چون در قاب‌های فضا یی، همچون خرپاها از مثلث استفاده می‌شود، لنگرهای خمشی، به صورت بارهایکششی و فشاری به اعضای محوری خرپا منتقل می شود . که این خود باعث استحکام قاب‌های فضا یی است.
سازه فضا یی در بعضی مواقع به جای سازه فضاکار بکار می رود که از لحاظ معنا و مفهوم با هم تفاوت دارند. سازه فضایی به سازه های گفته می‌شود که در فضای خارج از جو ساخته یا مورد استفاده قرارمی گیرد که ممکن است خود یک فضاکار باشد.
ساده‌ترین نوع قاب‌های فضا یی به گونه ای است که هرم‌هایی با سقف تخت و با استفاده از میله‌های آلومینیومی و یا فولادی میله ای ساخته می شوند. این نوع از قاب‌ها شبیه به بازوی متحرک افقی یک جرثقیل برجی است که در کنار هم قرار گرفته‌اند. نوع دیگر قاب‌های فضا یی که دارای استحکام بیشتری نیز هست، به صورت هرم‌های چهاروجهی به هم پیوسته اجرا می‌شوند. در این حالت، همهٔ اعضای محوری قاب، دارای طول یکسانی هستند. از نظر فنی، این نوع از قاب فضا یی، مانند یک شبکهٔ برداری و یا یک خرپای هشت‌گانه است. در انواع دیگر قاب‌ها نیز، با تغییر دادن طول اعضای محوری، شکل کلی سازه به صورت انحناء یا اشکال هندسی دیگر تغییر می‌یابد.
دیباچه
قدیمی ترین ساخت‌ها برای سازه‌های فضاکار داربست‌هایی است که جهت نگهداری چادرهای انسانهای اولیه بکار می رفته . از جمله قدیمی ترین این چادرها متعلق به انسانهای اولیه ای است که در منطقه ای از چین باستان بوده که در چند سال پیش کشف گردیده. کاربرد سازه‌های شبکه‌ای و سه بعدی در روم باستان و ایران کهن و نیز ایران دوره صفویه در ساخت سالنهای اجتماعات ، آمفی تئاترها، قصرها، مساجد اسلامی، اماکن متبرکه و غیره ظهور گردید .
اولین شبکه چند لایه توسط الکساندر گراهام بل درسال ۱۹۰۶ برای کایت پرواز ساخته شد. در این شبکه طول اعضاء یکسان، اتصالات ساده بود. او اولین مهندسی است که حدود ۹۰ سال پیش توانست با قرار دادن صحیح اعضاء سازه‌ای در کنار هم سازه‌هایی محکم و سبک بسازد. گفت می شود کاربرد عملی وتوسعه یا فته سازه‌های فضا یی و طراحی اصولی این گونه سازه‌ها از سال ۱۹۵۰ شروع شده. مهندسین سازه به دلیل رفتار خوب این نوع سازه‌ها در برابر بارهای مختلف و مهندسین معمار به علت زیبایی و یکنواختی خاصی که در هندسه آنها موجود است مجذوب این گروه از سازه‌ها شده و تحقیق و بررسی عمیقی در رفتار واقعی این سازه‌ها و کاربرد ساختار بهینه در تحلیل و طرح این سیستمها آغاز گردید.
مزایا
طراحی اجزاء سازه‌ای در این سیستم به گونه ای است که سیستم اجرا شده از چنان زیبایی برخوردار است که در اکثر پروژ ه‌های اجرا شده، سازه بصورت نمایان باقی می‌ماند، حتی در بسیاری از موارد جهت نماسازی‌ها از این سیستم استفاده می شود.
از آنجایی که روش‌های مختلفی برای بافت در این سیستم وجود دارد، امکان همزمانی اجرای این سیستم با دیگر فعالیت‌های ساختمانی بطور همزمان و بدون مزاحمت وجود خواهد داشت.
فضای موجود بین لایه‌های سازه فضا یی اجرا شده محل مناسبی را جهت عبور تاسیسات برقی و مکانیکی که می‌بایستی در سطح سالن پراکنده شود فراهم می‌سازد با این امکان که این تاسیسات از حداقل دید برخوردار می‌باشد و هم چنین اتصال این قطعات و قطعات الحاقی دیگر نظیر تابلوها، نور افکن‌ها و … به راحتی و در تمامی سطح ایجاد شده وجود خواهد داشت.
بواسطه پیش ساخته سازی اجزای سازه در کارخانه و پیچ و مهره‌ای بودن کلیه اتصالات هیچگونه عملیات جوشکاری در هنگام مونتاژ و نصب سازه بر روی قطعات انجام نمی‌پذیرد.
برخلاف آنچه که از شکل ظاهری این سستم به نظر می‌آید سازه اجرا شده بسیار سبک بوده بطوریکه در مقایسه با دیگر سازه‌های ساختمانی در شرایط مساوی ترجیح داده می‌شود و از این سیستم در اضافه اشکوب‌ها و در زمین‌های با مقاومت خاک پایین استفاده فراوانی صورت می‌گیرد.
ارزان تر بودن این سیستم در مقایسه با سایر سیستمهای سازه‌ای به خصوص در سالنهای با دهانه بالا این سیستم را تبدیل به تنها گزینه‌ای نموده که با توجه به سایر مزیت‌های آن دارای توجیه اقتصادی می‌باشد.
از آنجایی که رد طول عملیات نصب سازه هیچگونه عملیات جوشکاری صورت نمی‌گیرد و کلیه اتصالات در سازه اصلی وقطعات الحاقی بصورت پیچ و مهره‌ای صورت می‌گیرد لذا سازه اجرا شده این قابلیت را دارا می‌باشد که بطور کامل مونتاژ گردد و در محل دیگر به همان شکل دیگری تنها با تغییرات اندکی در قطعات سازه‌ای نصب شود.
ساخت و تولید قطعات سازه در کارخانه، کنترل کیفیت و دقت بسیار بالایی را موجب خواهد شد که این امر خود دقت وکیفیت بالا در کل سازه اجرا شده را به همراه خواهد داشت.
به واسطه قابلیت خاصی که این سیستم سازه‌ای دارا می‌باشد کاهش و یا افزایش سطح سازه فضا یی اجرا شده از هر طرف و به هر شکل تغییر محل تکیه گاهها با حفظ سازه قبلی با رعایت نکات طراحی به راحتی امکان‌پذیر می‌باشد که این مطلب امکان فوق العاده‌ای را در سالنهای تجاری و صنعتی جهت طرح‌های توسعه ایجاد می‌نماید که از این نظر با هیچ نوع از سازه‌های دیگر قابل مقایسه نیست.
درجه نامعینی بالای این سیستم، پیچ و مهره‌ای بودن اتصالات و سهولت کنترل کیفیت قطعات و اتصالات و ساخت کارخانه‌ای قطعات بصورت پیش ساخته عواملی است که ضریب اطمینان و ایمنی سازه را به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد.
ایجاد سقف افقی در داخل سالن‌ها از دیگر مزیت این سیستم می‌باشد که علاوه بر زیبایی نسبت به سیستم‌هایی نظیر سوله در مصرف انرژی جهت گرمایش و سرمایش فضای داخل حداکثر صرفه جویی را موجب می‌گردد.
کاربرد
قاب‌های فضا یی در ساختمان‌های مدرن کاربرد فراوانی دارند. این نوع از قاب‌ها بیشتر در سقف‌هایی با دهانه‌های بزرگ در ساختمان‌های مدرن تجاری و صنعتی دیده می‌شوند.
سیستمهای سازه‌های فضا یی در سازه‌هایی که در آنها احتیاج به پوشش دهانه‌های بزرگ و بدون ستون است از قبیل:
آشیانه هواپیماها، سالنهای کارخانه‌ها، پوشش استادیوم‌های ورزشی، باشگاه‌های ورزشی، پارکینگ‌های طبقاتی، مراکز فرهنگی وتفریحی، تالارهای تجمع و سخنرانی، سالن اجتماعات، سینماها، آمفی تئاترها، مراکز خرید ،ایستگاههای راه آهن، ترمینال‌ها و … بکار می‌رود. سیستمهای سازه فضایی در سازه‌هایی چون دکل‌های انتقال نیرو، برج‌های مخابراتی، برج‌های ذخیره آب، بشقاب‌های مخابراتی و رادیویی، نیز کاربرد دارند.
سازه‌های فضایی از لحاظ ساختار
شبکه‌های دو لایه یکی از مهمترین و متداول ترین انواع سازه فضایی به شمارمی روند. این نوع سازها از دو صفحه عناصر که این دو صفحه با یکدیگر موازی و توسط عناصر میانی به یکدیگر متصل شده است.
شبکه‌های سه لایه
شبکه‌های سه لایه از دو صفحه بالا و پایین و یک صفحه میانی تشکیل شده‌اند که هر یک از صفحات بالا و پایین توسط اعضای میانی به صفحه میانی متصل اند. این شبکه‌ها در مواقعی به کار می‌روند که سازه دارای دهانه خیلی بزرگ باشد و ارتفاع شبکه دو لایه جوابگوی قیود آن نباشد.
سازه‌های چلیکی
اگر شبکه‌ای در یک جهت دارای انحناء باشد سازه‌های چلیکی نامیده می‌شود. این بیشتر برای پوشش سطوح مستطیلی شکل بکاربرده می‌شوند.
سازه‌های گنبدی
در صورتی که شبکه‌ای در دو جهت دارای انحناء باشد، سازه گنبدی نامیده می‌شود. در ساخت گنبدها سعی بر آن است که اعضا دارای یک اندازه باشد اما به هر حال تعداد انواع اعضا زیاد خواهد بود. برای ایجاد ساختار گنبدی کافی است یک شبکه را (به هر شکل دلخواه) روی یک کره تصویر نمود.
سازه فضایی از لحاظ مصالح
سازه فضایی فولادی
فولاد پر کاربردترین متریال در ساخت سازه‌های فضا یی به شمار می رود. شاید مهمترین علت آن سختی و جوش پذیری بالای آن باشد. یکی دیگر از ویژگیهای مفید فولاد، تنوع پروفیلهای فولادی و انبوه بودن در اکثر نقاط دنیا بخصوص در کشورهای صنعتی است.
اجزای تشکیل دهنده
گره‌ها (پیونده‌ها)
شاید می‌توان گفت که مهمترین قسمت در سازه‌های متداول اتصالات و جزئیات مربوط به آنها می‌باشد. پیونده مرو با قابلیت ۱۸ اتصال
اعضاء
بدنه اصلی یک سازه فضایی را اعضای آن سازه تشکیل می‌دهند. سازه‌های فضا یی، پروفیل هایی در اندازه و مقاطع مختلف می‌باشند. عمده ترین مقاطع بکار رفته در سازه‌های فضا یی مقطع دایره‌ای، به صورت توپر یا توخالی ومقاطع نبشی یا قوطی است.
تکیه گاهها
شکل و موقعیت تکیه گاهها در سازه فضایی، 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 تو پر و سنگین تشکیل می‌دهند.
روش‌های طراحی
در صورتی که بار به گره آبی رنگ اعمال شده و عضو سرخ رنگ وجود نداشت، آنگاه رفتار سازه کاملاً به سختی خمشی گره آبی بستگی داشت. اما اگر عضو قرمز رنگ را در نظر گرفته و از سختی خمشی گره آبی و سختی عضو قرمز صرف نظر کنیم، در این حال، می‌توان این سیستم را با استفاده از ماتریس سختی و بدون درنظر گرفتن تغییرات زاویه‌ای محاسبه کرد.
قاب‌های فضا یی معمولاً با استفاده از ماتریس سختی، طراحی می‌شوند. ویژگی ماتریس سختی، مستقل بودن آن نسبت به تغییرات زاویه‌ای است. اگر مفصل‌ها به حد کافی محکم و سخت باشند، برای سادگی در محاسبات، می‌توان از تغییرات زاویه‌ای صرف نظر کرد.
مراحل اجرای پروژه‌ها
- طراحی: (مدل سازی در Formian وانتقال و ادیت نقشه در AutoCad)
- محاسبات: (توسط نرم‌افزار Sap-AISC ASD)
- تولید هموندها
- رنگ آمیزی هموندها
- ستون گذاری
- بافت سازه فضایی
- نصب سازه فضایی
- نصب پوشانه
روش‌های نصب
- گسترش و تثبیت تمامی اعضای سازه به صورت یکجا، سپس نصب آن در محل دائمی.
- 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.