Archive for فوریه, 2015

زیبا شناسی سازه ای

واژه کلیدی:معماری،هنر،سازه،زیبایی شناسی،ساختمان،معمار،مهندس

چکیده

براساس تعاریف متداول و پذیرفته شده در مهندسی ساختمان هدف طراحی سازه ایجاد فرم هایی است که ضمن تامین نیازهای کاربردی،بارهای وارد بر ساختمان را با اقتصادترین روش و بالاترین بازده سازه ای تحمل نمایند.هدف طراحی سازه باید ایجاد فرم هایی باشد که علاوه بر دستیابی به نتایج فوق از نظر عملکردی و نیز زیبایی شناسی تامین کننده معیارهای مورد نظر در طراحی معماری ساختمان باشد. نتیجه مشارکت و همکاری نزدیک میان معماران و مهندسین سازه ارائه طرح هایی است که هم ازنظر پایداری و هم از لحاظ زیبایی شناسی واجد شرایط لازم باشند بطوریکه سازه ساختمان نیز شرایط تحقق معیارهای زیبایی شناسی معماری را فراهم نموده و صرفا کاربردی و ارزان نباشد.

معمار و مهندس ساختمان باید در تمام مراحل طراحی ساختمان،از مراحل اولیه که طرح در حد مفاهیم اولیه در ذهن معمار تجسم می یابد تا مراحل طراحی تفصیلی و اجرا همکاری و مشارکت بسیار نزدیک با یکدیگر داشته باشند.

در این مقاله با استفاده از مطالعات نظری و بررسی های تحلیلی انجام شده و نیز نقد دیدگاه های مختلف در زمینه معماری و مهندسی ساختمان نحوه استفاده از دانش مهندسی سازه در زمینه خلق مفاهیم تازه و ایجاد فرم های سازه ای بدیع با استفاده از سیستم های ساختمانی جدید مورد بررسی قرار می گیرد و نقش هنر مهندسی سازه در شکل گیری فرم های بدیع در معماری امروز جهان با ارائه نمونه های برجسته از طرح های اجرا شده بصورت تحلیلی بیان می شود.

مقدمه

در ذهن عموم مردم،مهندسی سازه محدود به درک مفاهیم ریاضی،تجزیه و تحلیل سازه،تجسم تفصیلی سیستم های سازه ای و طراحی آن می باشد.تصور اکثر افراد از وظایف مهندس سازه جوابگویی به نیازهای یک معماری برای ایجاد یک سیستم سازه ای است که ضمن تحمل نیروهای وارده رفتار شناخته شده ای در شرایط مختلف بارگذاری داشته و از ایمنی لازم برخوردار باشد. فرآیندی از طراحی که نیاز به محاسبات بسیار زیاد جهت تعیین تنش ها و تغییر شکل ها دارد.هر چند مهندسین ساختمان واقعا چنین محاسباتی را انجام می دهند اما باید سهمی بسیاراز محاسبات سازه ای در شکل گیری یک طرح معماری بدیع و نوین داشته باشند.

هدف از طراحی سازه به وجود آوردن ساختمان های مقاومی است که تامین کننده نیازهای کاربردی و نیز زیبایی شناسی مورد نظر باشند. طراح نه تنها باید دامنه وسیعی از انتخاب های مختلف را مد نظر داشته باشد،بلکه باید رفتار این سیستم ها را در شرایط مختلف بارگذاری دقیقا بررسی نماید و از تامین سایر نیازهای طرح اطمینان حاصل نماید.

در این مقاله نقش و تاثیر اساسی مهندسین سازه در شکل گیری یک معماری صحیح،خوب و قابل قبول مورد تجزیه وتحلیل قرار می گیرد و راه های ممکن برای تحقق نقش واقعی و شایسته مهندس سازه در طراحی فرم و شکل گیری اجزای مختلف ساختمان ارائه می گردد.همچنین به تفصیل تاثیر خلاقیت مهندسین سازه و بکارگیری دانش مهندسی سازه در ارائه فرم های سازه ای که تامین کننده خواسته های معماری و معیارهای زیبایی شناسی ساختمان باشند مورد بررسی قرار می گیرد.

اهداف طراحی سازه

برای یک طراحی خوب،صحیح و مناسب تعاریف متعددی ارائه گردیده است.ویترویوس سه مرتبه برای معماری قائل است:سودمندی ،پایداری و زیبایی. از مجموع آنچه که در تعریف یک طراحی صحیح از گذشته تا به حال بیان شده است و براساس آنچه که در طراحی سازه به عنوان هدف نهایی در نظر گرفته می شود می توان نتیجه گرفت اساسا یک طرح خوب واجد مشخصاتی بشرح زیر می باشد:

الف- سادگی

ب-وحدت

ج- ضرورت

هریک از این مشخصات باید در تمامی مراحل طراحی مورد توجه قرار گیرد و حتی در مرحله تعیین جرئیات و طراحی اجزاء ساختمان بطور دقیق رعایت گردد.

1-      سادگی(Simplicity)

این اصل در تمامی هنرها بنحو گسترده مورد توجه می باشد و یک اصل مشترک در زمینه های مختلف طراحی از طراحی معماری تا طراحی صنعتی بشمار می رود و نتیجه آن احساس آرامش و آسایشی است که حاصل کوشش فراوان طراح جهت تحقق این اصل بسیار مهم است.سازه ای که در آن تامین نیازها و خواسته ها و آسایش استفاده کنندگان به سختی محقق می گردد داری سادگی نیست. ساده بودن به معنی ابتدایی بودن نیست،سازه ای که منطبق با نیازهای طرح بوده،به سهولت قابل اجرا باشد و در عین حال دارای پیچیدگی تحلیلی و محاسباتی نباشد را می توان یک سازه واجد اصل سادگی دانست. ریچارد راجرز(Richard Rogers) در طرح ساختمان پت سنتر(Patcenter)در پرینستون(تصویر شماره 1) بخوبی از این ویژگی جهت ارائه طرح های بدیع و نوین با بکارگیری مفاهیم اولیه و ساده استفاده نموده است.

سازه

2-      وحدت(Unity)

وحدت در یک طرح به معنای هماهنگی،یکپارچه و منسجم بودن است و نه یک شی واحد بودن.تعریف وحدت در یک پل هوایی کوچک بسیار متفاوت است با تعریف آن در یک نیروگاه تولید برق.این ساختمان از اجزاء متفاوتی تشکیل می شوند که باید در راستای تحقق یک هدف معین قرار گیرند.چنانچه اجزاء یک طرح در راستای نیل به یک هدف مشخص طراحی شده باشند،وحدت در تمامی اجزای طرح قابل مشاهده خواهد بود. نوعی وحدت تصنعی نیز وجود دارد که باید از آن احتراز نمود. مجموعه ای از اجزاء غیرمتناسب ،ناهماهنگ و ناموزون را ممکن است در کنار یکدیگر قرار داد ولی عدم دستیابی این مجموعه به یک هدف واحد نتیجه ای جز غیرقابل قبول بودن طرح به همراه نخواهد داشت.

در استادیوم المپیک مونیخ(تصویر شماره 2) از طراحی های فرای آتو (Frei Otto) اجزاء طرح در عین زیبایی دارای وحدت و یکپارچگی می باشند.

استادیوم المپیک

3-      ضرورت (Necessity)

این اصل به نوعی کلید حل معمای طراحی می باشد،بهترین نتیجه هنگامی به دست می آید که تمامی نیازهای پیش بینی شده در یک پروژه تحقق یابد. این اصل ناشی از توجه به ویژگی فطری انسان است.ذهن انسان در پذیرش آنچه مورد نیاز است احساس آرامش می کند و در جضور عناصر زائد و ساختگی احساسی ناآرام دارد.

طراحی هوشمندانه و استثنایی پیتر باسبی(Peter Busby)در طرح ساختمان ایستگاه قطار برنت وود (Brentwood Skytrain Station) در بریتش کلمبیا(تصویر شماره3) که با استفاده از فرم های سازه ارگانیک انجام شده است نشان دهنده بکارگیری صحیح اصول پایداری سازه و رفتار مناسب ساختمان در برابر نیروها همراه با رعایت اصل ضرورت در طراحی سازه و ساختمان می باشد.

این اصول(سادگی،وحدت و ضرورت) را نباید به عنوان مراحل تحقق یک طرح در روند طراحی در نظر گرفت.بلکه این ویژگی ها به منزله معیارهایی هستند که می توان یک طرح خوب را توسط آن ها ارزیابی نمود.

ساختمان ایستگاه قطار

4-      عملکرد،ایمنی،اقتصاد

بطور معمول نیازهای اصلی که یک سیستم سازه ای باید به آن پاسخ دهد شامل عملکرد،ایمنی و اقتصاد می باشد.میزان موفقیت ساختمان در تحقق این نیازها را می توان با توجه به ویژگی بیان شده مورد بررسی قرار داد.بدین ترتیب طرحی که نیازهای کاربردی را به طور عملی و نیز اقتصادی تامین می نماید فقط به حداقل انتظاراتی که از یک طرح وجود دارد پاسخ داده است. وظیفه سنگین طراح برای دستیابی به سادگی ،وحدت و ضرورت تلاش و کوشش بسیار در جهت رسیدن به مناسب ترین راه حل های سازه ای و تحقق این ویژگی ها را الزامی می نماید.در ساختمان 100 طبقه مرکز جان هنکاک (John Honcock) (تصویر شماره 4) در شیکاگو،طرح معماری با رعایت اصل سادگی و براساس نیازهای سازه ای از سیستم لوله ای (Tube System) که ساختمان تماما بصورت یک لوله عمودی با مقطع متغیر در برابر نیروها مقاومت می نماید و برای تامین پایداری جانبی ساختمان،اعضا مهاربندی قطری براساس ضرورت در نمای ساختمان قرار گرفته اند.

ساختمان جان هنکاک

مهندس سازه،تصور و انتظارات

مهندسی سازه تخصصی نوین و پدیده نسبتا جدیدی است.برای مدت های زیادی هیچ تمایزی بین طراحان،معماران و مهندسین و حتی بین مهندسین و سازندگان وجود نداشت . در پی جدا ساختن تخصص های گوناگون و تفکیک وظیفه طراحی سازه از طراحی معماری و تعریف مهندس سازه و تعیین وظایف خاص و محدود برای مهندسین سازه در زمینه محاسبات سازه ای،از آنان تصویری فاقد خلاقیت و تخیل بوجود آورده است بنحوی که مهندسین سازه عموما بعنوان افرادی که فقط علاقمند به ریاضیات محض و محاسبات پیچیده در ارتباط با نیروها و تغییر شکل ها می باشند شناخته می شوند.به همین دلیل امروزه مهندسین سازه مشکلات فراوانی برای اثبات خلاقیت و قدرت تخیل خویش دارند. جک زونز(Jack Zunz) این مشکل را چنین بیان می نماید:

“…،اگر سعی کنید تا بفهمید چه کسی هواپیمای کنکورد را طراحی کرده است،چنین تصوری در ذهن شکل می گیرد که گروهی شامل صنعتگران،برنامه ریزان،ناظران و سازندگان آن را ساخته اند و اقتصاد آن نیز تحت کنترل مدیرانی است که افراد با تخصص های مختلفی را بکار می گیرند و در نهایت و آخر از همه طراحان را نیز شامل می شود.این تصویر بسیار عادی وبعضا شبیه کاریکاتور نشان دهنده القاء این مطلب در ذهن بسیاری از انسان هاست که دنیای مهندسی در یک محیط انتزاعی و دور از معانی و مفاهیم واقعی گم شده است.”

غرفه سازه امریکایی

باکمینستر فولر(Buckminster Fuller) با بهره گیری مناسب از خصوصیات مصالح و درک صحیح از رفتار سازه ای پربازده گنبدهای ژئودزیک (Geodesic Dome) وبا طراحی ساختمان های بدیع همچون غرفه امریکا در نمایشگاه جهانی مونترال(تصویر شماره 5) (American Pavillion,World Exposition,Montereal)موفقیت های بزرگی در زمینه اجرای این سازه ها کسب نمود و امتیازات قابل توجه این سیستم ساختمانی را بخوبی در معرض قضاوت و استفاده معماران و مهندسان قرار داد.

برای بسیاری از افراد و حتی متخصصان در اغلب موارد بسیار مشکل است تا نقش واقعی مهندسی را بشناسند. بخش عمده کار مهندسی از نظرها مخفی می ماند و به همین دلیل درک آن آسان نمی باشد . در چنین شرایطی جای تعجب نیست که معمارانی به مهندسین سازه طرح مانند یک تکنسین نگاه کنند. واقعیتی که ریچارد راجرز نیز درمورد آن اظهار تاسف می کند و اضافه می نمایند که:

“اکثر اوقات حقایق به اندازه کافی مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار نمی گیرند،زیرا برای همه آسان تر است که روش ساده و متداول را برای حل مشکلات انتخاب نمایند، البته نباید فراموش کرد که مهندسین سازه هر چند از دانش فنی و مهارت بالایی برخودار باشند بندرت تمایل به در میان گذاشتن عقاید خود دارند.از سوی دیگر تجربه اندکی در بیان این که از دید خود آنها چه کسی یک مهندس سازه موفق تلقی می شود دارند.”

تبادل نظر لازمه دستیابی به شرایط لازم برای یک همکاری موفق بین معمار و مهندس ساختمان است.مهندسین باید رفتار و عکس العمل یک ساختمان را در شرایط متفاوت بارگذاری تحلیل نمایند.این مسئولیت،مهندسین ساختمان را نسبت به سایرین یعنی کسانی که اطلاعات فنی را بخوبی درک نمی نمایند،محافظه کار تر می کند.

در ساختمان مرکز فرهنگی ژرژپمیدو(Georges Pompidou Center) در پاریس (تصویر شماره 6)طراحی ریچارد راجرز (Richard Rogers) و رنزپیانو(Renzo Piano) همکاری مشترک بین معمار و مهندس سازه و قرار گرفتن سازه در بیرون ساختمان سبب گردد.در نتیجه می توان فعالیت های مختلف و نمایشگاه های متعدد را باحفظ خصوصیات هر یک در آن برگزار نمود.

مرکز فرهنگی در پاریس

در مقابل پیتر رایس (Peter Rice) که در سال های گذشته برجسته ترین طراحی های سازه ای را برای مهمترین طرح های معماری قرن بیستم در قالب شرکت اوو آروپ و شرکاء(Ove Arup & Partneres) ارائه نموده است در سخنرانی خویش هنگام دریافت نشان افتخار آکادمی سلطنتی معماران بریتانیا(RIBA) در سال 1992ادعا می نماید که مهندسین ساختمان نیاز به هویتی مستقل دارند:

“….برای تعیین حدود و یا بیان فرق بین مهندسی سازه و معماری ،به نظر من معمار روشی ذهنی را در کار خود مورد توجه قرار می دهد درحالیکه مهندس سازه روش های عینی را بکار می گیرد.اما این دنیای عینی مهندسی عناصر فراوانی دارد که در مورد بسیاری از آنها هنوز شناخت کاملی وجود ندارد. معمار مکانی را در نظر می گیرد و می گوید به نظر او چه چیزی باید در آن مکان قرار داده شود. در حالی که مهندس با استفاده از داده ها و اطلاعات ذهنی خویش باید بیشتر سعی در اختراع فرم ها نماید تا تعریف فضاها. “

طراحی پل ژاپن(Japan Bridge) به دهانه 100 متر در ناحیه لادفانس پاریس (La Defense,Paris)(تصویر شماره 7) که توسط پیتر رایس که و با بهره گیری از یک فرم قوسی بدیع انجام شده است ،بخوبی تاثیر بکارگرفتن این روش های عینی را در طراحی چنین سازه ای همراه با نوآوری و ابداع فرم های جدید نشان می دهد.

پل ژاپن

این نقش های متفاوت و در عین حال یکسان از نظر اهیمت که برای رسیدن به یک هدف واحد در نظر گرفته می شوند.باید کاملا درک شوند تا بتوان به ارزیابی صحیح و تشخیص درست در مورد اهمیت کار و حرفه یک مهندس دست یافت.در آن صورت رابطه بین طراحی و ساختار نه تنها به یک رقابت تبدیل نخواهد شد بلکه معمار و مهندس پذیرای نقش واقعی یکدیگر در شکل گیری یک معماری خوب خواهند بود.

نتیجه چنین تفکری بخوبی توسط نورمن فاستر در طراحی برج 840 متری میلینیوم(Millinnium Tower)(تصویر شماره 8) بکار گرفته شده است. در این طرح از سیستم لوله ای (Tube System) با شکل مخروطی و مهاربندی هایی در نمای بیرونی ساختمان برای پایداری در برابر نیروهای قائم و افقی استفاده شده است.

زیبایی شناسی سازه ای

بدون تردید درک مهندسی احتیاج بیشتری به روش های فنی تر وعملی تر دارد تا دریافت زیبایی های بصری،مهندس باید ضمن تامین اهداف کاربردی،قوانین علم فیزیک و اصول پایداری سازه را مد نظر داشته باشد و همزمان به ساده ترین،اقتصادی ترین و بهترین روش دست یابد.نتیجه ای که باید بصورت همزمان تمامی خواسته های طراحی را تامین کند و نه فقط یک خواسته را به دلایل بالا یک طراحی مهندسی برای شخصی که قدرت درک اصول مهندسی و طراحی را تامین کند و نه فقط یک خواسته را به دلایل بالا یک طراحی مهندسی برای شخصی که قدرت درک اصول مهندسی و طراحی سیستم ها را ندارد قابل لمس نخواهد بود.

برای اینکه بتوان به بررسی و ارزیابی خلاقیت های سازه ای پرداخت و یا در مورد زیبایی شناسی مهندسی و یا سازه های معماری قضاوت نمود،احتیاج به زبان خاصی برای این نقد و بررسی می باشد.یک عبارت قدیمی با ظرافت و اجمال درک بصری رفتار ساختمان را چنین توصیف می نماید:”اگر بنایی بنظر درست می آید پس آن بنا درست است”. چنین نظریه ای در محدوده قضاوت های مهندسی نیز وجود دارد.اما این اصطلاحات به هیچ وجه در آموزش افراد و یا بالا بردن درک و احساس آنان از طرح های مهندسی کمکی نمی نماید و همچنان استفاده از روش ها و معیارهای پذیرفته شده توسط محققان و صاحبنظران برای نقد و ارزشیابی یک طرح ضروری است.در ساختمان خانه اپرای سیدنی طراحی یورن اوتزن(Jorn Utzon)آن استفاده از محاسبات ریاضی برای دستیابی به زیبایی در طرح معماری بخوبی مشهود است(تصویر شماره 9).

با این وجود هنگام نقد یک طرح مهندسی معمولا سوالاتی و با ابهاماتی وجود دارد،به عنوان مثال دانستن اهداف اصلی یک مهندسی در ارائه یک طرح کاری دشوار است.این اهداف معمولا تحت تاثیر عواملی خارج از کنترل طراح قرار می گیرند،عواملی مانند نظرات کارفرما،محدودیت های زمان،هزینه اجرا و غیره.

خانه اپرای سیدنی

براساس تحقیقات و بررسی های انجام شده در ارتباط با تعداد بسیاری از طرح ها موارد زیر می تواند بعنوان معیارهای سنجش و قضاوت در مورد زیبایی شناسی مهندسی سازه مورد استفاده و استناد قرار گیرد:

–          استفاده از رفتار سازه ای خالص از قبیل کشش،خمش و یا رفتار پوسته ای

–          سادگی اتصالات و عناصر سازه ای

–          طراحی سازه به صورت یک کل و بعنوان یک مجموعه واحد

–          صداقت و صراحت سازه

–          وجود تناسب میان ظرافت و استحکام

–          استفاده مناسب از مصالح با توجه به مقاومت و رفتار سازه ای آنان

–          ارائه طرح به عنوان راه حلی که مانع بوجودآمدن مشکلات احتمالی می گردد و نه آنکه درصدد پنهان ساختن آن ها باشد.

–          ارائه و بیان عملکردهای سازه ای در اتصالات

–          ترکیب مناسب مصالح و رفتار عناصر سازه ای در اتصالات

–          نشان دادن و ارائه مسیر انتقال نیروهای وارده بر سازه و تنش های درونی حاصل از آن فرم یا هندسه سازه

–          استفاده از فرم های خالص هندسی و یا اشکال طبیعی مانند دایره،مکعب،منحنی زنجیری

–          انتخاب فرم های سازه ای که امکان توصیف و قضاوت را بخوبی فراهم می نماید

–          کاربرد صحیح نشانه هایی از نمونه های پیشین در تاریخ ،فرهنگ و یا طبیعت محل اجرای طرح

–          تناسب و همبستگی بین عناصر سازه ای و عناصر غیر سازه ای ساختمان،مانند تاسیسات ساختمان،عناصر تکمیلی و پوشش ساختمان

–          بیان روش و مراحل احداث سازه به وسیله خود ساختمان

طراحی موزه هنر میلواکی(Milwaukee Art Museum)(تصویر شماره 10)توسط سانتیاگو کالاتراوا در ویسکانسین،امریکا با ترکیبی خلاقانه از سازه های کششی،فرم های آزاد و سقف های دارای انحنا و ادغام آن با پل عابر پیاده کابلی پاسخی مناسب به معیارهای فوق الذکر بشمار می رود.رعایت همین اصول و توجه به این معیارها در طراحی موزه هنر میلواکی علت اصلی موفقیت این طرح بوده است.طرحی که می تواند از نظر نوآوری با قصربلورین(Crystal Place)جوزف پاکستون (Josef Paxton)مقایسه شود.

موزه هنر میلواکی

مهندسی ساختمان باید با الگوهای موفق هنر در زمینه طراحی چه در گذشته و چه در حال آشنا باشد،همچنان که معماران،هنرمندان و موسیقی دانان معمولا این گونه هستند.مهندسین ساختمان می توانند به قدرت تخیل و درک بسیار بالا دست یابند آن گاه که این قابلیت را پیدا کنند که بتوانند توضیح دهند چرا یک بنای خاص خوب طراحی شده و چرا بنای دیگری طراحی خوبی ندارد و یا اینکه چرا پیرلوئیجی نروی(PierLuigi Nervi)،میلارت (Robert Maillart)،فلیکس کاندلا(Felix Candela) و ادوارد تروجا(Edward Torroja) و افرادی نظیر آنان در عصر حاضر مانند پیتررایس(Peter Rice)و سانتیاگو کالاتراوا(Santiago Calatrava) مهندسین سازه موفقی بوده اند.چنین بحث هایی به آنها این امکان را خواهد داد تا بتوانند طبیعت و ویژگی های طراحی مهندسی را بخوبی دریابند و به دریافت های دقیق تری از نحوه موفقیت طرح های برجسته دست یابند و از آن در طراحی های خویش بهره گیرند.

در ساختمان استادیوم فوتبال سیدنی جایگاه های منحنی شکل استادیوم که با استفاده از دال های بتنی پله ای ساخته شده است و سقف خرپای طره ای با رفتار خالص کششی و فشاری بخوبی با شکل پلان معماری استادیوم هماهنگی داشته و مهارت مهندس سازه آن را در استفاده از اشکال مختلف سازه ای نشان می دهد(تصویر شماره 11).

استادیوم فوتبال سیدنی

مهارت های مهندس سازه

برای کسی که مهندس سازه نیست معمولا درک مهارت های لازم در روند طراحی مهندسی امری دشوار است.این امر بدان دلیل است که تنها اثر باقیمانده از فعالیت طراحی که افراد مشاهده می کنند همان بنای تکمیل شده است که معمولا سازه ساختمان در آن پنهان است. شناخت مهارت های مهندس سازه شامل آنچه که مهندسین سازه می دانند و فعالیت هایی است که آنان در روند طراحی سازه انجام می دهند.این مهارت ها می توانند در مسیر دست یابی به اصول زیبایی شناسی سازه ای موثر واقع شود.

موارد زیر مختصری از این مهارت های را شامل می گردد:

–          پیش بینی بارگذاری های ممکن یک بنا و نقش عکس العمل های آن

–          بررسی گسیختگی های احتمالی سازه تحت تاثیر نیروها هم از نظر رفتار اعضای تشکیل دهنده و هم از نظر پایداری کل سازه در برابر نیروهای وارده بعنوان یک مجموعه واحد

–          قابلیت ارزیابی نیروهای وارد برساختمان هم از نظر کیفیت و هم از نظر کمیت

–          داشتن احاطه نسبت به خصوصیات و رفتار مواد و سازه ها

–          توانایی نطبیق نحوه تفکر و نگرش به مصالح،سازه و رفتار آن به تناسب موقعیت های مختلف

–          توانایی بوجود آوردن روندی برای طراحی و ساخت سازه ای که تاکنون اجرا نشده است.

–          توانایی خلق مدل ریاضی سازه با استفاده از هندسه،جبر،مثلثات،احتمالات و غیره

–          ساختن مدل های نمونه ای در ابعاد کوچکتر به منظور ارزیابی و آزمایش تئوری های سازه ای

–          قدرت تفسیر نتایج بدست آمده از نمونه های ساخته شده برای کاربرد در ابعاد واقعی

–          انتخاب معیارهای اجرایی براساس ارزیابی یک سازه و تعیین حدودی که نباید مقادیر و کمیت ها در طراحی از آن ها فراتر رود

ساختمان مرکزی

–          درک تاثیر متقابل سایر خواسته ها ومعیارهای طرح(از قبیل هزینه ساخت،تاسیسات ساختمان،خدمات،عمر مفید،دوام،مقاومت در برابر آتش و غیره)بر سازه ساختمان و بالعکس

–          ارزیابی قابلیت و امکان ساخت طرح های پیشنهادی

–          ارائه طرح هایی که به سهولت و با هزینه کمتر قابل اجرا می باشند

–          قابلیت درک اینکه در چه زمانی و با در چه شرایطی طراحی سازه به نحو مناسب تکمیل شده است.

طراحی ساختمان مرکزی بانک هنگ کنگ(Hong Kong Bank Headquarter) به ارتفاع 180 متر و با 47 طبقه توسط نورمن فوستر(Norman Foster) نشان دهنده بکارگیری صحیح و هوشمندانه این مهارت در یک طرح بی نظیر و استثنایی(از نظر معماری،طراحی سازه و کیفیت اجرا)می باشد(تصویر شماره 8).به گفته نورمن فوستر مسیر نیروی وزن طبقات معلق،بازوهای کششی شیب دار و برج های نگهدارنده نیروی عمودی بطور کامل در نمای ساختمان دیده می شوند و همراه با آویزه های نگهدارنده نحوه عملکرد سقف معلق را بخوبی مشخص می کنند.

معماران و مهندسان

هر چند سازه ساختمان و عملکرد آن متمایز از هم بنظر می رسند ولی همواره سازه اثری تعیین کننده بر معماری ساختمان دارد.سازه اولا بخش ضروری و غیرقابل حذف ساختمان است،ثانیا سازه باید همواره تابع قوانین طبیعت و فیزیک باشد و به همین دلیل نمی تواند هر خواسته ای را در طراحی معماری تامین کند،ثالثا هر چند سازه یک بخش ضروری ساختمان است ولی اکثر پنهان است و در بسیاری موارد چنین به نظر می رسد که ظاهرا تاثیری بر معماری ساختمان ندارد و سرانجام ایجاد سازه در بردارنده هزینه هایی است. البته هزینه ایجاد سازه در مقایسه با دیگر هزینه های ساختمان رقم اصلی را شامل نمی شود.اما به هر حال هزینه هایی ایجاد خواهد نمود و عموما در ساختمان ها هزینه ایجاد سازه یک چهارم تا یک سوم هزینه کل ساختمان است.در بعضی ساختمان ها مانند پل ها یا سالن های با دهانه زیاد،هزینه سازه مهمترین بخش از هزینه کل ساختمان است.

سازه عاملی است که می تواند منجر به اختلاف نظر بین معمار و مهندس ساختمان شود.امروزه یک معمار خوب باید دارای دانش عمومی در مورد رفتار سازه ها باشد.بعلاوه او باید یک هنرمند باشد و مقید و متعهد به رعایت اصول طراحی معماری و معیارهای زیبایی شناسی . از طرف دیگر مهندس سازه بدلیل نحوه نگرش خاص او به مسائل ساختمان یک فرد عمل گراست.طرحی کاملا موفق خواهد بود که معمار آن رفتار سازه ها را بخوبی درک کند و مهندس سازه آن به طراحی معماری و معیارهای زیبایی شناسی آگاه و متعهد باشد. در نهایت معمار رهبر تیمی است که فرآیند طراحی و اجرای ساختمان را برعهده دارد و تمام مسئولیت و نیز افتخار موفقیت پروژه در این بخش نصیب وی خواهد شد.در ساختمان سالن ورزش پلازتو دلو اسپرت در شهر رم،پیرلوئیجی نروی با انتخاب فرم کاملا مناسب ستون ها و سقف پوسته ای از بتن مسلح با فرم گنبد لاملا(Lamella)،یکی از بهترین و زیباترین آثار معماری قرن بیستم را که نشان دهنده درک صحیح و دقیق وی از رفتار سازه ها می باشد،با کیفیتی تحسین برانگیز طراحی و اجرا نموده است.(تصویر شماره 13)

سالن ورزشی در رم

نتیجه گیری

همچنانکه در بخش”اهداف طراحی سازه ” نشان داده شد،طراحی یک ساختمان باید قبل از هر چیز بعنوان یک فعالیت مشترک و یک کار گروهی با مشارکت معمار و مهندس سازه شناخته شود و به همین دلیل نسبت دادن طرح های مهندسی به اشخاص معین کار دشواری است.یک طراحی بدیع و نوین برای یک ساختمان هنگامی میسر خواهد بود که فرآیند طراحی و شکل گیری مراحل مختلف طرح نتیجه همفکری،همکاری و تلاش معمار،مهندس ساختمان،مهندس تاسیسات و حتی سازندگان آن در چنین مسیری می باشد.

مباحث مطرح شده در بخش”مهندس سازه،تصورات و انتظارات” نشان می دهد مهندس سازه عضوی از تیم طراحی و ساخت می باشد که به خوبی به ویژگی های مصالح و رفتار سازه ها تحت تاثیر بارهای متفاوت واقف است.همچنین فرآیند ساخت و تولید اجزاء را بخوبی درک می کند.مهندس سازه باید در روند شکل گیری یک طرح معماری،وظیفه خطیر طراحی سازه و اجزاء آن را در قالب محاسبات ساختمانی،طراحی فرم سازه،طراحی اعضا سازه و اتصالات آن باتحقق معیارهای طراحی ،الزامات و محدودیت های طرح در ابعاد مختلف بعهده گیرد.

از بررسی مباحث “زیبایی شناسی سازه ای “می توان نتیجه گرفت هدف اصلی طراحی معماری باید ایجاد فرم هایی باشد که هم نیازهای کاربردی ساختمان را تامین نمایند وهم از نظر زیبایی شناسی موفق باشند وهدف اصلی طراحی سازه باید ایجاد فرم های سازه باشد که ضمن تامین نیازهای کاربردی،بارهای اعمال شده را نیز به بهترین نحو و بصورت اقتصادی تحمل نمایند. در همکاری نزدیک که باید بین معماران و مهندسین سازه وجود داشته باشد وظیفه مهندسین سازه آفرینش طرح هایی است که از نظر عملکردی پاسخگوی نیازهای طرح بوده و از نظر فنی،اجرایی واقتصادی دارای شرایط لازم باشند و علاوه بر آن از نظر مطلوبیت های فرم ظاهری ساختمان مکمل حس زیبایی شناسی معماری باشند.باید تفاوت میان نقش های متفاوت و در عین حال بسیار مهم معمار و مهندس بخوبی درک شود تا ارزش واقعی کار هریک بخوبی شناخته شود. در نهایت رابطه بین طراحی و ساخت تنها زمانی به رقابتی مثبت وسازنده تبدیل خواهد شد که این شناخت بخوبی تامین شده باشد.

بخش”مهارت های مهندس سازه”و بررسی “نقش معماران و مهندسان” نشان می دهد هنر مهندسی سازه استفاده از تئوری های محاسبه و طراحی سازه برای تبدیل ایده ها و مفاهیم به ساختمان هایی است که بتوانند خوب عمل نمایند،از مواد و مصالح به نحو اقتصادی استفاده نمایند و به نیازهای زیبایی شناسی در ساختمان پاسخ مثبت دهند. در چنین شرایطی مهندس سازه در جهت تقویت طراحی معماری ساختمان عمل خواهد نمود.در این “مهندسی سازه یک هنر است” که هدف آن ایجاد ساختمان هایی است که جوابگوی نیازهای عملکردی،معیارهای زیبایی شناسی ،نیازهای دوران بهره برداری و محدودیت های مربوط به شرایط اجرای ساختمان باشد.مهندس سازه در این مسیر نه تنها باید اصول طراحی سازه را در انتخاب مناسب ترین سیستم های سازه ای مورد نظر قرار دهد،بلکه باید عملکرد این سیستم ها را نیز در شرایط متفاوت برای رسیدن به خواسته ها ومعیارهای فوق دقیقا مورد بررسی و ارزیابی قرار دهد تا فرآیند طراحی معماری و محاسبات سازه ای به یک نتیجه واحد و مشترک که تامین کننده تمامی نیازهای طرح باشد،منتهی گردد.

تهیه کننده:دکتر محمود گلابچی

ملاحظاتی برتحلیل و طراحی خرپاهای فضایی

خلاصه:

سازه های فضایی عموما برای فضاهای بزرگ مانند سالن های ورزشی و اجتماعات و آشیانه هواپیما به کار برده می شوند. از مزایای این سیستم ها می توان به وزن کم،درجه نامعینی بالا،سختی زیاد،تولید ساده،عدم نیاز به جوش در محل و طرح های هندسی جذاب اشاره نمود.

در این مقاله ملاحظات لازم در تحلیل و طراحی سازه های مشبک و خرپای سه بعدی به منظور قابل اعتماد بودن طرح نهایی و با در نظر گرفتن پیامدهای ناشی از شکل خاص این سازه ها بررسی شده است. تنوع زیاد در جزئیات گره های اتصال و انواع مختلف اعضا،در نظر گرفتن تمامی حالات خاص را مشکل می سازد و در این جا سعی می شود رفتار کلی اندرکنش ها و مدهای شکست و خرابی مورد بحث قرار گیرد گرچه می توان با استفاده ازتحلیل خطی و الاستیک و استانداردهای موجود سازه های مطمئنی را پدید آورد،ولی لازم است موارد دیگری از عملکرد سازه که در آیین نامه ها در نظر گرفته نشده اند را مورد توجه قرار داد.

کلیات:

معمول ترین و کاربردی ترین نوع خرپای فضائی،نوع 2 لایه آن(DLG)و استفاده از ترکیب جابجا شده مربع روی مربع (offset-square-on-square) می باشد.این ترکیب علاوه بر دارا بودن ارزش های زیاد سازه ای،خاصیت شکل پذیری هندسی داشته و دست معماران را برای تشکیل انواع شکل ها و پوشش ها،مخصوصا در مقیاس بزرگ،باز می گذارد. بیشترین کاربرد رایج خرپاهای فضائی پوشش سقف های با دانه بزرگ مثل ورزشگاه ها و سالن های اجتماعات است.دیگر کاربرد آنها در دکل های مخابراتی،پل ها و حتی در صنعت هوافضا و ماهواره ای که نیازمند بکارگیری ابزار دقیق است می باشد.وزن کم،اقتصادی بودن طرح،شکل پذیری هندسی،صلبیت بالا و خواص دیگر خرپاهای فضائی،آنها را در موارد خاص بی رقیب نموده است.

مواد بکار برده شده در خرپاهای فضائی معمولا از جنس فولاد و در برخی موارد آلومینیوم و غیرفلزی می تواند در ساخت اعضا و اتصالات،بستگی به شرائط بهره برداری استفاده گردد.در طراحی اینگونه سازه ها،معمولا از آئین نامه خاص آن مواد(مثلا آئین نامه سازه های فولادی) استفاده می گردد. اگرچه همواره موارد و نکات خاصی در طراحی سازه های فضائی وجود دارد که طراح باید آن ها را بطور جدی و جدای از مقررات عمومی آئین نامه در نظر بگیرد.

اکثر طراحان تنها رفتار الاستیک سازه را مد نظر قرار می دهند.تجربه و مباحث متعدد نشان داده است که این نوع طراحی مقرون به صرفه و ایمن است. این روش نسبتا ساده بوده و در فرصت کوتاه،طراح می تواندبه طرح دلخواه خود دست یابد. بنابراین همواره سعی می گردد اعضای سازه بنحوی طراحی گردند که در طول عمر مفید خود تحت اثر بارهای متعارف و خدمت در حد الاستیک باقی بمانند.همچنین سعی می گردد که مقاطع بنحوی انتخاب شوند که از کمانش یا جاری شدن آن ها جلوگیری شود.

تحلیل غیرخطی و بررسی رفتار و ظرفیت پس از کمانش یا جاری شدن و تحلیل باز توزیع بارها در هرصورت امکانپذیر است،اما بیشتر سعی می گردد تا این ظرفیت اضافه،بعنوان ضریب اطمینانی برای ایمنی سازه در نظر گرفته شود.خرپاهای فضائی اصولا به نحوی طراحی و ساخته می شوند که دارای درجه نامعینی بالا بوده و تعدد بسیار زیاد اعضا باعث می شود که برخی از آنها،حداقل در شرائط خاصی از بارگذاری،باربر نکردند و یا درصد باربری آنها بسیار پایین باشد. عوامل فوق سبب می گردد که شکست یا خرابی نصادفی یک یا چند عضو،همیشه به معنای خرابی و فروریزش کل سازه نشده و در بدترین شرائط،شکست کامل بصورت تدریجی و نرم صورت پذیرد که این خود یکی از مزایای بزرگ خرپاهای فضائی است.

روش تحلیل اثر زیادی بر هزینه تمام شده سازه ندارد و با هر روش انتخابی مراحل کلی طراحی زیر بر سازه اعمال می شود:

1-      فرض می شود که اعضای یکسان در کل سازه استفاده شود.سپس به کمک کامپیوتر یک تحلیل الاستیک،تحت بارهای طراحی انجام می شود.

2-      سطح مقطع اعضا متناسب با نیروهای بدست آمده از تحلیل انتخاب می گردند.

3-      دور دیگری از تحلیل با اعضای جدید انجام شده و در صورت تغییر نیرو در اعضاء سطح مقطع اعضا اصلاح می گردند.

4-      تحلیل نهایی برای کنترل سازه انجام می شود.

انتخاب اندازه اعضا متناسب با نیروی آنها براساس استاندارد حاکم برای مصالح استفاده شده انجام می گیرد. اعضای فشاری معمولا به طور محافظه کارانه به شکل دو سر مفصل و با طول موثری برابر با فاصله مرکز بین گره ها درنظر گرفته می شوند. اگر روش اتصال مطابق با روش های رایج و شناخته شده باشد، تدابیر مشخص شده در آیین نامه طراحی اعمال می شود،ولی در بسیاری از موارد شرایط گره تعیین کننده نوع سیستم بوده و برای تعیین مقدار طراحی،احتیاج به آزمایش اعمال مستقیم بار می باشد.

تعادل نیروهای اعضا و نیروهای وارده و حاشیه اطمینان کافی برای هر کدام از اعضا،ایمن بودن سازه را تضمین می کند.طرح بر این فرض استوار است که هیچ یک از اعضا تا زمانی که بار وارده به بار ضریب دار نرسیده است،دچار شکست نشود.اکثر مهندسین طراح،این بار را به عنوان بار حدی می شناسد . در صورتی که رفتار عضو الاستوپلاستیک باشد،تحلیل الاستیک جواب حد پایین را به دست خواهد داد.به هر حال بعد از رسیدن اولین عضو به ظرفیت باربری خود،رفتار عضو بستگی به موقعیت و رابطه بین نیروی محوری و تغییر طول آن عضو دارد، مانند تسلیم در برابر شکست ترد در کشش و یا رفتار پایداری در برابر ناپایدار بعد از کمانش در عضو فشاری.در عمل توجه خاصی به رفتار الاستوپلاستیک نمی شوند،چرا که حاشیه اطمینان مشخصی رعایت شده و هر ذخیره مقاومت برای عضو در جهت اطمینان است.ولی صرفه جویی اقتصادی ناشی از طرح الاستوپلاستیک،هزینه اضافی محاسبات و طرح را توجیه نمی کند.مد واقعی شکست فقط از دید علمی و تحقیقاتی مورد توجه قرار می گیرد چرا که مهندس طراح،سازه را با فرض خراب نشدن طراحی می کند. این روش با موفقیت قابل قبولی همراه بوده است.به هر حال مسائل مشخصی وجود دارند که باید مورد توجه خاص قرار گیرند. هدف این مقاله جلب توجه به عواملی می باشد که باید با دقت ملاحظه شوند.

تحلیل:

در سازه های معین استاتیکی نیروهای ایجاد شده در اعضاء بدون توجه به سختی اعضا و براساس معادلات تعادل استاتیکی حاکم بدست می آید.نقص عضو در اعضاء سازه و یا غیرخطی شدن رفتار اعضاء سازه علی رغم اینکه اثرات متفاوتی بر سختی سازه فضائی دارند،لیکن بر نیروهای ایجاد شده در اعضا سازه بی اثر می باشند . سختی استاتیکی سازه های فضائی که دارای درجات نامعینی بالائی می باشند. در حالت ایده آل با فرض اعضاء سالم بدون نقص و رفتار نیرو-تغییر مکان خطی برای این اعضاء بدست می آیند.وجود نقص عضو در این سازه های نامعین از طرفی باعث تغییر سختی به میزان ناچیز می گردد و از طرف دیگر با ایجاد بازتوزیع نیرو در اعضاء و تولید نیروهای بیشتر از مقدار محاسبه شده درحالت ایده آل و در نهایت غیرخطی شدن اعضاء سازه می تواند سختی سازه را متاثر سازد.برای لحاظ کردن این اثرات و رسیدن به سختی صحیح سازه و تخمین واقع بینانه از نیروهای اعضاء،سازه مورد بحث بایستی با لحاظ کلیه نقص های اعضاء در مدل الاستیک آنالیز گردد.همچنین به منظور تخمین تغییرات سختی و احتمال گسیختگی محتمل،مدل رفتاری نیرو- تغییر مکان اعضاء سازه و انجام آنالیزهای غیرخطی استاتیکی متعدد جهت نیل به رفتار صحیح سازه و تغییرات سختی در مراحل مختلف بارگذاری لازم می باشد.

چنانچه مدل رفتاری غیر خطی (روابط نیرو و تغییر مکان)بر پایه تغییرات سختی از اعضا سازه در دسترس باشد با در نظر گرفتن نقص عضوها اولیه در اعضاء سازه و با استفاده از برنامه های اجزاء محدود موجود ومدلسازی صحیح سازه می توان جهت حصول به سختی واقعی سیستم با انجام آنالیزهای متعدد به منظور محاسبه رفتار نیرو تغییر مکان کل سازه تا رسیدن به مقاومت نهائی سیستم اقدام کرد. اگرچه این روند در انجام طراحی های معمولی و متداول در نظر گرفته نمی شود ولی در عین حال اگر اطلاعات مورد نیاز از رفتار غیرخطی اعضاء سازه در دسترس باشد با استفاده از آنالیزهای کامپیوتری استاتیکی خطی و غیرخطی می توان روشی برای بیان نحوه تغییر سختی سازه و استخراج مکانیزم های خرابی سیستم پایه ریزی کرد.ذکر این نکته لازم است که برای رسیدن به یک طرح مطمئن انجام این آنالیزها ضروری نمی باشد و صرفا به منظور نیل به سختی صحیح سازه در هر مرحله از غیره خطی شدن و یافتن نقطه جاری شدن واقعی سیستم و میزان واقعی مقاومت سیستم و در نتیجه افزایش شماره اعضاء سازه و طراحی صحیح صورت می گیرد.

سختی:

سازه های با وزن سبک و سختی مناسب بهترین گزینه در طراحی سازه های فضائی در برابر بارهای وارده و ضوابط مشخص محدود کننده در ارتباط با تغییر شکل های سازه می باشند. در این راستا مدلسازی یک سازه فضائی بایستی بدرستی و بنحو صحیح با در نظر گرفتن نوع اتصال اعضاء با فرض وجود اجزاء گره ای و یا بدون اجزاء گره ای صورت پذیرد و مقدار سختی واقعی سیستم جهت طراحی و بررسی ارتعاشات ناشی از بارگذاریهای باد بخصوص در سقف های پوشش دار و یا تحریکات ناشی از نیروی زلزله مورد استفاده قرار گیرد.

بدلیل اینکه معمولا نسبت دهانه به عمق در این سازه ها نسبت به تیرهای شبکه ای رایج بالاتر است،میزان صلبیت ممکن است بقدری پائین باشد که باعث وقوع جمع شدگی آب بر روی پوشش سازه فضائی(ponding) در خلال بارندگی شدید گردد. این مسئله بخصوص و بویژه برای سازه های آلومینیمی در نواحی که بارندگی برف وجود ندارد و بار باد و بارهای زنده نسبتا پائین بوده و بارندگی شدید است مطرح می شود. جمع شدگی آب زمانی اتفاق میافتد که طول دهانه از 11 متر تجاوز نماید. در این راستا ایجاد انحناء و شیب مناسب و یا تعبیه زهکشی مناسب و صحیح تا حدودی باعث برطرف شدن مسئله خواهد شد ولی در عین حال ملاحظات لازم در ارتباط با پوشش سقف،تجهیزات تکیه داده شده به آن و ترتیب قرارگیری سیستم زهکشی بایستی بطور کامل مورد بررسی قرار گیرد تا از میزان کافی بودن انحناء سقف اطمینان حاصل گردد.

انبساط حرارتی:

خرپاهای فضائی معمولا سازه های یکپارچه و بدون درز انسباط می باشند. در برخی از انواع،مثلا سازه های گنبدی،عملا ایجاد درز انبساط غیر ممکن است،در نتیجه اعضا سازه باید بتوانند براحتی منبسط و منقبض شوند. در اینگونه سازه ها شرائط تکیه گاهی نقش مهمی ایفا می کنند بدین مفهوم که تکیه گاه ها در عین آنکه باید جلوی تغییر مکان قائم سازه را بگیرند ،باید به نحو مقتضی آزادی عمل محدودی در جهت شعاعی به ساز بدهند. تغییرات حرارتی را باید بصورت عمومی در کل سازه که می تواند ناشی از تغییر درجه حرارت محیط باشد و تغییرات گرادیانی که می تواند ناشی از تغییر دما در داخل و بیرون سازه باشد و یا تغییرات موضعی که می تواند ناشی از آتش یا حالت های دیگر باشد در نظر گرفت.

در صورتیکه ستون های قوی و با سختی جانبی زیاد برای نگهداری سازه بکار برده شوند،باید انتظار اعمال نیروهای برشی بزرگی را ازجانب سازه به ستون داشت و لذا همواره باید تمهیداتی برای آزادی عمل سازه در راستای افقی اندیشید. در تحلیل های کامپیوتری نیز باید شرائط واقعی تکیه گاهی را منظور نمود،در غیر اینصورت ممکن است با تنش های بزرگ غیرواقعی و طرح غیراقتصادی و یا بالعکس با طراحی ضعیف مواجه شویم.

اثر باد:

بار باد،در ساختمان های کوتاه و سنگین در مقایسه با نیروی زلزله اثرات کمتری ایجاد می نماید و اغلب در طراحی مورد توجه قرار نمی گیرد.از دیگر سو ساختمان های بلند و یا سبک نسبت به بار باد حساس می باشند،به ویژه اگر در نواحی باز و باد خیز قرار گیرند.

آیین نامه های ساختمانی با بهره گیری از ساده سازیهای به کمی کردن پیچیدگی رفتار باد می پردازند.برخی از این پیچیدگی ها عبارتند از: تغییرات سرعت باد با ارتفاع،فشار باد بر یک جسم ساکن،ماهیت آشفته جریان باد،پدیده جدایش و گردابه های فون کارمن،ماهیت دینامیکی اندر کنش باد و سازه و مدت زمان تداوم وزش باد با سرعت بالا.

این ساده سازی بر واقعیت های مبتنی است،مانند آنکه اغلب ساختمان ها حجیم و سنگین هستند،اغلب ساختمان ها از نظر نسبت عرض به ارتفاع لاغر محسوب نمی شوند،و آنکه اغلب ساختمان ها دارای سطوحی مسدود و نسبتا هموار در جهت وزش باد می باشند. بااتکا بر این واقعیت ها و ساده سازیها آیین نامه های ساختمانی تنها با اعمال ضرایبی بر سرعت مبنای باد،فشار و یا مکش ناشی از باد را محاسبه می نمایند. آیین نامه های ساختمانی برای بارگذاری باد بر سازه های فضایی روش خاصی ارایه نمی کنند.

سختی بالا و وزن کم از ویژگی های سازه های فضایی به شمار می روند. وزن کم می تواند احتمال ارتعاش را در پی داشته باشد.با این حال ارتعاشات ناشی از باد به جز در مورد اعضای منفرد بدون حفاظ با ترکیبات خاصی از طول و شکل(نظیر لوله ها ونبشی ها) از اهمیت چندانی برخودار نیست .ممکن است وزن سقف های شکل گرفته با خرپاهای فضایی از نیروهای روبه بالای اعمالی ناشی از باد کمتر باشد و لذا خطر ناپایداری این سازه ها را تهدید می کند.بویژه در سازه هایی که به منظور مقابله با تنشهای حرارتی،تکیه گاه های لغزنده دارند و یا در طره ها این پدیده باید مورد توجه قرار گیرد.

تند بادهای با سرعت موضعی بالا می توانند اثر مخربی بر اعضای منفرد بدون حفاظ داشته باشند. این پدیده توسط ایستگاه های معمول هواشناسی قابل پیش بینی نیست. با این حال به منظور جلوگیری از خرابی های مرتبط درک صحیح رفتار سازه و تکیه گاهیش در برابر این پدیده الزامی است.با وجود تغییرات بارگذاری باد با زمان،چرخه های بارگذاری باد اغلب در حیطه ارتجاعی قرار دارند و به ندرت باعث خستگی می شوند.

تحلیل های مبتنی بر اعمال ضریب فشار ثابت بارگذاری باد طبق آیین نامه های ساختمانی،نمی توانند اثرات موضعی بار باد را نشان دهند. از آنت جا که اعمال ضریب فشار ثابت تمامی الگوهای بارگذاری را پوشش نمی دهد،افزایش این ضریب همواره در جهت اطمینان نیست.

در بارگذاری باد بر سازه های فضایی دو حالت متمایز می بایست بررسی شود،سازه با پوشش و بدون پوشش. درحالت بدون پوشش ارتعاشات ناشی از باد در اعضای منفرد بدون حفاظ بحرانی خواهد بود. در حالت پوشیده نیروهای روبه بالای اعمالی ناشی از باد می تواند مشکل ساز باشد.

مدهای شکست:

شروع خرابی ممکن است یکی از موارد حدی زیر باشد.L نشان دهنده این است که رفتار سازه تا رسیدن به بالاترین ظرفیت،خطی فرض شده است و NL نشان دهنده رفتار غیرخطی قبل از رسیدن به بالاترین ظرفیت می باشد.

شکست کششی: با تسلیم کامل تمام سطح مقطع (NL).- با شکست مقطع خالص و یا شکست بست ها(L)

شکست فشاری:کمانش در اثر پیچش(L)-. کمانش در اثر خمش(ستون های کوتاه)(L)-.ستون های بلند(NL)-. در خمش به عنوان یک تیر ستون(NL).

شکست اتصالات:شکست برشی و یا کششی بست(L).شکست ورق اتصال(L)-. شکست قطعه گره(L)

ناپایداری گرهی:چرخش حول یک محور عمودی و یا افقی(L). کمانش صفحات انتهایی و انتهای پهن شده اعضا(L).

از بین این حالت های شکست،ناپایداری بعضی از انواع قطعات گرهی دارای ویژگی های ناشناخته ای در خرپاهای فضایی هستند و باید در روند طراحی مدنظر قرار گیرند.برای پیشگیری از هرگونه اتفاق پیش بینی نشده باید روی قطعات گره آزمایشات مستقیم انجام داد. این که شکست یک عضو باعث شکست کلی شود و یا با باز پخش نیرو در اعضا دیگر پایداری خود را حفظ کند،بستگی به موقعیت عضو دارد. اعضای قطری به جز آنهایی که مستقیما بر روی تکیه گاه ها قرار دارند،معمولا بحرانی نیستند و قبل از خرابی کلی ممکن است چند عضو قطری دچار خرابی و شکست شوند،ولی اگر یکی از اعضای اصلی به هر دلیل دچار کمانش شود،ظرفیت پس از کمانش سازه کم و پیامد آن خرابی کلی است.رفتار کلی سازه بعد از این که نیروی داخلی اعضا به مقادیرحدی تئوری آن رسید بستگی به رابطه نیرو- تغییر طول تک تک اعضا دارد.

رفتار اعضاء خرپاهای فضایی:

1-      اعضاء فشاری:

اعضا هم مرکز تحت فشار بال فوقانی تا رسیدن به بار بحرانی رفتارخطی دارند. این اعضا پس از کمانش خمیده شده و رفتار آتی آن بستگی به نسبت لاغری دارد. ستون های کوتاه رفتار تردی دارند و در ستون های متوسط نیرو با افزایش کوتاه شدگی کاهش می یابد.در اعضاء لاغر ممکن است شرایط مناسبی در ورای نقطه بحرانی وجود داشته باشد.

روابط نیرو- تغییر شکل(سختی)اعضا که بواسطه تست های آزمایشگاهی بدست می آیند تنها می توانند یک تصور تقریبی از رفتار سازه فضایی ارائه نمایند.اعضاء ساده و لاغر یک سازه را می توان توسط کامپیوتر مدل نمود و رفتار پس از کمانش سازه را بررسی کرد اما در کل و با توجه به اقتصاد طرح و آنکه اعضاء بال لاغر نیستند می توان از این ظرفیت چشم پوشی کرد.

اعضاء قطری معمولا لاغرتر از اعضاءبال هستند و در صورتیکه اعضاء قطری قبل از اعضاء بال کمانش نمایند،می توان از ظرفیت پس از کمانش سازه استفاده کرد.اعضاء قطری تحت فشار خارج از مرکز،مانند نبشی های تک که از طرف پایه متصل شده اند و ناودانی هایی که از طریق جان وصل شده اند،به نحوی بصورت غیرخطی عمل کرده و باعث توزیع نیرو در اعضاء بال می گردند. تحلیل کامپیوتری می تواند این موارد را مد نظر قرار داده تا از مزایای آنها استفاده گردد،هرچند بی توجهی به آن باعث کاهش ایمنی سازه نگردیده و این تردید وجود دارد که آیا می توان برای این تحلیل های پیچیده یک صرفه اقتصادی قائل بود.

2-      طول موثر:

کمانش عضوی که به صورت گیرداز به گره ها بسته شده باشد باعث خمش و پیچش اعضای دیگر متصل به آن گره ها می شود.طول موثر یک عضو فشاری تابع موقعیت،نیرو،سختی خمشی و پیچشی و نحوه اتصال اعضای دیگر است. اگر تمام میله هایی که در یک گره به یک دیگر متصل شده اند بارهای فشاری طراحی خود را تحمل کنند،(این موضوع می تواند در مرکز سازه اتفاق بیافتد )،هیچگونه قید خاصی برای میله ها ایجاد نمی شود و طول موثر اعضاء بال و قطری فاصله مرکز به مرکز گره ها می گردد. اگر مجموعه اعضا مورب بال دارای بار نباشد و قطرها هم بار کمی از ظرفیت های مربوط به خود را حمل کنند،فاکتور طول موثر K برای فشار اعضاء بالایی تا 0.7 کاهش می یابد. در هر حال منطقی به نظر می رسد که از K=1 برای آنالیز مقدماتی استفاده شود.صلبیت قطعات گره ای به تنهایی تاثیر کمی در پایداری اعضا دارد اما روش اتصال اعضا به گره اهمیت زیادی دارد.

3-      اعضاء کششی :

اعضایی که معمولا در سازه های فضایی استفاده می شوند شامل لوله های متقارب ساده،لوله های متقارب و یا نا متقارب دارای انتهای پهن شده،نبشی و ناودانی های منفرد ودوبل متقارب،و میله های خمیده شده هستند.ظرفیت اعضا کششی با توجه به آیین نامه های استاندارد در تحلیل الاستیک محاسبه می شود.

اعضای کششی تحت بار محوری خالص،دارای رفتار خطی تا جاری مقطع یا پارگی اتصال هستند. معمولا پارگی انتهای عضو زودتر از جاری شدن مقطع اتفاق می افتد و لذا ورود به مرحله غیرخطی و بررسی رفتار پلاستیک کم اهمیت می باشد. سختی اولیه اعضای قطری کششی تحت بار خارج از محور،مانند نبشی ها و ناودانی ها،در مقایسه با اعضای محوری خالص تفاوت دارد ولی در باربری نهایی تاثیر زیادی دیده نمی شود.

4-      رابطه نیرو-تغییر طول:

اکثر طراحی ها با فرض رفتار الاستیک خطی مصالح تا ظرفیت نهایی اعضا انجام می شوند.ظرفیت واقعی کل سازه ممکن است کمتر یا بیشتر از ظرفیت پیش بینی شده باشد که این موضوع به صحت مونتاژ و رفتار اعضا بستگی دارد.ابعاد نادرست اعضا باعث تغییر در توزیع نیروها می شود و اگر اعضا رفتار تردی داشته باشند،بار نهایی سازه کاهش پیدا می کند.در سوی دیگر،اگرسختی غیرخطی اعضا زیاد باشد،اعضایی که بیشترین بار را تحمل می کنند نیروهایی را به اعضای نزدیک خود منتقل می نمایند که نتیجه آن افزایش ظرفیت نهایی می باشد.

گره های اتصال:

هیچ آئین نامه ای نمی تواند بصورت جامع و باجزئیات کامل روش تحلیل و طراحی گره های اتصال خرپاهای فضائی را تبیین نماید،زیرا همواره روشهای جدید و ابتکاری برای اتصال اعضا مطرح می گردد،اما بصورت کلی گره های اتصال را می توان به دوگونه تعریف نمود.نوع اول اتصالاتی هستند که از یک قطعه مجزا و جدای از اعضا استفاده نمی نمایند و خود اعضا به انحای مختلف و بصورت مستقیم به هم متصل می گردند.نوع دوم اتصالاتی هستند که از یک قطعه مجزا و خارجی برای اتصال اعضا استفاده نموده و درحقیقت اعضا به صورت غیرمستقیم می گردند.نوع دوم اتصالاتی هستند که از یک قطعه مجزا و خارجی برای اتصال اعضا استفاده نموده و در حقیقت اعضا بصورت غیرمستقیم و از طریق گره رابط به هم متصل می شوند.

–          اتصالات مستقیم: این نوع اتصالات خود به دو نوع تقسیم می گردند.

الف- اعضای بال بصورت پیوسته از گره عبور نموده و اعضای متعامد بال بر روی هم قرار داده می شوند.اعضای مورب و قطری نیز بطور مستقیم به بالها در محل گره متصل می گردند. این نوع اتصال همواره با مقداری خروج از مرکزیت و عدم تقارب نیروها مواجه خواهد بود.

ب- اعضای بال از تیپ لوله با انتهای پهن شده در راستای محور لوله و اعضای قطری نیز از تیپ لوله با انتهای پهن شده ولی خمیده ساخته می شوند بنحوی که بتوان مجموعه اعضا را در یک محل به هم متصل نمود.اتصال همه اعضا در گره توسط یک پیچ صورت می گیرد.دراینگونه اتصالات قسمت های پهن شده اعضا،نقطه ضعف اساسی سازه شمرده می شوند. این قسمت ممکن است بواسطه ناپایداری موضعی به شکست زودرس رسیده و باعث خرابی سازه گردند. از طرفی امکان تحلیل این گونه اتصلات وجود ندارد و باید به روش های آزمایشگاهی روی آورد. امکان ایجاد ترک در قسمت های پهن شده،مخصوصا در اعضای غیر فولادی و تمرکز تنش در اطراف پیچ ها را نیز نباید فراموش کرد.

–          اتصالات غیرمستقیم: این نوع اتصالات نیز به دو نوع تقسیم می گردند.

الف- قطعات گرهی،بسیار شبیه به اتصالات رایج در خرپاهای مسطح ساخته می شوند.این قطعات می توانند از نوع ورق های جوش شده،ورق های تغییر شکل داده شده یا قطعات ریخته گری شده ساخته و اعضای مختلف سازه به انحای مختلف از قبیل جوش،پیچ و پرچ به این قطعات متصل می گردد که تقارب یادشده تا حد ممکن اجرا شود.آئین نامه های مختلف روش های اتصال اینگونه قطعات به اعضا را بیان نموده و مهندسین را ملزم به رعایت آنها می نمایند.

ب- قطعات کروی گرهی صلب دارای سوراخ های رزوه شده،که هر سوراخ از پیش تعبیه شده محل قرارگیری یک عضو می باشد.این سیستم تصویر کلاسیک خرپاهای فضائی است و شفاف ترین عملکرد سازه ای را ارائه می نماید،ضمن آنکه با اطمینان می توان به تقارب اعضای سازه امیدوار بود. این گره ها پایدارند و براحتی نیروهای بال و قطری را به هم مرتبط می سازند. در سوی دیگر روش ساخت این قطعات کروی در کارخانه باید به دقت کنترل و با روش های مختلف آزمایشگاهی از صحت عملکرد آنها اطمینان حاصل کرد.

بارگذاری چرخه ای و لرزه ای:

چرخه های بارگذاری معمولا در محدوده الاستیک بوده و تکرار بارگذاری به حدی نمی باشد که باعث خستگی اعضا شود.بار باد به ندرت باعث حرکت ریتمی و یکنواخت کل سازه می شود،اما ارتعاش اعضایی که پوشش ندارند و دارای ترکیب خاصی از شکل و طول باشند محتمل است. در این میان پروفیل های با مقطع لوله ای و دوبل نبشی بطور جدی کنترل شوند.

در دو دهه اخیر توجه فزاینده ای به رفتار لرزه ای سازه هایفضایی در سطح جهان و بویژه در کشورهای ژاپن و چین شده است.رفتار تعدادی از سازه های فضایی در زلزله 2/7 ریشتر کوبه 1995 ژاپن مطالعه وگزارش شده است. این سازه ها شامل نمونه های دو لایه و تک لایه در ناحیه مرکزی زلزله می باشند. نکته جالب توجه در این گزارش اینست که هیچ موردی از تخریب سازه های فضایی در این زلزله سنگین مشاهده نشده و این تاکیدی بر استقامت و پایداری چشمگیر این نوع سازه ها در برابر زلزله است. تنها مواردی که به عنوان شکست ذکر شده،بروز خرابی در محل اتصال سازه به تکیه گاه های بتنی،ترک در اتصالات و کمانش خمیری برخی از اعضاء در مجاورت تکیه گاه است.

سازه های فضایی بدلیل داشتن جرم کم،نیروی کمی را در هنگام وقوع زلزله جذب می کنند و به همین دلیل احتمال خرابی آنها هنگام وقوع زلزله از پائین است.اگریک ترکیب خاص از مولفه های عمودی و افقی زمین لرزه باعث افزایش نیروی محوری و گذر از نیروی کمانشی بعضی اعضا شود،باید سطح مقطع آنها را افزایش داد و نمی توان انتظار زیادی از ظرفیت پس از کمانش اعضای اصلی داشت م.

روانگرایی خاک،حرکت نسبی بین تکیه گاه ها ونشست های تکیه گاهی ناشی از زمین لرزه،بسته به ترکیب و سختی اعضا و سازه باید به طور جدا وجدی بررسی شوند.اما از آنجا که شبکه های دو لایه دارای سختی پیچشی پائین می باشند تغییر جدی در رفتار سازه در انتظار نمی رود. در سقف های پیوسته که روی چندین تکیه گاه قرار گرفته باشند،حرکت نسبی عمودی،گشتاورهای خمشی متناسب با صلبیت سازه به سازه اعمال می کند.

در ساختمان های معمولی،بدلیل سنگینی سازه،بار برف تاثیر ناچیزی بر خصوصیات دینامیکی سازه مانند زمان تناوب و شکل مد دارد.برعکس،در سازه های فضایی بدلیل سبکی سازه،تاثیر بار برف بر خصوصیات دینامیکی سازه مهم می گردد.

در سازه های معمولی،مد اول سازه غالبا بیشترین انرژی ارتعاشی را به خود اختصاص می دهد و مشارکت مدهای دیگر اندک است. به عنوان مثال درصد وزن مد اول ساختمان ها ی تا 10 طبقه بیش از 85 درصد و وزن مد دوم هم حدود 9 درصد می باشد. پس میزان مشارکت دو مد اول این ساختمان ها در ارتعاش سازه جمعا94 درصد بوده و سهم مدل های دیگر روی هم کمتر از 6 درصد می باشد.برعکس،در سازه های فضایی گاهی مدل های بالاتر نیز سهم موثری در پاسخ دینامیکی سازه دارند که میزان این تاثیر به هندسه سازه بستگی دارد.به عنوان مثال در بررسی رفتار گنبدهای دو لایه به این نتیجه رسیده شده که مد موثر این سازه ها به نسبت خیز به دهانه و یا زاویه پوشش گنبد بستگی دارد.بررسی سازه های چلیکی نیز نشان داده که در برخی از موارد میزان تاثیر مد اول مانند سازه های معمولی نبوده و مدهای بالا نیز سهم قابل توجه ای در پاسخ دینامیکی دارند.

قابلیت اطمینان:

پارامترهای مهم وتاثیر گذار بر قابلیت اطمینان بودن طراحی سازه های فضائی با توجه به ماهیت هندسی این سازه ها و نوع عملکرد آن ها در مقایسه با سایر سازه های رایج متفاوت می باشد. در این خصوص و به منظور تامین حاشیه ایمنی مناسب به ذکر چهار عامل اساسی در طراحی صحیح این سازه ها با قابلیت اطمینان مناسب پرداخته می شود:

–          درجه نامعینی سازه فضائی: افزایش درجات نامعینی سازه های فضائی باعث ایجاد قابلیت اطمینان مناسب در برابر واژگونی تحت بارهای وارده می باشد.در حقیقت زمانی که سازه دارای درجات نامعینی زیاد باشد،طراحی سازه به حدی از اطمینان خواهد رسید تا بتواند در سطح بیشتری از بار نهائی گسیخته گردد و با وقوع گسیختگی در یک عضو و با فرض اینکه بار وارد بر سازه کمتر از بار طراحی سرویس باشد، گسیختگی تردد در کل سازه حادث نگردد.با ظهور رفتار غیرخطی در اعضای سازه های فضائی افزایش درجات نامعینی سازه به نحو چشم گیرتری،با باز توزیع مناسب نیروها ،باعث بهبد رفتار سازه و افزایش قابلیت اطمینان و حاشیه ایمنی در طراحی می گردد. این رفتار غیرخطی می تواند با در نظر گرفتن خروج از مرکزیت برای اعضای قطری، ایجاد پیش تنیدگی در بعضی اعضا و یا با در نظرگرفتن ظرفیت پس از کمانش اعضای فشاری بوجود آید.با انجام غیرخطی منتهی به گسیختگی سازه و استفاده از برنامه های اجزاء محدود موجود و مدلسازی صحیح سازه،مزایای هر کدام از مفاهیم فوق در حیطه رفتار غیرخطی می تواند باعث بهبود رفتار سازه،افزایش بار گسیختگی و ایجاد قابلیت اطمینان مناسب در طراحی سازه های فضائی گردد. در این راستا لازم است بحث اقتصادی بودن کاربرد روش های فوق بگونه ای که قابل صرفه نیز باشد توسط مهندس طراح بررسی گردد.

–          پایداری: علی رغم اینکه سازه های فضائی دارای پایداری اولیه تحت بارهای وارده می باشند با وقوع اولین گسیختگی در اعضای سازه پایداری سازه بایستی بدقت بررسی گردد،چرا که وقوع گسیختگی های موضعی در سازه می تواند احتمال تخریب سازه را در پی داشته باشد. بطور کلی با توجه باینکه سازه های فضائی نسبت به سازه های متداول در برابر آسیب های موضعی تحت بارهای کمتر از بار طراحی ایمن تر می باشند(مگر اینکه اعضای آسیب دیده اعضای اصلی روی تکیه گاه باشند)،زمانی که سیستم با لحاظ ظرفیت حدی خودش مد نظر قرار می گیرد ممکن است آنالیز الاستیک بر روی سازه فضائی سه بعدی بدرستی بیانگر رفتار واقعی سازه نباشد. زمانی که یک سازه فضائی دو لایه،تحت بارگذاری نزدیک و یا فراتر از مقدار تئوریک نهائی باشد،کمانش یکی از اعضای اصلی شبکه فوقانی و تحتانی و بخصوص اعضای تکیه گاهی می تواند رفتار سازه را به شدت به سمت گسیختگی سوق دهد،و این در حالی است که کمانش اعضای ثانویه ممکن است باعث باز توزیع نیروها شده تا اینکه یکی از اعضای اصلی بحرانی گردد.ذکر این نکته لازم بنظر می رسد که وجود بارهای باد و برف می تواند شرایط اعضای سازه را به اندازه ای به حالت حدی نهائی نزدیک کند که مسیر بازگشت نیروها بین اعضای ثانویه و اولیه کمینه گردد و بلافاصله بعد از کمانش اعضای ثانویه گسیختگی کلی در سازه رخ دهد.

–          سوانح و حادث: تاثیر گسیختگی و خرابی یک یا چند عضو بر خرابی تدریجی یک سازه فضائی تحت بارگذاریهای کمتر از بار سرویس بستگی به سطح بارگذاری و درجه اهمیت عضو آسیب دیده دارد.در اکثر موارد فقط اعضائی که مستقیما بر روی تکیه گاه ها قرار دارند بحرانی هستند و برای تامین حاشیه ایمنی کافی در طراحی ،اندازه این اعضا را می توان با متحمل شدن هزینه ناچیزی افزایش داد.از آنجا که اعضای محیطی معمولا پیوستگی سازه های فضائی را تامین می کنند،هرگونه صدمات احتمالی(کمانش اعضای قطری بین شبکه فوقانی وتحتانی در اثر آتش سوزی و یا وقوع انفجار در قسمتی از سازه )،بر اعضایی غیر از اعضای اصلی فوق صرفا سبب ایجاد آسیب دیدگی موضعی در سازه می گردد.

–          گسیختگی تدریجی: مکانیزم های خرابی سازه های فضائی در بار نهائی عمدتا تدریجی هستند. در این راستا به منظور تامین قابلیت اطمینان مناسب در طراحی اینگونه سازه ها،مطابق کدهای آئین نامه ای رایج نظیر LRFD، نیروهای ایجاد شده در اعضای سازه ناشی از بارهای حد نهائی ضریبدار بایستی به عنوان معیار نهائی مقاومت،با ظرفیت نهائی با در نظرگرفتن ضرایب اصلاح مقاومت مقایسه گردد. در عمل به منظور طراحی صحیح و اصولی بایستی توجه خاصی به قابلیت گسیختگی تدریجی در سازه هائی که مستعد این مهم نمی باشند در مقایسه با سایر سیستم های سازه ای دارای گسیختگی تدریجی مبذول داشت. در این راستا مهندس طراح بایستی آگاهی کامل از انواع و اشکال سازه های فضائی مورد بحث و همچنین ناشناخته های مرتبط با آنها داشته باشد و طراحی این سازه ها نبایستی صرفا به ارائه طرح کامل از سازه فضائی با لحاظ ضوابط آئین نامه ای معطوف گردد.

نکته مهم در خصوص طراحی سازه های فضائی با قابلیت اطمینان و حاشیه ایمنی مناسب این است که ملاحظات مربوط به نقص عضوهای اولیه در اعضاء که ممکن است سبب بازتوزیع نیروها در اعضاء گردد،صرفا در ارتباط با سازه هائی که در آن تمام اعضاءفقط به اندازه نیرو های حاصل از آنالیز الاستیک مقاوم هستند(و یا به عبارت دیگر مقدار نسبت تنش در آنها خیلی به نزدیک 1.0 نزدیک است)مطرح می شوند.

در عمل با توجه باینکه تعداد محدودی مقاطع مشخص برای اعضاء استفاده می شوند،بسیاری از آنها دارای نسبت تنش های پائین و یا به میزان متنابهی کوچکتر از یک می باشند. در نتیجه سازه دارای حاشیه ایمنی کافی برای قابلیت باز توزیع نیروها بوده و بنابراین مدگسیختگی حاکم از نوع ترد خواهد بود. این مهم بایستی در طراحی اعضاء سازه فضائی مد نظر قرار گیرد بگونه ای که نسبت تنش اعضاء بخصوص اعضاء اصلی مجاور و روی تکیه گاه،نبایستی خیلی بالا و یا نزدیک 1.0 باشد.

بطور کلی طراحی واجرای سازه های فضائی بایستی با دو نگرش صورت پذیرد:

–          باز توزیع نیروها بخاطر نیروهای حاصل از تغییر شکل های بوجود آمده در اثر غیرخطی شدن اعضاء سازه باشد. در حقیقت باز توزیع نیروها نبایستی با لحاظ تغییر شکل های اولیه در اعضاء بدلیل نقص عضوهای اولیه صورت پذیرد.

–          طراحی اعضاء سازه بگونه ای صحیح و اصولی باشند که مقدار نسبت تنش در اعضاء قطری بین شبکه بالائی و پائینی سازه فضائی زیاد و در اعضای شبکه فوقانی و تحتانی کم باشد. این مسئله باعث ایجاد بازتوزیع مناسب و موثر در اثر غیرخطی شدن روابط نیرو و کوتاه شدگی (چون اعضاء قطری در فشار هستند) می گردد بگونه ای که احتمال گسیختگی نابهنگام و ترد در سازه های فضائی دو لایه بنحو مناسبی پائین میاید.بعبارت دیگر در مرحله اول اعضای قطری و سپس با باز توزیع نیروها اعضای شبکه فوقانی وتحتانی غیرخطی شوند و بدین ترتیب سازه مرحله به مرحله و بصورت تدریجی گسیخته گردد.

علاوه بر این در اعضای شبکه فوقانی وتحتانی بسته به دوری ونزدیکی از تکیه گاه های سازه با انجام آنالیزهای متعدد و در نظرگرفتن آلترناتیوهای مختلف طراحی در هر مرحله و لحاظ کردن اثر المان های جاری شده و یا کمانش کرده،بایستی به سطحی از قابلیت اطمینان در طراحی دست یافت که در آن طراحی اعضا بگونه ای صحیح و کامل باشد که گسیختگی زودرس و نابهنگام کمینه گردد و یا اصولا بوجود نیاید.

در نهایت ذکر این نکته ضروری است که گسیختگی در یک عضو می تواند منجر به فروریزش سازه و یا بازتوزیع نیروها بین اعضاء دیگر و افزایش ظرفیت سازه گردد و این موضوع خود بستگی به موقعیت عضو دارد. اعضای قطری بغیر از اعضائی که مستقیما روی تکیه گاه قرار گرفته اند بحرانی نبوده و معمولا قبل از مرحله فرو ریزش گسیخته می شوند.در عین حال چنانچه اعضای شبکه فوقانی و تحتانی کمانش نمایند،بدلیل بار برداری سریع مقدار کمی مقاومت پس از کمانش وجود داشته و سازه در آستانه فروریزش قرار می گیرد.ضمن اینکه رفتار کل سازه بعد از اینکه نیروهای اعضاء به حد مقاومت تئوریک خودشان می رسند،بستگی به تغییرات بار و تغییر طول اعضاء خواهد داشت.

بهینه سازی:

معمولا در طراحی سازه یک سقف به صورت شبکه دو لایه،طول دهانه ها،چیدمان تکیه گاه ها، بارهای طراحی و حدود بهره بردای سازه مشخص هستند. مشخصات و ابعادی که شاید بتوان آن ها را تغییر داد،شامل ارتفاع شبکه،فاصله گره ها، آرایش اعضا و ابعاد مقطع اعضا (که از بین مقاطع موجود انتخاب می شوند)می باشد. نسبت طول دهانه به ارتفاع شبکه معمولا بین 10 تا 20 بوده و فاصله گره ها یک تا دو برابر ارتفاع شبکه می باشد. در عمل سازه ای که تمام اعضای آن ظرفیت کامل خود استفاده می کنند، با تغییر ارتفاع شبکه و یا فاصله گره ها تغییر زیادی در وزن سازه حاصل نمی شود. منظور از استفاده از ظرفیت کامل این است که هر عضو دقیقا مقاومتی به اندازه بار وارد بر آن دارد. حد بالای ابعاد مقطع اعضا را بزرگترین نیرو و حد پایین آن را محدودیتهای هندسی تعیین می کند . در واقع انتخاب بهینه اعضا بین این دو حد است. این مساله را می توان به راحتی و با انتخاب دستی اعضا و انجام تحلیل های کنترلی و یا با استفاده از برنامه های کامپیوتری که به دنبال کمترین وزن سازه (با استفاده از مقاطع موجود )می گردند،حل کرد. این روند بهینه سازی ،صرفه جویی زیادی در هزینه سازه ندارد ،ولی کنترل خوبی برای طرح نهایی محسوب می شود.

در اغلب برای تعدادی از اعضای اصلی مقطع یکسان اختصاص داده می شود تا بالاترین نیرو را تحمل کنند. این که چگونه می توان از این ذخیره مقاومت استفاده کرد،موضوعی است که می تواند در روش های ارائه شده برای اصلاح رفتار سازه مورد بحث قرار گیرد.

تهیه کننده گان: محمد مهدی علی نیا، احمدرضا مشکفروش

خرپاهای فضایی

گوناگونی فرم های سازه های فضایی در خلق آثار معماری

چکیده

در دهه های اخیر روش های نوین طراحی،آنالیز و اجرای سازه های فضاکار در ساخت آثار نوین معماری بالاخص سبک وزن تاثیرات چشمگیری داشته است.آشنایی کامل برخی از معماران با رفتار مکانیکی این سازه ها از یک سو و امکانات محاسباتی فراهم شده در فناوری های مدل سازی کامپیوتری از سوی دیگر دست به دست یکدیگر داده و فرم های بدیعی را خلق نموده است.

بسیاری از چنین محصولات معماری-سازه ای،نتیجه ی آگاهی مهندسین معماری و عمران بر قابلیت های سازه های فضایی و توانایی درک رفتار سازه ای آن ها در انتقال نیروها بوده است. بی شک معماران امروزی برای نیل به ایده های شکلی نوین در طراحی خود می بایست تسلط کافی را بر مفاهیم انتقال نیروها در چنین سازه هایی داشته باشند.

نگارندگان این مقاله پژوهش خویش را در زمینه ی روش های طراحی فرمی سازه های فضاکار شروع کرده اند و بر این تلاش هستند که دسته بندی مناسبی از فرم های چنین سازه هایی را ارائه دهند.امکانات،قابلیت ها،روش های اجرا،مزایا ومحدودیت های هر کدام مورد تحلیل و ارزیابی قرار گیرد تا شیوه نامه ای مختصر از انتخاب گزینه های گوناگون سازه های فضایی برای مهندسان فراهم آید.

مقدمه

آن چه سازه های فضاکار را از دیگر سازه های متداول ساختمانی تفکیک می نماید آن است که

1)      پایداری و ایستایی آن ها نسبت به سازه های مشابه بالاخص در برابر نیروی زلزله بهتر می باشد.

2)      ماندگاری این سازه ها و مدت عمر مفیدشان بسیار زیاد است.

3)      تکنولوژی ساخت آن ها به روز است و دائما در حال پیشرفت می باشند.

4)      سازه های فضاکار به عنوان ساختارهای ساختمانی سبک وزن تلقی می شوند که به همین جهت گرایش دست اندرکاران ساخت به چنین سیستم هایی رو به افزایش است.

5)      پیش ساخته بودن اکثر اجزای این سازه ها اطمینان مهندسین را در اجرای دقیق و بدون نقص آن ها به خود جلب نموده است.

6)      تنوع و گوناگونی شکلی آن ها،دامنه ی کاربرشان را از نظر کاربردشان را از نظر کاربری های فضاهای معماری،عناصر و جزئیات کاربردی ساختمانی و نیز مصالح به کار رفته در تشکیل چنین ساختارهایی بالا برده است.

هرچند فرآیند طراحی و اجرای سازه های فضایی با افزایش تنوع در فرم ،مشکل تر می شود اما از آنجا که نتایج حاصل از به کارگیری این سازه ها معمولا در حد قابل قبولی مورد تایید کاربران و ساکنین این فضاها بوده است،بهره برداری از آن ها مطلوب مهندسان معمار ،عمران می باشد و کاربردشان روز به روز در حال گسترش است.

به منظور به کارگیری مناسب چنین سازه هایی لازم است که معماران اولا به رفتار سازه های فضاکار به همراه قابلیت های سازه ای و کاربردهای فضایی ارائه گردد.بدیهی است که طبقه بندی مذکور کاملا نظری بوده و براساس نمونه های واقعی می باشد که تاکنون طراحی و اجراگردیده است. لذا ممکن است دیگر صاحب نظران این رشته بتوانند دسته بندی های جدیدی در این مجموعه بیان کرده و یا مواردی را بدان اضافه نمایند.

انواع شکلی سازه های فضایی

فرم های گوناگون که سازه های فضاکار می توانند داشته باشند،در قالب پنج گروه کلی طبقه بندی می شود:

  1. سازه های فضاکار با عناصر سازه های متداول
  2. سازه های فضاکار با فرم های تخت غیر مسطح
  3. سازه های فضاکار با سطوح مدور
  4. سازه های فضاکار با فرم های آزاد
  5. سازه های فضاکار با فرم های پیچیده

سازه های فضاکار با فرم عناصر سازه ای متداول

نظام سازه ای بیشتر ساختمان های موجود در جوامع حرفه ای امروزی از الگوی واحدی پیروی می کند که تقریبا همه مهندسین ساختمان با آن آشنایی دارند. این نظام از بالا به پایین ابتدا نیروهای سقف را به تیرها و سپس از تیرها به ستون ها و در نهایت از ستون ها به پی منتقل می کند. عناصر سازه که در این سیستم به کار می روند خود می توانند به شیوه ی فضاکار طراحی واجرا شوند که در این صورت توانایی باربری و مقاومت بالاتری در برابر نیروها و لنگرهای وارده به ساختمان به وجود خواهند آورد.یکی دیگر از وِیژگی های چنین ساختارهایی معمولا عدم نیاز به مهاربند در مقابله با نیروهای جانبی است.

1-      فرم های تخت و مسطح

از فرم های تخت و غیر شیب دار به منظور پوشانیدن سقف های بزرگ استفاده می شود که مزیت این سقف ها حذف عضو “تیرچه” و باربری یکنواخت سقف است.این فرم ها می توانند مستقیما بارخود را بر ستون وارد کنند که در این صورت نیازی به طراحی تیرهای ساختمانی نخواهد بود.همچنین طراحان می توانند آن گونه پیش بینی نمایند که بارهای این سقف ها به تیرها وارد شود.

سازه های فضایی با فرم تخت

2-      تیرهای فضاکار

سقف های بزرگ و سنگین ساختمان به دلیل انتقال نیروی زیاد به تیرها موجب افزایش لنگر خمشی در آن ها می شوند،که در این صورت حساسیت طراحی چنین تیرهایی افزایش می یابد.در چنین مواردی یکی از گزینه های مطلوب برای بارگذاری دهانه های سنگین و یا با طول زیاد به کارگیری تیرهایی به شکل سازه های فضاکار دو بعدی است که اصطلاحا به خرپای دو بعدی مشهورند.

تیرهای خرپایی

3-      فرم های کارکردی در نقش ستون

اعمال بار زیاد بر ستون های ساختمان و یا استفاده از ستون های با طول زیاد بدون اتصال به اجزای دیگر موجب افزایش کمانش در آنها می شود که باعث بالا رفتن ویژگی لاغری و کاهش پایداری این عناصر در برابر نیروهای قائم ساختمان خواهند شد.در چنین اوضاعی پیشنهاد می شود که از ستون های فضاکار استفاده شود.عموما این ستون ها به صورت فضایی و سه بعدی طراحی و اجرا می شود و کمتر مواردی است که آن ها را به صورت دو بعدی به کار برند و این به دلیل آن است که کمانش در هر جهتی ممکن است در آنها به وجود آید.

ستون های فضاکار

4-      اعضای پشتیبان

سازه های فضاکار جز آن که در نقش اعضای سازه ای اصلی به کار گرفته می شوند،به دلیل مقاومت بالا و پایداری مطلوبی که در برابر انواع نیروهای وارده به ساختمان از خود نشان می دهند می توانند نگهدارنده ی برخی اعضای فرعی دیگر باشند.این اعضا ممکن است دیوار رانشی در گودبرداری(سازه ی نگهبان )،دیوار حایل در شیب،نگهدارنده ی شیشه ها،اعضای کابلی کششی و یا طره های بزرگ باشند. در این شرایط طراحان می توانند سازه ی مستقل فضاکاری به منظور پشتیبانی این اجزاء طراحی نمایند و یا بعضا از اعضای طراحی شده به عنوان سقف،تیر و ستون به صورت چند منظوره استفاده کنند.

سازه فضاکار پشتیبان

سازه های فضاکار با فرم های تخت غیر مسطح

فرم های شیب دار و غیر مسطح ساختمانی ویژگی خاصی در سازه به وجود می آورند که در نتیجه یکی از گزینه های مطلوب در اجرای آن ها به کارگیری سازه های فضاکار خواهد بود. در چنین فرم هایی انتقال بار به صورت غیریکنواخت خطی افزاینده در طول سازه اتفاق می افتد و بخشی از نیرو نیز به شکل نیروی محوری در آن انتقال می یابد.

1-      فرم های شیب دار

ساده ترین شکل چنین سازه هایی سقف هایی هستند که به دلایل کارکردی،اقلیمی،محیطی و یا توپوگرافی زمین به صورت مایل اجرا می شوند و به دلیل رانشی که در جهت شیب به وجود می آورند امکان استفاده از تیرچه ها و حتی تیرها سازه ای در آن محدود و پیچیده خواهد شد. لذا این سقف ها عموما به صورت خرپاهای دوبعدی و یا سه بعدی طراحی و اجرا می گردند.

سازه فضاکار شیب دار

2-      فرم های هرمی

رفتار سازه ای فرم های هرمی شبیه به سازه های شیب دار است با این تفاوت که معمولا حداقل دو شیب معکوس در این فرم ها به یکدیگر تکیه می کنند و به دلیل انتقال ساده تر نیروها از نقطه ی اوج سازه به بخش های تحتانی،شکل های فضاکار آن ها سبک تر و با مقاومت کمتری می توانند طراحی شوند. این مجموعه ها اغلب دارای فرم های متقارنی هستند که زیبایی بصری را نیز همراه دارند.

سازه های هرمی فضایی

3-      فرم های شکسته

در طراحی معماری برخی بناها،به دلایل ایده های فرمی و تصورات کلی خاص ذهنی معمار، برخی از تولیدات ساختمانی دارای پوسته ی شکسته و بعضا نامنظمی هستند تا بتوانند اهداف ایده پردازانه ی طراح را به صورت بصری به نمایش بگذارند.در چنین شرایطی یکی از بهترین راه کارهای سازه ای موجود استفاده ی از فرم های پیوسته ی فضاکاری است که در نقاط مورد نظر شکستگی را به وجود آورده اند. در این سازه ها عموما به دلیل پیوستگی فضایی،سقف،دیوار،ستون و دیگر اعضای سازه ای با یکدیگر یک پارچه و بعضا غیرقابل تفکیک می شوند.

فرم های شکسته سازه فضاکار

سازه های فضاکار با سطوح مدور

به نظر می رسد به دلیل ویژگی های شکلی و نوع انتقال بار در سازه های فضاکار،فرم های این سازه ها عموما به صورت مستقیم و مسطح قابل اجراست. اما با امکانات شبیه سازی رایانه ای و توانایی آلیاژهای مورد استفاده امروزه می توان فرم های غیرمسطح و با بدنه های منحنی و در عین حال منظم برای سازه های فضاکار طراحی نمود.این فرم ها را در سه گروه قوسی،گنبدی و کروی تقسیم می کنند.

1-      فرم های قوسی

فرم های قوسی به دلیل تبدیل نیروهای قائم به نیروهای داخلی فشاری در سازه،از دیرباز در بیشتر شیوه های ساخت و ساز متداول بوده اند که انواع طاق ها در معماری سنتی از آن قبیل می باشند. از مزایای طراحی چنین سازه هایی وسیع شدن دهانه ها و سادگی طراحی فنی آن ها است.امروزه با امکانات موجود،چنین قوس هایی را در مقیاس بزرگ تر و با استفاده از سیستم های فضایی طراحی و اجرا می کنند.

دهانه با سازه فضایی

از آن جا که چنین فرم هایی در صورت اجرای فضایی،به شیوه ی مدولار طراحی می شوند،بسیاری از قطعات
آنان می تواند به صورت پیش ساخته تولید شود و با اتصال به یکدیگر فرم نهایی یک قوس را ایجاد کنند. شیب این قوس ها در نقطه ی اتصال به تکیه گاه می تواند زیاد باشد که در این صورت قوس به فرم نیم دایره نزدیک خواهد شد. چنین قوس هایی به نسبت دهانه ای که می پوشانند دارای ارتفاع بیشتری نسبت به نمونه های مشابه می باشند.

مدل سازی سازه فضاکار

2-      فرم های گنبدی

تمامی ویژگی هایی که برای سازه های قوسی ذکر شد در فرم های گنبدی نیز وجود دارد،تقریبا تنها تفاوتی که در این میان موجود است آن است که در قوس ها تقارن محوری شکل می گیرد در حالی که در فرم های گنبدی تقارن مرکزی به وجود می آید و به جای آن که کلیه ی بارهای قائم در دو تکیه گاه خطی وارد شود،در یک سطح مدور توزیع می گردد.

اساس شکلی فرم های گنبدی در سازه های فضاکار می تواند

1)      به صورت صفحات شکسته ای باشد که بخشی از یک چندوجهی منتظم را تشکیل می دهند و اصطلاحا بدان گنبد ژنودزیک گویند و یا

2)      از اعضای فشاری منظم و مرکزگرایی تشکیل شده باشد که در یک سیستم پیچیده ی رو به پایین،بارها را به تکیه گاه می کنند.

فرم گنبدی با سازه های فضاکار

3-      فرم های کروی

4-      چنان چه سیستم های سازه ای گنبدی زاویه ی فضایی بیش از 180 درجه را بپوشانند فرم های کروی تشکیل می گردد. در واقع فرم های کروی یا یک سازه ی کروی کامل اند و یا بخش بزرگی از سازه ی کروی را به خود اختصاص می دهند . استفاده از این فرم ها به دلیل فضای غیرمفیدی که اشغال می نمایند ،کمتر از سیستم گنبدی کاربرد دارد. به هر حال طراحی و اجرای هر دو فرم گنبدی و کروی،جز از روش های سازهای فضاکار،به سادگی امکان پذیر نیست.انتقال بار سازه های کروی کامل به زمین چون تکیه گاه مشخصی برای اتصال به سطوح زیرین ندارند،با مشکلاتی روبه روست،بنابراین لازم است که یک سازه ی کمکی به منظور نگهداری این کره ها طراحی گردد.

فرم های کروی با سازه های فضاکار

سازه های فضاکار با فرم های آزاد

طراحی سازه های فضاکار تنها به فرم های مسطح یا مدور منظم محدود نمی شود.امروزه می توان تمام تخیلات ذهنی معماران را در خلق پوسته ی بیرونی ساختمان به روش های گوناگونی به اجرا درآورد.یکی از این شیوه ها استفاده از سازه های فضاکار است.با استفاده از شبیه سازی رایانه ای،امکان طراحی بیشتر فرم های آزاد فضایی با به کارگیری این سازه ها فراهم شده است.هرچند هنوز مدل های واقعی ساخته شده اندک می باشند.

1-      فرم های آزاد منظم

           اگرچه فرم های آزاد می توانند به هر شکلی که ایستایی کلی سازه را تامین کنند،طراحی شوند،اما چنان چه نظمی عمومی                     در اجزای آن برقرار باشد،طراحی و اجرای آن ساده تر خواهد بود.در عین حال فرم های آزاد منظم،احساس پایداری بیشتری به بیننده القاء می کنند.نظم این فرم ها می توانند از جنس تقارن(محوری و مرکزی)باشد و یا از فرم های پوسته ای پایدار تبعیت کند(که عموما در سازه های کششی چادری به کار می روند). همچنین می توان با تکرار منظم یک شکل نامنظم باز هم این هدف را تامین نمود.

فرم های آزاد منظم سازه های فضایی

2-      فرم های آزاد نامنظم

در بررسی که میان نمونه های اجرا شده از فرم های آزاد سازه های فضایی به عمل آمد،به نظر می رسد که علاقه ی معماران در این نمونه ها آن است که حتی الامکان از محدودیت هایی چون نظم و تقارن خارج شوند .بنابراین نمونه های قابل توجهی از سازه های فضاکار با فرم های نامنظم وجود دارد.از آن جا که در این سازه ها نظم هماهنگی دیده نمی شود،شکل های بسیار متنوعی به خود می گیرند.بعضی از این فرم ها در واقع شکلی منظم بوده اند که قسمتی از آن بریده شده یا تغییری در جهت مخالف نظم سازه در آن به وجودآمده است.

فرم های فضایی نامنظم

سازه های فضاکار با فرم های پیچیده

ایده های خلاق معماران در طراحی سازه های فضاکار تنها به شکل های واحد و یا منظم بسنده نکرده و همان گونه که در قسمت 4-2 مشاهده شد،به تغییراتی در فرم های متداول دست زده است. گونه های دیگری از این سازه ها نیز هستند که پیشتر رفته و از ابتدا با سیمای پیچیده ای طراحی شده اند.این نمونه ها را به سادگی نمی توان در گروه های فوق الذکر قرار داد.بنابراین به دلیل خاص بودن شکل فضایی شان در گروه جدیدی قرار گرفته اند.

1-      فرم های تکرار شونده

گروهی از سازه های فضایی پیچیده هستند که به دلایل عملکردی با برخی محدودیت ها در اجرای توده های سازه ای بزرگ،به صورت تکرار یک فرم سازه ای فضاکار که بعضا خیلی پیچیده هم نیست طراحی می گردند.نکته ی پیچیده در طراحی چنین سازه هایی پیش بینی چگونگی اتصال هر دو قطعه ای است که باید در کنار هم بنشینند.تکرار این فرم ها می توانند هم در یک طول اتفاق بیافتد و هم حول یک مرکز به وجود آید.

فرم های تکرار شونده

2-      فرم های طولی

سازه های فضایی هستند که یک بعد آن ها نسبت به وجوه دیگر کشیدگی بیشتری دارد.عموما این سازه ها به منظور طراحی پل ها و ساختمان های کشیده ای چون ایستگاه قطار و مترو به کار گرفته می شوند.

فرم های فضاکار طولی

3-      فرم های ترکیبی

می توان برخی فرم های سازه های فضاکار را که با هم همخوانی بیشتری دارند به دلایل عملکردی،فرمی،توسعه و یا موقعیت قرارگیری در کنار برخی همسایگی ها با یکدیگر ترکیب نمود و فرم های جدیدی حاصل کرد. مثلا ترکیب فرم گنبدی با سطوح مدور یا فرم قوسی با فرم های تخت عمودی که در نمونه های زیر مشاهده می شود،روشی است برای به دست آوردن فرم های ترکیبی که معمار را به اهداف ایده ای و کارکردی اش نزدیک کرده است.

فرم های ترکیبی سازه فضاکار

4-      فرم های متکی بر هم

در بعضی سازه های فضاکار به منظور تامین ارتفاع بیشتر در بدنه ی خارجی یا توسعه فضای قابل استفاده در زیر آن و یا بی نیازی از به کارگیری دیگر اجزای سازه ای غیرفضایی،بخش هایی از سازه را برهم تکیه می دهند.این گونه اتکا موجب می شود تا پایداری این سازه ها در برابر نیروهای قائم و جانبی بالا رفته و گاه مقاومت آن ها در جهات متقابل نیز به طور یکسانی افزایش یابد.

فرم های فضایی متکی

سخن پایانی

گوناگونی شکلی سازه های فضاکار محبوبیت و کاربری آن ها را در میان مهندسان بالا برده است.به جرات می توان گفت اکثر ایده های معماری امروزه به خوبی با سازه های فضایی قابل اجرا هستند.یکی از علت های این تنوع خلاق،سبکی مجموعه ی اجرا شده در برابر نمونه های مشابه از سازه های سنتی متداول است.همچنین به کارگیری روش های نوین شبیه سازی و تحلیل نیرو ها،طراحی آن ها را مسیر و تسریع نموده است.

به نظر می رسد بهترین روش استفاده از سازه های متنوع فضاکار در طراحی معماری،مشاهده نمونه های عملی اجرا شده در جای جای دنیای پیشرفته می باشد. توانایی شرکت های بزرگ سازه ای امروزه به حدی افزایش یافته است که کمتر می توان فرم های مشابه و تکراری در موارد ساخته شده را مشاهده نمود.از سوی دیگر درک انتقال نیروها در چنین سیستم های سازه ای نیاز به عمیق شدن مهندسان در همان نمونه های موجود دارد.بنابراین به نظر می رسد نیکوست که بانکی جامع از اطلاعات مدون تصویری و فنی چنین تجربیاتی برای استفاده ی معماران و مهندسین عمران جمع آوری شود و حتی نمونه های کوچکی از آن به صورت آزمایشگاهی در دانشگاه و مراکز تحقیقاتی ساخته و مورد بررسی قرار گیرد.

تهیه کنندگان:دکتر علی اکبر حیدری،مهندس محمد فرخ زاده