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