Archive for سپتامبر, 2017

بررسی سیستم سازه ای پل های کابلی

بررسی سیستم سازه ای پل های کابلی و ارائه الگوی طراحی شده

واژه های کلیدی :پل های کابلی،سازماندهی کابل ها، نیروهای دینامیکی،عرشه یپل،هندسه ی کششی،مفهوم پایدار زین اسبی، پیش تنیدگی

چکیده

برای اجرای پلها میتوان ازسیستم های سازه ای پلهای کابلی استفاده کردکه نحوه استفاده ازکابلها در پل به دوگونه است:

  • پل ها با کابل های کشیده

  • پل ها با کابل سهمی

پل های با کابل سهمی از دو عدد پایه بلند  تشکیل می شوند که در دو طرف دهانه قرار می گیرند و دو دسته کابل که با عبور از بالای پایه ها،در دهانه آویزان است و عرشه ی پل به وسیله ی تعداد ی آویز قائم از کابل های نامبرده آویخته می شود یا مستقیما بار وارده را تحمل می نماید.حال آنکه در پلهای باکابل کشیده دهانه ی پل توسط کابلهای متعددی که به یک پایه ی بلند نصب شده اند درنقط متعددی گرفته میشود.

با بررسی سیستم های پل های کابلی اجرا شده به این نتیجه  می رسیم که همواره در طراحی این سیستم ها به صورت کاملا خطی و دو بعدی نگاه شده است که در برابر نیروهای وارده در دو بعد نیرو را تحمل می کنند که این سبب می شود این نوع پل ها در برابر نیروهای دینامیکی جانبی مقاومت چندان خوبی نداشته باشند در صورتی که تحمل نیرو در سه بعد سبب افزایش مقاومت آنها می شود.همچنین استفاده از برج های نگهدارنده کابل در کنار دهانه پل هرچند سبب تحمل نیرو در برابر نیروهای جانبی میشود اما از حس تعلیق موجود در فضا می کاهد که مطلوب نیست.

در این مقاله الگویی برای سیستم سازه ای سایر پل ها طراحی شده است که در سه بعد نیرو را تحمل می کند و از حالت خطی سایر پل های موجود تبعیت نمی کند که سبب به وجود آمدن پاره ای خصوصیات در این پل ها می شود.

مقدمه

بشر همواره به دنبال راهی برای حمل و نقل کالا از محلی به محل دیگر بوده است هرچند که در حمل و نقل های اولیه با استفاده از چهارپایان برای عبور از دره ها و رودخانه ها احتیاج به تمهیدات  خاصی نبوده و عبور از این موانع هر چند به دشواری اما به هر طریق صورت می گرفت .لیکن لزوم سرعت بیشتر در ارتباطات و همچنین سنگین تر شدن محمولات و استفاده از و سایل حمل و نقل پیشرفته تر سرانجام روزی بشر را به این فکر انداخت که برای عبور از رودخانه ها و دره ها معبری ایجاد نماید که امروزه به آن پل می گوییم. لازمه ی هر راه سریع، عبور آسان و مطمئن آن از عوارض طبیعی مثل رودخانه ها و دره ها می باشد که این کار توسط پل انجام می شود.

پل ها را از جهات مختلف می توان طبقه بندی نمود بدون اینکه در این مورد الویتی قائل شد.
مثلا می تواند از نقطه نظر طول دهانه، سیستم سازه ای، مصالح، شیوه ساخت و استفاده طبقه بندی نمود.

پل ها از نقطه نظر سیستم سازه ای عبارتند از :

  • پل های صفحه ای ( بتن مسلح)
  • پل های تیر و شاهتیر(فولاد، بتن مسلح یا بتن پیش ساخته و … )
  • پل های خرپایی
  • پل های قوسی
  • پل های خرپایی طره ای
  • پل های کابلی
  • پل های قابی

بعد از جنگ جهانی دوم، نیاز شدید و به همراه آن پیشرفت های قابل ملاحظه ای در فن پل سازی به وجود آمد از اتفاقات مهم این دوره استفاده از تکنیک پیش تنیدگی در پل سازی بود.

سال 1960تا 1970سال های شکوفایی اجرای طره ای درپلهای پیش تنیده بود.ازاین شیوه بصورت دهانه های یکسره استفاده می شد.
بعدها از این روش در ساخت پل های با کابل کشیده و با عرشه ی بتنی مورد استفاده قرار گرفت.
دراین پلهابجای استفاده ازکابل آویزان بشکل سهمی،کابلهای متعددی بصورت مستقیم عرشه پل رابه برج وپایه های پل متصل میکنند.

پل های کابلی

پل های با کابل کشیده

پل های با کابل کشیده به علت سختی ، زیبایی، اقتصاد طرح و بالاخره سهولت نسبی اجرا از سال 1950 میلادی رواج زیادی در محدوده ی دهانه های متوسط و بلند پیدا کرده اند.اصل اساسی در بررسی رفتار پل های با کابل کشیده این است که دهانه ی پل توسط کابل های متعددی که به یک پایه ی بلند نصب شده اند در نقاط متعددی گرفته می شود.
محدوده ی اقتصادی برای استفاده از پل های ترکه ای،دهانه های 180 تا 480 متر می باشد.

انواع مختلف پایه های پل های با کابل کشیده عبارتند از  :

الف ) قاب پرتال

ب) قاب پرتال بدون عضو فوقانی ( گیردار به پایه )

پ) قاب پرتال بدون عضو فوقانی ( گیردار به رو سازه )

ت) ستون تنگ گیردار به رو سازه

ث) مثلثی

ج) پایه یک طرفه گیردار

چ) لوزی(الماسی)

مکانیزم

هرپل باکابل کشیده ازیک شاه تیرپوسته بهمراه یک یا چند برج  که دروسط و یا دوانتهای دهانه قرارداردتشکیل شده است.
ازاین برج کابل هایی به صورت قطری معمولا به دو طرف کشیده می شوند وشاه تیرها را پشتیانی می کنند.

کابلهای فولادی بشدت قوی وانعطاف پذیرند.کابلها ازاین نظرکه اجازه میدهند یک سازه بلندتروساده تربتواند فاصله های بزرگ رابپوشاند،مقرون بصرفه هستند.
اگرچه فقط کابل های کمی وجود دارند که به اندازه کافی قوی هستند تا پل های یکپارچه را پشتیبانی کنند.
اما انعطاف پذیریشان توانایی آنها را برای مقابله با نیروهای دینامیکی مانند باد که پل وارد می شود کاهش می دهد بنابراین باید مطالعات دقیق تری برای دهانه های بزرگتر پل های با کابل کشیده انجام شود تا پایداری کابل ها و پل ها را در برابر نیروهای دینامیکی( باد، زلزله و …) تضمین کند.

 

سبکتربودن پل ها اگرچه در برابربادهای قوی میتواند یک ایراد محسوب شود اما دربرابر زلزله یک مزیت بشمار می آید.
درعین حال ظاهر ساده پل های کابل کشیده آنها راجذب میکند واز آن یک المان متفاوت می سازد.

ویژگی های منحصربفرد کابل و سازه ی آن بعنوان یک کل،طراحی پل های با کابل کشیده رایک امرپیچیده می سازد.
برای دهانه های بزرگ درجایی که بادهاودما ظاهرمیشوند محاسبات خیلی پیچیده میشودو واقعااین محاسبات بدون کمک کامپیوترهاوآنالیزهای کامپیوتری غیرممکن است.

در تصویر شماره (3) چند نمونه از پل های با کابل کشیده مهم نشان داده شده است.

پل های معلق با کابل سهمی

این پل ها در دهانه های خیلی بزرگ به کار می روند، ترکیب آنها عبارت است از دو عدد پایه بلند که در دو طرف دهانه قرار می گیرند و دو دسته کابل که باعبور از بالای پایه ها،در دهانه آویزان است و دوانتهای کابل ها در تکیه گاه های ثابتی که معمولا بلوک های بتنی حجیمی هستند مهار می گردند وعرشه ی پل به وسیله ی تعدادی آویز قائم از کابل های نامبرده آویخته می شود یا مستقیما بار وارده را تحمل می نماید.

دراین نوع پلها بار وارده به وسیله ی کابل های قطورنگه داشته میشوند.اجزای متشکله پل های معلق باکابل سهمی عبارتنداز:

کابل،آویز،کف پل،ستون ها که به منزله ی پایه های پل ساخته می شوند.

مهمترین نوع پل های معلق با کابل سهمی عبارتند از :

  • دو انتهای کابل روی عرشه اتصال دارد.
  • دو انتهای کابل بر روی محلی خارج از پل متصل است.

پل های کابلی

مکانیزم

علاوه برهمه انواع پلها که امروزه استفاده میشوند پلهای معلق دارای این توانایی هستند که درساخت دهانه های بسیاربلندمورداستفاده قرارگیرند.
درنگاه اول ممکن است پلهای معلق وپلهای با کابل کشیده شبیه بهم به نظر برسند،اما آنهاکاملا متفاوتند.
بهرحال پلهای معلق از یک شاه تیرپیوسته بایک برجهای بیشترکه دروسط دهانه قراردارند،تشکیل شده اند.
خودشاه تیرمعمولا یک خرپا یا تیرحمال قوسی شکل است،که دردهانه های کوتاهترشاه تیرهای صفحه ای غیرمعمول هستند.
دردو انتهای پل مهارهای بزرگ یاوزنه تعادل برای نگه داشتن انتهای کابلها قرارداده شده اند.

 

کابل های ازیک مهارتاراس برج امتداد پیدا میکنند و به مهار سمت مخالف بسته میشوند.
کابل ها از روی یک سازه ویژه که به حائل یا تکیه گاه معروف است عبور(تصویرشماره 6).

این تکیه گاه به کابلها اجازه میدهدتاهنگامیکه بارها ازیک طرف به طرف5 دیگر نوسان میکنند وبه بیرون کشیده میشوند،بلغزند ومانع این حرکت شوندهمچنین این تکیه گاه ها به نرمی وآرامی بارهارااز کابلها به برج انتقال میدهندازکابل های اصلی کابلهای کوچکتری که به کابلها یاطناب های آویزان کننده معروف هستندبه سمت پایین آویزان شده اند تاشاه تیر پیوسته به آنها بسته شود وبصورت معلق بایستد.بعضی از پلهای معلق ازمهاریا وزنه های تعادل استفاده نمی کنند،امادرعوض کابل های اصلی رابه انتهای شاه تیرمتصل میکنند این خودمهاری برای تعادل میانی به وزن انتهای دهانه ها تکیه میکند وکابل رامحکم نگه میدارد.

اکثریت وزن پل و بارهای زنده مانند وسایل نقلیه روی آن از کابل ها آویزان شده اند،درعین حال کابل ها فقط بوسیله برج ها نگه داشته شده اند واین باعث می شود تامقدارزیاد و باور نکردنی از وزن بوجود آید که برج ها باید بتوانندآن را پشتیبانی کنند.

پلهای معلق بادهانه های بلنداگرچه درزیرترافیک بارهای عادی محکم و پایدارهستند،اما دربرابر نیروهای آئرودینامیکی بادهاآسیب پذیرند.
به همین منظوراقدامات ویژه جهت پایداری ومقاومت پلها انجام داده میشود تا دربرابر بادهای سنگین ارتعاش یانوسان بیش ازاندازه نکنند.

ارائه الگوی طراحی شده

هدف طراحی الگو

در سیستم هایی که برای طراحی پل های کابلی تعریف شده اند وبه مرحله ی اجرا میرسندیک مساله قابل توجه به چشم میخورد وآن این است که تمام سازه های طراحی شده بصورت خطی میباشند ودردو بعد تحمل نیرو میکنند ودر بعدسوم هیچ عنصری برای تحمل کردن نیرو وجود ندارد.
درصورتی که تحمل نیرو درسه بعد سبب میشود که دربرابر نیروهای دینامیکی جانبی که به پل وارد میشوند سازه مقاومترشود.

ازآنجایی که مهاربندی جانبی در پلهای مختلف از نقاط ضعف عمومی پل ها محسوب میشوندبنابراین استفاده از روشی که پل را دربرابر نیروهای جانبی وارده بر پل مقاومترکند کمک شایانی به پایداری آنهاخواهدکرد.

سیستم هایی که در پل های کابلی طراحی میشوندعرشه با برج هایی که به آن متصل هستند می تواند مقداری از نیروی جانبی را تحمل کند که این خود سبب از دست دادن مقداری ازخاصیت یک کابل میشود هدف ازطراحی الگو این بود که بتوانیم سازه ای معین را به ویژگی های اساسی آن نزدیکتر کنیم.کابلها طبق هندسه هایی که از آنها استفاده میشوند خاصیت آویزان بودن رادارند وحس معلق بودن را در انسان بوجود می آورند اما استفاده از برج هایی که در دو سوی عرشه قراردارند ازحس تعلیق موجود درفضا می کاهد.بنابراین می بایست به گونه ای به ایجاد حس تعلیق درفضاکمک کنیم.

در این الگوسعی شده است که مفاهیمی که در پل های کابلی معرفی میشود بصورت محدود کننده ارائه نشود تاذهن خلاق هرمعمار بتواندازالگو به تناسب نیاز خود استفاده کندازآنجایی که هر پروژه تناسبات خاص خود را دارد که متفاوت با دیگر پروژه هاست الگو بصورت مفهومی بیان میشود وبه بحث راجع به وارد کردن مفهوم موردنظر پرداخته میشود واز پرداخت به تناسبات پل بعلت وارد شدن ریزبه مسایل سازه ای که توسط متخصصین تعیین میشود پرهیز میشود.

تشریح عناصر الگو

درمدلهای مختلفی که ازسازه های کابلی برای ساخت پل استفاده میشود 2عنصر مهم برای شخصیت دادن به آن وجود دارد:

  • نوع برج ها و نحوه ی قرارگیری آن ها

  • سازماندهی کابل ها

نوع برج هایی که دراین الگو بکار رفته است ونیز نحوه ی استفاده از آنها کاملا متفاوت بادیگر مدلهای ساخته شده میباشداین برجها بگونه ای ساخته میشوند که بتواند مهم ترین خصوصیت کابل ها با توجه به نوع کاربری ها وهندسه های استفاده ازآنها داشته اند را افزایش دهد وآن ایجادحس تعلیق در پل ها میباشد.

در پل های کابلی باتوجه به قرارگیری برجها درکنارعرشه پل،کل پل به یک انسجام واحدی میرسند بنحوی که برجها با عرشه ی پل ترکیب شده اند وبه وحدتکاملی میرسند بطوری که هویت برج ها دراتصال آنهابه عرشه دیده میشود اما برج ها میتوانند بخودی خودهویتی مستقل ازعرشه داشته باشند و درعین حال عملکرد خود را به نحواحسن انجام دهند.برای ایجاد هویتی مستقل برای برج هاونیز ایجاد حس تعلیق در پلها، برج ها ازعرشه ی پل فاصله گرفتندتا بتوانند مستقلا ودرعین حال همراه باعرشه پل کارکنند وهماهنگ باشند.

با دور شدن برج ها ازعرشه پل هندسه ای کاملا متفاوت ایجاد شده و از حالت دو بعدی خطی مدل های اکنونی به حرکت در سه بعد رسیدند واعضای پل به حالت تحمل نیرودر سه بعد مقاومت میکنند،برای اینکه بتوان مقاومت برج ها را در برابر نیروهایی که از طرف عرشه ی پل به سمت پایین وارد میشودافزایش داد برج ها مقداری به سمت بیرون دهانه چرخیده است وسطح مقطع آن درپایین بیشتر شده است که این امر سبب جابه جایی مرکز ثقل برج به قسمت میانی تر میشود و به مقاومت در برابر نیروها کمک می کند و به پایداری برج ها می افزاید.

بدین ترتیب برای برجهااین قابلیت بوجودآمده تاخودرامعرفی کنندوبعنوان المانی متفاوت که باارتفاع زیادوحالت چرخیده وسطح مقطع ذوزنقه ای خودرامعرفی کنند.

باجابه جایی وتغییرمکان برجها،این فرصت برای کابلهابوجودآمده که بتواندباسازماندهی متفاوت اجراشوندکابل هایی که درالگو بکارگرفته شدند به دوطریق مورداستفاده قرارگرفتند.

  • کابل هایی که تکیه گاه های عرشه را به برج ها متصل می کنند.

  •  کابلهایی که کابل های گروه اول پیش تنیده میکنند وپایداری پل رادربرابر نیروی رو به بالای باد تامین می کنند. 

کابل های گروه اول که تکیه گاه های عرشه را برج ها متصل می کنند وظیفه تحمل نیروی رو به پایین وزن سطح عرشه را برعهده دارند که این کابلها برای اینکه بتواند نیروی وزن را تحمل کنند به قسمت بالایی برج متصل میشوند ومتناسب با نیرویی که به آنها وارد می شود دارای شیب های متفاوتی هستندکابلهای کناری با توجه به نزدیکی به تکیه گاه های متصل کننده ی پل به سایت موردنظر نیروی وزن کمتری نسبت به کابل های قسمتهای میانی پل تحمل میکنند دارای شیب کمتری میباشند که سبب میشود نیروی عمودی کمتری راتحمل کننداما ازجانب دیگر افقی تر بودن آنها سبب میشود که دربرابرنیروهای جانبی که به پل وارد میشوند نیروی بیشتری راتحمل کنند وخود این کابل ها به نوعی پایداری دربرابرنیروهای جانبی را ایجاد میکنند.

بیشترین بازدهی یک پل کابلی زمانی به وجود می آید که در کابل ها هندسه کششی به وجود آید.

یکی از اشکال جالبی که برای پیش تنیده کردن کششی مصالح به وسیله ی نیروهای خارجی به دست می آید اشکال زین اسبی هستند بطور معمول تنش در پوسته های زین اسبی متناسب با جهت انحنا می باشد که با توجه به شناخت نیروهای پل به جای این که از یک کابل منحنی شکل که برای ایجاد آن استفاده شود سعی شد تا از 2 گروه کابل هایی که به عرشه ی پل متصل می شوند با استفاده از هندسه ی آن ها به مفهوم فرم زین اسبی به نحو جدیدی دست پیدا کنیم.

استفاده از فرمی جدید از مفهوم زین اسبی علاوه بر کمک به پایداری پل که حتی در حالت عادی هم قابل مشاهده است ارتباط بین فرم و سازه و در واقع سازه و معماری را به گونه ای آشکارا در معرض نمایش قرار می دهد. در واقع این فرم نشان گر ارتباطی است که بین سازه ی یک مجموعه  وفرم آن به وجود می آید و حس زیبایی شناسی در مواجه با چنین فرم و سازه ای که با یکدیگر تلفیق شده اند عملا به وجود می آید.

برای ایجاد هندسه ی کششی سعی شد که از مفهوم فرم پایدار زین اسبی استفاده شود در واقع فرم های زین اسبی به فرم هایی گفته می شود که انحناهای متضاد داشته باشد تا بتواند فرم ها را ایجاد کند که به خودی خود این فرم ها در برابر نیروهای وارده پایداری بیشتر دارند. در فرم های زین اسبی به ازای هر نقطه ای از انحنای محدب در سطح مقطع طولی یک انحنای معقر در سطح مقطع عمودی سطح وجود دارد.

الگوی موردنظرنیزبازای انحنای محدبی که کابلهای گروه اول ایجادمیکنندانحنای متضادی توسط کابلهای گروه دوم درسطح عمودبرانحنای کابلهای اول بدست آمد.
این کابلهاکه برخلاف انحنای کابلهای اول روبه پایین ودربرابرنیروی روبه بالای بادمقاومت میکنندوهندسه ای کششی ایجادمیکندکه پایداری رادرفرم پل بوجودآورد.
که این پایداری به سبب ایجاد پیش تنیدگی در کابل ها می باشد.

در سازماندهی کابل هایی که برای تحمل نیروی عمودی وزن سازه قرار گرفته اند یک نکته ی قابل توجه به وجود آمد و آن هندسه ی کاملا متفاوتی بود که با توجه به دلایل بالا به وجود آمد، در الگو کابل هایی که تکیه گاه های کناری را پشتیبانی می کنند به قسمت پایین تر برج ها متصل می شوند.
کابل بعدی که تکیه گاه بعدی کنار عرشه را به برج ها متصل می کنند
به همین تناسب درنقطه ای بالاترازکابل قبلی به برج متصل میشوندواین روند به همین ترتیب تاقسمت میانی عرشه ادامه دارد.

این نوع اتصال کابل ها فرم هندسی زیبایی را بوجود می آورند که حس زیبایی شناسانه انسان را برمی انگیزد.

 

تجزیه و تحلیل نیروهای وارد برعناصر الگو

نیروهای وارده بر پل مورد نظر بسیار ساده و در عین حال پیچیده اند و برای درک بهتر احتیاج به تجزیه و تحلیل عمیق و اساسی نیروهای وارده بر الگو وجود دارد نیروهایی که بر الگوی طراحی شده وارده می شوند چنانچه به خوبی درک شوند به وجود آوردن تعادل در آن ها بسیار ساده است. در این الگو دو نوع نیروی وارده وجود دارند که یکی از آن ها نیروی وارده ی وزن پل هستند که به هدف پایین وارد می شوند و نیروهای جانبی که بر پل وارد می شوند مانند باد که نیرویی رو به بال ایجاد می کند و معمولا پل ها از این نظر در برابر نیروهای وارده در برابر نیروهای جانبی مهاربندی خوبی ندارند.

در این الگو کابل هایی برای مقاومت در برابر نیروی رو به پایین وزن پل و کابل هایی در جهت عکس آن برای ایجاد مقاومت در برابر نیروی رو به بالای باد وجود دارند که در مجموع این دو دسته کابل هندسه کششی لازم برای مقاومت پل را به وجود می آورند.

مقایسه الگوی طراحی شده با مدل های موجود

سیستمی که دراین الگو بکار گرفته شده است ازچندین نقطه نظربا مدلهای موجود متفاوت است.
اولین تفاوتی که درنگاه اول به چشم می آید تحمل کردن نیرو درسه بعد میباشد.درمدل های موجودی که طراحی و اجرا میشوند از سیستم هایی برای مقاومت کردن دربرابر نیروهای وارده استفاده میشود که بصورت خطی عمل میکنند.در واقع مدل های موجود در 2 بعدقادر به تحمل نیرو هستند اما الگوی مذکوربگونه ای طراحی شده است که از بعد سوم نیز برای مقاومت دربرابر نیرواستفاده میکنددرواقع بعد سوم نیزوارد طراحی شده است که اهمیت این موضوع زمانی به چشم می آید که به تبعات آن نیز توجه کنیم.اولین ومهمترین اثراین موضوع درمهاربندی جانبی الگوبه چشم می آید زیرابعلت استفاده ازبعد سوم الگوی طراحی شده خود بگونه ای دربرابر نیروهای جانبی مهارمیشود وازاین نقطه نظردر برابر نیروهای جانبی مقاومتر است.

ازآنجایی که مهاربندی جانبی یکی ازنقاط ضعف عمومی پلها بشمارمیاید این مهم کمک ارزنده ای درجهت پایداری پل میکند.
در واقع ایجاد انحناهای متضادی که در پل ها به وجود می آید
برایجاد پایداری درالگوومقاومت بیشترآن دربرابرنیروهای وارده به ایجادحس زیبایی شناسانه که درواقع نشاندهنده ترکیب فرم معماری وسازه است کمک میکند.
فرم زین اسبی درواقع تجلی ارتباط بین سازه معماری وفرم معماری است که هردوی آنهاراتاحد بسیارعالی درخود بصورت نهفته دارد.

دراین الگو طراحی بگونه ای صورت گرفت که از مفهوم فرم پایدارزین اسبی بگونه ای نو ومتفاوت استفاده شود.
درواقع فرم زین اسبی به فرمهایی گفته میشود که انحناهای متضاد داشته باشند.
دراین فرم نیز از دو گونه انحنا استفاده شده که به صورت خطی تعریف شده اندکه به نوعی متفاوت است.
گونه ی اول انحنایی بسمت نوک برج میروندودربالای برج بهم میرسندوگونه ی دیگراین کابلهابه چهارنقطه درزمین بافاصله یکسان ازبرجهامتصل میشوند.
این دودسته کابل دونوع انحنای محدب ومعقرایجاد میکنند که میتواند بااستفاده از مفهوم فرم زین اسبی،پایداری رادر الگو بوجود بیاورند.

از نقطه نظر دیگری نیز این تفاوت ها به چشم می آید که عبارتند از :

  • نوع برج ها و نحوه قرارگیری آنها

  • سازماندهی کابل ها

نوع برج هایی که در این الگو به کار رفته است از جهاتی با برج های موجود متفاوت است اول اینکه برج های پل از صفحه ی عرشه فاصله گرفته است که این مهم به ایجاد حس تعلیق در پل کمک می کند عبور از پلی که حتی برج های آن نیز به صفحه ی عبور گذر متصل نیستند لذت بخش و پر از هیجان است. علاوه بر آن برج ها برای ایجاد مقاومت بیشتر در برابر نیروهای وارده مقداری کج شده اند تا جابه جایی مرکز ثقل آنها بتواند به کل سیستم مقاومت پل کمک کند و آنها را در برابر نیروهای وارده مقاوم تر کند.

ازنظر سازماندهی کابلها نیز گونه ای متقاوت بادیگرمدلها بدست می آید که هندسه ای متفاوت وزیبا را بوجود آورده است.
به نظر می رسد که کابل هایی که دو طرف پل را به برج متصل می کنند دلیل شیب کمتر مقاومت کمتری دارد وبنابراین ما به سطح مقطعی بیشتر از دهانه های میانی احتیاج داریم اما از آنجایی که این نقطه ها در دو طرف پل به تکیه گاه های کناری پل نزدیکترند بنابراین نیروی کمتری به آنها وارد می شود و آنها به سطح مقطعی تقریبا مساوی با دیگر کابل ها احتیاج دارند از سوی دیگر به دلیل افقی بودن کابل های آنها در برابر نیروی افقی مقاومت بیشتری می کنند و مهاربندی جانبی مقاوم تری دارد.

جمع بندی

همواره انسجام یک طرح از وحدت اجزای آن به وجود می آید که دارای ویژگی هایی باشند که بر یکدیگر تاکید کنند و به هدف و ایده طرح نزدیک شوند در الگوی طراحی شده علاوه بر اینکه هدف در تحمل نیرو در سه بعد بوده است در عین حال استفاده از ویژگی های کششی کابل و ایجاد حس تعلیق نیز از اهداف اولیه به شمار می رفت.

توجه به نحوه قرارگیری برج ها و نیز مایل کردن آنها به اطراف برای مستهلک کردن نیروهای وارده و نیز توجه کردن به نحوه سطح مقطع برج ها علاوه بر ایجاد زیبایی فرمی پایدار را برای مقاومت نیروهای وارده ایجاد می کند.
سازماندهی کابلها نیز به گونه ای است که  مقاومت در برابر نیروهای جانبی را افزایش می دهد.

در این الگو تمام اجزا و عناصر الگو همانند نحوه ی قرارگیری برج ها و سازماندهی کابل ها و نیز نحوه بدیع استفاده از مفهوم فرم پایدار زین اسبی به گونه ای طراحی شده است که توانسته به یک انسجام واحدی برسند که نمی توان در هیچ یک از اعضای طرح تغییری ایجاد کرد.حس تعلیق درکل پل طراحی شده به چشم میخوردواینکه الگو توانسته است به هدف اصلی طرح که هماناتحمل نیرودرسه بعد بوده است نایل شود.

 

 

سیستمی در ساختمان سازی با نگرشی به سازه های فضایی

سیستمی نوین درساختمان سازی بانگرشی نوبه سازه های فضایی

چکیده

امروزه مسئله بهینه سازی و صرفه جویی در مصالح مصرفی در ساختمان سازی بسیار مورد توجه مهندسان و دست اندرکاران امر ساخت و ساز می باشد. روش های معمول طرح و محاسبه ساختمان ها اعم از فولادی یا بتنی، استفاده از قابهای مهاربندی شده، قابهای خمشی معمولی و یا سیستم های دو گانه می باشد. تحقیقاتی که تاکنون انجام گرفته در جهت سبک سازی مصالح مصرفی در این نوع  ساختمانها و باهدف کاهش بار زلزله وارده بر ساختمان بوده است. در این مطالعه روشی برای به کارگیری سازه های فضاکار در احداث ساختمان های چند طبقه که بخش اعظمی از ساخت و سازها را به خود اختصاص داده اند، ارائه می گردد.

مدلسازی ساختمان فضایی با استفاده از برنامه Sap2000 و به روش استاتیک معادل و براساس آیین نامه 2800 انجام گرفته و از مقایسه آن با ساختمان هایی با سیستم های مختلف سازه ای، نتیجه شده است که ، وزن اسکلت و همچنین تغییر مکان ناشی از بارهای جانبی در این سازه ها به سیستم های دارای بادبند بسیار نزدیک می باشد. در ضمن استفاده از سازه های فضایی از لحاظ سادگی اجرا و کاهش زمان ساخت، دارای صرفه اقتصادی بوده و مهمتر از آن به علت دارا بودن اتصالات مطمئن و مشارکت تعداد قابل ملاحظه ای از اعضای سازه ای در انتقال بارهای ثقلی وجانبی، مناسب تر از دیگر سیستم های سازه ای متداول می باشد.

کلید واژه : سازه های فضایی شبکه دولایه، سبک سازی.

مقدمه

سازه های فضاکار گروهی از سازه ها هستند که از تعداد زیادی اعضا با عملکرد محوری تشکیل می گردند. این سازه ها دارای اشکال متفاوتی می باشند، که بر همین اساس در چند گروه طبقه بندی می شوند. این گروها عبارتند از : شبکه های تک لایه ،دولایه و سه لایه، چلیک های تک لایه و دولایه، گنبدهای تک لایه و دولایه، دکل های فضایی و غیره.در دهه های اخیر استفاده از این سازه ها بسیار معمول شده  و اکثرا برای پوشش دهانه های بزرگ مانند ژیمناسیوم ها،استادیوم ها،سالن های تئاتر و غیره به کار گرفته می شوند. ولی تاکنون در ایران از این سازه ها، در احداث ساختمان های معمولی استفاده نشده است. ساختمان های فضایی،سازه هایی  هستند که سقف و دیوارهای جانبی آنها را شبکه ها تشکیل می دهند.

اگر ساختمان های فضاکار را با ساختمان های معمول مقایسه کنیم،خواهیم دید که شبکه های به کار رفته در دیوارها،نقش ستون های یک ساختمان معمولی را بازی کرده و بارهای قائم و همچنین بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله را به پی منتقل می نمایند. شبکه دولایه تشکیل دهنده سقف ساختمان های فضایی نیز عملکردی همانند سقف صلب در ساختمان های معمولی را داشته و نیروی ناشی از بارهای جانبی باد زلزله را به نسبت سختی بین دیوارهای باربر تقسیم می کند.طراحی تمامی اعضا و اتصالات این سازه ها به دلیل عدم وجود آیین نامه ای بخصوص برای این سازه ها،همانند سایر ساختمان های معمول، براساس مراجع معتبر و آیین نامه های رایج طراحی،AISC یا آیین نامه فولاد ایران و آیین نامه 2800 انجام می گیرد.

سیستم ساختمانی فضایی

بدیهیست اشکالی ازسازه های فضاکار که برای استفاده جهت پوشش سقف درساختمانهای چند طبقه قابل استفاده هستند،شبکه های تخت میباشند.
شبکه های تک لایه بدلیل دارابودن اتصالات گیردار بمنظورارضای شرایط پایداری،دارای اعضایی قویتر برای تحمل لنگرخمشی ناشی ازبارهای اعمالی میباشند.
همچنین لنگرخمشی ایجاد شده درآنها باعث ایجاد خیز زیاد درسقف وخیزجانبی بیش از حد در شبکه های قائم باربر میگردد.
شبکه های سه لایه نیز بدلیل داشتن ارتفاع زیاد وغیراقتصادی بودن برای دهانه های کوچک،دراین نوع ساختمانها قابل استفاده نیستند.
بنابراین مناسب ترین سازه فضاکار، برای استفاده به عنوان سقف در این ساختمان ها،شبکه دولایه می باشد.

دراین مطالعه ارتفاع این شبکه برابر 50سانتیمتربوده وهریک ازلایه ها بصورت مربع هایی با ابعاد 1مترشبکه بندی شده اند(شکل 1)

دیواره های این سازه هاکه علاوه برتحمل بارهای قائم،بعنوان سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی نیزمورد استفاده قرارمیگیرند،ازجنس شبکه های تک لایه با اتصالات صلب میباشند.
فاصله اعضای قائم تشکیل دهنده این دیوارها 1متر وفاصله اعضای افقی برابر با 2/1 متر در نظر گرفته شده است.

در ضمن اعضای مورب در دیوارها برای تحمل بارهای جانبی به کار گرفته شده اند.( شکل 2)

شایان ذکر است برای کاهش طول آزاد اعضای افقی دیوارها،از پشتنبدهای فضاکار در فواصل 5 متری استفاده می گردد.(شکل 3)

باید توجه داشت که اگر برای ساخت دیوارای داخلی نیز از شبکه های تک لایه استفاده گردد، این شبکه ها علاوه بر قابلیت انتقال بارهای ثقلی و جانبی، قادر به ایفای نقش پشتبندها نیز بوده و تاثیر زیادی در کاهش خیز سقف و ابعاد پروفیل های مصرفی خواهند داشت.

ساختمانی که دراین تحقیق مورد مطالعه قرارگرفته،یک ساختمان چهارطبقه باطول وعرض 30متر میباشد،که هرطبقه به چهارواحد مجزا تقسیم شده است.

اتصالات در سازه های فضایی

تاکنون انواع متنوعی ازاتصالات در سازه های فضایی معرفی گردیده اند که عبارتنداز:سیستمهای اتصال گوی سان،سوکتی،صفحه ای و دیگر سیستمها.

معمولترین اتصالی که دراکثر سازه های فضایی مورداستفاده قرارمیگیرد،نوعی ازاتصال گوی سان بنام اتصال مرومیباشد(شکل4)که ازلحاظ اجرادارای کارکردی ساده وکارآمداست.

جنس گوی اتصال ازآهن فورج شده میباشدکه درجهات مختلف حفره هایی برای پیونداعضابصورت پیچی وبازوایای مختلف درآن تعبیه گردیده است.

اتصال مرو در سازه های فضایی

قابهای ساختمانی مورد مطالعه

سیستمهای سازه ای که دراین مطالعه برای مقایسه با سیستم ساختمانی فضاکار مورد استفاده قرارگرفته اند،شامل سیستم قاب ساختمانی ساده، سیستم قاب خمشی و سیستم دوگانه یاترکیبی میباشند.

قابهای ساختمانی درنظر گرفته شده نیز با ابعاد مشابه و دارای 6 دهانه 5 متری درهر راستا می باشند.

در سیستمهای دارای بادبند،بادبندها از نوع ضربدری بوده و در قاب های فرد(1،3،5،7) جای  گرفته اند.( شکل 5 )

بارگذاری

جزئیات سقف های در نظر گرفته شده برای ساختمان ها،مطابق شکل 6 می باشد، که بار مرده بر همین اساس 500 کیلوگرم در هر مترمربع برای ساختمان های معمولی و 300 کیلوگرم در هر مترمربع برای ساختمان فضاکار بدست آمده است.

شایان ذکراست که بارزنده برای همه ساختمانهای موردمطالعه برابر مقدار 200کیلوگرم در هرمتر مربع در نظر گرفته شده است.

 

لازم به توضیح است که در ساختمان های معمولی سقف ها صلب بوده و بار زلزله به مرکز جرم هر طبقه به طور مجزا وارد می شود در ساختمان فضاکار، شبکه دولایه در برابر بارهای جانبی به صورت صلب عمل کرده و به همین دلیل بار جانبی به نسبت سطح بارگیر بین گره های فوقانی شبکه،توزیع می گردد. ضمنا جزییات بارگذاری زلزله هر چهار سیستم ساختمانی مطابق جدول 1 می باشد.

مقاطع مورد استفاده

سازه فضاکار مورد مطالعه دارای 35268 عضو بوده که در طراحی آنها از پروفیل های لوله ای با ضخامت و قطرهای مختلف استفاده گردیده و با توجه به نتایج حاصل از طراحی ، 24 تیپ مقطع از همین نوع برای ساختمان فضاکار بدست آمده است.

مقاطع تشکیل دهنده همه ساختمان های مورد مطالعه مطابق جداول 2 و 3 می باشند.

 

آنالیز و طراحی

آنالیز و طراحی همه ساختمان های ذکر شده در این مقاله توسط برنامه SAP 2000 انجام گرفته و اثرات زلزله با استفاده از روش استاتیک معادل اعمال گردیده است. با توجه به این موضوع که هنوز آیین نامه ای برای طراحی سازه های فضاکار تدوین نگردیده است، لذا آیین نامه های مورد استفاده در بارگذاری و طراحی تمامی سازه ها را آیین نامه حداقل بار وارده بر ساختمان ها و ابنیه فنی ( استاندارد 519)،آیین نامه 2800، AISC و یا آیین نامه فولاد ایران تشکیل می دهند.

مقایسه وزن اسکلت سازه ها

باتوجه به نتایج حاصله از تحلیل و طراحی،وزن اسکلت سیستمهای سازه ای مورد مطالعه دراین تحقیق مطابق جدول 4 میباشد.
مشاهده میشود که وزن اسکلت ساختمان فضاکار باسیستمهای بادبندی ودوگانه تقریبا برابربوده و کمتراز وزن اسکلت سیستم قاب خمشی میباشد.

مقایسه تغییر مکان جانبی و خیز در سازه ها

حداکثرمقدار تغییر مکان جانبی وخیز ماکزیمم سیستمهای سازه ای مطرح شده باتوجه به نتایج طراحی درجدول 5 آورده شده است.

بامقایسه اعداد بدست آمده مشاهده میگرددکه ساختمان فضاکاربه همراه سیستم دوگانه دارای حداقل تغییرمکان جانبی بوده وبیشترین خیزرادر بین سایرسیستمهادارامیباشد.

که البته این خیز فراتر از محدوده مجاز آیین نامه نبوده و قابل قبول است.

نتیجه گیری

با توجه به نتایج حاصل از تحلیل و طراحی سازه های مورد اشاره در این مقاله، میتوان نتیجه گرفت که استفاده از سازه های فضایی باعث کاهش قابل ملاحظه ای در بار مرده ساختمان می گردد، در حالیکه وزن اسکلت سازه در هر مترمربع آن تقریبا با سیستم های ساده و دو گانه برابر، و بسیار کمتر از وزن اسکلت سیستم قاب خمشی می باشد. همچنین سازه های فضاکار رفتار بسیار خوبی در برابر بارهای جانبی از خود نشان می دهند، بطوریکه تغییرمکان جانبی ناشی از این بارها در این سازه ها نسبت به سیستم قاب ساختمانی ساده و سیستم قاب خمشی کمتر می باشد و بدلیل تعدد اعضای سازه ای ، نیروهای داخلی اعضا تحت تاثیربارهای جانبی تغییرات بسیار اندکی از خود نشان می دهند.

تغییر مکان قائم در سازه های فضایی در مقایسه با سازه های دیگر مورد مطالعه بیشتر ولی در محدوده مجاز آیین نامه های طراحی می باشد،که می توان این خیز را با تعبیه دیوارهای میانی ( از جنس شبکه تک لایه فضایی) تا حد زیادی کاهش داد. شایان ذکر است مدت زمان لازم برای تحلیل و طراحی سازه های فضایی به علت تعدد اعضا، نسبت به سایر سیستم های ساختمانی طولانی تر می باشد. در ضمن سازه های فضایی به دلیل داشتن تعداد زیاد اعضا، درجه نامعینی بالا و همچنین اتصالات کارخانه ای، از ضریب اطیمنان قابل ملاحظه ای برخوردار بوده و به علت سادگی اجرا و کوتاهی مدت زمان ساخت دارای صرفه اقتصادی می باشند.

تهیه کنندگان : رضا کمالی صالح آباد،علیرضا آهنگرعصر