سازه فضاکار چیست؟

مقدمه

مجموعه‌ای از سیستم‌های سه‌بعدی و اجزای متصل‌به‌هم است. این سازه‌ها در اثر نگهداری یا انتقال نیرویی که به آن واردآمده تحت‌فشار و کشش قرار دارند.

شبکه سه‌بعدی این سازه‌ها از مدول‌های یکسان و متناوب ساخته شده‌اند. در بالا و پایین مجموعه سازه، ردیف‌های موازی وجود دارد که به ساختمان سه‌بعدی خرپا و لایه‌های موازی بالا و پایین آن شباهت دارد.

1. سازه فضایی چیست؟

به مجموعه سازه‌ای که از واحدهای مثلثی شکل، مانند خرپا استفاده شده است سازۀ فضایی گفته می‌شود. این سازه‌های فضایی به‌منزلهٔ پوششی برای دهانه‌هایی است که دارای تکیه‌گاه‌های کمتری هستند. خرپاهای مثلث شکل، استحکام شبکه‌های فضایی را تأمین می‌کنند و باعث انتقال لنگرهای خمشی، بارهای کششی و فشاری به اجزای محوری خرپا می‌شوند. نکتۀ جالب‌توجه این است که اصطلاح «سازه فضایی» و «سازه فضاکار» به‌جای یکدیگر و ظاهراً هم معنی استفاده می‌شوند؛ اما مفهوم متمایزی از یکدیگر دارند. سازه‌های فضایی عموماً در فضاهای خارجی و برای پوشاندن مناطق بزرگ ساخته می‌شوند.

2. تاریخچه سازه فضایی

الکساندر گراهام بل از سال 1898 تا 1908 این سازه‌ها را بر اساس هندسه چهارضلعی ایجاد کرد. علت علاقه بل به آن در درجه اول استفاده از آنها برای ساختن قابهای مستحکم و سخت برای مهندسی دریایی و هوانوردی بود. سپس دکتر Mengeringhausen سیستم شبکه فضایی موسوم به MERO (مخفف MEngeringhausen ROhrbauweise) را در سال 1943 در آلمان توسعه داد. بدین ترتیب استفاده از خرپاهای فضایی در معماری آغاز گردید. همچنین TStéphane de Chateau در فرانسه (1957) سیستم SDC سه جهته ،(1959) سیستم Unibat  و Pyramitec (1960) را اختراع کرد. در نهایت باکمینستر فولر در سال 1961 اختراع خرپای هشت ضلعی را ثبت اختراع کرد.

3. اجزای سیستم سازه فضایی

• اعضای محوری که به‌عنوان لوله شناخته می‌شوند اجزای اصلی این نوع ساختار را تشکیل می‌دهند.
• این لوله‌ها می‌توانند مقاطع توخالی دایره‌ای یا قسمت‌های توخالی مستطیلی داشته باشند که با استفاده از اتصالات به یکدیگر متصل شوند.
• انواع اتصالات – نوع اتصالات مورداستفاده در این نوع سازه‌ها بستگی به نوع لوله‌ها و همچنین طراحی کلی و استحکام موردنیاز سازه دارد.

4. کاربرد سازه‌های فضایی

مهم‌ترین کاربردهای سازه فضاکار عبارت‌اند از:

• این سازه‌ها یک گزینه متداول در ساخت‌وسازهای کنونی هستند که اغلب در ساختمان‌های بزرگ تجاری و صنعتی با سقف‌های مدرن و با کمترین تکیه‌گاه یافت می‌شوند.
• آنها معمولاً برای ساخت آشیانه هواپیما، کارخانه‌ها، سالن‌های سینما، سالن‌های نمایشگاه و فرودگاه‌ها استفاده می‌شوند.
• ترکیب سازه فضایی با اسکای‌لایت معماری منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهد.

5. انواع سازه‌های فضایی

سازه‌های فضاکار به روش‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌گردند.

بر اساس خمیدگی:

• پوشش‌های مسطح
• طاق بشکه‌ای
• گنبدی
• سازه فری فرم
• چلیک‌ها
• سیستم‌های غشای نازک تحت تنش
• سیستم‌های پوشانه‌ای متکی بر کابل‌ها
• سازه‌های کش بستی
• سازه‌های تاشو

بر اساس تعداد لایه‌ها

• تک‌لایه
• دولایه
• سه‌لایه

6. پوشش مسطح (Flat Covers)

همان‌طور که از نام این نوع از سازه فضا کار مشخص است، سازه فضایی مسطح دارای سطحی بدون انحنا و صاف است

7. سازه فضایی طاق بشکه‌ای (Barrel Vaults)

• همان‌طور که از نام آن مشخص است سازه فضایی مشبک طاق بشکه‌ای دارای مقطع قوسی ساده است.

8. سازه فضایی گنبدی (Spherical Domes)

• سازه‌های گنبدی (گنبدهای کروی) از یک شبکه پیچیده از مقاطع فولادی ساخته شده‌اند
• سازه‌های فضاکار گنبدی از انواع مختلفی تشکیل شده‌اند که مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:
  • سازه گنبدی ژئودزیک
  • سازه گنبدی شودلر
  • سازه گنبدی کیویت

9. سازه گنبدی ژئودزیک (Geodesic Dome)

سازه فضایی گنبد ژئودزیک یک ساختار نیمکره‌ای با پوسته نازک (شبکه – پوسته) است که بر اساس یک‌چند وجهی ژئودزیک (نوعی چندوجهی محدب است که از وجوه مثلثی تشکیل شده‌ است) ساخته می‌شود. عناصر مثلثی گنبد از نظر ساختاری صلب هستند و تنش سازه را در سرتاسر سازه توزیع می‌کنند و باعث می‌شوند گنبدهای ژئودزیکی بتوانند بارهای بسیار سنگین را نسبت به اندازه خود تحمل کنند. برای اولین‌بار این سازه در قرن بیستم توسط مهندس و معمار آمریکایی آر. باکمینستر فولر (در شرکت کارل زایس) ابداع شد.

یک گنبد ژئودزیک ممکن است توسط دیوارهای سبک پشتیبانی شود، اما بر خلاف سایر گنبدهای بزرگ می‌توان آن را مستقیماً به‌عنوان یک سازه کامل روی زمین قرارداد. یک گنبد بزرگ ژئودزیکی در ایالات متحده در اکسپو 67 مونترال در سال 1967 مورداستفاده قرار گرفت. از جمله کاربردهای طراحی این نوع گنبد می‌توان به عرصه‌های ورزشی، تئاتر، گلخانه‌ها و سالن‌های نمایشگاهی اشاره کرد.

10. سازه گنبدی شودلر (Schwedler Dome)

یک گنبد شودلر شامل نصف‌النهارهایی است که به تعدادی حلقه چندضلعی افقی متصل شده‌اند تا بتواند ساختار حاصل را سفت کرده و بارهای نامتقارن را تحمل کند. هر ذوزنقه‌ای که از تلاقی نصف‌النهارها با حلقه‌های افقی تشکیل می‌شود توسط یک عضو مورب به دو مثلث تقسیم می‌شود. گاهی اوقات ذوزنقه ممکن است توسط دو عضو متقاطع نیز تقسیم شود. این نوع گنبد توسط مهندس آلمانی J.W. شودلر در سال 1863. محبوبیت زیاد گنبدهای شودلر به این دلیل است که با فرض اتصالات متصل به پین، ساختار را می‌توان به‌صورت استاتیکی تعیین شده تحلیل کرد. در عمل علاوه بر نیروهای محوری، تمامی اعضا تحت‌تأثیر ممان‌های خمشی و پیچشی نیز قرار دارند.

11. سازه گنبدی کیویت (Kiewitt Dome)

الگوی گنبد کیویت شامل یک سری مثلث‌های تقسیم شده در امتداد جهت محیطی است که دارای یک رأس مشترک در تاج گنبد هستند. شکل زیر شماتیک این سه نوع الگوی سازه‌های فضایی گنبدی‌شکل را نشان می‌دهد.

12. سازه فضایی تاشو (Folding Domes)

سازه جمع‌شونده تا شده سازه‌ای است که از یک یا چند فرم «تاشو» تشکیل شده است. سازه‌های تا شو می‌توانند دهانه‌های بزرگ‌تر، استحکام و وزن خالص کمتری را نسبت به از دیگر اشکال متعارف سازه به دست آورند. استحکام و سختی سازه تا شو از پیکربندی، ضخامت و ابعاد عناصر تشکیل‌دهنده آن ناشی می‌شود. سازه‌های تاشو از نظر جنس، فرم هندسی، پایه‌ای که بر روی آن قرار گرفته‌اند و از لحاظ عملکردی در ساختمان متفاوت‌اند.

13. سازه فری فرم (Free Form)

سطوح فری فرم برخلاف سطوح معمولی مانند صفحات، استوانه‌ها و سطوح مخروطی ابعاد شعاعی مشخصی ندارند. از آنها برای توصیف فرم‌هایی مانند پره‌های توربین، بدنه ماشین و بدنه قایق استفاده می‌شود. سطوح شکل آزاد که در ابتدا برای صنایع خودروسازی و هوافضا توسعه‌یافته بود، اکنون در همه زمینه‌های طراحی مهندسی از محصولات کالاهای مصرفی گرفته تا کشتی‌ها و همچنین در معماری به طور گسترده مورداستفاده قرار می‌گیرد. امروزه اکثر سیستم‌ها از ریاضیات B-spline (NURBS) منطقی غیریکنواخت برای توصیف فرم‌های سطحی استفاده می‌کنند. بااین‌حال، روش‌های دیگری مانند سطوح گوردون یا سطوح Coons وجود دارد.

در معماری از سازه‌های فری فرم می‌توان برای پوشش وسیع فضا در مکان‌های مختلف استفاده کرد. عرصه‌ها، دهلیزها، موزه‌ها، عبادتگاه‌ها و ساختمان‌های صنعتی همگی به مناطق تحت پوشش وسیع و بدون ستون‌های میانی نیاز دارند. برای تحقق موثر این سازه‌های بزرگ، متخصصان طراحی باید این ساختمان‌ها را شکل دهند تا از فرم هم به‌عنوان عنصر سازه‌ای و هم برای بیان معماری استفاده گردد.

تصویر زیر مربوط به مرکز تحقیقات گیاهی خاورمیانه است که یک سازه فضایی در تهران بوده و توسط شرکت آلوسیس طراحی شده است. سبک طراحی این اثر سازه فری فرم (سازه فضایی فری فرم) است.

سازه فضا کار تک‌لایه (Single Layer)

• از یک‌لایه منفرد تشکیل شده است
• انواع مختلفی از سازه‌های تک‌لایه وجود دارند:
  • شبکه تک‌لایه دوسویه قطری
  • شبکه تک‌لایه دوسویه مستطیلی
  • شبکه تک‌لایه سه سویه شش‌ضلعی
  • شبکه تک‌لایه سه سویه مثلثی
  • شبکه تک‌لایه سه سویه مثلثی – شش‌ضلعی
  • شبکه تک‌لایه چهارسویه

سازه فضا کار سه‌لایه (Triple Layer)

• در سه خط موازی که به طور مورب به هم متصل شده‌اند، قرار گرفته است.
• آنها بیشتر برای دهانه‌های بزرگ استفاده می‌شوند.

14. انواع سیستم‌های سازه‌های فضاکار

برای ساخت سازه‌های فضاکار باید تعدادی المان را به نحوی به یکدیگر متصل نمود و یک شبکهٔ مسطح یا چلیکی و یا گنبدی‌شکل را به وجود آورد. باتوجه‌به انواع مختلف المان‌ها و اینکه چگونه و با چه وسیله‌ای المان‌ها به هم اتصال می‌یابند، انواع مختلف سیستم‌های سازه‌های فضاکار به وجود می‌آید. در یک تقسیم‌بندی کلی، سیستم‌های مختلف سازه‌های فضا کار را می‌توان در سه نوع مختلف گنجاند:

1- سیستم پیونده ای

2- سیستم واحدی

3- سیستم ترکیبی

15. مزایا و معایب سازه فضا کار

این سازه‌های فضایی، کاربردهای بسیار زیادی مانند استفاده به‌عنوان چراغ بزرگ شهری و پخش نور، باجه‌های عوارضی، نمایشگاه، استادیوم ورزشی، ساختمان تجاری و صنعتی، سالن‌ها و سایبان‌های مراکز مختلف دارند؛ بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که باتوجه‌به کاربردهای وسیع آن، دارای مزایای زیر است:

1. سازه‌های فضا کار بسیار سبک هستند. وزن آنها معمولاً 50 تا 75 درصد سبک تر از سایر سازه‌های مشابه هستند.
2. سازه‌های فضایی بسیار مقاوم هستند. آنها می‌توانند در برابر بارهای سنگین مقاومت کنند.
3. سازه‌های فضاکار را می‌توان به اشکال مختلف طراحی کرد.
4. این سازه‌ها را می‌توان به‌سرعت ساخت و انتقال داد (البته به کمک نیروهای متخصص).
5. توزیع بار استفاده شده در آن، به‌صورت محوری و یا فشرده‌سازی است.
6. به دلیل پیروی از قوانین ماتریس، دارای اندازه و شکل استاندارد هستند.
7. اگرچه هزینه ساخت کمی بالاست اما به دلیل مقاوم‌بودن، مقرون‌به‌صرفه است.
8. برای بارهای متمرکز غیرمتقارن یا بسیار سنگین قابل‌استفاده هستند.

علاوه بر مزایای گفته شده، معایبی از جمله نیاز به فولاد زیاد برای ساخت سازه، افزایش قیمت موادی مانند زغال کک و آلوده‌شدن محیط وجود دارد. اما باتوجه‌به مزایایی که دارد، این معایب چندان به چشم نمی‌آید. با مدیریت صحیح منابع، می‌توان این معایب را کنترل کرد. در این مقاله به بررسی سازه فضاکار و انواع آن پرداختیم. همان‌طور که توضیح داده شد این سازه‌ها، دارای ظاهر بسیار زیبا و کاربردهای متنوعی هستند. از سازه‌های فضایی در سالن‌های ورزشی، ساختمان‌های تجاری یا صنعتی، استادیوم‌ها، نمایشگاه‌ها و باجه‌های عوارض استفاده می‌شود.

جمع‌بندی ونتیجه‌گیری

جهت آشنایی کامل با  “سازه فضاکار” به پکیج “دوره جامع متره و برآورد پروژه (دکتر مترور)” در صفحه اصلی وب‌سایت مراجعه فرمایید.